/
Текст
Я. М. ОХРИМЕНКО
<
$
КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Я. М. ОХРИМЕНКО
ТЕХНОЛОГИЯ НУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Допущено Министерством высшего
« среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов
ИЗДАТЕЛЬСТВО „МАШИНОСТРОЕНИЕ4' Москва 1966
УДК 621.‘73 (075)
Содержание книги определено программой УМУ-Т-4/24, утвержденной учебно-методическим управлением по вузам Министерства высшего и среднего специального образования СССР от 15 ноября 1962 г.
Книга содержит основные сведения по разновидностям технологических процессов ковки и горячей штамповки, конструированию инструментов и другим вопросам кузнечно-штамповочного производства.
Книга предназначена в качестве учебника по курсу «Технология кузнечно-штамповочного производства» для студентов металлургических вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Обработка металлов давлением». Книга также может быть использована инженерно-техническими работниками кузнечно-штамповочного производства.
Рецензенты: кафедра «Машины и автоматизация обработки давлением» МВТУ им. Баумана и канд. техн, наук В. М. Аристов
Редактор издательства инж. Ю. Л. Маркиз
а—12^-3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Порядок изучения технологии кузнечно-штамповочного производства может быть различным. В книгах наиболее часто технологические процессы рассматриваются применительно к различным машинам для ковки, штамповки; так, например, изучают технологические особенности ковки или штамповки на молотах, прессах и других кузнечных машинах. В другом случае основную роль при описании технологических процессов придают не машинам-орудиям, а инструменту, определяющему характер процесса. При этом изучают, например, свободную ковку плоскими и вырезными‘бойками, ковку в подкладных (незакрепляемых) штампах, штамповку в открытых и закрытых штампах, выдавливание поковок и др.
При написании учебника автор исходил из того, что у студентов должен быть выработан технико-экономический подход к рассматриваемым процессам. С этой целью технологические варианты следует группировать по принципу объединения процессов с одинаковым уровнем технико-экономических показателей производства.
В связи с изложенным наиболее правильно процессы индивидуального, серийного и массового производств изучать раздельно. Однако из-за трудностей методического характера при построении книги был выбран комбинированный вариант, при котором наряду с ранее применявшимися способами изучения технология ковки и штамповки рассматривается с экономической точки зрения с учетом организационных особенностей производства, его серийности и масштаба. При этом удается ознакомить студентов с эффективностью специализации, кооперирования, концентрации, централизации производства поковок и других мероприятий, способствующих совершенствованию технологических процессов ковки и штамповки.
3
В книге приведены некоторые теоретические материалы, относящиеся к технологии ковки, штамповки и дополняющие соответствующие разделы курса «Теория обработки металлов давлением».
Вопросы теплового режима нагрева металла для ковки, штамповки рассматриваются только как дополнительные к тем, которые излагаются студентам в курсе по нагревательным устройствам и печам.
Вопросы механизации и автоматизации процессов ковки и штамповки, чтобы не повторять материалов соответствующего курса, в данном учебнике не рассматриваются. В книге отмечаются лишь особенности режима деформации, условий работы инструмента и другие, дополняющие курс автоматизации и комплексной механизации кузнечно-штамповочного производства.
ГЛАВА I
КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СССР
Технологический процесс кузнечно-штамповочного производства отличается простотой осуществления, высокой экономичностью и значительной производительностью. С помощью разнообразных способов ковки и штамповки получают большое количество поковок деталей машин и приборов, метизы, разнообразный инструмент и значительное количество металлических предметов бытового назначения. Количество кованых и штампованных деталей в ряде машин достигает '/3 по массе и E/s по числу деталей.
В Советском Союзе производится огромное количество машин, механизмов и приборов (126 000 наименований в 1960 г. [96]), в связи с чем кузнечно-штамповочное производство получило широкое применение. Дальнейшее значительное развитие этого производства предусмотрено в новом, восьмом пятилетием плане. Масса (вес) производимых поковок колеблется от нескольких десятков граммов (например, при горячей штамповке поковок деталей швейных машин) до сотен тонн (например, при ковке поковок роторов турбин и др.). Ковкой и штамповкой могут быть обработаны почти все используемые в промышленности металлы и сплавы. Для труднодеформируемых и малопластичных сплавов применяются специальные способы обработки.
Ковкой и штамповкой изготовляют сотни тысяч и миллионы изделий разных типов, массы, формы, размеров, точности и чистоты поверхности, при этом используются металлы, различные по химическому составу, пластичности, прочности и другим физическим свойствам. По приблизительным подсчетам в СССР номенклатура выпускаемых поковок превышает 500 000 типов.
Качество кованой и штампованной продукции выявляется при сопоставлении ее с продукцией, получаемой другими способами обработки металлов. Например, методами литья для деталей машин могут быть получены заготовки даже более сложные, чем штампованные, но по качеству металла они уступают штампованным. Обработанный давлением металл после термической обра-
5
ботки имеет наилучшие механические характеристики (ударную вязкость, относительное удлинение, усталостную прочность), значительно превосходящие соответствующие характеристики литого металла. Поэтому наиболее ответственные детали большинства машин обычно изготовляют из кованых и штампованных поковок.
Технологические процессы ковки, штамповки отличаются относительной простотой, маневренностью отдельных операций, возможностью работы со штучными или прутковыми заготовками и лучшими условиями механизации вспомогательных работ при использовании твердого, а не жидкого металла. Преимущество ковки, штамповки особенно ясно видно при сравнении этих способов с обработкой резанием, которая до недавнего времени превосходила все другие виды обработки по чистоте поверхности и точности размеров изделий. По мере1 совершенствования обработки давлением получали поковки, у которых чистота поверхностей и точность получаемых размеров соответствовали достигаемым при токарной обработке, затем при фрезеровании и, наконец, при шлифовании. Специальные виды штамповки (калибровка, выдавливание) обеспечивают получение готовых изделий (заклепок, болтов, гаек и др.) и деталей машин, пригодных для сборки без дополнительной обработки (лопатки турбин); при этом достигается точность по 3-му классу и чистота поверхности соответственно по 7—9-му классу.
В настоящее время созданы новые процессы, при использовании которых обработка металлов давлением не предшествует обработке резанием, а завершает изготовление деталей. К ним относится большая группа процессов чистовой обработки поверхности деталей пластическим деформированием, в том числе обработка обкаткой и раскаткой роликами, дорнование отверстий, упрочняющая обработка поверхности наклепом, накатка зубьев и резьб и др. При помощи этих процессов практически достигнута шероховатость поверхности по 10—12-му классу точности для сырых и закаленных сталей до HRC 50. Масса деталей, обрабатываемых указанными способами, достигает ертен тысяч тонн в год. Широкое распространение этих процессов при изготовлении деталей подтверждает общую тенденцию, состоящую в уменьшении объема обработки резанием и применении таких прогрессивных способов обработки, как обработка металлов давлением и литье в формы.
В настоящее время токарная обточка, фрезерование, строгание не должны применяться самостоятельно для изготовления тех деталей, которые могут быть получены способами обработки металлов давлением. При изготовлении деталей механическая обработка должна применяться в небольшом объеме лишь для частичной обработки детали или как отделочная операция для уменьшения радиусов закруглений углов, образования поднутрений 6
и очень узких канавок, а также для повышения чистоты поверхности и точности размеров детали, если этого нельзя достигнуть обработкой давлением.
В настоящее время способами ковки, штамповки в СССР обрабатывается 7—8% всей выплавляемой стали [II]. Ниже дано соотношение выпуска поковок к выплавке стали в СССР.
I оды Вннлавка стали б млн. т 1 [ Выпуск поковок и млн. т Отношение выпуска поковок к выплавке стали в %
1455 45,3 3,5 7,7
1958 55,0 4,3 7,7
1959 60,0 4,6 7.7
1960 65,2 4,9 7,5
1963 80,0 5,3 7,0
В США и Англии объем производства поковок несколько меньше и составляет 6%, в ФРГ — 5% за счет более широкого использования в машиностроении точного литья и пластических масс. В машиностроении СССР ковке и штамповке подвергается до 25% всей используемой прокатанной стали.
При этом масса кованых и штампованных деталей составляет в среднем 17% и достигает 30% в автомобиле- и тракторостроении. Коэффициент использования металла [Кисп — где Gd — масса деталей машин, Gs — масса металла, поступающего в обработку) в СССР и зарубежных странах не превышает 0,4—0,5, что приводит к большому объему обработки резанием. Количество стружки от обработки поковок, отливок и непосредственно проката в машиностроении СССР достигает 5 000 000 т в год.
Трудоемкость кузнечных процессов в значительной степени зависит от серийности и масштаба производства, которые, в свою очередь, определяют специализацию и механизацию процессов и техническую культуру производства. Из сопоставления работы кузнечно-штамповочных цехов с различной серийностью, но с одинаковыми объемами производства видно, что в среднем выпуск поковок, приходящийся на одного рабочего, отличается в несколько раз, причем чем больше масштаб и серийность производства, тем больше производительность труда. Если при горячей штамповке в крупносерийном и массовом производствах (например, в автомобилестроении) трудоемкость не превышает 10 нормо-часов на 1 tn поковок средней массы и 20 нормочасов на 1 т мелких поковок, то при ковке в условиях индивидуального производства таких же по массе поковок на каждую тонну металла затрачиваются сотни часов.
7
Если сопоставить мелкосерийное производство кованых поковок при небольшом объеме (до 1000 т в год) и крупносерийное штампованных поковок при большом объеме (свыше 50 000 т в год), то трудоемкость изготовления 1 т поковок изменяется от 350—400 чел.-час до 7—8 чел.-час.
Увеличение масштаба производства поковок отражается на трудоемкости и на других технико-экономических показателях производства. Ниже приведена зависимость основных технико-экономических показателей поковок от объема их выпуска (по московским заводам).
Объем производства отдельных цехов в тыс т Средняя трудоемкость изготовления 1 tn поковок в ч В ыработка на одного рабочего в tn Съем с 1 площади цеха в т
Свыше 1С0 9,7 105,7 6,25
1—5 60,0 34—43 2—3,2
Менее 1 114 - -226 15—34 0.52—1,7
Ниже дано распределение кузнечно-штамповочных цехов в СССР но годовому выпуску поковок (к 1959 г.) [491.
Годовой выпуск в т До 1000 1000— 5000 5000— 20 000 20 ОСОБО 000 50000— 100000 Свыше 100 000
Количество цехов в % . . 75.0 16,5 5.3 2,2 0.5 0,2
В общем балансе изготовляемых в СССР поковок на долю кованых в начале последней семилетки приходилось около 40%, причем ковку в том: или ином объеме применяли 95% общего количества цехов.
Ковку можно считать устаревшим и неэкономичным процессом только при большой серийности производства мелких и средних по массе поковок (до 100—200 кг), изготовляемых преимущественно на молотах. Более крупные поковки, особенно поковки массой, исчисляемой десятками и сотнями тонн (наибольшая масса кованых поковок достигает 300 т и более), удается изготовлять только ковкой па прессах, причем этот процесс в данном случае является наиболее прогрессивным и экономичным независимо от серийности производства.
Указанная выше цифра 40% кованых поковок в общем балансе производимых в Советском Союзе поковок является средней. В тяжелом машиностроении количество кованых поковок достигает 70%, а в автомобилестроении только 6% (остальные 8
в обоих случаях штампованные). На долю 5% цехов, в которых основным процессом является штамповка, приходится около 60% всех выпускаемых поковок. Это мощные современные цехи автомобилестроения, тракторостроения, подшипниковой промышленности и других отраслей машиностроения.
Приведенные цифры свидетельствуют о том, что в числе 1600 предприятий СССР, изготовляющих поковки, значительное количество цехов до недавнего времени представляло собой очень небольшие по объему производственные единицы (с годовым выпуском до 200 т), причем в подавляющем большинстве эти старые цехи, оснащенные несовременным оборудованием, были построены в период создания отечественного машиностроения. Каждый завод располагал кузнечным цехом небольшой мощности с мелкосерийным характером производства, изготовляющим сотни и тысячи различных типов поковок для нужд собственного производства. Практикой доказано, что небольшие цехи менее эффективны, чем мощные, поэтому производство поковок укрупняется; это в значительной степени упрощается в связи с проведением кооперирования и специализации производства.
В результате реконструкции отдельных цехов, введения новых мощностей и объединения мелких кузниц осуществляется концентрация кузнечного производства. В табл. 1 приведены намеченные планом изменения в структуре выпуска поковок с 1958 по 1965 гг. [11].
Таблица I
Соотношение кованых и штампованных поковок, выпускаемых кузнечно-штамповочными цехами
Покопкн 1S58 г. 1S65 г.
в тыс т »% в тыс. tn в %
Кованые 1760 41,5 2220 34.8
Штампованные .... 2484 58,5 4150 65.2
Итого . . . 4244 100 6370 100
Увеличение выпуска поковок на 50% при одновременном росте штампованных поковок (с 58,5 до 65,2% от общего количества) свидетельствует о внедрении более рационального способа их изготовления. Это подтверждается тем, что в числе 35 новых предприятий, вводимых в эксплуатацию, есть специализированный завод для массового изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания (с годовым выпуском 6—8 тыс. т), завод крупносерийного изготовления запасных тракторных частей, кузнечно-штамповочный цех, который должен обеспечить поковками вагоно
9
Строительную промышленность (с годовым выпуском 100 тыс. т), и другие специализированные штамповочные предприятия [11].
В соответствии с планом развития кузнечно-штамповочного производства было предусмотрено сокращение общего количества цехов к концу 1965 г. на 22% при одновременном увеличении в 2,2 раза среднего годового выпуска поковок кузнечными цехами (с 2,6 до 5,7 тыс. т). Этим же планом предусмотрено значительное обновление парка кузнечного оборудования. К концу 1965 г. было намечено ввести около 900 единиц новых образцов оборудования, среди которых такое прогрессивное оборудование, как кривошипные горячештамповочные прессы (количество их должно возрасти в 4,4 раза: с 2 до 8,8%), при этом количество штамповочных молотов в общем парке оборудования уменьшено с 17,6 до 12,3%.
На 1965 г. общее количество кузнечно-прессовых машин в СССР составило 34,4 тыс. шт., а на 1970 г. их должно быть 50— 52 тыс. шт.
Большие задачи стоят перед кузнечно-штамповочным производством в отношении экономии металла. У несовершенных технологических процессов, подлежащих рационализации, коэффициент использования металла даже на специализированных предприятиях не превышает 0,5. Необходимо этот коэффициент увеличить до 0,6; при этом не менее 40% металла будут составлять отходы кузнечных, термических и механических цехов (при использовании малоотходных процессов типа безоблойной штамповки, калибровки под шлифовку, выдавливания готовых к сборке деталей машин и т. д., применяемых на передовых заводах).
Для общего представления о структуре отходов металла при различных способах изготовления поковок в табл. 2 приведены средние коэффициенты использования металла, рассчитанные как
Коэффициент использования металла при различных способах изготовления поковок
Таблица 2
Отходы
Способы изготовления поковок При подготовке металла к ковкс-штяыпов-кс (рубке, резке) в % При штамповке в % При механической обработке В % При термической обработке в % Коэффициент использования металла к а?
Ковка болванок и прутковых заготовок Ковка слитков .... Горячая штамповка прутковых заготовок 1—3 25—36 2—4 10 10 15—25 40-50 30-40 25—35 2-3 2—3 _‘ZL 0,3—0.4 0,25 -0,3 0,45—0.5
10
отношение массы готовых деталей к массе расходуемого на них металла.
Как видно из этих ориентировочных данных, наибольшая часть отходов при ковке связана с превращением поковки в деталь в процессе механической обработки. В отдельных случаях отходы в стружку достигают 60 и даже 70% от веса заготовки (для деталей сложных форм). При горячей штамповке отходы в стружку меньше, по увеличены отходы в процессе формообразования поковок (в основном на облой). При ковке поковок из слитков ’/s—-J/4 металла слитка удаляется в отход (донная и прибыльная его части). Из-за этих отходов значительно снижается коэффициент использования металла при ковке поковок из слитков. Однако рассматриваемые отходы только отделяются от годного металла в кузнечных цехах, а по существу являются отходами сталеплавильного производства. С другой стороны, отходы металла при обработке поковок резанием в значительной части являются отходами кузнечного производства, хотя и отделяются от годной части поковок в механических цехах. Следовательно, при изготовлении поковок отходы складываются из двух частей: из отходов, удаляемых непосредственно при изготовлении поковок (клещевых концов, обсечек, облоя и т. п.) и удаляемых в механических цехах в виде дефектного поверхностного слоя.
Величина тех и других отходов характеризует техническую культуру производства поковок и может служить в качестве одного из основных технико-экономических показателей производства деталей машин.
Осуществляемая на протяжении последних лет концентрация кузнечно-штамповочного производства не является простым объединением мелких цехов в более крупные, так как наличие в них устаревшего универсального оборудования и огромная номенклатура изготовляемых поковок не позволяют применить новейшие технологические процессы и усовершенствовать организацию производства.
Процесс концентрации производства поковок совершается на базе специализации их изготовления.
Одновременное проведение специализации и концентрации производства поковок обеспечивает значительное повышение технико-экономических показателей. Это означает новую организацию и широкое внедрение передовой технологии производства поковок, при котором типы кузнечных машин, применяемых в мелких кузнечных цехах, могут оказаться даже непригодными.
Производственный процесс в кузнечно-штамповочных цехах характеризуется относительной малооперационностью (нагрев, ковка или штамповка, в последнем случае — обрезка облоя, охлаждение поковок), высокой производительностью, большой металлоемкостью и энергоемкостью и тяжелыми условиями труда (при отсутствии должной механизации).
11
Технологический процесс можно расчленять па элементы, осуществляемые в различных комбинациях. Изготовление поковок отличается незначительной продолжительностью непосредственно рабочего цикла. При горячей штамповке, например, нагрев металла в печах длится десятки минут, при индукционном нагреве — десятки секунд, и только нагрев крупных слитков для ковки исчисляется многими часами (слиток массой 200 т нагревается до 1200° С за 3 суток).
Время штамповки исчисляется секундами (удар молота совершается за 0,001 сек, на нажим кривошипного пресса расходуется несколько десятых секунды, на медленно действующих гидравлических прессах обжатие 200—300 мм осуществляется за несколько секунд). На сотни обжатий, которые требуются для сложных операций, расходуется всего несколько или десятки минут машинного времени от общего времени, затрачиваемого па ковку и исчисляемого многими часами.
Концентрация производства положительно влияет на технико-экономические показатели цехов, выпускающих поковки, при этом стоимость поковок становится дешевле, а затраченный на их изготовление труд производительнее. Это подтверждается данными научно-исследовательского института Госплана СССР (табл. 3) [11].
Таблица 3 Зависимость технико-экономических показателей производства поковок от объема производства
Из этой же таблицы видно, что укрупнение производства особенно эффективно сказывается на производстве поковок с преобладанием штамповки (правая часть табл. 3), что, вероятно, объясняется относительно более высоким уровнем специализации технологических процессов горячей штамповки по сравнению с ковкой при увеличении объема производства. Для повышения уровня специализации наряду с концентрацией производства поковок до-12
биваются стабилизации и ограничения номенклатуры выпускаемых поковок для каждого из цехов в соответствии с возможностями данного производства (тип, размер и количество единиц оборудования).
Ограничение номенклатуры поковок за счет унификации или объединения отдельных поковок для совместной ковки, штамповки целесообразно, но не может привести к значительному сокращению числа производимых поковок. Решение этого вопроса заключается в широком кооперировании различных производств. В этом случае удается не только сократить номенклатуру поковок, но и увеличить объем производства каждого типа поковок, сосредоточить в отдельных цехах более однородные но форме и близкие по технологии изготовления поковки.
Такое формирование номенклатуры производства поковок создает предпосылки для применения специализированного оборудования, комплексной механизации и автоматизации производства поковок, внедрения новейшей технологии производства и прогрессивных методов организации труда. Все это способствует увеличению производительности труда и снижению себестоимости ио-ковок. Подсчитано, что в кузнечно-штамповочном цехе ЗИЛа сокращение номенклатуры поковок с 900 до 250 (с тем, чтобы на каждый типоразмер оборудования вместо 13 наименований поковок приходилось только 4) обеспечивает увеличение выпуска поковок па 12%, при этом себестоимость поковок должна значительно сократиться, а качество их повыситься.
Одна из положительных сторон специализации производства поковок состоит в возможности организации централизованного производства однотипных поковок общемашиностроителыюго характера (шестерен, валов, клапанов, фланцев и др.) аналогично производству в настоящее время крепежных изделий (болтов, гаек, заклепок и др.) В начале семилетки (1958 г.) производство мелких и средних крепежных изделий в СССР было сосредоточено па 1350 предприятиях, причем только 18 из них были крупными, специализированными предприятиями [30 ].
В результате специализации производства поковок организованы базовые предприятия, снабжающие поковками экономические районы^или отдельные отрасли промышленности. К таким предприятиям относятся, например, Челябинский кузнечно-прессовый завод, изготовляющий запасные часта для автомобилей.
По степени специализации кузнечно-штамповочные цехи подразделяются на специализированные, универсальные и смешанные, представляющие собой промежуточную группу цехов. К специализированным цехам относятся, например, кузнечно-штамповочные подшипниковой промышленности, метизное производство, производство фитингов, производство цепей, производство крепежных деталей для железнодорожных путей (противоугоны, костыли, болты с накладками и др.).
13
В большинстве своем это штамповочные цехи, но в числе специализированных есть и ковочные, например осековочные цехи для железнодорожного транспорта, а также цехи некоторых металлургических заводов (Златоустовского, Электростали и др.) для изготовления болванок из слитков высоколегированной стали.
К универсальным относятся цехи общемашиностроительных заводов. Среди них есть цехи, изготовляющие поковки небольшой и средней массы (например, кузнечный цех Электростальского завода тяжелого машиностроения), а также цехи, изготовляющие поковки большой массы (кузнечный цех УЗТМ и др.).
Эта группа цехов выпускает самую разнообразную номенклатуру поковок, достигающую 20—30 тыс. наименований в год [11 j. Большинство этих поковок изготовляется небольшими сериями, и только отдельные поковки (например, шары для размольных мельниц) выпускаются миллионами штук, в связи с чем для их производства организованы специализированные поточные линии. К промежуточной группе цехов относятся кузнечно-штамповочные цехи смешанного типа и автомобиле- и тракторостроения, а также сельскохозяйственного машиностроения. В зависимости от серийности производства отдельных поковок в этих цехах применена различная степень специализации их производства.
Серийность производства и масштабы потребления поковок являются главными факторами, определяющими эффективность специализации, механизации и автоматизации производства поковок. Как было сказано выше, масштаб производства каждого типа поковок может быть значительно увеличен при концентрации (за счет объединения мелких кузнечных цехов в более крупные) и кооперировании производства, при создании централизованного производства и, наконец, при унификации родственных по типу и конфигурации поковок. Степень специализации производства поковок может быть различной и зависит от разновидностей применяемой технологии и масштаба производства поковок. Например, при массовом производстве поковок имеет место наивысшая степень специализации, которая распространяется на машину-орудие и инструменты-штампы. В этом случае создаются наилучшие условия и для автоматизации производства.
Создание специализированных автоматов (типа болтового комбайна) для производства одного типа изделий является наивысшим достижением в кузнечно-штамповочном производстве. В отечественной промышленности находится в эксплуатации много различных автоматов указанного типа; кроме болтового комбайна, имеются клапанные (роторного типа), цепные, для производства комбайновых валиков и др.
В серийном производстве поковок специализации подвергается преимущественно инструмент, а машины-орудия могут быть универсальными (прессы, горизонтально-ковочные машины, молоты и др.).
14
В индивидуальном производстве при большой номенклатуре выпускаемых поковок меньше возможности для специализации, так как при этом используют универсальное оборудование и инструменты.
Подразделение кузнечно-штамповочного производства на индивидуальное (или единичное), серийное и массовое является в известной мере условным.
Границы между соседними типами производства не установлены, и подразделение соответствующих цехов носит качественный характер. Например, число, которым характеризуется крупная серия поковок для тепловозов, определяет мелкую серию в производстве поковок тракторов и т. д. Даже для одного и того же типа поковок понятие о серийности может быть не одинаковым в зависимости от их размеров. Например, серийность в производстве мелких и крупных болтов имеет различное количественное выражение, так как способы их производства существенно отличаются друг от друга.
При массовом производстве поковок цех подразделяется на узкоспециализированные участки, оснащенные специальным оборудованием, расположенным по ходу технологического процесса, что облегчает условия поточного метода, комплексной механизации, автоматизации и внедрения передовой технологии, в том числе технологии комбинированного производства деталей (совмещенного с термической и механической обработкой и т. п.). Наиболее типичным является массовое производство поковок одного вида и типоразмера на каждом агрегате. В этом случае возможна организация постоянных поточных линий с регламентированным ритмом непрерывного потока, являющихся наиболее организованной формой работы.
При массовом производстве поковок допускается изготовление поковок нескольких типоразмеров или видов. При этом предполагается выпуск поковок, требующих при изготовлении одинакового количества ходов машины-орудия, номинального или меньше поминального расхода энергии и усилия на деформацию в пределах допустимого для данной машины. Этот вид массового производства поковок характеризуется тем, что переналадки процесса производства с одного типа поковок на другой не отличаются от обычной смены изношенного инструмента при производстве только одного типоразмера поковок, поскольку количество и характер операций в обоих случаях одинаковы. Однако в организационном отношении обе разновидности массового производства существенно отличаются друг от друга, причем каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.
Если па данном агрегате осуществляется изготовление только одного типоразмера поковок, плановый их выпуск должен быть кратен возможной производительности агрегата, чтобы избежать значительного снижения коэффициента загрузки оборудования.
15
Например, если производительность агрегата 1000 шт. поковок, а программа 1100 шт. поковок, то приходится устанавливать два агрегата с коэффициентом загрузки ~ 55%, что
нецелесообразно с экономической точки зрения. Поэтому обычно объем задания согласовывают с возможностями имеющегося в наличии оборудования, поскольку в условиях централизации и кооперирования производства программа выпуска может корректироваться. На рис. 1 приведен график изменения загрузки оборудования, из которого видно, что увеличение программы выпуска до величины 77, приводит к увеличению загрузки
Рис, 1. Зависимость коэффициента загрузки оборудования Ка от выпуска поковок; flt, П2 и т. д. — программы выпуска, кратные годовой производительности единицы оборудования; 1,2 и т. д. — соответствующее количество единиц оборудования
оборудования до 100%. Дальнейшее повышение программы выпуска требует установки второй единицы оборудования, что вначале сопровождается снижением его загрузки до 50%; при этом 100%-ная загрузка восстанавливается лишь при увеличении программы выпуска до величины Пй, превышение которой вновь сопровождается падением загрузки до 66,6%. Каждая еле,дующая единица оборудования приводит вначале ко все меньшим падениям его загрузки, и при более четырех единиц оборудования потеря в загрузке незначительна (менее 20%),
Если на данном специальном агрегате изготовляются два или несколько типоразмеров поковок, то возникают осложнения, связанные с необходимостью ритмичного выпуска каждой из них. Организация этой разновидности массового производства поковок не отличается от серийного их производства. Выполнить годовую программу по выпуску каждой из поковок без подразделения на квартальную, месячную и т. д. нельзя из-за значительного омертвления при этом средств, ухудшения оборачиваемости оборотных средств, трудностей, связанных с обеспечением производства поковок исходным металлом, и необходимости иметь
16
Точение гиз прутка Руб ЦО
i
о,.?
Е $2
0.}
КоВка
Способы изготовления валов
2. Сравнительная себестоимость поковок
Поперечная прокатка
Горячая штамповка
Рис.
и деталей небольших валов, изготовляемых различными способами. Заштрихованные участки характеризуют стоимость обработки резанием (составлено по данным В. С. Бялковской)
5)
С Е’о О
С г
большие промежуточные склады, что в конечном счете противоречит самой идее поточного производства. Чередование производства различных поковок обычно согласовывают с месячной или декадной программой, а момент перехода к изготовлению другой поковки приурочивают к остановке оборудования, вызванной необходимостью замены изношенного инструмента.
Значительные осложнения в чередовании изготовления поковок появляются при серийном характере производства. Боль шинство кузнечно-штамповочных цехов при серийном производстве поковок располагает 30—60 единицами основного оборудования при номенклатуре поковок 300—750 шт., т. е. на долю каждой единицы оборудования в среднем приходится 10—15 поковок (например, па ЗИЛе—13 поковок, на МЗМ А — 11 поковок). Если учесть, что на каждый тип поковок устанавливается месячная программа, то легко представить, насколько значительны потери в производительности при 120—180 ежегодных переналадках инструмента для каждой единицы оборудования.
Кроме снижения производительности и уменьшения эффективности использования машин-орудий, систематическая переналадка при серийном производстве сопровождается увеличением накладных расходов и, в конечном счете, повышением себестоимости продукции, которая является одним из главных факторов, определяющих эффективность производства. Из сравнения себестоимости продукции, полученной различными способами (и при различной серийности), выявляется оптимальный объем производства поковок, а также критерий, определяющий наивыгод-пейшее разделение этого объема на отдельные партии поковок, изготовляемые ежемесячно, ежедекадно и т. д. (см. гл. XI). Подобные расчеты должны производиться с учетом расходных статей всего технологического процесса изготовления деталей, а не только технологии производства поковок. Рис. 2 иллюстрирует пример того, что себестоимость изготовления поковок не является показательной, так как (в данном случае) наиболее дешевая деталь (вал) производится из наиболее дорогой поковки
2 Я- М Охрименко 597 17
(получена поперечно винтовой прокаткой на специальном стане) вследствие наименьших расходов на механическую обработку и потерь в стружку при переходе от поковки к детали. Доля себестоимости, приходящаяся на механическую обработку, показана заштрихованными участками графика. *
При сравнении себестоимости изготовления поковок сталкиваемся с одним несовершенством этого показателя.
Стоимость металла достигает 85% от себестоимости поковок (остальное — заработная плата рабочих, энергозатрат и другие цеховые расходы), которая может изменяться в несколько раз в зависимости от применяемой марки стали. Это не дает возможности сопоставлять себестоимости поковок, изготовляемых из различных металлов. Для таких сравнений более показательны коэффициент использования металла и стоимость обработки 1 т металла. К числу показателей, также характеризующих технологическое совершенство производства, относятся трудоемкость и съем поковок с каждого квадратного метра цеховой площади.
В табл. 4 даны запланированные с 1958 по 1965 гг. изменения технико-экономических показателей применительно к универсальным и специализированным кузпечным цехам СССР [111.
ТоГшща 4
Технико-экономическая характеристика кузнечно-штамповочных цехов СССР
Цехи Т ру до-емкость в ч.Нп Съеоя с I м1 общей площади цеха в ш Коэффициент использования металла (по готовой детали ) Себестоимость 1 т поковок из средие-yj лсродисгой стал» в руб
1858 1565 1558 1965 1S5H 1565 1558 1865
Универсальные ковоч- ные 80 60 1.2 1,6 0,3- • 0,35 210 140
Универсальные штам- повочные 40 25 2,2 2,8 0,4 0,45 0,55 280 260
Специализированные ковочные 40 30 1,2 1.7 0,4 0,5 170 140
Слепи а лизированные штамповочные . . , . 20 12 3,5 4,5 0,5 0,6 200 180
Предполагается дальнейшее улучшение качества поковок в связи с повышением требований, предъявляемых соответствующими техническими условиями на поковки. Кузнечно-штамповочное производство технически и организационно совершенствуется, чему способствует значительный объем исследовательских и экспериментальных работ, проводимых отраслевыми научно-исследовательскими институтами, лабораториями заводов и втузов 18
и созданным в последние годы специальным экспериментальным научно-исследовательским институтом кузнечно-прессового машиностроения (ЭНИКМАШ). Разработка технологических процессов проводится на базе научно обоснованных методов, сущность которых изложена в обширной литературе по специальности и регламентируется соответствующими ГОСТами (на размерные ряды кузнечно-штамповочного оборудования, конструкцию и крепежные размеры инструмента, припуски, допуски и напуски для поковок и др.), а также нормалями машиностроения (МН) и ведомственными нормалями. Обмен опытом производится на базе различных отраслевых и заводских бюллетеней, а также через специальный журнал «Кузнечно-штамповочное производство».
2*
ГЛАВА И
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОДГОТОВКА ДЛЯ КОВКИ, ШТАМПОВКИ
В качестве исходного материала для кузнечно-штамповочного производства применяются металлы в виде слитков, различных профилей проката, прессованных прутков и даже жидкий металл. В соответствии с учебной программой ниже рассматриваются преимущественно стальные материалы.
Для ковки, штамповки используют сталь, получаемую в мартенах, конвертерах и электропечах. Для процессов ковки существенное значение имеет способ производства стали, по которому ее подразделяют на спокойную и кипящую. Спокойная сталь, раскисляемая полностью до разливки, застывает в плотные слитки с сосредоточенной в прибыльной части (при разливке сверху) усадочной раковиной. Ее отделяют вместе с прибыльной частью слитка в процессе ковки. При разливке кипящей стали раскисление происходит в изложнице, причем, несмотря на бурное выделение газов, слитки получаются с большим количеством пузырей и пустот по всему сечению. Для ковки кипящая сталь малопригодна, так как трудно обеспечить полную заварку пустот и пузырей в процессе ковки.
§ 1. СЛИТКИ, БОЛВАНКИ, ПРУТКИ
Стальные слитки. Слитки в качестве исходного металла применяются главным образом для ковки. Штамповка литых заготовок имеет незначительное распространение, причем их отливают не в обычных изложницах, а в формах, обеспечивающих получение заготовки, близкой по конфигурации к поковке. Обычные кузнечные слитки отливают сверху в изложницы с полостью, имеющей форму усеченной пирамиды и поперечное сечение в виде шести-, восьми- или двенадцатиугольника. В отлитом слитке к нижнему (меньшему) основанию пирамиды примыкает донная, а к верхнему — прибыльная части слитка, составляющие, как уже указывалось, отходы сталелитейного цеха, удаляемые в кузнечном цехе. В табл. 5 приведены некоторые размерь! слитков, выплавляемых 20
Таблица S
Характеристика стальных слитков
—i-W
Масса в т Отходы в % Размеры в мм
донной части прибыльной части Hl Сл То Dcp = “F 1
1.2 0,8 22.0 325 455 140 345 1410 1000 400 2,5
2 0,8 22,5 430 550 200 380 1610 1160 465 2,5
3 0,8 21,6 500 630 200 450 1860 1350 540 2,5
6,5 2,6 21,2 630 /95 296 580 2265 1650 687.0 2,4
9 2,4 20,2 720 «95 397 670 2530 1825 782,0 2,3
15 2,0 20,6 875 1070 397 870 2830 2030 970,0 2,1
26 2,2 20,0 1040 1265 542 1000 3574 2420 1132,0 2,1
52 2,0 20,9 1325 1600 62.3 1330 4250 3060 1465,0 2,1
85 1,7 19,0 1576 1880 623 1580 4990 3600 1730.0 2,1
130 1,75 21,4 — 2164 828 1820 5750 4150 1992,0 2,1
170 1,9 21,0 1975 2360 800 I960 6460 4525 2160,0 2,1
250 3.1 21,4 2280 2700 770 2230 7745 5100 2465.0 2,1
350 2.8 18.3 2350 3255 1200 2660 7190 5100 2957,0 1,75
на заводах СССР по различным мало отличающимся друг от друга ведомственным нормалям (ГОСТ па размеры слитков еще не разработан).
Как видно из этой таблицы, отходы, приходящиеся на донную часть слитков, не превышают 2—3% (если ограничиваются удалением участков 1К, эскиз в табл. 5). При обрубке донной части по телу слитка отходы увеличиваются до 5—8% (как правило, это относится к легированной стали). Отход на прибыльную часть составляет 20—22%, а для легированной стали в отдельных случаях достигает 30% и даже более. Размеры слитков, указанные в табл. 5, не являются предельными. Слитки меньших размеров (но не менее 200 кг) применяют чаще всего для высоколегированных сплавов. Слитки массой более 350 т могут быть использованы для уникальных изделий, при этом применяются мартеновские печи, емкость которых (500—1000 т) позволяет получать слитки большой массы без применения слива металла из разных печей. Отношение наибольшей длины Lo, используемой
21
для изготовления поковок, к среднем), поперечному размеру Dcp слитка не превышает 2,5.
Удлиненные слитки. В последнее время в промышленности используются удлиненные слитки с отношением -.т" =3-5-5, М-р
Таблица 6
Сопоставление показателей для обычных и удлиненных слитков 128]
Масса СЛИТКА в т Выход годного в % П ]?о дол-житель-несть нагрева перед ковкой в V Экономия от применения удлиненных слитков в %
топлива мишип* него 1 времени
3,8 59,8 12,0 31
2,95 77,0 5,5
4.2 63,1 1,59 54 25
3,5 75.0 1,32
4.2 64,0 12.0 54
3,5 77,0 5,5
7.3 61,0 17,5 АГ)
|=°- 77,0 7,0 <х>
12,0 63,2 1Д8 68 37
10,5 77,0 1,30
Примечание. Цифры в знаменателе относятся к обычным, а в числителе — к удлиненным слиткам.
если осадка отсутствует или если предусматривается разрубка слитка на части. Здесь прибыльная часть является продолжением пирамидальной формы слитка. Отходы при отделении прибыльной части слитка составляют всего около 12%, а донной части слитка 1—3%. Химический состав металла удлиненных слитков более однородный, чем состав обычных слитков, а металл имеет большую плотность за счет меньшего количества пустот и пузырей; это позволяет уменьшить уковку для устранения следов литой структуры при ковке. Из табл. 6 видны преимущества удлиненных слитков перед обычными.
В отечественной промышленности освоена отливка удлиненных слитков массой до 12 tn.
Разновидностью кузнечных слитков являются полые слитки, которые могут быть получены следующими способами: разливкой в обычные изложницы со вставленными в них
земляными стержнями или холодильниками, отливкой в землю,
удалением жидкого металла из середины остывающего слитка и центробежной отливкой. Наиболее технологичным оказался способ отливки слитков в обычные изложницы с внутренним холодильником, разработанным НКМЗ. В изложницу помещается тонкостенная труба, внешний диаметр которой соответствует диаметру отверстия полого слитка.
Перед заливкой металла в изложницу в трубу вставляется стальной стержень для предотвращения расплавления и деформирования трубы. По окончании заливки изложницы стержень извлекается из трубы, а на его место устанавливается холодильник водяного действия. Внешние размеры и формы полого слитка 22
такие же как и у обычного сплошного слитка; исключение составляет несколько меньшая его длина (отношение £,Л : Dcp = = 1,25). У этих слитков важным условием для кристаллизации является соотношение LCJt: б 4, где б — толщина стенки полого слитка. Развес слитков не имеет особых ограничений. Применение полых слитков эффективно для поковок с отверстиями, так как устраняется операция прошивки. Нагрев полых слитков может быть менее продолжительным, чем нагрев сплошных слитков, осуществляется без предварительных выдержек и до более высоких температур. Эти слитки не имеют осевой рыхлости и вне-центренной ликвации, за исключением преднрибыльной части слитка.
Малоприбыльные и бесприбыльные слитки получают при подогреве и специальном утеплении надставки в период заливки и остывания стали в изложнице. Металл, задерживающийся относительно длительное время в жидком состоянии, питает небольшую по объему зону усадочной раковины, которая оказывается высоко расположенной. Коэффициент выхода годного при ковке из таких слитков достигает 0,84—0,87.
Слитки с повышенной конусностью (до 10% вместо обычных 5%) применяют для укорачивания области, в которой расположена усадочная раковина. Компактная раковина получается в результате уменьшения перемещения металла вдоль оси слитка в процессе его остывания.
Увеличенная конусность слитка способствует повышению однородности металла, что приводит к уменьшению разброса показателей механических свойств по сечению слитка.
Основной причиной неоднородности механических свойств по сечению’ слитка является его химическая неоднородность и, в частности, различное содержание углерода в разных местах слитка. На рис. 3 приведены результаты исследования двух слитков массой 19 т из стали 55Х на содержание углерода вдоль их оси, которое в пределах конусной средней части слитка (размер £0) изменяется — 0,5 до 0,75%, т. е. в 1,5 раза, а по всей длине более чем в 2 раза.
На рис. 4 приведены аналогичные данные, характеризующие распределение углерода по радиусам в разных местах (по длине) слитка. Здесь по оси ординат показано содержание углерода, а по оси абсцисс — относительное расстояние от оси слитка (в %). Из этого графика следует, что неоднородность распределения углерода в радиальном направлении повышается по мере приближения к прибыльной части слитка, причем наибольшие колебания неоднородности относятся к уровню 7—/ (см. рис. 3) вблизи перехода конусной части слитка к прибыльной, где они достигают 1,4 кратного.
Исследование показало, что, несмотря на повышение содержания углерода по направлению к периферии от оси слитка, предел
23
прочности у края слитка выше, чем вблизи оси, что является результатом рыхлости металла слитка под усадочной раковиной.
Помимо химической неоднородности, качество металла снижает значительное количество дефектов, имеющихся в слитках. Кроме усадочной рыхлости, пустот и пузырей, в слитках могут быть трещины и плены1.
Катаный металл. Для штамповки применяется прокат черных металлов, ^разнообразных профилей (рис. 5). Для ковки
Рис. 3. Распределение углерода по оси слитка массой 19 000 кг из стали 55Х
/—/, //—II, III—III - уровни, соответствующие различным зонам слитки
^0 16,5 33.3 50 66,6 83,3 ЮО $100%
Рис. 4. Распределение углерода на различных уровнях (/—I; II—Н; HI—III) по радиусу слитков из стали 55Х:
и — расстояние от осн слитка до точки, в которой бралась стружка; И — радиус слитка на данном уровне
используется прокат только простейших профилей (рис. 5, а, б); из полученных после его разрубки заготовок изготовляют поковки небольших и средних размеров. Прокат поставляется согласно ГОСТам по габаритным размерам, профилям, точности размеров и маркам стали. Поковки изготовляют из конструкционной (поделочной), инструментальной и специальных сталей различного химического состава и качества. К этим сталям относятся углеродистая обычного качества (группа А, металл которой поставляется по показателям механических свойств, и группа Б — по химическому анализу с нормальным и повышенным содержанием марганца) и качественная.
Из специальных марок сталей для изготовления поковок применяются качественные и высококачественные (у них рядом с обозначением марки ставится буква А), а также селективные, содер
1 Данные по слиткам см. Л Н. Соколов, Исходные материалы для копки и штамповки, М-. НГО МАШНРОМ, 1961.
24
жащие легирующие элементы в меньших пределах, чем это оговорено в соответствующих ГОСТах.
Для штамповки используются все виды проката нормальной и повышенной точности, а также калиброванный металл по 3-му, 4-му и 5-му классам точности.
Обжатая болванка (блюмы) (рис? 5, а)? В поперечном сечении она представляет собой квадрат с вогнутыми гранями
и закругленными ребрами. Размеры Яо стороны болванок составляют 140—450 мм с допусками от ±5 до ± 10 мм при минимальной длине 1 м и максимальной 6 м. Этот вид заготовки может применяться для относительно больших поковок.
Сортовой прокат (рис. 5, б). К нему относится катаная заготовка круглого и квадратного сечения.
Размеры круглого сечения заготовки (диаметр) 5—200 мм и квадратного сечения (размеры сторон) 6—250 мм при торговой длине 2—6 мм.
Профильный пр о -кат (рис. 5, в) имеет разнообразную форму сечения. Применение профильного проката связано с сокращением подготовительных операций при штамповке. При использовании такого проката удается значительно упростить процесс штамповки, при этом ’стоимость поковок обычно снижается.
Рис. 5 Типы прокатных профилей, применяемых для ковки и штамповки:
II0 — сторона квадрата; о — диаметр заготовки; I» — длина периода за готов км; — толщина полосы
Прокат периодического профи лщ (рис. 5, г) имеет неодинаковые поперечные сечения по длине. Получают его продольной прокаткой (с образованием и последующей обрезкой местного облоя) или поперечной прокаткой на специальных станах, устанавливаемых иногда непосредственно в кузнечных цехах.
Прокат периодического профиля находит сейчас большое применение в крупносерийном производстве поковок, так как при штамповке фасонных заготовок исключаются подготовительные операции.
2S
Полосовая заготовка (рис. 5, д) для горячей штамповки применяется толщиной более 5 мм. Наибольшее распространение получила углеродистая полосовая сталь. Применяется также конструкционная сталь, специальная, качественная и высококачественная.
Из цветных металлов для горячей штамповки применяют сплавы алюминиевые, медные, магниевые, титановые и др.
Рис. 6. Классификация заготовок: Но; Ро; Le — размеры заготовок
Цены на металл устанавливаются в зависимости от вида профиля и точности прокатки сплава данного химического состава и в соответствии с техническими условиями. При повышенных требованиях к металлу взимается дополнительная оплата. К ним относится размер проката (мерность или кратность длины, допуск по'диаметру), величина зерна, химический состав металла и т. д.
Разновидности заготовок (рис. 6). На склады исходных мате
26
риалов штамповочных цехов металл поступает в виде прутков так называемой торговой длины (2—6 ж). Наибольшее распространение получили прутки длиной 2—4 м. В отдельных случаях штамповку осуществляют непосредственно от прутка (торцовая высадка на горизонтально-ковочных машинах и концевая штамповка перпендикулярно оси заготовки на прессах и молотах 1. При работе на автоматах часто применяют бунтовую заготовку. Индивидуальные заготовки по профилю подразделяются на п р о с т ы е и фасонные. К заготовкам простого профиля относятся круглые, квадратные и прямоугольные заготовки (рис. 6).
Фасонные заготовки имеют переменное сечение по оси и более сложную конфигурацию, которая может быть получена отливкой, ковкой, пред в'а р и те л ьн о й штамповкой, прокаткой или вальцовкой- Заготовки простого и фасонного профилей бывают штучными, спаренными и м н о г о ш т у ч н ы м и.
По размерам заготовки подразделяются на мерные, кратные и произвольной длины (в пределах торговой и меньшей длины).
§ 2. РАЗДЕЛКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЗАГОТОВКИ
Рис. 7. Схема резки металла на ножницах
Разделка слитков является операцией ковки и поэтому здесь не рассматривается. Исключение составляют слитки из высоколегированной стали, которые разрезаются на пилах.
Разделка исходного металла на заготовки производится обычно в заготовительном отделении кузнечно-штамповочного цеха.
Наличие разнообразных марок стали, применяемых при штамповке профилей и их размеров, а также различные требования, предъявляемые к заготовкам при штамповке, приводят к необходимости использовать приведенные ниже способы разделки прутков на заготовки.
Резка'на ножницах. Наиболее дешевой, производительной и распространенной разделкой прутков на заготовки является резка их на кривошипных нож
ницах. Рабочими деталями у ножниц являются верхний 1 и нижний 2 ножи, прижим 3 и упор 4 (рис. 7). Пруток 5 расположен перпендикулярно режущим кромкам ножей на нижнем неподвижном ноже вплотную к подвижному упору, с помощью которого обеспечивается свободное удаление отрезанной мерной заготовки 6.
27
Резку металла осуществляют по следующей схеме (рис. 8). В момент надавливания ножей 1 и 2 на пруток размером DQ в нем возникают упругие деформации. Под действием смежно расположенных ножей образуется пара сил с моментом Ра, стремящаяся повернуть и изогнуть пруток, вследствие чего каждый нож касается прутка только частью рабочей поверхности, под которой металл подвергается смятию. Здесь наблюдается неравномерное распределение напряжений смятия, которые возрастают вследствие увеличения степени и сопротивления деформации по мере приближения к режущей кромке ножа. Повороту прутка, продвинутого до упора 4, препятствует сила <2 прижимного при-
Рис. 8. Механизм процесса резки пруткового металла:
— зоны смятия металла торцами ножей на величину с (образование блестящего пояска); б — зоны утяжки; в — зоны внедрения ножей; г — гоны скола
способления 3 ножниц, поэтому угол незначителен. Б момент, когда напряжения от действия ножей больше сопротивления пластической деформации металла, происходит внедрение (на величину с) ножей в пру гок; при этом по месту реза образуется блестящий поясок. Внедрение ножей сопровождается утяжкой соседних с ножами участков металла. Так как на левую часть прутка действуют сила Ри нижнего ножа и сила Q прижима, препятствующая повороту этой части прутка, а на правую — отрезаемую часть прутка — сила Рв, способствующая повороту конца прутка на угол %, то угол % > Эти углы, характеризующие неодинаковое смятие металла верхним и нижним ножами, называют углами смятия. Очевидно, что с учетом силы <2 и массы прутка силы, действующие со стороны верхнего и нижнего ножей, тоже неодинаковы (Р„ < Р„).
По достижении максимально возможной для данной стали величины внедрения ножей А£> (виды Лий) образуются встречные трещины, профиль которых виден слева на схеме. Эти трещины иногда называют опережающими, так как они опережают движение ножа.
При нормальной величине зазора ? между ножами противо-28
Положные трещины сходятся, образуя сплошную, но криволинейную поверхность отделения заготовки от прутка. Если зазор г меньше необходимого, то направления трещин не сходятся, а образуется новая трещина, которая соединяет концы двух предыдущих, что приводит к появлению козырьков на срезанной поверхности (рис. 9, о)- При штамповке такой заготовки получаются складки. Очень большой зазор г при резке пластичной стали вызывает
значительную утяжку и заусенцы, что, в свою очередь, может при вести к браку (рис. 9, б).
Причиной чрезмерно ко-
сого среза (рис. 9,в), характе-
ризуемого у
глом скоса у, яв-
ляется большой угол (р„ поворота прутка к моменту скола (см. рис. 8), который образуется вследствие недостаточной силы Q прижимного устройства или слабого прижатия прутка к упору. Если
сталь недостаточно пластична, то по месту скола образуются (рис. 9, а) вырывы. При резке недостаточно прогретой легированной стали получаются трещины по месту скола (рис. 9, д), они направлены вдоль оси заготовки параллельно рабочим
Рис. 9. Дефекты при резке заготовок
кромкам ножей.
Практически установлено, что номинальный зазор z должен составлять примерно 2—4% от толщины разрезаемого прутка. При таком зазоре заготовка имеет нормальный профиль среза (см. рис. 8). В табл. 7 приведены ориентировочные данные о номи-нальноц величине зазора z между ножами.
Таблица 7
Зависимость величины номинального зазора между ножами от размера сечения прутка
Зазор г Диаметр JD0 или сторона квадрата в мм
50 51—80 81—100 101—120 121—ISO
В лш В % До 1,0 » 2.0 1—1.5 2.0 1,5-2,5 2.0—2,5 2.5—3,5 2,5—3.0 3,5—5,0 3,0—3,5
Внедрение ножей в металл сопровождается появлением горизонтальных сил Т, которые немного раздвигают ножи, увеличивая зазор между ними. Затупление ножей также увеличивает зазор между ними.
29
Следовательно, фактический зазор обычно больше номинального (табл. 7). Экспериментальные опыты, проведенные в лаборатории, показали, что минимальный фактический зазор в условиях нормального среза достигает ~ 5% от толщины разрезаемого металла. Для уменьшения косины при срезе пруток до начала резки надлежит плотно прижать к ножу, для чего должна быть обеспечена надежность прижимного устройства (сила Q).
Рис. 10. Зависимость сопротивления срезу при резке металла ножами от относительной глубины надреза твердого и мягкого металла (о) и от температуры металла (6)
Условия резки металла характеризуются относительной глубиной надреза
где Л£> — глубина внедрения ножа в заготовку в момент появления встречных трещин;
Do — диаметр заготовки.
Сопротивление срезу
__ _Р_
— Го »
где Fo — площадь сечения заготовки.
Максимуму на кривой в координатах иср — в (рис. 10) соответствует величина оср, при которой возникают опережающие трещины. После соединения концов трещин сопротивление срезу резко падает.
Твердая сталь характеризуется относительно небольшой глубиной внедрения ножа в заготовку (е — 0,12 : 0,15) и большим сопротивлением срезу (кривая 7 на рис. 10, а). Для мягкой стали (кривая 2 на рис. 10, а) характерны значительная глубина пла-30
этического внедрения ножа в заготовку (е = 0,35ч-0,40), но небольшое напряжение в момент скалывания, поэтому на резку мягкой и твердой стали затрачивается примерно одинаковое количество работы. „ .
Резка легированном стали, особенно при больших сечениях заготовок, осуществляется в нагретом состоянии. С увеличением температуры нагрева (рис. 10, б) значение максимума на кривых уменьшается, а глубина пластического внедрения ножей возрастает (увеличивается абсцисса максимума). Чем больше сечение прутка, тем больше усилие резки и тем целесообразнее применять подогрев металла для уменьшения сопротивления деформации.
Заготовки из мягкой стали при резке подвергаются значительному смятию ножами. Подогрев стали до 250—350° С, как известно, приводит к увеличению сопротивления деформации, что используется для получения более чистого среза прутков из мягкой стали. Среднеуглеродистая сталь обычно подвергается нагреву только при резке больших сечений (свыше 120—150 лл). Высокоуглеродистая и легированная стали нагреваются (выше 350° С) для уменьшения сопротивления деформации и во избежание образования трещин при резке.
Практически эти стали нагревают до 400—700° С в зависимости от химического состава материала и размера заготовок. Нагрев до более высоких температур приводит к недопустимому искажению формы заготовки при резке и к интенсивному образованию окалины. Для некоторых марок стали холодная резка осложняется тем, что металл поступает в неотожженном состоянии.
Если отжиг стали проводится только для облегчения резки, то последнюю целесообразно производить с подогревом неотожжен-ного металла.
Работа резки определяется площадью, ограниченной в известном масштабе кривой сопротивления резанию (рис. 10):
А = [ FeparpDod£ = FCPDO [ ccpde дж (кГ-м).
Сопротивление срезу меньше предела прочности стали при той же температуре и равно оср 0,7ч-0,8ов.
К недостаткам процесса резки на ножницах следует отнести кривизну профиля среза. Вследствие непостоянства кривизны и трудности ее контроля искажением формы заготовок пренебрегают, что приводит к уменьшению коэффициента использования металла. Еще большие потери металла наблюдаются при появлении чрезмерной косины среза (угол у, рис. 9, в).
На практике угол у достигает 12°. При достаточно жестком прижиме и креплении ножей, а также при уменьшении угла заострения режущей кромки на 3—6° можно добиться того, чтобы у < 2ч-3°.
31
Резка прутков в штампах. Для повышения качества среза прутков относительно небольшого диаметра (до 50 мм), а также при отсутствии ножниц применяют специальные отрезные
Рис. 11. Одноопорный штамп дли резки прутковых заготовок на кривошинном прессе:
I - нижний башмак; 2 — нож нижний; 3 — прижимная планки: 4 — верхний башмак;
5 —• державка; 6 — нож верхний; 7 — стакан для пружины прижимного устройства;
8 — упор» 5 — протижютжим
штампы, устанавливаемые на кривошипных прессах. Резка в простейшем одиоопорном штампе (рис. 11) по схеме действия
ножей не отличается от резки
Рве. 12. Двухопорный штамп для одновременной отрезки двух заготовок:
1 — нижний башмак; 2 — державка нижних ножей; 8 — нижние ножи; 4 — направляющая скоба, 5 — верхние ножи. 6 — державка верхних ножей; 7 — упор
ножницами, поэтому особых преимуществ (за исключением точного направления ножей в штампе с колонками) она Не имеет. Штамп, выполненный по схеме двухопорного (рис. 12), разрезает одновременно две заготовки одинаковой или разной длины. При различной длине заготовок одна из них попадает в тару через
окно в башмаке штампа и в столе пресса, а другая — по наклонной плоскости башмака в тару вне пресса.
Штампы рекомендуется
применять для отрезки относительно коротких заготовок. Если на ножницах нормальная резка происходит при относительной длине заготовки =•- 0,6-5-0,7, то в штампах удается
32
отрезать заготовки при > 0,3 (например, из такой стали как ШХ15).
Резка заготовок в штампе с круглыми ножами (рве. 13) точнее чем при резке обычными ножами. Круглыми ножами разрезают калиброванные прутки, причем отверстия ножей превышают диаметр прутка на 0,3—0,5 мм. Длина отрезаемых заготовок равна нескольким диаметрам прутка. Это обусловлено значительной длиной ножей, разрезающих прутки без прижимного устройства. Поворот ножа на угол, равный 60°, обеспечивает шестикратное
Рис. 13. Штамп с круглым ножом для разрезки калиброванных прутков:
1 — гайка с входным отверстием для прутка; 2 — неподвижный круглый нож; 3 — по-деижпый круглый нож; 4 — гайка с выходным отверстием для заготовки, 5 — державка подвижного ножа: 6 — пружина, возвращающая подвижный нож б исходное положение;
7 — установочный винт; 8 —* регулируемый фиксатор, обеспечивающий соосности круглых ножей: & — нажимная плита пресса
его использование. При двухсторонней режущей кромке ножи могут быть 12-кратно использованы без ремонта. В качестве машины-орудия для резки в штампах используются кривошипные прессы, конструкция которых рассчитана на максимальное усилие не в конце хода, а несколько раньше его (на угол поворота <~20— 30° до конца прямого хода) и аналогична, например, конструкции обрезных прессов. Поэтому при использовании для резки прутков штамповочных прессов, рассчитанных на наибольшее усилие в конце хода, нельзя ориентироваться на их номинальное усилие, указанное в паспорте.
Конструкция инструмента и его проектирование. Габаритные размеры ножей должны соответствовать размерам ножевого пространства ножниц или штампа. Ширина (толщина) b ножей определяется в зависимости от схемы их установки. Если ножи
3 Я. М. Охрименко 597 33
находятся друг от друга на расстоянии, равном величине зазора z, то
где Е — расстояние между плоскостями крепления ножей в мм. Если ножи скользят друг подругу на холостом ходу ножниц, то
Для получения необходимого зазора в ножах предусмотрены пазы глубиной ~ (рис. 14). Эта схема работы ножей удачнее пер-
Рис. 14. Ножи в рабочем положении:
а — для круглых прутков; б — для квадратных прутков; в — для ножниц усилием
4.4 Мн (450 т)
вой, так как обеспечивает параллельность движения ножей и автоматическое регулирование нужных зазоров. Толщина ножей практически составляет 0,4—0,5 от О0.
Высота ножей h подбирается исходя из расстояния между опорными плитами ножей Е1:.ж и величины перекрытия ножей С: h = "max-4 С
Наличие перекрытия ножей исключает удары ножей друг о друга, его может не быть только в штампах с колонками.
Величина перекрытия может быть найдена следующим образом:
С = 16 + kD0 или С = 16 Ь У 2 kHv,
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от диаметра круглой заготовки или диагонали квадрата.
Do или Но 40 60 80 100 120 160 180 250
k - 0,02 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0.09 0,1
34
Длина ножей I устанавливается по соответствующему размеру ножевого пространства ножниц.
Радиус R рабочей выемки ножен для резки круглых прутков должен обеспечивать свободное вхождение прутка данного диаметра, при этом R = где & ~ веРхнее отклонение до
пуска на прокатку прутка. Меньший размер радиуса может вызвать раскалывание ножа, а больший — смятие прутка. Однако для свободного вхождения прутка, у которого могут быть заусенцы,
оставшиеся от резки в прокатном цехе, рекомендуется увеличивать R на величину, равную 2% от—
При резке круглых профилей для каждого размера прутка предусматривается отдельная пара ножей. Ножами, предназначенными для резки прутков квадратного сечения, можно разрезать прутки и неодинакового размера при Нп < Нр (рис. 14, б), где Нр — наибольший размер стороны квадратного сечения прутка, разрезаемого на данных ножницах .
Режущие кромки ножей имеют прямой или острый угол; при этом скос ножа не превышает ~5° (на рис. 14, в скос равен 3°). Наличие скоса ножа облегчает резку, но при-
Рис. 15. Сопротивление срезу при резке прутков среднеуглеродистой стали квадратного сечения:
У — по стороне; 2 — по диагонали
водит к увеличенному смятию металла, поэтому такие ножи не следует применять при резке мягкой стали или стали, нагретой до высоких температур.
Резка прутков квадратного сечения может быть осуществлена по стороне или по диагонали. Во втором случае смятие металла получается меньше, поверхность среза чище, а затрачиваемая работа и усилие на 15—20% ниже (рис. 15).
Профиль рабочей выемки ножей строят следующим образом. По найденным, как было установлено выше, габаритным размерам ножей и величине хода ножниц вычерчивают ножи в положении полного раскрытия (расстояние между нерабочими торцами ножей составляет Ятах) и отмечают нижнее положение верхнего ножа (при этом фиксируют размер Одновременно определяют размер перекрытия ножей С. При построении рабочей выемки для разрезки круглых прутков (рис. 16) используют уже известную величину радиуса R рабочей выемки ножей. Для того чтобы облегчить установку прутка в отверстие между ножами, ему придают овальную форму с наибольшим расстоянием между кромками з* 35
ножей hd; при этом расстояние между центрами выемок ножей рекомендуется находить из равенства
2т = 2 (0,05-ь 0,2) R. (2)
Откладывая от центра системы О вверх и вниз отрезки, равные т, находят центры выемок радиуса R. Для развала выемок
Рис. 16. Схема построения ручья ножа для разрезки круглых прутков (по В. Л. Раскинду)
вертикальные стенки их выполняют ПОД УГЛОМ р = 8-ь 12°. Из рис. 16 видно, что полезная часть рабочего хода верхнего ножа составляет следующую величину:
X = D0-(/^-S), (3)
где S — полный ход ножа.
Гарантийная величина полезного хода должна соответствовать
X > (0,8т-0,9) Е>о- (3')
Минимальная величина полезного хода может
быть установлена по силовым графикам для резки (рис. 10). Положение максимума на этих кривых по оси абсцисс определяет момент разделения прутка на части. Увеличение хода ножа
до размера X обеспечивает проталкивание заготовки до ее свободного падения в тару.
Конструирование инструмента для резки квадратных прутков осуществляется следующим образом (рис. 17). Для нахождения глубины рабочей выемки h при резке по диагонали прутка со стороной Hv составляется уравнение по схеме расположения ножей (рис. 17)
h = (Но + т) cos 45э + 0.5С. (4)
Рис. 17 Схема построения ручья ножа для разрезки квадратных прутков (по В. Л. Раскинду)
При наибольшем допустимом
прутке величина просвета т = 0,05 До, если С = 16 + ЛЯО} Г2.
После соответствующей подстановки находим йт-1П 0,8До +
8 мм. Если размеры прутка мепыпе Hv, то необходимо проверить, достаточна ли полезная часть рабочего хода ножниц для
36
разрезки прутка. Разрезка и проталкивание квадратных заготовок гарантируются при коэффициенте сдвига
<5>
Ножи бывают (рис. 18) одноручьевые, многоручьевые, цельные, разрезные и со вставками. Круглые цельные ножи 1 применяются в штампах. Среди одноручьевых ножей встречаются ножи 2 и 3
Рис. 18. Классификация ножей
с запасными рабочими выемками на различных гранях инструмента, используемые поочередно. Многоручьевые ножи позволяют производить резку поочередно или одновременно в двух или в трех ручьях (позиции 6 и 5 соответственно), расположенных на общей грани инструмента. Для лучшего использования инструментальной стали ручьи могут быть расположены на двух, трех и даже четырех ранях ножа. С этой же целью каждую рабочую выемку можно использовать с двух сторон (если угол рабочей кромки 90°).
Ножи со вставками применяются для экономии инструментальной стали, причем у каждой вставки ручьи могут быть расположены на одной или нескольких гранях (позиции 4 и 3) для поочередного их использования. Составные ножи применяют только для резки по диагонали крупных прутков квадратного и прямоугольного сечений. Многоручьевые ножи имеют увеличенные габаритные размеры, но относительный расход стали, идущей на их изготовление, меньше, чем на одноручьевые.
37
Кроме того, они обеспечивают большую так как не требуют замены до момента затупления ра о ₽ всех ручьев (если ручьи одинаковые) или при пеРех2ДпячпЛЧ1,Ых другого профиля (если ручьи разные). При наличии р рабочих выемок, расположенных рядом, можно разрезать круглые прутки нескольких размеров, не сменяя ножа.
При изменении размеров прутков квадратного профиля наличие дополнительных рабочих выемок у ножей не тре у
Для увеличения стойкости ножей успешно применяют наплавку рабочих кромок твердыми сплавами. Для этого по кром ножа выполняют канавку (обычно 10 X 10 мм), няют твердым сплавом. Для изготовления ножей иепользуют еле дующие основные инструментальные стали. 1, > >
8 Подбоя ножниц. Ножницы бывают кривошипные, эксцентриковые и кулачковые. В отличие от прессов ножницы имеют небольшое число ходов [9—45 ход/мм для ножниц усилием 0,4-16 Мн (~40-1600 т, ГОСТ 8248-56)1-
Усилие резки определяется но следующей формуле. Рн = ^СР^СР’
(6)
где Р„ — усилие резки в н (кГ)\
k — коэффициент, учитывающий затупление ножей ,_вл11я-нне скорости резки и др. (по опытным данным к — 1,/), F__ — площадь среза в № (м.м2);
о — сопротивление срезу в Мн/м* (кГ/мм ) (по рис. 10 принимается наибольшее значение оср для каждого случая).
Принимая оср = 0,8ов, будем иметь
Рк = 1,4^, (6')
темпера-
при
где а _ предел прочности разрезаемого металла туре резки.
После подсчета величины Рн выбирают ножницы из размерного ряда, при этом необходимо ориентироваться на равное или ближайшее большее значение усилия ножниц
четного. Аналогично рассчитывают усилие прессов при резке
В Т кузнечных цехах применяют до 15 типоразмеров ножниц усилием н^ножах от 0,24 до 24,5 Мн (-25-2500 т). В каталогах, помимо усилия, обычно указывают наибольшие размеры прутков, которые можно разрезать 'на ножницах каждо1 о, типа Обычно усилие пресса отнесено к стали при ое - 440 Мн/м (—45 кГ/мм ).
Для того чтобы установить, какой наибольший размер прутка допускается при резке с другим пределом прочности, нужно
Номинальное усилие в Мн и т 1 'S1 ! 18'6 | ЯГ9 | 66‘£ § о сэ CD о 250 220 О 200 125 eg о~ 1500 о> 2,45 250 80,0
125 160 | 200 НО 140 180 350 400 450 100 125 160 65 85 105 9‘0 9‘0 9*0 | 1500 1500 1500 20 16 12 0,62 0,98 1,57 63 j 100 160 16,0 27,0 46,0
0,4 ! 0,62 i 0,98 I 1,S7 I 2,45 1 40 1 63 | 100 160 | 250 40 50 63 80 100 35 45 55 70 90 120 | 160 200 250 300 Ход ползуна в мм . ’ 32 40 50 63 80 | Длина 13 отрезанной зато- Наименьшая в .ил 25 30 35 45 55 товки при работе с vno- ром , 1 1 1 Относительная ' 0,71 । 0,66 0,63 | 0,64 0,61 i Наибольшая в мм ! 1000 1000 1000 1500 1500 Число ходов в минуту не более 45 40 36 30 1 25 О') СО • О 1 1 1 1 ¥ 5 ~ т — — — — 40 Масса ножниц в т .................. 0,9 | 1,55 2,5 4,2 9,5
Характеристика Наибольшие размеры в мм Днаматр круга разрезаемого сечения при резке заготовки _ и щ = 440 Мн/мм2 Сторона квадрата . . . . ( Л. Гт ff Г / ила 2 \ > Ширина полосы Во
Наибольшее усилие нижнего гидравлического ци-ттмичпа ППП ГТП П ТТ О ГТ ЬТ Г 4 О > X I X
39
38
провести соответствующий пересчет. Например, для квадратных прутков со стороной сечения Но получим
где Но — допустимый размер прутка стали с большим или меньшим пределом прочности, чем ае = 440 Мн/м2 (~45 кГ/мм2);
с' — предел прочности стали, для которой выполняется пересчет, откуда
Яо-0,831/А- (7)
V °е
Для круглых прутков соответственно имеем
/^ = 0,9(5^^. (Г)
Если резке подвергается предварительно нагретый металл, то при расчете берется предел прочности при его температуре нагрева.
В табл. 8 даны характеристики ножниц, изготовляемых в СССР.
На качество и точность резки заготовок большое влияние оказывают вспомогательные механизмы ножниц, особенно механизмы упора и прижима заготовки. На современных ножницах эти механизмы выполнены в виде гидравлических, пневматических или пружинно-рычажных систем. Хорошие эксплуатационные качества показали ножницы со следующим устройством вспомогательных механизмов (рис. 19). Пруток квадратного сечения, разрезаемый по диагонали, установлен на рольганге 1 (рис. 19, а).
Фиксация длины мерной заготовки, подлежащей отрезке, обеспечивается подачей прутка слева направо вплотную к механизму упора 2, размещенному на салазках и регулируемому упорным винтом со штурвалом. Механизм упора имеет систему шарниров и рычагов, один из которых 3 служит для непосредственного контакта с прутком. Чтобы избежать интенсивного износа упора при ударах, рычаг 3 снабжен сменным вкладышем 4 из инструментальной термически обработанной стали. В начале очередной резки (рис. 19, б) пружинное устройство 5 пневматического действия прижимает пруток к нижнему неподвижному ножу, укрепленному на станине 6. Ползун ножниц 7 с укрепленным на нем верхним подвижным ножом движется вниз и отрезает очередную заготовку (рис. 19, в). При этом срабатывает механизм упора 2 под действием пневматического цилиндра. На обратном ходу ножниц все описанные устройства принимают исходное положение (рис. 19, г), причем восстановление исходного положения рычагов механизма упора происходит под действием пружины.
40
Рис. 19. Устройство механизмов упора и прижима на ножницах
41
При резке круглых заготовок кольцевыми ножами хорошо работает устройство упора, показанное на рис. 20. Пруток перед отрезкой упирается в шарнирный упор 1 (рис. 20, а). После отрезки заготовки подвижный нож 2 вместе с обоймой перемещается вниз и надавливает на регулируемый стопорный болт выталкивателя 3, который, вращаясь, надавливает верхним концом с выступом на мерную заготовку и несколько выдвигает ее из кольцевого ножа (рис. 20, б). Теперь при движении ножа вверх (рис. 20, в) выступающая из него заготовка наталкивается на зуб упора 1 и приподнимает его. Это позволяет прутку вытолкнуть окончательно из кольцевого ножа отрезанную заготовку. В этот
Рис. 20 Автоматический упор на ножницах при резке прутков кольцевыми ножами
момент зуб упора возвращается в исходное положение (рис. 20, г), а передвигаемый пруток вновь упирается в зуб упора 1, что позволяет совершать очередную отрезку мерной заготовки.
Дозирующие механизмы, обеспечивающие точность по массе или размерную точность мерных заготовок, монтируют непосредственно на ножницах или рядом с ними. Относительно большей простотой устройства отличаются дозирующие механизмы с весовым датчиком, работа которого ограничивается регистрацией лишь одного параметра — массы. Для корректирования массы очередной заготовки служит масса предыдущей мерной заготовки. В этом механизме (рис. 21) пруток, упирающийся в упор 1, регулируется вращающимся приводом 2. Отрезанная заготовка, попадая на тарелку весов 5, поворачивает их ось, которая, в свою очередь, поворачивает рейку задающего ферродинамического датчика 6 (тип ДФ-2). Обмотки возбуждения двух последовательно соединенных датчиков 6 и 7 следующей цепи включены в цепь переменного тока напряжением 24 в. Цепи рамок соединены последовательно через делители напряжения /?х и предварительной настройки. Поворот рамки датчика 6 вызывает в цепи сдвиг фаз токов, благодаря чему усилитель 8 обеспечивает питание конденсаторного двигателя 4, вращающего привод 2 упора 1. С при-42
водом скреплен сельсин-датчик 3, связанный с сельсин-приемни-ком 9 поворот ротора которого обеспечивает поворот рамки компенсирующего ферродинамического датчика 7, восстанавливающего равновесие в цепи рамок. Такое устройство дает возможность получить точность дозировки до ±0,5% [52J.
Более совершенный дозатор СШТ-10 (рис. 22) основан на радиоактивном излучении 0-частиц, поток которых от источника 1
-0'246 #
Рис. 21. Схема весового дозирующего устройства
частично поглощается прутком, и пластиной из плексиглаза, оставшаяся часть поступает через прорези пластины 2 в приемники 3. Сравнение электроимпульсов приемников 3 и эталонного приемника 4, облучаемого источником 5, обеспечивается мостовой схемой, в одно плечо которой параллельно включены два измеряющих приемника, а в другое — эталонный. Другие два плеча состоят из переменных сопротивлений и Т?5.
Диагональ моста, питаемого постоянным током, соединена с конденсаторным двигателем 8 (для обратной связи) через вибропреобразователь 6 и фазочувствительный усилитель 7. При разбалансе моста двигатель вращает винт и соответственно шторку 9, регулирующую путь 0-частиц к эталонному счетчику. Перемещение шторки прекращается при восстановлении баланса моста и прекращении питания двигателя. Так как шторка связана с упором 10 (механически), то его положение регулируется в зависи
мости от изменения размера прутка. Настройка измерителя осуществляется по эталону [521.
Ломка прутков на хладноломе. При деформации надрезанных образцов возникает концентрация напряжений.
При резко выраженной концентрации напряжений наблюдается понижение пластичности и хрупкое разрушение металла. Это объясняется тем, что местные напряжения вблизи надреза могут превысить предел прочности раньше, чем среднее напряжение в сечении достигнет предела текучести металла; при этом образуется
трещина и почти мгновенное разрушение образца без значительной пластической деформации.
Скорость распространения трещин в подобных случаях достигает 1000 м!сек, что составляет примерно 0,2 от скорости распространения упругой волны в стали. Эти явления используются для разделки прутков на мерные заготовки при помощи так называемых хладноломов. Хладнолом (рис. 23) представляет собой устройство, состоящее из двух Опор 1, 2, устанавливаемых на расстоянии /0, и ломателя 3, между которыми размещается пруток, подлежащий ломке (рис. 23, а). При ломке прутка в вертикальной плоскости ломатель 3 может быть расположен над прутком и под ним. По условиям безопасности работы рекомендуется ломатель устанавливать под прутком (рис. 23). По этой же причине для хладнолома предпочитают вертикальные прессы.
Перед ломкой пруток размечают и надрезают. При ломке прутка надрез должен находиться с противоположной стороны ломателя посередине между опорами во избежание появления косины и значительной волнообразности контура излома. Под действием силы Р вблизи надреза возникают растягивающие на-44
пряжения, которые, концентрируясь и возрастая в опасном сечении (см.’эпюры напряжений на рис. 23, б), обеспечивают ломку прутка почти без пластической деформации. В этом случае рабочий ход равен не более 5—10% от величины Но.
Большое значение для ломки имеют форма и размеры надреза: чем уже надрез и чем меньшим радиусом он выполнен при данной его глубине, тем в большей степени проявляется концентрация
Рис. 23. Схема концентрации напряжений при ломке прутков с надрезом:
/ — эпюра напряжений в начале нагружения, II — то же б момент ломки прутка
напряжений и тем больший от нее эффект. Максимальное растягивающее напряжение атах у нижнего края надреза глубиной А//, выполненного радиусом г и шириной Ь, равной двойному радиусу, достигает величины
(8)
где о — напряжение при отсутствии концентрации напряжений.
Операция надреза прутков — самая трудоемкая в общем процессе ломки. В промышленности надрез осуществляется пилами или газовыми (огневыми) резаками (рис. 24). Очертания надреза должны быть правильной формы. При использовании изношенного резака профиль надреза искажается (рис. 24, а). Это приводит к неровностям по месту излома или к дополнительным трещинам и браку заготовок. Известны попытки осуществления надреза
45
прутков электроискровым способом, в этом случае надрез на глубину Д/7 осуществляется почти без потерь металла и имеет правильный контур при очень малых ширине b и радиусе г закругления.
Разметку для надреза осуществляют делительными устройствами в штабелях для металла или на рольганге перед хладноло-мом. Расположение надреза глубиной ДН в зависимости от профиля прутка показано на рис. 24, б. Минимально необходимая длина надреза I зависит от структуры или твердости металла, под-
Рис. 24. Расположение надреза на прутках различного профиля и форма применяемых ломателей:
/, IH, V — надрез газовым резаком; II и IV — надрез пилой
вергающегося ломке. В зависимости от твердости металла в про мышленности применяют надрезы следующей длины. •
Твердость Н В: в /ИнДи2 ............................. 2245 2500
в кПмм* . . 229 255
Длина надреза I в % от толщины прутка Яв ...............................40-50 30-40
2790
285
15-20
Превышение этих длин заметного эффекта не дает. Если надрез сделан через ребро прутка квадратного сечения, то необходимо, чтобы на каждой грани было по половине (4г) общей длины надреза. Несоблюдение этого правила приводит к ухудшению качества поверхности излома. Глубина надреза принимается равной 3—8% от Но.
Для прутков из твердой (заэвтектоидной) стали диаметром 120 мм надрез глубиной 5 мм, шириной 3 мм и длиной 20 мм дает
46
Вполне удовлетворительное качество скола при ломке. Глубину надреза можно также приблизительно рассчитать по эмпирической формуле
(9)
где k — коэффициент (1—2), зависящий от пластичности стали (для хрупкой стали k имеет меньшее значение).
При увеличении глубины надреза количество затрачиваемой энергии на ломку уменьшается, но качество торца сломанной заготовки ухудшается. В ломку поступает металл толщиной 70—
Рис. 25. Зависимость сопротивления ломки от относительной величины расстояния между опорами (а) и относительной глубины надреза прутков (6) из среднеуглеродистой стали
300 мм и более. При ломке прутков меньшей толщины получить ровный излом труднее. Очень мягкие стали склонны к пластическому изгибу при ломке и не дают сквозных трещин.
В этом случае целесообразен нагрев стали до 250—300° С, увеличивающий ее хрупкость.
Форма ломателя зависит от сечения заготовки. На рис. 24, в показаны профили ломателей. Усилие ломки на хладиоломах зависит не только от химического состава стали, ее структуры, толщины прутка, профиля и размеров надреза, но и от расстояния 1и между опорами в хладноломе. Зависимость сопротивления ломки о = -у- (где F — площадь сечения прутка в месте надреза) от относительного расстояния между опорами f — -у- в хладноломе показана на рис. 25, а, а от относительной глубины надреза в = —на рис. 25, б. Приведенные кривые, отражающие специфику данных условий ломки (марка стали, способ, форма и размеры подреза и др.), позволяют подсчитать необходимое для ломки 47
прутков усилие пресса. Приблизительно это усилие можно определить по схеме расчета на изгиб балки с опорами по обе стороны от нагрузки, которая принимается сосредоточенной [86].
В данном случае
р (10)
At *
где — момент сопротивления изгибу в jws (мм3);
асвг — предел прочности при изгибе в УИнАм8 (кПмм3);
/<, — расстояние между опорами в м (мм).
При таком расчете получаются завышенные результаты, поэтому для учета роли концентрации напряжений и упрощения расчета (в том числе для замены о„зг на ofi, как на более известную величину) вводится коэффициент поправки f> < 1.
Для надрезов, глубина которых находится в пределах, получаемых по формуле (9), коэффициент р = 0,4ч-0,9. При этом расчетные формулы получают следующий вид (табл. 9).
Усилия, затрачиваемые на ломку прутков, значительно ниже усилий для резки их ножами (рис. 26). Для получения качественного излома длина мерных заготовок при ломке должна быть не менее 1,2Д0, где Но — сторона квадрата или диаметр прутка.
Таблица 9
Профиль прутка и способ ломки Ломка круглых прутков Ломка квадратных прутков
Упор ь грань Упор в ребро
Значение №изг в м9 (мм9) Расчетное усилие Р в Af м (кГ) 0,10* _0ДО*оо ЮОО/о left О' 17* /2 12 0,5₽/7fo iooo/o
Примечание. D„ — диаметр прутка в м (лсч)~.
Но — высота грани в м (жл<);
— расстояние между опорами в м (мм)? G—предел прочности в (кГ/мм6),
Устройства хладноломов, выпускаемых отечественными заводами, отличаются различным конструктивным оформлением вспомогательных приспособлений. Один из вариантов устройства (рис. 27) имеет следующие особенности. Пруток, подлежащий ломке, перемещается по наклоняемому рольгангу 3 к ломателю 1 до упора 2 во избежание горизонтального перемещения прутка в процессе ломки. Регулируемый упор 2 может опускаться в процессе ломки.
48
26. Усилия для раз-
Рнс.
делки на ножницах (/') и хладноломе (2);
св = 784 Мн/м’ (80 кГ/мм*).
= 300 л.ч
Производительность работы зависит от быстроходности машины, на которой производится ломка. Обычно ломка осуществляется на быстроходных кривошипных или эксцентриковых прессах, имеющих небольшой ход. Иногда хладноломы устанавливаются и на сравнительно тихоходных гидравлических вертикальных или горизонтальных прессах. Обычная производительность хладноломов составляет несколько тысяч мерных заготовок крупных профилей за смену. К преимуществам хладноломок, помимо экономии энергии, горючего и большой производительности, относится также возможность одновременного контроля качества металла по излому. Хладнолом должен иметь надежное ограждение, так как отлетающие иногда с большой силой заготовки могут травмировать рабочих.
Газопламенная резка. Сущность этого способа разделки металла заключается в местном нагреве его выше
точки плавления в струе кислорода, при этом сталь расплавляется и частично сгорает. Указанным способом можно разрезать стали всех марок, труднее других поддаются резке высокохромистые стали (свыше 7% хрома).
Рис. 27. Устройство хладно л ома с наклоняемым рольгангом
Горючим, применяемым при газовой резке, могут быть ацетилен, бензин, керосин, дающие высокую температуру пламени: ацетилен 3100—3800° С, бензин 2500—2600° С и керосин 2000° С.
В качестве горючего при кислородной резке металлов могут быть использованы различные газы (природный, коксовый и др.) 4 Я. М. Охрименко 597 49
с теплотворной способностью не менее 10 048Йж/л® 2400 кал!мэ)
и температурой пламени не ниже 1800е С.
Бензин и керосин используются в специальных горелках, в которых они превращаются в газ и в таком виде поступают в зону горения. Расход бензина составляет 1,2 кг!ч на один резак, керосина 1,3 кг/ч на один резак (в равных условиях), расход ацетилена 0,5—1,0 л«3. О производительности работы при ручной резке с использованием ацетилена можно судить по данным табл. 10.
Газовой резкой можно получить контуры реза сложной формы.
В местах разделения металла не образуется острых ребер, приводящих к заштамповке и зажимам. Недостатками этого способа разделки металла являются относительно большие потери металла по месту разрезки (слой толщиной 4—6 мм) и сравнительно невысокая производительность.
Таблица 10
Производительность резки с использованием ацетилена
X а ра ктеркстк на Толщина стальной пластины в лом
5—15 15—50 50—100 100-200
Средняя скорость резки в мм!мин Расход ацетилена в л?/ч Расход кислорода в м*!ч 320—430 0,5 1,7—3.0 190—340 0,65 3,0—7,0 125—205 0,75 7,0—17,0 90—140 0,9 17,0—27,0
Резка пилами. Описанные выше способы резки не дают достаточно точных размеров заготовок. Нормальный допуск на длину заготовки, полученной резкой или ломкой, составляет несколько миллиметров. Однако часто требуется получить заготовки с более точной длиной и ровным срезом, перпендикулярным к оси прутка. Таким требованиям отвечают заготовки, полученные резкой их пилами. В производстве используются два типа пил: зубчатые и гладкие (пилы трения и электромеханические).
Зубчатые пилы подразделяются на ленточные и дисковые. Ленточные пилы могут иметь форму бесконечной (с соединенными концами) и конечной ленты (ножовочные пилы). В последнем случае пила совершает возвратно-поступательное движение.
Металл можно резать пилами в горячем или в холодном состоянии. Горячая резка заготовок пилами в штамповочном производстве получила меньшее распространение, чем в прокатных цехах, где для резки специально не нагревают металл. Пилы имеют несколько форм зубьев (сменные в виде сегментов или цельные). Восстановление зубьев производится заточкой или наплавкой. Диски пил имеют различные размеры (300—800 мм по диаметру). Толщина дисков определяет минимальные потери металла на про-50
пиловку и обычно колеблется в пределах 2—8 мм. Разводка зубьев пил уменьшает потери энергии на трение боковой поверхности Диска о металл, но приводит к увеличению ширины пропиловки, т. е. к увеличению отходов металла. Пилы с наибольшей производительностью имеют угол заострения зубьев, равный 50—60°.
Применение дисков со вставными зубьями приводит к большим потерям металла на пропиловку по сравнению с цельными дисками. Окружная скорость резания холодных пил составляет 0,5— 1,0 м/сек, что намного ниже скоростей, достигнутых при обработке резцами (более 15 м/сек). Основным недостатком пил старых конструкций является их малая производительность. Пилы для горячей резки, применяемые в прокатном производстве, имеют окружную скорость 90—110 м/сек, так что длительность резки даже крупных профилей не превышает 5—20 сек. При температуре 700° С за 1 сек разрезается пруток площадью 2000 мм2 (т. е. 0 45 мм).
В литературе описаны быстроходные производительные пилы, применяемые и в кузнечно-штамповочном производстве.
Например, пилы для групповой разрезки прутков диаметром 60 мм одновременно разрезают 30 шт. Такие пилы обеспечивают большую производительность и удобны в эксплуатации, ио пока получили небольшое распространение.
Основное преимущество пил перед рассмотренными выше машинами для резки прутков состоит в том, что они могут обеспечить перпендикулярность торца к оси заготовки; срез получается ровным, а достигаемая точность размеров по длине выше, чем при любом другом промышленном способе резки. В связи с особыми требованиями технологии штамповки к точности объема и форме заготовок резка пилами должна получить более широкое применение. Мощность, необходимая для вращения диска пилы, определяется из следующего уравнения (по А. И. Целикову):
A ~ pSf вт (^-^L-л. с.), (11)
где N — потребляемая мощность пилы в вт (л. с.), пропорциональная секундной разрезаемой площади f в мЧсек (ммЧсек);
S — ширина пропиловки в м/мм;
р — давление резания в н (кГ), отнесенное к 1 м2 (мм2) сечения снимаемой стружки (~125ое).
Окружное усилие Т, действующее на диск пилы во время резки металла, определяется из следующего уравнения;
Т - 2^- = А = кГ, (12)
где <в — окружная скорость диска, равная м/сек;
d — диаметр диска в м (мм);
п — число оборотов в минуту.
4*
51
Производительность резки пилами зависит от числа оборотов, диаметра диска и величины подачи. Минутная подача выражается как
SMuH = Szzn, (13)
где 5г — подача на один зуб (0,05 мм для твердой стали; 0,2 для мягкой стали);
z — число зубьев диска.
Пилы трения. Пилы трения получили небольшое распространение из-за того,, что работают с большим шумом. Принцип их работы основан на выделении большого количества тепла при трении о металл гладкого диска или диска с тупыми П-образными зубьями.
Скорость вращения диска 2000—-2500 об/мин, что обеспечивает окружную скорость до 125 м/сек. В месте контакта разрезаемый металл нагревается до температуры плавления. Элементы поверхности диска находятся в контакте с прутком металла очень короткое время и поэтому не успевают нагреться до высокой температуры.
Эле к/г р'о_м е х а'н'и ч_е с к и е; пил ыл"сходны с пилами трения. Их принципиальное" отличие'состоит в том, что в месте контакта, кроме разогрева трением металла, создается электрическая дуга, которая способствует расплавлению металла (рис. 28).
Рабочий ток от трансформатора 7’р через скользящий контакт 2 подается на режущий стальной диск 3 толщиной 2,5—3 мм. Диск 3 приводится во вращение мотором 4 через ускоряющую ременную передачу; скорость его вращения 2200 об/мин. Разрезаемый пруток 1 соединен с обратным приводом трансформатора Тр. Между вращающимся диском и разрезаемым прутком металла возникает электрическая дуга, тепло которой складывается с теплом, выделяющимся при трении диска о металл, что обеспечивает легкое внедрение диска в него.
Вся конструкция смонтирована на литой раме 5, подвешиваемой шарнирно на балке, которая прикрепляется к колоннам здания или к фермам перекрытия; на оси б шарнира рамы 5 укреплен также кронштейн 7 мотора 4 так, что мотор как бы скреплен с рамой. Это позволяет осуществлять ременную передачу между шкивами мотора и диска. Движение рамы 5 вместе с диском 3 осуществляется ручкой 8. Возвращение рамы в исходное положение облегчается грузом 5, установленным на выступающей копсоли. Режущий диск изготовлен из стали Ст. 3. и имеет относительно высокую стойкость. Он может быть использован даже для резки высоколегированной стали. Благодаря скользящему контакту диска с металлом и охлаждению при вращении диска его температура повышается лишь незначительно. Время резки при работе на этой установке по сравнению с резкой на обычных пилах трения со-52
кращается в 10 раз л более; расход энергии ниже, чем у пил трения. Чистота рсза выше, чем при огненной резке, и почти не уступает чистоте поверхности, полученной при резке на обычных пи-
лах. Кроме отходов на иропиловку (до 3 мм), других отходов этот вид резки не имеет.
Производительность электромеханических пил выше, чем обычных пил трения, а шума при их работе значительно меньше.
Лкицность мотора, вращающего рабочий диск, составляет 2,2 кет; максимальная сила тока, снимаемого с трансформатора,
53
1000 а. Напряжение регулируется в пределах 0—20 в. Для сравнения на данной установке разрезались прутки подобно тому, как это делается на обычной пиле трения [с нагрузкой 98 н (10 кГ) ] с подачей тока через режущий диск. Было установлено, что разрезка образца, на которую затрачивалось 90 сек, при подаче
Рис. 29. Кривые расхода энергии в Мдж-сек/сек (кет-сек!сёк) на резку образца [кривые соответствуют постоянной нагрузке 9.8 «
(10 кГ)[
электроэнергии на диск значительно ускоряется. При силе тока 100—200 а разрезка происходит за 30—40 сек, а при токе 300— 400 а образец разрезается за 7— 8 сек.
При повышении скорости вращения диска скорость резки может быть еще больше увеличена. Несмотря на возрастание установочной мощности за счет энергии, подводимой к диску от трансформатора, общий расход энергии на резку существенно снижается за
счет сокращения продолжительности резки. Из рис. 29 видно, что с повышением напряжения тока энергия, потребляемая мотором,
снижается за счет сокращения времени его работы (кривая /). Энергия, потребляемая трансформатором (кривая 2), возрастает пропорционально напряжению,
в связи с чем суммарный расход энергии (кривая 3) представляется кривой с минимумом. Область минимального расхода энер-
гии соответствует напряжению, равному около 12 в. Для повышения скорости резания целесообразно подавать напряжение около 16 в, снижающееся в процессе резки до 14 в.
Электроискровая резка. Этот способ внедрен на заводах недавно. Он основан на коротком замыкании элек-
Рис. 30. Схема установки для электроискровой резки металла
трических проводников, при
котором происходит разрушение металла пульсирующим током.
Установка для электроискровой резки металла выполнена по следующей схеме (рис. 30). Разрезаемый пруток / (катод) и дисковый или ленточный инструмент 2 (анод) погружены в резервуар 3, заполненный жидким диэлектриком (например, керосином). Источник постоянного тока 4 заряжает через сопротивление R конденсатор С, который периодически (несколько сот раз в се-
54
кунду) разряжается через искровом промежуток между прутком и инструментом- Электрические разряды следуют один за другим сплошным каскадом по всей поверхности сближения инструмента с обрабатываемым металлом. Сила тока в импульсе доходит до сотен и даже тысяч ампер, а мощность импульса достигает десятков киловатт. Так как действие разряда распространяется на малую площадь, то плотность тока достигает сотен тысяч ампер на 1 мм2. При этом развивается температура порядка 10 000° С, что вызывает взрывообразное плавление, сгорание и испарение металла.
Прирезке жаропрочной нержавеющей и высокомарганцовистой стали в качестве диэлектрика может быть применена даже промышленная вода. Однако возможность взрыва в связи с частичным разложением воды уменьшают целесообразность ее применения. Воспламеняющиеся жидкости (керосин, масла) также не являются лучшими рабочими жидкостями. При резке стали успешно применяют водную суспензию каолина с добавлением буры и борной кислоты. Существенными недостатками электроискровой резки являются малая стойкость латунных электродов, значительный расход электроэнергии и относительно небольшая скорость резки, которая не превышает, например, скорости фрезерования. Пруток из стали Х12М диаметром 70 мм разрезают в течение 2 мин. В настоящее время электроискровая резка металла совершенствуется за счет увеличения количества разрядов конденсатора, автоматизированного поддержания наивыгоднейшего расстояния между электродом и разрезаемым металлом, а также применения режущего инструмента с увеличенной поверхностью действия. Стойкость электродов повышается при применении для них меднографитовой массы, а также при введении в цепь дополнительного сопротивления. При резке этим способом получаются ровная и чистая поверхность и незначительные отходы. Электроискровая резка является перспективным способом, особенно для сплавов, обладающих повышенной твердостью при резке по сложному контуру. Возможность получения точных по размерам заготовок, имеющих малое отношение длины к диаметру при небольших отходах металла, также выгодно отличает электроискровую резку от других, хотя и более дешевых способов разделки металла на заготовки |86].
Анодно-механическая резка. При анодно-механической резке используется другая форма электрического разряда — электрическая дуга, как и в электромеханических пилах, в связи с чем эта схема установки отличается от электроискровой отсутствием конденсатора, добавочного сопротивления и диэлектрической среды, которая заменяется электролитной. Схема установки (рис. 31) очень проста. Генератор 1 постоянного тока низкого напряжения включен в общую цепь с разрезаемой болванкой 2 (анод) и вращающимся дисковым инструментом 3 (катод). При наличии тока в цепи сближение электродов (металла и диска) 55
вызывает электрическую дугу, которая проходит в среде рабочей жидкости, подаваемой через сопло 4. Воздействие на металл непрерывного разряда в виде электрической дуги существенно отличается от воздействия импульсных электрических разрядов. При непрерывном дуговом разряде происходит разогрев относительно больших масс металла.
Температура в зоне дугового разряда достигает 4000—5000° С. Эта температура ниже температуры, получаемой при электроискровом разряде, но вполне достаточна для расплавления любого металла. Благодаря световым потерям при прохождении в жид-
Рис. 31. Схема установки для анодно-механической резки
кости дуга не оказывает вредного слепящего воздействия и наблюдается в виде красноватой полосы.
При анодно-механической резке режущий диск совершает вращательное (окружная скорость 15—25 м/сек) и поступательное движение со скоростью 0,14-10~8 до 0,45-10"3 мм/сек. Подача диска автоматизирова-
на, при этом выдерживается оптимальная величина межэлектродного зазора. Кроме диско-
вого, применяется и ленточный инструмент. Толщина стальных дисков и лент равна 0,5—2,5 мм.
Износ инструмента при анодно-механической резке составляет 15—25% от объема прорезанного слоя металла.
В качестве рабочей жидкости при резке металла применяют водный раствор жидкого стекла (плотностью — 1,3 кг/м2). Расход этого раствора составляет 5—25-Ю3 ма(^5—25л]мин) при"резке прутков диаметром 25—300 мм.
Производительность работы при резке стали анодно-механическим способом (примерно такая же, как и при электроискровой резке) приведена в табл. 11.
Рубка на установках взрывного действия [35]. В последнее
время на некоторых металлургических и машиностроительных заводах успешно применяют импульсную рубку прутков и слитков в холодном и горячем состоянии. Этот метод рубки основан на использовании энергии взрыва пороховых зарядов или газовых сред, в том числе природных газов. В качестве машины-орудия для импульсной резки применяют копры. Наиболее эффективен бесфундаментиый горизонтальный копер (рис. 32).
Жесткая прессовая рама 1 имеет рабочее пространство, в которое помещают разделяемый на части пруток до упора, отмеривающего нужную длину мерной заготовки (на рис. 32 упор не показан). Нож 3 закреплен на бабе со штоком 4, движущимся внутри
56
Таблица И
Производительность работы при анодно-механнческой резке стали
Данные Диаметр прутка в мм
40 60 80 100 125 150 200 250 300
Машинное время резки в мин 1,5 2,5 4,0 5,5 Ю,0 13,0 19.0 26,0 35,00
Удельная производительность в мм/сек, . . . 2,2 2,5 3,0 3,3 4,7 5,2 5,6 6,2 7,00
цилиндра 5 рамы /. Взрывной заряд, установленный во взрывную камеру 6 цилиндра 5, в момент взрыва толкает шток 4 с ножом 3 влево по направлению к заготовке 2. Одновременно рама 1 с закрепленным на ней вторым ножом 7 движется вправо. Ножи 3 и 7 находятся на различном расстоянии от заготовки (/х и /а), что
7 2 1
Рис. 32 Схема установки для импульсной рубки (по В. Г. Кононенко)
обеспечивает одновременное их действие на заготовку при различных скоростях движения ножей или рамы (вправо) и штока (влево). Неодинаковая скорость ножей обусловлена различной массой движущихся рамы и штока (расстояние 1г и /2 обратно пропорционально массам штока 4 и рамы 1). На таком копре можно осуществлять рубку и одним ножом 3, устанавливая заготовку, как на опору, в то место, где расположен нож 7.
Начальная скорость внедрения ножей при импульсной рубке составляет до 30 м/сек для ножа 3 и более 4 м/сек для ножа 7; время резки <0,01 сект, энергия, развиваемая копром, до 441 450дж (~45 ОООкГ-лс), Масса заряда 250 а, зажигание электрическое, искровое; масса копра 5000 кг, габаритные размеры его 550 X X 800 X ЮОО мм. При импульсной рубке отходы ничтожно малы. Работа копра может быть автоматизирована; установка копра может быть стационарной и передвижной.
Описанные копры предназначены для рубки болванок сечением до 200 X 200 мм, нагретых до 750° С. Имеются конструкции копров для рубки прутков сечением до 130 X 130 мм. Этим способом возможна рубка прутков и больших сечений, чем указано выше.
§ 3. ТОЧНОСТЬ РАЗДЕЛКИ И ОТХОДЫ МЕТАЛЛА
Точность заготовок по длине зависит от их размеров, способа разделки прутков.
Отклонения по длине мерных заготовок, разделанных различными способами, составляют примерно следующие величины (в мм):
Резка в штампах . . . ±0,3—±0,75 Резка на ножницах . .±1,0—±5,0 Ломка хладноломом . .±1,0—±3,0 Газопламенная резка ± 1,0—± 3,0 Горячая резка на
пилах............±0,5—±1,5
Холодная резка на пилах .............±0,25—±0,75
Электроискровая резка .................±0,1 —±0,25
Анодно-механическая резка...............±0,1 —±0,5
Во многих случаях нашу промышленность не удовлетворяет низкая точность прутков после разделки. Подсчитано, что из-за малой точности заготовок по объему теряется больше металла, чем при его угаре в печах. Низкая точность заготовок препятствует более широкому внедрению прогрессивного метода изготовления поковок в закрытых штампах.
Допуски на разделку не тестированы. Ниже приводится нормаль одного из автомобильных заводов (табл. 12).
Таблица 12
Допуски при резке на ножницах
Диаметр или сторона квадрата в мм Длина мерных заготовок в мм
До 300 300-600 600—ИЮ» Свыше 100(1
Допуски на длину (±_
До 25 25-ЛО 40-70 70—100 100-150 150—200 1,0 1—1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5—3,0 3,0—3,5 1—1,5 1,5—2,0 2.0—2,5 2.5—3,0 3,0—3,5 3,5—4,0 1,5—2,0 2,0—2,5 2,5—3,0 3,0—3,5 3,5—4,0 4,0—4,5 2.0—2,5 2,5—3,0 3,0—3,5 3,5—4,0 4,0—4,5 4,5—5,0
Пр имечан и е. Резка возможна с 50%-ным минусовым допуском.
Применение специальных дозаторов (см. рис. 21 и 22) позволяет получать заготовки повышенной точности по массе из прутков обычной точности прокатки [52, 64, ПО].
Отход при резке составляется из следующих элементов; отходов, связанных непосредственно с резкой (на пропиловку при 58
резке пилами, а также на сгорание и расплавление металла при газовой резке); отходов по некратности (последние имеют место при разделке прутков торговой длины); отходов по устранению неровностей и заусенцев на концах прутков. В среднем отход по некратности при разрезке одного прутка составляет половину массы заготовки.
Отходы по обрезке или зачистке концов прутков могут быть включены в концевой отход по некратности. Тогда расход металла на одну заготовку (в кг) с учетом отходов определяется следующим образом:
G = ’’ ^пр + ~й*) *
или
О е + -ЛИГ (4 + Q (Н-)
где g — масса заготовки в кг;
Lo— длина мерной заготовки в мм:
1пр — длина участка прутка, равная ширине пропиловки или просвету при газовой резке, в мм. При наличии отхода по некратности число таких участков равно числу получаемых из прутка заготовок п;
1Н — длина отхода от прутка вследствие его некратности и на обрезку концов в мм;
q — масса 1 пог. м прутка данного размера в кг!м;
п — число заготовок, получающихся из прутка торговой
длины, п = г‘рГгк , где — длина прутка в мм.
* О Г" ‘пр
Наиболее просто определяется расход металла при резке на ножницах, когда 1,.Г = 0. Полагая средний расход металла в отход по некратности от каждого прутка равным О,5£о, после соответствующих подстановок и преобразований получаем
°=«тггхтят; (14'’
из этого выражения видно, что с увеличением длины прутков Lnp относительный расход металла на заготовки уменьшается. Отходы на одну заготовку как разность G — g составят
лс=с_£=7_д_. (15)
При наличии отходов на пропиловку с уменьшением длины мерных заготовок расход металла на заготовки увеличивается. В этом случае отходы на каждую заготовку составят
до = т—ИЕГ + -Ж- <15'>
ГЛАВ Л Ilf
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ КОВКИ, ШТАМПОВКИ
Известные из теории пластической деформации элементарные деформации: сжатие, растяжение, сдвиг, кручение, а также изгиб удобны для анализа, поскольку являются простейшими по схеме действующих сил. Обычно они рассматриваются как малые деформации. В качестве больших (конечных) эти деформации встречаются в технологических процессах при изготовлении поковок. Количество технологических операций, основанных на пластических деформациях, очень велико в связи с разнообразием форм поковок и сложностью схем действующих сил при их изготовлении. Однако и среди технологических деформаций, которые отличаются большой величиной, можно выделить наиболее простые, повторяющиеся в различной последовательности и комбинации при изготовлении поковок. Если ограничиться только типичными технологическими деформациями, то они могут быть представлены следующим перечнем.
1. Обжатие (продольное и поперечное) плоским, наклонным, вогнутым, выпуклым и более сложным инструментом; эта деформация характерна для осадки, высадки, протяжки, раскатки и многих других операций.
2. Внедрение инструмента различных форм в тело заготовки происходит при образовании полостей и сквозной прошивке заготовок.
3. Выдавливание металла в выемки, углы, щели или отверстия инструмента (типично для всех процессов горячей штамповки).
4. Изгиб заготовки — встречается как самостоятельная операция и как вспомогательная при ковке и штамповке.
Большое разнообразие вариантов технологических деформаций затрудняет соответствующий анализ.
Применительно к наиболее распространенным технологическим операциям осадки, протяжки и некоторым другим (см. гл. V) такой анализ частично сделан. Для рассмотрения соответствующих схем деформации необходимо более подробно ознакомиться с некоторыми коэффициентами и количественными показателями больших деформаций, что и является одной из задач данной главы. 60
§ 1. ПОКАЗАТЕЛИ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЕФОРМАЦИИ
Как известно, деформированное состояние в любой точке рассматриваемого объема может быть выражено тензором деформации. Аналогично тензору напряжений для деформаций можно подобрать такие три взаимно перпендикулярных направления (главные оси деформации), по которым нет сдвиговых деформаций и действуют только линейные деформации. Если обозначить относительные главные деформации вдоль главных осей через еа, ев и е3, то тензор деформации записывают в следующем виде:
о о
О
Еа о
«1
О О
Аналогично напряжениям один из инвариантов тензора деформаций представляет собой сумму трех относительных деформаций, одна из которых отличается по знаку от двух других:
81 "Г 4 8g — б,
это равенство называется условием несжимаемости. Для главных деформаций действительно соотношение еа > е2 > е3. Выражение условия несжимаемости может быть получено следующим образом. Из теории пластичности известна следующая система уравнений, устанавливающих связь между малыми деформациями по трем осям и соответствующими главными напряжениями:
ei -- "д |ni g (g2 4- о») ] ;
1 Г 1 , , 11
е2 -- ~д L а2 2 '°® + °*'J ’
«з - -д- [оэ —4(О1 + а*)] ’
где Д — модуль пластичности.
Складывая эти три уравнения почленно, получаем приведенное выше уравнение условия несжимаемости деформированного тела, а из последних двух уравнений той же системы для осесимметричной деформации имеем
Е2 = Ед.
При сопоставлении этого равенства с предыдущим можно установить, что
1
При исследовании пластических деформаций часто используется величина интенсивности деформации
Et /(Еа — e2)2 I (е2 — е3)а 4 (е3 — гД2.
61
Подставляя в это выражение вместо е2 и ея их значения, действительные при осесимметричной деформации (—2®1)’ находим для данного случая
Bl-
Как уже было указано, эти соотношения действительны для малых деформаций.
Количественная оценка деформаций при ковке, которые отличаются от описанных выше большой величиной, может быть сделана с помощью коэффициентов или показателей, при этом следует исходить из идеализированного представления, при котором правильная геометрическая форма заготовок в процессе деформации не искажается Например, при осадке цилиндр одних размеров превращается в цилиндр других размеров, а при протяжке прямоугольной заготовки она остается правильной фигурой, несмотря на значительные деформации. Для характеристики размеров заготовок, которые подвергаются большим технологическим деформациям, вводятся следующие обозначения:
£>0; Во;/70; Lo — диаметр, ширина, высота и длина исходной заготовки;
£); В; И; L—те же размеры в процессе деформации заготовки (текущие размеры);
Бк; Нк; LK — те же размеры в конце деформации.
• Расчеты выполняются на основании положения о неизменяемости объема V металла в процессе деформации. Например, при осадке заготовки с высоты Но до Нк, которую можно измерить точно, площадь поперечного сечения заготовки FK может быть найдена только как приведенная величина (без учета бочкообразован ия осаживаемой заготовки при V — const) FK - откуда
Лк приведенный диаметр заготовки DK — 1,13 VFK.
Такой расчет допускается при ковке ранее обработанного или беспузыри-стого литого металла (например, «спокойной» стали). Хотя плотность металла как физическая его характеристика в процессе деформации практически не изменяется, однако большое количество пузырей, которые при ковке завариваются, приводит в отдельных случаях к уменьшению объема металла на несколько процентов. Если величина повышения плотности металла за счет заварки пустот известна, то учесть ее при расчетах несложно.
Основным расчетным показателем для операции ковки является коэффициент уковки, который при продольной осадке (обжатие вдоль оси заготовки) подсчитывается как
пк
На основании положения о постоянстве объема коэффициент уковки при осадке можно подсчитать и как К = где приведенная площадь поперечного сечения заготовки в конце осадки 62
равна Нетрудно видеть, что Um^K — сю. Коэффи-
циент К обладает свойством аддитивности, что следует из следующего простого сопоставления: если деформация вдоль одного направления и одного знака происходит в две стадии, то за первую стадию частная уковка составит Л, — за вторую Ли — тогда за обе стадии общая уковка равна произведению двух частных
iz_ Fit) а lx Fin
Л—ТГ’ТТ?
В общем виде получим
К = КгКп-Кщ . - . Кп.
При осадке заготовки в виде кольца с внутренним диаметром d0 коэффициент уковки запишется как
к - - --------- > 1.
к
После упрощения правой части равенства, имея в виду, что D —d = 26, a ~ Dcp, где б — толщина кольца и Dcp — средний его диаметр, находим
IX _ Fit) ___ (ср) \ 1
Fi к 6lI>0 ^ср)
Расчет коэффициентов уковок для других операций также несложен. При протяжке, которую можно представить как серию смежных поперечных осадок (перпендикулярно оси заготовки длиной Lo), коэффициент уковки будет равен
Аналогично определяется уковка и для других операций.
Кроме коэффициентов уковки, распространенной характеристикой деформации является относительная деформация, иногда называемая степенью деформации. Применительно к продольной осадке высотную относительную деформацию находят из выражения
_ Fi0-FiK _ьн _ , Нк ° Fit) Fib Fit)'
эта величина, представляющая собой абсолютную высотную деформацию, отнесенную к исходной высоте заготовки, изменяется от 0 до 1 (от 0 до 100%).
63
Общая степень деформации при суммировании дробной деформации запишется в виде суммы
Во = Ео -|- Во -( Во -,-••• -р Eq 1.
При этом отдельные относительные деформации рассчитывают для одной и той же исходной величины: если деформация вдоль одного направления и одного знака происходит в две стадии, то за первую стадию частная относительная деформация составит «о __ Но--И за BTOpyIO E(J _ И И* . ТОГда за обе стадии общая относительная деформация равна сумме двух частных
_ Но-И н — нк_ Но-Нк а Но Г Но ’ Но
На практике используется также относительная деформация, подсчитываемая по конечному размеру деформируемой заготовки. Запишем ее применительно к осадке
_ Но- Нк _ Но , АН к~ нк Нк Нк •
Как видно, этот показатель изменяется от 0 до оо и на единицу меньше коэффициента у ковки (ек — К — I). Оба показателя относительной деформации заимствованы из теории упругости, в которой применительно к металлам они практически равнозначны. Упругие деформации металлов весьма малы, а почти одинаковая величина знаменателя лишь незначительно влияет на высчитываемую относительную деформацию. При больших пластических деформациях в соответствии с различными пределами изменений обоих показателей (е0 от 0 до 1 и вк от 0 до оо) одна и та же величина абсолютной деформации приводит к неодинаковым числовым величинам относительной деформации (в зависимости от используемого показателя), причем, чем больше деформация, тем значительнее разница этих величин [621.
Указанные показатели представляют собой абсолютную величину смещения, приходящуюся на единицу начальной (ей) или окончательной (ея) высоты. Нетрудно видеть, что коэффициент уковки равен отношению этих величин К =
При подсчете деформации по текущим размерам используют так называемый «логарифмический коэффициент» деформации, который для высотной деформации при продольной осадке находят из следующего выражения:
нв
е -= Г - [ 4/ =- In# - In Д’ =. In^fL.
J П J if Нк Сл
64
Пределы изменения логарифмического коэффициента деформации составляют 0 и оо.
В теории обработки металлов давлением используется понятие о смещенном объеме, который рассматривается как
"к
FdH Vln^=Vln-£; (16)
нк *
отсюда следует, что логарифм коэффициента уковки представляет собой удельный смещенный объем
т....-Vй “ 1,1 1пК„ = “ «». <|6‘)
Па рис. 33 дано графическое сопоставление рассмотренных показателей Здесь же на графике даны кривые для среднеарифме-
Рнс 33. Графическое сопоставление различных показателей и коэффициентов деформации
тической величины —-2-— (по рр до. Павлову) и для показателя деформации, отнесенной к средней высоте заготовки
Последняя величина используется в работах некоторых зарубежных авторов. Соотношение рассмотренных показателей деформации приведено в табл. 13. При разложении в ряд логарифми-
«.) Я, М OxpwMvjiKu 597 65
ческого коэффициента (известно три таких ряда) легко увидеть, что в грубом приближении (с точностью до 1-го члена ряда) различные показатели деформации равноценны. Для малых деформаций (до 2%) это же следует и из рассмотрения кривых па рис. 33.
Следует отметить, что кривые е.ср и Ек расположены по обе стороны кривой е (рис. 33).
Рассмотренные в табл. 13 показатели оценки деформации могут быть подразделены по величине пределов изменения величин деформаций на три группы: 1) 0—1 (для е0); 2) 1—со (для Л); 3) 0—оо (для Ек и е).
Из табл. 13 можно сделать вывод, что различные показатели деформации сопоставимы, следовательно, все равно, каким из них пользоваться при расчетах. Таким образом, утверждения о будто бы большей точности того или иного показателя неосновательны. Если исходить из наглядности оценочного показателя, то преимущества на стороне однако на практике получил наибольшее распространение коэффициент уковки К как наиболее простой показатель.
Сложнее обстоит вопрос с оценкой деформации при многооперационных процессах ковки. В связи с применением новых высоколе-
Таблица 13
Соотношение различных показателей высотной деформаций при продольной осадке
Показатели деформации
Сопоставляемые показатели К» е Пределы изменения
! с ас |йз 1! — _1 1 — «0 «К ‘ 1 . //о exp In -j-X «к 1 — со
Д'—1 , 1 ₽к 1 ’ I ^0 exp In о- 1
н0 к к 1 + ®к
„ _ иа -нк к~ Нк К— 1 Гр 1 — е’о — exp In _ 1 "К 0 — оо
с 7 in К in-—1— 1 — г» 1п(ек । I) — 0 - ос
66
тированных сплавов и повышен нем требования к качеству поковок необходим точный подсчет деформаций вдоль различных осей и в зависимости от их знака. Уже давно учитывают механические свойства металла вдоль и поперек волокон. В настоящее время все более необходима оценка деформаций и соответствующих им механических свойств металла по трем осям, поскольку, например, при протяжке без кантовки две взаимно перпендикулярные поперечные пробы неодинаковы и зависят от величины уширения. Если ориентироваться на показатель деформации типа коэффициента уковки с учетом неизменности объема в процессе деформации, то для заготовки, имеющей форму параллелепипеда, имеем
откуда
В о Вк Lk
Н к
Используя уже встречавшиеся обозначения и применив индексы, соответствующие осям деформации, получим
кн = KBKL.
Коэффициент уковки по высоте Кн равен произведению коэффициентов деформации в направлении уширения Кв и удлинения KL, причем наибольшей величиной из рассмотренных является величина Кн, которая соответствует уковке применительно к осадке. Если эта же деформация рассматривается как элемент операции протяжки, то соответствующий коэффициент уковки составит величину
к - Кн ~ Кв'
меньшую, чем при осадке, и равную ей только при отсутствии уширения (если Кв = 1, то = Кь). При рассмотрении этой же деформации как элемента технологической операции разгонки заготовки в ширину соответствующий коэффициент уковки запишется
он может быть равен коэффициенту высотной деформации лишь в отсутствии удлинения (когда Кв — то Кв — Кн). Следует иметь в виду, что рассмотренная деформация по высоте (сжимающая) совпадает с направлением внешней силы, а две другие (положительные) перпендикулярны внешней силе. Физический эффект деформаций и, в частности, изменение механических свойств литого металла при ковке, как будет выяснено позже (см. гл. V), неодинаковы и зависят от знака и величины деформации вдоль каждой оси.
5* 67
Связь высотной и поперечных деформаций при ковке. Сопоставление выражений для деформаций сжатия и растяжения необходимо, так как при ковочных операциях наряду с отрицательной деформацией в направлении действующей силы имеются положительные поперечные деформации (соответственно увеличению размеров по двум другим осям координат). Сопоставление некоторых показателей деформации по трем координатным осям с учетом знака деформации приведено в табл. 14. Вторые буквы индексов у показателей относительной деформации по исходным размерам (еп) и по конечным размерам (ек) указывают направления деформации. Таким образом, индекс Н соответствует высотной деформации, В — уширению ji L — вытяжке в длину. Последние две деформации являются поперечными по отношению к основной — высотной. При осадке цилиндра поперечными являются радиальные деформации. Эти же индексы характеризуют коэффициенты деформации (уковку); они рассматриваются также по трем осям.
В табл. 14 в группах I и II объединены одинаковые показатели по принципу их построения (по исходным размерам в знаменателе показателя в группе 1 и по конечным в группе II), однако пределы изменения показателей неодинаковы.
Отсюда следует, что показатели каждой группы несопоставимы и условие несжимаемости
«I + *2 + ез = °> выраженное через них, не выполняется.
Для того чтобы получить одинаковые пределы изменений показателей в каждой группе и их сопоставимость при больших деформациях, следует объединить показатели так, как это сделано в табл. 15. При этом высотной деформации по исходным размерам соответствуют поперечные деформации по конечным размерам (группа I), а высотной деформации по конечным размерам — поперечные деформации по исходным размерам (группа II). При этом в табл. 15 для всех четырех групп показателей выдержан общий принцип, состоящий в том, что внутри каждой группы знаменатель представляет собой либо большую величину из числа входящих в данное выражение (группа I), либо меньшую величину'- (группы II—IV). То обстоятельство, что внутри каждой группы объединены показатели, имеющие одинаковые пределы изменений, позволяет сопоставить в соизмеримых величинах конечные деформации по различным осям.
Связь относительных деформаций по трем осям в дифференциальной форме наиболее просто определить для осадки цилиндра. Дифференцируя уравнение V — const (постоянство объема в процессе деформации), получаем jiR3H -- V', rcR^dfi -J- 2nRHdR — О, откуда —jp- — 2— (минус в левой части равенства характернее
Таблица 14
Сопоставление показателей деформации по трем осям (для осадки)
Группа показателей! Знак деформации вдоль данной оси Показатель деформации е0Н ео£ e0L екЦ ЕкВ £kL Пределы изменения показателей
— «о Н к еоп н„ — — екН 1+£кН — — 0- 1
I + Вк-Яв В«в- в„ — — — — ккВ 1~екВ — 0- 00
4- LK “ Lo Eot~ l-v. — — — — — « а 0 — ОФ
— нк KH' Нк еон 1 — — — — — 0- ОС
II + КБ еов 1 + еоВ — — — — с — 1
+ е -kL ~ — — £«L ' + 4l - ... — 0 — I
зует знак высотной деформации). Для конечных деформаций можно записать
— АН _ 9&R _ 9ЛГ)
Н £ 1 D '
Относительная высотная деформация цилиндра равна сумме двух поперечных деформаций цилиндра, у которого радиальные (поперечные) деформации равны. Имея в виду, что периметр П цилиндрической заготовки равен 2л/?, можно записать, что
— AW Н
или
— АЛ _ ЛП ДО Н ~ "П + D
П
Очевидно, в общем случае для конечных деформаций действительно равенство между высотной и суммой поперечных деформации, отнесенных к текущим размерам высоты, длины и ширины
дн ль . ля Н ~ Д ’1" ~В~-
69
Сопоставление различных показателей деформации,
Группа показателей Знак деформации Показатель деформации ЕОН ®кй ®я I. ЕкН ₽ 1 еоВ
I — _ «О-"к £о« Н~ — — 1 1 *0 Мр, —
+ й« - В® ск£‘ ' в °к — 1 — — гоп 1~еоВ
+ LK-Lo ек 1 “ L К — — — — —
II 1 — „ НО~”к ‘кН f! к £ОН 1—®он 1 —* —
-Г _ БК~РС ~ £0 — саВ 1~екП — —
1 £к~*0
1 ~кк1-
III — Лн- нк 1 1~£ОН _ ел-П । 1 —
+ к Вк Кр-~в; — 1 1 —ЕкД — — F0Z? + 1
+ К L* 1
Кр- 1-0 *- екЛ
— е -1„-^ ен ~ н К 1л- —- 1 ~ ®ен —
IV ' Р‘к — ш.-!- ЕкН .. — 1п(еов+1)
+ 1 '1 II S- 1 — 1 i
70
Таблица IS
объединенных в группы С одинаковыми пределами изменения
E0L 'Ч К„ KL еН eB eB Пределы изменения показателя
ч 1- 1 0 — 1
CXP '"TT^
1-J-Kji 1 - 1 0 — 1
1 exp In —- be
V»L 1-Л ! . ’ 0 — 1
LK exp In —— *-o
— Kff-1 exp^-1 — 0 — CO
— — Кв”'1 — О * to,' » e 1* 1 — О — со
— — — KL 1 — — LK exp 1 by 0 оэ
— -- - exp In —— 11 к — 1 — со
- — - — 1 — со
(:vL +1 — — — — — exp In —=— 1 оо
— 1,1 Л7/ — — — — — 0 — оо
— — 111 Кв - -* 0 — со
‘"(«о/.-1) 111 KL — - U — со
71
К такому же результату можно прийти следующим образом. На основании условия неизменности объема параллелепипеда в процессе деформации имеем
7/р _ _ I-K ' Вк _
Lq Во
это можно выразить и через коэффициенты уковки
К„ = КЛв- (17)
После логарифмирования выражения получаем
In^L - 1п^ 4 1п^;
t{K
еН — еД 1 еВ- (18)
Равенство (18) связывает логарифмические коэффициенты деформации (истинные деформации) по трем осям и является условием несжимаемости в общем виде. Оно действительно для малых и больших деформаций, и его можно представить
L* Вк
Г dH Г dL Г dB
J // J J Те ’
Освобождаясь от знаков интеграла и имея в виду конечные деформации, получаем
Mi az. , t\B Н “ L + В ’
где Н, L и В — текущие размеры.
Если заменить эти размеры средними ( Нср = ——— и т. д. I, то можно записать
еВ(ср} ЕЦср) + SB(rp)’ <18Э
т. е. приблизительное равенство средней относительной высотной деформации сумме средних поперечных относительных деформаций.
Для получения аналогичной связи через относительные деформации подставим в равенство (17) соответствующие величины для каждой из осей (табл. 15), тогда:
для случая относительной деформации с пределами изменения от 0 до 1
1 _ 1 I
1 — Soli 1 — В 1 ~ SK где
72
После выполнения алгебраических действий находим
= 4“ Ек В &KL.&KB- О®)
Для случая относительной деформации с пределами изменения от 0 до со
ехн -г 1 - (е*>ь + 0 (Еов + О» гДе Кн = еЛ н + 1;
Кд БОД + 1 И Кв — Е0В 4" 1» откуда
ЕкН = Вос + £ОВ + ®OL6»B- (20)
Итак, для больших и малых деформаций равенство высотной деформации сумме двух других имеет место только при логарифмических коэффициентах деформации [выражение (18) ]. Для показателя относительной деформации, изменяющегося от 0 до 1, высотная деформация меньше суммы поперечных деформаций на величину их произведения [формула (19)], а для относительной деформации, изменяющейся от 0 до оо — больше соответствующей суммы [формула (20) ] на величину произведения двух поперечных деформаций.
Это произведение тем больше, чем больше величина деформации; пренебречь им можно лишь при относительно небольших деформациях « 5%).
В результате становятся очевидными преимущества расчетов больших деформаций с помощью коэффициентов уковки или логарифмических коэффициентов, поскольку при этом связь деформаций по трем осям получается в наиболее простой форме (произведение или сумма в правой части равенства).
Приведенные выше расчеты больших (технологических) деформаций относятся к таким условиям, при которых можно пренебречь изменением геометрической формы деформируемых тел в процессе деформации. Если форма изменяется значительно, то соответствующие расчеты усложняются. Рассмотрим расчет, который относится к случаю превращения заготовки высотой одинакового поперечного сечения Fo в поковку более сложной формы (рис. 34) с высотой Нк и переменной площадью поперечного сечения Fx (рис. 34, а); при этом Fx является функцией х, определяемой формой поковки.
Например, для поковки типа усеченного конуса (рис. 34, б)
Полагаем, что каждый элементарный объем поковки dV высотой dHK и площадью Fx (рис. 34, а) образован из равного ему элементарного объема высотой dH^ и площадью Fv, т. е.
dV - dHKFx = d//cF0.
73
Для элементарного смещенного объема действительно равенство
Г о
в котором Fx является площадью поперечного сечения цилиндра высотой Нк:
-4s-, но dV„, = dlIKF'x.
пк
При интегрировании в пределах от Но др Нк получим
Рис. 34 Схема к выводу формулы смещенного объема при деформации с усложнением формы заготовки (по Л. Н. Брюханову)
(21)
По смещенному объему находим удельный смещенный объем (логарифмический коэффициент деформации)
Л (Н) _ 1„ iz
еН — у — 1п ^ Н-
Для подсчета коэффициента уковки воспользуемся потенцированием логарифмического коэффициента (см. табл. 15):
- ехрея
На основании известных соотношений между различными показателями деформации можно вычислить и другие рассмотренные выше показатели. Очевидно, при подобном расчете остаются также действителвными соотношения между средними высотной и поперечными деформациями.
74
I CM (fi ) 3
В качестве примера приводится выражение для определения смещенного объема при деформации цилиндра (рис. 34, б) в усеченный конус, полученное интегрированием формулы (21):
// (1 + T)Dk г-)1п(-г-т) +
1 «\ I>K — dKJ \F0 3)
г
к F)K-dK
(21')
где FH — площадь большего основания усеченного конуса;
Fe — площадь меньшего основания усеченного конуса;
Ео — площадь поперечного сечения исходной заготовки.
По смещенному объему находится величина деформации, как указано выше.
Для поковок сложных конфигураций в литературе рекомендуются и эмпирические способы определения степени деформации (по С. И. Губкину)
е,пги In (22)
где Уср — фиктивный объем поковки, т. е. объем простейшей геометрической фигуры, в которую вписывается рассматриваемая поковка;
V — объем поковки.
Выражение (22) и подобные ему могут быть использованы лишь для приблизительных расчетов, так как они не учитывают размеров исходной заготовки, предопределяющих степень деформации.
При использовании приведенных выше показателей деформации приходится иметь дело с тремя неизвестными величинами, характеризующими определенный объем деформируемого металла (обычно И0-, Во и £п). Если к£вка или штамповка ведется из заготовок простого профиля (круга, квадрата), то при этом неизвестны лишь два размера, но соотношение их обычно известно (в некоторых допускаемых пределах). Если из технологических соображений возможно задаться одним размером, то по нему определяют другие; по известным размерам заготовки и поковки подсчитывают величину деформации. Встречаются и обратные задачи.
§ 2. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ КОВКЕ, ШТАМПОВКЕ
Рассмотренные выше показатели и коэффициенты технологические дают возможность оценить деформации с помощью простых расчетов при условии, если геометрическая форма заготовки не претерпевает при обжатии значительного изменения. В противном случае, как было показано, расчет деформации возможен, но значительно усложняется. Расчет больших деформаций по исходным И окончательным размерам позволяет определить средние дефор-
75
наций, совпадающие с действительными только в случае так называемой равномерной деформации, условия которой следующие:
dx dH
X Н '
vjifi dH Но — Н — элементарное обжатие (например, цилиндра или прямоугольного параллелепипеда);
Н — текущая высота обжимаемого тела;
х — высотная координата любой точки (внутри или на поверхности тела);
dx — элементарное перемещение этой точки. При этой деформации перемещения любой точки (кроме точек, лежащих по оси х—х и в плоскости среднего поперечного сечения
по оси у—у) происходят в пространстве по плоским (квадратичным) гиперболам. Эти же условия требуют, чтобы общая относительная деформация е вдоль любой координатной оси совпадала с относительной деформацией ем между двумя любыми точками тела вдоль этой оси:
е = ем.
Однако технологические деформации обычно неравномерны и неоднородны1. Следует иметь в виду, что геометрически равномерная деформация тоже неоднородна и отдельные частицы деформируемого тела, находящиеся в разнообразных граничных условиях, подвержены воздействию различных схем напряжений и имеют неоди-
Рис. 35. Схема к характеристике неодинаковых ус ловим равномерной деформации для различных частиц внутри и на поверхности осаживаемого цилиндра
наковые пути (и, следовательно, скорости) перемещения. Краткая сводка этих условий применительно к элементарным частицам 1—9 в виде кубиков (рис. 35) приведена в табл. 16. Из таблицы видно, что даже без контактного тре-
ния условия деформации на контактной и свободной поверхностях отличаются от условий для частиц, находящихся внутри цилиндра. В свою очередь, частицы внутри цилиндра (на его оси,
В плоскости среднего Связь с соседними частица- То же Сжимающие со стороны со-
поперечного сечения ми по шести граням седних частиц по шести гра-
ням
Внутри цилиндра То же По гиперболе То же
1 Имеется в виду равномерность в геометрическом, а однородность в физическом отношении.
76
77
в средней плоскости поперечного сечения или в любом другом месте) также деформируются в неодинаковых условиях.
Для равномерной в геометрическом отношении деформации достаточно действия внешних сил только в направлении оси цилиндра (линейное напряженное состояние), при этом большинство частиц металла (кроме граничащих со свободной поверхностью) находится в типичных условиях всестороннего неравномерного сжатия. Под влиянием неравномерного объемного напряженного состояния в кристаллических зернах металла происходят микро-деформации скольжения и двойникования независимо от их разнообразной ориентировки. Эти деформации являются неравномерными и неоднородными, поскольку в скольжении и двойниковании участвуют далеко не все атомные плоскости. Сдвиги происходят по выборочным плоскостям на расстоянии тысяч межатомных промежутков. Это согласуется с теорией дислокаций и подтверждено опытами. Следовательно, можно сделать вывод, что пластическая деформация по своей природе — процесс неоднородный, происходит в результате неравномерного напряженного состояния и протекает в неодинаковых условиях для различных частиц тела, деформируемого даже по простейшим схемам. Таким образом, добиться однородной в физическом отношении пластической деформации нельзя; однако приблизиться к равномерной в геометрическом отношении деформации удается, в частности, устранением или парализацией контактных сил трения при осадке. Изучение закономерностей такой деформации можно осуществить в лабораторных условиях, так как отклонения от них в условиях технологического процесса могут быть объяснены влиянием различных факторов (трения, температурных, скоростных и т. п.). Например, поскольку при равномерной в геометрическом отношении осадке продольное сечение заготовки не должно потерять геометрической формы, все отклонения, наблюдаемые в тех или иных условиях опыта, целиком могут быть объяснены неравномерностью деформации. Одно из самых больших достоинств понятия о равномерной деформации состоит в том, что для нее действительны те же закономерности, что и для малой пластической деформации. Это вытекает из того обстоятельства, что при любой величине равномерной деформации направление ее главных осей остается постоянным 1.
При деформации для характеристики формоизменения большое значение имеет соотношение между контактной и свободной от контакта поверхностями металла. Для цилиндра оно составляет величину
т 2 4nDH ~ 0,0 й И ' (23)
1 Здесь и далее под равномерной деформацией подразумевается идеализи-
рованная равномерная деформация в геометрическом отношении.
78
Поскольку величина 2т -= дает представление о соотношении линейных размеров цилиндра, ею пользуются как геометрической" характеристикой. Однако в этом случае следует иметь в виду и ее физический смысл, в связи с чем отношение будем называть также коэффициентом контакта. Этот коэффициент легко подсчитывается для любой геометрической фигуры [101J.
На рис. 36 приведены кривые изменения контактной поверхности (для одного торца цилиндра F = и общая 2F), боковой (S = л.Р/7) и суммарной (2F -ф S) в координатах «единицы поверхности — отношение диаметра к высоте цилиндра». Характерными точками этого графика (называемого графиком баланса поверхностей) являются точка / минимума суммарной поверхности цилиндра при -о- = 1 > точка 2 равенства боковой и общей контактной поверхностей при = 2 и точка 3 равенства боковой и торцовой D контактной поверхностей при
Рис. 36. График баланса поверхностей при продольной осадке цилиндра
= 4. Этот график является
обобщенным для всех случаев равномерной осадки цилиндрических тел. Из рассмотрения его следует, что при равномерной деформации образцов с ~ < 1 общая их поверхность умень-шается, тогда как при >• 1 она увеличивается за счет интенсивного роста контактной поверхности.
В условиях процессов ковки, штамповки к естественной неоднородности деформации прибавляется неоднородность, вызванная контактными силами трения, при этом деформация перестает быть равномерной и в геометрическом отношении.
Кроме сил трения, неравномерность деформации вызывается гетерогенностью сплавов, присутствием в них различных примесей и наличием зерен различной величины. Сложные формы заготовки и профиль рабочего инструмента также вызывают неравномерность деформации. В результате деформация локализуется в микроскопических и макроскопических объемах. В деформируемом объекте напряжения распределяются неравномерно, появляются разнонаправленные потоки металла, вызывающие^дополнитель-
79
ные напряжения; весь процесс становится сложным и неоднородным даже в пределах отдельных зон, на которые разделяется объем металла при деформации.
Рассматривая вначале простейшие схемы неравномерной деформации применительно к ковке, штамповке, обратимся к про
цессу осадки при различном опытный рабочий инструмент
Рис. 37. Смещение точки 2 при возрастании контактных сил трения. Материал образцов — армко-желсзо, = 0,7: • — грубая (3-й класс чипе
стоты); О — чистая (7-й класс чистоты);
X — шлифованная (10-й класс чистоты) поверхности осадочных плит
контактном трении. С этой целью (плиты) подвергают механической обработке различной чистоты и применяют смазки. Как известно, осадка при наличии сил трения сопровождается бочкообразова-нием, причем боковая поверхность уменьшается в меньшей степени, чем это имело бы место в отсутствии сил трения, а контактная поверхность увеличивается, но также в меньшей степени, чем в отсутствии сил трения. В результате точка 2 на рис. 36, отвечающая равенству боковой и контактной поверхностей, смещается вправо в сторону больших значений коэффициента и тем больше, чем грубее обработаны осадочные плиты (рис. 37).
Внешний эффект формоизменения при неравномерной осадке не ограничивается бочкообразова-нисм и уменьшенной величиной контактной поверхности, причем
все явления, сопровождающие деформацию, протекают по довольно сложной схеме. Рассмотрим последовательно эти явления. Боковая поверхность при осадке приобретает не только бочкообразную форму, одновременно со-D
кращаясь по мере увеличения она частично переходит на кон-
тактные поверхности. Это явление состоит в том, что металл, расположенный вблизи торцов осаживаемого образца на свободной боковой поверхности, вследствие бочкообразования набегает на обе контактные поверхности и оказывается непосредственно под воздействием осадочных плит. Факторы, влияющие на этот процесс, видны из рассмотрения рис. 38, на котором приведены экспериментальные данные по осадке свинцовых образцов при -5®. 0,5 осадочными плитами с различной чистотой обработки
по
и в одном случае со смазкой плит. Точки, нанесенные предварительно па боковую поверхность, по мере увеличения степени де-80
формации переходят на контактную поверхность и тем интенсивнее, чем больше величина действующих сил трения. С увеличением степени деформации этот процесс получает дальнейшее развитие. Граница торца исходного образца £>гр оказывается на большом расстоянии от границы торца, осаженного образца DT
При очень гладкой поверхности смазанных плит (12-й класс чистоты) явления перехода металла па контактные поверхности
почти не наблюдается даже при очень больших деформациях (до 70%).
На контактную поверхность переходит не просто боковая поверхность, а какой-то слой металла, условия деформации которого при этом существенно изменяются. Для того чтобы проследить, что получается с этим металлом, рассмотрим, как происходит увеличение контактной поверхности при осадке. Стремление к увеличению контактной поверхности в отсутствии трения подчинено следующей закономерности. Из условия постоянства объема имеем
откуда
Если вычесть из каждой части равенства по 7?0 и заменить Н<> ।
то получим
<24)
Рис. 38. Иллюстрация явления перехода боковой поверхности в процессе осадки на контактные в зависимости от чистоты обработки осадочных плит и степени деформации в о-
Классы чистоты: а — 3-й; и — 9-й; л — 10-й; г — 12-й, осадка со смазкой
В координатах А/? — 7?, где R — радиусы концентрических окружностей на торцах образцов, линии для различных значений е0 представляют собой прямые, проходящие через начало координат, что отвечает условиям равномерной деформации (рис. 39, кривые 7). Угол наклона этих линий характеризует интенсивность скольжения, которая увеличивается с увеличением степени деформации. Для сопоставления теоретических и практических данных на этом же графике нанесены экспериментальные (рис. 39, кривые 2). Зги данные получены в результате осадки и соответствуют увеличению радиусов концентрических окруж-
6 я. М- Охрименко 597 $1
костей, нанесенных на торцы образцов до начала их осадки на шлифованных плитах (в данном случае радиусы окружностей 2, 4, 6, 8 мм и т. д.). Полученные значения АТ? дают возможность построить кривые действительного скольжения на контактных поверхностях при наличии сил трения. Следует обратить внимание на то, что скольжение металла по поверхности не является только перемещением, так как происходит условиях увеличения площади контактной поверхности.
ARrin
выходом новых частиц металла на поверхность.
Пересечение кривых скольжения с осью абсцисс является границей средней части контакта радиуса Rn, на которой отсутствует скольжение (в данном случае взят для е0 = — 50%). Соответствующий участок в виде круга на контактной поверхности диаметром Dn=2Rn называется обычно участком прилипания (рис. 39). Увеличение степени деформации (в данном случае с 50% — сплошные линии, до 70% — штриховые линии) приводит к уменьшению участка прилипания. По этому графику можно судить и об интенсивности скольжения при неравномерной осадке, [рилипапия примыкает участок
Рис. 39. График скольжения на контактной поверхности при равномерной (/) и неравномерной (2) осадке. Сплошные линии — е0= 50%; штриховые— = 70%, материал — свинец. Плиты обработаны по S-му классу чистоты поверхности
Непосредственно к участку
застоя D3 — 2/?3 с меньшей интенсивностью скольжения, чем при равномерной осадке (судя по углу наклона этой части кривой). Этот участок граничит с периферийным, на котором (судя по наклону кривой) скольжение даже более интенсивно, чем при равномерной деформации. В результате контактная поверхность (диаметром Dr, рис. 39) в процессе осадки оказывается разделенной на три контактных участка: прилипания Dn, застоя D3 и интенсивного скольжения в периферийной части. Металл, переходящий на контактные поверхности с боковой поверхности, попадает обычно в участок скольжения. С уменьшением сил трения (например, при смазке инструмента) кривые скольжения приближаются к расчетным линиям и могут даже слиться с ними, если силы трения устранены. При этом не появляется бочкообразования, а также нет перехода боковой поверхности на контактную. Напротив, с увеличением сил трения участок прилипания может быть настолько развитым, что вся торцовая поверхность (включая и ту, которая образуется за счет перехода боковой поверхности) оказывается 82
неподвижной. Это особенно вероятно при больших силах трения и относительно небольших деформациях. Каждой величине силы трения соответствует своя степень деформации начала скольжения на контактной поверхности. Небольшая степень деформации характеризуется полным прилипанием по контактной поверхности. При малых силах трения это можно наблюдать только в начальный период осадки, в частности у образцов с большей высотой (при
< 1). Увеличение участка прилипания нежелательно, так как это сопряжено с возрастанием неравномерности деформации, которая увеличивает физическую неоднородность и определяет неравномерность механических свойств металла.
Рассмотрим более подробно процесс бочкообразовання.
Если процесс скольжения на контактной поверхности связан с ее увеличением в радиальном и тангенциальном направлениях и объясняется выходом новых частиц на поверхность, то бочкообра-зование сопровождается уменьшением боковой поверхности, которое имеет сложный характер. Наряду с уменьшением образующей цилиндра происходит увеличение его периметра. Рассмотрение краев шлифов, изготовленных из продольных темплетов бочкообразных образцов, показывает, что сокращение боковой поверхности происходит за счет складкообразования. При этом наблюдаются микроскопические и макроскопические складки, расположенные кольцами перпендикулярно образующей цилиндра. Можно было бы предположить, что на долю складкообразования приходится незначительная часть уменьшения боковой поверхности, поскольку этому при осадке помогает переход боковой поверхности на оба контакта. Однако эксперименты, проведенные по осадке образцов с координатными сетками на их боковой поверхности, убеждают в том, что наряду с уменьшением боковой поверхности за счет складкообразования происходит увеличение этой поверхности за счет увеличения периметра поперечного сечения. Каждая складка подвержена тангенциальному растяжению с образованием микроскопических надрывов и выходом новых частиц изнутри, как и при скольжении на торцах. При значительных деформациях микротрещины развиваются, переходя в большие трещины, по которым обычно судят об исчерпании деформационной способности металла (при испытании на пластичность). Чем больше контактные силы трения, тем больше переход боковой поверхности на контактную и тем больше бочкообразование, с увеличением которого возрастает обновление боковой поверхности; при этом роль складкообразования как процесса уменьшения номинальной поверхности даже возрастает. Следует иметь в виду, что складкообразование увеличивает дефектный слой металла, подлежащий удалению при механической обработке. При ковке осадкой бочкообразование как процесс искривления боковой поверхности обычно приводит к увеличению расхода металла. Поэтому, б* 83
как правило, стремятся к возможно мепывему бочкообразованйЮ при осадке.
Объем металла, участвующего в бочкообразован им, можно рассчитать, как разность между объемом осаживаемого тела V и объемом V , ограниченным двумя контактными поверхностями (рис. 40):
лП?. nD*
i'e У- Кг- -4 м.- 4 -я«.
Рис. 40. Форма и размеры осаженного цилиндрического образца:
DT — диаметр торца, — наибольший диаметр бочкообразного образца: D)lfl — приведенный диаметр цилиндрического образца
Для сопоставления различных объемов, характеризующих боч-кообразование, удобно воспользоваться относительным объемом бочкообразования
0--ЦЛ- 4, (25) который нри определенной величине коэффициента контакта достигает максимума. На рис. 41 приведено семейство таких кри-„ /Л> вых для различных значении --ц-(0,5—4,0). Чем больше значение L>t, тем меньше максимальная величина относительного объема бочкообразования. По достижении максимума при дальнейшей осадке объем, характеризующий бочко-образование, постепенно уменьшается. Поскольку увеличение бочкообразова н ия свидетел ьствует о возрастании неравномерности деформации, то можно заключить,
что осадка за пределами максимума величины 0 характеризуется меньшей неравномерностью деформации. Рассмотренная закономерность бочкообразования имеет также аналитическое выражение и используется для технологических расчетов (см. гл. V и VI). Эта закономерность почти не зависит от температуры металла, его химического состава, сил трения и даже скорости деформации. Бочкообразование может быть большим или меньшим, но его максимум отвечает примерно одной и той же вели-D
чине в процессе осадки.
В результате анализа основных явлений, сопровождающих неравномерную деформацию, устанавливается их взаимосвязь. Увеличение сил трения усугубляет неравномерность деформации, так как при этом замедляется рост контактной поверхности с одно-84
временным увеличением участка прилипания, что, в свою очередь, вызывает более интенсивный переход боковой поверхности на контактную и увеличение бочкообразования.
Рис. 42, а позволяет рассмотреть совместное проявление прилипания, скольжения, перехода боковой поверхности на контактные и бочкообразования при различных силах трения и на раз-
Рис. 41. Изменение относительного объема бочкообразования в зависимости от величины коэффициента контакта (использованы свинцовые образцы одинакового объема)
личных стадиях деформации образца с-^°-<Ч. При больших ‘‘о
силах контактного трения (обработка плит по 3-му классу чистоты, рис. 42, а) происходят все описанные выше процессы, характерные дчя резко выраженной неравномерной деформации. Образующая цилиндрического образца показана вертикальной штриховой линией; кривая, изображенная штриховой линией, представляет собой гиперболу, по которой происходит изменение радиуса исходного образца в предположении равномерной деформации. Все остальные кривые относятся к реальному процессу осадки. Кривая 1 характеризует изменение радиуса среднего поперечного сечения образца (соответствующий диаметр D6). Кривая 2 показывает изменение радиуса торца (соответствующий диаметр DT) в реальном процессе осадки. Кривая $ показывает изменение радиуса торца
85
8G
Рис. 42. Сводный график, характеризующий эффект неравномерности деформации в геометрическом отношении. Материал — свинец; Но — 80 мм, Db — 40 млг I —- область прилипания; II — область скольжения; III — область перехода боковой поверхности на торцы
исходного образца, который увеличивается за счет скольжения, однако величина его (соответствующий диаметр Вгр) меньше радиуса действительного торца вследствие перехода боковой поверхности на контактную. Кривая 4 характеризует уменьшение радиуса участка прилипания в процессе осадки, частично остающегося даже при равной 80%-ной деформации (диаметр Е>„). На этом графике в разные стороны заштрихованы области прилипания и скольжения; последняя делится линией 3 на две части: левую — скольжения на исходном торце и правую — скольжения металла, перешедшего на торец с боковой поверхности.
Осадка с несколько меньшими контактными силами трения показана на рис. 42, б (плиты обработаны по 9-му классу точности). Качественная картина деформации здесь такая же, как и в предыдущем случае. Однако область прилипания здесь меньшей протяженности и полностью исчезает при 50%-ной деформации. Область скольжения более развита преимущественно за счет скольжения на исходном торце, что видно по значительной! кривизне линии 3, характеризующей увеличение радиуса исходного торца. Еще меньшие силы контактного трения (рис. 42, в, плиты обработаны по 10-му классу чистоты) вызывают дальнейшее уменьшение процессов, типичных для ярко выраженной неравномерности деформации. Здесь область прилипания наблюдается только в начале осадки, область же скольжения получает еще большее развитие. Одновременно существенно уменьшается переход боковой поверхности на контактную.
При минимально достижимых силах трения (плиты обработаны по 12-му классу чистоты и смазаны, рис. 42, г) образец получает практически равномерную деформацию, бочкообразность и прилипание отсутствуют, диаметр образца £)0 увеличивается до величины DK только за счет скольжения на контактной поверхности. Кривые 1—3 практически сливаются в общую, гиперболическую кривую.
При осадке образцов с 2^-4 качественная сторона не-Л7о
равномерной деформации остается той же, количественная сторона ее изменяется. Для более подробного рассмотрения этих изменений обратимся к проявлениям неравномерности внутри деформируемого металла.
Как известно, появление касательных сил на контактной поверхности приводит к разделению деформируемого объема на зоны, в частности при осадке, к появлению куполообразных зон затрудненной деформации, основания которых представляют собой уже рассмотренные выше участки прилипания.
В общем случае при проведении экспериментов в широком диапазоне удается обнаружить у образцов четыре типа различных зон (рис. 43). Исследованием упрочнения холоднодефор-
87
мированного металла в различных местах продольного сечения.
а также при помощи координатных сеток и изучения искривления продольного волокна при осадке образцов было уста-
новлено, что осадка образца с -‘‘К
-< 0,4ч-0,7 (рис. 43, а) харак
теризуется наличием всех четырех типов зон. К контактным поверхностям примыкают куполообразные зоны 1 затрудненной деформации; к ним примыкают зоны 2 локализованной дефор-
мации, в которых действуют максимальные тангенциальные напряжения под углом 45° к оси образца. В данном случае этих зон две, как и зон 3, в которых действуют кольцевые растягивающие напряжения. Между
Рис. 43. Форма зон в объеме осаживаемого цилиндрического образца
теризующаяся наиболее равномерной деформацией. Образец в начальной стадии осадки получает двойную бочкообразность, которая по достижении г=« 0,7 ч-0,8 исчезает (рис. 43, б, в). При этом зона 4 на периферии переходит в зону 3, которая становится единственной кольцевой зоной для всего образца; в средней части зона 4 поглощается двумя зонами 2, которые объединяются в общую, имеющую теперь крестообразную форму в продольном сечении (рис. 43, в). Дальнейшая осадка связана со значительным развитием зоны 1 (рис. 43, г), которая к этому времени уже имеет некоторую деформацию (но меньше средней для всего образца). Следовательно, типичной затрудненной областью, в которой деформации очень небольшие, является лишь средняя часть этой области В периферийной части области затрудненной деформации Г к этому моменту уже имеется достаточно большая степень деформации, но по-прежнему меньшая, чем средняя для всего объема. Кроме того, в части зоны Г присутствует металл, перешедший сюда из зоны 3, который уже деформирован в большей степени, чем это характерно для зоны затрудненной деформации. Поэтому зоны следует выявлять при малых величинах деформации в первый момент их образования. Зона затрудненной деформации, 88
Рис. 44. Переход металла из одной зоны в другую в процессе осадки, осуществляемой в четыре стадии на 80%
Как и другие зоны, не имеет резко очерченных границ и характеризуется неравномерной деформацией (зональной неравномерностью). Переход металла из зоны в зону при неравномерной деформации происходит непрерывно и характерен для всех зон.
При осадке составных образцов с — 0,4 до ~ = 4,5 в четыре стадии установлены следующие пути перемещения различных точек па продольном сечении образцов (рис. 44). Металл средней части зоны затрудненной деформации вблизи торца (точка 711) остается в зоне 1 (зоны 1—4 см. на рис. 43) на протяжении всей осадки (еа = 80%). В зоне 1 была зафиксирована другая точка А'., расположенная вблизи зоны 2. Эта точка в конце осадки оказалась в зоне 2. Точка Б„ к началу осадки находилась в зоне 2 (на D л расстоянии от боковой поверхности). На второй 0,7^ и
третьей f- 1,2 1 стадиях осадки эта точка оставалась в той же зоне 2, однако к концу осадки (-^=4,5^ она оказалась в зоне 1. Аналогично точка В3 из зоны 3 переместилась
в зону 2 (при = 1,2), а в конце осадки оказалась в зоне /. Точка 1\ совершает наибольшее число перемещений: из зоны 4 она перемещается сначала в зону 2, затем в зону 3 и, наконец, в зону /. Этими экспериментами было установлено, что неравномерная деформация при осадке сопровождается межзональными перемещениями. Металл совершает как бы циклическое перемещение из зоны / в зону 2 (в средней части зон); в свою очередь, металл зоны 2 перемещается в радиальном направлении в зону 3. Эти перемещения характеризуют убыль металла из зоны 1. Одновременно объем зоны / в процессе осадки увеличивается. Происходит это вследствие интенсивного увеличения диаметра зоны 1. При этом металл зон 3 и 2 (в процессе перехода боковой поверхности на контактную) оказывается в зоне 1. Процесс перехода металла из одной зоны в другую тем интенсивнее, чем больше величина контактных сил трения. При осадке с > 0,7 образцов, у которых зона 4 отсутствует, межзональное перемещение металла происходит по более простой, но в общем аналогично описанной выше «семе. Во всех случаях убывание металла из зон затрудненной деформации 1 сопровождается одновременным их пополнением 89
из кольцевой <9 и крестообразной 2 зон, причем относительный объем отдельных зон изменяется. В частности, объем зон 2 и 3 в процессе осадки уменьшается, а объем зоны / увеличивается, несмотря на уменьшение высоты этой зоны при 1-
В рассмотренной выше общей схеме неравномерной деформации при осадке небыли выяснены причины двойного бочкообразования. Одинарное бочкообразование объясняется сдерживающим поперечные деформации действием сил трения, которое вблизи контактной поверхности максимально и убывает вдоль образующей цилиндра к его среднему поперечному сечению. Объяснить вогнутый профиль в средней части образца по высоте с помощью этой схемы не удается. Для этого приходится исходить из д в о й с т в с н -н о г о влияния сил трения в процессе деформации:
1) непосредственное, сдерживающее действие сил трения приводит к бочкообразоваиию;
2) зоны затрудненной! деформации, имеющие куполообразную форму, оказывают при осадке расклинивающее действие на металл, находящийся между ними. При некотором расстоянии между куполообразными зонами = 0,33-н0,4^ перемещаемый в радиальных направлениях металл приводит к образованию двух самостоятельных поясов выпуклостей. При сближении зон затрудненной деформации (> 0,8^ образуется единый кольцевой пояс, наблюдаемый в виде бочкообразной формы выпуклости у осаживаемого тела.
Выше была рассмотрена неравномерность деформации, наблюдаемая в продольных сечениях деформируемых тел. При этом для упрощения наблюдений в качестве объекта деформации был выбран цилиндр. Для полноты картины неравномерности деформации следует рассмотреть течение металла в поперечных сечениях деформируемых тел. Однако с этой целью удобнее использовать нецилиндрические тела. Осадка тел прямоугольного сечения не сопровождается искажением поперечного сечения, если соблюдается так называемая радиальная схема деформации (рис. 45, а), которая может быть лишь при отсутствии трения. Если считать действительным (согласно А. Ф. Головину) правило кратчайшей нормали, основанное на законе наименьшего сопротивления, то прямоугольное сечение должно принимать эллиптическую форму на том основании, что поперечные деформации по обе стороны каждой линии раздела пропорциональны длине I нормального отрезка от линии раздела к стороне прямоугольника (рис. 45, б). Однако правило кратчайшей нормали соблюдается лишь приблизительно.
И. Я- Тарновский установил, что поскольку эксперимент подтверждает неизменность профиля сечения при осадке в отсутствие 90
трения и преврятiусние прямоугольного сечения в эллиптическое При осадке в условиях трения, то в общем случае кинематическую схему течения можно представить в виде, показанном на рис. 45, б, с углом наклона линии раздела « [841. Этот угол по мере уменьшения'сил трения уменьшается от 45° (при нормальной схеме)
до величины, определяемой выражением ctg а -- ^(радиальная схема течения). Л. А. Шоф-ман [100] убедительно доказал, что в реальных условиях осадки прямоугольное поперечное
сечение превращается в эллиптическое (рис. 45, е), причем соотношение поперечных деформации подчиняется следующим уравнениям, выведенным А. Ф. Головиным:
/1 +тЬ»; <26>
(27)
С. И. Губкин сформулировал условия, в которых прояв
Рис. 45. Варианты схем течения металла в поперечных направлениях при осадке образцов прямоугольного сечения [18]
ляется каждая из указанных выше схем. При малых степенях деформации и незначительном контактном трении действительна радиальная схема тече-
НИЯ.
На этой же стадии деформации, но при значительном контактном трении соблюдается нормальная схема поперечных потоков, которая при увеличении степени деформации нарушается за счет уменьшения угла и от 45° до величины, которая определяется из выражения ctg а
Е. Ф. Шаранин установил аналогичные схемы поперечного течения металла при наличии внешних недеформируемых частей заготовки, как при единичном обжатии в случае операции протяжки (рис. 46). Верхняя схема показывает отклонения направлений поперечных потоков от направления кратчайших нормалей в областях очага деформации, прилегающих непосредственно К Рнещцим частям заготовки. Это случай обжатия заготовки узким
91
У
Рис. 46. Поперечное течение метал -ла при наличии внешних частей у объекта деформации 118]
осадки стальных образцов
бойком или при небольшой подаче аь, когда ширина продольных потоков больше их протяженности поперек оси заготовки.
На нижней схеме показано противоположное соотношение потоков в случае большой подачи по сравнению с шириной полосы Вь. При этом удлинение заготовки обеспечивается лишь за счет небольших участков очага деформации, прилегающих к внешним частям заготовки. Направление кратчайшей нормали в этих участках не соблюдается в отличие от развитой части очага деформации, обеспечивающей уширение.
Вследствие сложности описанных выше потоков металла внутри деформируемого металла даже при такой простой операции, как осадка, количественная оценка неравномерности и неоднородности деформации затруднена (особенно при значительных обжатиях). Для упрощения исследования больших деформаций обычно определяют неравномерность высотной деформации (по продольной осн осаживаемого образца), поскольку она происходит вдоль главного направления при любой степени деформации н остается осесимметричной. Тогда о неравномерности деформаций в поперечном направлении судят па основании известных соотношений между высотной и поперечной деформациями. Графики, построенные по данным (Ст. 3) при температуре 1000й С
на фрикционном прессе, приведены на рис. 47 — для-^ =
= 0,6 и б — для = 2). В данном случае образцы с ввер-нутыми дезаксиально винтами (шаг резьбы / = 0,8лг.ч) подвергались осадке на различные степени деформации, значения которых (в °/0) указаны у каждой кривой. Образцы разрезали так, чтобы винты попадали в сечение и затем были измерены на бинокулярном микроскопе. По изменению шага резьбы высчитывали местные степени деформации ( вЛ( — —— ) , откладываемые по ординате.
По абсциссе откладывали расстояния от основания образца 92
Рис. 47. Изменение степени деформации по высоте стальных образцов при осадке в горячем состоянии
До исследуемых точек вдоль высоты Н. Поэтому чем больше степень деформации, тем меньше протяженность кривых вдоль абсциссы.
О неравномерности деформации в пределах одного или нескольких шагов резьбы винта можно судить, сопоставляя каждый раз Е« и ео Для всего образца. Значение е0 для каждой кривой (см. цифры справа горизонтальных линий на рис. 47) является средней высотной деформацией, следовательно, отношение — предста
Рис. 48. Зависимость абсолютной неравномерности распределения деформации Де от средней степени деформации еь всего образца:
/ — осадка высоких и 2 — низких образцов
вляет собой местную относительную неравномерность деформации. Средние участки кривых ем находятся выше, а края — ниже горизонтальных линий, соответствующих е0. Здесь соблюдается своего рода баланс распределения деформаций.
Об общей высотной неравномерности распределения деформации можно судить также по разности между наибольшим и наименьшим значениями местной деформации для каждой кривой, соответствующей данной степени деформации,
®«пах ®пнп'
На рис. 48 показано изменение абсолютной неравномерности в зависимости от степени
деформации, построенное по данным рис. 47. Обе кривые имеют максимумы, причем для высокого образца с — 0,6 максимум
неравномерности деформации расположен выше и наступает при более высокой степени деформации, чем для низкого образца с = 2.
"о
Для объяснения того, как появляется максимум на кривых неравномерности деформации, рассмотрим график на рис. 49. По вышеприведенным экспериментальным данным построены кривые изменения местной деформации в средних зонах и зонах затрудненной деформации.
Верхняя кривая характеризует увеличение деформации в средней части образцов, а нижняя кривая — в приконтактных зонах затрудненной деформации этих же образцов. Однако интенсивность возрастания обеих кривых неодинакова. Судя по углу наклона касательной в каждой точке кривых к оси абсцисс, верхняя
Кривая характеризуется убывающей, а нижняя — возрастающей интенсивностями увеличения деформации при осадке. Наибольшее
удаление кривых по ординате и соответственно одинаковая интенсивность их возрастания характеризует максимум неравномер-
ности деформации, который в данном случае (при ~^- = 0,6^ относится к обжатию образца на —60%. При уменьшении нерав-
Рис. 50 Схема распределения высотных и радиальных деформаций в различных местах но сечению осаженного образца:
а — эпюры распределения радиаль-Г.НХ и б — высотных деформаций
Рис. 49. Изменение степени местной деформации в зонах затрудненной и локализованной деформации:
/ — изменение в центральной зоне наибольшей деформации; 2 — линия раьномерной деформации: 3 — изменение в зоне затрудненной деформации, 4 — максимум неравномерности деформаций
номерности деформации (например, с уменьшением сил трения) кривые сближаются, так как вгоак — ®msr> = уменьшается и в пределе, если бы удалось исключить неравномерность макроскопической деформации, обе кривые на графике совпали бы с диагональю.
При рассмотрении кривых неравномерности деформации (см. рис. 48) обращает на себя внимание их сходство с кривыми изменения объема бочкообразования (см. рис. 41), что позволяет предполагать их взаимозависимость.
Схема неравномерности деформации в различных местах по сечению (рис. 50) усложнена тем, что деформации не остаются одинаковыми даже в пределах каждой зоны. На левой части рисунка приведены эпюры распределения радиальных деформаций: по контактной поверхности (убывающая к оси образца) и в среднем поперечном сечении (возрастающая к оси образца). Деформации
95
по высоте, величина которых в два раза больше радиальных, иллюстрируются эпюрами, возрастающими к среднему поперечному сечению образца, но в степени тем меньшей, чем дальше отстоит эпюра от оси образца. Напротив, края этих эпюр имеют тем большие значения деформации, чем дальше расположена эпюра от оси образца. Нетрудно видеть, что неоднородность в условиях контактных сил трения значительно больше, чем при геометрически равномерной деформации (см. табл. 16). Граничные условия, действующие напряжения и направления перемещения частиц при наличии сил трения более разнообразны, а схема деформации более сложна.
В реальных условиях деформации совершаются под действием так называемых рабочих напряжений, которые возникают в результате сложения напряжения от внешних сил с дополнительными напряжениями. С. И. Губкин сформулировал положение о дополнительных напряжениях, знак которых отвечает уменьшению размеров тела в том направлении, в котором отдельные его слои и элементы стремятся к большему изменению размеров по сравнению с допускаемым условием целостности тела. В том направлении, в котором отдельные слои и элементы тела стремятся к меньшему изменению размеров, возникают напряжения, знак которых отвечает увеличению размеров. Например, если реальный сплав представляет собой двухфазную систему с различными механическими свойствами компонентов, то составляющие с более низким пределом текучести будут стремиться к большему изменению размеров, чем находящаяся рядом составляющая с более высоким пределом текучести. При неравномерной пластической деформации вследствие ее локализации в отдельных местах возникающие растягивающие напряжения могут совпасть с положительной деформацией, что обычно приводит к трещинообразован ию. Если неравномерность деформации и не сопровождается нарушением сплошности металла, то ее вред заключается в неоднородности свойств деформированного металла, поскольку они зависят от степени деформации. Использовать неравномерность деформации для получения поковок с заданным распределением механических свойств с целью создания оптимальных условий работы деталей машин пока возможно лишь в отдельных случаях.
Рассмотренные проявления неравномерности деформации отражаются также на силовых характеристиках процесса. Если деформировать металл в условиях, исключающих его упрочнение, то в процессе осадки плоскими плитами изменение сопротивления деформации может быть объяснено по меньшей мере тремя следующими факторами: непосредственным подпирающим действием сил трения, приводящего к появлению или более яркому выражению объемного напряженного состояния, что повышает сопротивление деформации; увеличением . в процессе осадки, означающим воз-
96
растание удельной величины контакта, что также приводит к повышению сопротивления деформации; образованием зон затрудненной деформации. Последний фактор изменяет сопротивление деформации неодинаково в зависимости от величины и контактных сил трения.
Легко воспроизводимый эксперимент показывает, что при осадке образцов с малой величиной коэффициента контакта
Рис. 51. Влияние величины сил трения на удельное усилие осадки высоких образцов из свинца 14 мм, Но — 28 мм, — 0,5 V \ пв /
1 — грубая обработка плит; 2 — чиСЮеая обработка плит; 3 — шлнфаващ.ще слабо-смазанные плиты
увеличение контактных сил трения приводит к уменьшению сопро-тивления деформации в начале осадки (рис. 51).
Кривые, показанные на рис, 51, с характерным зубом текучести получены при осадке свинцовых образцов на прессе Гагарина со скоростью деформации, обеспечивающей полную рекристаллизацию металла в процессе осадки. При больших силах трения (в данном случае грубая обработка плит) образуются большего объема, «жесткие» и более четко выраженные зоны затрудненной деформации, которые расклинивают находящийся между ними металл при относительно небольшом сопротивлении деформации. Напротив, осадка при малых силах трения сопровождается образованием малоразвитых, податливых зон затрудненной деформации, не способствующих появлению значительных горизонтальных составляющих, что вызывает большее сопротивление деформации в начале осадки. Так как зоны 1 (см рис. 43) не представляют собой геометрически правильных конусов с углом у основания, равным 45е, а являются куполообразными, то их взаимодей-
7 Я. М. Охрименко S»7 97
ствие в процессе осадки (через зону 2) происходит не при — 1, как иногда полагают, а при больших значениях - При дальнейшей осадке кривые располагаются в порядке, соответствующем более высоким сопротивлениям деформации при больших силах трения.
Осадка образцов--^- >2 (рис. 52) с самого начала характере
ризуется указанным выше взаимодействием зон затрудненной де-
Рис. 52. Влияние величины сил трения па удельное усилие осадки низких образцов из свинца. — 3,1:
1 — грубая обработка плит: i — чистовая обработка плит;
3 — шлифованные смазанные плиты
формации, в связи с чем кривые имеют плавный подъем и не пересекаются, как в предыдущем случае. Если общая высота кривых объясняется величиной контактных сил трения, то наклон кривых можно объяснить увеличением роли контакта с увеличением значения и увеличивающимся взаимодействием куполообразных зон /, высота которых при осадке уменьшается (высота их всегда меньше . Б начале сближения куполообразных зон они взаимодействуют небольшими и наиболее податливыми частями, а к концу осадки (при больших это взаимодействие достигает максимума как в отношении поверхности сближения, так и «жесткости» самих зон. Здесь проявляется уже отмечавшееся выше двойственное влияние сил трения. Обнаруживаемое при эксперименте действие сил трения отражает оба вида влияния сил трения, причем в начале 98
осадки с небольшим отношением Do: Но сдерживающее влияние сил трения увеличивает, а зонообразоваиие уменьшает сопротивление деформации, затем на некоторой стадии осадки они суммируются и значительно увеличивают сопротивление деформации.
В условиях технологических процессов ковки, штамповки неравномерная деформация происходит в результате значительного количества дополнительных факторов. Это форма самой заготовки и инструмента, тепловая неравномерность (непрогрев и неравномерное остывание металла), гетерогенность деформируемых сплавов, неравномерное упрочнение вследствие неоднородности деформации и некоторые другие. Учесть все эти факторы при аналитических расчетах пластических деформаций до сих пор не удалось.
Деформации, необходимые для осуществления технологических процессов, могут быть охарактеризованы тремя величинами: работой, сопротивлением и степенью деформации. Как известно из теории обработки металлов давлением, перечисленные величины связаны между собой такой зависимостью: А = VaTe или Ауд = = ще, где Atji> — удельная работа деформации, приходящаяся на единицу объема заготовки. Эта величина определяется произведением прочностной и пластической характеристик. Обе последние величйны характеризуют также технологическую деформируемость металлов, но не как произведение, а в ином соотношении. Рассмотрим этот вопрос более подробно. С. И. Губкин 1 характеризует технологическую деформируемость как способность металла к обработке давлением. В частном случае говорят о ковкости, штампуемости и т. п. Общепринятого эталона (единицы измерения) для технологической деформируемости так же, как и для пластичности, еще не установлено, хотя четкое разделение показателей механических свойств на прочностные (ае, сгт и т. и.) и пластические (б, ф) существует. В особом положении находится показатель ударной вязкости а„, по так как в основу размерности этой величины положена работа деформации, которая, как показано выше, определяется и сопротивлением деформации, и пластичностью металла, то ударная вязкость характеризует не только пластичность, но и прочность металла.
Для лучшего представления о технологической деформируемости (например, ковкости) приведен график в координатах «сопротивление деформации — пластичность металла» (рис. 53). На графике выделены четыре области, для которых металлы в данных условиях деформации могут быть подразделены на малопластичные (/ и //) и на весьма пластичные (III и IV), а также с низким (II и /V) и высоким (/ и III) сопротивлением деформации.
1960 «Пластическая деформация металлов». Металлургиздат,
7* 99
При этом область I характеризует металлы с наиболее низкой ковкостью (чугун, сталь с большим содержанием карбидов и т. п.). Область II типична для мягких, но хрупких металлов, которые также не обладают ковкостью (литой цинк и т. п.). Область III характерна для металлов с высоким сопротивлением деформации, но пластичных, к которым относятся многие высокопрочные металлы и сплавы. Область IV характерна для металлов с высокой технологической деформируемостью. Сюда относятся ковкие в нагретом состоянии углеродистые и большинство низколегированных марок стали. Внутри каждой области показана
Рис. 53. График, характеризующий технологическую деформируемость металлов
типичная кривая в координатах е—а.
Рассмотрение графика, характеризующего технологическую деформируемость, показывает неприемлемость для оценки ковкости произведения показателей степени и сопротивления деформации, т. е. работы или энергоемкости деформации. Величина произведения может быть одинаковой для областей I и IV (см. произведение по координатам точек Ли £ и по всем другим, лежащим на общей гиперболе). Так как низкая или высокая ковкость определяется местоположением той или иной области на графике технологической деформируемости, то как для соответствующей характеристики, так и для указания местоположения точки необходимы две цифры (координаты), а не их произведение или отношение. Например, для углеродистой стали при 1000° С или свинца при 20° С их высокая ковкость при осадке характеризуется цифрами 29 М.н!м2 (— 3 кГ/мм2) и 98 %, а отсутствие ковкости у закаленной углеродистой стали — 686 Мн!м2 70 кГ/мм2) и 0,2% и т. д. Здесь первые цифры отвечают сопротивлению деформации металла в данных условиях деформации (температура, скорость, схема напряжений и т. д.), а 100
вторые цифры характеризуют максимально возможную степень деформации металла в этих же условиях.
После сопоставления возможной ковкости с необходимой для данной операции судят о деформационных возможностях того или иного процесса. Кроме этого, технологу было бы полезно знать о способности деформируемого металла к воспроизведению рельефа инструмента: о способности к затеканию в углы с небольшим радиусом закругления или в отверстия небольшой ширины или малого диаметра; о способности образовывать углубления, очерченные малым радиусом; о склонности к складкообразованию при встречных потоках металла; о большей или меньшей величине радиуса закругления у так называемых утяжин вблизи внедряющегося в металл инструмента и т. п. В отличие от пластичности, о величине которой судят по ее исчерпанию, перечисленные выше свойства металла не связаны со степенью деформации и характеризуют способность металла к формообразованию инструментом сложного рельефа. Однако до сих пор такая характеристика для металлов не разработана.
ГЛАВА IV
ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ КОВКИ И ШТАМПОВКИ
Процессы ковки и штамповки, осуществляемые при высоких температурах (для разных марок стали в пределах 1300—750° С), можно рассматривать как совместные процессы обработки металлов давлением и термического воздействия па них. В общем случае при ковке литого металла (слитков) приходится решать три следующие задачи:
преобразование литой (дендритной) макроструктуры металла в волокнистую;
придание заготовке заданной формы и размеров поковки;
получение оптимальной зернистости металла при минимальных остаточных напряжениях. При ковке и штамповке прутковых заготовок и болванок (блюмов) решаются только две последние задачи.
Тепловое воздействие на металл приводит к почти полной потере им упругих свойств, к уменьшению (в десятки раз) его сопротивления деформации и к повышению (на десятки процентов) пластичности. В процессе горячей обработки металла давлением происходит снятие появляющихся напряжений, в частности при возврате и рекристаллизации металла (непосредственно в процессе деформации и по ее окончании). Кроме того, тепловое воздействие па металл приводит к перекристаллизации и растворению карбидов, способствует и ускоряет диффузионные и релаксационные процессы.
К числу наиболее вредных явлений, вызываемых нагревом, относятся окалинообразование, порча поверхности металла, обезуглероживание и некоторые виды перегрева металла, приводящие к неисправимым дефектам. При неправильном ведении процесса происходит пережог стали и образование трещин вследствие растягивающих тепловых напряжений. Особенно опасен в этом отношении процесс охлаждения металла, при котором возможны и другие отрицательные явления, например флокенообразование (в результате повышенного содержания водорода в стали).
Оптимальный термический режим ковки, штамповки должен обеспечить необходимые условия для успешного проведения про-102
Несса, а также высокое качество поковок, при котором вредное влияние тепла по возможности ограничивается. Поэтому термический режим разрабатывается для каждой марки стали с учетом исходной структуры металла, его объема, соотношения размеров заготовки (слитка) и назначения поковки.
Термический режим ковки, штамповки состоит из трех этапов: нагрева металла перед ковкой, штамповкой; остывания металла в процессе ковки, штамповки (при одновременном переходе энергии деформации в тепловую); остывания металла по окончании ковки, штамповки.
В общих чертах термические режимы процессов ковки и штамповки аналогичны. Если имеется в виду ковка и штамповка одинаковых заютовок, то первый и третий этапы термического режима могут даже совпасть. Второй этан режима имеет некоторое отличие. Более быстрый темп штамповки позволяет обычно уложиться в отрезок времени, определяемый остыванием металла. При ковке часто оказывается этого времени недостаточно, и тогда приходится нагревать полуфабрикат поковки вторично (вторичный и последующие нагревы обычно называют подогревами). Особенно существенно отличие в термическом режиме катаных заготовок и слитков, в связи с чем эти режимы будут рассмотрены раздельно.
Поскольку масса слитков превышает в десятки и сотни раз массу отдельных заготовок, то длительность всех этапов термического режима ковки слитков получается относительно большей. Это приводит к повышенному окалинообразованию, значительному росту зерна и развитию других процессов, зависящих от длительности процесса. Процесс ковки слитков во времени намного превышает длительность остывания металла при ковке, что в отдельных случаях вызывает необходимость в пяти, шести и более (до двенадцати) подогревах металла.
§ 1. ИНТЕРВАЛ КОВОЧНЫХ ТЕМПЕРАТУР
Одна из главных задач при разработке термического режима ковки, штамповки состоит в определении соответствующего температурного интервала, т. е. температуры начала и конца обработки металла.
Различают оптимальный (или допустимый) и технологически необходимый интервалы температур ковки, штамповки. Оптимальный интервал ковочных температур определяют в результате раздельного установления температур начала и конца ковки, штамповки. Точно установить эти температуры можно лишь на основании конкретных данных, касающихся металла (с металлургической, металловедческой и эксплуатационной точек зрения). Поэтому обычно указывают ориентировочные температуры начала и конца ковки, штамповки, которые затем подлежат уточнению исходя из конкретных обстоятельств.
103
Главным фактором, определяющим эти температуры, является химический состав сплава и определяемые им свойства. Ковочные температуры находятся между температурами плавления и конца рекристаллизации сплава. Более низкие температуры относятся к полу горячей, полухолодной и, наконец, холодной деформации. Обработка давлением при температурах, отвечающих промежутку между линиями солидуса и ликвидуса на диаграммах состояния, носит название штамповки или прокатки металла в момент кристаллизации. Однако обработка давлением, и в частности ковка, штамповка, не может быть осуществлена при температурах, обусловливающих в данных условиях деформации недостаточную пластичность металла.
Для уточнения интервала ковочных температур используются дополнительные сведения о сплаве в условиях ковки. Вблизи температуры плавления сплава находится температура потери его пластичности. В этой же температурной области происходит пере' жог стали, связанный с оплавлением и окислением границ зерен, поэтому ковать или штамповать металл при указанных температурах нельзя. Немного ниже находятся температуры перегрева сплава, который характеризуется значительным ростом зерен. Однако крупнозернистая структура большинства марок стали хорошо поддается ковке (при этом зерна измельчаются), так что максимальная температура ковки или штамповки может находиться в области температур перегрева, который начинается при температуре критического роста зерна. Иногда технологи снижают верхнюю границу температурного интервала ковки из-за необходимости уменьшить чрезмерное окалипообразование или обезуглероживание металла. Это снижение более значительно для крупных заготовок, поскольку при их нагреве требуется большое время выдержки в печи. При ковке литого металла (слитков) температура начала ковки может быть несколько повышена. Применение ускоренного режима нагрева также позволяет повысить верхний предел температурного интервала, но во всех случаях металл должен выдерживать предусмотренные технологическим процессом обжатия без трещинообразования. Если в начале ковки требуются небольшие обжатия, то их можно осуществить при температурах, более высоких, чем при ковке с большими обжатиями.
Нижнюю границу температур ковки, штамповки уточнить более сложно. Здесь приходится считаться не только с типом стали (заэвтектопдная или доэвтектоидная), но и с объемом поковок, качеством требуемого металла, наличием или отсутствием термообработки поковок, способом их охлаждения (в том числе и с использованием ковочного тепла для термообработки и т. п.). Важным фактором при установлении ковочных температур являются требования, предъявляемые к механическим свойствам металла с учетом характера эксплуатации детали. Если для данной детали предусмотрена термическая обработка, например закалка с от-104
пуском, то правильно выбранная температура конца ковки, штамповки (выше точки Аг3 среднеуглеродистой для доэвтектоид-ной стали) позволяет использовать ковочное тепло для последующей термической обработки. При этом следует стремиться к тому, чтобы условия деформации не вызывали дополнительной термической обработки в виде отжига или нормализации [83]. Если термическая обработка не предусмотрена, то нижний предел интервала ковочных температур ограничивается условиями получения мелкого зерна. Для небольших поковок (массой до —1000 кг) температура конца ковки, штамповки может быть высокой (на 200—300° С выше точки Дг3) или низкой (вблизи этой точки). Несмотря на то, что при высокой температуре конца ковки или штамповки зерно будет крупным, можно в результате быстрого охлаждения получить тонкое строение структуры сплава и соответствующие этому механические свойства. Высокая температура конца обработки способствует повышению технико-экономических показателей производства (повышению производительности, уменьшению расхода энергии на ковку, штамповку). Для поковок с большой массой и не подлежащих термической обработке получение высоких механических свойств за счет увеличения скорости охлаждения поковок маловероятно из-за невозможности в этих условиях ускорить остывание поковок. Поэтому чтобы решить эту задачу, следует подобрать такую комбинацию температуры и величины последних обжатий, которая обеспечивала бы оптимальную структуру. Здесь следует иметь в виду, что сталь, подвергнутая деформации в интервале критических обжатий (4—12%), после рекристаллизации будет иметь нежелательную крупнозернистую структуру.
Для углеродистых сталей интервалы ковочных температур даны на диаграмме состояния «железо—углерод» (рис. 54). Из графика следует, что для низкоуглеродистой стали область ковочных температур совпадает с однофазной аустенитной областью и частично распространяется на двухфазную область межкритических температур, где свободной структурной фазой является феррит. Заэвтектоидные стали куют в аустенитной и в двухфазной областях со структурно свободным цементитом. Ковка, штамповка среднеуглеродистой стали оканчивается выше точки Лгя, что обеспечивает устойчивую мелкозернистую структуру стали. Для низкоуглеродистой стали (до 0,3% С) допустима более низкая температурная область конца ковки, штамповки (в промежутке между точками Ars и Игц) особенно для крупных поковок. При этом окончательный размер зерен меньше, чем при завершении ковки при температуре выше точки Дгя. Для заэв-тектоидпой стали, у которой структурно-свободной фазой является хрупкий цементит, температура конца ковки, штамповки должна быть по возможности более низкой, а охлаждение поковок быстрым во избежание образования цементитной сетки при высокой
105
температуре и конце обработки. Для разрушения цементитной сетки следует оканчивать ковку, штамповку в интервале температур критических точек Агт—Аг^ В этом случае перед отжигом стали па зернистый перлит нет необходимости проводить нормализацию, отжиг же можно осуществить, используя ковочное тепло. Рекомен-
Рис- 54. Целесообразные температурные интервалы ковки поковок сечением свыше 70 мм из наследственно крупнозернистой углеродистой стали:
1—2 - верхний предел температурного интервала при скоростном нагреве; 5—4 — верхний предел температурного интервала для слитков; 5—4 - верхний предел для крупных болванок л прутковых заготовок, 6 —7—Я — нижний предел температурного интервала ковки для дозвгектомдшмх сталей; 6—7—// — допустимая температурная область конца ковки пмакоуглсродкстой стали; 8—9—I0-область конца ковки для заэЕтектоиднсй стали [851
дации, связанные с окончанием ковки и штамповки заэвтектоидной стали как можно ближе к точке Аг1г неприемлемы для стали с большим содержанием углерода, у которой вследствие графитизации может появиться такой вид брака, как «черный излом». При построении графика на рис. 54 это обстоятельство учтено.
В цеховых условиях интервал ковочных температур иногда уточняют исходя из субъективных пр; чин. Конец штамповки корректируют исходя из стойкости инструмента. Разогретые штампы быстро «садятся» при штамповке остывающей заготовки вследствие 31 гачител ьного увеличения сопротивления деформации. Иногда повышение температуры штамповки вызывается недостаточной
мощностью используемого оборудования. Руководствоваться подобными соображениями допустимо лишь в тех случаях, когда отклонения от оптимального режима не снижают качества поковок.
Как видно из графика на рис. 54, максимальный интервал ковочных температур для пизкоуглеродистой стали достигает 600е С, для эвтектоидной стали он составляет 400—450° С, а для заэвтектоидпых — 200—300° С. Для высоколегированной стали этот интервал температур еще меньше, и, например, для жаропрочной стали он составляет 100—150° С 160].
Для уточнения интервала ковочных температур обычно проводят следующие лабораторные исследования: выявление пластичности стали при осадке до появления первой трещины в пределах ориентировочного интервала ковочных температур; построение кривой изменения ударной вязкости в той же температурной области; определение сопротивления деформации при тем
166
пературах ориентировочного конца ковки, штамповки; построение графика рекристаллизации металла после обработки металла с различной степенью деформации [36].
Фактически используемый интервал ковочных температур мо-
жет точно совпасть с оптимальным интервалом лишь в частном случае при равенстве времени tK, затрачиваемого на ковку, штамповку, и времени t0 остывания стали в интервале ковочных темпе-
ратур при данных условиях обработки. Обе эти величины могут значительно изменяться в зависимости от сложности поковки и темпа работы, зависящего от степени и механизации процесса и быстроходности оборудования. Если tK < t0, что часто встречается при штамповке, то допустимый интервал ковочных температур не используется, и технологу следует решить вопрос, за счет какой из температур сократить этот интервал, учитывая те же обстоятельства, на основании которых был установлен интервал температур обработки. Высокий нагрев металла без достаточной его проковки не обеспечивает не-
Рис. 55. Ориентировочные данные для сокращения интервала ковочных температур за счет снижения верхнего его предела с учетом необходимой деформации в процессе ковки (по данным М. А Гончарова)
обходимого качества металла даже за счет регулирования скорости охлаждения, поэтому в подобных случаях, чтобы избежать дополнительной термической обработки, приходится сокращать интервал температур обработки за счет снижения температуры процесса (рис. 55). Если tK > tD, то осуществляют ковку за два или большее число выносов. При этом следует уточнить ковочные температуры, с тем чтобы на последнем выносе соблюсти рациональный интервал ковочных температур, согласованный с другими параметрами процесса и обеспечивающий наилучшее качество поковок.
Данные о температурном интервале для ковки и штамповки различных легированных сталей и сплавов имеются в специальной литературе и справочниках 127, 861.
§ 2. ТИПЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И СПОСОБЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА
В связи с различной массой слитков и заготовок, а также темпом и серийностью производства кованых и штампованных поковок для ковки и штамповки применяют различные типы нагревательных устройств и способы нагрева металла. В кузнечных цехах для ковки применяют преимущественно нагревательные печи
107
(табл. 17). Для мелких и средних заготовок из углеродистой стали применяют немеханизированные камерные щелевые печи с рекуперативным использованием тепла отходящих газов и без использования этого тепла. Для нагрева легированной стали применяют также двухкамерные печи с периодической попеременной загрузкой каждой камеры или с последовательной их загрузкой.
Нагрев слитков осуществляют также в камерных печах с одним, двумя и несколькими закрывающимися окнами и f ei оперативным использованием тепла. Отходящие газы удаляются через борова и вытяжную трубу. Большое распространение получили нагревательные печи с выдвижной подиной. Печи с двумя подовыми тележками и выдвижением их в обе стороны позволяют использовать их без значительных потерь времени. Методические печи для нагрева небольших слитков из легированной стали используются при применении наклонного пода (для облегчения переката слитков) и толкателя для перемещения слитков внутри печи.
При больших сериях производства крупных поковок применяются тоннельные печи с расположением слитков на отдельных тележках. Для подогрева крупных болванок применяются преимущественно шахтные печи, а для охлаждения — различные колод-цевые устройства, в том числе и неотапливаемые. В качестве топлива в указанных печах используется мазут или газ.
В производстве штампованных поковоз применяются разнообразные нагревательные средства. Быстрый нагрев металла для штамповки в кузнечно-штамповочных цехах обеспечивают пламенные печи и электрические нагреватели.
При нагревании металла в печах имеет место передача тепла лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью. Лучеиспускание является основным источником передачи тепла от нагревающей среды и стенок печи; конвекцией передается только 3— 8% тепла. Теплопроводность обеспечивает распространение и выравнивание температур по сечению заготовок. В кузнечно-штамповочном производстве до сих пор имеют большее распространение печи, чем электроустановки. Преобладающим видом топлива для современных печей является газ. Различают два типа печей: полуметодические и камерные (садочные и щелевые); в современных цехах — печи с отводом отходящих продуктов горения в боров или с вытяжкой эксгаустером и с рекуперативным использованием тепла. Большое распространение получили печи механизированные (конвейерные и с толкателями), а также полуметодические (с укороченной камерой подогрева металла). Некоторое применение получил нагрев металла в солевых ваннах.
Электрические нагреватели — более совершенный тип установок для нагрева металла [8].
При нагреве стали электроконтактным способом тепло возникает вследствие сопротивления при прохождении электрического J08
<3
о
3
В
И 3 X
dS
3
к
а
3
з:
а
3
£
я
х
К С
Е
Ф
Е
Е
к
е
s
я Е
*
£
Е я
о
ф
а га Е а у
Е
Е
Е
а
<0 £
£
£ Ж
Е о
33
со
3
PQ с
а
к
— ЧУ
С X
К га а
а
о и
к
к к
о
S3
ж
К
* о
*
X
S
£
*
СП
23
ф
к
3
е
3
к
а
X
-г
3 Е
и
3
X 3
Е
Е
Я
Е X
Е л
X с х Е О
а га га
X о к Е
S £ га со “ 3
&
X
3 Гт-
Е °?
g й g
Е CL
§ « S га га И С *л о га х
Е Я >. Я
2 К
2 к
а
$
а
о 3
ф £ а я §
3
а
X g 3
3 а
Е
К CJ К X
я
5
Е S WD
о я
е
3
к
а
га
о ж
£С
*
£
к
я
С
X
О
Е
Е
3 ю
ф х
к
к
*
си
X
§ в га
Ф 3
£
9
3
X
Е
Е СО
ф га Я Е
S Ф Е
109
тока через нагреваемый металл. Выделяемая в заготовке тепловая энергия пропорциональна "“квадрату силы электрического тока, первой степени его сопротивления и времени прохождения тока.
При нагреве электроипдукционным способом повышение температуры металла происходит под влиянием вихревых токов и выделения тепла от гистерезиса перемагничивания. В обоих случаях тепло возникает внутри металла, но все же неравномерно по сечению. Распространение тепла и частичное выравнивание температур в металле, нагреваемом электротоком, происходит благодаря теплопроводности.
Электролитный нагрев металла основан на эффекте интенсивного нагревания катода при прохождении электрического тока через водные растворы солей. За короткий промежуток времени (0,012—0,001 сек) около катода возникает газовая рубашка (водородная), через которую ток проходит в виде микроразрядов (от 8000 до 10 000 в сек на 1 см). Источниками, нагревающими металл, служат разряды и тепло газового слоя.
Преимущества и недостатки электрических способов нагрева металла. К существенным преимуществам электронагрева перед нагревом заготовок в кузнечных’печах относятся следующие.
1. Экономия металла. Большая скорость нагрева металла и отсутствие необходимости подачи воздуха в камеру пагрева (как в случае применения печей для поддержания горения топлива) приводят к значительному уменьшению окалины. При контактном электронагреве угар металла сокращается вдвое. Индукционный способ нагрева дает еще больший эффект в отношении уменьшения окалины, однако без применения защитной атмосферы устранить полностью окалину в процессе нагрева не удается.
2. Повышение стойкости штампов. При уменьшении окалины на металле стойкость штампов повышается, так как окалина оказывает абразивное действие.
3. Повышение производительности труда. Большая скорость нагрева позволяет увеличить температуру начала штамповки, так как перегрев штампуемого металла при малых выдержках в нагретом состоянии происходит при более высоких температурах. Штамповка при более высоких температурах целесообразна из-за меньших затрат работы на деформацию, что приводит к сокращению числа ударов и повышению производительности при штамповке на молотах. При электронагреве легко достигается согласованность работы нагревательных устройств и штамповочных машин и упрощается автоматизация производственного процесса.
4. Улучшение условий труда. Отсутствие грязи и копоти на рабочем месте улучшает условия труда в горячих цехах, что приближает условия работы в них к условиям работы в холоднопрессовых цехах.
ПО
5 Повышение качества продукции. Равномерность нагрева и точный контроль температурного режима при электронагреве позволяют обеспечить однородные структуру и свойства металла, сократить тепловые виды брака и увеличить точность размеров поковок за счет уменьшения колебания величины усадки поковок при их остывании.
6. Отсутствие необходимости в тщательной очистке поковок; экономия времени на очистку заготовок от окалины перед штамповкой; простота обслуживания нагревателей; удобство применения защитных атмосфер в нагревательных индукторах и т. п.
Недостатки электронагрева металла связаны с относительно высокой ценой установок и электроэнергии, трудностями подогрева (вторичного нагрева) еще не остывших заготовок и сложностью нагрева фасонных заготовок. Для удешевления электро-нагрева применяют двухступенчатый индукционный электронагрев металла: до температуры 800—850° С током промышленной частоты (без генератора) и затем током средней частоты 18].
Типы кузнечных нагревательных устройств, применяемых при штамповке, с указанием их конкретного назначения приведены в табл. 18. Нагревательные устройства используются для нагрева
Таблица 18
Типы нагревательных устройств, применяемых в штамповочных цехах
llai ревательные устройства Назначение Условия нагрева стали
Печи камерные: с закрывающимися окнами щелевые очковые Для нагрева заготовок мерных То же мерных и прутковых То же Без предварительного нагрева; печи могут быть с защитной атмосферой
Печи полуметодиче-ские и методические с толкателями Для нагрева мерных заготовок из легированной стали Методический нагрев; печи могут быть с защитной атмосферой
Печи карусельные: с вращающимся подом (тарельчатые) с вращающимся корпусом (очковые) Для нагрева заготовок мерных То же мерных и прутковых То же
Ш
Продолжение табл. 18
1J а гр г нательные устройства Назначение У ел ля1 я и я грев;] стал.
Конвейерные печи: с внутренним расположением конвейера с наружным расположением конвейера Для нагрева заготовок мерных Го же прутковых Методический нагрев; печи могут быть с защитной атмосферой То же
Специализирова иные печи Нагрев фасонных заготовок Нагрев по заданному режиму
Солевые ванны Нагрев мелких заготовок Быстрый нагрев
Печи для скоростного нагрева с керамическими горелками: камерные и проходные Нагрев заготовок всех типов То же
Индукционный электронагрев токами: промышленной частоты повышенной частоты Нагрев заготовок диаметром более 150—200 мм; нагрев заготовок всех типов и размеров диаметром до 150—200 «л! Очень быстрый нагрев
Контактный электронагрев Нагрев заготовок диаметром до 60—70 мм с постоянным сечением по длине (преимущественно Г Lf) . большой ДЛИНЫ, —п->1, где £0 и В,, в он) Быстрый нагрев
Нагрев в электролите Нагрев заготовок небольших размеров и сечений То же
Нагрев в стеклянных ваннах То же То же
112
мерных заготовок (штучных, спаренных и многоштучных), чаще всего целиком, и прутковых заготовок (обычно нагревают только с одного конца)- Приведенные в табл. 18 типы печей более совершенной конструкции, чем печи, применяемые для ковки. В последнее время получают распространение печи с защитной атмосферой. Экономические расчеты показывают, что в районах с повышенной стоимостью электроэнергии эти печи наиболее эффективны- Методический и полуметодический нагрев применяется для легированной стали. Механизированные конвейерные и карусельные печи обеспечивают ритмичную подачу нагретых заготовок, что особенно важно в автоматизированном производстве поковок. Нагрев в стеклянных ваннах применяется нескольких вариантов. Пламенный нагрев в стеклянной ванне используется для небольших заготовок; остающееся на поверхности металла стекло является смазкой при последующей штамповке. Вариант электронагревательного устройства, в котором применяется в качестве сопротивления расплавленное стекло, позволяет осуществлять нагрев даже слитков.
§ 3- НАГРЕВ СЛИТКОВ
Основой термического режима ковки являются общая продолжительность и скорость нагрева металла. Различают максимально возможную и допустимую скорости нагрева металла. Максимально возможная скорость нагрева стали в печах, применяемых для нагрева металла перед ковкой, зависит от конструкции и тепловой мощности печи; условий передачи тепла металлу; физических свойств металла и условий теплопередачи внутри слитка. Допустимая скорость нагрева определяется комплексом физико-химических свойств металла, при этом учитывают опасность перенапряжения литого металла и необходимость обеспечения нормальных условий при последующей деформации слитков.
Установлено, что наиболее опасным является период нагрева слитков до 500—750° С. При нагреве слитка наружный его слой приобретает более высокую температуру, чем средняя часть. Этот слой стремится расшириться, чему препятствует средняя часть слитка; в результате наружный слой испытывает радиальные напряжения сжатия, а внутренняя часть — опасные напряжения растяжения. Неметаллические включения, пузыри, нераство-ренные карбиды играют при этом роль концентраторов напряжений, приводящих к трещинам. При достижении критической температуры в поверхностном слое заготовки происходит уменьшение объема (при переходе Ееов Fev, обладающее большей плотностью), вследствие чего напряжения снижаются и могут даже изменить свои знаки. Когда весь металл достигнет температуры выше критической, наружные слои заготовки окажутся вновь в сжатом, а внутренние — в растянутом состоянии. Однако к этому времени сопротивление деформации снижается настолько, что под влиянием
8 Я М. Охрименко 597 1 13
тепловых напряжений может произойти местная пластическая деформация в отдельных перенапряженных местах, что в конечном счете приводит к уменьшению напряжений. Перенапряжения при нагреве практически могут быть опасными только для крупных слитков или для малопластичных сплавов сложного состава. Поскольку трещинообразование происходит при растягивающих напряжениях, наибольшее опасение вызывает охлаждение металла.
Вопросы, связанные с расчетом нагрева, занимали ученых на протяжении многих десятилетий. В настоящее время применяются методы расчета, учитывающие условия нагрева, при которых основными источниками передачи тепла являются конвекция и лучеиспускание. В расчете нагрева учитывают переменные условия теплообмена и изменение физических свойств металла при его нагреве. Например, коэффициент теплоотдачи в интервале температур ковочного нагрева изменяется в 3—4 раза, а коэффициент температуропроводности в 2—3 раза. При повышении температур коэффициент теплопроводности для сталей различного химического состава изменяется неодинаково. Для углеродистой стали при нагревании до 900° С теплопроводность понижается, а при более высоких температурах немного увеличивается, тогда как для легированной стали теплопроводность постепенно увеличивается с повышением температуры. Аустенитная структура стали характеризуется увеличением теплопроводности с повышением температуры. При комнатной температуре теплопроводность углеродистой стали в 4—6 раза выше теплопроводности нержавеющей стали. Однако слитки и заготовки из этой малотенлопроводной стали (так же как и быстрорежущей стали) нагреваются быстрее, чем равновеликие заготовки из углеродистой стали, что объясняется более низким теплосодержанием стали этих и многих других высоколегированных марок. Сложность расчета нагрева объясняется также тем обстоятельством, что с увеличением поперечного сечения слитка или заготовки продолжительность их прогрева увеличивается не прямо пропорционально, а в большей степени. Температура газовой среды в отдельные периоды нагрева неодинакова в разных местах печного пространства и па разных его уровнях. Появление окислов на поверхности нагреваемого металла особенно после обдирки, например, слитков приводит при температуре около 400° С к увеличению степени черноты поверхности стали, в связи с чем поглощение тепла и скорость нагрева возрастают. Тепло, выделяющееся при окислении железа, составляет примерно 5—6 % от теплосодержания стали и является усложняющим фактором при расчете. При нагреве металла в промышленных печах могут быть и другие причины, усложняющие расчеты. Например, при нагреве слитка из высокопластичной стали для биллетировки перепад температур между центром и поверхностью слитка может быть больше допустимого в обычных условиях, так как поверхностные деформации при биллетировке неве-114
лики Нагрев слитков неравномерен вследствие неодинакового поступления тепла от стен, свода и пода печи, а при загрузке слитков садками еще более неравномерен. Со стороны пода нагрев наименее интенсивен. Указанные обстоятельства не могут быть достаточно точно учтены в типовых расчетных схемах. В связи с этим в промышленности наряду с аналитическими расчетами все еще используются данные, полученные опытным путем и позволяющие установить общую продолжительность нагрева. Для приближенного определения продолжительности нагрева холод
ных слитков из углеродистой и ма-лолегмроваппой стали перед ковкой можно воспользоваться проверенной на практике формулой JJ. Н. Доброхотова, по которой построен график (рис. 56),
а-аО0УГс, (28)
где Л 0 — диаметр слитка в _<и;
z — общее время нагрева, включая выдержку, в ч.
Коэффициент а принимается равным 10 для углеродистой стали (кривая /) и 20 — для .тегированной стали (кривая 2). Формула (28) соот
Рис. Б6. График для расчета длительности нагрева очитков (по Н. Н. Доброхотову)
ветствует равномерному нагреву заготовок при температуре печи 1300— 1350е С. Нагрев до 1200° С делится на два периода: от 20 до 850° С и от
850 до 1200° С. В первом периоде время нагрева равно 50% для углеродистой и 66% для легированной стали от общего
времени г.
Предполагается, что при нагреве металла температурный напор (разность между температурами печи и металла в конце нагрева) составляет 100—150° С, что согласуется с практикой эксплуатации кузнечных печей.
Получаемые по формуле (28) данные относятся к нагреву одного слитка в печи. Время нагрева слитков в печи при прочих равных условиях зависит от количества слитков, нагреваемых одновременно, и от способа их расположения па поду. При загрузке слитков из углеродистой и малолегированной стали в один ряд (смежно без зазора) время нагрева увеличивается примерно в 1,3 раза, при загрузке пирамидой (в несколько рядов друг на друга) — в 1,5 раза [42 [. При увеличении температурного напора продолжительность нагрева металла сокращается. При этом увеличивается неравномерность температуры по сечению (разность между температурами поверхности и середины слитка), что может вызвать перенапряжение металла. Поскольку в условиях цеха
8* 115
контролировать величину этой разности не представляется возможным, необходимо знать следующие данные. На рис. 57 показана зависимость неравномерности прогрева по сечению слитка (диаметром Ро) от температурного напора в конце нагрева слитков при температуре печи 1200° С. На рисунке приведены данные для небольших (О0 •< 0,5 м) и крупных слитков. Для слитка диаметром 0,5 м наблюдается прямая зависимость между величинами неравномерности прогрева и температурного напора. Для мелких слитков большим величинам температурного напора соответст
Неравномерность пригрела по сечению слитка
Рис. 57. Зависимость неравномерности прогрева слитка от температурного напора в конце нагрева (по данным ЦНИИТМАШа)
Рис. 58. Зависимость времени пвдерж-ки в процентах от времени нагрева поверхности при различных температурных напорах (по В- Н. Соколову)
вует меньшая неравномерность прогрева, для крупных слитков — обратная зависимость. По графику на рис. 57 можно определить величину температурного напора при заданной величине неравномерности прогрева. Решается и обратная задача. На практике стремятся к тому, чтобы на ковку поступал металл с возможно меньшей величиной неравномерности температуры по сечению. Желательно, чтобы эта величина не превышала 50—100° С. В процессе нагрева допускают значительно большую неравномерность температуры. Если температура металла не совпадает с температурой «провала пластичности» (зон синеломкости, красноломкости и т. п.), то литая малолегированная сталь выдерживает тепловые положительные напряжения, отвечающие разности температур до 350° С 1391.
Из рис. 58 видно, что время выдержки для выравнивания температуры по сечению слитка, выраженное в % от времени нагрева поверхности слитка, увеличивается с увеличением диаметра слитка и температурного напора, причем для крупных слитков и при величине напора 150° С выдержка в конце нагрева может 116
даже превысить продолжительность нагрева поверхности. Эти данные используются для составления производственных норм нагрева.
Для характеристики нагрева металла необходимо указать температуру, скорость и продолжительность, а также режим нагрева. Режим пат рева слитков обычно представляют в виде рабочего графика изменения температуры печи и металла в процессе нагрева.
На практике применяют одноступенчатый, двухступенчатый и трехступепчатый режимы, а при нагреве высоколегированного металла и более сложные режимы.
Одноступенчатому режиму соответствует постоянная температура печи в течение всего периода нагрева металла. При указанном режиме нельзя регулировать разность температур по сечению слитка, поэтому его применяют только для небольших слитков.
Двухступенчатый режим включает обычно нагрев и выдержку (нагрев до заданной температуры поверхности и выравнивание температуры по сечению). При регулировании разности температур по сечению слитка температура печи может быть переменной. Этот режим применяют при нагреве в камерных и методических печах небольших и средних слитков из углеродистой стали.
Трехступенчатый режим состоит из периодов медленного нагрева вначале, ускоренного нагрева в последующий период и выдержки, завершающей процесс нагрева. Этот режим применяется при нагреве средних и крупных слитков в камерных и методических печах. Очень крупные слитки из стали сложного химического состава нагреваются по многоступенчатому режиму, количество ступеней которого соответствует количеству периодов пагрева и выдержек. Наличие отдельных периодов может быть объяснено при рассмотрении реальных графиков нагрева металла (рис. 59). По оси абсцисс откладывается время нагрева в минутах, по оси ординат — температурный критерий 0. В данном случае это относительная температура поверхности или середины заготовки слитка:
где — температура печи в °C;
/ -— температура поверхности или середины заготовки слитка в °C;
<о — начальная температура металла в °C.
Величина 0 откладывается на графике в логарифмическом масштабе. Кривые (/ — поверхность; 2 — середина заготовки) в виде ломаных линий имеют три точки перелома, дающие возможность разделить процесс нагрева в общем случае на четыре следующих периода.
Период I обусловлен быстрым подъемом температуры поверхности заготовки и медленным нагревом ее середины.
117
Период I! характеризуется плавным подъемом температуры поверхности и середины заготовки. В течение периода III по мере достижения критической температуры (720й С) в металле совершаются структурные превращения не одновременно в различных местах по сечению заготовки.
Период /V соответствует регулярному режиму нагрева до момента достижения заданной температуры. Начало этого периода
Рис. 59. Кривые” нагрева'стальной заготовки диаметром 100 мм при температуре печи 1200° С и четыре основных периода нагрева (J—IV) углеродистой стали
ратуры (0 = 0,4). Из приведенного выражения для 0 .можно определить, что в момент прогрева середины на поверхности (при 0 — — 0,3) температура равна 850° С, т. е. она на 130° С выше критической. При составлении рабочего графика режима нагрева слитков необходимо стремиться к тому, чтобы значительные разности температур по сечению не совпали с температурными периодами снижения пластичности стали и чтобы к концу нагрева температурная неравномерность была в допустимых границах. Поскольку наиболее опасным считается период нагрева до 500° С, то в графике должны быть предусмотрены медленный нагрев вначале и выдержка при постоянной температуре в конце нагрева. На рис. 60 даны заводские графики нагрева слитков массой 45 000 кг (Dlft --- = 1450 мм; Lo - 4200 льи). При нагреве холодного слитка (см. рис. 58) посадка в печь при температуре 500й С сопровождается двухчасовой выдержкой. Следующая выдержка предусмотрена при 800ЭС в районе критических температур и последняя при 1200° С для выравнивания температуры по сечению слитка. Общая продолжительность пребывания слитка в печи по данному 118
Продолжительность Продолжительность
о] <9
Рис. 60. Режимы нагрева холодного (я) и горючего (б) слитка массой 45 000 кг (УЗТМ)
Рис. 61. Изменение температуры при нагреве холодного слитка массой 45 000 кг:
1 — вблизи поверхности; 2 — на расстоянии 7 а радиуса» Л - - в середине сечения слития; 4 — температура печи; С> — заданный режим; 6— разность температур печи и середины сечения слитка
пятиступенчатому режиму нагрева составляет 34 ч. При посадке неостывшего после отливки слитка (см. рис. 58, б) печь может иметь высокую температуру (в данном случае 1100° С), при которой дается небольшая выдержка (2 ч); после нагрева до 1200 °C предусматривается еще одна выдержка с той же целью, что и при нагреве холодного слитка. Таким образом, это трехступенчатый нагрев *.
На рис. 61 приведен график контрольного нагрева холодного слитка по режиму, указанному на рис. 60, а. Кривая 6 (рис. 61) соответствует разности температур между поверхностью и серединой слитка. По этой кривой можно проследить максимальные перепады температур, наибольший из которых несколько превышает 300° С, но относится к безопасной области температур (значительно выше 500° С). Современная технология требует загрузки в печь крупных слитков в нагретом состоянии. Они подаются обычно из сталелитейного цеха в специальных термосах при температуре поверхности около 700—800° С.
§ 4. НАГРЕВ ЗАГОТОВОК
Заготовки представляют собой уже деформированный металл; размеры их меньше слитков, поэтому и режим нагрева их проще.
В зависимости от химического состава металла и размеров заготовок применяются различные режимы нагрева. В промышленности за последние 20—-30 лет наблюдалась тенденция к значительному увеличению скорости нагрева металла. Старые нормы, согласно которым заготовки для ковки и штамповки нагревались медленно и с большими выдержками, были отменены, и все большее применение получили режимы ускоренного нагрева металла (особенно при штамповке) 2.
В настоящее время широко практикуется нагрев заготовок мелких и средних размеров с любой достижимой скоростью. Только скорость нагрева некоторых специальных сплавов ограничена (в период нагрева их до 500° С).
Необходимый интервал температур в пределах допустимого определяется по затрачиваемому времени па ковку, штамповку в зависимости от сложности технологического процесса, числа требующихся ходов или ударов машины, быстроход
* Эти режимы нагрева исследованы ЦНИИТМАШем; была установлена возможность сокращения времени нагрева, а также повышения начальной температуры печи для холодного слитка.
s Так, например, рекомендованная совещанием по качественным сталям (Москва, 1933 г.) длительность нагрева хромоникелевой нержавеющей стали соответствовала 40 мин на 1 см толщины заготовок. В современных печах скоростного нагрева заготовки из нержавеющей стали нагреваются со скоростью 1 мин на 1 см, т. е. в 4Q раз быстрее.
120
ности оборудования и механизации вспомогательных операций. Для точного определения этого интервала необходимо сопоставить продолжительность остывания стали в допустимом интервале температур с продолжительностью технологического процесса. Время штамповки часто оказывается меньше времени остывания стали в допустимом интервале температур, поэтому появляется возможность выбора оптимального интервала температур.
Для уменьшения расхода энергии и сокращения времени па штамповку ее выгодно проводить при более высоких температурах.
Если предусмотрена термическая обработка поковок, то штамповку можно начинать при максимально
О 20 40 бОВемм
Рис. 62. Зависимость времени нагрева металла до 1200е С от величины диаметра заготовки при различных температурах печи (а); сокращение времени нагрева стали в зависимости от конечного температурного напора (б):
I — нагрев в обычных печах; II — скоростной нагрев
Конечный mennepaniupHbiu нспо;)
допустимой температуре и оканчивать при температуре даже выше 1000° С.
Для того чтобы обеспечить высокую температуру начала штамповки, максимальную производительность штамповочного агрегата и минимальные потери металла в угар, нагрев металла производят с максимально допустимым температурным напором. При этом температура перегрева стали несколько повышается. Нагрев заготовок для ковки и штамповки можно осуществлять без выдержки в конце нагрева для выравнивания температуры по сечению. При этом допускаются значительно большие перепады температур между поверхностью и серединой заготовки, чем в случае нагрева слитков.
На рис. 62, и дана зависимость продолжительности нагрева стальных заготовок до 1200° С от величины их диаметра при различных температурах печи. Как видно из графика, время
121
нагрева становится незначительным при температуре печи 1400°С и особенно при 1500° С (в печах скоростного нагрева).
Увеличение температурного напора между печью и металлом в конце нагрева приводит к уменьшению времени нагрева (рис. 62, б). По оси абсцисс откладывается величина температурного напора в конце нагрева металла. По оси ординат откладывается коэффициент относительного сокращения времени нагрева металла а — = -18——100%, где Zisoo — время нагрева данной заготовки ДО температуры 1200° С без температурного напора в конце нагрева; 1М — время нагрева при наличии температурного напора. Если обычные условия работы печей при температуре 1300— 1350° С соответствуют конечному температурному напору 100— 150° С, то при скоростном нагреве температура печи достигает 1500° С. а конечный температурный напор 300° С. При сверхскоростном нагреве металла (например, в зоне керамического кожуха горелки, разогретого потоком сгорающего газа до 1650— 1700° С) конечный температурный напор может достигнуть 450— 500° С. Величина температурного напора между печыо и металлом в конце нагрева определяет разность температур между поверхностью и серединой заготовки в процессе нагрева. При небольшой величине сечений заготовок эта разность при скоростном нагреве может быть 600—700е С и выше.
В табл. 19 приведены данные о времени нагрева некоторых углеродистых сталей при температуре печи 1350° С с учетом температуры начала ковки и штамповки.
Таблица 19
Время нагрева (в мин) для некоторых углеродистых марок стали
с В % Температура начала ковки. Диаметр заготовки в мм
штамповки в СС 25 50 75 юо
0,4 1275 4 8,5 11 15
0,7 1250 3,5 8 10 13.5
1,1 1200 3 7 9 12
На практике часто пользуются удельным временем нагрева на единицу диаметра или стороны квадрата. Этот метод расчета нельзя считать правильным, так как удельное время нагрева стали не постоянно для различных размеров сечения прутков. Данные, относящиеся к стали, содержащей 0,45—0,6% углерода, при температуре вечи 1300° С и температуре нагрева заготовки 1200° С показывают, что при увеличении диаметра прутка от 25 до 100 мм удельное время нагрева увеличивается в 1,5 раза (от 0,12 до 0,18 мин на 1 мм диаметра).
122
Лия расчета времени нагрева заготовок можно пользоваться раз чинными справочными данными, в том числе и данными на рис 62 которые относятся к нагреву одной заготовки. Если в печи нагревается группа заготовок, то время нагрева увеличивается, но не одинаково в зависимости от расстояния между соседними заготовками.
Зависимость коэффициента увеличения времени нагрева от расположения заготовок на поду камерной печи видна из табл. 20.
Таблица 20
Значения коэффициента увеличения времени нагрева металла в зависимости от расположения заготовок на поду печи [42J
Расположение заготовки
На подставке (единичная)
На поду (единичная) . . . .
Без зазора . .............
Расстояние между заготовками:
0,12£>о или 0,12 а ......
O,25Do или 0,25 а . . . .
0,5£>и или 0,5 а .
£>о или а..................
2D с или 2 а . ...........
3DV или За ......................
Коэффициент увеличения времени нагрева для заготовок
круглых диаметром квадратных с размером грани а0
1,0 1,0
1,0 1,25
2,0 3,0
1,65 2,3
1,47 1,95
1,32 1,5
1,2 1,4
1,1 1,3
1,0 1,25
Расчеты производительности печей показали, что наиболее целесообразное расположение заготовок на поду соответствует расстоянию между ними для круглых заготовок (0,15—0,25) Do и для квадратных по сечепию заготовок (0,33—0,5)
На продолжительность нагрева, кроме диаметра заготовки, Do п
влияет отношение диаметра заготовки к ее высоте . По данным
•По
ЦНИИТМАШа за счет изменения величины этого отношения от 0,25 до 2 время нагрева может быть сокращено почти наполовину:
................... 0,25 0,33 0,4 0,5 0,66 0,8 1 2
77 0
Коэффициент сокращения
времени нагрева .... 1,0 0,96 0,92 0,86 0,77 0,73 0,66 0,48
При нагреве электрическим током тепло возникает внутри заготовки, следовательно, скорости нагрева могут быть более высокими, чем при нагреве даже в печах скоростного пламенного нагрева. При индукционном нагреве имеет место неравномерное 123
распределение тепла по сечению (более высокие температуры имеют наружные слои заготовки), причем чем больше глубина проникновения тока, тем меньше неравномерность, уменьшающаяся в дальнейшем за счет теплопроводности. Как известно, с уменьшением частоты тока эквивалентная глубина проникновения тока р (рис. 63) увеличивается. Приведенный график позволяет определить диапазон (заштрихованная часть) рекомендуемых частот при сквозном индукционном нагреве цилиндрических заготовок для штамповки диаметром от 10 до 200 мм из низколегированной конструкционной стали. При построении графика было использовано следующее выражение:
f = (3.6-5^10» щ {29)
Do
Механизированная установка для нагрева перед штамповкой мерных заготовок показана на рис. 64. При значительной длительности нагрева на заготовках образуется большая окалина, для создания в индукторе защитной атмосферы через пего пропускают нейтральный газ. В качестве защитных атаосфер могут быть применены аргон, а также взрывобезопасные атмосферы. Такие атмосферы, создаваемые, например, из технического азота и природного газа, пе содержат больших количеств СО (3—7,5%) и Н2 (7—1,5%). Защитную атмосферу из природного газа получают при его сжигании и специальной обработке с добавкой свежего природного газа, в результате которой образуется атмосфера, содержащая 1—3% СО и 3—9% Н2. При регулировании состава атмосферы можно для любой марки стали получить следующий состав газов: науглероживающий, нейтральный или обезуглероживающий.
Современные индукционные нагревательные установки обеспечивают нагрев круглых, квадратных и полосовых прутков [8]. Щелевые нагреватели применяются для концевого нагрева прутков; двух- и трехручьевые нагреватели обеспечивают более высокий темп работы оборудования по сравнению с одноручьевой нагревательной установкой. В последнее время разрабатывается новый способ ускоренного индукционного нагрева, основанный на применении индукторов с переменным шагом витков. При этом время нагрева сокращается в несколько раз, производительность установок может возрасти от 1—1,5 до 4—5 m/ч, что обеспечивает необходимые темпы изготовления поковок даже на быстроходном специализированном оборудовании.
Ориентировочные данные о продолжительности нагрева в индукторе до температуры начала штамповки приведены в табл. 21.
При контактном нагреве неравномерное распределение температуры наблюдается и вдоль оси заготовки, причем в этом случае 124
Рис. 63. График для ориентировочного определения частоты тока f при нагреве круглых заготовок конструкционной стали (по М. Г. Лозинскому)
ГЛ. И 1111
Рис. 64. Механизированные установки индукционного нагревателя методического действия:
1 — нодрод нейтрального газа» 2 — мерные заготовки;
8 — индуктор; 4 — наклонное загрузочное устройство;
5 — кривошипный толкатель; 6—пневматический толкатель
Таблица 21
Продолжительность индукционного нагрева стали
Диаметр заготовки и ММ Время нагрева в сек Диаметр sat отовки в ЛОИ Вргми нагрева в сек
током повышенной частоты ТОКОМ промышленной частоты током повышен ной часготы током промышленной чистоты
Наименьшее Наибольшее Наименьшее Наибольшее Наименьшее Наибольшее Наименьше Наибольшее
25 15 30 135 420 720 480 800
50 50 100 — 150 460 900 360 480
75 НО 210 — 200 420 480
100 170 350 ~— — 250 — 540 600
125 320 600 — — 300 660 720
теплопроводность не способствует значительному выравниванию температуры. Однако неравномерность прогрева по сечению здесь значительно меньше, чем при индукционном нагреве.
Время нагрева в контактных установках зависит от характеристики установки.
Ниже приведена продолжительность нагрева стали электро-контактным способом.
Диаметр sal отовки в мм Время нагрева в сек Диаметр заготовки в мм Время нагрева в сек Диаметр Заготовки в мм Время ] (tai рева ’ Б ГСК
20 10,0 30 22,0 46 52,0
22 12,0 34 28,0 50 61,0
25 15,0 38 35,0 60 ео,о
28 20.0 42 43.0 70 120,0
Скорость при контактном нагреве зависит от мощности тока, отнесенной к поперечному сечению заготовки, или от плотности тока, а также от удельного сопротивления металла заготовки.
Время нагрева металла при контактном способе не больше, чем при индукционном.
Из сопоставления различных способов элсктроиагрева металла следует, что они дополняют друг друга. Индукционный способ, являясь наиболее универсальным, довольно трудно осуществим для нагрева и подогрева фасонных заготовок. Заготовки большой длины целесообразно нагревать способом контактного электронагрева. Специфика электролитного нагрева состоит не только в том, что при его применении нагреваются мелкие заготовки, но и в том, что он исключает окисление поверхности металла и очищает ее от любого загрязнения в процессе нагрева. При нагреве 126
в электролите происходит термохимическая обработка металла. Этим способом в процессе нагрева можно насытить поверхность металла серой, медью, никелем, азотом и т. п. Это может быть использовано и для создания пластифицированных слоев, для получения повышенных механических свойств металла, для предотвращения его насыщения нежелательными элементами и коррозионных процессов.
Ориентировочные технико-экономические показатели различных способов электронагрева приведены в табл. 22.
Таблица 22
Сопоставление некоторых показателей различных способов электронагрева металла
Способ нагрева металла Затраты в относительных единицах К п. д. «о нагреву Расход энергии
на установку энергии на нагрев в М длс/WQO кз в кзщ - ч]т
Индукционный .... 1 1 0,4—0,65 1440 400
Контактный 0,45 0,8 0,6—0,7 1170 325
Электролитный .... 0,28 0,55 0,3—0,45 900 250
Незначительная продолжительность нагрева способствует уменьшению потерь металла в окалину. Для углеродистых сталей начало значительного окалинообразования соответствует 675— 700° С. Первые образующиеся слои окалины оказывают существенное влияние на дальнейшее окисление стали. Плотный сплошной слой окисла затрудняет дальнейший процесс угорания металла, так что скорость окисления падает по параболическому закону
х2 = kt, (30)
где х — прирост массы вследствие образования окалины;
k — коэффициент пропорциональности;
t — время.
Окалина плотно соединяется с металлом, из которого она образовалась, в том случае, если разница плотности металла и плотности окалины невелика. В других случаях слой окалины отстает от металла, при этом скорость его окисления постоянна и выражается законом прямой линии
х ~ kt. (31)
Практически полного самопроизвольного отделения окалины от металла не происходит, при этом по мере увеличения выдержки окалинообразование замедляется. Появление окалины сопровождается образованием па поверхности металла слоев окислов, 127
богатых кислородом. Слой, прилегающий непосредственно к металлу, содержит окисел FeO. Отдельные легирующие элементы (Сг, Ai, Si, Ni) приводят к образованию окалины, имеющей примерно одинаковый со сталью коэффициент расширения. Стали с указанными элементами образуют сплошную нерастрескиваю-щуюся пленку окислов, защищающую от дальнейшего окисления, и называются жароупорными. Находящиеся в атмосфере печи пары воды делают окалину рыхлой и впоследствии легко отделимой, но ускоряют угар металла.
Обычно считают, что при нагреве перед штамповкой угар металла в среднем составляет 1,5—2,5% от массы нагреваемого металла. Величина угара в камерных и методических печах различного назначения колеблется от 0,5 до 5—6%.
На величину угара влияет большое число факторов. Отношение размеров заготовки (Lc : Do) определяет кратчайший путь, обеспечивающий сквозной прогрев заготовок. Если Do < £(|, то сквозной нагрев заготовки происходит по ее радиусу. Если Do > £с, то прогрев заготовки произойдет вдоль ее оси. С другой стороны, отношение размеров заготовок определяет их положение на поду печи. Длинные заготовки (Dv <С Lo) устанавливают на поду в горизонтальном, а короткие (Lu < £)0) — в вертикальном положении. Это изменяет условия нагрева заготовки и окисления металла.
Из опытных данных следует, что прутки с различными размерами сечений дают неодинаковую относительную величину угара металла в кузнечных печах. Величина угара заготовок длиной 100 мм и диаметром 10—120 мм увеличивается от 1,6% для прутка диаметром 10 мм до 3,25% для прутка диаметром 120 мм.
В данном случае сказывается влияние возрастающей удельной продолжительности нагрева с увеличением диаметра прутка, а также влияние более интенсивного угара торцов. Так как часть боковой поверхности заготовок, прилегающая к подине, угорает меньше по сравнению с открытыми торцовыми частями, то чем больше торцовые поверхности в общей поверхности заготовки, тем больше относительный угар заготовок. Для заготовки длиной 100 мм и диаметром 25 мм соотношение между площадью торцов и боковой поверхностью соответствует примерно 1 : 8, тогда как для заготовки длиной 25 мм и диаметром 100 мм это соотношение увеличивается до 1 : 0,5, т. е. в 16 раз.
Опыты по выявлению количества окалины, образующейся в процессе нагрева металла при его деформировании и последующем охлаждении (путем замочки одних образцов после нагрева и сопоставления их массы с другими образцами, остывшими на воздухе после деформирования), показали, что окалина в процессе ковки и охлаждения металла составляет 0,5—0,6%. Следовательно, при безокислительном нагреве и при электронагреве расход металла на окалину сокращается не более чем в 3—3,5 раза по сравнению с обычным нагревом, если штамповка металла осу-128
ществляется в обычных атмосферных условиях.
Окисление поверхности заготовки протекает неравномерно. Например у квадратных заготовок сильнее угорает металл грани, обращенной к своду (угар со стороны этой грани в методической печи составляет 40 % от общего). Несколько меньше угорает металл на грани заготовки, обращенной к сварочной камере (28%); затем на задней грани (18%), еще меньше на грани, прилегающей к подине (11%). и на торцах длинных заготовок (3%). Окалина повышает теплопередачу, что приводит к некоторому уменьшению времени нагрева. Количество окалины возрастает особенно быстро при температурах выше 900° С. Если принять величину окисления при 900° С за единицу, то при более высоких температурах количество окалины повышается.
Температура в °C . . , 900 950 1000 1100 1300
Коэффициент увеличения окалины . . . . 1 1,25 2,0 3.5 7,0
При повышении скорости движения газов до 0,1 м!сек увеличивается интенсивность окисления стали. Дальнейшее возрастание скорости движения газов не увеличивает их вредного действия.
В расчетах вместо постоянной величины угара 1,5—2,5% следует принимать более точные ее значения с учетом диаметра и длины нагреваемой заготовки. При повторном нагреве (подогреве) общий угар возрастает примерно в 1,5 раза.
Сокращение продолжительности нагрева с целью уменьшения угара не является наилучшим средством. Целесообразнее применять для этой цели защитную атмосферу. При работе без избытка кислорода в печи угар металла резко сокращается. Для сгорания топлива с заданным избытком кислорода применяются автоматические регуляторы горения, которые находят все большее применение в печном хозяйстве [51.
В связи с переводом большинства нагревательных печей в кузнечных цехах на газовое топливо проблема безокислительного нагрева металла перед штамповкой решается более просто. В настоящее время на ряде заводов уже успешно эксплуатируются печи для безокислительного нагрева. Общая их характеристика следующая. Коэффициент расхода воздуха печей, равный 0,45— 0,55, зависит от состава нагреваемой стали. Температура подогрева воздуха —600е С. Подогрев газа рекомендуется проводить до 500—600 С. В некоторых конструкциях печей осуществлен принцип двухстадийного сжигания газа. Футеровка применяется карборундовая. Для подогрева воздуха используются рекуператоры из жаропрочных материалов. Такие печи имеют к. п. д.
9 Я. М. Охрименко 597 1 29
до 35”i). Напряженность пода 500—600 к.г!м*-ч и производительность от 1000 до 3000 кг!ч. Угар металла в процессе нагрева не превышает 0,1—-0,15% 15; 39; 42].
Для уменьшения угара металла в настоящее время все большее применение получают различные покрытия и обмазки металла перед нагревом. Эти средства перспективны даже для специальных сплавов, нагреваемых и обрабатываемых в вакууме и В среде инертных газов. Дело в том, что обмазки и покрытия, кроме предотвращения окалинообразования, обезуглероживания и насыщения металла газами, оказывают и другие положительные влияния. Они способствуют лучшему заполнению металлом ручьев, так как служат смазывающим средством, понижают разогрев и деформацию рабочих кромок штампов (являясь теплоизолирующим средством), уменьшают скорость остывания металла, что увеличивает возможное время его деформации и создает условия для прогрессивного изотермического режима штамповки.
В качестве покрытий и обмазок, в большей или меньшей степени удовлетворяющих указанным требованиям, применяют коллоидные растворы стекла в изопропаноле, стекловые обмазки на основе сульфитных щелоков, литиевые покрытия и др. Наиболее перспективно применение покрытий на холодный металл в виде суспензий стекла и покрытий металла расплавами стекла. Для получения топкой пленки стекла (-—0,1 мм) вязкость расплавленного стекла не должна превышать 10 Н-сек;м2 (100 пз). Обычное натронное стекло (оконное) имеет такую вязкость при 1400 ' С; при 1200° С вязкость повышается до 50—60 Н-сек'м? (500— 600 пз).
В настоящее время экспериментируются составы стекол, не содержащие дефицитных составляющих, обеспечивающих тонкую и сплошную пленку на металле, которая должна служить смазывающим и теплоизолирующим слоем. Для этого можно применять комбинированные, двойные обмазки в холодном и нагретом состоянии металла.
Так как защитить металл полностью от окисления пока не удается, то в промышленности применяются разнообразные способы удаления окалины с заготовок перед штамповкой. На многих заводах для снятия окалины применяются различные скребки, окалиноломатели и щеточные приспособления, однако производительнее и лучше для этой цели использовать гидроочистку. На рис. 65 приведена установка непрерывного действия для очистки от окалины мерных заготовок при транспортировании их от печи к штамповочному агрегату. Удаление окалины происходит под действием шести радиальных струй воды, находящихся под давлением 9,81-14,72 Мн1м? (100--150 нт). .Конические насадки с диаметром отверстия 0,75 мм имеют сужение под углом 13°. Количество применяемых насадок зависит от диаметра заготовок.
130
Диаметр заготовки в мм До 40 Свыше 40 до 60 60—80 80-100
Число насадок 6 8 10 12
Секундный расход воды Q на одну насадку в зависимости от давления Р воды составляет:
Р в Мн/м2 9,81 14.72
в атм 100 150
Q В Л3 0,061-Ю-» 0,077-10“ 3
п л 0,061 0.077
Гидроочистительная установка (рис. 65) действует автоматически.
В Московском институте стали и сплавов успешно опробована новая более совершенная конструкция струеобразующего устрой-
Рис. 65. Схема конвейерной установки для гидравлического снятия окалины с нагретых заготовок:
* — приемный его л; 2 — транспортер» .? - камера, 4 — кожух; 5 — привод; 6 — вентиль; 7 — клапан: 8 — питающие трубы» Р — сопло; 10 — бачок для окалины;
11 —магистральный трубопровод; 12 — заготовка
ства гидроочистительной установки. Вместо сопел применена струевая обойма, в которой вода высокого давления, сбивающая окалину, поступает через щель в обойме (рис. 66). В корпус обоймы 1 вставлено седло 5, причем угол расходящейся щели между 9* 13J
Рис. 66. Общий вид струе-вой обоймы (Московский институт стали и сплавов)
обоймой и седлом составляет 5°. Соединение деталей обоймы осуществляется с помощью фланца 3 и болтов 2 (6 шт.). Резиновая манжета 4 предотвращает утечку воды.
Струевая обойма в отличие от обоймы с насадками имеет переменную ширину струи, поступающей из образующейся под давлением воды щели, ширина которой зависит от предварительной затяжки болтов и давления воды. В обойме для очистки прутков диаметром до 85 мм расход воды при давлении 13,7—17,7 Л4я/№ 140—180 атм составляет 1-Ю"3— 1,5 X >;Ю'3 м3 (1—1,5 л!сек) и зависит от степени затяжки болтов. При этих условиях угол между струей и осью прутка, равный 55°, обеспечивает удаление окалины при движении прутка со скоростью 0,5 м!сек. Другой вариант обоймы применяется при использовании прутков диаметром до 140 мм.
§ 5. ТЕРМИЧЕСКИМ РЕЖИМ КОВКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА
Всесторонний нагрев заготовки большой длины (рис. 67, о) приводит к равномерному распределению температур в отдельных тангенциальных направлениях и неравномерному распределению температур вдоль оси заготовки и в радиальных направлениях. Вследствие неодинакового теплового расширения зон с различными агреве возникают термические напряже
ния различных знаков. Напряжения сжатия (—) возникают в тангенциальных направлениях из-за стремления к расширению каждого элементарного объема в кольцевых участках сечения заготовки на расстоянии -~1/3 от наружной боковой поверхности. Чем ближе кольцевой участок к наружной поверхности заготовки, тем больше он нагрет и тем большую величину имеют тангенциальные напряжения сжатия. Средняя часть заготовки имеет тангенциальные напряжения растяжения. В радиальных направлениях вследствие все более возрастающего стремления к расширению металла, по мере удаления от центра сечения заготовки, появляются напряжения растяжения (+), причем на оси заготовки максимальные. Вдоль оси действуют сжимающие напряжения на поверхности заготовки и растягивающие вблизи ее оси [41 ]. При нагреве заготовок, расположенных на поду печи, прогрев их происходит неодинаково со всех сторон, что усложняет схему распределения напряжений (рис. 67, б). Преимущественный нагрев с одной стороны приводит к тому, что зона наиболее холодного 132
температурами при
металла сдвинута от центра в сторону прилегания заготовок к поду. Перепад температур в различных радиальных направлениях сечения становится неодинаковым. В тангенциальных направлениях также появляется температурный перепад. В соответствии с этим неравномерность напряженного состояния при
деформации металла возрастает. Непрогрев металла, наличие напряжений теплового происхождения и смещения наименее прогретой зоны относительно оси заготовки приводят к возрастанию неравномерности деформаций, которая, в свою очередь, вызывает увеличение вредных остаточных напряжений у поковок.
При рассмотрении теплового воздействия на сталь не следует ограничиваться только процессами, связанными с нагревом ее перед ковкой. Некоторую роль играет тепло, выделяемое в период деформации (особенно при больших ее скоростях), и изменение тепловогосостоя-
Рис. 67. Характеристика прогрева заготовок при подведении тепла:
а — со всех сторон; б — преимущественно с одной стороны (показаны линии одинаковых температур)
ния металла при охлаждении.
При деформации заготовки из углеродистой стали массой 1 кг (диаметр Do = 50 мм и высота Но — 65 мм) на еои = 70% (до Нк = 20 мм) при температуре металла 1200° С расходуется 5886 date (630 кГ -м) работы [109 J. Если переходящие в тепло 85% затраченной энергии перевести в тепловую энергию, то можно найти количество тепла, приобретаемое заготовкой в процессе деформации:
q — 630-0,85 : 427 == 5,0 кдж (1,2 ккал).
Сопоставляя это тепло с теплосодержанием I кГ стали, нагретой до 1200° С, Q = 838 кдою (—- 200 ккал), находим, что доля тепла деформации в данном случае немного больше 0,5% от теплосодержания заготовки. С уменьшением температуры металла теплосодержание его уменьшается, а работа на деформацию возрастает, что повышает роль теплового эффекта деформации в тепловом балансе осаживаемой заготовки. При температуре 850° С и осадке на 30% выделяющееся тепло деформации составляет —20% от теплосодержания заготовки. При низких температурах тепло деформации намного превышает теплосодержание металла. Если
133
это тепло распространяется не по всему объему, а сосредоточивается в незначительной по объему области, в которой действуют максимальные скалывающие напряжения, то местный разогрев металла после каждого обжатия заготовки может быть значительным и даже видимым на глаз (в виде светлых полос, распространяющихся под углом 45" к контактной поверхности заготовки).
OSmr.ir'b нижних критических температур -------------------_|-----------а------------------------------/
Температура начала заметной рехвисталлиаацш
дето г^оосзООС xxxbOOQCj С.
р из
Величина зерна
Рис. 68. График изменения температуры и величины зерна в стали при нагреве, ковке и охлаждении
Качественную сторону процесса ковки с учетом изменения температуры металла можно проследить по графику на рис, 68. По оси абсцисс отложена средняя величина зерна стали, а по оси ординат — температура. Устали с величиной зерна, указанной буквой а, при нагреве до точки б никаких изменений не происходит. Дальнейшее возрастание температуры в области перехода перлита в аустенит приводит к измельчению зерна; после перехода области критических температур сталь имеет мелкое зерно (например, соответственно точке в). После перехода через Лс8 зерно увеличивается ввиду собирательной рекристаллизации. К моменту достижения температуры нагрева под ковку (точка г) зерно стали увеличивается, а в процессе остывания заготовки (в период, когда ее извлекают из печи и подносят к ковочному агрегату) продолжает расти (точка д). Первое обжатие заготовки приведет к измель-134
чению зерна и некоторому повышению температуры вследствие перехода части энергии деформации в тепловую (точка е); затем в период между двумя обжатиями сталь частично рекристаллизуется (рекристаллизация обработки) при одновременном понижении температуры из-за естественной потери тепла. Если на этом обработка заканчивается, то рост зерна замедляется до точки ох, при этом размер зерна стали соответствует точке з, т. е. оно более крупное, чем в исходном состоянии. Если продолжить обработку, то для следующего обжатия будет характерна структура металла, соответствующая точке к (изменение по линии и—к) и отличающаяся от предыдущей более мелким зерном и более высокой температурой. Затем все повторяется в том же порядке в зависимости от величины деформации, которая уменьшается по мере остывания металла, числа обжатий и от величины промежутков между ними, что обычно приводит к измельчению зерна при снижении температуры ковки металла (см. точки д, м, н, о). Если последнее обжатие при температурах, отвечающих примерно концу ковки (точка о), соответствует линии н—о, то остывание стали будет протекать по линии о—п, и зерно, характеризуемое точкой р, окажется более мелким, чем в исходном состоянии.
Для уменьшения скорости остывания металла при ковке известны попытки (в СССР и за рубежом) применения экранирования для металла в процессе деформации. Эффективно применение трубчатых откидных экранов-отражателей (из алюминиевого листа) при ковке длинных поковок протяжкой (рис. 69). Другой способ уменьшения теплоотдачи проковываемого металла состоит в теплоизоляции металла, который помещают в особый кожух или укрывают асбестовым одеялом один конец заготовки при ковке другого конца. В кузнечном цехе Уралмашзавода этим способом удается замедлить охлаждение стали в 1,5—5 раз, что позволяет сократить число выносов при ковке или приблизиться к изотермическому режиму ковки 121 1.
Хорошие результаты получены при использовании теплоизолирующих обмазок для слитков. Кроме замедления остывания, эти обмазки уменьшают силы трепня (что снижает энергетические затраты) и соответственно увеличивают равномерность деформации (что повышает качество поковок).
Остывание металла интересует технолога с двух точек зрения. В период ковки остывание металла вредно, поскольку сокращает время, отводимое для деформации, и увеличивает расход энергии вследствие повышения сопротивления деформации. Полезность остывания металла в процессе ковки состоит в понижении интенсивности собирательной рекристаллизации при сохранении достаточных условий для рекристаллизации обработки, в уменьшении возможности образования цементитной сетки у заэвтектоидной стали и др. Изотермический режим ковки при относительно низких температурах в пределах ковочного интервала может обеспе
135
чить высокое качество поковок, по для обеспечения необходимой производительности труда продолжительность остывания должна быть достаточно большой. При ковке некоторых жаропрочных марок стали тепловой режим приближается к изотермическому, поскольку ковка производится в интервале температур около 100е С. Однако при этом длительность остывания стали небольшая, число выносов велико и производительность работы соответственно невысокая.
Рис. 69. Экранирование заготовки в процессе ковки. Удлинение времени остывания составляет 40—60%:
/, <? — станины молота; 2 — средний стационарный рефлектор, 3 — задний убирающийся трубчатый рефлектор; 4 — фиксирующая тяга. 5 — асбестовая заглушка, 6 — шарнир, 7 _ стопор: 8 — боек молота нижний; 10 — передние подвижные полутрубчатые секции рефлектора, 11 клещи манипулятора
Для определения времени остывания углеродистой и малолегированной стали на воздухе и при наличии асбестового теплоизолятора приводится график (рис. 70). Чем меньше зазор между металлом и стенкой теплоизолирующего кожуха, тем длительнее период остывания стали для каждого диаметра слитка. Необходимо иметь в виду, что теплоизоляцию можно осуществлять только для той части заготовки, которая в данный момент не подлежит ковке, и что остывание металла в процессе ковки идет медленнее, чем на воздухе (см. кривые на рис. 70). Остывание небольших заготовок характеризуется графиком на рис. 71, который построен по расчетным и экспериментальным данным.
136
Время остывания заготовок из стали /() (в сел) может быть определено ио следующей эмпирической формуле:
10 - 0,006Д7Т>С, (32)
где ДТ — падение температуры в °C;
&— диаметр заготовки в мм.
Рис. 70. График для определения времени остывания заготовок на воздухе и в асбестовом кожухе (по данным УЗТМ):
/ — для кожуха с зазором между металлом и асбестом до 50 м.ч, Н — то же. 50—120 mjh;
Лт = —(fac6 — ьРемя охлаждения под асбестом. — па воздухе)
При остывании заготовки периферийные ее части охлаждаются более интенсивно, чем сердцевина, температура которой снижается
медленнее. Значение Л7 в формуле (32) относится к средним температурам по сечению заготовки. На рис. 71 приведен график изменения времени остывания стали в зависимости от диаметра заготовки (линия /). Интенсивность остывания стали зависит от относительной величины поверхности заготовки ( где Й — поверхность заготовки, излучающая тепло, и V — объем заготовки). В реальных условиях интенсивность остывания стали с увеличением диаметра заготовки убывает вследствие уменьшения величины ~ (кривая 2).
Рис. 71. Время остывания стали от 1260 до 800® С:
/ — теоретически рассчитанное; 2—ио экс пер и ментальным данным для стали 40Х
Для построения кривой 2 на рис. 71 измерялась температура в центре образцов, в связи с чем время остывания получается
137
несколько большим, чем при вычислении по средним температурам сечения.
Следующий за ковкой процесс охлаждения поковок по существу является термической операцией. Трещииообразование при охлаждении поковок встречается более часто, чем при нагревании. В начальный период охлаждения поковок (рис. 72, /) поверхностные слои (о) испытывают напряжения растяжения ( |-), а внутренние (б) — сжатия (—). При дальнейшем охлаждении получается обратная картина, так как средняя часть поковки, уменьшаясь
Рис. 72. Схемы напряжений при охлаждении поковок:
1 - е поверхностных слоях я и в центральной зоне б, 11 — для мяв кой стали в начале охлаждения а и в конце €>хлаждения б. Ill — для твердой стали в начале охлаждения л в в конце охлаждения б
в объеме, будет сдерживаться более остывшими наружными слоями, которые при этом подвергаются сжимающим напряжениям. Так происходит охлаждение мягкой стали (рис. 72, II). При охлаждении твердой стали (рис. 72, III) растягивающие напряжения в поверхностных слоях вследствие пониженной релаксационной способности такой стали лишь немного уменьшаются (но могут не уменьшиться до нуля), при этом перемена знака напряжений маловероятна.
При наличии на поверхности микро- и макротрещин опасность их развития под действием растягивающих напряжений очень велика. Очевидно, этим можно объяснить тот факт, что твердые стали чаще растрескиваются снаружи.
Для предотвращения поверхностных и внутренних трещин, уменьшения остаточных напряжений и предупреждения флокено-образования охлаждение поковок производят по специальному режиму, который в основном определяется в зависимости от химического состава стали и размера поковок. Общее здесь то, что скорость охлаждения не должна превышать определенного максимума. Медленное охлаждение необходимо в период перекристал-138
лизации ввиду наложения напряжений от аллотропических превращений на термические напряжения, причем в поверхностных слоях эти напряжения растягивающие. В момент наложения
а/
Рис. 73. Охлаждение металла:
а — изменение температуры слитка массой 45 000 кг при охлаждении в печи: б - охлаждение поковок коленчатых валов из углеродистой и низколегированном сталей при диаметре
шейки более 600 жа (ЧССР):
/ — снижение температуры до момента укладки в лечь; II — выравнивание температуры 12°/*; Ш — охлаждение с печью 10е/*; IV — выдержка 10 ч; V - охлаждение 10°/*: V/ — выдержка 10 ч; VII — охлаждение VIII — выдержка 6—10 ч; IX — охлаждение в печи, 1 — вблизи поверхности; 2 — на расстояние у3 радиуса; 3 — в середине сечения слитка; 4 — температура печи; 5 -- разность температур
Охлаждение поковок в штабелях применяют для марганецсодержащих марок стали. Крупные поковки охлаждают в печах.
__ На рис. 73, а приведен график охлаждения крупного слитка (45 000 кг) в’печи до температуры 630° С, для этого все горелки печи были выключены и заслонки приподняты. Перепад температур по сечению ие превысил 160-—180° С после 4 ч охлаждения и сохранялся в течение 6 ч. ЗатеаГ началось уменьшение перепада температур. Через 23 ч перепад температур составлял всего 80° С. На рис. 73, б приведен рабочий график охлаждения крупного коленчатого вала (диаметр цапфы 600 мм, ЧССР). После выравнивания температуры в печи дается выдержка 6—10 ч при температуре 640—650° С, при открытых заслонках температура понижается последовательно до 620, 550 и 400° С со скоростью 10— 12 Сч и с выдержками при указанных температурах до 10 ч каждая [77].
При необходимости режим охлаждения совмещается с нормальным режимом первичной термической обработки (отжиг, норма
139
лизация), в том числе и для предупреждения флокенообразовапия. При ковке сталей, чувствительных к флокенообразованию, иногда применяют промежуточную термическую обработку между операциями ковки с целью уменьшения количества водорода в металле.
§ 6. СОГЛАСОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО И КОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Для того чтобы ковочные и штамповочные агрегаты работали бесперебойно, необходимо согласование производительности нагревательных установок и основного оборудования — молотов, прессов и т. п. Даже в крупносерийном производстве поковок каждый агрегат выпускает поковки нескольких наименований. Поэтому в каждой печи приходится нагревать разные заготовки с различным темпом их последующей ковки или штамповки. Во всех случаях эксплуатации нагревательных установок эффективность использования основного оборудования зависит от правильного выбора режима их работы.
Например, при ковке одной поковки за 1 мин и времени нагрева заготовки данного диаметра за 30 мин организовать работу печи можно по-разному. Если в печи размещаются одновременно 30 заготовок, начало ковки возможно лишь по истечении 30 мин после загрузки печи (во время нагрева ковочное оборудование простаивает). По истечении 60 мин после загрузки печь окажется разгруженной, и в течение следующих 30 мин будет происходить нагрев новой партии заготовок. В данном случае рабочее время ковки составляет 50% времени нагрева (рис. 74, а). Ковка первой заготовки происходит в нормальных условиях, все последующие заготовки нагреваются дольше, чем это необходимо, последняя заготовка из каждой партии находится в печи почти 60 мин. Если загружать в печь заготовки партиями по 15 шт. (рис. 74, б), то рабочее время ковки составит 66% от общей продолжительности нагрева (если не принимать во внимание первоначальную потерю времени 15 мин, так как первая загрузка печи может быть осуществлена в предыдущей смене). Последняя заготовка каждой партии находится в печи менее 45 мин. При загрузке печи партиями по 10 заготовок (рис. 74, в) рабочее время составит 75%, а нагрев последней заготовки — не более 40 мин. Уменьшая величину партии заготовок, можно убедиться, что наилучшес использование печи и отсутствие перегрева металла будет при поштучной загрузке и разгрузке печи 1 (рис. 74, г). В этом случае будет бесперебойная работа агрегата при одинаковом количестве нагреваемых в печи заготовок (в данном случае 30) и одинаковом времени нагрева
1 В этом случае рабочее время составляет 100%, если не принимать во внимание первоначальных потерь времени, которые будут лишь после остановок печи (при односменной и двухсменной работе цеха).
140
каждой заготовки (30 мин). По такому графику работают механизированные лечи и автоматизированные установки, в камерных печах условия поштучной загрузки часто не соблюдаются.
При согласовании производительности печи с темпом работы кузнеца или штамповщика искомой величиной является число заготовок, одновременно находящихся в печи. Для соответствующего расчета используется следующее. Если z — количество за-
Рис. 74. График использования рабочего времени при загрузке печи различными партиями заготовок. Периоды простоя заштрихованы слева, вверх, направо; стрелками доказаны моменты загрузки заготовок в печь
готовок в шт., одновременно находящихся в печи, t — время нагрева заготовки данного размера в мин, п — наибольшая производительность ковочного или штамповочного агрегата в ч (в шт.), то за 1 мин можно изготовить поковок. За время t мин, пока нагреваются заготовки, из печи должно быть выдано 4Д- заго-ои
товок. Следовательно, одновременно в печи находится
z заготовок. (33)
Например, при штамповке 80 шт, поковок в час и времени нагрева заготовок 15 мин в печи должно находиться одновременно 15*80 __ ом
—60 заготовок. Если же ускорить нагрев заготовок,
141
например за 10 мин, то в печи должно находиться 14 заготовок. Следовательно, с уменьшением времени нагрева уменьшается и количество заготовок, одновременно находящихся в печи. При увеличении темпа изготовления поковок с 80 до 100 шт. в час число заготовок в печи должно увеличиться с 20 до 25 шт. и т. д. Считывая местные возможности нагрева металла, в цехах обычно составляют графики зависимости количества заготовок, находящихся в печи, от времени ковки, штамповки. Принимать эти данные в качестве руководящих материалов для других производственных условий нельзя.
11ри нагреве крупных заготовок и слитков no 1 шт. или небольшими партиями производят аналогичные расчеты. Если известна продолжительность i нагрева в часах, то число слитков, находящихся в одной или нескольких печах, находится как произведение z - nt, где п соответствует часовой производительности молота или пресса в штуках. Размеры площади пода печей, обеспечивающих необходимую производительность, определяют из следующих соотношений:
' _ zfjH I' акт = ntfM _ Qfiv п~ Кп ’ Кп Кп - gKn
(34)
где — проекция заготовки или слитка на под в м2;
Q — часовая производительность печи в кгЛи2;
g — масса нагреваемого металла в кг;
FaKrtl — часть площади пода, занятая металлом, в м2;
р
К,. — коэффициент загрузки пода, равный (для ка-*‘п
мерных печей -- 0,5ч-0,6; для методических — 0,7-5-0,9).
Суммарная величина площади пода может быть предусмотрена в одной печи, а если это невыполнимо, то в нескольких печах. Иногда число используемых печей достигает 6—8 на один пресс, при ковке на молотах обычно одна или две печи, при штамповке, как правило, бывает достаточно и одной печи. Напряженность пода печи (удельная производительность 1 м2 печи) представляет собой отношение часовой производительности печи к площади пода печи (камерные для заготовок 400—600 кг!м2-ч, с выдвижным подом для слитков горячих — 150—350 кг!м2'Ч, полуметодиче-ские — 300—450 кг!м2-ч, скоростные 700—1000 кг!м2-ч).
При нагреве металла в скоростных печах или контактным и индукционным способами (нагрев заготовки по 1 шт.) время нагрева заготовки не должно превышать времени на ее штамповку. Если это условие нельзя соблюсти, то применяют последовательный нагрев двух или нескольких заготовок, одновременно находящихся в нагревателе, или нагрев заготовок в двух или нескольких нагревателях. Расчет количества заготовок, нагреваемых одновременно, совпадает с приведенным выше [см. формулу (33)1. 142
При штамповке от прутка на молоте, прессе и горизонтальноковочной машине производительность агрегата повышается с увеличением количества поковок, штампуемых подряд за один нагрев прутка- Темп работы в данном случае влияет на производительность прогрессивно, а не, как обычно, в прямой пропорции.
Количество поковок, штампуемых подряд с одного нагрева прутка, зависит от времени остывания стали при штамповке: чем больше это время, тем большую часть нагретого прутка можно переработать в поковки до его возвращения в печь. Длина нагреваемой части прутка должна быть согласована с временем остывания. Если нагреть большую длину прутка, чем это необходимо, то пруток остынет в излишне нагретой части, прежде чем этот участок металла поступит на штамповку.
Количество поковок, штампуемых за один нагрев прутка, можно определить из выражения
N — , (35)
где to — время остывания прутка данного диаметра в допустимом интервале температур для данной стали (например, см. рис. 71);
/„ — промежуток времени между выемкой прутка и’ началом штамповки;
(ш—время штамповки одной поковки.
Приведенная зависимость показывает, что количество N поковок, штампуемых за один нагрев, зависит от химического состава стали и диаметра прутка (которые определяют величину а также определяется сложностью технологического процесса (который в зависимости от способа штамповки и числа ручьев определяет величину tw) и совершенством организации рабочего места. При непрерывной механизированной или автоматической подаче заготовок определяется временем: выемки прутка из печи, подноски его, вкладывания заготовки в штамп и потерями времени на включение штамповочной машины.
При штамповке от прутков различных диаметров на машинах-орудиях одинаковой быстроходности и с одинаковым числом ручьев в штампе количество отштампованных с одного нагрева изделий зависит от времени остывания прутков. Чем толще пруток, тем медленнее он остынет и тем больше поковок можно отштамповать. При данном темпе работы между величиной N, длиной заготовок L6 на одну поковку и оптимальной длиной прутка LM участвующей в деформации за один нагрев, имеет место зависимость
= ЛЧ.С. (36)
Пользуясь соотношением масс, можно заключить, что
(36')
143
где — оптимальная длина нагреваемой части прутка;
q — масса погонного метра прутка данного диаметра;
g — масса заготовки на одну поковку.
По этой формуле можно определить длину нагреваемой части прутка, необходимую для получения оптимальных условий штамповки поковок данной массы.
На практике количество штампуемых поковок за один нагрев N колеблется в некоторых пределах, что вызывается уменьшением или увеличением начальной и конечной температур штамповки, замедленным или усиленным темпом работы штамповщика, неправильной длиной нагретого конца прутка.
Количество прутков, находящихся одновременно в печи, определяется из следующего выражения;
т
z = (37)
tn Ь M«i пг (к
где Т — время подогрева при штамповке с возвращением прутков в печь или время нагрева при штамповке без возвращения прутков в печь;
— начальные потери времени (вкладывание в ручей и промежуток времени между нажатием педали и штамповкой);
Л' — количество поковок (штампуемых с одного нагрева), взятое по максимуму;
tM — время штамповки (машинное и ручное по перекладке из ручья в ручей);
tK — время, связанное с выемкой и удалением поковки из штампа.
Полученное при расчете число заготовок, нагреваемых одновременное печи, исходя из условия согласованной производительности печи и штамповочной машины, может быть использовано для расчета площади пода печи по количеству и габаритным размерам заготовок, с учетом способа их укладки.
При выборе типа установки для нагрева металла руководствуются различными соображениями, главными из которых являются способ штамповки, химический состав нагреваемой стали, масштаб производства поковок и условия труда. Механизированные сложные печи рентабельны в крупносерийном производстве, при большом парке этих печей эксплуатация их не вызывает особых затруднений. При мелкосерийном производстве частые переналадки технологического процесса штамповки и неизбежные изменения темпа работы требуют применения менее совершенных универсальных печей.
Экономичность работы печи в процессе ее работы связана с напряженностью пода. Чем выше напряженность пода, тем меньше удельный расход топлива. Для методических печей увеличение напряженности пода печи означает перевод их на полуметодиче-144
с кий режим нзгр^вз, осуществляемый повышением температуры в камере подогрева.
Технико-экономическии анализ основных способов нагрева металла перед штамповкой показывает следующее. Целесообразность энергоносителя для нагрева металла должна устанавливаться отдельно для каждого района страны. Применительно к центральным областям СССР наиболее экономичным является безокисли-тельный нагрев (относительно низкая себестоимость и небольшие капиталовложения). Индукционный нагрев обладает техническими и экономическими преимуществами в условиях массового автоматизированного или крупносерийного высокомеханизированного производств поковок (повышенные эксплуатационные расходы и капиталовложения). Целесообразно применять индукционный нагрев при цене металла более 100 руб!т или при себестоимости 3,6 Мдж (1 клт-'/), равной 0,3 коц- Контактный нагрев предпочтителен для длинных заготовок 1,5; Lo и Do в или
\ /
для местного нагрева средней части заготовок диаметром до 40 мм. Обычный пламенный нагрев на газе целесообразен в условиях относительно небольших серий производства поковок.
10 Я. М Охрименко 597
ГЛАВА V
КОВКА ПРУТКОВЫХ ЗАГОТОВОК, БОЛВАНОК И СЛИТКОВ
(ТЕХНОЛОГИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО И МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК)
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КУЗНЕЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Ковка является древнейшим способом обработки металлов. Отчасти по этой причине ковку металлов иногда неправильно считают примитивным и отживающим свой век процессом. Процессы ковки не должны применяться для крупносерийного и массового производства относительно небольших поковок. Однако для индивидуального и в ряде случаев для мелкосерийного производств процессы ковки являются вполне совершенными, позволяющими использовать универсальные машины и инструменты. Если удается укрупнить серийность производства (например, путем кооперирования), то целесообразна специализация инструмента, например применение штампов (подкладных или закрепленных). Промышленность всегда будет нуждаться в поковках^ потребляемых в небольших количествах и производимых способом ковки. К ним относятся поковки для судостроения, производства некоторых видов транспортных машин, кузнечно-прессового машиностроения, производства крупных станков и запасных частей к различным машинам и т. п.
Особую категорию поковок, для которых оптимальным способом производства является ковка, составляют поковки, масса которых превышает наибольшую массу штампуемых поковок. В настоящее время масса наиболее крупных поковок, изготовляемых в штампах, исчисляется несколькими тоннами. По мере совершенствования штамповочного производства предельная масса этих поковок увеличивается. Для более тяжелых поковок приходится применять ковку, для которой на ныне существующем оборудовании масса обрабатываемых слитков до 500 т не является предельной. Сюда относится массовое производство железнодорожных осей, серийное — цельнотянутых котлов, барабанов и резервуаров, крупных коленчатых валов, мелкосерийное и индивидуальное производство валков блюмингов, роторов, турбин и других поко-146
вок. В качестве универсальных машин-орудий для ковки применяются молоты и прессы (рис. 75).
Совершенствование процессов ковки основывается на использовании более быстроходного оборудования, применения облегчающих и ускоряющих вспомогательные операции механизмов (манипуляторов, кантователей, поворотных столов, подающих рук
Рис. 75. Машины-орудия, применяемые для ковки:
с — рессорные молоты для kobkji самых мелких поковок, б — пневматические молоты для конки мелких и средних ио несу поковок; в — паровоздушные молоты для колки средних по несу поковок, г — гидравлические и парогидравлические прессы для ковки из слитков крупных поковок
и т. п.), а также на разработке конструкций более совершенного кузнечного инструмента (в виде подкладных штампов для отделки частей поковки или целиком всей поковки и т. п.). Указанные усовершенствования позволяют значительно увеличить производительность, снизить себестоимость поковок, повысить их качество, облегчить труд кузнецов.
Схема технологического процесса ковки приведена на рис. 76. Он состоит из следующего небольшого количества операций, так как для ковки используют только одну единицу оборудования: нагрева металла, ковки на молоте или прессе, первичной термической обработки, контроля качества поковок. Процесс ковки
10* 147
может быть многооперационным, тогда полуфабрикат поковки обычно поступает в печь на подогрев (один или более раз в зави-симости от размера и сложности поковки), после этого ковка завершается на той же машине-орудии.
Рис. 76. Схема технологического процесса ковки слитков:
1 — склад прутков и слитков: 2 — платформа с горячими слитками. 3 — нагревательная печь, 4 — пресс гидравлический; 5 — манипулятор; 6 — трапслортироЕочная платформа;
7 — термическая печь
Операции ковки можно подразделить на предварительные, основные, вспомогательные и отделочные. Перечень их с указанием назначения приведен в табл. 23, в которую включены наиболее распространенные кузнечные операции. Отнесение отдельных 148
Операции при ковке слитков и заготовок
149
Продолжение табл. 23
Сл
Наименование операции (приема) Назначение Эскиз
И.
Основные операции
Примечание
Осадка свободная (?) в кольцах (2) и высадка (й)
Увеличение поперечных размеров и уменьшение высоты всей заготовки (осадка) или ее части (высадка); одновременное образование уступов вдоль оси заготовки (осадка в кольцах)
Операция осадки применяется так же, как предварительная (перед прошивкой) и промежуточная (при протяжке)
!
Протяжка
Увеличение длины заготовки и уменьшение ее сечении
Сложная операции, состоящая из ряда последовательных обжатий вдоль оси заготовки
Наименовании операции (приема) Назначение Эскиз Примечание
Прошивка, пробивка отверстий Образование отверстия в заготовке или поковке 1 и «4JJ Операция может быть предварительной (перед раскаткой, раздачей и др.)
Раскатка Увеличение' диаметров (внешнего и внутреннего) заготовки с отверстием isi Л Сложная операция, состоящая из ряда обжатий прн вращении прошитой заготовки вдоль узкой стороны бойка Г
Протяжка на оправке ! Увеличение длины прошитой заготовки J То же, ио вдоль широкой стороны бойка
Г _ _
Г
Продолжение табл. 23
Наименование операция (приема) Назначение Эскиз Примечание
Разгонка Увеличение'1 ширины части заготовки Сложная операция, состоя» щи я из ряда обжатий поперек оси заготовки
Передача Смещение части заготовки относительно ее продольной оси
Гибка Получение необходимой кривизны у поковки или заготовки е=^= Il 1 х\ Операция может быть про» межуточной и заключительной ’
। Прожимка Получение местного обжатия заготовки 1 1
Продолжение табл. 23
I Наименование операции ' (приема} Назначение Эскиз Примечание
Обкатка и подкатка Придание всей заготовке формы цилиндра (обкатка) пли только се части (подкатка) 1 j
Оттяжка Протяжка концевой части заготовки
Раздача отверстий Увеличение поперечного сечения отверстии или полости в заготовке
Продолжение табл. 23
Наименование операции (приема)
Назначение
Эс киз
Примечание
III. Вспомогательные операции
Засечка (наметка, при-сечка)
Выделение части объема заготовки для образования уступов, выступов, выемок
Последующие операции: обкатка, подкатка, протяжка середины или концов (оттяжка) заготовки
Сбивки углов
Предотвращение вредного влияния остывания ребер заготовки
Применяется при ковке высоколегированной стали
Продолжение табл. 23
Наименование операции (приема) Назначение Эскиз Примечание
Кручение Смещение на заданный угол части заготовки —
Сварка Соединение частей поковок Применяется при ковке под молотами
IV. Отделочные операции
Обсечка Устранение заусенцев и т. п. Г Применяется и как проме-
ГУ жуточная операция
Продолжение табл. 23
156
операций к той или иной группе в некоторых случаях условно. Даже такая операция, как осадка, может быть применена не только как основная, но и как предварительная или промежуточная. Эти обстоятельства .отмечены в примечаниях к табл. 23.
Рис. 77. Кованые поковки, подразделенные на группы по возрастающей сложности изготовления (по С. Н. Хржановскому)
Более подробная характеристика кузнечных операций приводится в следующем раййеле.
Формы изготовляема^ ковкой поковок очень разнообразны (рис. 77). В данной классификации поковки разделены на 9 групп
157
соответственно возрастающей сложности их изготовления. Наиболее простыми являются поковки постоянного профиля, получаемые протяжкой (группа I), осадкой и протяжкой поковок переменного профиля (группа II). Более сложными являются поковки с прошитым отверстием, а также в виде всесторонне прокованных кубиков, костылей, рычагов с головками и изогнутых поковок простого профиля (группа III). Еще более сложные поковки — это поковки, изготовляемые прошивкой с последующей вытяжкой на оправке, валы ступенчатые, пластины с выступами и изогнутые в подкладных штампах поковки (группа IV). В следующую по сложности группу входят поковки, прошитые и раскатанные, валики с низкими фланцами и рычаги с двухсторонними бобышками (группа V). В остальные группы (группы VI, VII, VIII, IX) вошли сложные рычаги, валы и другие поковки, требующие при выполнении комплекса операций специального формовочного инструмента и приспособлений.
§ 2. КУЗНЕЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ И ПРИМЕНЯЕМЫЙ ИНСТРУМЕНТ
Схемы кузнечных операций одинаковы для ковки относительно небольших поковок (массой до нескольких сот килограммов), изготовляемых на молотах, и для более крупных поковок, изготовляемых на прессах.
Биллетирование слитков. Эта операция предназначена для превращения слитка в болванку или заготовку 115]. Операции, совершаемые одновременно с биллетнровапием, являются предварительными. Перед биллетированием у слитка оттягивают хвостовик обычно со стороны прибыльной части. Хвостовик необходим для перемещения и вращения слитка в процессе ковки при помощи манипулятора или в его отсутствие при помощи кантователя и спе-циального патрона с противовесом, надеваемого на хвостовик х. Обычно в хвостовик оттягивают прибыльную часть слитка, затем его отрубают. При ковке небольших слитков (преимущественно на молотах) используются клещи, подвешиваемые, как и кантователи, к мостовым или поворотным кранам. Правильный расчет размеров круглого или квадратного хвостовика исключает его изгиб в наименее выгодных условиях, т. е. когда центр тяжести заготовки наиболее удален от края захватных клещей или патрона в процессе ковки. Длина патрона и соответствующая масса грузов взаимно обусловлены размерами слитка, диаметр хвостовика можно подобрать исходя из практики (рис. 78). Длина хвостовика принимается равной полутора его диаметрам, и диаметр патрона в месте захвата слитка должен быть несколько меньше расстояния между бойками при ковке участка поковки, примыкающего к хвостовику.
1 Манипуляторы, кантователи и другие средства механизации подробно рассматриваются в курсе «Механизация и автоматизация кузнечно-штамповочного производства».
158
Основной стадией предварительной обработки слитка является биллетирование, состоящее в сбивке ребер (если слиток некруглого сечения) и устранении его конусности. Необходимая при этом незначительная проковка слитка (К = 1,05-е 1,2) предназначена для обжатия металла в углах слитка с целью предварительного деформирования литой структуры — дендритов, которые имеют стыки в этих углах.
। После биллетирования производят отрубку донной части слитка. Сбиллетированный слиток с размерами £с, Do и d хвосто-
о
50000
40000 е
g 30000
g
£ гоооо
КООС
зов 400 500 ' 600 700 800 ЧОО с! т
Диаметр хоастввихз
Рис. 78. График для определения диаметра хвостовика иод патрон (no М. Г. Златкину):
1 — голоека патрона; 5 — штат а, 3 — противовесы»
4 — закрепляющие кольца, 5 — ц^пь крапа, 6, 7 — бойки
вика, а также отходы от слитка показаны на рис. 78 (внизу). Биллетирование и описанные операции осуществляются с одного нагрева. Для биллетирования слитков обычно применяют вырезные или верхний плоский и нижний вырезной бойки (см. рис. 104, 105), для слитков массой свыше 150 т оба бойка вырезные. Откованная болванка поступает в печь на подогрев, а отходы — на переплав. Если ковке подвергают легированный металл, то отходы клеймят маркой сплава для использования по назначению.
Если поковка имеет полость, то ее можно использовать для манипулирования заготовкой, а хвостовик не оттягивать. В этом случае патрон не надевается, а вставляется в заготовку.
С точки зрения проковки металла операция биллетирования является наименее производительной, так как требует обычно самостоятельного нагрева слитка. Принято считать, что биллети-ровапие слитков способствует заварке воздушных пузырей и других подкорковых дефектов литой структуры, созданию пластич
159
ного поверхностного слоя металла, так называемой «рубашки» слитка, благоприятно влияющей на дальнейшее протекание ковки.
Операция биллетирования, проводимая при. высокой температуре, соответствующей большой скорости рекристаллизации металла, ведется малыми обжатиями, при которых зерно успевает вырасти до больших размеров, что и вызывает в некоторых случаях промежуточную термическую обработку. Кроме того, если при биллетировании обжимаются только ребра слитка, то между ними остаются полосы недеформированного металла. Опыт отечественной промышленности позволяет в некоторых случаях при надлежащем качестве металла отказаться от биллетирования слитков, если это не ухудшает качества поковок. Устранение биллетирования приводит к увеличению производительности на 10—15% [16].
При хорошем качестве слитков осадка даже несбиллитирован-ных слитков не сопровождается трещинообразованием на их боковой поверхности, так как до деформации, равной 20—25%, не происходит увеличения периметра при переходе от восьмигранника с вогнутыми гранями к кругу. Это означает отсутствие опасных растягивающих деформаций в периферийном слое осаживаемого слитка. Конусность слитков приводит к тому, что при осадке без биллетирования у заготовок отсутствует симметрия относительно среднего поперечного сечения. Однако этот недостаток может быть устранен при боковом обжатии заготовок. На некоторых отечественных заводах осадка слитков без биллетирования применяется, например, при изготовлении штамповых кубиков по групповой технологии на прессах усилием 14,7 Мн (1500 т) и 29,4 Мн (3000 т).
Рубка заготовок. Эта операция обычно является предварительной и применяется для отделения от основной заготовки негодных ее частей (прибыльной и донной частей слитка) или разделения заготовки на части (при использовании одной заготовки на две или несколько поковок). Рубка может быть и промежуточной операцией, например, при отделении годной части заготовки от поковки (если масса сбиллетированного слитка превышает рассчитанную массу заготовки). Эта операция не отличается большой точностью и техническим совершенством. Неровности, получающиеся по месту разделения металла, больше, чем при резке металла. Рубка удлиняет процесс производства поковок и уменьшает возможное время ковки. Применение рубки на основном кузнечном оборудовании допустимо лишь потому, что процессы ковки в большинстве случаев относятся к единичному и мелкосерийному производствам поковок, в которых применяется универсальное оборудование. В качестве инструмента также универсального применяются топоры. Рубка производится различными способами в зависимости от вида заготовки и их размеров (рис. 79). 160
Схема рубки (рис. 79, а) основана на действии силы Р на малую площадь соприкосновения топора с заготовкой. Реакция R этой силы со стороны нижнего бойка распределена на такой большой поверхности заготовки, что пластическая деформация здесь не возникает.
Рис. 79. Схемы рубки металла и применяемый инструмент
Способ рубки с отсечкой квадратом (рис. 79, б) применяется для разделения на части прутков и небольших болванок на молотах. Топор устанавливают на нужный размер заготовки с помощью измерительного инструмента или по шаблону. Затем с помощью верхнего бойка погружают топор в тело заготовки, не доводя его до противоположной грани заготовки на величину, равную одной-двум толщинам рабочей кромки топора (позиция /). Затем топор удаляют, заготовку кантуют на 180е и просекают образованную топором перемычку инструментом, называемым «квадратом» 11 Я. М. Охрименко 597 161
позиция 2). Размер стороны квадрата превышает ширину перемычки в 1,5—2 раза. Отсеченная двумя ребрами квадрата перемычка представляет собой отход металла.
Заготовки небольшого размера, в частности прямоугольного сечения, можно рубить, применяя два смежно расположенных инструмента в виде квадратов, причем один из них находится на нижнем бойке, на него кладут заготовку, на которую устанавливают смежно ио отношению к первому второй квадрат и ударяют по нему. Этот способ имитирует резку заготовок ножами.
Рубка с двух сторон (рис. 79, а) применяется для более крупных заготовок, если высота топора оказывается недостаточной даже при увеличении ее за счет накладывания на топор квадрата в последний момент рубки. Более высокий топор при рубке с двух сторон внедряют на V2—% высоты заготовки, при этом по обе ее стороны образуются наплывы металла (S на позиции 1). После кантовки на 90° эти наплывы сглаживают ударом бойка (позиция 2), затем при следующей кантовке на 90° накладывают топор для окончательной рубки (позиция 5). Вследствие неточности установки топора на торце заготовки обычно образуется заусенец, удаляемый заостренным топором-зубилом (позиция 4).
Рубку с трех сторон (рис. 79, г) применяют для круглых и крупных заготовок на прессах. Во избежание смятия заготовки нижним бойком из-за сосредоточения действующей силы на малой поверхности заготовки применяют нижний вырезной боек, который обеспечивает достаточно большую поверхность соприкосновения бойка с круглой заготовкой. После внедрения топора примерно па 0,4Do (позиция 1) заготовку кантуют па 120° и вновь производят надрубку на ту же глубину (позиция 2). После второй кантовки на 120° осуществляют окончательную рубку (позиция 3), для которой применяют трапецеидальный топор со срезанными углами во избежание их повреждения при соприкосновении с вогнутой поверхностью вырезного бойка.
Рубка с четырех сторон осуществляется для крупных заготовок топорами относительно небольшой высоты. После надрубки с четырех сторон в середине заготовки остается перемычка прямоугольного сечения, по месту которой производят разделение заготовки на части квадратом или опорной стороной высокого топора (рис. 79, д). При необходимости отделения от заготовки участка незначительной длины (например, донной части у слитка) перед рубкой производят наметку круглым прутком по круговому периметру (рис. 79, е, позиция /). Борты образованной выемки направляют топор и устраняют возможность отклонения его от диаметрального сечения заготовки. При рубке этим способом слитков на прессах с подвижным столом слиток находится в вырезном нижнем бойке, который сдвинут относительно верхнего (позиция 2). При этом рубка может быть осуществлена с одной, двух и трех сторон.
162
В зависимости от способа рубки торцы заготовок получают некоторые искажения, усложняющие вертикальную установку заготовок при их осадке.
На рис. 80 показаны применяемые для рубки топоры. На верхней позиции рис. 80, а видны профили топоров: с двухсторонним и односторонним уклоном, а также заостренной рабочей кромкой. На нижней позиции показан профиль трапецеидального топора
Рис. 80. Кузнечные топоры.
а — с закрепленной державкой, б — со съемной державкой / — топоры, 2 — держакка, 3 “ качающийся криволинейный монорельс; 4 — тележка для подвесил топоров
с двухсторонним уклоном. Размеры b и Ьг достигают у самых крупных топоров 80 и 40 мм при высоте h — 700 мм и длинах I — = 1250 мм и /х — 6885 мм (масса 170 кг). Для изготовления топоров не обязательно использовать во всех случаях легированную сталь, при рубке небольших заготовок из углеродистой стали можно применять аналогичные стали, при этом необходима их термическая обработка, чтобы избежать быстрого оплывания кромок и выхода топора из строя. Для рубки легированной стали топоры изготовляют из инструментальной стали, например 5ХНВ (твердость НВ 363—415) или наплавляют рабочую кромку твердым сплавом. Для рубки очень крупных слитков выполняют топоры больших габаритных размеров и массы, в связи с чем получила применение механизированная установка топора с подвеской на качающемся рольганге (рнс. 76, б, нижняя иози-
Ч* 163
ция). Для подачи топоров и другого инструмента применяют специальные инструментальные манипуляторы.
Осадка. Осадкой называется технологическая операция, при которой увеличивается сечение, заготовки, перпендикулярное к действующей силе, и уменьшается размер по высоте (вдоль этой силы). При ковке осадка применяется как основная операция для получения формы поковки (например, при ковке дисков) и как предварительная. Например, для уменьшения глубины прошивки заготовки ее предварительно подвергают осадке. Если в процессе ковки коэффициент уковки невелик и не удается ликвидировать литую структуру металла, то осадку обычно вводят как промежуточную операцию. Иногда операция осадки вводится в технологический процесс для обеспечения соответствующего расположения волокон в будущей детали. Известно, что на растяжение и изгиб волокно работает лучше в продольном, а на срез — в поперечном направлениях. Поскольку при осадке можно получить радиальное расположение волокон, то для таких деталей, как, например, шестерни, операция осадки обеспечивает повышенную прочность зубьев. Осадка может быть применена для устранения анизотропности металла. Например, при всесторонней осадке штамповых кубиков волокна теряют преимущественную ориентацию и металл получает одинаковые механические свойства по всем направлениям.
При осадке вследствие значительной положительной деформации по периметру заготовки в плане на боковой ее поверхности вскрываются дефекты металла. Поэтому осадку можно рассматривать и как контрольную операцию. Если при осадке деформации подвергается только часть заготовки по высоте (например, при нагреве только одной половины заготовки по высоте), то такая операция называется высадкой. Таким способом получают поковки с утолщением по концам заготовки или в ее середине.
Чтобы избежать потери устойчивости и появления продольного изгиба, осадке в цеховых условиях подвергают заготовки высотой Но < 2,5£>0. Заготовки с большей высотой (Но — (44-5) ©0) могут быть подвергнуты осадке с помощью специальных приемов (небольшими обжатиями и с частой кантовкой), при этом производительность операции очень небольшая, и она теряет промышленное значение.
В общем случае при осадке предельно высокой заготовки операция протекает в три стадии. При <0,64-0,7 осадка происходит с двойным бочкообразованием, при этом чем больше величина контактных сил трения, тем резче бочкообразование и тем раньше происходит слияние двух самостоятельных бочкообразований в общее (это сопряжено с исчезновением зоны IV, см. рис. 43). Это объясняется тем, что при значительных силах трения зоны затрудненной деформации I имеют большие объем и высоту купола. 164
Вторая стадия осадки происходит при непрерывном сближении зон затрудненной деформации до момента их взаимодействия через относительно тонкую зону II. Это происходит при -^-<2^-4.
На первой и второй стадиях осадки высота и диаметр зоны затрудненной деформации увеличиваются вследствие увеличения площади контакта. Усилие на этих стадиях тем меньше, чем больше контактные силы трения (см. рис. 51).
На третьей стадии осадки /-^->24-4^ высота зон затрудненной деформации вследствие их взаимодействия уменьшается (высота
Рис. 81. Схемы осадки заготовок (о) и слитков (6)
этих зон < -g- у, это сопровождается резким повышением усилия, необходимого для осадки. Чем больше силы трения, тем выше расположена соответствующая кривая усилия осадки (см. рис. 52). В пределах указанных геометрических соотношений переход от одной стадии к другой зависит от контактных сил трения. Чем они больше, тем при меньших величинах наступает следующая стадия осадки.
Для того чтобы после осадки заготовка, отрубленная топором и имеющая скосы на торце, была симметричной, приходится ее поддерживать при первом обжатии (рис. 81, а). Однако это удается только при относительно небольших заготовках, при ковке на молотах. Осадка слитков плоскими бойками применяется, например, перед операцией прошивки при изготовлении поковок с отверстиями. Наиболее распространена осадка слитков, имеющих оттянутый хвостовик (рис. 81, б), который при осадке находится в отверстии нижнего инструмента. Инструмент в этом случае имеет вогнутость, которая способствует повышению устойчивости заготовки в процессе осадки, но увеличивает бочкообразование и соответственно неравномерность деформации. Как видно 165
из рис. 81, б, горизонтальная составляющая Ргог направлена от внешней силы в ту же сторону, что и сила трения.
Считается, что при такой схеме напряжений (ярко выраженное трехосное сжатие) пластичность металла в средней части заготовки повышается, однако наряду с этим увеличивается опасность возникновения наружных продольных трещин по середине образующей (в зоне наибольшего бочкообразования).
С технологической точки зрения бочкообразование вредно не только потому, что оно связано с увеличением неравномерности деформации. Так как бочкообразование до недавнего времени
Рис- 82. Данные для расчета объема бочкообразных поковок: разделение объема поковки на составные элементы зависимость относительной величины объема, характеризующего боч«сообразование„ ст степени деформации при осадке (б)
нельзя было рассчитать, наличие его приводило либо к уменьшению производительности при дополнительном обжатии по боковей поверхности, либо к повышенному расходу металла, поскольку объем металла, идущий на бочкообразование, не учитывался.
В последнее время появилась возможность учитывать бочкообразование. Методика расчета, предложенная Л5. Г. Златкиным [261, позволяет определить объем поковок, а также объем и размеры заготовок на основе заданных размеров бочкообразных поковок Dr и Нк (рис. 82). По этим размерам рассчитывается объем цилиндрической части поковки V. Далее выбираются предварительные размеры заготовки D' и Я' (рис. 82, а) при условии /7' < 2,5£)'t причем значение D' выбирается несколько меньшим, чем Do. Затем определяется примерная степень деформации е'он = —-100. По графику (рис. 82, б) можно определить от-носительную величину объема металла, идущего на бочкообразование 100%), по известным величинам е'я и —?-
166
и предварительно рассчитанного объема поковки V' = -
По V' рассчитывается предварительный объем заготовки V' с учетом угара, обсечек и других отходов металла. Окончательные размеры заготовки Do и Нь подбираются исходя из того, что отношение должно быть равно или больше —Если при этом изменяется так, что вызывает уменьшение 6, то размеры заготовки не пересчитывают, т. е. принимают -- К, и V' = V. В этом случае получают заготовку несколько больших размеров, что компенсирует неучтенные отклонения.
При изменении е'н, вызывающем увеличение 0 более чем на 1%, производится пересчет с изменением принятых размеров Г>'й и Н'о до тех пор, пока увеличение 6 будет меньше 1 %. Размер Df) можно определить исходя из экспериментально установленного соотношения между величинами D6, Dt и Dnp (приведенный диаметр основания цилиндра в отсутствии бочкообразования, см. рис. 82, а):
©б _*
©яр ©г 3 ’
откуда
или окончательно £>б=1,5уТ^-О.ЗЗОт. (38)
Необходимость учета металла, размещенного в зоне бочкообразования, можно обосновать значительным объемом потерь металла в случае пренебрежения бочкообразованием. График на рис. 82, б соответствует осадке в условиях сухого трения на грубо-обработанных плитах, т. е. в условиях наибольшего бочкообразования. По этим данным объем потерь металла в отдельных случаях достигает ~24% (например, при ~ = 0,5 и е0//=-60%)*.
Если осадке подвергают заготовку прямоугольного сечения, то высотный размер ее может быть большей, чем при круглой заготовке. Например, при Ни < 3,2ВО продольного изгиба может и не быть, если в начале осадки обеспечена соосность заготовки и внешней силы. При <'2 осадка происходит с превращением прямоугольного сечения основания в эллиптическое и затем в круг-
Применение указанного метода расчета на Уралмашзаводе позволило снизить массу поковок в некоторых случаях на 22% и массу слитка на 16%.
167
лое. Если осадке подвергается цилиндрическая заготовка в лежачем положении (поперечная осадка), то при Яо>^о заготовка стремится принять форму эллипса в плане, а при Но она получает выпуклость по торцам и вогнутость по образующей цилиндра в плане.
Для теоретического исследования напряженно-деформированного состояния пластической зоны при осадке можно использовать метод полей линий скольжения (рис. 83), если предложить относительно небольшие количественные отличия в оценке двух-
Рис. 83. Поля линий скольжения в поперечном сечении осаживаемых заготовок:
а — плоскими и б — сферическими плитами
мерной и осесимметричной схем деформации. Непосредственно к поверхности инструмента примыкают так называемые области пластического равновесия (по гипотезе упруго-пластического тела) или жесткие зовы (по гипотезе деформации жестко-пластического тела). Со стороны свободной поверхности расположена область равномерного напряженного состояния. Между указанными областями находятся пластические зоны, форма которых зависит от соотношения размеров заготовки и величины сил трения. Эти зоны коптактируются по оси осаживаемых заготовок и описывают очаг сдвиговой деформации. В теории обработки металлов давлением рассмотрены способы построения эпюр нормальных напряжений по сеткам линий скольжения и определения по объему этих эпюр соответствующего усилия па деформацию 187, 100 J.
Как уже отмечалось, если осадке подвергают не всю заготовку (по длине), а только часть ее (конец или середину), то операция носит название высадки. Для поковок небольших размеров при их ковке под молотами высадку осуществляют, помещая подлежащую деформации часть заготовки в полость подкладного инструмента. Для более крупных заготовок применяют местный нагрев части, подлежащей высадке. Если при этом заготовка настолько
168
велика, что не помещается в рабочем пространстве молота или пресса,” то высадку производят при горизонтальном положении заготовки, зажимают ее между бойками и ударяют по нагретому металлу «соколом». Известен способ высадки, при котором заготовка поднимается краном (или через блок лебедкой) и затем при падении с некоторой высоты высаживается ударами по плите, расположенной на полу цеха- Все эти приемы допустимы в индивидуальном производстве. При серийном выпуске поковок для высадки применяют различные приспособления, например приспособление, позволяющее осуществлять высадку при забивке
Рис. 84. Осадка кольцевыми плитами
клина между стенкой инструмента и торцом высаживаемой заготовки. Оно известно с давних времен и называется «машинкой».
Кроме рассмотренных выше обычных схем осадки, на практике применяется осадка плитами с отверстием (рис. 84, а). Эта операция осадки позволяет выдавить отростки со стороны одного или одновременно обоих торцов заготовки. Так отковывают некоторые типы валков прокатных станов, короткие кулачковые валы и т. п. При небольшой длине и малом диаметре отростков получить их другим способом очень сложно.
При осадке в кольцевых плитах схема течения отличается от обычной осадки наличием двух потоков металла. Радиальное течение металла от оси аналогично течению при осадке сплошными плитами и наблюдается на периферии заготовки. Это течение тормозится силами трения 7\, направленными к оси заготовки. Второй поток металла направлен радиально к оси заготовки и вдоль нее в отверстие каждой плиты. Это течение тормозится силами трения Т2 на поверхности плиты. Попадая в отверстия и передвигаясь по нему, металл преодолевает силы трения и на стенках отверстий (на рис. 84 они не указаны). Для того чтобы облегчить извлечение поковки из отверстий плит, их изготовляют с уклоном — 54-7°. Наличие уклонов в отверстиях плит затрудняет пере-169
мещепие металла, поскольку отростки по мере увеличения их длины уменьшаются в поперечном сечении. Между рассмотренными двумя потоками металла находится поверхность раздела (или критическая поверхность). Нетрудно видеть, что в зависимости
от соотношения размеров исходной заготовки
) и относите ль-по /
ной величины отверстия в плитах , а также величины контактных сил трения необходимая осадка для получения заданной длины отростков различна. Расчет деформации с целью получения отростков заданной длины усложняется тем, что к моменту их оформления средняя часть поковки должна иметь вполне определенный размер.
Общие закономерности процесса следующие. В начале осадки происходит уменьшение общей с отростками высоты заготовки. Это означает, что затекание металла в отверстия меньше, чем осадка исходной заготовки. Постепенно эта разница сглаживается, и настает такой момент, когда НпоК Но (рис. 84, о). На некоторой стадии осадки Н„ок остается постоянной, а затем начинает возра-
стать, причем интенсивность возрастания увеличивается по мере увеличения степени деформации. Такой характер изменения высоты поковки свидетельствует о сложном и неодинаковом характере течения металла на различных стадиях осадки. Установлено, что на первой стадии осадки при уменьшении Нпок металл в основном течет из центральных областей к периферии в диск, а на второй при увеличении Нпок наблюдается движение частиц в противоположном направлении из периферийных частей заготовки в отверстия плит. При этом положение критической поверхности постоянно изменяется и зависит от величины и коэф-
h
фициента высотной деформации На первой стадии осадки
плитами с отверстиями критические поверхности расположены, как показано на рис. 84, б. Глубина распространения критической поверхности определяется величиной hKp. В начале осадки DKp яс d0. По мере увеличения степени деформации hKp и DKp увеличиваются, и наступает такой момент, когда hKp становится равной половине высоты диска поковки hip. В этот момент начинается вторая стадия осадки. Положение критической поверхности для этого случая (рис. 84, в) определяется ее диаметром DKp.
Изменение размеров поковки в каждый момент осадки определяется положением критической поверхности или величиной hKp для первой стадии и DKp для второй.
В зависимости от соотношений размеров заготовки и степени деформации осадка может ограничиться только первой или первой и второй стадиями. Момент перехода от первой стадии осадки ко второй зависит от условий внешнего трения. Несмотря на слож-170
иость явлений, сопровождающих процесс осадки, для колец он поддается расчету [85].
Инструмент для осадки. Инструментом для осадки под молотами служат универсальные плоские бойки, которые крепят клиньями рис. 85).
Рис. 85. Инструмент для осадки:
Размеры инструмента: I — длина и h — высота; 4 — диаметр плиты; Ъ — ширина; г — радиус сферы
а — бойки молотовые"
Масса падающих частей в кг h ъ мм 1 в мм Ъ в мм
1000 340 410 230
2000 350 520 290
3000 430 590 330
б — верхняя осадочная прессовая плита"
Усилие I пресса в к | d в мм fl в мм г в мм Масса слитка в кг
30 000 1500-2100 350-450 3000-4200 6 000—18 0(10
100000 2400—3300 500—650 4800—7500 30 000—67 000
в — нижняя осадочная прессовая плита
Усилие пресса и н d в мм h в мм г в мм Масса плиты в кг
30000 2000 450 3500 13000
ИХ) 000 2500 -3500 500—600 4600-8000 20000-45 000
Бойки молотовые используются для выполнения различных операций (осадки, протяжки и т. п.). Поскольку размеры молотовых бойков относительно большие, а работают они в условиях динамических нагрузок, их обычно изготовляют из инструментальной стали и подвергают термической обработке (5ХНВ, 5ХПТ
171
и т. п.). Это обстоятельство, а также и то, что молотовые операции отличаются незначительной продолжительностью, обеспечивает длительную стойкость инструмента и относительно хорошее состояние его рабочей поверхности. Бойки прессов более массивны, причем время их непрерывной работы очень велико. Если металл инструмента разогревается выше температур отпуска инструментальной стали, то преимущества этой стали теряются, в связи с чем многие заводы применяют для изготовления прессовых бойков углеродистую сталь (например, сталь 45). Для ковки высоколегированной, труднодеформированпой стали используют бойки из легированной и даже высоколегированной стали с высокой температурой отпуска. Поскольку некоторая выработка и оплывание рабочих ребер бойков (например, для протяжки) допустимы для ряда операций, а для осадки недопустимы, то при ковке на прессах применяют специальные осадочные подкладные плиты (рис. 85, б и в), изготовляемые из углеродистой стали литыми (35Л) или коваными (сталь 50). Диаметр осадочной плиты принимают равным
d = 2D0 - (1,24-1,5) DK.
Высоты верхней и нижней плит одинаковы и равны
h = (0,254-0,35) d.
Высота нижней плиты должна быть несколько больше длины цапфы под патрон. При большой длине этой цапфы применяют дополнительные подкладные кольца.
Диаметр отверстия под хвостовик в нижней плите Д, больше диаметра хвостовика на 10—15%.
Радиус сферической выемки
г == (24-2,5) d;
наибольшая глубина выемки
АЛ = (0,14-0,2) Л.
Сферические осадочные плиты обеспечивают устойчивое положение слитка в процессе осадки. Только для осадки перед прошивкой применяют обе плоские плиты. В остальных случаях верхняя плита — сферическая; нижние плиты чаще всего тоже сферические, реже плоские и в отдельных случаях могут быть даже с обратным конусом (рис. 86, а). Оттянутой хвостовик (иначе он называется цапфой под патрон) входит в отверстие нижней плиты, что также способствует устойчивом!' положению заютовки в процессе осадки. Установку нижней плиты и слитка на нее обычно осуществляют краном сверху вниз при выдвинутом положении нижнего бойка (за счет движения стола пресса). Затем при помощи стола пресса передвигают всю систему в положение соосности с верхним бойком и осуществляют осадку. Если эта 172
операция является дополнительной и вслед за ней следует протяжка, то необходимо удалить осадочную плиту, а заготовку из вертикального положения переместить в горизонтальное. Эти вспомогательные операции могут быть ускорены и упрощены при использовании усовершенствованной конструкции нижней плиты (рис. 86, б). Слиток с оттянутым хвостовиком устанавливают в горизонтальном положении на подкладки рядом с прессом или зажимают бойками силой Р. Затем краном подводят нижнюю осадочную плиту, на которой с двух сторон симметрично укреплены
Рис. 86. Конструкции нижних осадочных плит
два двуплечих рычага 1 с цапфами: верхними 2 и боковыми 5* Для того чтобы поместить хвостовик слитка в отверстие плиты, ее удерживают краном за цапфу 3. Затем плиту захватывают за цапфы 2, при этом она поворачивается вместе со слитком и может быть установлена на нижний боек, выдвинутый столом пресса (см. правую позицию рис. 86, б). После окончания осадки для снятия нижней плиты и поворота заготовки поднимают плиту за цапфы 3 с помощью крана.
Протяжка (вытяжка). Протяжка предназначена для увеличения длины заготовки за счет уменьшения ее поперечного сечения. Если осадку осуществляют за одно обжатие при полном перекрытии заготовки, то для протяжки необходимы последовательные обжатия смежных участков заготовки, причем с одной или двух сторон обжимаемого участка заготовки находятся необжимаемые участки (внешние участки заготовки). Рассмотрим вначале простейшую схему протяжки — без кантовки за один проход (рис. 87). Заготовка прямоугольного сечения с размерами Lo; До; продвигается вдоль бойков при каждом обжатии на величину подачи а0, меныпую, чем ширина бойка Ь. При этом геометрический
173
очаг деформации представляет собой объем Va -- HQa0B0, который после обжатия остается таким же по величине, но характеризуется произведением ----- HLUBU. Величина Н определяется величиной обжатия (В ---- _ дя). Величина L„ зависит от подачи
и удлинения (Lu —- ап -| Д£). Эти величины могут быть измерены непосредственно. Величина Ва, зависящая от обжатия и подачи,
вследствие неравномерного уширения вдоль очага деформации
Рис. 87. Схема протяжки, за один проход (показан момент в конце второго обжатия). Направления движения верхнего бойка и протягиваемой заготовки указаны стрелкой может быть получена лишь расчетом как средняя величина
Рис. 88. Форма геометрического очага деформации в копце единичного обжатия при протяжке:
и Н — размеры поперечного сечения, делящего очаг деформации пополам; •> г/
Бт и Н — размеры поперечного ссчг-ния па стыке дс ух обжатий; — расчетная ширина очat а деформации
На рис. 88 показана форма геометрического очага деформации 1/„ в конце единичного обжатия. Штриховой линией дан контур объема V„, который др начала деформации имел размеры НС1; Во и а(). Линиями наложенной проекции (штриховой линией с двумя-точками) показан объем Уа с размерами И и La, совпадающими с действительными размерами геометрического очага деформации в конце обжатия, и размером Ва в виде приведенной (вычисленной) величины.
Действительный объем Va в копце обжатия имеет сложную конфигурацию, так как бочкообразование по вертикали боковой поверхности сопровождается ее искривлением вдоль подачи; выпуклость боковой поверхности в этих обоих направлениях 174
переменная. Размеры В'б и В'г характеризуют наибольшую выпуклость боковой поверхности в среднем поперечном сечении очага деформации, а В'б и В" — на границе с соседним очагом деформации. Плоскости на расстоянии Ва рассекают объем действительного очага деформации так, что снаружи за их пределами размещаются избыточные объемы (их два), а внутри между этими плоскостями и боковой поверхностью заготовки — недостающие объемы (в плане их четыре). Естественно, что избыточные объемы с выпуклой боковой поверхностью (штриховка слева, вверх, направо) равны недостающим объемам со сложно вогнутой поверхностью (штриховка слева, вниз, направо).
Появление сложной выпуклости на боковой поверхности протягиваемой заготовки объясняется (как и при осадке) силами контактного трения, но, кроме того, по границам внешних частей заготовки деформации сдерживаются вследствие сплошности металла. Поэтому выпуклость в среднем сечении очага больше, чем
на его границе, как в вертикальной I-------—• >------2---1,
/ в’б вб в\--в'т \ так и в горизонтальной плоскостях I-----------> —- I.
На самом деле при протяжке по описываемой схеме деформация при каждом обжатии не ограничивается объемом Va и частично распространяется на соседние участки, вызывая дополнительные напряжения. С учетом этих деформаций можно представить физический очаг деформации несколько большего объема, чем объем Vn.
Сложная схема деформации при протяжке не позволяет до сих пор вводить в расчеты истинные размеры очага деформации (в частности величины В,-. и Вт), поскольку они зависят не только от величин обжатия и подачи, ио и от величины контактных сил трения. Чем больше эти силы, тем в большей мере проявляется выпуклость в вертикальной плоскости очага. Что касается выпуклости в горизонтальной плоскости очага, то она в основном определяется силами связи с внешними частями заготовки. Очевидно, в отсутствие сил трепия при протяжке будет наблюдаться выпуклость только в горизонтальной плоскости очага деформации. Если пренебречь уширением, что допустимо при относительно малых подачах, обжатия при протяжке можно охарактеризовать полями линий скольжения (рис, 89).
Согласно теории вдоль линий скольжения имеют место только сдвиги, а деформации сжатия или растяжение равны нулю. По сетке линий скольжения можно построить поле скоростей, по которому в каждом отдельном случае устанавливают направление перемещений и характер деформированного состояния [871. Как уже отмечалось, поля линий скольжения могут быть исполь-
175
Рис. 89. Поля линий скольжения при протяжке с меньшей (а) и большей (б) подачами
зованы для построения эпюр напряжений и затем для подсчета усилия, требующегося для обжатия.
Рассмотренная выше простейшая схема однопроходной протяжки значительно усложняется при ведении процесса протяжки с кантовкой заготовки на 90°. Перемена местами двух осей в схеме деформации (ширина становится высотой заготовки) и изменение формы заготовки существенно влияют на количественные соотношения деформаций по трем осям.
Расчеты формоизменения при протяжке значительно упрощаются при использовании средней (приведенной) величины уширения. В основу расчета протяжки положен принцип суммирования главных деформаций. Протяжка—-это операция, состоящая из многих обжатий, причем единичные обжатия по существу представляют собой поперечную осадку при наличии внешних; по отношению
к очагу деформации, частей заготовки. Таким образом, наибольшей главной деформацией единичного обжатия является высотная деформация, которая больше каждой из двух других главных деформаций: в направлении протяжки и направлении уширения. Однако смежное расположение обжатий с подачами вдоль одного направления протяжки приводит к суммированию деформаций вдоль оси заготовки, так что вытяжка вдоль оси заготовки во много раз превышает деформацию вдоль других осей:
Йо -— AZ. - А££; —
п
где п — число обжатий;
А£ц — увеличение длины заготовки за одно обжатие.
Дополнительно увеличить длину протягиваемой заготовки можно в результате кантовки, после которой деформации по ширине и высоте изменяются ио знаку относительно предыдущей, тогда как знак величины Д£и не изменяется и деформация продолжает суммироваться, увеличивая общую длину заготовки. Количественное ограничение протяжки обусловливается следующими обстоятельствами. Одним из них является опасность потери устойчивости заготовки при обжатии после кантовки. Поэтому необходимо, чтобы отношение бывшей ширины (теперь размера за-176
готовки по высоте) к бывшей высоте (теперь к ширине) было в пре-
делах
ви 1 ЛВ
H0 — Mi
<2,5;
Рис. 90. Момент потери устойчивости при протяжке с превышением допустимой величины коэффициента перехода (<р5> 2,5)
эта величина называется коэффициентом перехода (рис. 90). Другим условием является выбор величины подачи при протяжке заготовки данной ширины. Для увеличения производительности величину подачи следовало бы принимать максимально возможной,'"при этом следует исходить из того, что при обжатии металл не должен вытекать за пределы ширины бойка La < b (см. рис. 88). Однако с увеличением подачи растет уширение, которое ограничивает протяжку. Это явление было рассмотрено применительно к осадке заготовок прямоугольного сечения (см. разд. 2 гл. III), но в условиях протяжки уширение сдерживается из-за наличия внешних частей заготовки. Последнее обстоятельство усложняет расчет формоизменения при протяжке.
Наиболее простая схема расчета предложена Чайле и усовершенствована М. В. Сторожевым. При рассмотрении поперечного сечения заготовки в момент окончания очередного обжатия можно условно принять,
что площадь Fr (рис. 91, а) смещается, площадь Fn остается неизменной, а площади Fin и Fw появляются в результате уширения при обжатии. Так как на уширение идет лишь часть обжимаемого металла (причем меньшая), то, очевидно,
Равенство
Ли + F|V < Fb
Fin I Лу - /Л
действительно при условии / < 1 -
Если переписать это равенство применительно к линейным размерам заготовки, то получим
(Вк -- Во) Нк Нк) в9.
(39)
После раскрытия скобок и замены ВКНК — FK на ВвН(, — F„ и высотного обжатия показателем степени деформации находим
Л - Fo [1 -еоЯ(1 “/)!- (40)
Если коэффициент уковки при протяжке Л£ выразить как отношение площадей поперечного сечения заготовки до и после 12 Я. М. Охрименко 597 177
обжатия, то получим выражение, известное в литературе как формула Е. П. Унксова
* 1
(41)
Величина f связана с величиной подачи а0. Так как абсолютная величина подачи для сравнения неудобна, то вводится понятие об относительной величине подачи Зависимость f от отно-/5.,
Рис. 91. Схемы к выводу коэффициентов уширения и вытяжки в процессе протяжки
сительной подачи но экспериментальным данным приведена в табл. 24. В ней для пояснения физического смысла величины f приведены данные в иной, чем это обычно принято, форме.
Но смыслу величина f характеризует долю смещенного в уширение объема. При f = 1 весь объем металла направляется на уширение, а при f ---- 0 уширение отсутствует. Рассмотрим это подробнее. Из выражения (39) имеем
с _ ' Др) Нк__е<)Ц
' (По-- Мк} Во кк{{
В правой части этого равенства находятся сопоставимые показатели степени деформации (пределы их изменения в обоих случаях 0 — оо, см. табл. 15). Еойи вести рассуждение относительно любой стадии обжатия и пользоваться текущими размерами заготовки, то будем иметь
f ЬВН
I ~ В&Н •
178
Таблица 24
Зависимость относительных смещенных объемов по длине и ширине заготовки от величины относительной подачи при протяжке
Коэффициент < дефэрмяции 0.4
Относительная подача -=£-
1.« | 2,0 2.2 | 2.4
ев _ _е'«® !о,)Э
еН *кН 1
0,5 0,56 0,6 0,7
eL
еН екИ
0,81
0,37 0.5 0,4-1 0,4 0.3
1.3
1,0 0,8 0,66 0,43
Переходя к бесконечно малому обжатию и интегрируя это выражение по ранее изложенной схеме (см. гл. II), находим
, г еВ _ ^СЛ! (Л)
сн vcm ап
Следовательно, величина f представляет собой отношение показателей деформаций или смещенных объемов по ширине и высоте. Иными словами, это относительный смещаемый объем по ширине. Поэтому величину f можно называть также коэффициентом уширения.
Поскольку
О. ев = ен, то
т. е. сумма относительных смещенных объемов по длине и ширине е1
равна единице. Тогда, обозначая = q, имеем
1-
Величина q представляет собой относительный смещаемый объем по длине заготовки или коэффициент вытяжки.
Аналогично величине f величина q может быть получена из рассмотрения схемы па рис. 91.
Так как Fin < F, (рис. 91, б), то, полагая q <1, можно написать
f“m = <7^1.
12®
179
откуда применительно к линейным размерам заготовки получаем
ос) Нк — q Нк) а и или
(бд — <?и) Нк __ e0L «о(^о—— екН’
Рис. 92. Схема деформации при протяжке (продольное сечение)
где е0£ и еКЛ — сопоставимые относительные деформации по длине и высоте заготовки, изменяющиеся в одинаковых пределах (О — со, см. табл. 15).
При ориентировании на коэффициент вытяжки формула (41) получает более простой вид: = 1-----------------------------------------------*- <41')
1 к 1 %///
Кинематическая схема смещения объема в направлении вытяжки показана на рис. 92. Точка с и d в процессе обжатия перемещаются по кривым расстояние между которыми вследствие вытяжки увеличивается от до La в конце обжатия. Вытесняемый из-под
бойков объем металла (участки cc'dd') частично идет на
уширение, а в основном — на вытяжку, которая характеризуется участком d'd^d'd^. Нетрудно видеть, что величину q можно представить и как отношение абсолютных смещенных объемов по длине заготовки и по высоте ее сечения. Действительно, так как VCJK(£j= Ve£ и 1/Сл(н) = 1/е(н), то
V р I/
v/ 1 смт
В табл. 24 приведены обе величины (/ и q), а также их отношение в связи с относительной подачей.
Пользуясь этой таблицей, можно установить необходимый режим деформации при протяжке. Наличие внешних частей заготовки при протяжке приводит к тому, что когда подача равна ширине заготовки ^-~р-=1), то уширение составляет всего 27%, а удлинение 73% от высотной деформации. По этим данным равенство относительных величин уширения и вытяжки вследствие наличия внешних частей заготовки наступает при относительной подаче-^ = 1,8, а не при 1, как в случае осадки квадратной заготовки. Это максимальная подача при протяжке. 180
При величине относительной подачи, большей чем 1,8, уширение превосходит вытяжку в длину.
Порядок расчет а протяжки заготовок квадратного и прямоугольного сечений разработан еще в 30-х годах М. В. Сторо-" гм Для того чтобы произвести расчет, необходимо задаться относительной величиной подачи степенью высотной деформации еся и определить по табл. 24 значение коэффициента уширения f (или q).
Для увеличения интенсивности протяжки и экономного расходования энергии на деформацию процесс необходимо вести по возможности с небольшой величиной подачи; при уменьшении подачи уширение уменьшается, но это приводит к увеличению числа обжатия, что увеличивает время, затрачиваемое на протяжку, и к снижению производительности. Поэтому необходимо установить такую величину подачи, при которой процесс протяжки совершается в наименьшее время.
На практике величину относительной подачи обычно принимают равной 0,4—0,7 от ширины бойка в зависимости от размеров протягиваемой заготовки. Данные, полученные В. Г. Березкиным и другими исследователями, показывают, что при много-переходной протяжке наименьшее количество обжатий и переходов и повышенная производительность соответствуют большим подачам, но при этом поверхность заготовки получается неровной. Согласно указанным исследованиям для ускорения протяжки особенно в начале процесса можно величину подачи принимать равной я0 = (1,5-е-1,8)В0. При этом следует иметь в виду, что протяжка с большими подачами увеличивает неравномерность деформации и расходуемую энергию. Кроме того, при увеличении подачи и сохранении тех же величин обжатий усилие пресса или энергия молота должны быть увеличены.
Допустимую величину степени деформации определяют исходя из пластических свойств деформируемого металла. Если металл выдерживает очень высокие степени деформации, то устанавливают предельные величины еон, определяемые геометрическими соотношениями размеров поковки. В этом случае критерием служит коэффициент перехода
w +^25
Нц — ЬН
Связь между коэффициентом перехода и степенью деформации устанавливается следующим образом. Рассмотрим стадию протяжки, при которой размеры заготовки До; Lb изменяются до величин Яж; Bi, L^.
Тогда имеем
Я.— Д „ . ЛК. , U Bj .
н0 е°"’ — 2,5, EflW 1 ; ТА, ,
181
отсюда
.-Д- да
В. Г. Березки» рассматривает два крайних теоретических случая.
1. Весь сметенный объем при каждом обжатии поступает в ширину, т. е. удлинение отсутствует, £0 — Lt.
На основании положения о постоянстве объема определяем значение и подставляем его в формулу [421:
Рис. 93. Зависимость допустимых и опасных обжатий от относительных размеров исходной заготовки при протяжке
Подставив в формулу (42) полученное выражение для В,, получим
- 1 В°
,н <р'М' W’
1 р _ Во______________.
'т ’ФЧЛ1 -w ’
1-1ЛД. да
2. Металл течет только в длину, уширение отсутствует, Вп = -- Bj. Степень деформации по высоте запишем в виде
Подставляя в формулы (43) и (44) 2,5, получаем данные
(рис. 93) для допустимых Сфн при различных значениях
Кривая 7, соответствующая формуле (43), ограничивает область безопасных обжатий. Максимальные степени деформации, взятые по этой кривой в зависимости от пе могут привести к отношению большему 2,5, т. е. к продольному изгибу, так как в процессе протяжки всегда есть течение металла в длину и действительные размеры В, будут меньше определяемых по теоретической кривой I. 182
Кривая II, соответствующая формуле (44), характеризует те степени деформации, при которых неизбежно появление продольного изгиба после кантовки, так как в реальном процессе протяжки В будет больше теоретического. Поэтому участок графика выше этой кривой является областью недопустимых обжатий. Область между кривыми / и // соответствует реальному процессу протяжки. Однако в данном случае неизвестно соотношение между
Рис. 94. Сопоставление различных данных по расчету величин f:
I — Найлс — М- В. Сторожев; 2 — В- Г Березинн | --- 1 3 — В Г. Ьсрсзкин
( = 2V 4 — П Ф Иканушкчк ( —- I V 5 — II Ф Иванушкин ( =2)
( Вв } \ В„ } \ В„ I
удлинением и уширением; поэтому при назначении степеней деформации, соответствующих этой области, могут быть получены соотношения между Bj и Нь большие и меньшие 2,5. Эта область называется областью «опасных обжатий».
Следовательно, в распоряжении технолога при расчете процесса протяжки имеются ориентировочные данные для определения оптимальных величин подачи и безопасных степеней деформации.
Для дальнейшего расчета необходимо определить величину коэффициента уширения f или коэффициента вытяжки q. С этой целью можно воспользоваться табл. 24, рис. 94 или приведенными ниже выражениями, которые учитывают все три размера геометрического очага деформации. Они установлены на основании опытов по протяжке свинцовых образцов (по В. Г. Березкину) [6 ].
183
Для заготовки квадратного сечения при
Йр
f = 1,1 — 0,74.
7 £>0
гг Н
Для полосы прямоугольного сечения при ==• 2
/-0,37 1/ > —0,042.
Г Ьф
П. Ф. Иванушкин экспериментально установил величины коэф-
фициента уширения с учетом влияния на него, кроме высоты
Рие. 95. Схема образования зажима при ( \ протяжке ( —g— > «о 1
заготовки, степени деформации и температуры. На рис. 94 сопоставляются кривые, полученные различными методами расчета, по которым видны некоторые расхождения расчетных величин коэффициента уш прения.
При работе с минималь-
ными подачами для уменьшения уширения или максимальными обжатиями
для повышения интенсивности протяжки следует опасаться образования зажимов, которые возможны при >«о (рис. 95). Следовательно, степень деформации связана и с величиной подачи.
В зависимости от массы, длины протягиваемой заготовки и способа ее удержания в процессе ковки применяются различные способы протяжки.
Если заготовка удерживается с того конца, около которого находится кузнец (ручными клещами, патроном на кране, манипулятором), то второй опорой для заготовки служит нижний боек, а центр тяжести заготовки и удерживающего приспособления расположен между двумя опорами. Крупные заготовки можно удерживать краном, установленным сзади рабочего места кузнеца (с другой стороны пресса); при этом центр тяжести заготовки может быть расположен и позади пресса. Протяжку начинают с конца заготовки или с ее середины. При протяжке коротких заготовок ковка начинается с дальнего ее конца от кузнеца, причем каждая последующая подача приближает кузнеца к месту ковки: это так называемая протяжка «на себя». При протяжке длинных заготовок ковку начинают с их середины. Если заготовка удерживается с одной стороны (со стороны рабочего места
184
кузнеца) то чтобы избежать перемещения центра тяжести заготовки за пределы двух опор, следует отковать сначала удаленную от кузнеца половину заготовки; центр тяжести заготовки при этом будет находиться между двумя опорами. В этом случае протяжка ведется «от себя»- После захвата (в клещи или патрон) откованной части заготовки производится ковка второго конца заготовки, в этом случае протяжка ведется также «от себя». При ковке слитков, удерживаемых по обе стороны пресса, могут быть использованы все варианты их перемещения в процессе протяжки.
Элементарным приемом при протяжке является «переход», который может
Рис. 96. Рациональное расположение заготовки после кантовки
Рис. 97. Способы чередования обжатий и кантовок при протяжке
быть простым (обжатие—кантовка, обжатие — подача) или сложным (два, три и т. д. обжатия—кантовка; два, три и т. д. обжатия—подача). Каждый переход представляет собой обжатие в двух взаимно перпендикулярных направлениях: при простом переходе— на участке длины заготовки, равном одной подаче, а при сложном переходе—на участке, равном двум или нескольким подачам.
При ковке с кантовкой места зон затрудненных деформаций и бокового бочкообразования чередуются, что несколько уменьшает неравномерность деформации. Для уменьшения неравномерности деформации па стыках двух подач целесообразно после кантовки увеличивать до «j -- Lo и размещать заготовку так, чтобы стыки между подачами до кантовки располагались по середине подачи после кантовки (рис. 96).
Существует несколько способов ведения протяжки. При ковке плоскими бойками применяются следующие три способа (рис. 97).
1- После каждого обжатия следует кантовка на 90° в одну и ту же сторону. После каждых четырех обжатий следует подача (рис. 97, а). Этот способ протяжки более трудоемок и применяется только при ковке твердой инструментальной стали. Считается, что ковка по винтовой линии (как называют этот способ) способ-
185
ствует уменьшению внутренних напряжений. Однако на стыках подач неравномерность деформации получается значительной.
2. После каждого простого или сложного перехода следует очередной переход и так до копна протяжки (рис. 97, б, где указаны номера обжатий в их последовательности при простых переходах).
3. Обжатии следуют одпо за другим на всю длину протяжки (на весь проход), затем следует каптовка и последовательное обжатие заготовок с другой стороны (рис. 97, в). Этот способ протяжки применяется для мелких и средних по массе заготовок из углеродистой и легированной стали. Если в результате прохода по большой длине заготовка искривляется, то ее кантуют на 180°, выравнивают, и лишь затем после кантовки на 90° следует очередной проход (рис. 97). Искривление заготовки объясняется различной шириной и износом верхнего и нижнего бойков, более интенсивным остыванием стороны заготовки, прилегающей более длительное время к нижнему бойку, и другими причинами.
Протяжку круглых заготовок на круглые в плоских бойках не осуществляют из-за перенапряжений и возможности трещино-образования в осевой области заготовки. Обычно при протяжке на круг плоскими бойками круглые заготовки вначале превращают в квадратные со стороной квадрата, равной диаметру поковки, затем сбивают углы и округляют заготовку. Высоколегированные стали, склонные к трещинообразованию, проковываются на пластину (для заварки трещин), а затем перековываются на нужный профиль. Ковку с круга на круг можно производить в так называемых вырезных бойках, которые бывают с овальным, ромбическим или седлообразным вырезом. Иногда используют комбинацию из нижпего вырезного и верхнего плоского бойков (см. рис. 104 и 105).
Технологический процесс ковки следует разрабатывать исходя из условий, препятствующих возникновению внешних и внутренних дефектов и способствующих ликвидации имевшихся до ковки нарушений сплошности (заварка трещин, пустот, рыхлостей).
С точки зрения трещинообразования очень опасны такие операции, при которых возникают совпадающие по знаку положительные деформации и напряжения в местах расположения малопластичных или весьма прочных составляющих структуры. Напротив, сжимающие деформации и напряжения устраняют имеющиеся дефекты слитка. При осадке цилиндрических заготовок опасные растягивающие деформации возникают вблизи боковой поверхности в тангенциальном направлении, поэтому внутренние дефекты при осадке обычно не образуются.
Исследованиями И. Я. Тарковского установлено, что при протяжке на плоских бойках прямоугольных заготовок определяющим фактором (с точки зрения возникновения растягивающих 186
напряжений) является отношение подачи к высоте деформируемой заготовки -g. При < 0,5 во внутренних слоях наблюдаются значительные продольные растягивающие напряжения. Отношение в пределах 0,5—0,7 характеризуется в средней части поперечного сечения поковки очень малыми продольными напряжениями. При этом происходит переход от растягивающих напряжений к сжимающим. При увеличении > 0,7 напряжения сжатия в центре поперечного сечения увеличиваются; одновременно увеличиваются и требуемые для протяжки усилия
Рис. 98. Схемы протяжки круглых заготовок в вырезных бойках: а — в ромбических; б — в кругловырезных
и уширение. Увеличение уширения вызывает появление растягивающих напряжений на боковой поверхности заготовки.
При протяжке круглых и квадратных заготовок в ромбических бойках существенное значение имеют угол при вершине выреза бойка и величина радиуса скругления у вершины выреза. Например, при протяжке круглых заготовок в ромбических бойках с углом при вершине 110° и с малым радиусом закругления распределение напряжений и знак продольных напряжений зависят от -S- и АО. Небольшие последовательные обжатия круглых зато-тонок вызывают наибольшую неравномерность напряженно-деформированного состояния со значительными растягивающими напряжениями во внутренних участках сечения заготовки. При больших обжатиях неравномерность деформации сохраняется (рис. 98, а).
Напряжения в областях I, V, П и III не зависят от В зонах 1 и V они растягивающие, в зонах II и III —сжимающие; при уменьшении отношения сжимающие напряжения в зоне III уменьшаются. В центральной области IV растягивающие напря-187
женмя возникают при ^-<0,5-. 0.6, а при >0,5 т 0,6, наблюдаются увеличивающиеся с увеличением сжимающие напряжения. По мере увеличения деформация проникает глубже к оси сечения, одновременно резко возрастает уширение, что может привести к появлению наружных дефектов на боковой поверхности поковки. При протяжке крупных поковок в ромбических бойках рекомендуется принимать = 0,6-е-1,0 133].
Протяжка круглых заготовок в овальных бойках (рис. 98, б) отличается от протяжки в ромбических бойках тем, что с начала протяжки происходит соприкосновение круглой заготовки с вершинами выреза бойков. Схема напряженно-деформированного состояния при протяжке в овальных бойках еще более благоприятна, чем при протяжке в ромбических бойках. Горизонтальные составляющие контактных сил трения и внешней силы действуют в общем направлении и способствуют более яркому выражению схемы напряженного состояния всестороннего сжатия. Вследствие этого уменьшаются область распространения и величина растягивающих напряжений.
Чем больше овальные бойки охватывают поковку по периметру, тем равномернее распределяются обжатия и тем равномернее напряженно-деформированное состояние, но наряду с этим уменьшается возможность получения большой степени деформации, которая ограничена величиной Д£> (рис. 98, б).
Применение вырезных бойков не во всех случаях приводит к более жесткой схеме всестороннего сжатия. Использование таких бойков при протяжке металлов с пониженной пластичностью целесообразно только при соблюдении указанных выше условий. При некоторой величине в центральных областях поковок возможно возникновение растягивающих напряжений в направлении положительной деформации, что особенно недопустимо при протяжке малопластичных металлов и сплавов.
Применение вырезных бойков ограничивает уширение и увеличивает интенсивность вытяжки, благодаря чему увеличивается производительность ковки. Характеристики различных типов бойков с позиций метода линий скольжения даны на эскизах в табл. 27.
Расчет процесса протяжки в ромбических бойках .разработан недавно (В. Г. Березкиным и Н. П. Клименко) применительно к определенной конфигурации бойков, у которых глубина выреза равна радиусу закругления г и д> = 120°. Величина г выбирается равной половине диаметра поковки (рис. 99, а) [7 ].
В рассматриваемом методе расчета применительно к круглым заготовкам проводится аналогия с расчетами при протяжке квадратной заготовки под плоскими бойками. Для этого принимаются 188
условные, «приведенные» размеры высоты и ширины сечения заготовки и «приведенные» размеры сечения после обжатия равновеликих по площади квадратных и прямоугольных сечений (рис. 99, б).
Сторона квадрата, равновеликого исходном круглой заготовке, равна , . __
/70 = Во = 7? V ' л .
Высота «приведенного» прямоугольника Н\, равновеликого сечению заготовки после обжатия, принимается равной высоте
Рис. 99- Вырезные ромбические бойки (а) и принятые обозначения (б) протягиваемых в них заготовок (по В. Г. Березкину)
квадрата, равновеликого кругу радиусом г, Ht = г |Лл. Ширина F,
прямоугольника В, = —, где — сечение заготовки после ^1
обжатия. Приведенная степень деформации определяется по формуле
или 8о*=1~ТГ
о
Коэффициент уширения через приведенные величины выразится формулой
189
или при полном смыкании бойков
Ri —*Rr
Коэффициент уковки KL для протяжки в ромбических бойках определяется исходя из следующих соотношений. По табл. 15 находим KL । , но = q = 1 — f, откуда eKL =
1 eKL f0H
= eo*(l—/). тогда KL -j—-эта формула иным способом выведена Е. П. Унксовым для протяжки плоскими бойками [см. формулу (41)].
На основе экспериментов по протяжке стальных и свинцовых заготовок в ромбических бойках были определены значения / в зависимости от относительной подачи (табл. 25).
Таблица 25
Коэффициент уширения / для круглой заготовки и вырезных бойков |7]
Относительная подача Величина коэффициента f Относительная подачи у Величина коэффициента f
до кантовки после кантовки до кантовки после кантовки
0.2 —0.05 0,15 1,0 0,11 0,33
0,3 —0,02 0,18 1,2 0,14 0,36
0,4 0,0! 0,22 1,4 0,16 0,39
0,5 0,02 0,24 1,6 0,20 0,41
0,6 0,01 0,26 1,8 0.23 0,43
0,7 0,06 0,28 2,0 0,25 0,45
0,8 0.08 0,30 2,5 0,32 0,48
Отрицательные значения уширения / при подачах 0,2 и 0,3 объясняются тем, что вырезные бойки обжимают заготовку не только по направлению движения инструмента, но и с боков, вследствие чего приведенная конечная ширина заготовки при малых подачах становится меньше начальной
После обжатия и кантовки заготовки на 90° вторичное обжатие в тех же бойках позволяет определить значение уширения для всего перехода в зависимости от величины подачи (табл. 25). Так как ширина заготовки после первого обжатия меньше первоначальной, то течение в уширение при втором обжатии идет интенсивнее, чем при первом, однако при всех величинах относи-
1 При данной величине подачи отрицательные значения коэффициента уширения тем вероятнее, чем меньше угол^ьыреза бойков.
IV0
тельных подач (до 2,5) оно меньше 0,5, т. е. меньше вытяжки заготовки в длину.
Сравнение соответствующих данных показывает, что уширение при втором обжатии в вырезных ромбических (<р = 120) и плоских бойках почти одинаково. Это объясняется тем, что в начале обжатия при малом радиусе закругления острых ребер ромбического сечения отсутствуют боковые ограничения; уширение происходит так же, как и при плоских бойках.
Для расчета протяжки круглых заготовок в ромбических бойках необходимо задаться величиной относительной подачи
обжатием определить приведенные размеры и коэффициент f. Как было показано, расчет протяжки по этим величинам производится так же, как расчет протяжки квадратной заготовки ла плоских бойках.
Для повышения интенсивности протяжки весьма пластичных металлов на первых проходах
можно использовать выпуклые рис jqq_ £хемй к расчету протяжки бойки вместо плоских. в выпуклых бойках (по П. Ф. Ива-
Расчет протяжки В выпуклых Пушкину)
бойках прямоугольных и квадрат-
ных заготовок разработан П. Ф. Иванушкиным. Соотношения между продольной и поперечной деформациями для этого случая установлены экспериментально при протяжке образцов из стали Ст. 5 квадратного и прямоугольного сечений при температуре 800—1250° С на гидравлическом прессе усилием 490 кн (50 т) между бойками с различными радиусами выпуклости (рис. 100) 129].
Как было установлено выше, коэффициент вытяжки q можно представить в виде отношения объемов, смещенных по длине
и высоте:
/7 - .ft. —
еН ^'см1Ю
где Л/ — приращение длины заготовки;
= Но— Ht— абсолютное обжатие середины деформируемого участка образца;
I — длина деформируемого участка.
191
После преобразования получим
г А/ 1
*’5 Г“Ё ’
где ««
АН
Рис. 101. Зависимость коэффициента вытяжки от радиуса г выпуклости бойков:
а — при - — 1.0: б — при —-------------0.5, I — при — 0.2: 2 — при = 0.5:
Нв Н» И 0 /Го
3 — при — 0,7: 4 — при &Н — 0.3; 5 — при — — - = 0.5. 6 — при — 0,7
Но Но II» Но
Изменение q с изменением отношения радиуса бойка г к ширине заготовки показано на рис. 101; с увеличением г или умень-
Рис. 102. Зависимость вытяжки в длину от степени обжатия:
а — при — 1.0: б — при — 0,5. / — прп------— 1,25; 2 — при ------ 0,75,
Но Но л0 В о
3 — при —— ~ 0.5: 4 — при —-- — 0.25; S — при —— = 2.50: 6 — при--------------= 1,50;
Во Во В„ Во
7 — при —— — 1,00; 5 — при —— = 0.50 Во Во
шением ширины заготовки уменьшается и ее вытяжка. Зависимость q от степени обжатия видна из рис. 102.
192
Рис. 103. Схема действия сил (а) и обжатия выступов (б) выпуклыми бойками
Из рассмотрения крийых видно, Что Вытяжка при -= 1,0 (рис. 102, о) больше, чем при^— = 0,э (рис. 102, б), причем во всех случаях она больше уширения (поскольку q >0,5). Большинство кривых имеет минимум при высотном обжатии до 30— 50% что свидетельствует об относительном уменьшении вытяжки. Дальнейшее увеличение обжатия приводит к увеличению вытяжки. Такой характер кривых, по-видимому, объясняется переменным соотношением между тормозящими и контактными силами трения Тх, действующими против направления вытяжки, и горизонтальными составляющими Рх (от внешних сил Р), способствующими вытяжке (рис. 103, а).
Между степенью обжатия, углом а (см. рис. 100) и радиусом выпуклости бойка г установлена следующая зависимость:
ЛЯ = 2г (1 — cos а) или Л// 2r (1 — cose) °" ~ ~ tlB
По углу захвата и приведенной выше формуле определяют еин при обжатии образовавшихся после первого прохода выступов (рис. 103, б). После определения воН по графикам на рис. 101 и 102 находят q.
Влияние температуры на соотношение между уширением и вытяжкой незначительно.
По известным величинам q и евН можно рассчитать промежуточные размеры заготовки по проходам и требующееся число обжимов для получения заданных размеров квадрата или прямоугольника.
Средняя величина поперечного сечения заготовки при обжатии (см. рис. 100) определяется из следующего выражения:
AV— qV г 4 см(Н)
Г1 I ’
где ДУ = Н0В01 — объем части заготовки, соответствующий длине деформируемого участка I. -
Смещенный объем по высоте УГЛ(щ определяется по формуле (45). После подстановки в предыдущее равенство значений ДУ и К«(Я) получаем
F± - Fo (1 - О,669ео„).
Я М. Охрименко 537 193
Длина заготовки после первого Прохода
, v L° 1 ' Ft 1-O,669eow'
Число нажимов пресса
& -=4-
Для обжатия выступов после первого прохода потребуется п\ = nt + 1 нажимов пресса.
Поперечное сечение заготовки после обжатия выступов ^рис. 103, б) будет
AV' — q'V f?' _ * см(Н)
Г1 1 3
где А V' — объем части заготовки, соответствующий длине /;
— смещенный объем по высоте при обжатии выступов;
q’ — коэффициент вытяжки при обжатии выступов;
AV' — HqBqI —2 BqI = —q
v'„m-'4^ + 44^
Величина a я? 0,3 ~ получена по экспериментальным замерам.
После преобразования получаем ^сл(Н) = 0,24/е0Я/У0Во.
Действительный объем обжимаемых выступов немного больше, но эта неточность на результаты расчетов не влияет.
После подстановки значения А V и V’CMlH) в выражение для F' получим
д; - Foil - «о» (0.66? + 0,2#/)].
Если принять q’ — q вследствие малой разницы между ними, то получим
Р\ =Е0(1 — 0,9^).
Длина заготовки после обжима выступов
J. _ v Lo
‘7? 1-О,9?еоЯ*
Средняя высота заготовки
Я; - Но(1 -0,85ео„).
194
Средняя ширина заготовки е^-йГв“
1 — 0,9уеон
I — 0,85еад ‘
Размеры заготовки при следующих проходах определяются по выведенным формулам, но вместо Но, Во и FЛ подставляются соответственно //,, В[>, . . В[, В'й, . . . и F', F', . . .
Рис. 104. Молотовые бойки. Размеры зеркала бойков в мм:
Масса падающих частей пневматических молотов в кг Размеры зеркала бойков в .«.« Масса падающих частей паровоздуш-них молотов в кг Размер зеркала бойков в мм
длина ширина длина ширина
150 200 85 woo 410 230
250 225 90 1500 470 260
400 265 100 2000 520 290
560 зоо 110 3000 500 330
/50 345 130 4000 650 370
1000 390 150 5000 710 400
Общее число нажимов пресса за всю операцию протяжки до заданных размеров определится как сумма нажимов за каждый проход:
п = -|- rtj — и2 J- п,2 -|- ns J- ... 4- пп |- пп.
Инструмент для протяжки. Для протйжки применяют закрепляемый инструмент — бойки. Молотовые и прессовые бойки отличаются друг от друга размерами и способом крепления. Молотовые бойки (рис. 104) обычно изготовляют 13* 193
монолитными (не составными) и закрепляют их клином 1 и сухарем 2. Это единственное надежное крепление в условиях ударных нагрузок. На рис. 104, а (левая часть позиции) показан нестандартный вариант крепления и стандартный (правая часть позиции, ГОСТ 6039—51), аналогичный штамповочным молотам (см. рис. 156). Нестандартное крепление часто применяется при ковке трудподеформируемых сплавов. Особенности этого варианта крепления заключаются в следующем. Бойки опираются на бабу (верхний) и подушку или шабот молота (нижний) широкими заплечиками, в связи с чем хвостовик в форме ласточкина хвоста выполняется относительно узким. При стандартном креплении бойки имеют опору на хвостовик, в связи с чем хвостовик выполняется достаточно широким, а заплечики узкими.
Протяжку ведут на универсальных плоских бойках большой ширины (пригодных и для других операций, например для осадки) и на бойках меньшей ширины — специализированных протяжных бойках. Чтобы избежать рассекания волокон металла, величину радиуса гб рабочей кромки бойка берут равной —0,1 Ь, где b — ширина бойка.
Для протяжки применяют следующие варианты бойков: плоские бойки (для протяжки на квадрат и полосу); верхний плоский, нижний вырезной; оба вырезных (для протяжки на круг) и оба выпуклых (для предварительной протяжки). На рис. 104, б показан профиль вырезных, а на рис. 104, в — выпуклых бойков. Так как смена бойков на молотах — операция относительно длительная и трудоемкая, то в отдельных случаях применяют комбинированные бойки, у которых смежно расположены плоские и выпуклые или вырезные рабочие части. Если комбинируют плоскую и выпуклую рабочие части, то плоская часть располагается ближе к оси штока, а выпуклая часть, как подвергающаяся меньшим нагрузкам, — сбоку. При комбинировании плоской и вырезной рабочих частей вырез, как наиболее сильно нагружаемая часть бойка, находится в его центральной части. Наличие рабочих частей инструмента, смещенных от осевой линии штока молота, приводит к вредной эксцентричности нагрузки, ухудшающей эксплуатационные условия молота, и может быть причиной поломки штоков. Для протяжки мелких заготовок вместо вырезных бойков на молотах применяют обжимки (струбцинки), представляющие собой подкладные вырезные бойки, соединенные пружиняще-изогнутым прутком, который служит одновременно державкой и разводит части обжимки после каждого удара по ним бойка.
Прессовые бойки (рис. 105) крепятся к столу (нижний) и траверсе пресса (верхний) при помощи болтов (рис. 105, а) и реже — клином по ласточкину хвосту. Для крупных прессов и штампов больших габаритных размеров применяется комбинированное клино-болтовое крепление. При работе на прессах хорошо заре-196
комендовала себя сборная (составная) конструкция бойксв. Плоские бойки также иногда изготовляют составными. Это позволяет заменять изношенную небольшую часть бойков; кроме того, создаются удобства при транспортировании, расширяются возможности специализации инструмента, который делается быстросменным. Боек крепится к столу пресса болтами, а его вставка (плоская или вырезная) — клином. Крупные вырезные бойки
Рис. 105. Прессовые бойки (размеры по табл. 27)
(рис. 105, б) имеют вставки, состоящие обычно из двух частей. В данном случае ромбическая вставка состоит из двух вкладышей, вставляемых и закрепляемых в основании бойка 1 порознь. Выступами вкладыши 2 входят в гнезда основания бойка и удерживаются от горизонтального смещения шпильками 3, работающими на срез. Цапфы 4 служат для транспортирования тяжелых вкладышей кранами. Если при ковке преобладает протяжка в вырезном бойке, то выемка для вкладышей является рабочей частью (рис. 105, в), а вкладыш (рис. 105, а) предназначен для превращения вырезного бойка в плоский. При необходимости .быть запасные накладки с выпуклой поверхностью (см. jnVpffjidiJbfe линии, рис. 105, е, г). Такие накладки можно даже не закреплять, так как во время работы они прижимаются к выемке в основании бойка не только собственной массой, но и массой Заготовки,
197
Размеры прессовых бойков пока не тестированы, но нормализованы на большинстве заводов. В табл. 26 приведены размеры зеркала бойков.
Таблица 26
Размеры зеркала прессовых бойков
1 ! Усилие пресса Ширина бойка в мм Длина бойка в мм Радиус закругления рабочей
в Мн В HI кромки В ЛМ
4.9 500 180—200 500-750 10
9,81 1 000 250—300 800—1100 12
19,62 2 000 360—450 1300—1560 18
29,43 3 000 450—520 1500—1700 22
39,24 4 000 500—600 1700—1900 26
. 49,05 5 000 550 -700 1900-2100 32
58,86 6 000 620 -750 2100-2300 38
i 78,48 8 000 700—850 2500-2700 45
I 98,1 10 000 800-1000 2800-3000 55
| 147,15 I 15 000 1000 -1200 3000—3300 80
1 1
Ширину вырезных бойков молотов и прессов принимают на 25—30% больше ширины протяжных плоских бойков для получения возможности работать с увеличенными подачами в условиях ограниченного уширения. Скругление рабочей кромки должно быть достаточно большим. Практики считают, что радиус скругления должен составлять около половины величины обжатия при протяжке (в зависимости от типоразмера пресса это составляет 10—80 мм), тогда нет опасности быстрого износа (оплывания) рабочей кромки, перерезания волокна в проковываемом металле и образования заковов вследствие резкого перехода от одного размера сечения к другому. Основания бойков изготовляют обычно из углеродистой стали (например, из стали 45). Вкладыши могут быть изготовлены из легированной стали; при обработке трудно-деформируемых сплавов — из высоколегированной стали.
В табл. 27 приведена характеристика различных бойков для протяжки, основанная на сетках линий скольжения. При построении сделано допущение о наличии плоской деформации в рассматриваемых поперечных сечениях. Такое допущение может быть сделано при обжатии цилиндрической заготовки большой длины, деформируемой с полным перекрытием бойками. Другое допущение заключается в том, что контактные силы трения принимаются пренебрежимо малыми.
Поля линий скольжения определяют напряженное и деформированное состояния, а также компоненты перемещений и скоростей деформаций в любой точке рассматриваемого сечения. Однако наиболее деформируемы? области сечения заготовки целесооб-198
разно оценивать по эпюрам нормальных напряжений. Эти эпюры построены для сечений, проходящих через середины контактных поверхностей и точки соприкосновения пластических зон [93]. Как следует из эпюр, на некотором расстоянии от контактной поверхности наблюдаются зоны растягивающих напряжений. Эти зоны можно охарактеризовать отношением ширины участка растяжения к расстоянию от зоны растяжения до контактной поверхности.
Приводимые в табл. 28 данные позволяют выбрать тип бойков для ковки сталей с разной пластичностью. Наибольшая ширина зоны растяжения имеет место под плоским бойком при ковке
Рве. 106. Конструкция верхнею узкого подвесного бойка
по четвертой сверху схеме; максимальный градиент растягивающих напряжений получается при ковке под плоскими бойками. Наилучшими являются условия в вырезных радиальных бойках с углом охвата 120°, характеризующиеся незначительной протяженностью зоны растягивающих напряжений. По абсолютной величине растягивающие напряжения значительно меньше предела текучести металла, поэтому они не могут оказать решающего влияния на появление в нем трещин и внутренних несплошностей.
Во многих случаях необходимо применять верхние ’узкие бойки (для прожима узких выемок и т. п.). СэТой целью используют подвесные быстросменные бойки. Усовершенствованная конструкция верхнего узкого бойка приведена на рис. 106. Плита 1 закрепляется на траверсе 7 пресса клином с болтами. Для того чтобы не снимать плиту после операции осадки, на ней для закрепления ковочного бойка 6 имеются откидные захваты 2, попарно соединенные планками 3 и фиксируемые стопорным стержнем 4. Для центровки бойка 6 служит сухарь 5, входящий одной половиной в паз плиты 1, а другой — в боек.
Прошивка. Операция прошивки сплошных заготовок, называемая часто открытой прошивкой, применяется при изготовлении поковок с осевым отверстием, если не используется полый слиток или трубная заготовка. Прошивка на молотах и прессах осуществляется аналогично. Для прошивки заготовка или предварительно
199
Типы бойков nJ
200
Таблица 27
«х характеристика
Тип бойков Относительная ширина области растяжения Для металла с пластичностью И нтс Кси и ность ПрОТЯЖКи
0.05 Весьма малой Весьма высокая
Радиусные (овальные) с углом охвата 120“
Ромбические с углом выреза 90° 0,25 0,25 Недостаточной Высокая
Ромбические с углом выреза 120° 0.267 0,333 Недостаточной Высокая
201
“<,5Wr
20?
Продолжение табл. 27
Тип бойков Относи-тельная ширина области растяжения Для металла с пластичностью
Плоский и ромбический с лом выреза 120° уг- 0,333 0,3 Средней
Плоский и ромбический с лом выреза 90° уг- 0,349 0,285 Средней
Радиусные с углом охвата 60" 0,10 1 Повышен (ЮН
Ин гепсивносгь протяжке
Пониженная
Средняя
Средняя
203
осаженный (до >1) слиток устанавливается на плоский боек или плиту прибыльной стороной вниз (во избежание перемещения наиболее дефектного металла в тело поковки). В качестве инструмента применяют подкладные прошивни. Они бывают коническими — сплошными и полыми. Во избежание разпостеиности и обеспечения концентричности отверстия при прошивке необходимо соблюсти ряд условий. Кроме требований к форме исходной заготовки и равномерного симметричного прогрева металла, большое значение имеет правильная центральная установка прошивня. Поскольку открытая прошивка ведется при свободной установке заготовки и инструмента, необходимо обеспечить их соосность.
Хорошо себя зарекомендовал следующий способ.
204
Продолжение табл. 2/
Тип бойков Относительная шврниа области растяжения Для металла с пластичностью И нтенси вность протяжки
Плоский и радиусный с углом охвата 90° 0,242 Большой Низкая
Плоские 0,125 Большой Наиболее низкая
На установленную между бойками заготовку накладывается Гшаблспщпо размеру заготовки (из листового металла) с центральным отверстием, соответствующим размеру прошивня. Через это отверстие на торец заготовки насыпают некоторое количество молотого угля и удаляют шаблон. Оставшийся на торце заготовки слой служит для точного центрального размещения противня и в то же время является смазкой, облегчающей внедрение прошивня в тело заготовки при надавливании на пего верхним бойком.
На рис. 107 показана операция прошивки коническим прошивнем. После погружения прошивня / до уровня торца заготовки на него устанавливаются надставки 2, которые внедряют прошивень на 80—90% от высоты заготовки, при этом образуется будущая выдра толщиной h. Вначале происходит утяжка металла заготовки смежно с выходным отверстием; в конце прошивки нижний край заготовки немного приподнимается по периферии вследствие радиального течения тонкого слоя металла между 205
прошивнем и нижним торцом заготовки. При слишком тонкой выдре радиальные деформации могут быть настолько большими, что металл отстает от боковой поверхности прошивня в нижней его части.
Затем заготовку кантуют на 180°, немного обжимают, после чего ее дно просекается другим прошивнем (его ставят тупым концом к металлу). Величиной, характеризующей операцию прошивки, является отношение диаметра прошивня к диаметру заготовки (24], которое, чтобы избежать значительной осадки, в начале процесса не должно превышать 0.3—0,4; при этом ило-
Рис. 107. Схема свободной прошивки сплошным прошивнем
щадь, накрываемая прошивнем, составляет 25—36%. Если обозначить сопротивление внедрению прошивня в металл <твя, то в начале прошивки без осадки необходимо выдержать следующее соотношение:
откуда
#-0.5 0,6сгв„ < (3 ч-4) от.
'-0
Прошивка полым прошивнем применяется для получения полых поковок, когда необходимо удалить менее качественную сердцевину слитка (рис. 108). При прошивке полым прошивнем можно получить относительно больший размер отверстий без осадки заготовки, чем в случае прошивки сплошным прошивнем. Так как прошивка чаще всего является операцией промежуточной, то большее значение имеет качество прошитого отверстия и его соосность с заготовкой. При работе с крупными слитками их предварительно осаживают до > 0,8-г-1, увеличивая диаметр и уменьшая высоту заготовки перед прошивкой. Это упрощает прошивку и приводит к уменьшению отходов.
При использовании полых прошивней применяются те же приемы, что и при использовании сплошных. Вначале в заготовку вдавливается прошивень, а затем с помощью полых надставок добиваются глубокой прошивки (рис. 108, а), которая заканчивается (рис. 108, б, е) после установки заготовки на кольцо или плиту. Надставки входят в отверстие над прошивнем с двухсторонним зазором во избежание потерь на трение, разогрева и трудностей, связанных с удалением из них выдры. Грибовидная выдра подлине равна (или больше на 10%) высоте заготовки, поэтому объем ее получается значительным: 10—15% 206
от веса заготовки и составляет в некоторых случаях десятки тонн металла. Применение этого способа прошивки может быть оправдано только в случае, если необходимо удалить некачественную сердцевину слитка, что важно для таких поковок, как например.
Рис. 108. Схема прошивки полым прошивнем:
/ — Соек 2 — первая надставка: 5 — вторая надставка: 4 — прошивень; 5 — прибыльная сторона слитка; 6 — кольце: 7 — подставка; 8 — выдра;
9 — третья надставка
цельнотянутые котлы, орудийные стволы и т. п. Предельные диаметры прошиваемых отверстий для прессовых поковок регламентируются ГОСТом 7062—54.
Прошивни (сплошные, полые, рис. 109, а) изготовляют из стали с повышенным содержанием углерода, например, из стали У7 или из штамповой стали 5ХНВ, так как они работают в тяжелых условиях. Надставки изготовляют из среднеуглеродистой 207
стали. Крупные прошивни (для образования отверстий диаметром 200—500 мм) изготовляют из стали 5ХНВ. Твердость таких прошивней достигает НВ 363—415; диаметр сплошных прошивней 250, 320, 400, 450, 500 /пи, высота Н соответственно 150—450; 200—500; 200—400; 200—500; 250—500 мм. Диаметр на 20— 50 мм меньше диаметра dnp. Диаметр полых прошивней 400— 700 мм и высота 320—400 мм. Два или четыре транспортировочных отверстия, расположенных перпендикулярно к боковой поверхности прошивня, облегчают его установку. При изготовлении небольших поковок прошивку производят непосредственно в процессе ковки с одного нагрева. При прошивке крупных поковок применяют комбинированные плоские и с отверстием нижние плиты (рис. 109, б), передвигаемые подвижным столом пресса. Плиты скрепляются крюками 2. В плите с отверстием 1 имеется вставное кольцо из легированной стали. Если толщина полотна поковки с отверстием менее 50—60 мм, то вместо прошивки может быть применена пробивка отверстия пуансоном в подкладном кольце. В этом случае получаются значительные отходы, так как выдра имеет размеры отверстия. Пробивка осуществляется двумя режущими кромками: одна на кольце, другая на пуансоне.
После прошивки отверстий часто следует либо раскатка заготовки с увеличением диаметра, либо протяжка на оправке с увеличением длины полой заготовки, либо последовательно обе эти операции в зависимости от формы поковок.
Раскатка заготовок. Операция раскатки заготовок с отверстием применяется при изготовлении поковок типа колец, бандажей, фланцев, зубчатых венцов, различных обечаек и других деталей, имеющих стенки небольшой толщины по сравнению с диаметром отверстия. Чем меньше диаметр прошитого отверстия, тем меньше расход на выдру, объем же работы при раскатке соответственно увеличивается. Операцию раскатки можно представить себе как протяжку заготовки, концы которой соединены между собой, при этом длина средней окружности кольцевой заготовки является условной длиной протягиваемой заготовки, ширина кольца — соответственно шириной, толщина — высотой заготовки. Для осуществления раскатки (рис. ПО) прошитая заготовка 1 (указана штрихпунктирной линией) подвешивается с оправкой 2 на стойки 3\ при этом обжатие по высоте стенки кольцевой заготовки происходит между верхним узким плоским бойком 4 и круглой или овальной оправкой 2. Заготовка при раскатке устанавливается так, что длинная сторона бойка совпадает с шириной кольцевой заготовки. При вращательном движении после каждого обжатия диаметр заготовки постепенно увеличивается, незначительно увеличивается и ширина; при этом сама заготовка утоняется. После получения при раскатке кольца 5 размеров DK, dK и Нк сглаживают неровности на его поверхности, и поковка изготовлена. Трудность технологического про-203
цесса раскатки состоит в том, что к моменту, когда будет достигнут необходимый внутренний диаметр поковки, она должна иметь наружный диаметр и ширину заданных размеров. Если при необходимом внутреннем диаметре толщина поковки меньше заданной, то поковку приходится дополнительно осаживать, что сопряжено с переналадкой инструмента или переносом -обработки на другое рабочее место. Если же толщина кольца получается больше заданной, то, следовательно, ширина поковки недостаточная, т. е.
Рис. НО. Схема операции раскатки на оправке
технологический процесс был проведен неправильно. Операция раскатки сложнее обычной протяжки, так как должна осуществляться без кантовок перпендикулярно оси кольцевой заготовки, т. е. как процесс непрерывно следующих друг за другом проходов (каждый оборот заготовки по существ}' составляет один проход по перимеру кольца).
Условия обжатия металла и закономерности увеличения площади контакта на единицу обжатия неодинаковы со стороны бойка и оправки. В начале операции, когда диаметр отверстия заготовки небольшой, площадь контакта с заготовкой у оправки больше, чем у бойка. Поэтому очаг деформации имеет расширяющийся книзу профиль; удельные усилия со стороны бойка больше, чем со стороны оправки (рис. 111, а). По этой же причине обжатие металла со стороны бойка будет несколько большим, чем со стороны оправки. Однако с увеличением обжатия, особенно, когда диаметр поковки уже достаточно большой (рис. 111,6), наблюдается обратное явление: очаг деформации становится сужаю-
14 Я- М- Охримсивр 597 209
щямся книзу, а удельные усилия, так же как и обжатия, больше со стороны оправки.
Для того чтобы при раскатке происходило преимущественное увеличение длины окружности кольцевой заготовки без значи-
Рис. 111. Схема очагов деформации в начале (с) и в конце (б) раскатки
тельного уширения, необходимо применять узкий боек (см.
рис. 106). В этом случае контур контакта будет иметь форму
вытянутого прямоугольника с большой стороной вдоль ширины кольцевой заготовки, что обеспечит интен-j сивную раскатку.
Для получения заданных размеров * поковки в наиболее короткое время необхо-* димо правильно рассчитать размеры про-5 шитой заготовки (осадку перед прошивкой -г и диаметр отверстия).
1 Расчет деформаций при раскатке, основанный на экспериментальном моделировании процесса на свинцовых и стальных заготовках, выполнен И. М. Бал ясным [3].
Рис. 112. Схема к расчету раскатки на оправке:
х—х — положение оси кольца до раскатки и х*—х* — после раскатки [3]
Исходные размеры заготовки и конечные размеры поковки приведены на рис. 112.
Искомая величина коэффициента уширения при данной величине коэффициента
трения является функцией ряда относительных величин, связанных с диаметром d оправки и величиной подачи a (ah — относительно бойка; аи — относительно оправки):
св _ р f Mi . Up , Hq . ы ~ С V d ’ d ’ d ’
210
Экспериментальное исследование этой зависимости показало, что с увеличением и с уменьшением уширение возрастает, но уменьшается с уменьшением
В зависимости от условий раскатки на боковой поверхности может наблюдаться двойное или одинарное бочкообразование. Двойное бочкообразование имеет место при
° >2- 2,1 или — >2 — 2,1.
Первое из этих условий соответствует раскатке узких колец, второе— раскатке заготовки с очень малыми обжатиями.
Расчет уширения иногда производят за каждый оборот заготовки с учетом параметров, определяющих характер течения металла. После суммирования результатов расчетов по всем оборотам получают величину полного уширения. Этот метод расчета трудоемок. Для упрощения расчета все величины обжатия за один оборот представляются в виде ряда последовательных значений отношения
где Ct — коэффициент, зависящий от порядкового номера оборота заготовки.
В табл. 28 приведены значения С,- в зависимости от порядкового номера оборота. При оборотах, больших девяти, величина Ct остается в пределах 0,055—0,045.
Для определения величины Л Д' = <!С( диаметр оправки следует умножить на коэффициент Ch найденный ио табл. 28.
Таблица 28
Относительная величина обжатдя Значения С/
Порядковый номер оборота
1 0,100 0,09 < 5 6 7 8 У
так . inin . . . 0,160 0,120 0,105 0,095 0,082 0,078 0,72 0,65 0,068 0,060 0,060 0,055 0,055 0,05 0,055 0,045
Поданным произведенных расчетов были получены упрощенные формулы для определения уширения за всю операцию раскатки: при ковке под прессами
(4<5)
где dnf) — диаметр прошивня, равный (0,33^-0,35) Z)o;
14* 2Н
При ковке под молотами иМееМ
АВ ... (0,9-:-0,8) KMi\H ]/~ .
(46')
В этих формулах (см. рис. 105)
^Н-Ни-Нк:
0,37 | 0.5ton(2 -ЕоН)().О5^
/(-------------------------£«L
1 +0.1 -ff-«0
BtP\l 2ДЛ . Нв Л " Но ’
(47)
0.37 + О.5е#н (2 — «ад) 0.05
&СГ
(48)
В формуле для определения Кп в квадратных скобках знак
Но 1 берется при т^- < 1, знак &СР
плюс
Рис. 113. График для определения показателей уширения при раскатке (Уралмашзавод)
Но . минус — при в— > 1.
Для определения уширения по приведенным формулам необходимо предварительно задаться приближенной его величиной АВ' (см. ниже), которая должна совпадать с расчетной величиной АВ.
Для определения размеров исходной заготовки после прошивки приведен график (рис. 113), разработанный на Уралмашзаводе для ковки колец под молотами.
По графику определяется о Вк показатель уширения р = ~, а затем находят Во — Вкр. Этот размер является высотой прошитой заготовки, при установлении которой необходимо учитывать припуск на отделку, т. е. на исправление волнистости торца колец, получающейся вследствие неравномерности уширения при раскатке. Обычно
X
'-0‘^
212
ирйпуск Принимается равным 0,б5£о. Ниже приведены данные для выбора приближенной величины уширения Ай'.
Внутренний 1 Внутренний диаметр DCH покои км в м м Уширение дВ' в хм
диаметр поковки в мм Уширение АВ' в ММ
500—800 15—32 2600—2900 150 -190
800—1100 25—40 2900-3200 170—210
1100—1300 30—50 3200—3500 190—230
1300—1500 40—60 3500—3800 210—250
1500—1700 50—70 3800—4100 240—290
1700—1900 60-80 4100—4400 270—320
1900-2100 70—110 4400—4700 290—340
2100—2300 110—140 4700—5000 310—360
2300—2600 130-160
Диаметр прошитой заготовки, если известна ее толщина, определяется из условия равенства объемов кольца и прошитой заготовки с учетом угара.
На одном отечественном заводе при ковке под прессом усилием 98,1 Мн (10 000 т) бандажи изготовляют за один нагрев с совмещением операций осадки, прошивки и раскатки до заданных размеров поковки.
Раскатка кольца шириной 200 мм и диаметрами 980 и 820 мм (толщина стенки 80 леи) осуществляется за девять оборотов с обжатием от 90 мм (на первом обороте) до 35 мм (на последнем обороте). При ковке ла прессах оправками для раскатки служат полукруглые или круглые стержни с отверстием для охлаждения водой. Диаметр оправки выбирается на 5—10% меньше диаметра отверстия заготовки.1
Протяжка на оправке. Протяжке заготовки в длину на круглоконической оправке подвергаются предварительно прошитые круглые заготовки. Ковка полой заготовки, надетой на оправку, ведется с кантовкой по кругу, которую называют поперечной и продольной подачами. Ковка начинается со стороны более толстого конца оправки кольцевыми участками при вращательном движении заготовки вместе с оправкой. Затем следует продольная подача и обрабатывается следующий участок аналогично предыдущему (рис. 114).
Эта операция применяется для изготовления полых деталей большой длины — котельных барабанов, полых колонн, орх -дийных стволов и т. п. В процессе протяжки заготовка значительно удлиняется и уменьшается по наружному диаметру, тогда как внутренний диаметр заготовки остается практически равным исходному (после прошивки). Оправки имеют отверстия для
1 Напряженно-дсфлрмиросанное состояние при раскатке подробно рассмотрено П. И. Полухиным и др. «Кузнечно-штампоночное производство». 1965, № 5.
213
охлаждения водой, упорный бурт й небольшой уклон (1 : 100) для облегчения удаления поковки. При протяжке на оправке используются вырезные, комбинированная пара бойков (верхний плоский, нижний вырезной) и плоские бойки. При протяжке на оправке возникает одновременно 2, 3 или 4 очага деформации,
Рис. 114. Схема протяжки на_оправке
что отличает эту операцию от всех других. Соответственно двум и более очагам деформации при вытяжке на оправке имеется минимум две пары контактных поверхностей, между которыми металл подвергается обжатию: под верхним бойком и оправкой; над нижним бойком и оправ-
Рис. 115. Схема образования очага деформации при протяжке на оправке (верхний боек плоский):
/ — форма очага деформации при малом обжатии; 2 — то же при большом обжатии
кой. Для того чтобы совершалось преимущественное удлинение заготовки Lo (т. е. бывшей высоты заготовки при прошивке) без увеличения диаметра заготовки, необходимо совпадение направления наименьшего сопротивления течению металла с осью прошитой заготовки. Этого можно, добиться, если применить узкие бойки и установить их большой стороной перпендикулярно оси заготовки. Однако, как видно из схемы образования очага
деформации при протяжке на оправке (рис. 115), в начальный момент обжатия образуется неблагоприятная форма очага деформации в плане (указана штриховыми линиями с одной точкой), способствующая увеличению диаметра заготовки. При увеличении обжатия получается необходимая контактная прямоугольная площадка, большая сторона которой перпендикулярна оси заготовки (указана штриховыми линиями с двумя точками). Отсюда, в частности, следует,
214
что очень малыми обжатиями протяжку на оправке вести нельзя, так как вместо протяжки можно получить раскатку. Значительные обжатия, обеспечивающие большую величину поперечной подачи ап и относительно небольшие осевые подачи а0, способствуют быстрой протяжке. Расчет этой операции упрощается благодаря фиксированному размеру внутреннего диаметра поковки. При данном объеме заготовки достаточно контролировать только один размер поковки (наружный диаметр или длину), при этом остальные размеры выдерживаются автоматически.
В конце протяжки поковка .
может оказаться посаженной на оправку. Ослабить посадку можно небольшими обжатиями при большой осевой подаче, т. е. создавая форму очага деформации, способствующую увеличению диаметра. На практике пользуются и другими приемами. Например, подогревают поковку вместе с оправкой. а затем пропускают через ее осевое отверстие большое количество воды для охлаждения, что вызывает уменьшение диаметра оправки и облегчает снятие с нее поковки.
Рис. U6. Схема операции разгонки в ширину:
1 — верхний боек 2 — нижний боек
На прессах с подвижным столом для снятия поковок можно использовать бурт на оправке и какой-нибудь выступ на поковке; между ними помещают бойки (по обе стороны оправки) и движением стола пресса преодолевают силы трения, удерживающие поковку на оправке. Поскольку оправка имеет уклон, достаточно лишь на ничтожно малую величину сдвинуть поковку с места посадки, как силы трения окажутся преодоленными. Для уменьшения сил трения оправки должны быть без забоин, тщательно обработаны и покрыты термостойкой смазкой.
Разгонка, Операция разгонки предназначена для местного уширения заготовки без увеличения ее длины. Чаще всего разгонке подлежит часть заготовки, которая предварительно обжимается плоским бойком, а затем при помощи специального подкладного инструмента, называемого раскаткой, металл разгоняется в ширину (рис. 116). На рис. 116, а вверху показана начальная, а внизу — конечная стадии разгонки. На рис. 116, б дана в другой проекции промежуточная стадия. Разгонка применяется и для круглых в плане поковок, например для увеличения полотен дисков. Обычно разгонке подвергаются относительно низкие заготовки, поэтому разгоночный инструмент применяется для Обжатия только одной стороны заготовки, тогда как другая сто
215
рона находится па большой поверхности плоского бойка. После разгонки деформированный участок подвергается обработке плоскими бойками для сглаживания гребешков-выступов между соседними обжатиями.
Формы инструмента — раскаток, применяемых для разгонки, приведены на рис. 117. Между длиной и поперечным размером инструмента выдерживается соотношение в пределах 5—10, что обеспечивает преимущественное течение металла перпендикулярно длине инструмента. Величины удельных усилий со стороны разгоночного инструмента и нижнего бойка на металл обратно пропорциональны площадям проекций соответствующих контакт-
Рис. 117. Раскатки:
а - прямые (прямоугольные), б — круглая; с — овальные, г — фасонная
ных поверхностей, поэтому обжатие при разгонке происходит в основном за счет деформации металла со стороны разгоночного инструмента. Если толщина заготовки значительная (см. верхнюю позицию рис. 116, а), то обжатия по высоте и уширение распространяются не на всю толщину заготовки. Если же заготовка настолько тонка (или предварительно обжата), что при разгонке за один проход инструмент погружается в заготовку не менее, чем на 50% ее высоты, то деформация распространяется на всю толщину заготовки. При этом металл вначале деформируется только со стороны разгоночного инструмента под действием больших удельных сил. Объем физического очага деформации в этот период значительно меньше объема геометрического очага деформации.
На указанной стадии создаются условия для деформации и в остальной части геометрического очага деформации, что происходит под влиянием двух процессов:
1) вследствие некоторого изгиба заготовки боковые ее части приподнимаются и площадь контакта сокращается; это приводит к уменьшению разницы в удельных усилиях со стороны бойка и раскатки;
2) поперечные деформации, создающие растягивающие напряжения в еще не деформированном слое металла, облегчают его деформацию,
216
При разгонке в ширину общее уширенйе складывается из частных уширений при каждом обжатии данного прохода. Это происходит в результате направления подач поперек заготовки и смежного расположения отдельных обжатий.
Деформации при разгонке могут быть рассчитаны так же, как и при протяжке без кантовки. Протяжка без уширения и разгонка являются крайними случаями общего процесса высотного обжатия с разнонаправленными поперечными деформациями.
Образование уступов, выступов, выемок. Для точного распределения металла между отдельными частями поковки заготовку
Рис. 118. Операция пережима и форма применяемого инструмента: а — круглой раскаткой; б — треугольной равносторонней пережим кой. а — треугольной пережимкей с прямым углом, г — фасонной пережим кой с вогнутыми гранями; й- -фасонной дер ежи мной с выпуклыми i ранями, е — полуовальной раскаткой
подвергают разметке (измерительным инструментом или по шаблонам). По размеченным местам наносят углубления, называемые засечками или наметками. Для наметки обычно используется инструмент небольшого размера в виде круглых или угловых раскаток. Затем намеченные углубления увеличивают до высоты уступа, выступа или выемки. Соответствующий инструмент называется пережимками (рис. 118). Профиль пережимок выбирается в соответствии с необходимым контуром уступов или выемок на поковке. Для того чтобы получить односторонний уступ (рис. 119, а), поступают так, как было указано выше, и затем обжимают металл до уровня углубления (на величину ЛЯ). Большая контактная площадь со стороны нижнего бойка обеспечивает низкие удельные усилия, и обжатие совершается только за счет действия верхнего бойка. Аналогично получают двухсторонний уступ (рис. 119, б). В этом случае важно, чтобы деформация была одинаковой со стороны обоих бойков и чтобы оба бойка имели одинаковые размеры рабочей поверхности. Для получения выемки (рис. 119, в) ее размечают, кроме того, намечают в соответствующих местах заготовки углубления, между которыми металл затем подвергается обжатию. Здесь также требуется сосредоточение внешней силы в верхней части заготовки.
217
С этой целью под верхний боек подкладывают плоскую раскатку и этим добиваются преимущественной деформации металла в верхней части заготовки. Получение двух выемок с обеих сторон поковки показано на рис. 119,г.
Если на поковке необходимо получить выступ, то его получают из двух уступов, выполняемых по обе стороны относительно выступа (рис. 119, д). Аналогично получают двухсторонний выступ. На рис. 119, е показана относительно сложная поковка,
Рис. 119. Схема операций образования уступов, выемок, выступов и их комбинаций
откованная в результате образования комбинации уступов, выступов и выемки, причем концы поковки при подкатке получили круглое сечение — участки 1 и 5\ смежно с ними участки 2 и 4 — квадратное сечение при оттяжке; средний участок 3, на котором сверху находится выемка, а снизу — выступ, имеет прямоугольное сечение. Аналогично описанному можно получать поковки с двумя, тремя уступами, двойными выемками и выступами сложной формы.
Размеры и их соотношения для уступов и выемок регламентируются стандартами. Для молотовых поковок (ГОСТ 7829—55) уступы на концах поковок длиной более 15 мм и промежуточные уступы длиной более 10 мм отковываются без упрощения формы поковок (без напусков), если соответствующий размер выступа, прилегающего к рассматриваемому уступу, не менее 40 мм. Для 218
прессовых поковок, согласно ГО<.*Гу 70э2 54, не предусматривается получение уступов и выемок менее 13 мм, если размер выступа, примыкающего к данному уступу, равен 200 мм и более. Выступы и бурты длиной более 45 и 30 мм соответственно отковываются без напусков, упрощающих чертеж поковки. Расчеты для образования уступов, выемок, выступов, буртов, фланцев и подобных элементов поковки основаны на положении о неизмен пости объема металла при деформации.
Передача металла. Эта операция состоит в смещении одной части заготовки относительно другой, причем деформируется металл только в промежутке между ними (рис. 120). В резуль-
Рис. 120. Схема операции передачи металла:
1 — заготовка после наметки и пережима; 2 — заготовка на сдвинутом нижнем бойке; 3 — заготовка после операции передачи
тате передачи ось заготовки становится ступенчатой. Различают передачу металла в одной и двух параллельных плоскостях. При передаче в одной плоскости (рис. 120, а) после наметки и пережима заготовки производят смещение правой ее части относительно левой, неподвижной в плоскости /. Если передача осуществляется на прессе с подвижным столом, то сдвигают нижний боек относительно верхнего. При работе на молоте на нижний боек под заготовку помещают плоскую раскатку или специальную подкладку. Геометрический очаг деформации как объем металла между контактными поверхностями инструмента здесь отсутствует. Физический очаг деформации очень мало развит и представляет собой незначительный объем металла в области сдвига волокон при передаче металла.
219
Передача в двух плоскостях (рис. 120, б) выполняется аналогично передаче в одной плоскости, но между пережимами в плоскостях I и 11 размещается некоторый объем металла, который в основном и составляет физический очаг деформации. Образующаяся шейка обычно является будущей цапфой (например, при изготовлении кривошипных валов). Во время передачи длинный смещаемый конец заготовки нужно подвешивать на цепи при помощи крана и опускать его по ходу передачи. В отсутствии крана пользуются набором подкладок, которые при опускании конца заготовки периодически вынимаются из-под нее. Чтобы избежать вредного действия перерезания волокон, наметку и пережим осуществляют инструментом с большим радиусом закругления кромок. При передаче в двух и более плоскостях перерезание волокон маловероятно.
В процессе операции передачи металла происходит утяжка его в местах, обозначенных на рис. 120 буквой у. Для компенсации утяжки высоту заготовки приходится увеличивать по отношению к поковочному размеру на ~25%. По окончании операции избыточный металл разгоняется, что дает возможность получать ребра поковки с небольшими радиусами закругления [27].
Гибка и другие операции. Операция гибки при ковке па молотах и прессах совершается между подкладными опорами. Эта операция не требует больших усилий и обычно совершается при пониженной температуре (850—950° С). В зоне растяжения при гибке образуется утяжина, для компенсации которой перед' гибкой на заготовке выполняют соответствующее углубление. Если такую подготовку не удается провести, то после гибки поковку приходится дополнительно подправлять. В зоне сжатия могут образоваться складки, избежать которых можно при большом радиусе угла изгиба. Если этот радиус >0,5А/о, то длину заготовки Lv при гибке рассчитывают по средней линии поковки. При меньшей толщине заготовки ее длину определяют как сумму прямолинейных участков поковки; на каждый угол изгиба прибавляют по О,25//о. На обрезку концов поковки добавляется до 3//0 в зависимости от радиуса гибки. Волее подробно процесс гибки рассмотрен в гл. VIII.
Кроме описанных, в кузнечном производстве применяются и другие операции: например, скручивание (при производстве коленчатых валов), окуполивание (при изготовлении резервуаров), сварка и некоторые другие. Значительное количество операций совершается в подкладных штампах. Большинство этих операций рассматривается при описании примеров технологического процесса ковки.
Взаимосвязь условий деформаций при операциях ковки. Как показано выше, ковка характеризуется разнообразием операций.
220
Для обобщенного анализа операций используем следующие характеристики:
1. Геометрическую форму и соотношение размеров заготовки.
2. Форму И соотношение размеров рабочей части ковочного инструмента.
3. Положение заготовки по отношению к направлению действия инструмента.
Эти характеристики позволяют в каждом отдельном случае установить форму геометрического очага деформации, направление наибольшей деформации и граничные условия.
Для осадки вдоль оси заготовки последняя не должна иметь очень большую высоту' (//0 не более трех поперечных размеров £>0 или £>0). Плоский инструмент должен перекрывать заготовку, установленную на торец, у которой боковая поверхность не подвержена внешним напряжениям.
Если заготовка подвергается осадке перпендикулярно оси — поперечной осадке (эту операцию называют также плющением), то должно быть соблюдено соотношение Во < ЗЯ0, где Во — размер вдоль действующей силы; //0 — меньший поперечный размер заготовки. Несоблюдение этих условий приводит к продольному изгибу заготовки из-за потери устойчивости в процессе обжатия. Если ось заготовки находится в горизонтальном положении и имеет место неполное перекрытие заготовки бойком, то происходит осадка части заготовки. При этом свободная боковая поверхность геометрического очага деформации не имеет напряжений. Остальная боковая граница этого очага напряжена, так как оказывается внутри физического очага деформации, поскольку напряжения распространяются и на соседние — внешние части заготовки.
Ряд смежных осадок поперек оси заготовки представляет собой процесс протяжки, при котором исходя из минимума затрачиваемой на деформацию работы целесообразно иметь небольшое уширение. Поэтому величина подачи выбирается меньше ширины заготовки. В противном случае получается чрезмерное уширение, которое, однако, является основой операции разгонки заготовки по ширине.
Частичная осадка вдоль оси заготовки представляет собой процесс высадки. Для осуществления высадки изменяют граничные условия недсформнруемой части заготовки, устанавливая ее плотно в полость инструмента или нагревая деформируемую часть заготовки до более высокой температуры, чем у остальной части заготовки.
Обжатие части заготовки по мере сужения инструмента переходит в рубку кузнечным топором. Начальная стадия рубки применяется для наметки и операции пережима, осуществляемых специальным инструментом. Если уменьшение размера инструмента происходит по двум осям, то он превра-221
щается в инструмент для прошивки — прошивень (или дори для небольшого по размерам инструмента). При рубке всегда целесообразно использовать (если это возможно) тонкий инструмент. Поперечный размер прошивня зависит от ширины необходимого отверстия в поковке. При прошивке границы геометрического очага деформации напряжены, так как находятся в пределах большего по величине физического очага деформации.
Если процесс осадки производить плитами с отверстием, то металл течет по сложной схеме — сжимающая высотная деформация периферийной части заготовки сопровождается деформациями с увеличением размеров в радиальных направлениях и в осевом направлении внутри отверстий (выдавливание металла между плитами и в отверстия осадочных плит). Это операция осадки в кольцах, применяемая для поковок с небольшими осевыми выступами. Если такой выступ относительно большого размера, то он может быть откован протяжкой части заготовки; помещая его в отверстие кольца, можно затем подвергнуть остальную часть заготовки высадке. Таким образом получают поковки, соседние части которых значительно отличаются по диаметру (например, валки).
Если инструмент с отверстием не перекрывает заготовки в процессе деформации, то он внедряется в лее. Это — прошивка пустотелым прошивнем.
Для увеличения диаметра отверстия в уже прошитой заготовке применяют раскатку ее. Эта операция не отличается от протяжки, если представить, что концы длинной заготовки соединены между собой. Для того чтобы происходило увеличение диаметра отверстия при одновременном увеличении наружного диаметра заготовки, меньшая сторона бойка должна быть перпендикулярна оси заготовки. Напротив, для увеличения длины заготовки с отверстием меньшая сторона бойка должна быть параллельна оси заготовки. Это операция протяжки на оправке. В обоих случаях деформация обусловливается преимущественным течением металла перпендикулярно значительно большей стороне инструмента (в направлении наименьшего сопротивления).
Счедовательно, изменяя форму и соотношение размеров инструмента и заготовки, а также положение заготовки относительно направления внешних сил, можно произвести любую кузнечную операцию. Анализ отдельных операций помогает установить взаимосвязь и оптимальные условия деформаций- Изменяя величину обжатия и граничные условия, создавая благоприятные условия для определенной деформации, добиваются необходимого формоизменения заготовки. Так как в основе любой кузнечной операции находится элементарное обжатие, т. е. осадка, то это позволяет использовать данные, относящиеся к ней и для других операций.
222
§ 3. УкОЁНА ПРИ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ*
Деформацию в процессе ковки следует рассматривать не только как способ получения заданной формы поковок, но и как средство улучшения структуры и механических свойств металла. Известное из теории обработки металлов давлением влияние пластической деформации на структуру и свойства металла дает лишь общее представление о результатах деформации. В реальных условиях ковки деформации отличаются большей сложностью. Результат деформации при ковке, естественно, неодинаков для литого металла — слитков и катаного металла — болванок и прутков. Ковка влияет на структуру и свойства различных сталей и сплавов неодинаково. В промышленности используется уже более 500 марок сталей и сплавов. Только при изготовлении автомобиля используется свыше 100 разных марок металлов и сплавов 147 J. Результат ковки зависит также и от способа производства металла на всех его стадиях, качества слитков, а также их величины и способа разливки. Следовательно, сведения о влиянии уковки на структуру и свойства металла при современном разнообразии технологических схем ковки должны иметь конкретно количественный характер. Как известно из теории обработки металлов давлением, ковка в подавляющем большинстве случаев улучшает механические свойства литого металла. Особенно это относится к продольным пробам, и в частности, к показателям ударной вязкости и пластичности. Для углеродистой стали наилучшие результаты дает относительно небольшая уковка (К = 2-:-4). Более значительная уковка характеризуется менее существенным дальнейшим повышением механических свойств, а если судить по поперечным (по отношению к направлению волокна) образцам, наблюдается даже некоторое снижение ранее достигнутых показателей механических свойств металла. Чем чище и однороднее металл, тем при меньших уковках достигаются оптимальные структура и механические характеристики металла в процессе деформации.
Первичная литая структура способствует хрупкости литой стали после относительно небольшой пластической деформации. Причиной хрупкости является недостаточно прочная межкристаллическая связь вследствие скопления примесей по границам зерен и дендритов после затвердевания жидкой стали. У легированной стали эти примеси по границам зерен обогащены карбидами и различными твердыми или легкоплавкими фазами, увеличивающими еще больше склонность литой стали к хрупкости..
При приложении к нагретому металлу деформирующего усилия первичные кристаллы литой структуры дробятся, поворачиваются и вытягиваются в направлении наибольшей положительной деформации. Одновременно вытягиваются и примеси, расположенные на границах зерен и дендритов. В то время как под 223
Рис. 121. Схема перехода литой дендритной структуры в волокнистую в четыре стадии (а—г) по мере увеличения уковки (слева направо — направление наибольшей положительной деформации)
Влиянием ковки и протекающих одновременно процессов рекристаллизации дендриты и зерна преобразуются в равноосную мелкую структуру, примеси остаются вытянутыми в направлении течения металла. Так образуется волокнистая структура или волокно (рис. 121).
Происходящие при ковке литого металла физические изменения металла существенно зависят от знака деформации. В частности, волокно образуется лишь в направлении положительной деформации, т. е. с увеличением размера, причем эта деформация должна быть значительной. При осадке круглой заготовки наибольшей деформацией является деформация сжатия по высоте (см. гл. III), в то время как положительная поперечная (радиальная) деформация или eR составляет лишь часть высотной ( KR = a eR — Однако при осадке получается поперечно-радиальное волокно, но при большей степени деформации, чем при протяжке с кантовкой.
Радиальные пробы из осаженного слитка обладают более вы
сокими показателями пластично
сти, чем пробы, вырезанные вдоль оси слитка. Как уже отмечалось, при протяжке отдельные обжатия также представляют собой процесс осадки (отличающийся на
личием внешних недеформмруе-мых концов), поэтому при протяжке без кантовки для образования типичного продольного волокна требуется повышенная степень деформации. Образование волокна зависит и от величины подач. При протяжке с малыми
подачами уширение невелико, и продольная волокнистость развивается более интенсивно, чем при больших подачах. Создание благоприятных условий для образования ярко выраженной волокнистой структуры обеспечивается двухсторонним обжатием, т. е. протяжкой с кантовкой, причем в этом случае величина подачи большой роли не играет. В этих условиях меньшая поло-
224
ЖиТёльная деформация в направлении уширения чередуется с отрицательной в направлении обжатия по высоте по той же оси, а большая положительная деформация в направлении вытяжки суммируется и получает преимущественное развитие, что обеспечивает появление продольной волокнистости. При операции разгонки можно получить некоторое развитие поперечного волокна, имеющее практическое значение.
Наличие волокна обусловливает анизотропию механических свойств, проявляющуюся кратно углу 90°, т. е. вдоль и поперек волокна, в отличие от текстурной анизотропии, проявляющейся под углом 45°.
В обычных условиях ковки в первую очередь претерпевает изменения зона смешанной структуры слитка (центральная зона). Поэтому при протяжке с малыми уковками (KL < 2) волокнистое строение наблюдается только в середине деформируемого слитка. В периферийной зоне обнаруживаются еще остатки литой структуры в виде дендритов и их обломков, повернутых в той или иной степени в направлении преимущественного течения металла.
Причиной появления в начале волокнистости в средней части обрабатываемого слитка является зонообразование в деформируемом объеме, характеризующееся наличием максимальной деформации в средней части очага деформации обжимаемой заготовки.
Лишь большая уковка, примерно свыше 5—8, создает ярко выраженную волокнистую структуру но всему сечению заготовки. Значения уковки, при которой волокнистая структура распространена по всему сечению заготовки, в значительной степени колеблются, в частности, они зависят от марки стали (чем леги-рованнез сталь, тем большая уковка необходима для получения волокнистости), размеров слитка и структурного строения металла.
Известно, что если крупный слиток деформируется малыми обжатиями, например на оборудовании небольшой мощности или с малой энергией удара, то пластической деформацией охватывается преимущественно периферийная зона слитка, т. е. та, которая в обычных условиях ковки составляет область затрудненной деформации. В этом случае волокнистая структура обнаруживается в первую очередь на периферии слитка. Здесь образуется мелкое зерно, а в центре остается недеформированная литая структура. Это можно часто наблюдать и при ковке небольших слитков, но из труднодсформируемых высоколегированных сплавов.
Образование волокна в первую очередь на периферии слитка противоречит обычной схеме распределения деформаций по сечению слитка. Казалось бы, что существуют условия и для промежуточного положения, когда волокно образуется при относи-15 я М. Охрименко 597 225
тельно небольших уковках одновременно По всему сечению. Но всей вероятности, такие условия могут быть созданы лишь в частном случае.
Недостаточные обжатия, которые обеспечивают вначале проковку металла периферии и образование волокна в ней, пе являются убедительным объяснением описываемых явлений. Из-
вестно, что ковка квадратных слитков и осадка цилиндрических заготовок сопровождаются образованием зон затрудненной деформации вблизи контактной поверхности и локализацией деформации d средней части заготовок, даже если обжатия незначительны.
При ковке многогранных и круглых слитков их форма обеспечивает при малых обжатиях сосредоточение внешней силы на малой контактной поверхности, что при небольших обжатиях нс может вызвать деформации по всему сечению. Это и обусловливает преимущественную периферийную деформацию.
Рис. 122. Распределение обжатия по высоте поковки вдоль оси симметрии очага дефор-
нации:
с — осадке; б — протяжка полосы при —=^-=0,24-п
С,3, 6 — рубка [33]
Другим примером локализации деформации вблизи контактной поверхности при ковке ударами недостаточной энергии являются деформации при рас
клепывании стержня в головку Явление расклепывания, хотя известно и используется в промышленности уже давно, до сих пор теоретически недостаточно
изучено.
Вопрос о роли сосредоточения усилия на малой контактной поверхности (применительно к деформации заготовок большой высоты) подробно рассмотрен И. Я. Тарновским и В. Н. Трубиным (рис. 122). Прямая линия / характеризует распределение деформаций по высоте при геометрически равномерной осадке. Кривая 2 соответствует осадке при малом значении, а кривая 3 — при большом значении отношения -% и той же 35%-ной осадке. Кривая 4 отвечает 35%-ному обжатию при наличии недеформируемых 226
концов п при малой величине отношении В средней части поковки уменьшение деформации, наметившееся на кривой 2, значительно более ярко выражено на кривой 4 (здесь точка минимума кривой немного превышает 10% деформации). Кривая 5 относится к деформации настолько узким бойком, что его можно уподобить топору при рубке. В этом случае величина еще меньше, и в средней части поковки (см. заштрихованную область)
Рис. 123. Изменение механических свойств углеродистой стали в зависимости от степени обжатия (уковки):
с — образцы с продольным и б — с поперечным расположением волокон
Коэффициент умВки
Рис. 124. Влияние степени обжатия (уковки) на механические свойства хромоникельвольфрамовой стали вдоль и поперек волокна
деформация совсем отсутствует. Эти результаты хорошо иллюстрируют условия локализации деформации в различных местах поковки по высоте в зависимости от соотношения очага деформации.
Вопросу об изменении, механических свойств поковок в зависимости от уковки в различных направлениях относительно волокна посвящено значительное количество работ. В частности, Н. И. Корнеевым и И. Г. Скугаревым изучены общие закономерности для углеродистой стали (рис. 123) и высоколегированного сплава (рис. 124).
Как показывают исследования, в начале ковки механические свойства металла вдоль и поперек волокна увеличиваются до уковок 2—4. Затем механические пластические свойства и ударная вязкость вдоль волокна продолжают значительно повышаться до уковок 10—15, а затем повышаются весьма незначительно.
15® 227
Пластические свойства, ударная вязкость и предел выносливости поперек волокна после достижения максимальных значений при уковке 2—4 интенсивно снижаются вплоть до уковок 10—15, а затем продолжают уменьшаться, но незначительно. Показатели статических прочностных свойств (ой и ог) после некоторого первоначального повышения при уковках = 2-: 2,5 затем изменяются незначительно при увеличении уковки (в пределах 3—7%) как вдоль, так и поперек волокна. Различие в свойствах вдоль и поперек волокна зависит от качества металла; в частности, это различие больше у сталей с содержанием 0,05% Р и 0,06% S и меньше при более низких содержаниях примесей.
Наблюдается также различие в механических свойствах на периферии и в центре кованой заготовки вследствие химической неоднородности исходного слитка. Значения о„ и от периферии к центру уменьшаются незначительно, напротив, значения б, ф — значительно, причем поперек волокна более интенсивно, чем вдоль. При исследовании механических свойств поковки из хромомолибденовой стали, изготовленной из слитка массой 56 т, было установлено, что ф„ру(} падает от периферии к центру на 36%, Ьпров — на 26%, фпопг₽ст —на 54%, 6„опере, — на 36%.
Известно, что при ковке сильносегрегированной стали 2,5— 3-кратная уковка повышает показатели удлинения и поперечного сжатия литой стали едва на 10—15%, а ударная вязкость может снизиться. По данным И. Л. Миркина, для конструкционной углеродистой стали увеличение неметаллических включений на 1 балл приводит к снижению поперечного сжатия на 10%.
По данным Кулетта (рис. 125), пластические свойства углеродистой стали существенно зависят от степени ликвации, если судить по -поперечным и продольным образцам. Наилучшим свойствам соответствуют относительно небольшие коэффициенты уковки (—2). Особенно большому снижению с увеличением ликвации подвержены показатели поперечного сжатия п удлинения для поперечных образцов. Для рассмотрения указанного явления можно использовать график на рис. 53, на котором даны характеристики ковкости различных металлов. Предполагая различные сочетания по прочности и пластичности металла, представляемого в виде пучка волокон или совокупности слоев, можно для анализа составить шесть различных сочетаний (1 — I и II, 2—I и III; 3 — I и IV; 4 — II и III; 5 — II и IV; 6 — III и IV). Рассмотрение их показывает, что для образцов, вырезанных вдоль волокна, пластичность металла определяется более хрупкой составляющей независимо от того, прочна она или нет. Прочность этих образцов определяется суммарной прочностью волокон (слоев).
Для образцов, вырезанных поперек волокон или слоев, пластичность во всех сочетаниях определяется более хрупкой составляющей, кроме сочетания I и IV, при котором в металле имеются 228
хрупкие, но прочные слои наряду со слоями весьма пластичными, но непрочными. Если первые слои настолько прочны, что вообще не вступают в деформацию, то пластичность исчерпывается за
Рис. 125. Зависимость пластических характеристик углеродистой стали (0,4% С) от величины уковки:
л — поперечные и б — продольные образцы; масса слитков 12 000, 63 000, ИО ООО кг; термическая обработка образцов. —— нет ликвации; — — — — умеренная и- — -—.™ сильная ликвация
счет деформации непрочных, но высокопластичных слоев. Прочность этих образцов определяется сопротивлением деформации менее прочных слоев или волокон.
229
Оптимальная величина уковки с учетом анизотропии механических свойств вдоль и поперек волокна зависит от направления наибольших напряжений, возникающих при работе детали, изготовляемой из данной поковки.
Н. И. Корнеев п И. Г. Скугарев для ковки легированной стали установили, что: 1) если наибольшие напряжения при работе детали нс совпадают с продольным направлением волокна, то оптимальной является уковка, равная 3—4,5; 2) если наибольшие напряжения почти совпадают с продольным направлением волокна, уковка равна 5—6; 3) если наибольшие напряжения совпадают полностью с продольными направлениями волокна, общая оптимальная степень обжатия соответствует 10-кратной и более 136].
При уковке 2,5—6 в крупных кованых заготовках наряду с волокнистой структурой могут наблюдаться остатки литой структуры с неориентированной волокнистой структурой. Однако такая сталь обычно обладает удовлетворительными механическими свойствами.
Чем однороднее химические и физические свойства слитка, тем более однородными они оказываются в поковке. Однородность металла слитков существенно зависит от их массы. По данным упомянутых выше авторов слиток массой 650 кг является наилучшим исходным материалом для изготовления поковок вследствие хорошего качества его литой структуры.
При сравнении механических свойств слитков различной массы установлено, что для получения оптимальных механических свойств в продольном направлении достаточная уковка составляет следующие величины:
Масса слитка .
в т .... I 1
Кь..........| 2.5 | 2,7
Более высокая уковка слитков из углеродистой и среднелегированной конструкционной стали протяжкой практически нс изменяет продольные и снижает поперечные свойства.
Применение минимальных коэффициентов уковки при протяжке дает возможность использовать для поковок слитки меньшей массы или удлиненные слитки, что повышает качество поковок за счет улучшения металлургических характеристик слитка и снижает трудоемкость изготовления поковок.
По данным И. Г. Соколова для удлиненных слитков, имеющих отношение длины слитка к среднему диаметру, равное 4, условия кристаллизации стали по периферии и в сердцевине относительно одинаковые. При этом слитки получают более однород-230
иую структуру, наиболее чистую по дендритной и зональной ликвациям. Вследствие этого необходимая величина уковки для удлиненных слитков может быть снижена до 2,5—2,7 но сравнению е необходимой для обычных слитков 4--4,2 186].
Для получения требуемых коэффициентов уковки при относительно малых исходных сечениях слитка часто вводят операцию осадки. Осадка при последующей протяжке не уменьшает анизотропии механических свойств вдоль и поперек волокла. Осадка существенно уменьшает разницу в механических свойствах вдоль и поперек волокна, когда ковка ведется по схеме протяжка—осадка—протяжка при KL < 3 на последней операции.
В. Н. Трубиным и другими авторами 133] установлено, что при ковке поковок валов промежуточная осадка для повышения механических свойств металла целесообразна лишь в тех случаях, когда при протяжке слитков не может быть достигнута уковка, равная /<£ > 2,5. Однако после осадки для обеспечения относительно высоких механических показателей на продольных образцах необходима протяжка при KL > 2,5—3.
Операция осадки в значительной степени воздействует на литую структуру. Как и при протяжке, изменение литой структуры при осадке зависит от условий проведения процесса. В частности, осадкой литого сплава ЭИ765 можно получить мелкое равноосное зерно при уковке более 1,6 (т. е. —40%) и при температуре деформации выше температуры рекристаллизации.
В технических условиях для поковок типа турбинных дисков оговариваются механические свойства в тангенциальном и радиальном направлениях, в которых при работе дисков действуют наибольшие напряжения. При этом решается вопрос о необходимой степени протяжки перед осадкой и величине степени осадки для получения необходимых свойств в тангенциальном и радиальном направлениях. Именно в этом случае, т. е. при изготовлении поковок типа дисков, одной протяжкой не удается получить удовлетворительные свойства в тангенциальном направлении.
И. Г. Геперсоном проводились исследования механических свойств экспериментальных дисков из сталей 45 и 40Н, откованных с различными коэффициентами уковки при протяжке и осадке, результаты которых были проверены в производственных условиях на дисках, откоканных из сталей 45, 4011, 34ХМ и 34XH3M [13 J.
Было установлено, что на механические свойства в тангенциальном и радиальном направлениях в основном оказывает влияние коэффициент уковки при осадке. При Kfl > 3 для дисков можно ограничиться коэффициентом уковки при протяжке
~ 1,1—1,2. Такая величина уковки при протяжке несколько снижает характеристики пластичности в осевом направлении. Повышение коэффициента уковки при осадке снижает значение показателей пластичности в осевом направлении при всех приме-
231
йявшихся коэффициентах уковки (до пяти) и не влияет на Проч1 постные характеристики.
В макроструктуре дисков даже при максимальных значениях коэффициентов уковки при протяжке и осадке 5,0 и 5,4 соответственно наряду с волокнистой структурой наблюдаются остатки дендритов, но металл таких дисков обладает удовлетворительными механическими свойствами.
По мнению некоторых специалистов осадка как вспомогательная проковочная операция дает тем больший эффект, чем ближе к концу технологического процесса она выполняется.
В заключение данного раздела следует рассмотреть результаты ковки высоколегированных малопластичных и трудноде-формирусмых сплавов, к которым относятся, в частности, жаропрочные сплавы.
Отличительной особенностью этих сплавов является весьма узкий температурный интервал ковки (100—200° вместо обычных 300—500°) и высокая температура рекристаллизации, которая протекает очень медленно. Малая продолжительность горячей обработки еще больше уменьшает возможности рекристаллизации сплава, в результате ковка таких сплавов оказывается ближе к полугорячему процессу. Незавершенность рекристаллизации (полностью проходит лишь процесс возврата) приводит к исчерпанию пластичности при относительно небольших деформациях. Образующиеся многочисленные внутренние и наружные надрывы служат источником концентрации напряжений при следующих обжатиях, в результате чего сплав становится хрупким. Низкопластичные сплавы очень чувствительны к неравномерности деформации, к совпадающим положительным деформациям и напряжениям, плохо переносят локализацию деформации и, в частности, повышенную сдвиговую деформацию. Низкая теплопроводность сплава вызывает большие тепловые напряжения, которые становятся опасными даже в результате охлаждающего действия со стороны инструмента. Особенно большие трудности связаны с первой стадией ковки, когда необходимо раздробить грубое дендритное строение сплавов 169].
В связи с отмеченными особенностями малопластичных и труд-нодеформируемых сплавов ковку их осуществляют при тщательном соблюдении механических и тепловых режимов, которые разрабатывают с учетом возможных осложнений при ковке [191.
Для улучшения условий ковки (в частности для уменьшения неравномерности деформации) применяют смазки инструмента или обмазку слитков специальными покрытиями, уменьшающими теплоотдачу от металла, снижающими контактные силы трения и защищающими сплав от повышенного окисления. Вместо обмазки применяют также аэрографическое нанесение наст и металлизированных покрытий на поверхность обрабатываемого металла.
232
Для уменьшения опасных растягивающих тангенциальных деформаций при осадке заготовок применяют деформацию в обоймах. Заготовка, заключенная в массивную обойму, нагревается с ней вместе и проковывается при наличии боковых подпирающих сил со стороны обоймы. Лабораторные опыты показывают целесообразность применения бочковатых обойм, тогда при осадке сердцевина заготовки выпучивается в менылей степени, чем при обычной обойме, и деформация протекает с незначительной неравномерностью. В ряде случаев вместо обойм (их нужно после ковки распиливать) целесообразно применять нагретые до 900— 1000я С торцовые подкладки из недорогостоящего металла (например, из углеродистой стали). При регулировании толщины подкладок и их температуры можно добиться минимального бочкообразования и высокой степени однородности металла. Однако торцы заготовки при этом оказываются вогнутыми; для устранения этого необходимо дополнительное выравнивающее обжатие заготовки без прокладок. Применяют прокладки толщиной (0,07- 0,1) Ну при - 1,5 -3 и (0,1 z-0,12) Но при - 3 - 5. При ковке малопластичной стали применяют высокий подогрев бойков. Оптимальной температурой нагрева бойков считается 250—350° С, высоким подогревом — до 500 — 600е' С и до более высоких температур (но более низких, чем температура отпуска инструментальной стали).
В случае протяжки малопластичной стали слитки обычно куют на квадрат. При этом стремятся получить правильную форму квадрата, так как даже слегка ромбическое сечение вызывает разрушение заготовки от сдвиговых деформаций (под углом 45°). Еще опаснее обжатие путем нажима на ребра заготовки. Если ромбическую заготовку удается обжать без кантовки на пластину, то затем после кантовки на 90° и обжатия профиль восстанавливается. Ковка через пластину позволяет заварить внутренние дефекты, образующиеся при отливке слитков; при протяжке с квадрата на квадрат ребра заготовки целесообразно сбивать (слабыми ударами на 10—15 мм), чтобы избежать их быстрого остывания, растрескивания и образования больших трещин.
Если при обычной ковке слитков образующиеся трещины имеют поверхностное происхождение и распространение, то практикуют предварительную обдирку слитков. Эта малопроизводительная и трудоемкая операция удорожает продукт и увеличивает расход металла на его изготовление, поэтому применяется в очень редких случаях.
Вместо обычного биллетирования для устранения конусности н ребристости слитков иногда применяют их продавливание через матрицу (по схеме прямого прессования, см. гл. VI, раздел 7). Ярко выраженная схема всестороннего сжатия способствует повышению пластичности на первой стадии деформации, 233
и тогда в дальнейшем металл можно проковать более успешно. Однако продавливание через матрицу требует применения громоздкого инструмента, а иногда и специального оборудования.
Для увеличения продолжительности процесса ковки в узком интервале температур могут быть применены трубчатые (например, алюминиевые) рефлекторы, называемые замедлителями охлаждения металла (см. рис. 69). Время остывания заготовки может быть увеличено в 1,4—2,6 раза по сравнению с остыванием на воздухе, что сокращает число выносов и расход тепла, а тепловой режим ковки приближается к изотермическому. Эффективность
Рис. 126. Ковочный крест, образовавшийся при протяжке с квадрата на квадрат сплава 1Х18Н9Т f 1© J:
а, б. л — стадии образования ковочного креста применения замедлителей остывания увеличивается с возрастанием длины протягиваемом заготовки. Для коротких заготовок их применять нецелесообразно 160 J.
При ковке дорогостоящей высоколегированной стали, склонной к трещи необразован ию, приходится ориентироваться на небольшие (безопасные) обжатия и относительные подачи, не считаясь со снижением производительности работы. Частые и сильные удары молота вызывают разогрев металла, что может сопровождаться даже расслоением его по месту локализации тепловых выделений. Обычно таким местом является область так называемого ковочного креста, распространяющегося на поперечное сечение заготовки, иод углом 45° к контактной поверхности (рис. 126). Эта крестообразная область, в которой действуют максимальные скалывающие напряжения, является объектом разрушения малопластичной стали. Образование ковочного креста подробно изучено В. Ф. Лошкаревым, М. Я. Дзугутовым и др. Установлено, что”в центральной части ковочного креста деформация может в 1,5—2 раза превышать среднюю по сечению. Схема образования ковочного креста (рис. 127) разъясняется при рассмотрении искажений координатной сетки в поперечном сечении. Первое обжатие (рис. 127, а) приводит к вогнутости гори-234
ЗоНтальиЫх линий в Направлений к оси заготовки (т. ё. в направлении обжатия по высоте) и вертикальных липин — в направлении от оси заготовки (т. е. в направлении поперечной деформации). После кантовки (рис. 127, б) выпуклость линий аЬ и cd становится обратной, т. е. вдоль горизонтали расположены выпуклые линии от оси, а по вертикали — выпуклые в сторону оси. При втором обжатии происходит аналогично предыдущему искажение линий в направлениях, противоположных выпуклости (ррс. 127, б).
Рис. 127. Схема образования ковочного креста в поперечном сечении протягиваемой заготовки:
а — первое обжатие, б — кантовка и второе обжа i не. в - кантовка н третье обжиги?, г — сечение протянутой болванки многоступенчатого вала 133]
Третье обжатие после очередной каптовки (рис. 127, в) вновь изменяет направление выпуклости линий в их средней части. В результате после протяжки получается искаженная сетка (рис. 127, г), у которой наибольшее изменение углов соответствует диагоналям поперечного сечения. Исключение составляет центральная область сечения, где осевая и поперечная липин по-прежнему пересекаются под прямым углом.
При исчерпани-й деформации в области коночного креста трещины обычно располагаются в одной пли обеих диагональных плоскостях вдоль оси заготовки. Ковочный крест развивается с увеличением числа каитовок и обжатия тем интенсивнее, чем больше отношение подачи к высоте сечения. Поэтому при обработке малопластичной стали рекомендуется брать отношение Ct .
С 1. По рекомендациям И. Я- Тарповского для ковки спла-вов (безотносительно к химическому составу) оптимальная 235
Ьёличина этого отношения, исходя из условий неравномерности деформации и анализа механических схем ковки, находится в пределах 0,8 > > 0,5.
В процессе ковки большое значение при заварке трещин и пустот имеет их ориентирование. Заковка и заварка дефектов, ориентированных в направлении действующей силы, происходит при большей степени деформации, чем дефектов с поперечным ориентированием; при этом имеет значение и местоположение дефектов. Вследствие высотной неравномерности деформации заковка и заварка дефектов, расположенных в средней части заготовки, происходит при меньшей степени деформации, чем при расположении дефектов в области зон затрудненной деформации. На заковку и заварку дефектов оказывает влияние величина боковых подпирающих сил в схеме напряженного состояния. Чем больше боковые сжимающие напряжения, тем раньше устраняются внутренние дефекты. Для заварки внутренней трещины, расположенной в данной плоскости, необходимо, чтобы происходила деформация сжатия в перпендикулярном к ней направлении и действовало сжимающее напряжение. С этой целью применяют обжатие слитков, подстуженных с поверхности. Наружный слой металла, более холодный, чем сердцевина слитка, играет роль обоймы. Для заварки внутренних трещин достаточно обжатие, равное 7—8%.
При прочих равных условиях на закрытие дефектов влияет форма осадочных плит. Как уже указывалось, в цехах применяют плоский (на молотах и прессах) и вогнутый осадочный инструмент — плиты (на прессах), а в последнее время и выпуклые плиты. Вогнутые плиты (см. рис. 85) создают большую неравномерность деформации, чем плоские, так как горизонтальные составляющие внешних сил у вогнутых плит, складываясь с силами трения, также направленными к оси заготовки, увеличивают объем и жесткость зон затрудненной деформации. Для закрытия дефектов, находящихся в этих зонах, требуется повышенная степень деформации. Исключение составляют заготовки большой высоты (<. 0,6, Y у которых закрытие дефектов в приконтакт-\ *4) /
ных зонах наступает раньше, чем у зон, расположенных в середине заготовки, так как в первой стадии осадки последние дефекты увеличиваются в поперечном сечении [33].
Вогнутые плиты при осадке заготовок с отношением > 1 приводят к снижению степени деформации, необходимой для заковки и заварки дефектов, расположенных в центре. Высотная деформация в закрытии дефектов играет доминирующую роль. Выпуклые плиты в условиях значительного трения приводят к примерно одинаковой радиальной деформации по высоте, что 236
создает равные условия для закрытия дефектов в разных местах но объему, но степень деформации для закрытия дефектов в данном случае повышается. На рис. 128 показан график, отражающий закрытие дефектов различной величины в зависимости от формы рабочего профиля осадочных плит и местной степени
Рис. 128. Зависимость местной степени деформации необходимой для полного закрытия дефекта, от относительной высоты дефекта -у£- при осадке на плитах Т'о
различной формы;
О — плоские идти; • — плоские, нижняя плита с отверстием: п — плоские (осадка со смазкой); X — вогнутые сплошные; Д — вогнутые, нижняя плита с отверстием.
+ — выпуклые плиты; ho — высота дефекта; На — высота заготовки [331
деформации при осадке. График показывает, что дефекты до 2% от высоты заготовки закрываются при местной степени деформации, равной —30%, тогда как крупные дефекты, достигающие 6, 8, 10%, —лишь при 60—70% местной деформации.
§ 4. СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ
Ковка должна осуществляться в соответствии с детально разработанным технологическим процессом. Примерная последовательность этапов разработки технологического процесса ковки следующая:
1. Техническое и экономическое сопоставление возможных вариантов ковки и ориентировочный выбор способа ковки.
2. Составление чертежа поковки по чертежу детали.
3. Определение объема и массы заготовки (слитка) по чертежу поковки с учетом отходов металла, получающихся при изготовлении поковок.
237
4. Установление величины необходимой уковки и определение соответствующих размеров заготовки (слитка).
5. Определение вида, количества и последовательности кузнечных операций для изготовления поковки, а также выбор или конструирование соответствующего инструмента.
6. Разработка теплового режима нагрева, подогрева заготовки и охлаждения поковки.
7. Установление типа и размера оборудования для ковки.
8. Расчет состава рабочей бригады и норм времени на ковку.
9. Разработка мероприятий по технике безопасности работы и охране труда.
10. Определение себестоимости производства поковок.
Разработка технологического процесса в условиях проектной организации и завода имеет некоторые отличия. При составлении проекта цеха учитываются необходимость использования новейшего производительного оборудования, соответствующее размещение его с целью механизации, высокая загрузка всех используемых машин, минимальная себестоимость, получение поковок высокого качества и т. п.
Технолог, разрабатывающий процесс изготовления поковок в условиях завода, должен учитывать наличие данного вида оборудования, его мощности, существующие схемы организации рабочего места, квалификацию рабочих и другие конкретные обстоятельства данного предприятия. Однако и перед технологом завода стоит задача получить возможно большую производительность, высокое качество и минимальную себестоимость продукции при обеспечении условий техники безопасности на рабочем месте.
Прежде чем приступить к разработке технологического процесса, необходимо установить, каким способом будет изготовляться данная поковка. Во многих случаях этот вопрос решается без каких-либо расчетов. Если масса и габаритные размеры поковок превышают допустимые для штамповки, то ковка их неизбежна. При меньшей массе поковок решающим фактором является серийность производства (заданная программа или величина заказа на поковки), причем если серийность исчисляется многими сотнями изделий, то может быть применена штамповка, а если десятками, то ковка. Дополнительным фактором является конфигурация поковок, сложность которой учитывается при уточнении принятого варианта разработки. С этой целью используются классификации поковок по их форме. Когда недостаточно ясно, какой из процессов следует принять, приходит на помощь расчет так называемых критических серийностей, который в каждом отдельном случае уточняет границы серийности для наиболее целесообразных технологических решений (см. гл. XI).
Приступая к разработке технологического процесса ковки, прежде всего технолог устанавливает вид исходной заготовки для данной поковки (слиток или катаная заготовка) и тип обо-238
рудования (пресс или молот). Определяющим признаком при этом служит масса поковки. Для поковок массой до нескольких сот килограммов применяются блюмы и катаные заготовки (см. § 1 гл. П), причем куют их на молотах с массой падающих частей от 100 кг до 7 т. Поковки типа гладких валов могут быть откованы на молотах из слитков углеродистой стали массой до 1000—-1500 кг. Слитки массой от 200—500 кг из высоколегированных сплавов, в частности из тех марок стали, которые отличаются лучшими результатами при динамической обработке давлением, также подлежат ковке на молотах. Более тяжелые слитки куют на гидравлических (или парогидравлических) прессах усилием от 6 Мн (600 т) до 150 Мн (15 000 т).
В отдельных случаях при выборе способа ковки прибегают к технико-экономическому анализу вариантов технологии. Для определения целесообразности применения при ковке подкладных штампов или специального (не универсального) инструмента, приспособлений, дополнительных средств механизации и т. п. необходимо произвести экономический расчет (см. гл. XI).
Когда технологический процесс уточнен, технолог разрабатывает чертеж поковки по эскизу детали и таблицам припусков, допусков и напусков. Эти данные берут из соответствующих ГОСТов (7899—59 для поковок, изготовляемых на молотах, 7062—54 — изготовляемых на прессах), в которых поясняется техника нахождения указанных величин, определяющих точность размеров поковок и объем металла, подлежащего снятию в стружку. У некоторых поковок механической обработке подвергается вся поверхность, у других только часть ее.
Механическая обработка поковок назначается для устранения дефектного слоя металла (снятия припусков); удаления лишнего металла в тех местах, где форма поковки не соответствует форме детали (удаления напусков); обеспечения заданных размеров детали и чистоты обработки поверхности. В дефектном слое металла могут быть раковины или вмятая окалина, обезуглероженный металл, поверхностные трещины и складки. К числу погрешностей обработки, вызывающих необходимость назначения припусков на поковки, относят искажения геометрической формы поковки (перекосы, сдвиги, разнотолщинность, разностепность, неровности поверхности, коробление и другие, зависящие от оборудования, инструмента и теплового воздействия на металл). Указанные дефекты и погрешности частично могут быть взаимно компенсированы, так что в общем случае припуск на механическую обработку меньше суммы отдельных составляющих, определяемых расчетом. Узкие и небольшие уступы, выступы малого радиуса и т. п. не воспроизводятся, в связи с чем появляются напуски, упрощающие форму поковки в виде некоторого слоя металла, который так же, как и припуск удаляется в стружку.
23р
Для иллюстрации структуры припусков и допусков на поковки приводится схема (рис. 129), на которой припуски П и допуски Д отнесены условно к одной стороне поковки. Расчетные припуски и допуски устанавливаются в промышленности двумя способами. При первом способе (рис. 129, а) так называемый односторонний допуск Д характеризует разность между максимальным размером £)2 и минимальным размером /Д поковки. В рассматриваемом случае номинальный размер поковки соответствует ее размеру без допуска; при этом номинальный размер поковки совпадает с минимальным и получается прибавлением к размеру D
детали величины припуска П‘, т. е. DH L)j - D + |- П'. Припуском в данном случае является м и-нвмальный слой металла, удаляемый * при механической обработке. Фактический припуск Пф больше, так как в стружку, помимо металла припуска, входит слой металла, отвечающий
Рис. 129. Две системы назначения припусков П и допусков Д поковок
в каждом отдельном случае допускаемому' отклонению размера от номинального Пф — П + (0 Д). При изменении допуска от 0 до величины Д размер поковки изменяется от Д, до Д2.
При втором способе (рис. 129, б) пользуются так называемыми двухсторонними допусками; при этом весь диапазон допускаемых отклонений размеров поковок делят на две части. Одна часть допуска (Д2 — верхнее отклонение или плюсовой допуск) при прибавлении к номинальному размеру' DH дает максимальный размер поковки £>2 = DH + Д2. Вторая часть допуска (Д-ц — нижнее отклонение или минусовой допуск), вычитаемая из номинального размера, дает минимальный размер поковки Di = DH — Дг. Фактический припуск при этом изменяется в пределах от П — Дг до 11 + Д2. Если Дг = Д2, то система двухсторонних допусков называется симметричной, в противном случае — несимметричной.
При двухсторонних допусках величина припуска П больше П' на величину нижнего отклонения допуска Д,. Оба способа установления допусков применяются в промышленности, поэтому, сопоставляя припуски, нужно отличать величины припуска ГГ односторонней системы допусков от припуска П двухсторонней системы допусков. ГОСТы составлены по двухсторонней системе допусков, но в отдельных заводских нормалях имеются и односторонние допуски. Из сопоставления обеих систем допусков 240
следует, что для расчетов припусков и полей допусков целесообразно пользоваться односторонней системой, в которой припуски и допуски являются истинными величинами. Для наладки и контроля процесса изготовления поковок более удобна двухсторонняя система допусков. При пользовании ГОСТами следует иметь в виду, что в них приведены наибольшие величины припусков и допусков. Таким образом, ГОСТы не допускают лишь превышения определенных величин припусков и допусков, однако возможность их уменьшения при условии получения годной детали после механической обработки обязательно нужно учитывать при разработке технологического процесса.
Рис. 130. Чертеж поковки с
припусками, допусками и напусками
При вычерчивании поковки пользуются обычными правилами технического черчения; отличия состоят в том, что внутри контура поковки обозначают более тонкими сплошными линиями эскиз детали. Ниже каждого размера поковки в скобках ставят размер детали, а справа от размера поковки — допуски (±Д).
На рис. 130, а приведен эскиз детали (многоступенчатый вал) с припусками согласно ГОСТу 7829—59 для поковок, изготовляемых из углеродистой стали ковкой на молотах. Допуски определены на все размеры вала по диаметру и на общую его длину. При проверке возможности отковки уступов (по тому же ГОСТу) было установлено, что короткие концевые уступы / и II отковке не подлежат, поэтому в этих местах предусмотрены напуски (рис. 130, б).
По чертежу поковки определяют ее объем, разбивая чертеж поковки на части, простые по форме, а затем и ее массу. Общая масса заготовки (слитка) С получается как сумма
G = Gnnri + Go5. + Ge I- Gyl + Gnp b Ga, (49}
где — масса поковки;
G„<-„. —• масса отхода на обсечки (0—5%);
Ge — масса выдры (8—12%);
Gt/, — масса отхода на угар (~2% при нагреве и 1,25% при подогреве заготовки);
16 Я. М. Охрименко 597 241
Gnp— масса прибыльной части слитка (20—25% для углеродистой и 25—35% для легированной стали);
G$ — масса донной части слитка (5—7% для углеродистой и 7—10% для легированной стали).
При ковке поковок из катаного металла последние два составляющих равенства отсутствуют. Как уже отмечалось, прибыльная и донная части слитка, составляющие наибольшую величину в общих отходах при ковке слитков, являются в действительности отходами не кузнечного, а сталеплавильного производства.
По массе поковки и отходов определяют размеры заготовки или слитка. Считок приходится выбирать из нормального ряда по размерам, равным расчетным, либо ближайшим большим. В последнем случае у слитка появляется так называемый годный остаток. Если из этого остатка не удастся изготовить какую-либо поковку, то он идет в переплав и должен быть включен седьмой составляющей в сумму равенства (49). Данные, необходимые для расчета отходов на обсечки, угар и пр., можно найти в специальных справочниках, например в [861 или в заводских нормалях. Эти данные составляются с учетом типа стали, массы слитков, способа нагрева металла и т. п. Для приблизительных расчетов отходов при ковке из блюмов, слябов и прутков суммарные потерн металла учитываются расходным коэффициентом тогда расчет необходимого количества металла производится по формуле
G = Крвпок. (50)
Значение величины Кр - приведено в табл. 29. Нетрудно видеть, что расходный коэффициент является обратной величиной коэффициента выхода годного при ковке поковок Действительно, обозначив через Gorav массу отходов, получим . G — Сопи __________________________ Спск
•Inwr G “ G ’
откуда
/<Р =
'Jnotc slr(UK
По найденной массе заготовки можно установить ее исходные размеры с учетом тех величин уковки, которые должны обеспечить наилучшие механические свойства металла поковки. Трудности здесь состоят в том, что обеспечить одинаковую уковку в различных частях поковки сложной формы обычно не уда'ется. Однако в большинстве случаев и требования к различным частям детали в соответствии с выполняемыми ими функциями также неодинаковы. Тогда выделяют наиболее ответственную часть детали и рассчитывают для нее оптимальную уковку; при этом остальные части детали получают уковку, большую или меньшую 242
7'аблица 2s>
Величины расходных коэффициентов и коэффициентов выхода годного при изготовлении поковок из прокатанного металла (по В. В Керекешу)
№ группы поко-пок Изготовление поковок КР Ъппк
1 Без обсечки (фланцы глухие, круглые,
овальные, пластины, кубики) 1,2—1,03 0,97-0,98
2 Протяжкой с последующей гибкой в специальных приспособлениях (скобы, вилки) 1,03 0,97
3 Осадкой с последующей разгонкой полотна или подсадкой кольцом (шестерки, фланцы, муфты, крышки) 1.03 0,97
4 С помощью клиновых накладок (клинья, шпонки) 1,05—1,09 0,92- 0.95
5 Протяжкой; длипноосные одинакового сечения по длине (валы, бруски, планки, стержни) 1,06—1,08 0,92—0,94
6 Протяжкой, с односторонними уступами (двухступенчатые валы, валы с фланцами, болты) 1,07—1,09 0,92—0,93
7 Протяжкой, с двухсторонними уступами (многоступенчатые валы, прямоугольные бруски с уступами) 1,08 1,1 0,91—0,92
8 Осадкой с последующей прошивкой, раскаткой, протяжкой на оправке (кольца, втулки, обечайки) 1,10—1,12 0,8—0,9
9 С обсечкой краев (секторы, державки, кулисы, собачки) 1.09-1,12 0,8—0.92
установленной, но достаточную для ликвидации литой структуры при ковке.
На практике распространен способ расчета размера заготовки по минимальной уковке, необходимой для наибольшего сечепия поковки. Если поковка с наибольшим сечением F„]ax получается протяжкой болванки, то при минимальной уковке исходное сечение болванки F6 находят из выражения
г- ____fjnax . р __ Ртах.
^♦rrrin — р' ’ > 1 б к ~ ’
' б A mm
Тогда длина исходной болванки может быть найдена как L6 - V : F6,
где У — объем поковки с учетом отходов при нагреве и в процессе ковки.
Если поковка изготовляется из слитка, то протяжке предшествует операция биллетирования, при которой уковка обычно не превышает 1,1 для донной части. При биллетировании слитка 16* 243
наименьшее его сечение с учетом уковки составляет а на остальных сечениях уковка превысит величину Хп«п за счет ко-нусности слитка. Дополнительная уковка может получиться при переходе от одного профиля заготовки к другому у поковки. Например, при переходе с круга диаметром D на вписанный квадрат со стороной а отношение размеров соответствует D = (1, 3 -1,4) о, что отвечает уковке равной К ~ 1,7. При переходе с квадрата на круг удается выдержать соотношение размеров о=(0,97 4-0,93) D, при этом незначительной дополнительной уков-кой можно пренебречь. Если при необходимой уковке сечение и объем слитка получаются по произведенным расчетам чрезмерно большими, то возможно изготовление двух или даже нескольких поковок из одного слитка, чго обычно приводит к повышению коэффициента выхода годного. Однако это решение может оказаться неприемлемым из-за усложнения условий нагрева металла и необходимости более мощного оборудования. Другая возможность увеличения уковки состоит во введении дополнительной операции осадки. Этот и другие вопросы относительно необходимой уковки для различных технологических схем рассмотрены в § 3 данной главы.
Зная размеры заготовки (слитка) и схему переходов при ковке, можно определить типоразмер необходимого оборудования. При определении размера основного ковочного оборудования (молота, пресса) ориентируются на наиболее тяжелую операцию данного технологического процесса. Например, при протяжке с промежуточной или окончательной осадкой определяющей операцией является осадка и, вероятнее всего, окончательная, поскольку в этих условиях пониженная температура металла обусловливает наибольшее необходимое усилие на деформацию. Для определения усилия пресса и массы падающих частей молота используются методы, излагаемые в курсе «Теория обработки металлов давлением», а также различные графики, эмпирические формулы и нормали, приведенные в специальной справочной литературе. у
Таблица 30
Масса Падающих частей молита в кг Средняя и наибольшая масса фасонных поковок в кг Наибольшая масса гладких валов в ке Наибольшее сечение заготовок (сторона квадрата] в мм
100 0,5 -2 10 50
300 3—10 45 85
500 8—25 100 115
1000 20—70 250 160
2000 60-180 500 225
3000 100—320 750 275
5000 200—700 1500 350
244
В табл. 30 приведены ориентировочные данные для определения неэбходимой массы падающих частей пневматических и паровоздушных молотов в зависимости от массы или сечения поковок 191 I.
Масса падающих частей молотов может быть также определена исходя из удельной работы деформации. Для поковок из углеродистой стали эта величина составляет приблизительно 40— 50 кдж/м3 (—0,4—0,5 кГ м/см3), а для легированной стали 60 70 кдж/м3 (—0,6—0,7 кГм/см3). Ниже приведены среднестатистические данные для ковки на прессах |87].
Усилие пресса Масса слитка в кг Диаметр слитка в мм
в Мн в m
6 600 500—2 000 200-500
8 800 2 000—3 000 250—600
10 1 ОСЮ 4 000-8 000 300—800
20 2 000 15 000-30 000 400-1200
30 3 000 30 000—60 000 600—1600
60 6 000 60 000—12 0000 1000-2500
100 10 000 150 000—250 000 2000-2800
Если выбранный типоразмер оборудования должен быть подтвержден расчетом, то следует исходить из конкретных данных о заготовке применительно к каждой технологической операции. Наиболее просто определяется усилие, необходимое для осадки слитков или болванок под прессами:
Р РудРк, (52)
где ру9 — удельное усилие на деформацию в н'м2;
FK — сечение осаженной заготовки в м2.
Если у слитка (заготовки) ™ = 0,4-:-0,5 и осадка не превы-шает 50—60% (К = 2,04-2,5), то расчет можно вести по пределу текучести, который при температуре ковки углеродистой стали не превышает 12,2—19,6Л!л/л2 (—1,25—2,0 кГ/мм2), а для легированной — 14,7—29,4 Мн/м2 (—1,5—3,0 кГ/мм2).
При большей степени деформации и при осадке заготовок с >2 расчет необходимо вести по формулам, учитывающим соотношение размеров заготовки и контактное трение.
Для указанных условий можно воспользоваться формулой, выведенной по схеме, предложенной С. Н. Петровым [61 ],
Руд = ст (в + у • (53)
245
Сопротивление деформаций сталй при Температуре конца ковки <тг (д можно определить, например, по данным, приведенным в табл. 31.
Таблица 31
Сопротивление деформации стали при высоких температурах (по Покрапду)
Предел прочности стали d ненагрегом СОСТОЯ НИИ Темпера? ура стали в °C !
SOU 900 юоо I1C0 1200 1300
и Ми/м‘ в кГ/мм*
400 40 6,5 4,5 3,0 2,5 2,0 1.5
600 60 11.0 7,5 5,5 3,5 2,5 2,0
800 80 16,5 Н’° 7.5 5.0 3.5 2,5
Величина контактных сил трения т устанавливается по справочным или экспериментальным данным. В условиях ковки при высоких температурах и без смазки можно ориентироваться на максимальные силы трения ттах -= 0,5а/О), тогда формула (53) приобретает вид
l-Hf)- <63')
При меньших силах трения, чем максимальные, можно принять одну из известных в теории обработки металлов давлением закономерность для сил трения.
При использовании зависимости т = <тг р формула (53) для определения удельного усилия осадки под прессом совпадает по написанию с формулой Э. Зибеля
₽в»-0,<в(1 (“Э
В условиях осадки заготовок под молотом среднее удельное усилие может быть определено по формуле А. Д. Томлепова [871
Руд = (54)
где Сх — коэффициент, учитывающий влияние трения между бойками молота и заготовками с различным соотношением размеров;
нк '' 2 5 10 20 30 |
С, . - - 1,4 1.6 1.8 2,2 1 2,6
С2 — коэффициент, которым оценивается влияние динамического эффекта; для паровоздушных и пневматических молотов его принимают равным 2,5.
246
Количество ударов молота, необходимое для осадки, можно определить по формуле
ЮЛ Z А \
где А — общая работа, необходимая для осадки, в дж (кГм); а — величина эффективной энергии одного удара молота, отнесенная к массе падающих частей молота. По данным А. И. Зимина 125] величина а в среднем составляет 3,5 м;
С — масса падающих частей молота в кг.
Работу при осадке можно определить по следующей формуле, выведенной по схеме С. Н. Петрова [61J:
А - <гт (/) VCM + 1,4т/^(К? - 1), (56)
где — смещенный объем при осадке (VCM = V In KJ;
Ко — радиус исходной заготовки;
/<„ — коэффициент уковки при осадке •
Первый член правой части равенства учитывает работу деформации, а второй — работу' на преодоление сил трения.
В условиях максимальных сил трения (ттах — 0,5от) расчетная формула принимает вид
И =- о> [V% -I - 1)], (56')
а при х — от(й р соответственно
= i,W(k:a-i)]. (5в")
Удельное усилие для протяжки плоскими бойками но С. И. Губкину может быть рассчитано как
(57)
Если ширина заготовки больше подачи В(1 > а0, то величина с — Во и Е =— при а0 >Bt, величина с — аи и Е — Во.
При вытяжке в вырезных бойках расчетное удельное усилие увеличивается на 25%. Для получения общего усилия удельное усилие умножается на площадь контакта плоского бойка с заготовкой. По найденному усилию подбирается пресс (принимается равный или ближайший больший из размерного ряда).
Аналогично рассчитываются операции раскатки и разгонки. Усилие закрытой прошивки на прессах определяется по формуле (53). Величина FK в данном случае является площадью поперечного сечения прошивня (в л<м&), руЯ при 1200° С принимается равным 20—40% от сопротивления деформации стали в ненагретом состоянии. Например, для снарядной стали с ов = 800 Мн/м2 (~80 кГ/лои2); ру5 при прошивке равно 245—343 Мн!м2 (~20— О» кПмм2). При открытой прошивке величина усилия меньше.
247
Расчет удельного усилия производят по формуле
4 Н.НЯп^), (55)
где d — диаметр прошивня в мм;
h — толщина выдры в мм;
D — диаметр заготовки в момент прошивки в мм.
При ковке пустотелых поковок в вырезных бойках удельное усилие на прессах находят по формуле
Р„=1,О5[И (59)
где 6 — толщина стенки пустотелой поковки в мм;
Dn — наружный диаметр поковки в мм; b — ширина вырезного бойка в мм.
После установления типоразмера оборудонания уточняют технологический процесс по операциям и увязывают его с тепловым режимом ковки. Помимо обеспечения необходимой структуры металла, тепловой режим, и в частности температурный интервал ковки, обусловливает определенную длительность остывания заготовки. Это дает возможность установить время ковки. Если этого времени не хватает, то применяют ковку в два выноса с промежуточным подогревом металла. При ковке поковок роторов и других тяжелых поковок число выносов нередко достигает 5—6 и более. Длительность операций определяется при нормировании процесса по элементам. Необходимое время ковки в значительной степени зависит от быстроходности оборудования, степени механизации вспомогательных работ и применения специальных приспособлений при ковке, что, в свою очередь, определяется серийностью производства данного типа поковок. В индивидуальном производстве поковок время ковки относится ко времени, затраченному на вспомогательные операции с уже нагретым металлом (выемка из печи, подача к прессу, установка, повороты, кантовки и др.) как 1 : 2 и даже 1 : 3. По этой причине при разработке технологических процессов ковки следует использовать все имеющиеся возможности для организации специализированного производства поковок и обеспечения его экономической эффективности (унификация поковок, кооперирование и т. д., см. гл. I).
Одним из средств увеличения производительности при изготовлении поковок ковкой является разработка группового технологического процесса для поковок, заранее классифицированных и подразделенных на группы. В условиях типовой технологии для группы поковок легче осуществить механизацию и даже автоматизацию, а также программирование операций ковки.
В последнее время для облегчения трудоемкой работы по составлению многочисленных технологических процессов при большой 248
Таблица $
Примерная технологическая карта
Цех прессовый ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА № Вариант Лис г
Всею листов
Химический анализ стали Обозначение Заказ Наименование №
Механические свойства стали Изделие Двигатель
Деталь Коленчатый вал (рис. 131)
Чертеж —
Твердость пи ИВ Предел прочности Относительное удлинение Маркировка отходов Клеймение детали
— — —
Использование отходов Группа отходен К? 7 по табл. 29 J№ планки № поконкн Ли заказа
Наименование Р азмер в мм Масса в кг Использование отхода
I одный остаток 350X650X840 1500 Идет на склад
Место расположения эскиза Количество штук н партии Коночное оборудование
Пресс усилием 9,8.Мн <1509 гл)
Слиток | Баланс металла Технические условии №
Тил №4 по тябл. 5 Статьи М асса в кг В % Режим термической обработки №
Размер £„=1650. ^р-687 Масса поковки 2100 32,3 У КОЕ-на У колена У конца 2.4 10.6
Марка 35 Остаток годного 1500 23,0 Число нагревов 5
Масса слитка Выдра Выход годного 55%
Обрубки 40 0.6 Разряд работы 8
Масса поковки 2.1 т Отход снизу 390 6,0 Норма временя 9»
Количество поковок из слитка 1 Отход сверху 2000 31,0 Отправка В термический цех
Чистая масса детали в т Обозначение поковки по кл ас-сифи-кзцми Цеховая СТОЙ- Объем работы Б чел,-час Проба 120 1.9 Проба. продольная
месть покой ки Угар 350 5,9
1.47 1646 2260 руб 50,05 Итого . 65С0 100.0
249
cc СТ СТ Л СТ io - №. операции
CT СТ Л СТ ю н- № перехода
^-00 bsi- СЛ 4* СТ S3 U 4* ст м — - № элемента работы Е
Подогрев Отделка конца Л Выдача из печи Отделка конца Л по эскизу Отрубка заготовки Посадка в печь Подогрев Подготовка конца А Выдача из печи Разметка низа пластины по эскизу Зарубка нижнего конца Оттяжка конца на о 275 лик Пгсздка в печь Подогрев Протяжк.1 3310-товки Выдача из печи Протяжка на пластину 650X35Q мм Посадка в печь Смена патронов Выдача из печи Заделы ни нме прибыли под требуемый диаметр Снятие большого патрона и установка патрона необходимого диаметра Посадка в печь Harpe* Посадка слитка в печь в патроне Нагрев слитка дов и элементе I*, работы С 3 WK я X “d ь? Й = 5 й я Л »* ’ о S * 0 о к иэ Л ГУ 5 т S'.
№ печи
Максимальная температура нагрева 1250 °C Режим E-farj
ст О о ст с ПРОДОЛЖИ' ТСЛЬНОСТЬ Б Ч о
1 01-51 1230 1230 1230 начала Л о (9 н; Л
8 g СО о 1 конца ₽ Л я “J У о
1100 § 1100 Не выш е 1000 Печи перед посадкой Г) to 5 о а с IT
На воздухе Режим ох лиждения я
1 Сварщик Машинист Старший подручный Подруч-лый Крановщик Кузнец 1 ! Квалификация 1 Состав б ё 3
VI VI < < < VIII Разряд 1
f 45* — Количество-
i Расценка
'! "° <Э р ст р ст основное £ ! § п Норма времени в ч 21П/ИС1СЯ 1
Р F 60 СТ Сл СТ 0.35 0,25 р р р © р 1 4 зр 1'0 о? м Vi VI । ст ст ст р bi вспомогательное
- СТ г •- р ст Всего
1 Перекрываемое 1 J
> Л II .11 05 Л 1 i У ковка
i
I Цех прессовый
Наименование операций, переходов и элементов работы
9
10
Подогрев Отделка конца Б
1 Выдача нз печи
2 Зарубка верхнего
конца
3 Отделка конца Б
4 Проковка колена
на размер
5 Удаление поковки
Технологическая кирз №
Нагрев
К-НК»
Температура в °C
Проверил Дата
Утвердил
Состав бригады
Расценки
Составил
Дата
Эскиз расположения оборудования и организации рабочего места
ЕН
1 — пресс усилием 9,8 Мн (1000 т)
2 — мостовой кран грузоподъемностью 245 кн (25 т);
3 — мостовой кран грузоподъемностью 196 кн (20 т);
4 — поворотный край грузоподъемностью 78 кн (8 т);
5 — аппарат управления;
6 — печь;
7 — печь;
8 — Печь;
9 — стойки для инструмента;
/0 — склад оправок
График работы
Элементы работы Количество рабочих Продолжительность элементов работы Б Ч Объем работы в ч Распределение элементов работы во времени и между рабочими бригадами
Посадка в печь 7 1.5 10,5 Вся 6pm ада, кроме машиниста
Нагревы 2 23.5 — Сварщики
252
Продолжение табл. 32
Вариант
Норма времени в ч
Учитываемое
Инструмент
_________ -I
На им ено-
aj«
валие
Эскизы переходов
1,25
Топор
Пл-* ский боек
Дата
Дата Было Изменено Письмо
Отметка изменении
Технический отчет
Дата
11родолжение
Элементы работы Количество рабочих Продол-житель-ность элементов работы в ч Объем работы и ч Распределение элементов работы во времени и между рабочими бригадами
Выдача из печи 7 1,75 12,26 Вся бригада, кроме машиниста
Заделка прибыльной части 6 0,25 1.5 Вся бригада, кроме скар-щика
Смела патрона 6 0,35 2.1 То же
Протяжка б 0.5 3,0 »
Заготовка конца с 1.0 6,0 »
Отделка донца 6 1.0 6,0 »
Отделка второго конца с 1,25 4,5 »
Уборка поковки 3 0.4 1.2 Подручных — 2, Крановщик — 1
Остывание — 24,0 —
Цикл работ — 55,5 —
работ в чел .-час — — Й0,05
253
номенклатуре поковок делаются попытки просчитывать варианты технологии на счетнорешающих устройствах. Трудности составления соответствующих алгоритмов окупаются быстротой получения необходимых решений. Небольшой опыт, имеющийся в этом направлении, свидетельствует о реальной возможности находить оптимальные технологические решения, затрачивая па это в десятки раз меньше времени, чем при обычном методе расчета.
11о данным окончательно установленного технологического процесса определяют себестоимость поковок и деталей, получаемых из них (методику расчетов см. в гл. XI). В заключение просматривают технологический процесс с точки зрения условий техники безопасности работы. Это особенно важно при введении в действие новых приспособлений, механизмов и установок.
Рнс. 131. Поковка коленчатого вала, изготовленного за пять выносов
Все технологические расчеты вносят в специальную ведомость, называемую на заводах картой технологического процесса (табл. 32).
Эта карта является основным производственным документом кузнечного цеха, поскольку дает представление о всех элементах технологического процесса, порядке его исполнения и технико-экономических характеристиках производства данной поковки. На различных заводах применяют карты, содержание которых несколько отличается одно от другого. При большой номенклатуре поковок и более простых технологических процессах применяют сокращенную карту, которую называют операционной. В такой карте отсутствуют подробные сведения о химическом составе и механических свойствах стали, а указываются лишь марки стали; вместо эскизов переходов даются только их названия, инструмент не нумеруется, а указывается его тип и т. п. Соблюдения режима, указанного в карте, является обязательным. Могут быть изменены лишь темпы работы для ускорения операций после извлечения заготовки из печи. В данном случае поковка коленчатого вала (рис. 131) изготовляется за 5 выносов, при этом металл нагревается 1 раз и подогревается 4 раза. На нагрев и подогрев затрачивается 23,5 ч, остывание поковки происходит за 24 ч. 254
На кузнечные операции при изготовлении коленчатого вала Требуется 8 ч из общего количества 55,5 ч, затрачиваемых на весь производственный цикл. Продолжительность обработки металла составляет 4 ч {50% времени, затрачиваемого на технологические операции ковки); остальные 4 ч расходуются на вспомогательные операции. Выход годного при ковке вала из слитка массой 6500 /се и годном остатке массой 15 000 кг соответствует расходному коэффициенту /С, — 1,8. Отходы от слитка составляют 37%. годный остаток 23%, отходы при ковке 6,5%, потери на пробу 1,9%.
§ 5. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОВКИ
Ниже рассматриваются технологические процессы ковки в порядке возрастания степени специализации и усовершенствования производства поковок; вначале даны примеры ковки на прессах, а затем — на молотах. Рационализация изготовления поковок осуществляется в различных направлениях, основные из них состоят в приближении конфигурации поковок к форме детали и уменьшении трудоемкости их производства. Помимо экономии металла, это обычно сопровождается увеличением производительности труда, сокращением цикла ковки и повышением качества поковок
Ковка на прессах
Технологический процесс изготовления поковки колонны гидравлического пресса усилием 118 Мн (12 000 т\ усложнен двумя промежуточными термическими обработками, вызванными ответственным назначением детали (табл. 33). Ковка колонны из среднеуглеродистой стали осуществляется из слитка массой 242 т при горячей посадке в печь для нагрева до 1200и С за 52 ч (графики нагрева приведены в табл. 33). После биллетирования слитка на круг диаметром 2100 мм болванка трижды нагревается: сначала для предварительной протяжки на восьмигранник, затем для оттрубки концов и повторной протяжки на круг диаметром 1800 мм и, наконец, ковки средней части поковки па диаметр 930 мм. После этого следует промежуточный отжиг всей болванки и очередной нагрев для вытяжки со стороны головной части / слитка на диаметр 1045 леи. Следующей операцией является повторный отжиг болванки и очередной нагрев для ковки конца Б на размер 1045 мм, после чего готовая поковка поступает на термическую обработку перед грубой механической обработкой. Окончательная термическая обработка завершается контрольными операциями.
1 Болае подробно см. Я. М. Охрименко, М. С. Цибакова, Технология свободной копки, М., НТО Мгшпром, 1963.
255
Таблица
Схема технологического процесса ковки и термической обработки (ЧССР)
Деталь- Колонна для пресса усилием 118 Мн (12 000 tn) 1 № чертежа }
§ g s Д
1 °
mi
-да W,“ woo may” -j
(3730} ' (moo) ' (wo)
гзово^"1
Химический сост ав в %
Баланс материала
в кг
Углерод 0,37—0,45 ; Слиток 242 000 1 100
Марганец 0,60—0,80 Поковка 140 000 58
Кремний 0,17—0,35 Хром не более 0,30 Прибыльная часть слитка 63 500 26
Никель нс более 0,30 Донная часть слитка 14 500 6
Фосфор нс болне 0,04 Сера не более 0.04 Сера 1 фосфор не более 0,07 Окал н на 24 000 10 1
Операции
Укоока на размере диа-метром 1045 лл раина 6
ве — 490 Мм/м* (50 кГ/мме)
Пу — 245 A/h/ai2
(25 кГ/ям?)
Размеры детали приводится в скобках
в % Механические свойства
Посадка горячего слитка в печь и его нагрев Начальная температура в печи Ыг(Г G
Предварительная протяжки слитка на диаметр 2100 .wai
Нагрев в печи с выдвижным подом Предварительная протяжка на восьми гранник толщиной 1800 мм
Рубка части Л прибыльного конца слитка
Посадка в печь
Нагрей в печи с выдвижным подом
Рубка прибыльною и донного концов слитка
Повторная ковка на диаметр 1800 мм Масса слитка —160 000 кг'
256
Продолжение табл. 33
Операции
Нагрев в печи с выдвижным подом
Ковка средней части поковки до размера диаметром 530 лл
I рафики и эскизы
-кт
Промежуточный отжиг всего изделия
Нагрев в печи с неподвижным подом Вытяжка головной части А слитка Окончание ковки при температуре
800е С
Промежуточный отжиг всего изделия После окончательной ковки стороны А перевести изделие в печь для отжига
Установка изделия в печи горячим концом и продвижение его через каждый час на 2,5 м
Нагрев в печи с неподвижным подом
Охлаждение воздухом с наружной части изделия
Окончательная ковка со стороны Б
*в Цех для термической обработки
17
Я- м. Охрименко 597
2Й7
Продолжение табл. 33
Операции
Термическая обработка изделия пе род грубой механической обработ кой
Разметка и перевозка изделия
Грубая механическая обработка
Термическая обработка после грубой механической обработки
Правка изделия
После термической обработки, в результате которой должны быть получены требуемые значения механических свойств изделия» проводится отбор образцов цля испытания по условиям приемки
Поковка получает шестикратную уковку на частях ее диаметром 1045 мм. Выход годного соответствует 58%. В окалину уходит 10% металла, на донную и прибыльную части слитка приходится 32%.
р Значительную экономию расхода металла на поковки можно получить за счет правильного выбора формы и типа слитка. Увеличение серийности производства поковок при кооперации, унификации различных типов поковок, а также при групповой технологии дает возможность не подбирать слиток по имеющейся номенклатуре, а заказывать слитки оптимальных форм, размеров и типов (см. § 1 гл. II).
Рассмотрим на примерах возможности уменьшения массы исходной заготовки за счет сокращения отходов донной и головной частей слитка, выдры для полых поковок и на обсечки.
Исходная заготовка может быть уменьшена при использовании удлиненных слитков с отношением //0 : £)0 =гг 4. При разрубке слитка на части полученные заготовки могут быть подвергнуты осадке и применяться при ковке шестерен, дисков, штамповых кубиков, колец и пр. При использовании удлиненных слитков экономия металла получается за счет относительного уменьшения массы прибыли, составляющей в данном случае 10—12% от массы слитка и 2—3,5% донной части.
Обычные кузнечные слитки могут отливаться с плавающей надставкой. Это дает возможность изменять массу слитка до величины, при которой весь годный металл расходуется на поковку, или часть его в виде годного остатка используется на другую поковку меньшего размера.
258
Для полых поковок можно применять обычные слитки без прибыли или с уменьшенной прибылью. При ковке из крупных слитков поковок типа колец, бандажей, цилиндров, как известно, применяется операция прошивки полыми прошивнями При этом вместе с выдрой и при механической обработке удаляются дефекты осевой части слитка. В этих случаях прибыльные* части слитков могут быть уменьшены или их совсем может не быть.
В зависимости от требований, предъявляемых к полым поковкам, они могут быть разделены на две группы в соответствии с условиями эксплуатации детали: первая — внутренняя зона деталей является нерабочей или неответственной; вторая — внутренняя зона является ответственной, требующей определенных механических свойств и качественной макроструктуры. Для первой группы возможно применение бесприбыльных слитков даже в том случае, когда после механической обработки дефекты из осевой части слитка остаются на поверхности внутреннего отверстия. Для таких поковок оставляется уменьшенная прибыль при условии, если пр технологическому процессу необходима цапфа под патрон.
Для второй группы поковок бесприбыльные слитки могут применяться при условии, если после прошивки и механической обработки внутреннего отверстия все дефекты осевой зоны будут удалены. На Уралмашзаводе установлены объемы и сечения металла, удаляемого из осевой зоны слитков, при которых на внутренней поверхности детали пе остается следов дефектов:
Vvmx (0,25-0,3) V;
^пл — (0,5—0,6) Den,
где Vomx — суммарный объем отходов (выдра, угар, стружка) из осевой зоны слитка;
V — объем корпуса слитка;
dnp — приведенный диаметр суммарного отхода из осевой части слитка;
Dert — диаметр, вписанный в основание корпуса слитка, dnp= у 1,28^-, здесь — высота корпуса слитка.
При использовании приведенных выражений меньшие коэффициенты (в скобках) следует принимать для малоответствепных деталей при небольшой массе слитков, большой выдре и небольшой осадке заготовки перед прошивкой.
При расчете технологического процесса определение массы слитка с уменьшенной прибылью производится следующим образом. Например, для поковки массой 36 000 кг нужен обычный 17* 259
слиток массой 60 000 кг. Прибыль для такого слитка равна II 700 кг, что составляет 19,5% от общей массы. Исходя из технических требований и необходимости отковки из прибыли цапфы под патрон уменьшенная прибыль установлена равной 12%. На корпус слитка и донную часть приходится 88%, или 48 300 кг. Масса слитка с уменьшенной прибылью равна
„ 48300-100 ССПЛЛ
G -------------- 55 000 кг.
об
Прибыль составляет 55 000 — 48 300 --- 6700 кг. По массе прибыли устанавливаются ее высота и величина недолива прибыльной надставки.
Рис. 132. Переходы технологического процесса ковки бандажей из бесприбыльного слитка:
а — слиток; б — слиток с удаленными головной и донной частями: е — сбиллетировапная болванка: г — поковка после осадки; д — готовая пиковка
На рис. 132 показан пример ковки бандажа из бесприбыльного слитка на одном из отечественных заводов; прибыльная часть слитков уменьшена до 9—13%.
Бесприбыльные слитки для поковок применяются и за рубежом *.
Дефектная часть слитка на прессе усилием 24,5 Мн (2500 т) отделяется от периферийной части клиновым кольцом; затем часть слитка высаживается за два приема, при этом дефектный металл оказывается в виде хвостовика, а периферийный металл слитка проковывается с заваркой дефектов. Во время всех описанных операций слиток находится в вертикальном положении в специальной матрице (рис. 133).
Слитки имеют уклон 12,5%, и отношение /70 : О0 — 2,5. Установка и передвижение верхнего инструмента и матрицы, а также
1 Г о л о в н е в И. Ф. Свободная ковка крупных поковок за рубежом. «Кузнечно-штамповочное производство», 1959, № 4.
260
выталкивание поковки осуществляются с помощью плунжера пресса* слиток и поковку перемещают два манипулятора. Окалина со слитка удаляется гидравлическим способом. Применение бесприбыльных слитков и здесь дает в среднем увеличение выхода годного на 13%.
Для ковки пустотелых удлиненных поковок методом протяжки на оправке наиболее выгодными исходными заготовками являются полые слитки. Диаметр отверстия полого слитка определяется из соотношения
Др - J 1^о
где £>0 — наружный диаметр слитка; — внутренний диаметр^слитка.
г! д)
Рис. 133. Схема операций мри ковке бесприбыльных слитков:
а — слиток после отливки; б — прошивка кольцевым прошивнем; в — осадка в матрице с засечкой кольцом; г — осадка в матрице с обжатием кольцом; д — заготовка после протяжки; / — усадочная раковина; 2 — ликвационная зона
Полые слитки могут применяться при ковке низких кольцеобразных поковок и дисков, но в этом случае слитки должны быть небольшой длины (отношение < 1,25^.
Структура полых слитков благодаря двухстороннему отводу тепла от стенок изложницы и внутреннего стержня значительно однороднее и мельче по сравнению с обычными слитками, поэтому уковка для разрушения литой структуры может быть уменьшена До 2.
Экономия металла при применении полых слитков достигает 25—30% за счет отсутствия выдры, уменьшения массы прибыли, поддона и угара при сокращенном числе нагревов. Применение полых слитков сокращает в 2—3 раза цикл ковки, так как при этом устраняются трудоемкие операции осадки и прошивки;
261
сокращается в 2—3 раза расход топлива за счет уменьшения длительности нагрева и числа нагревов полого слитка. Качество поковок из полых слитков улучшается, а механические свойства в поперечном направлении значительно повышаются.
На одном из отечественных заводов из пустотелых слитков (массой до 80 000 кг) изготовляют поковки барабанов котлов высокого давления (рис. 134). Слитки отливаются в изложницы с секторным холодильником или с холодильником водяного охлаждения (см. § 1 гл. II).
Послезатвердевания полый слиток (рис. 134, а) с температурой 650—700° С поступает в кузнечно-прессовый пех и сажается в печь. За первый вынос производится биллетирование и протяжка половины слитка на конусной оправке диаметром 760/700 мм и отделка этой части до размеров поковки (рис. 134, б). За этот же вынос производится надрубка прибыльной части. Процесс протяжки ведется от прибыли на бурт пустотелой оправки, охлаждаемой водой. Затем заготовка снимается с оправки и сажается в печь донной частью слитка. Отверстие в заготовке заделывается кирпичом.
За второй вынос производится биллетирование, протяжка на оправке, отделка второй части поковки и надрубка донной части. Далее поковка отправляется на резку прибыльной и донной частей (рис. 134, в), после чего производится термическая обработка — закалка в масле и высокотемпературный отпуск. Следующая операция — обдирка.
После обдирки (рис. 134, а) поковка возвращается в кузнечнопрессовый цех, где на прессе за два выноса производится операция окумполивания легкими обжатиями в специальных бойках (рис. 134, д). При этом «бахрома» обжимается под зажимные кулачки обрабатывающего станка. Окончательные конфигурации и размеры поковки представлены на рис. 134, е. После окумполивания производится окончательная термическая обработка.
По технологии, применявшейся до недавнего времени, ковка производилась из сплошного слитка массой 90 000 кг. За первый вынос производились оттяжка цапфы, биллетирование, рубка поддона и цапфы. За второй вынос заготовка осаживалась и прошивалась пустотелым прошивнем. Прошитая заготовка протягивалась па оправке за четыре выноса до поковочных размеров (рис. 134, в). Последующие операции по новой и по старой технологии совпадают.
В результате цикл ковки сокращается в 2 раза, экономия металла составляет 10 т (13%), трудозатраты уменьшаются па 40%, себестоимость снижается на 17%. Ковку полого слитка можно производить и на прессе усилием 49 Мн (5000 т), тогда как для ковки по обычной технологии необходим был пресс усилием 98,1 Мн (10 000 т).
262
Рис. 134. Технологический процесс ‘ковки поковок барабанов котлов высокого давления из слитка массой
80 000 кг
263
Поковка из полого слитка не обнаруживает химической неоднородности ни по длине, ни по толщине. Механические свойства подлине и сечению поковки равномерны, и их значения превышают
предусмотренные техническими условиями.
На рис. 135 представлена сравнительная технология ковки пустотелой колонны из
сплошного и полого слитков.
Из сопоставления количества переходов и их сложности видны преимущества использования для поковок пустотелых слитков.
Одно из направлений усовершенствования технологии ковки круп
0700
чио—
07500
7500
----6SOO
6000
-зооо-^
7000
^50
>3500—
-9
13500 о/
Рис. 135. Сравнительная технология ковки пустотелых колонн: а — ns сплошного и б — из полого слитков
Дйоо.—
- 4170
---- 7000
1
%
ных поковок состоит в применении обойм, колец и даже подкладных (не закрепляемых) штампов для полного или частичного оформления поковок. Долгое время считали, что применение таких приспособлений для ковки крупных поковок усложняет процесс. Однако в последнее время появляется все большее количество примеров усовершенствования оснастки при ковке даже самых крупных поковок. На рис. 136 приведен технологический процесс ковки вала с большим фланцем из слитка массой 62 000 кг. После биллетирования нижним вырезным и верхним плоским бойками (рис. 136, а) и осадки на плоском кольце (рис. 136, б) 264
производится скругление болванки на размер 1650 мм, засечка объемов на малую цапфу вала и фланец, а также отделка малой цапфы в размере (рис. 136, в). Затем производится протяжка остальной части слитка на диаметр, равный диаметру большой цапфы; засечка на длине, соответствующая объему этой цапфы, и отрубка годного остатка (рис. 136, г). Ступенчатая заготовка (рис. 136, в) вставляется малой цапфой в кольцо 1, фланец оформ-
Рис. 136. Переходы при ковке вала с большим фланцем
ляется между двумя вогнутыми кольцами 2 и 3, а большая цапфа не деформируется, так как тоже находится внутри набора колец с цилиндрическими отверстиями. Затем вся система колец накрывается накладкой 4, на которую и нажимает верхний боек пресса. На рис. 136 е показаны секционная отделка фланца и приспособление для поворота-заготовки в случае, если мощность пресса недостаточна для операции. На рис. 136, д, ж и з видны операции обжатия фланца и перековка большой цапфы в длинную цапфу с двумя ребордами [1161. На рис. 137, а показана оснастка для высадки бочки ротора диаметром 1250 мм и фланца такого же диаметра для колеса Кэртиса (рис. 137,6) [77].
Еще большая специализация ковки поковок может быть достигнута за счет тщательной отработки технологии н конструирования инструмента, пригодного для ковки поковок различной конфигурации. Технологическая целесообразность использования приспособлений и подкладных штампов часто входит в противо-
265
речие с экономической эффективностью их применения при малосерийном производстве поковок. Однако увеличить серийность производства не всегда удается, и тогда большое значение приобретают унификация различных деталей и группировка их по однотипности. Если и эта возможность исчерпана, то дальнейшая специализация может быть осуществлена технологами и конструкторами оснастки за счет применения различных комбинаций из элементов подкладных штампов. Из опыта одного из крупнейших отечественных кузнечных цехов на рис. 138 даны примеры тех-
Рис. 137. Приспособления для оформления отдельных частей крупных поковок в процессе ковки (ЧССР)
нологических процессов изготовления ковкой поковок донышек обычным способом (рис. 138, о) и с применением подкладного инструмента (рис. 138, б). При ковке слиток подвергается сложной обработке, при которой би л легируется, осаживается, прошивается, обкатывается с боковой поверхности. В заключение у поковки удаляют хвостовой отход. При использовании подкладного инструмента технологический процесс значительно упрощается. Поковка донышка оформляется в обойме 1, стягиваемой обечайкой при деформации сбиллетированного и осаженного слитка между пуансоном 2 и подкладкой 3 (рис. 138, б). При внедрении пуансона 2 в заготовку происходит выдавливание металла, который силами трения увлекает обойму 1 вверх, навстречу движению пуансона. Чтобы металл не вытекал за пределы полости обоймы, в нижней части отверстия обоймы предусмотрена подкладка 3, которая остается на нижнем бойке при подъеме обоймы и обеспечивает замкнутость полости инструмента во время всего периода деформации.
В результате применения этой технологии слиток массой 20 400 кг был заменен слитком массой 16 000 кг; масса поковки уменьшилась с 13 200 до 10 600 кг, а коэффициент использования металла увеличился с 0,34 до 0,44. Несмотря на такой значитель-266
ный эффект, получаемый от применения подкладного штампа, окупаемость дополнительных расходов могла быть достигнута только при использовании приспособления для значительного количества поковок. С этой целью подкладной штамп был использован для изготовления другой поковки (рис. 138, в). При изготовлении поковок горловин использованы та же обойма I и пуансон 2 на который были надеты кольца 4 для уменьшения глубины
Рис. 138. Специализированная ковка поковок донышек и горловин в подкладном штампе (по Б. А. Трифонову):
I — биллетирование слитка; II — осадка болванки
получаемой полости. Для получения полости с противоположной стороны подкладка 3 выполнена с отверстием, в которое вставлен прошивень 5. После окончания деформации поковка выдавливается из обоймы; перемычка просекается специальным прошивнем 6 с образованием выдры. В этом случае экономия металла, полученная на каждой поковке, составляет 2100 кг. После тщательной проработки технологических процессов описанный инструмент был применен еще для ряда поковок (рис. 139). При изменении количества колец, надеваемых на пуансон, формы прошивней и подкладных колец, удается применять комбинированную оснастку для многих типов поковок, что позволяет свести к минимуму дополнительные затраты на инструмент.
267
Рис. 139. Форма поковок, получаемых в специализированном приспособлении (в), и конструкция его сменных частей (б) (по Б. А» Трифонову)
Рис. 140. Схема специализированного технологического процесса ковки поковок дисков:
/ — протяжка цапфы; 2 — протяжка на восьмигранник; 3 — протяжка на круг;
4—рубка; 5 — осадка; б—разгонка узким бойком; 7—осадка в кольце; 8,9 — разгонка полотна диска
268
Помимо экономического эффекта, применение описанных приспособлений обеспечивает значительное улучшение качества поковок и повышение служебных характеристик детали. Особенно это важно для деталей высокоответственного назначения типа валов, дисков турбин и т. п.
Современный технологический процесс, применяемый на одном из отечественных заводов, для крупных дисков (например, для дисков диаметром 1330 мм и толщиной полотна 90 мм) характеризуется следующими особенностями (рис. 140).
1. Применением разгоночного бойка при осадке заготовок, что позволяет хорошо проработать ту часть поковки, из которой затем формируется ступица диска.
2. Оформлением ступицы при осадке заготовки на подкладном кольце, что исключает ее утяжку.
□
141. Схема специализированного
В)
Рис.
изготовления диска в штампе с двухсекционным пуансоном:
а — предварительная осадка заготовки; б — штамповка внутренним и й — наружным пуансонами (но Л. В. Алты кису)
3. Разгонкой полотна диска узким бойком, производимой со стороны торца диска, противоположного ступице, что исключает появление радиальных трещин.
Известен вариант ковки дисков (диаметром 1065 леи и толщиной 320 мм), при котором не только ступичная часть, но и полотно Диска размещается в полости подкладного штампа.
Наиболее прогрессивным технологическим процессом изготовления дисков является ковка секционным инструментом. В зависимости от размеров диска и имеющегося в цехе оборудования применяются двух- (рис. 141), трех- (рис. 142) и многосекционный инструмент типа штампов. Заготовкой для секционной штамповки Служит откованная из слитка круглая болванка, которая предва-
269
рительно осаживается всеми секциями инструмента до размеров» определяемых предельным усилием пресса. Затем производится деформация пуансоном и последовательно кольцевыми секциями. Конструкция инструмента предусматривает быструю перестановку устройства для введения в действие необходимой секции.
Соотношение диаметров пуансона и секций устанавливается в зависимости от усилия Р пресса:
р п я(4-4) „ «(4-4)
Р — Pi 4 - Рг — - - Ря--“4 >
где РГ, рц', р» — удельные усилия, необходимые для осадки отдельных частей (секций) заготовки;
dt; dt; d3 — наружные диаметры секционных пуансонов.
Рис. 142. Схема специализированного изготовления диска в штампе с трехсекционным пуансоном;
с — предварительная осадка заготовки: б — штамповка внутренним пуансоном; о — штамповка первой иг — второй кольцевых секций (по А. В. Алты кису)
Секционным способом отковывают диски не только из углеродистой и низколегированной стали, но и из жаропрочной стали, причем получаются необходимые механические свойства, макро-и микроструктура дисков.
Еще большая экономия металла достигается при секционной ковке дисков из литых цилиндрических пустотелых заготовок. Такие заготовки отливаются центробежным способом. Затем про-270
шиваются предварительно для удаления наиболее дефектной части литой заготовки, штампуются и окончательно прошиваются.
Для получения поковок необходимого качества из литых заготовок отливают длинные цилиндры с — 0,5 и затем их разрезают на короткие заготовки. Таким способом уменьшается диаметр дефектной зоны и получаются короткие заготовки с отношением =1,1» которые при осадке не образуют зажимов.
“О
Ковка на молотах
Номенклатура поковок, производимых на молотах, чрезвычайно разнообразна. При использовании универсального инструмента в виде бойков (чаще всего плоских), пережимок, прошивней, топоров и некоторого другого получают различного вида гладкие и ступенчатые валики, фланцы, обечайки, рычаги, шестерни, коленчатые валы и другие поковки (см. рис. 77). Соответствующие
Рис. 143, Переходы при специализированной ковке под молотом поковки муфты
операции и приемы были рассмотрены в § 2 данной главы. Ниже рассмотрены усовершенствованные технологические процессы ковки, применяемые в тех случаях, когда использование специальных приспособлений, подкладных штампов и другого специализированного инструмента оправдывается соответствующими технико-экономическими показателями (увеличением производительности, снижением себестоимости, улучшением качества и др.). При ковке на молотах используются те же приемы усовершенствования технологии, что и при изготовлении поковок на прессах. Например, поковка зубчатой муфты изготовлялась осадкой в кольцах с последующей прошивкой. Ковка поковки на одном из отечественных заводов в подкладном штампе позволила сократить ее массу на 9%.
Новый технологический процесс (рис. 143) осуществляется следующим образом: заготовка диаметром 220 мм и высотой 385 мм Устанавливается в нижник 1 и слегка осаживается для вырав
271
нивания неровностей торцов заготовки. Затем на заготовку накладывается кольцо 2 и производится осаживание до его соприкосновения с нижником и затем прошивка. Для пробивки выдры штамп переворачивается при помощи верхнего бойка молота (на рис. 143 эта операция не показана).
Поковка ролика (рис. 144) изготовляется в двух подкладных кольцах. Обкатанная заготовка осаживается в первом кольце без образования облоя. Затем высаженная заготовка устанавливается во второе кольцо, состоящее из обоймы и разъемной матрицы. При таком технологическом процессе/экон омят 12 кг металла, исключается обточка по наружному контуру ^снижается общая трудоемкость обработки на станках примерно на 50%.
Рис. 144. Переходы при специализированном изготовлении поковки ролика:
I — обойма: 2 — разъемная матрица
Рис. 145. Переходы при специализированной ковке фланцев способом отбортовки (поковка заштрихована сеткой)
Подкладные инструменты в отдельных случаях позволяют применять особые приемы. Например, при ковке фланцев применяется отбортовка (рис. 145). Исходная мерная заготовка осаживается на плоских бойках, затем цилиндрической оправкой прожимается углубление, равное 20 мм. В центре углубления прошивается отверстие диаметром 80 мм (эти операции на рис. 145 не показаны). Далее подогретая заготовка 1 укладывается в подкладное4 кольцо 2 (рис. 145, а). При помощи оправки 3 производится отбортовка и заполнение полости инструмента; затем оправка прогоняется через отверстие поковки при помощи подставки 4 меньшего диаметра, для чего подкладное кольцо 2 устанавливается на опору 5 (рис. 145, б).
272
Обычная технология ковки роликов для прокатного оборудования (рис. 146) характеризуется следующими недостатками: большими припусками поковки на механическую обработку, двумя нягпевами, выходом годного, составляющим —86%, низкой про-
F ’ изводительностью труда.
С применением в новом тех
нологическом процессе (рис. 147) специализированных бойков (рис. 148) с ручьем, обеспечивающим форму бочки ролика,эти недостатки устранены. За один нагрев в каждой поковке куются два ролика. На бойках производится формовка бочек роликов, а также оттяжка и рубка
Рис. 146. Обычный технологический процесс ковки ролика:
— протяжка, разметка, намотка двух роликов; 2 — обжатие выемок роликов, 3—оформление двух роликов, 4 — отрубка и разрубка роликов; 5 — отделка цапф роликов в размер
Рис. 147- Специализированный технологический процесс ковки ролика
концов поковки. Технология ковки следующая: ковка в профильном ручье последовательно двух бочек длиной 272 мм (рис. 147, с); протяжка металла между бочками на размер 640 мм и отрубка от штанги (рис. 147, б); протяжка вторых концов роликов и их разрубка (рис. 147, в). Экономия металла на каждой детали составляет 10 кг. Значительно увеличена производительность. Этот пример характеризует переходный этап между ковкой в подклад
18
Я М. Охрименко 597
273
ных и закрепленных штампах. Фасонные бойки (рис. 148) еще не являются типичными штампами, но они относятся к закрепляемым инструментам, а их ручьи имеют сходство с подготовительными ручьями штампов объемной штамповки.
Описанные примеры расположены в порядке увеличения степени специализации производства поковок. По мере увеличения
Рис. 148. Конструкция профильных бойков для ковки ролика
серийности их производства специализация технологических процессов еще более увеличивается. При достижении критических серийностей, определяемых экономическим расчетом (см. гл. XI), становится целесообразной объемная штамповка в закрепленных штампах.
ГЛА BA V!
ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА (ТЕХНОЛОГИЯ СРЕДНЕ- И КРУПНОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК)
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
В отличие от упрощенных подкладных штампов, применяющихся в специализированном производстве поковок ковкой, при объемной штамповке используются закрепляемые штампы, имеющие более совершенную конструкцию.
Наличие большого количества разнообразных форм и размеров штампованных поковок (общая их номенклатура измеряется сотнями тысяч), а также различных металлов, применяемых для их изготовления, привело к возникновению ряда разновидностей процесса штамповки и соответственно нескольких типов штампов и используемого при этом оборудования. На рис. 149 приведены схемы основных видов машин-орудий, применяемых для горячей штамповки в кузнечно-штамповочных цехах. Наиболее крупные молоты, используемые для штамповки, имеют массу падающих частей до 20 000 кг. В СССР изготовляют молоты тринадцати типоразмеров с массой падающих частей 630—16 000 кг (ГОСТ 7024—54). Энергия удара бесшаботных молотов достигает 1,47 Мдж (150 т-м). Усилия кривошипных прессов (ГОСТ 6809—53) достигают 78,5 Мн (8000 т) при наименьшем усилии 6,2 Мн (630 /п); намечаются к выпуску прессы усилием 98,1 Л1н (10 000 т). Фрикционные прессы (ГОСТ 713—49) изготовляются усилием 0,4—6,2 Мн (—40—630 т), горизонтально-ковочные машины двенадцати типоразмеров отечественного производства (ГОСТ 7023—56) -0,98-5-3,1 Мн (100—350 т). Гидравлические прессы для горячей штамповки изготовляют на усилие гораздо большее, чем усилие ковочных прессов. В СССР уже много лет находится в эксплуатации пресс усилием 735,8 Мн (75 000 т).
Масса поковок при объемной штамповке колеблется от нескольких десятков граммов до нескольких тонн. Типовая схема технологического процесса объемной штамповки приведена на рис. 150. Объемная штамповка является производительным и 18* 275
a)
Рис. 149. Схемы основного оборудования современных кузнечно-штамповочных цехов:
« — молот паровоздушный; б — молот бестлаботный, в—молот фрикционный с доской; г — фрикционный винтовой пресс; д — гидравлический пресс; е—кривошипный пресс; ж— горизонтально- ковоч -пая машина, в—чеканочный колено-рычажный пресс; ! — неподвижные м2 — подвижные части штампов
276
Рис. 1Б0- Общая схема технологического процесса горячей штамповки поковок
277
дешевым процессом и широко распространена в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. Наиболее широко объемная штамповка применяется в автомобилестроении, вагоностроении и в тепловозостроении, в производстве дорожных машин, швейных машин, подъемно-транспортного машиностроения, станков, железнодорожных деталей, бурильного, слесарного, медицинского инструмента, сельскохозяйственных машин и некоторых других производствах.
В 1965 г. масса штампованных поковок превысила 65 % общей массы выпускаемых поковок. В настоящее время объемная штамповка является основным способом производства мелких и средних поковок. Происходящие в последние годы модернизация и переоборудование кузнечно-штамповочного производства на базе специализации и концентрации производства, механизация и автоматизация технологических процессов приведут к еще большему его значению в народном хозяйстве страны.
Ниже рассматриваются вопросы технологии и оснастки процессов объемной штамповки применительно к основным типам используемых штампов и оборудования.
§ 2. РАЗНОВИДНОСТИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
При штамповке процесс формоизменения независимо от вида используемого оборудования состоит из следующих основных этапов.: подготовительных операций (фасонирование заготовок); оформления поковки и отделочных операций. Методически удобнее вначале рассматривать процесс оформления поковок, а затем соответствующие приемы и способы фасонирования заготовок.
Серийное производство поковок различными способами объемной штамповки осуществляется на молотах (паровоздушных, фрикционных и др.), прессах (кривошипных и гидравлических) и горизонтально -ковочных машинах. При штамповке на этом универсальном оборудовании может быть использован любой из основных типов штампов: открытый (штамповка с облоем); закрытый (без-облойная штамповка) и штамп для выдавливания металла.
Процесс штамповки заключается в принудительном перераспределении металла заготовки, соответствующем форме полости инструмента, называемого штампом. Полость штампа называется ручьем. Оформление поковки производится в окончательном (или чистовом) ручье; фасонирование заготовок — в подготовительных ручьях. Если штамповке подвергается заготовка без фасонирования в штампах, то такая штамповка называется одноручьевой в отличие от многоручьевой штамповки.
Для вкладывания заготовки в ручей и извлечения из него поковки штампы снабжены одним или двумя разъемами. В зависимости от типа штампа окончательные ручьи и соответственно форма готовых поковок одного и того же наименования отличаются 278
друг от друга. Существенные различия наблюдаются в макроструктуре поковок вследствие неодинаковых условий течения металла при их изготовлении в открытых, закрытых и в штампах для выдавливания. Поскольку макроструктура металла определяет прочность и долговечность штампованных деталей машин, указанное обстоятельство должно приниматься во внимание при выборе типа штампа.
Штамповка в открытых штампах (штамповка с облоем). Этот способ штамповки характеризуется образованием облоя, выпол-
Рис. 151. Схемы, поясняющие процесс штамповки
няющего некоторые технологические функции. Типичными машинами-орудиями для этого способа штамповки являются молоты и прессы.
Сущность данного процесса легко уяснить на примере штамповки (рис. 151) цилиндра высотой Нк и диаметром DK (рис. 151, с). В простейшем случае (рис. 151, б) цилиндрическая полость штампа выполнена в одной части штампа /, вторая часть штампа представляет собой плоский боек 2. Если объем заготовки Р'э равен объему полости штампа Уш, то схематично штамповку поковки элементарной формы можно представить по рис. 151, в. Здесь при извлечении поковки могли бы возникнуть трудности из-за необходимости преодолевать силы трения. Удаление поковки из штампа облегчается, если боковые стенки полости сделаны с уклоном (рис. 151, г), а поковка с напусками, но это связано с искажением формы поковки (усеченный конус вместо цилиндра), а также увеличением объема поковки и заготовки. Изготовление цилиндрической детали из конической, поковки приводит к дополнительным отходам металла в стружку.
При штамповке по такой схеме наиболее трудно заполняются нпжнис углы полости штампа; прежде чем металл заполнит эти 279
углы, он вытекает между частями 1 и 2 штампов в виде облоя толщиной ho5 (рис. 151, д). Когда расстояние между частями штампов достигает некоторой величины, облой закрывает выход металла из ручья и он вынужден заполнить углы полости штампа. При таком процессе штамповки необходимо в заготовке иметь некоторый объем металла на образование облоя. Разность объемов поступающей из печи заготовки и поковки представляет собой объем отходов. В простейшем примере это объем металла, образующего облой:
VoS = Va - VnDK. (60)
Облой подлежит удалению (обрезке) в специальных (обрезных) штампах. Недостатком рассматриваемого способа штамповки яв
Рис. 152. Схемы штамповки в открытых штампах:
1 и 2 — выталкиватели; «1 —уклон штампа без выталкивателя; as— то же при наличии выталкивателя
ляется значительный отход металла в облой, а также в напуски из-за наличия уклонов а боковых стенок ручья. Кроме того, при схеме штамповки, показанной на рис. 151, д, па машинах со свободным перемещением рабочих органов (например, при использовании молотов и гидравлических прессов) нельзя гарантировать точности размера Нк. В связи с этим применяют штамп по схеме, данной на рис. 151, е. При этом на машинах со свободным ходом штамповку осуществляют до соприкосновения частей штампа между собой; высота поковок Нк и их объем Упак будут иметь заданные величины, даже если объем различных заготовок Vg неодинаков из-за наличия допусков на прокатку и резку. Колебание объемов различных заготовок приводит к неодинаковому объему облоя и примерно к одинаковым по объему поковкам. Это позволяет использовать для разделки прутков на заготовки производительный, но не обеспечивающий высокой точности способ — резку на ножницах.
Для сокращения отходов металла в напуски, вызываемые наличием штамповочных уклонов (рис. 152), плоскость разъема штампа А А (рис. 152, а) смещают к средней плоскости Б Б по-280
ковки, которая приобретает форму двух усеченных конусов, сопряженных по большим основаниям. При этом штамп изготовляют по схеме, показанной па рис. 152, б, которая характерна для открытых штампов. Для уменьшения уклонов применяют штампы с выталкивателями I и 2 поковок из полости (рис. 152, в). Открытые штампы с выталкивателями применяют, например, на кривошипных прессах.
При штамповке в открытых штампах вытекание некоторого объема металла за пределы полости, сопровождающиеся образованием облоя, который затем удаляется, обеспечивает одинаковый в определенных пределах объем поковок, получаемых из различ-
Рис. 153. Схемы штамповки в_ закрытых штампах
ных по объему заготовок. Однако основное технологическое назначение облоя состоит в обеспечении заполнения углов (полости) штампа металлом.
Штамповка в открытых штампах характеризуется следующими основными признаками.
1. Объем металла, находящегося в ручье, в процессе штамповки непостоянен; при штамповке предусматривается вытеснение части металла в виде облоя, который обеспечивает заполнение углов полости штампа, этот металл поступает в отход.
2. Направление вытеснения металла в облойную щель (поперечное) перпендикулярно направлению движения штампа; толщина облоя в процессе штамповки уменьшается.
3. По месту обрезки облоя волокна металла у поковки оказываются перерезанными.
4. Из заготовок с размерами низкой точности получаются поковки с размерами более высокой точности за счет различного для каждой заготовки объема металла, вытесняемого в облой.
Штамповка в закрытых штампах (безоблойная штамповка) осуществляется на горизонтально-ковочных машинах, прессах и молотах.
Сущность процесса (рис. 153) состоит в том, что заготовка с размерами Но и D 0 деформируется, находясь в полости одной части штампа, в которую входит, как в направляющую, другая его часть (рис. 153, а, б). При этом штамп не обеспечивает свободного
281
удаления цилиндрической поковки с размерами Нк и DK из ручья. Для этого применяют штамповочные уклоны или извлекают поковки следующими двумя способами. Для удаления поковки из полости применяется выталкиватель (рис. 153, е). В части 1 штампа установлен стержень 3, выталкивающий поковку после отхода части 2 штампа (при обратном ходе машины). Для уменьшения усилия выталкивания применяют штамповочные уклоны а относительно небольших размеров. По такой схеме выполняют штампы, работающие на прессах. В другом случае (рис. 153, а) часть штампа, в которой расположена полость, выполнена разъемной, состоящей из двух половин Г и штамп состоит из трех частей и имеет разъем в двух плоскостях; штамповочные уклоны при этом не нужны *. По такой схеме выполняют штампы горизонтально-ковочных машин, в которых деформация металла происходит обычно на конце прутка.
Практически некоторая часть металла затекает в зазоры между разъемными частями / и 2 закрытого штампа, образуя незначительный заусенец, объем которого зависит от колебаний объема заготовок вследствие неточности их изготовления. Штамповка в закрытом штампе характеризуется следующими признаками.
1. Колебания объема заготовок должны быть незначительными. При штамповке облой не предусматривается, поэтому объем металла в полости практически не меняется.
2. Образующийся вследствие затекания металла в зазор по месту разъема штампа заусенец незначителен, толщина его не меняется в процессе штамповки, а направление вытекания совпадает с направлением движения штампа.
3. Макроструктура поковок такова, что волокна металла обтекают контур поковки и не перерезаны.
Каждый из описанных способов штамповки имеет преимущества и недостатки, однако штамповка в закрытых штампах более рациональна, так как при ней исключается расход металла в облой, качество же поковок при этом повышается.
Штамповка выдавливанием, как правило, осуществляется на прессах, но может быть осуществлена на горизонтально-ковочных машинах и даже на молотах (ударное выдавливание). Сущность процесса состоит в том, что заготовка устанавливается в полости штампа, выполненного конструктивно по типу безоблойного (рис. 154, а), но так как в ручье имеется выходное отверстие, то часть металла выдавливается через него за пределы полости. Никаких отходов здесь не предусматривается. Исключение составляет та часть объема заготовки, которая является избыточной вследствие неточности прокатки и разделки пруткового металла
1 Применение штамповочных уклонов при наличии штампа с двумя плоскостями разъема описано в § 6 гл. VI.
282
заготовки. Поковка, полученная в этом штампе, со-Н3 тт из JXBVX частей: основной /, находящейся в основной части СТ°юсти к концу процесса, и стержневой 2, выдавленной через П° еостие в полости штампа. Обычно стержневая часть поковки ОТ,еет постоянное поперечное сечение, но известны технологические процессы и соответствующие им штампы, которые обе-спечивают переменный (конический или ступенчатый) профиль стержневой части выдавленной поковки.
Инструмент для выдавливания поковок схож с инструментом цля прессования прутков (рис. 154, б), однако соответствующие
процессы существенно отличаются друг от друга. Если процессы выдавливания и прессования подразделить на два этапа: заполнение полости инструмента и образование стержня, то для процесса выдавливания значение второго этапа (по величине хода пресса и деформации металла) относительно невелико, так как стержневая часть поковки обычно меньше ее корпуса. Напротив, основная часть процесса прессования состоит из установившейся стадии истечения металла
Рис. 154 Схемы штамповки выдавливанием металла (я) и прессования (б)
через очко матрицы, причем
только вытекший из полости инструмента металл 3 (рис. 154, б) является изделием, а оставшийся в полости — отходом 4 (пресс-остаток). В данном случае для сравнения выдавливания и прессования взят одинаковый по форме инструмент с цилиндрической полостью и круглым выходным отверстием.
Сходство процессов выдавливания и прессования заключается только в схеме их осуществления, различие состоит в различной величине рабочего хода пресса при образовании стержня и обычно в более сложной полости инструмента для выдавливания, так как форма поковок разнообразна, а прессование прутков различных форм (профилей, труб) осуществляется в основном из цилиндрической полости инструмента.
Главное преимущество процесса выдавливания перед штамповкой в открытых штампах состоит в возможности получения поковок с очень точными размерами и весьма чистой поверхностью. Большим или меньшим выдавливанием металла в стержневую часть поковки можно фиксировать объем корпуса поковки, не боясь перегрузки штампа (как при безоблойной штамповке заготовок с завышенным объемом).
283
к основным недостаткам штамповки выдавливанием относятся высокие удельные усилия, большие энергозатраты на осуществление процесса, а также относительно низкая стойкость инструмента (особенно на участке выходного отверстия).
Штамповка выдавливанием характеризуется следующими общими признаками:
1. Объем металла в основной полости инструмента в процессе штамповки уменьшается, так как предусматривается выдавливание некоторой части объема заготовки на образование стержневой части поковки.
Рис. 155. Сопоставление контактных условий в момент заполнения углов полости трех типов штампов
2. Не предусматривается отход металла, но при наличии избыточного металла в заготовке (вследствие неточности дозировки) он может быть вытеснен в виде сосредоточенного объема в стержневую часть поковки и затем легко удален отрезкой в штампе или механической обработкой.
‘ 3. Поковки, полученные выдавливанием, отличаются высоким качеством, отсутствием внутренних трещин, пустот и других дефектов, устраняемых при деформации в условиях ярко выраженного трехосного сжатия.
Каждый тип штампа характеризуется направлением контактных сил трения в процессе заполнения металлом полости. Рис. 155 соответствует моменту, близкому к окончанию заполнения полости, применительно к трем основным типам штампов. Стрелками показаны направления контактных сил трения, которые противоположны направлению скольжения металла по поверхности полости штампа. Углы ручьев подразделяются в зависимости от способа их образования: стационарными стенками ручья (углы глухой полости) или стенками инструмента, перемещающимися относительно друг' друга. Полость открытого штампа (рис. 155, а) обра-284
1Я глухнми полуполостями со стационарными углами р. зова на д Препятствуют заполнению углов, для которых усло-
виЛЬдеформации практически одинаковы, В закрытом штампе г я ]55тНб) верхняя часть полости (глухая) со стационарным vrлом 6 находится в худших условиях в смысле его заполнения, чем нижняя часть с углом у, образованным между движущимися относительно друг друга (активной и пассивной) стенками полости. Удельное усилие, приходящееся на дно глухой полости, меньше, чем на противоположную торцовую поверхность, в сторону которой на боковой поверхности полости направлены силы трения. В связи с этим заполнение стационарных углов 0 происходит позже, чем углов у, образованных активной и пассивной стенками. По этой же причине металл затекает в центральное отверстие с в дне полости со стационарным углом медленнее, чем в аналогич-
ное противоположное отверстие в полости штампа.
Заполнение полости штампа для выдавливания (рис. 155, в) характеризуется теми же контактными условиями, что и при заполнении закрытого штампа. Металл относительно легко заполняет угол у полости, образуемый подвижной и неподвижной ее стенками, причем через отверстие f металла вытекает больше, чем через противоположное отверстие с со стороны стационарного угла р.
§ 3. ШТАМПОВКА НА МОЛОТАХ
Молотовой штамп (рис. 156) состоит из двух массивных блоков / и 2 с опорными выступами для клиновидного крепления. Верхняя часть штампа закрепляется на бабе 3 молота клином 4. Сухарь 5 частично входит в паз выступа штампа и частично в паз бабы. Сухарь 5 работает на срез, предотвращая смещение верхней части штампа. Аналогично крепится нижняя часть штампа к подштамповой плите 6 клином 7 и сухарем 8. Подштамповая плита закрепляется в шаботе молота с одной
Рис. 156. Устройство молотового штампа:
1 и 2 — нижняя и верхняя части штампов; 5 — баба молота;
4, 7 — клин верхний и нижннй;
5, S — сухарь верхний и нижний; 6 — подштамповая плита: 9 — клин подушки; 10—шабот молота
стороны клином 9, а с другой — угло-
вым соединением (угол у), которое аналогично соединению сухарем и предотвращает смещение штампа вдоль клина. Эта конст-
рукция штампа гости рована (ГОСТ 6039—51).
285
На практике применяется несколько разновидностей штамповки на молотах (рис. 157): в открытых и закрытых штампах, одноручьевая и многоручьевая штамповка мерных и фасонных заготовок. На рис. 156 показан одноручьевой открытый штамп в момент начала деформации заготовки в торец.
Для повышения производительности и упрощения конфигурации поковок, кроме штамповки по одной поковке, применяется штамповка по две, три и более поковок. На молотах возможна
Рис. 157. Разновидности штамповки на молотах
штамповка от прутка с отделением поковок ножами в том же штампе. По расположению заготовок возможна штамповка в торец (продольная) и поперек оси заготовок (поперечная). Для фасонирования заготовок на молотах при многоручьевой штамповке применяется несколько типов подготовительных ручьев, расположенных в общем штампе с окончательным ручьем. Это обеспечивает непрерывность технологического процесса, но нерационально, так как при выполнении подготовительных операций молот работает с пониженной производительностью. Более рациональна для молотов одноручьевая и двухручьевая продольная штамповка заготовок простой формы или поперечная с предварительным фасонированием заготовок специализированными методами; вальцовкой, прокаткой и т. п. Однако в промышленности еще широко применяется многоручьевая штамповка на молотах.
Молоты относятся к машинам ударного действия. Энергия, расходуемая молотами на деформацию, представляет собой кине-286
ергию падающих масс: бабы, штока с поршнем и верх-тическую э^аМПЯг По этой причине, а также вследствие того, ней части i штампов подвержен ударному воздействию, необхо-что ма1~₽бы ШТампы молотов были массивными. Конец штамповки димо, я * фиксируется моментом соприкосновения верхней и НЙ Мей частей штампа. При работе на молотах процесс штамповки обычно осуществляется в каждом ручье за несколько (2—4) уларов- Большое число ударов молота (10—20) используют при штамповке крупных поковок, хотя производительность молота при этом сравнительно невелика. В настоящее время на молотах штампуют поковки массой —0,1—1000 кг. Рассмотрение процесса штамповки на молотах целесообразно начать с элементов чисто
вого ручья, из которого выходит готовая поковка.
Облой и облойная канавка. Размеры и форма канавок, в которых размещается облой, зависят от размеров и конфигурации поковок, а также от объема и формы заготовок, поступающих в чистовой ручей. Правильно выбранные форма и размеры канавок (рис. 158) обеспечивают своевременное вытеснение избыточного металла из ручья и заполнение рельефа полости штампа к концу штамповки. Правильная канавка в смысле геометрического построения (верхняя на рис. 158) имеет узкий
выход из полости штампа и расширяется в сторону магазина, служащего для свободного размещения вытесняемого в него металла. Для последующей обрезки облоя важно, чтобы сопряжение поковки с облоем было выполнено как можно более резко. Однако при небольшом радиусе закругления в месте перехода от поковки к облою раскаленный металл нагревает острый порог штампа, и он быстро садится. Канавка теряет форму, что приводит к браку поковок. Поэтому на практике применяют более рациональные формы канавок, которые имеют увеличенный порог 1 и магазин 2 (тип I). Если ширина порога канавки недостаточна, то он, быстро разогреваясь, деформируется, при этом штамп выходит из строя. Очень большая ширина порога приводит к повышенному расходу энергии на штамповку вследствие большого сопротивления образованию облоя и его деформации. Нижняя часть штампа находится в соприкосновении с нагретым металлом более длительное время, чем: верхняя, поэтому площадку нижнего порога иногда предусматривают относительно большей ширины (тип II). Такие канавки применяются при большом объеме облоя, т. е. при изготовлении крупных или сложных по конфигурации поковок; называются они канавками с двухсторонним порогом (симметричная — тип I и несимметричная —
При обычных условиях штамповки наибольшее распространение получил тип 1П облойной канавки. Эта канавка имеет выступающий порог только на верхней части штампа и называется капавкой с односторонним верхним порогом. Нижняя часть
287
штампа, на которой лежит нагретый штампуемый металл, пе имеет выступа в виде порога.
Для несложных и небольших по высоте поковок, легко размещающихся в одной половине штампа, применяется облойная канавка с односторонним нижним порогом (тип IV). При такой
Рис. 158. Формы облой ных канавок молотовых штампов и условия их применения: I— при большом объеме облоя; II — при большом объеме облоя для повышения стойкости нижнего порога; /// — основная форма» применяемая во всех случаях, кроме указанных для других канавок, IV — при обрезке поковки с повороты на 180° и при верхнем плоском штампе, V — применяется на части контура поковки дли повышения листового сопротивления течению металла в облой с целью заполнения сложной части полости штампа; VI — для общего попы шеи и и сопротивления течению металла в облой но всему периметру поковки
канавке не требуется точного совпадения штампов и гравировки верхней части штампа, что удешевляет стоимость его изготовления; однако обрезка облоя, расположенного у торца поковки, сопряжена с некоторыми трудностями (см. § 5). Указанный тип канавки применяется и в тех случаях, когда обрезку облоя можно производить с поворотом поковки на 180е. Тип V канавки исполь-
288
зуется на части контура поковки для местного повышения сопротивления течению металла в канавку и гарантирует заполнение металлом сложной полости штампа. В последнее время с этой же целыо применяется канавка типа VI без магазина, но с наклоненными порогами. Сужающаяся полость канавки затрудняет радиальное перемещение в ней металла. Этот тип канавки эффективен в технологическом отношении, но приводит к повышенному расходу энергии, так как деформирование облоя в канавке происходит в трудных условиях (тонкий слой остывшего металла), при этом обрезка облоя усложняется.
Поскольку облой представляет собой отход металла, то при разработке технологии объем его должен быть принят как можно меньшим. Облоя может и совсем не быть, если подпирающее действие боковых стенок штампа обеспечивает заполнение углов ручья прежде, чем металл при штамповке мог бы вытечь за его пределы. Такие условия штамповки можно создать для простейших поковок, когда форма фасонной заготовки близка к форме поковки, а ее объем равен объему полости ручья. Но если данный объем облоя заранее предусмотрен при расчете, то при штамповке нужно стремиться к тому, чтобы весь избыточный металл был вытеснен, т. е. чтобы облой был максимальным для каждой штампуемой заготовки. Это позволяет избежать увеличения объема механической обработки поковок.
Минимальный расход металла в облой определяется в связи с основным его назначением, заключающимся в том, что на некоторой стадии штамповки сопротивление вытеканию металла за пределы ручья штампа становится больше сопротивления заполнению металлом углов полости.
Минимально необходимый облой в подобных случаях определяется в зависимости от формы фасонной заготовки, положения плоскости разъема штампа и размеров порога канавки. Объем минимального облоя для данной поковки неодинаков и зависит от конструктивного оформления штампа (рис. 159). Меньший его объем относится к случаю тонкого h и узкого Ь' облоя, расположенного у торца поковки в том месте, где течение металла наиболее затруднено (рис. 159, о). Однако исходя из условий уменьшения потерь металла с напусками и удобств обрезки облоя получила распространение штамповка с разъемом посредине поковки; в этом случае наблюдается увеличенный объем минимального облоя, характеризуемый размерами h и Ьм (рис. 159, в). Промежуточная величина минимального облоя относится к штампу с разъемом согласно рис. 159, б; при этом Ъ’ < Ь" <
Фактический объем облоя обычно значительно больше минимально необходимого и определяется исходя из следующих условий.
1. Колебания объемов исходных заготовок вследствие допусков на прокатку и резку приводят к увеличению объема облоя 19 5?. м. Олриыевко ЗУ» 289
на величину Vv Например, в случае с цилиндрическими заготовками эти колебания составляют
11 (^шах-^гоах — )>
(61)
где D и L — соответствуют наибольшим и наименьшим размерам заготовок с учетом допусков на прокатку (по До) и резку (по Lo).
При расчете заготовок из проката нормальной точности, например, диаметром 60 ± 1; 90 ± 1,5 и 120 ± 2,0 мм и в случае изменения Do : Lo в пределах 1—2 величина Vi достигает 6~9%
Рис. 159. Схемы, поясняющие зависимость объема минимального облоя от положения плоскости разъема штампа
от объема заготовок. В среднем на каждую заготовку потери металла составят 3—4,5%, что больше потерь металла на окалину. С уменьшением объема заготовок относительная величина колебания их объема увеличивается. Для заготовки, объем который определен расчетом, с увеличением ее длины (при одновременном уменьшении диаметра заготовки) колебания фактического объема вследствие допусков па прокатку и резку также возрастают. Так, например, заготовка диаметром 120 ± 2,0 мм и длиной 120 ± ± 2,0 мм имеет средние отклонения по объему около 3%, тогда как равновеликая по объему заготовка диаметром 90 ± 1,5 мм и длиной 205 ± 3,0 мм имеет средние отклонения по объему 4,5%. На рис. 313 показаны колебания объемов мерных заготовок в зависимости от соотношения их размеров. Величина угара металла колеблется в небольших пределах, но также приводит к изменению объема поступающей в штамп заготовки.
2. Увеличение объема облоя против минимально необходимого объясняется также неравномерностью его образования. Это может быть вызвано следующим: а) несоответствием профилей заготовки и поковки в плоскости разъема штампа, приводящим к неодинаковому поступлению металла в канавку в разных ее частях по периметру, например, при штамповке круглых в плане поковок из квадратных заготовок. Этот вид неравномерности 290
облоя отсутствует при штамповке в торец поковок типа тел вращения, если круглая заготовка устанавливается точно в середину ручья;’ б) при штамповке длинноосных поковок сложной формы заготовка получает в разных частях полости штампа неодинаковую степень деформации по высоте, что обусловливает различные поперечные деформации и как следствие — неодинаковый облой по периметру; в) неравномерным облоем, образующимся вследствие неравномерного распределения температуры по длине заготовки; г) неправильной (веточной) установкой круглой заготовки в ручей, приводящей к неравномерному облою при штамповке в торец даже таких простых по форме поковок, как ступицы фланцы и др.
При неравномерном облое размеры минимально необходимого облоя будут только на отдельных участках периметра, а на остальной его части эти размеры получаются большей величины. Общий объем облоя при этом возрастает на величину V2, которая колеблется от нескольких процентов для простых форм и до десятков процентов (от объема заготовки) для сложных форм поковок. В качестве объема V2 не может быть использован объем так как достаточный для этого избыточный объем Vj имеется не у всех заготовок данной партии.
3. В процессе штамповки полость штампа изнашивается, что приводит к увеличению объема поковок (в пределах допусков). Гак как при разделке прутков на заготовки нельзя учесть степень износа штампа к моменту штамповки каждой заготовки, то в объеме всех заготовок содержится дополнительное количество металла Vs, компенсирующее наибольший износ штампа. Этот дополнительный объем также не может быть заменен избыточным объемом заготовки Уь так как у многих заготовок l'i < У3, а у некоторых — 0. В среднем величина V3 составляет 3—5% от объема заготовки.
4. На практике вследствие несовершенной технологии заполнение полости штампа происходит несколько раньше, чем штампы сходятся между собой. При этом на последней стадии штамповки в облой вытесняется некоторый объем металла V&. При расчете объема облоя объем Уа не предусматривается в качестве дополнительного, так как он может быть заменен уже имеющимся в заготовке избыточным металлом. Когда штамп изношен, объем V3 остается в поковке, и если Vi >0, то Vj, так что на последней стадии штамповки в облой поступает металл за счет его избытка в заготовке из-за неточности ее размеров. Если штамп выполнен с допусками по нижнему пределу и не изношен, то объем Va частично или полностью вытесняется в облой. В этом случае, если Vx >0, то < (Vt + У3). Если же объем У4 не вытесняется полностью в канавку, то имеет место недоштамповка поковки по высоте, наличие которой, как и других допусков (на смещение штампов, перекос их и т. д.), обычно не вызывает
19* 291
увеличения объема заготовки, ио приводит к увеличению объема поковки и соответственно — механической обработки. Если объем очень большой, то для доштамповки поковки требуется затратить много энергии вследствие увеличения числа ударов молота или значительного повышения усилия при штамповке на прессе. При этом износ порогов канавок значительно ускоряется.
5. Увеличение объема облоя против минимально необходимого происходит также в тех случаях, когда он образуется в процессе штамповки раньше, чем это предусмотрено в соответствии с основным назначением облоя. Металл, попадающий преждевременно в магазин, пропадает. Кроме того, этот металл, имеющий объем К,, создает повышенное сопротивление нормально вытекающему в канавку металлу и приводит к увеличению расхода энергии на штамповку. Чем ближе форма заготовки к форме поковки, тем при меньшей деформации заполняется ручей, тем ближе к концу процесса штамповки образуется облой и тем менее вероятно преждевременное его появление. При тщательном фасонировании заготовки облой преждевременно не образуется (У5 = 0) и со-ответствущий объем его в заготовке не предусматривается. Если форма заготовки, поступающей в окончательный' ручей штампа, значительно отличается от формы поковки, то объем У5 приходится предусматривать в объеме заготовки, так как другим объемом он не может быть компенсирован.
В общем случае фактический объем облоя равен
Уф =-= Vmin + Vx |- v2 4- V3 + v5. (62)
Тщательно обработанный технологический процесс штамповки может быть практически осуществлен при V2 = 0 и К, — 0; тогда
УФ = VMin + Vi + V3. (62')
На практике величина облоя иногда составляет десятки процентов от веса поковок вместо нескольких процентов, достаточных для образования минимально необходимого облоя.
Достаточен ли объем облоя, можно установить при пробной штамповке заготовок разного объема и с различным соотношением размеров .При малом объеме заготовок определенный объем металла вытекает в канавку для облоя, в то время как полость ручья оказывается незаполненной. При слишком большом объеме заготовок приходится вытеснять в канавку (кроме необходимого) большое количество избыточного металла, после того как полость ручья уже целиком заполнена (объем VJ- В общем случае объем облоя можно разделить на две части: полезную (объем Vmitl) и бесполезную [уф — Vmin).
Размеры облойной канавки. Размеры отдельных элементов канавки (порога и магазина см. рис. 158) обуслов-292
лены и зависят от выполняемых ими функций. Как уже было выяснено раныие, размеры h и b канавки должны обеспечивать достаточное сопротивление течению металла в канавку к концу штамповки, с тем чтобы заставить металл проникать в трудно заполняемые углы полости штампа. Размеры магазина канавки должны исключить возможность обжатия в нем облоя и обеспечить свободное размещение облоя с учетом неравномерности его образования в процессе штамповки.
Сопротивление вытеканию металла в канавку зависит от переменной в процессе штамповки толщины облоя и от его ширины (по мостику). Чем меньше величина h, тем меньше должна быть и величина Ь, т. е. эти величины взаимосвязаны.
Слишком большое сопротивление течению металла в облойную канавку приводит к увеличению энергии на деформацию (например, к увеличению числа ударов молота при штамповке). Недостаточное сопротивление течению металла приводит к увеличенному объему облоя и к браку поковок по незаполнению полости штампа металлом. Не следует увеличивать объем заготовки сцелью заполнения полости штампа за счет повышенного отхода металла в облой, так как это приводит к повышению расхода металла и энергии на формообразование поковки.
Аналитические методы расчета размеров канавок до сих пор не разработаны. На практике применяют несколько способов расчета облойных канавок, связывая их размеры либо с размерами поковок, либо с массой падающих частей молота, на котором штампуется данная поковка.
А. В. Ребельский на основании обобщения производственного опыта предложил производить расчет канавок исходя из условий создания необходимого в различных случаях сопротивления вытекающему в канавку металлу. Данные, рекомендуемые для расчета размеров канавок в молотовыхтитампах, помещены в табл. 34 (линейные размеры h\ r\ b и даны в мм, а площадь сечения канавки SK в мм2).
Чем больше размеры поковок, тем больше должна быть масса падающих частей молота, на котором штампуется поковка, и тем больше должны быть размеры канавок. Для одной и той же поковки с уменьшением массы падающих частей молота, на котором происходит штамповка с большим числом ударов, толщина и ширина облоя увиличиваются.
Как видно из табл. 34, размеры канавок типа Ш зависят от глубины ручьев, характера деформаций при заполнении штампа.
Толщину мостика облоя определяют по формуле
h = 0,015/7;, (63)
где F,f — площадь проекции поковки в ки2 в плоскости разъема Штампа.
293
Таблица 34
Размеры канавок для облоя
Порядковые номера канавок Высотные размеры канавок г при глубине ручья При штамповке
осаживанием выдавливанием в неглубокую полость выдавливанием в глубокую полость
h fi, ДО 20 20-40 CEM-jue 40 ь bi ь bi Ъ I l>i SK
1 0,6 3 I I 1.5 6 18 52 6 20 61 8 22 74
2 0,8 3 1 1,5 1,5 6 20 69 7 22 77 9 25 88
3 1 3 1 1,5 2 7 22 80 8 25 91 10 28 104
4 1.6 3,5 1 1,5 2 8 22 102 9 25 113 11 30 155
5 2 4 1.5 2 2,5 9 25 136 Ю 28 153 12 32 177
6 3 5 1,5 2 2,5 10 28 201 12 32 233 14 38 278
7 4 6 2 2,5 3 11 30 268 14 38 344 16 42 385
8 5 7 2 2.5 3 12 32 343 15 40 434 18 46 506
9 6 8 2.5 3 3,5 13 35 435 16 42 530 20 50 642
10 8 10 3 3,5 4 14 38 601 18 46 745 22 55 903
11 10 12 3 3,5 4 15 40 768 20 50 988 25 60 1208
По этому размеру выбирают канавку в табл. 34 с учетом преобладающей деформации при заполнении ручья штампа металлом.
Площадь поперечного сечения облоя находят по формуле
So6 = 2фЯк, (64)
где ф — коэффициент, учитывающий степень заполнения канавки и зависящий от формы поковки (или ее элемента).
Для поковок простых форм ф = 0,3; для средней сложности ф = 0,5 и для поковок сложных форм ф = 0,7. Площадь SK (табл. 34) соответствует канавкам типа III по рис. 158. Объем облоя VoS можно определить как произведение средней площади сечения облоя ф5Л на длину линии 1Ц, проходящей через центры тяжести поперечных сечений облоя, т. е.
V - Ф5Л-
Уменьшения неравномерности образования облоя можно добиться изменением размеров канавки. По конструктивным соображениям наличие в одном штампе переменной толщины h облоя нецелесообразно. Выравнивание истечения металла в канавку по периметру полости штампа проще осуществить при использовании канавок с неодинаковой по периметру шириной порога облоя.
На тех участках периметра поковки, где находятся трудно-заполняемые места полости штампа, ширину порога b следует увеличить для улучшения условий заполнения ручья.
Если все-таки наблюдается неравномерность образования облоя, то чтобы избежать переполнения металлом отдельных мест 294
канавки и недоштамповки поковок, следует применять канавки с переменной шириной Ьг магазина.
Для иллюстрации эффекта своевременного образования облоя на рис. 160 приведены две возможные схемы. При недостаточном фасонировании металл вытекает в облой преждевременно (рис. 160, а) и облой получается увеличенного объема (десятки процентов от объема поковки). В этом случае часть облоя, попадающая в магазин, обжимается (сила Рм), что приводит к увели
Рис. 160. Схемы образования облоя: а — нежелательная; б — предпочтительная
чению работы деформации. При достаточном фасонировании (рис. 160, б) облой появляется ближе к концу штамповки; при этом его объем не превышает 5—10% от объема поковки. Тщательным фасонированием можно добиться еще меньшего объема облоя (малооблойная штамповка). При нормальной схеме образования облоя в момент поступления металла в магазин толщина его должна быть равна или меньше высоты магазина в сомкнутом положении штампа, т. е. hr < hM.
Дальнейшее перемещение облоя в магазине сопровождается увеличением его наружного периметра и уменьшением его толщины; Даже в случае, при котором hr = hM, облой не обжимается горизонтальными плоскостями магазина. Высоту магазина следует брать наибольшей исходя из стойкости кромки порога канавки. Вследствие того, что внешняя сила, деформирующая облой в перемычке, действует на меньшую площадь, чем реакция этой силы со стороны нижнего штампа (рис. 160, б), облой в процессе штамповки искривляется.
295
Следует иметь в виду, что обычное расположение плоскости разъема штампа посредине ручья обеспечивает наименьший расход металла с напусками, но способствует более раннему образованию облоя.
Возможности экономии металла на облой. Средние потери металла на облой составляют, например, в автотракторной промышленности 16—18 % от массы используемого на поковки металла. По всей промышленности СССР отходы в облой составляют сотни тысяч тонн металла. Несколько процентов от всей штампуемой стали можно сэкономить, если сократить избыток металла Vi в заготовке за счет повышения точности ее объема.
Для этого необходимо применять способы безотходной и точной разделки прутков на заготовки с учетом допусков при прокатке (см. раздел 2 гл. II). Разделка заготовок па установке с ограничителем, действующим от вычислителя объема, обеспечивает получение достаточно точных по объему заготовок из проката обычной точности.
Сокращения объема металла на облой можно добиться уменьшением объема металла У3, компенсирующего износ штампов. Для этого объем, характеризующий износ штампа, делится на несколько частей, соответственно которым применяются заготовки с различной величиной избытка металла — вначале небольшой, а затем все возрастающей. Экономию металла можно получить уменьшением избытка металла V2, вызываемого неравномерностью образования облоя, за счет использования канавок с переменной шириной порога b и лучшего фасонирования заготовок. В процессе штамповки нельзя уменьшать объем облоя, так как это приводит к утяжелению поковок и к увеличению объема их механической обработки. Всякое уменьшение объема облоя должно сопровождаться уменьшением объема заготовки, только в этом случае можно получить экономию металла.
Разъем штампов. Разъем у открытых штампов необходим для вкладывания заготовки в ручей и извлечения из него поковки.
Положение плоскости разъема штампа определяется различными факторами и в первую очередь формой поковки, которая должна обеспечивать свободный выход ее из полости. Рассмотрим, какие положения плоскости разъема возможны для поковок различных геометрических форм (рис. 161).
Шар. В этом случае (рис. 161, а) плоскость разъема /—1 может проходить только через диаметральное сечение фигуры. Смещение плоскости разъема, например, в положение 2—2 (рис. 161, б) приведет к напускам и потере металла. Форма поковки при этом искажается. При штамповке эллипсоида возможны два варианта плоскости разъема штампов: по большому и малому диаметральным сечениям.
296
К у б. Для пего возможны три положения плоскости разъема штампов (рис. 161, в): разъем 1 требует напусков по четырем боковым граням; разъем 2 столько же, хотя потери металла в напуски здесь меньше. Самым целесообразным является разъем 3, при котором по двум плоскостям в каждой части штампа имеются естественные откосы. Напуски здесь небольшие и предусматриваются только на двух гранях. Периметр и объем облоя при этом
Рис 161. Возможные положения плоскостей разъема штампов для простых геометрических фигур
несколько больше, однако получаемая экономия маталла в напусках компенсирует потери, связанные с увеличением облоя.
Ц и л и н д р. Возможны три варианта разъема (рис. 161, а). Вариант / имеет те же недостатки, что и в случае с кубом (большие потери металла от уклонов). Обрезка облоя у торца поковки усложнена. В зависимости от соотношения высоты // г, и диаметра Do выбирают варианты 1, 2 или 3 разъема штампов. Для цилиндров большой длины целесообразнее применять вариант 3, при котором заготовка штампуется поперек-оси, так как напуски здесь будут только у торцов; для цилиндров небольшой длины, которые штампуют в торец, — вариант 2.
Усеченный конус. Возможны два варианта разъема (рис. 161, д). Вариант 1 используют, когда величина угла конуса а достаточна для извлечения поковки из ручья без приложения значительных --усилий, однако при этом должен быть использован обрезной штамп с направляющими колонками и с двумя режущими кромками рабочего инструмента. Поковки большой длины обычно
297
штампуются по варианту 2 с напусками только на торцах. Штамповка сопровождается появлением горизонтальных ^сил; при этом используется обрезной инструмент с одной режущей кромкой.
Реальные поковки можно рассматривать как сложные геометрические фигуры, состоящие из элементарных фигур. Если плоскость разъема штампов выбирают по максимальным габаритным размерам поковки, то полости штампов получаются неглубокими, облегчается их заполнение, но увеличиваются периметр и объем облоя, а также площадь зеркала штампа, занятая ручьями.
Рассмотрим примеры. Требуется изготовить деталь типа шкива, втулки, шестерни и т. п. (рис. 162, а). Выбирая разные
Рис. 162. Возможные положения плоскости разъема штампов для поковки типа тела вращения
плоскости разъема штампов, получим поковки различной формы (рис. 162, б и е). При положении разъема, показанном на рис. 162, б, применяется штамповка в торец. Разъем, соответствующий рис. 162, в, отвечает поперечной штамповке. Расположение и величина напусков определяются соотношением размеров элементов поковки. При штамповке в торец (рис. 162, б) удается сделать наметку отверстия, что обычно дает значительную экономию металла и упрощает механическую обработку поковки; заготовка при этом может иметь простую цилиндрическую форму. При поперечной штамповке (рис. 162, в) должна быть использована фасонная заготовка. Из сказанного можно сделать вывод, что при соотношении размеров детали Нд < Dd более целесообразна торцовая штамповка.
Если речь идет о поковке шестерни, то при любых соотношениях ее размеров предпочтительнее торцовая штамповка. В этом случае макроструктура поковки получится одинаковой у всех зубьев шестерни и обеспечит высокую их прочность. При поперечной штамповке зубья шестерни в местах, совпадающих с плоскостью разъема штампа, ослаблены.
Достоинства варианта штамповки, показанного на рис. 162, в, состоят в отсутствии напусков на боковые поверхности цилиндрических элементов поковки (используются естественные скаты поковки). Если поковка большой длины (Нд ^>Dg) и в ней нет 298
Рис. 163. Положение плоскости разъема штампов для длинноосных поковок с бобышками на концах.
1—I — прямая и 11—11 — ломаная линии разъема
отверстия» то ее целесообразно штамповать по указанному ва-РИаЛшния разъема штампов (проекция плоскости разъема на перпендикулярную к ней плоскость) может быть прямой или ломаной Например, при изготовлении поковок рычагов и шатунов / ’ 163, «) разъем может быть выполнен по варианту, указан-
ному на рис. 163, б, который обеспечивает относительно простое изготовление штампа и хо-рошие условия обрезки облоя. По расходу металла вариант, представленный на рис. 163, «, более экономичен (при одинаковой величине уклона а), хотя ломаная линия разъема усложняет изготовление штампов и обрезку облоя.
Для поковки с бобышками, развитыми в одну сторону по отношению к плоскости разъема (рис. 163, а), прямая линия разъема приводит не только к повышенному расходу металла, но и к плохому заполнению углов к глубоких полостей штампа. При ломаной линии разъема штампа (рис. 163, 3) углы к расположены в менее глубоких полостях, что улучшает условия их заполнения.
В случае штамповки поковки удлиненной простой формы при небольшом размере hd (рис. 164, о) целесо-
образно использовать разъем штампа по плоской части поковки. При штамповке по варианту согласно рис. 164, б стоимость изготовления штампа выше, а объем облоя больше и условия наладки сложнее, чем при расположении ручья только в нижнем штампе (рис. 164, о). Для таких малоответственных деталей, как например, гаечный ключ, простота изготовления штампа (по варианту рис. 164, а) и то обстоятельство, что смещение частей штампа не играет роли, оказываются более важными, чем недостатки при обрезке облоя, расположенного с краю поковки.
В случае штамповки поковки Г-образной формы (рис. 165, а) ири ломаной линии разъема штампа I—II—III—IV неудобное расположение облоя для обрезки усложняется тем, что он нахо-
299
дится в нескольких плоскостях под прямыми углами (рис. 165, б). Разъем штампов V—VI—VII, установленный под тупым углом а (рис. 165, в), повышает качество обрезки облоя. При небольшой длине поковки (рис. 165, г) ее можно штамповать с прямой линией разъема (рис. 165, д).
В некоторых случаях положение плоскости разъема штампов и соответственно форма поковки определяются заданной макро-
Рис. 164. Возможное положение плоскости разъема штампов при штамповке плоских поковок удлиненной формы
Рис. 165. Положение плоскости разъема штампов для поковок Г-образной формы
структурой. Например, если деталь машины (рис. 166) работает на срез по линии аа, то'волокно должно быть перпендикулярно линии среза. Положение линии разъема II—II в данном случае не является удовлетворительным, и поэтому, пренебрегая некото
Рис. 166. Выбор положения разъема штампа по условиям работы детали
рыми недостатками, связанными с положением разъема I—I, все же следует выбрать этот последний вариант.
На рис. 167 показано влияние положения плоскости разъема штампа относительно оси поковок типа тел вращения на их форму. На рис. 167, а и б сравниваются торцовая (продольная) и поперечная штамповка. Для поковки с отверстием и коническим корпусом (верхняя на рис. 167) потери металла с напусками (см. заштрихованную часть) небольшие при торцовой и очень большие при поперечной штамповке. Наоборот, для поковки с боковой 300
выемкой и цилиндрическим стержнем напуски очень большие при торцовой штамповке.
РВ табл. 35 для сравнения даны оба варианта штамповки, более выгодные условия отмечены знаком плюс и знаком минус — менее выгодные.
Для поковки с отверстием целесообразно применять торцовую штамповку, так как удается отформовать полость для отверстия с небольшим отходом в виде перемычки с. Для поковки со стерж-
Рис. 167. Два возможных положения поковки в процессе штамповки
нем и колесом с ребордами целесообразнее торцовая штамповка. Однако с экономической точки зрения из-за больших потерь металла в напуски предпочтительнее применять поперечную штамповку, несмотря на более сложные штампы, используемые при этом, и другие недостатки указанного варианта штамповки.
Оценка правильности выбора плоскости разъема штампов не исчерпывается данными, перечисленными в табл. 35. В частности необходимо учитывать условия захвата и базовые поверхности при обработке поковок резанием. При прочих равных условиях правильный разъем штампа обеспечивает зажим поковки не по конической, а по цилиндрической части и одинаковый припуск вдоль направления обработки резанием, т. е. напуски должны быть расположены по черным (необрабатываемым) поверхностям поковки.
301
Таблица 35
Сравнение двух вариантов штамповки (к рис. 167)
Характеристика технологического процесса
Варианты штамповки
Поковка с отверстием Поковка со стержнем
торцовая полереч-кая торцовая поперечная
-I-
Подготовка исходной заготовки . . Конструкция основного штампа Условия укладки заготовки в штампы Величина отхода в облой ........
Конструкция обрезного штампа .
Условия обрезки облоя
Макроструктура (расположение волокон) .........................
Отходы металла в напуск . . . .
+
В большинстве случаев выполнить все перечисленные выше требования к плоскости разъема не удается. Поэтому в каждом конкретном случае выделяют некоторое число требований, которые и являются главными.
Штамповочные уклоны. Отштампованная поковка удерживается в полости штампа силами трения, которые преодолевают при извлечении поковки из ручья. Чтобы предотвратить застревание поковок в ручьях, боковые стенки полости штампов выполняют с уклонами (штамповочные уклоны). При отсутствии уклона поковка удаляется с преодолением сил трения па относительно большом пути. При наличии уклонов поковка отрывается от стенок штампа в результате ничтожно малого ее смещения. На практике применяются штамповочные уклоны от 1 до 10° [10].
В этих условиях своеобразие контактных сил трения не может быть полностью учтено известным выражением, как произведение сопротивления деформации на коэффициент трения и площадь трения. Например, влияние площади контакта для различных форм поковок неодинаково. Чем относительно глубже полость штампа, тем больше должен быть штамповочный уклон для свободного удаления поковок из ручья. Это можно объяснить повышением нормальных напряжений при штамповке в более глубокой полости штампа. Если заполнение какой-нибудь части ручья сопровождается выдавливанием металла, то штамповочный уклон должен быть больше, чем при штамповке с осадкой, при которой металл поступает в ручей до начала штамповки. Уклон ручья повышает сопротивление выдавливанию металла, нормальные напряжения и соответственно удерживающие поковку силы трения.
302
Ппя ряда геометрически подобных поковок штамповочный уклон уменьшается при переходе от мелких к крупным изделиям. Это объясняется тем, что упругая отдача после ударов, способствующая отрыву поковки от штампа, более значительна у крупных поковок, штампуемых ударами большей энергии.
С увеличением температуры конца штамповки удельное уси-пие штамповки уменьшается, а сила трения уменьшается непропорционально вследствие увеличивающейся при этом способности штампуемого металла прилипать к штампу. Смазка, применяющаяся для штампов, влияет на обе составляющие сил трения: уменьшаются коэффициент трения и нормальные напряжения.
Рассмотрим схему действия сил при удалении поковок из ручья (рис. 168). Проектируя действующие силы на вертикальную ось z—z, находим
— Т cos а — Рг sin а, (65) где Рца — сила извлечения поковки из ручья;
Т — сила трения, равная рР,;
Р,—сила, действующая со стороны упруго-деформированного штампа на поковку; а — штамповочный уклон.
При упрощении полученного
Риа — Pr (р cos a — sin а). (65’)
Как видно из этого выражения, при данной величине угла уклона а сила Риз, необходимая для извлечения поковки из ручья, зависит от коэффициента трения, с уменьшением которого уменьшается и усилие штамповки, а следовательно, и величина Рг.
р
Двучлен в скобках, равный (рсоза — sin а), характеризует условия освобождения поковки из ручья; при < О поковка освобождается естественно.
Для наглядности в табл. 36 приводятся расчетные данные р
относительного уменьшения величины по мере увеличения уклона и уменьшения коэффициента трения (при условии, что величина р равна 0,5—0,05).
При максимальных силах трения (р — 0,5) даже наибольший применяемый штамповочный уклон (а = 12и) приводит к сниже-р
ншо относительного усилия извлечения менее чем в 2 раза
Рис. 168. Схема действующих сил при удалении поковки из ручья
выражения имеем
303
Таблица 36
Зависимость относительного усилия извлечения -рВ поковки из ручья от величин виц
Коэффициент трения Угол штамповочного уклона а в град
о • 3 5 7 W 12
0,5 0,5 0,48 0,44 0,41 0,37 0,31 0,28
0,25 0,25 0,23 0,2 0,17 0,13 0,08 0,05
0.2 0,2 0,18 0,15 0,11 0,08 0,02 —
0.1 0,1 0,08 0,05 0,01 — — —
0,05 0,05 0,03 — — — — ——
(с 0,5 до 0,28). С уменьшением коэффициента трения до 0,2 величина становится незначительной уже при а = 7°, а при <1=12° поковка освобождается естественно.
При р — 0,1 естественное освобождение поковки происходит при р. = 7°, а при р = 0,05 освобождение поковки происходит при а — 3°. Приведенные данные относятся к статическим условиям процесса. Динамические условия штамповки облегчают освобождение поковок из ручья.
После совершения удара упругосжатые штамп и подштамповая система с большой скоростью возвращаются в исходное положение. При этом, если полость штампа имеет достаточный уклон и хорошо смазана, то поковка отрывается от штампа и может быть затем свободно удалена. Продукты горения и испарения смазки, а также воздух, находящийся во многих случаях в полости штампа, сжимаются и создают компрессию, что способствует удалению поковок из ручья.
Так как штамповочные уклоны приводят к потерям металла с напусками, то следует использовать минимальные уклоны, однако при этом возможны случаи застревания поковок. Даже для симметричных относительно плоскости разъема поковок условия их застревания в штампе не совсем одинаковые. Нижняя часть штампа находится в соприкосновении с металлом более длительное время и разогрета больше верхней. Износ нижней части штампа больше, поэтому состояние ее рабочей поверхности хуже, что вызывает застревание в ней поковок. Для удаления застрявшей поковки из нижней части штампа наносят по поковке дополнительный сильный удар, чтобы добиться естественного ее выбрасывания из ручья. В некоторых случаях поковке дают немного остыть, после усадки металла она свободно удаляется 304
из полости. Этот способ нельзя рекомендовать, так как он приводит к уменьшению производительности работы и отпуску штампа. Застревание поковок в верхней полости недопустимо по условиям техники безопасности и из-за образования забоин (брака) поковок При их падении из поднятого штампа. Лучшие условия выемки поковок из верхней полости создают за счет уменьшения контактной поверхности верхнего штампа соответствующим выбором
плоскости разъема или применением штамповочных уклонов в верхнем штампе больших, чем в нижнем.
Для различных металлов штамповочные уклоны неодинаковы. Так, например, для дур-алюмина штамповочные уклоны почти вдвое меньше, чем для
стали. Причина этого заключается в меньших силах трения и в меньшей слипаемостн дурил юмина со сталью, чем стали со сталью. Для разных марок стали принимают обычно одина
Рис. 169. Наружные и внутренние штамповочные уклоны на поковке
ковые уклоны.
На поковках и в штампах
различают наружные и внутрен-
ние уклоны (рис, 169). Наружные или внешние штамповочные уклоны 1 относятся к тем поверхностям, по которым между поковкой и стенкой штампа образуются зазоры вследствие тепловой усадки при остывании металла. Внутренние штамповочные уклоны 2 относятся к тем поверхностям поковки, которые при ее остывании приводят к горячей посадке поковки на выступ штампа. Эти штамповочные уклоны должны быть больше наружных («2 > а,).
При конструировании инструмента для определения штамповочных уклонов пользуются различными опытными данными, одни из которых для молотовых штампов (в град) приводятся ниже (hn— глубина полости; Ьп — ширина (или диаметр) полости; 1п — длина или диаметр полости).
1П-Ьп
До 1 1—3 3-4.5
До 1,5 5 7 10
Свыше 1,5 3 5 7
Приведенные данные о штамповочных уклонах относятся к полостям, заполняемым выдавливанием. Если полость запол-20 jj. м. Охрименко Б97 ^05
няется осадкой заготовки, то штамповочные уклоны могут быть значительно меньше. На рис. 170, а показана поковка, для штамповки которой путем осадки заготовки возможен уклон 1°30 вместо 10° согласно приведенным выше данным. На рис. 170, б дана поковка с двумя уклонами по высоте для получения меньших отходов в напуски при штамповке. Согласно ГОСТу 7505—55 внешние уклоны для поковок, штампуемых на молотах, должны быть не более 7°, а внутренние не более 10°.
Радиусы закругления. Различают два вида радиусов закругления штампов: внутренние г и наружные или внешние R (рис. 171, б). У поковок буквенные обозначения радиусов расположены в обратном порядке (рис. 171, а). Внешний радиус г у поковок трудно выполнить небольшим: металл затекает в угол штампа с малым радиусом в последнюю очередь; при этом требуется большое удельное усилие для течения металла. Чем больше глубина полости штампа, тем труднее получить малый радиус закругления у поковки, если полость заполняется выдавливанием в нее металла. Малые радиусы г могут привести к образованию трещин а на штампе в результате концентрации напряжений (рис. 172).
Радиус закругления R также не может быть очень малым, так как в штампе подвергается смятию соответствующий угол б, образуя поднутрение полости ручья, в котором поковка застревает. При наличии радиуса R недостаточной величины может произойти неправильное течение металла и образование складки (зажима), т. е. брак поковок (рис. 173). Например, наличие недостаточного по величине радиуса У?! (рис. 173, а) при штамповке шестерни приводит к тому, что поток металла от ступичной части устремляется к ободу шестерни (/) и, встречая ограничивающее действие боковых стенок (//) штампа, течет вверх (Ilf), а затем осаживается (IV) при продолжающемся интенсивном течении металла из ступичной части. Образующийся встречный поток металла приводит к складке (V). При нормальной величине радиуса /?2 (рис. 173, б) металл растекается вдоль поверхности полости, образуя нормально выполненную поковку.
Большая величина радиуса R приводит к увеличению расхода металла, а небольшая затрудняет дробеструйное удаление окалины с поковок (см. § 3 гл. VI).
Недостаточная величина закруглений кромок полости штампа вызывает рассекание волокон заготовки (рис. 174, а), поковка получается менее доброкачественной, чем в случае, когда штамп имеет нормальную величину закругления кромок. Здесь волокно огибает контур поковки (рис. 174, б).
Радиусы г обычно равны I—6 мм, a R = 3 -е- 15 мм. Чем глубже полость, тем большим принимается радиус закругления. Величину радиусов выбирают также в соответствии со способом заполнения полости при штамповке. Если полость заполняется 306
Рис 170. Штамповочные уклоны: д—при штамповке в закрытом и б—в открытом штампах
Рис. 172. Преждевременный выход из строя штампа (левая часть рисунка) вследствие недостаточной величины радиуса закругления внутреннего (а) и наружного (б) углов полости. Штрихпунктиром показан контур полости после деформации кромок
Рис. 171. Наружные и внутренние радиусы закругления поковки и штампа
Рис. 173. Образование складки на поковке при недостаточном наружном радиусе /?, у штампа
20*
307
выдавливанием, то радиус должен быть большим, чем при заполнении ручья осадкой (см. рис. 174). При обработке поковок резцом радиусы гл/? выбирают в соответствии с величинами при-
пусков.
Условия заполнения углов штампов могут быть выявлены аналитически (например, методом построения сеток линий скольже-
а)
Рис. 174. Рассекание волокон заготовки при недостаточной величине радиуса R закругления кромки штампа:
с — рассеченные волокна
Полости н наметка к а х. При штамповке поковок с
ными отверстиями стремятся получить выемки возможно большего
объема, что приводит к экономии ской обработки.
Поковки с весьма глубокими полостями не являются типичными для штамповки под молотами вследствие больших штамповочных уклонов и значительных потерь металла с напусками. Неглубокая полость в поковке (рис. 175, а) может быть образована в молотовых штампах тем легче, чем больше диаметр этой полости.
При штамповке таких поковок в наиболее тяжелых условиях работают выступы штампов, называемые знаками. Вследствие малой стойкости
штамповых знаков полости диаметром менее 30 ям при горячей штамповке не выполняются. При штамповке поковок деталей большой высоты с отверстием ограничиваются получением лишь глухих наметок (рис. 175, б) без последующей просечки отверстий, которые получают обработкой поковок резанием. Наличие выемки в поковке способствует получению более точных размеров при калибровке торцовых поверхностей (см. §4,гл. IX). Наметки можно получить с двух сторон поковки, но в дан-308
ния для плоской схемы деформации [87, 100]. В частности, для закрытых штампов условия затекания металла в активные углы лучше, чем в пассивные; в связи с этим радиус закругления поковок в первых углах может быть меньше, чем вторых.
Внешние радиусы г поковок согласно ГОСТу 7505—55 приведены в табл. 37.
отверстия в поков-глухими полостями или сквоз
металла и уменьшению механиче-
Тиблица 37
Номинальные радиусы г (в мм) закруглений внешних углов в штампованных поковках
Масса штампованных поковок F кг Группа точности ПОКОВОК
первая вторая и третья
Свыше 0,25 до 0,63 1,0 1,5
» 0,63 » 1,60 1.5 2,0
» 1,60 » 2,50 1,5 2,5
» 2,50 » 4,00 2.0 3.0
» 4,00 » 6,30 2,5 3,0
» 6,30 » 10,00 2,5 3,5
НОМ случае объем полостей в поковке незначителен. Верхняя наметка полости выполнена из условия получения глубины, равной двум диаметрам- Высота нижней наметки полости меньше верхней так как стойкость нижнего знака меньше верхнего (из-за большего его разогрева). Чтобы обеспечить устойчивость заготовки при закладывании ее в ручей, нижний знак должен быть невысоким (если отсутствует предварительная подготовка полости в заготовке).
Рис. 175. Типы поковок с полостью
Согласно ГОСТу 7505—55 выполнение сквозных отверстий или углублений в поковках обязательно, если диаметр отверстий больше или равен высоте поковок. Если штампуется поковка детали небольшой высоты со сквозным отверстием, то наименьший расход металла и правильный радиальный поток его обеспечиваются при образовании одинаковых наметок с двух сторон поковки при условии несовпадения уровней плоскостей разъема штампа и образования пленки (рис. 175, е). Образующаяся пленка (перемычка) легко удаляется в просечном штампе при обрезке облоя. Так как плоскость разъема штампа проходит ниже торца нижнего знака, то необходим нижний вставной знак. Его применяют, чтобы избежать больших потерь металла при строжке штампового кубика для нижней части штампа с выступающим знаком выше его зеркала (на исходном кубике). Решение, показанное на рис. 175, г, обеспечивает совпадение уровня обреза знаков с плоскостью разъема штампов, однако потери металла в напуски здесь относительно большие. Исходя из условий течения металла 309
этот вариант имеет и тот недостаток, что радиальный поток металла, выдавливаемого между знаками, устремляется непосредственно в облойную канавку, что сопровождается более ранним и увеличенным облоем. Еще один вариант решения приведен на рис. 175, д. Здесь угол а3 > ах и потери металла в напуск еще больше возрастают. В этом случае удаление пленки значительно усложняется; стойкость знака наиболее низкая.
При штамповке поковок с наметкой отверстий приходится считаться с тем, что слишком толстые пленки тяжело срезать, а чрезмерно тонкие пленки нецелесообразны по затрате энергии при штамповке и из-за снижения стойкости штамповых знаков. На практике в каждом отдельном случае устанавливают оптимальные размеры пленок с учетом применяемой стали и габаритных размеров поковок. Если пленка получается большого диаметра л небольшой толщины, то для ее образования требуется затратить много энергии. В этом случае на первой стадии штамповки в черновом ручье целесообразно получать пленку между знаками с большими радиусами закруглений (рис. 175, е). При штамповке в чистовом ручье (рис. 175, ж) применяют такие знаки, которые образуют в середине пленки магазин (карман). Металл с утолщенных мест пленки вытесняется в него, а сама пленка легко удал яется.
Если поковка имеет большой диаметр и не представляет собой массивного изделия, то во избежание складок (см. рис. 173) в чистовом ручье применяют штампы с карманом другой формы (рис. 175, з). Чтобы избежать больших потерь металла на пленки, карман выполняют в соответствии с объемом и даже формой какой-нибудь другой поковки (см. рис. 323).
Чистовой ручей. Заполнение чистового ручья, в котором поковка приобретает окончательную форму, обычно происходит путем осадки, прошивки заготовки или выдавливания металла в углубления и выемки внутри полости штампа. Наиболее просто протекает процесс штамповки, при котором свободная осадка сопровождается формовкой несложных поковок без выемок (рис. 176, с). Если поковка штампуется с образованием одностороннего или двухстороннего углубления, то его можно получить при удовлетворительной стойкости штампов прошивкой с одновременной осадкой (рис. 176, б и в). На рис. 176, г показан пример образования выступающих частей поковки осадкой высокой заготовки, а на рис. 176, д эти же части поковки образуются при выдавливании низкой заготовки в торцовые углубления полости штампа. На рис. 176, е приведен пример, когда верхняя часть штампа прошивает заготовку, а в нижней происходит выдавливание металла в кольцевую выемку полости штампа.
Заполнение ручья металлом можно разделить на несколько (например, на четыре) стадий (рис. 177). Рассмотрим простейший случай.
310
В первой стадии происходит свободная осадка заготовки на величину МЛ (рис. 177, /). В более сложных случаях свободная осадка сопровождается частичным выдавливанием в дополнительные углубления полости или прошивкой металла с образованием выемок в поковке. На этой стадии штамповки усилие на деформацию относительно невелико (график справа на рис. 177, /). На заготовку действуют следующие силы: внешняя Р, ее реакция и силы трения Т по торцам заготовки.
С момента соприкосновения заготовки с боковыми стенками штампа начинается вторая стадия штамповки (рис. 177/2). Усилие
Рис- 176. Разновидности форм ручьев в зависимости от способа их заполнения металлом (штриховыми линиями показаны исходные заготовки)
на деформацию на этой стадии процесса возрастает (рис. 177, 2) вследствие подпирающего действия боковых стенок Q штампа. Появляются силы трения Тб на боковой поверхности заготовки, направленные против движения металла по поверхности ручья. Эта стадия штамповки завершается при обжатии на Д//2 в момент начала образования облоя.
В третьей стадии штамповки при обжатии на ДЯ3 (рис. 177, 3) избыточный металл заготовки вытекает в канавку. Объемное напряженное состояние металла становится более ярко выраженным, сложным, в связи с чем интенсивнее возрастает усилие на деформацию (рис. 177. 3). Общее сопротивление деформации Р возрастает еще и потому, что теперь приходится деформировать и облой (сила Ров и ее реакция). К началу этой стадии штамповки незаполненными остаются лишь углы полости с. Вследствие течения металла в облой возникают силы трения на боковой поверхности у входа в канавку, направленные против сил трен-ния Тб в области углов полости. Появляются также силы трения ТсГ, на облое. Третья стадия штамповки характерна тем, что в это время облой выполняет свою основную технологическую функцию — закрывает полость штампа. При дальнейшей деформации сопротивление выходу металла в канавку растет вследствие
311
Рис, 177. Различные стадии течения металла при заполнении полости открытого штампа:
/, 2, S, 4 — начальные (слева) и конечные (справа) положения каждой стадии штамповки
312
еньшения высоты облойной щели. Так как сопротивление течению металла в незаполненные углы полости меньше, чем в канавку то к концу этой стадии ручей штампа оказывается заполненным. Если штамп сконструирован правильно и объем заготовки подобран точно, то заполнение углов полости может совпасть с окончанием процесса штамповки. О деформациях в третьей стадии штамповки можно судить по изменению координатной сетки (рис. 178, б), нанесенной на сечение заготовки по окончании второй стадии штамповки (рис. 178, о).
Рис. 178. Деформация заготовки на третьей стадии штамповки в открытых штампах
На практике почти всегда бывает четвертая стадия штамповки, если к моменту заполнения ручья поковка недоштампована, т. е. имеет высоту большую, чем по чертежу, на величину ДН4 (см. рис. 177, 4).
Для вытеснения из полости штампа избыточного металла приходится дополнительно затрачивать энергию за счет нанесения еще нескольких ударов. На этой стадии штамповки силы4трения Движения Тоб остаются лишь на облое. Развитие четвертой стадии штамповки наблюдается при чрезмерно большом объеме заготовки, при малой толщине перемычки облоя k или при большой ширине порога Ъ (см. рис. 158) облойной канавки. Сопротивление деформации на этой стадии штамповки быстро возрастает до наибольших величин. Для правильного представления о механизме заполнения полости штампа следует иметь в виду, что стадии штамповки следуют друг за другом не одновременно по всему периметру поковки. Исключение составляют поковки типа тел вращения, штампуемые в торец, для которых типичны одновременное по периметру возникновение и смена стадий штамповки. Для поковок сложной формы неодинаковое развитие третьей и четвертой стадий штамповки на разных участках по периметру поковок легко обнаруживается путем их рассмотрения перед последними ударами.
313
Углы штампа заполняются вначале только в отдельных местах ПОЛОСТИ-
Для того чтобы установить начало четвертой стадии штамповки на молотах, необходимо прекратить процесс после первого, второго и третьего и т. д. ударов и путем сравнения с эталоном поковки определить порядковый номер удара, при котором углы полости штампа можно считать выполненными окончательно, а высоту поковки больше допускаемой. Остальные удары молота затрачиваются на доштамповку поковки. Величина доштамповки устанавливается по разнице высот эталонной и рассматриваемой поковок. Инж. В. Ф. Лошкарев [45J выполнил эксперименты, по которым можно установить относительную затрату энергии на выполнение четвертой стадии штамповки, судя по числу ударов на доштамповку поковки по высоте (табл. 38).
Таблица 38
Данные, характеризующие четвертую стадию штамповки
Наименование поковок Относительное число ударов для осуществления четвертой стадии штамповки в % Относительное уменьшение толщины облоя sa четвертую стадию штамповки в % Абсолютная величина деформации облоя за четвертую стадию штампов ки в мм
Втулка 30,0 25,0 1,3
Шестерня ..... 41,7 47,0 1,8
Рычаг 42,1 33,0 1,5
Шатун 49,0 30,0 1,7
Для эксперимента были взяты одинаковые заготовки. Среднее число ударов определялось по десяти поковкам. Как следует из данных табл. 38, на четвертую стадию штамповки затрачивается от 30 до 50% общей энергии, причем абсолютная деформация поковки при этом составляет менее 2 мм *.
На рис. 179 представлена форма очага^деформации при до-штамповке, установленная методом построения сетки линий скольжения [82].
Подобная форма получена также методом макроанализа стальной поковки и воспроизводится при доштамповке предварительно разрезанных [74] поковок с нанесенной координатной сеткой на плоскость разреза. Как видно из рис. 179, при доштамповке пластическая деформация охватывает далеко не весь объем поковки, но и не ограничивается узкой полоской Д//4, как это было показано на рис. 177, 4, где дан лишь объем металла, который смещается при доштамповке.
* Некоторые исследователи (например, Л. А. Шофман [100]) рассматривают стадии 2 и 3 как общую стадию, тогда весь процесс заполнения ручья состоит из трех стадий, причем последняя — четвертая называется третьей.
314
эти зоны по очертанию близкими
^/W/7/7/77^777777/7777777.
Рис. 179. Сетка линий скольжения, характеризующая очаг деформации в течение четвертой стадии штамповки
И А. Шофман исследовал теоретические границы распространений пластических зон на различных стадиях штамповки в открытых штампах и получил к обнаруживаемым по макР0-шлифу и искажению координатной сетки. Исходя из условий плоскойдеформации, графическим методом построили сетки линий скольжения (рис. 180). Заполнение двух полуполостей открытого штампа с размерами и hn происходит с образованием облоя толщиной hr. На рис. 180, а начало четвертой стадии штамповки совпадает с началом образования облоя и относится к 1п 1 случаю, при котором —" - 1.
Здесь поля линий скольжения в пластических областях образованы двумя ортогональными семействами прямых линий.
В дальнейшем по достижении
Рис. 180. Поля линий скольжения в различные периоды четвертой стадии штамповки. Буквой А обозначены жесткие зоны [100]
отношения 5ч-6 (рис. 180, б) и при еще больших значениях этого отношения (рис. 180, в) сетка прямых линий распространяется лишь на область облоя hr, b и hT, Ь . Контур 315
пластической зоны образован с каждой стороны полости двумя семействами ортогональных линий, которые вначале (вблизи входа в канавку) являются прямыми, постепенно приближающимися к форме дуг циклоид. В соответствии с гипотезой деформации жестко-пластического тела за пределами пластических зон расположены жесткие зоны (обозначены буквами А), между ними и стенками полости металл не движется, следовательно, отсутствуют и силы трения (см. рис. 177, 4). Контактные силы трения
Рис. 181. Сетка линий скольжения в меридиональном сечении осесимметричной поковки при торцовой штамповке в открытом штампе при толщине облоя h = = 5 мм и ширине его b = 12 мм [100]
на четвертой стадии штамповки возможны лишь в области облой-ной канавки. Точка О является точкой раздела разнонаправленных потоков металла. На рис. 181 показано поле линий скольжений в меридиональном сечении осесимметричной поковки сложной формы при р = 0,5. Штриховая линия соединяет узловые точки сетки, в которых касательные напряжения равны нулю. Построение полей линий скольжения, как известно, используется для определения эпюр напряжений, а затем и усилий на штамповку. Однако эти построения могут быть использованы и для анализа распределения деформаций (с помощью полей скоростей).
Молотовые штампы необходимо тщательно смазывать, так как это дает возможность уменьшить уклоны штампов и соответственно напуски на поковках. Если поковка имеет значительные естественные скосы, то смазка необходима для повышения стойкости штампов. В тех местах полости штампа, где у нее нет контакта с пластическими зонами штампуемого металла, смазка бесполезна; смазка порога облойной канавки уменьшает полезное 316
сдерживающее слишком обильный поток металла в облой. Несомненно, полезной смазка является в тех местах полости, относительно которых на какой-либо стадии происходит перемещение металла и которые удерживают поковку при ее удалении из
Наиболее выгодные условия штамповки (в чистовом ручье) соответствуют наименьшему расходу металла, минимальной затрате работы на деформацию при наиболее низких удельных усилиях течения металла, что наблюдается при минимально возможной длительности четвертой стадии штамповки. Оптимальные условия штамповки должны обеспечить высокие производительность, качество продукции и стойкость штампов. Штамповка с минимально развитой четвертой стадией осуществляется правильным расчетом профиля фасонной заготовки, точной дозировкой ее объема и установлением оптимальных размеров канавки (h и Ь, рис. 158) путем корректирования их в процессе пробных штамповок.
Теоретические методы исследования потоков металла в штампах, разработанные в последнее время, существенно упрощают расчет наиболее выгодного технологического процесса штамповки.
Механизм заполнения полостей сложных форм аналогичен рассмотренному выше. Деформации прошивки, внедрения ребер или знака штампа в поковку и выдавливания металла в перекрываемые заготовкой углубления ручья усложняют начальные стадии штамповки.
При штамповке на молотах нормальным числом ударов для заполнения чистового ручья считается 1—3. Большее число ударов свидетельствует о недостаточной энергия ударов молота или слишком развитой четвертой стадии штамповки; при этом производительность работы низкая. Штамповка за один удар, предпочтительная во всех случаях, при большой степени деформации заготовки сопровождается интенсивным течением металла в канавку (на третьей стадии штамповки). Это наблюдается при штамповке на молотах с чрезмерно большой массой падающих частей для данной поковки. Штамповка в этом случае сопровождается выплескиванием металла из полости ручья; облой получается увеличенного объема. Штамповка за один удар с облоем нормальной величины возможна при небольшой степени де-феормации, например в случае тщательного фасонирования заготовок, а также при наличии чернового ручья в штампе.
Черновой ручей. При многоручьевой штамповке ручьи делятся на подготовительные и окончательные.
Подготовительные ручьи штампов предназначены для превращения заготовки простой формы в фасонную, приближающуюся к окончательной форме изделия. При использовании профильного и периодического проката или других средств специализирован-317
него фасонирования необходимость в этих ручьях отпадает. Окончательные ручьи предназначены для оформления поковки и подразделяются на черновой и чистовой. Приведенные выше материалы относились только к чистовым ручьям штампов.
Рассмотрим назначение и роль чернового ручья. Этот ручей должен обеспечить следующее: облегчить штамповку в чистовом ручье путем воспроизведения приблизительной формы поковки с образованием облоя между плоскими частями штампа; уменьшить расход металла в облой и увеличить стойкость более изнашиваемого чистового ручья.
Для облегчения штамповки в чистовом ручье черновой ручей имеет очертания, сходные с окончательным, но форма его полости
Рис. 182- Влияние уклонов и радиусов закруглений на заполнение штампов
более плавная, радиусы закругления углов штампа имеют большую величину, чем в чистовом ручье. Заготовка по выходе из чернового ручья имеет упрощенную форму поковки. Черновой ручей применяется чаще для поперечной штамповки. Чем сложнее форма штампуемых поковок, тем необходимее применение черновых ручьев, например, для поковок с глубокими полостями, тонкими высокими ребрами, отростками и развилками. Высота заготовки, поступающей из чернового ручья, должна быть (за счет «недо-боя») больше, а ширина (где это возможно) меньше, чем у чистового ручья, или равна ему, с тем, чтобы после черновой штамповки заготовка могла свободно поместиться в чистовом ручье, в котором будет обеспечена некоторая высотная деформация заготовки.
Уклоны чернового ручья для облегчения штамповки могут быть большими, равными или меньшими, чем уклоны чистовых ручьев. Если заполнению подлежит высокий выступ или ребро (рис. 182, а), то выдавливанием легче заполнить полость с меньшим углом уклона аь что может быть использовано для чернового ручья. Сопротивление деформации здесь определяется условиями затекания металла в сужающееся отверстие, причем чем больше угол уклона аа полости, тем больше и сопротивление деформации. 318
Если бы не трудности, связанные с извлечением поковок из полости то следовало бы осуществлять штамповку без штамповочных уклонов. Образование широких и низких выступов поковки выдавливанием металла происходит при иных условиях (рис. 182, б). Попадающий в выемку ручья металл получает естественную’выпуклость и прилегает к поверхности выемки без значительного скольжения, поэтому при большем уклоне щ потребуется меньшее усилие, чем при небольшом уклоне а2. При одной и той же величине радиуса закругления г (рис. 182, в) заполнение угла легче при большом уклоне щ и труднее при малом уклоне а2.
Рис. 183. Примеры профиля черновых (левые части) и чистовых (правые части) ручьев открытых штампов (109 ]
Упрощение формы перехода в черновом ручье может состоять также в значительном округлении ребер поковки (тонкая линия, рис. 182, г) или даже в полном их исключении, если высота ребер относительно большая (рис. 182, д).
В качестве примеров (рис. 183, а—г) приведено несколько наиболее распространенных форм поковок, требующих штамповки в черновом и чистовом ручьях.
Черновой ручей не имеет облойной канавки, однако при черновой штамповке не удается получить заготовки сложного очертания без образования облоя, который вытекает между плоскими частями штампа. Если при черновой штамповке за пределы полости вытечет весь объем металла, предназначенный для облоя, то при последующей штамповке в чистовом ручье заполнение штампа происходит за счет перераспределения металла внутри полости. Если же при черновой штамповке за пределы ручья вытечет только часть металла, предназначенного для облоя, то чистовая штамповка происходит при одновременном увеличений объема облоя. При этом штамповка в чистовом ручье начинается с третьей стадии. Для правильного ведения процесса штамповки большое значение имеет толщина облоя в черновом ручье, которая должна быть достаточной для того, чтобы этот облой выполнял свою роль и в чистовом ручье, т. е. обеспечивал необходимое сопротивление выхода металла в канавку и заполнение углов ручья. Пробной штамповкой
319
Рис. 184. Изменение диаметра ["облей (7J и его объема 1/сбл (2) в процессе штамповки (график составлен по данным [12])
устанавливают толщину облоя и число ударов, при котором заканчивается черновая штамповка. Если в черновом ручье образуется очень тонкий облой, то, следовательно, ручей выполняет слишком большую работу и его следует разгрузить путем некоторого упрощения формы полости. Слишком тонкий облой чернового ручья впоследствии не заполняет перемычки облойной канавки чистового ручья (при сомкнутом положении штампов), поэтому для выполнения облоем своей роли придется предусмотреть некоторый дополнительный объем металла. Чрезмерно толстый облой чернового ручья деформируется не только в перемычке, но и в магазине канавки и приводит к увеличению энергии, необходимой для штамповки. Облой чернового ручья должен иметь толщину hvp в пределах hM > hv > h, где hM — высота магазина канавки и h — толщина перемычки облоя в чистовом ручье. Оптимальная ширина облоя в черновом ручье не превышает ширины перемычки канавки чистового ручья.
Стойкость чистового ручья увеличивается тем больше, чем больше работа деформации в черновом ручье. При прочих равных условиях желательно, чтобы оба окончательных ручья (чистовой и черновой) были рав-ноизнашиваемыми. Из практики отечественных заводов следует, что наиболее быстро изнаши
вается чистовой ручей, даже если число ударов в нем меньше, чем при штамповке в черновом ручье.
В практике некоторых стран (например, ФРГ) наиболее нагруженным и быстроизнашиваемым делают черновой ручей, так как он более дешевый в изготовлении. Однако заполнение металлом сложного чернового ручья происходит за большее число ударов, поэтому производительность снижается.
Процесс заполнения чернового ручья в общем такой, же как и чистового ручья (см. рис. 177). Отличие состоит в том, что при использовании чернового ручья четвертой стадии штамповки не должно быть. Кроме того, в черновом ручье можно допустить незаполнение некоторых его мест. Например, если тре-320
буется образовать выступы на поковке, то глубину соответствующей полости в ручье можно предусмотреть несколько большей, чтобы не стеснять в ней движение металла. При большой ширине облоя чернового ручья путем экспериментов можно обнаружить сначала увеличение, а затем уменьшение объема облоя у ввиду наличия двух потоков металла в нем. При этом уменьшение объема облоя несомненно и связано с возвратным движением частиц металла из облоя в полость штампа (рис. 184). В рассматриваемом случае уменьшение объема облоя к концу штамповки составляет около 30% от общего объема образовавшегося облоя. Явление перетекания металла изоблойной канавки в полость ручья является положительным только в том случае, если штамповка происходит при увеличенном объеме облоя, однако такой процесс сопровождается повышенным расходом энергии на штамповку. Обратный поток металла (из канавки в полость ручья) более вероятен в черновом ручье из-за отсутствия в нем облойной канавки с магазином. В чистовом ручье подобное явление наблюдается в пределах ширины перемычки канавки и практического значения иметь не может. При разработке технологического процесса штамповки ориентироваться на обратный поток металла не рекомендуется.
Подготовительные операции при штамповке. Наиболее рациональное фасонирование заготовок выполняется на специализированных машинах (см. § 1 гл. VII), установленных в пределах рабочего места штамповщика или в другом месте. Однако при многоручьевой штамповке подготовительные операции могут совершаться и в основном штампе, хотя это и не рационально, так как основное оборудование используется не на полную мощность.
В зависимости от положения заготовки в процессе ее штамповки и от формы поковки в ручьях основного штампа применяют различные подготовительные операции. При штамповке в торец поковок типа тел вращения наиболее распространена подготовительная осадка, применение которой обычно вызывается следующими соображениями.
1. Сложностью резки на ножницах коротких заготовок ввиду искажения их формы в Процессе резки при длине заготовок Lo <D0 для мягкой стали и Lo <0,5£)о для твердой стали.
2. Уменьшением времени и работы деформации в окончательном ручье штампа, сопровождаемым уменьшением разогрева штампа, при этом стойкость окончательного ручья повышается.
3. Необходимостью обеспечить устойчивость заготовки в следующем ручье (ликвидация косины и неровностей на поверхности среза).
4. Удалением окалины, которая при осадке отделяется от боковой поверхности заготовки.
21 Я. М. Охрименко S97 321
5. Необходимостью фиксации положения заготовки в чистовом ручье.
6. Необходимостью дополнительной деформации для устранения литой структуры (при использовании заготовок из недо-ката).
Приведенные соображения являются достаточным основанием для применения осадки перед штамповкой, однако следует иметь в виду, что при осадке наблюдается потеря не только энергии, затрачиваемой на эту операцию (поскольку заготовка могла быть большего сечения), по и энергии, затрачиваемой в прокатных цехах для прокатки прутков с размером меныпего сечения, чем это нужно для штамповки без осадки. По приблизительным расчетам для поковок простых форм расход энергии на прокатку и последующую осадку хотя и меньше, чем энергии, затрачиваемой на штамповку, но составляет десятки процентов от этой работы. Кроме того, предварительная осадка приводит к снижению производительности при штамповке. Как следует из рис. 313, с увеличением длины заготовки при данном ее объеме возрастают потери металла, вызванные неточностью прокатки и резки заготовок. Более рациональным является процесс торцовой штамповки заготовок, имеющих оптимальное соотношение размеров и полученных разделкой на мерные заготовки прокатных прутков крупного профиля.
Ранее упоминавшаяся проблема получения промышленным способом точных по объему заготовок должна решаться совместно с задачей по получению коротких заготовок. Это может быть решено внедрением, например, электроискрового способа резки металла, безотходным пережимом заготовок роликами или другими способами.
Удаление окалины с нагретых заготовок можно осуществить более совершенным способом, чем при осадке (при осадке окалина остается на торцах заготовки), например, в гидроочистительных установках (см. рис. 65, 66). Дополнительная деформация при штамповке для ликвидации следов дендритов может оказаться необходимой при применении блюмов или так называемого недо-ката, если обжатие при прокатке не превышало 50% или в случае использования литых заготовок.
Переходы и молотовый штамп для штамповки поковок типа тел вращения (шестерни) приведены на рис. 185. Мерная заготовка 1 (рис. 185, а) подвергается осадке 2 с такой степенью деформации, чтобы центральное положение заготовки фиксировалось стенками чистового ручья. Окончательная штамповка 3 осуществляется в чистовом ручье штампа молота. Обрезка облоя 4 происходит на установленном рядом прессе в обрезном штампе. В центре штампа (рис. 185, б) расположен окончательный ручей, выполненный по чертежу готовой поковки с учетом теплового расширения стали при температуре конца штамповки. Площадка 322
для осадки размещается в левом переднем углу штампа (по пути от печи, из которой поступают нагретые заготовки), для чего размер левой части ее больше правой. С целью экономного расположения ручья площадка для осадки распространяется и на магазинную часть облойной канавки.
Для поковок с отверстием или полостью в качестве подготовительной операции применяется осадка с глухой наметкой полости (рис. 186, а). Наметка облегчает формовку полости в следующем ручье и используется после поворота на 180° для центральной фиксации заготовки в окончательном ручье. Знак 1 для
наметки полости размещается в верхней части штампа, на нижнем штампе для центровки положения заготовки — площадка, углубленная на 2—3 мм.
Для фасонирования при штамповке в торец длинных поковок с хвостовиками применяют предварительную оттяжку концов заготовок (рис. 186, б), что обеспечивает уменьшение деформации и лучшую устойчивость заготовки в окончательном ручье. Кроме того, преимущество подобного процесса состоит в том, что уклон о на хвостовую часть поковки может быть не более 1—1,5° (см. рис. 170). Фасонирование заготовок осуществляют путем свободного выдавливания стержневых отростков (рис. 186, в; слева — одностороннее, справа — двухстороннее выдавливание).
Для определения возможной высоты стержней данного диаметра при свободном выдавливании с учетом исходных размеров заго-21* 323
товки, толщины и диаметра фланца можно воспользоваться ранее описанной методикой (см. § 2 гл. V).
Объем заготовки будет
+ <66)
Объем поковки У,иК определяют по соответствующему чертежу горячей поковки:
KoflJAt ^ПЛ “Ь Vjjg,
где VM — объем пленки, находят по чертежу поковки;
Кб — объем облоя, находят, как указано выше.
Коэффициент k учитывает угар металла при нагреве и в процессе последующей штамповки. При угаре, равном 1%, k — 0,01.
Рис. 186. Подготовительные операции при торцовой штамповке (штриховыми линиями показаны контуры заготовок)
Определение размеров заготовок для торцовой штамповки производят с учетом перечисленных выше соображений, ориентируясь обычно на осадку перед штамповкой в пределах 25— 50% по высоте. Размеры осаженной заготовки DT и De, а также объем, характеризующий бочкообразование, можно определить по методике, описанной в § 2 гл.III. Пробной штамповкой кор-324
neKTUDViOT расчетное соотношение размеров заготовки до и после осадки и выдерживают их при последующей штамповке.
Для длинноосных поковок более типична штамповка поперек оси заготовок. Назначение подготовительных ручьев в этом случае также заключается в перераспределении металла вдоль оси заготовки. Расчет объема заготовки, как и для торцовой штамповки, производят по формуле (66). Онако величина отходов VDmjl учитывает объем облоя Vog, объем клещевого конца из рас
12 3 45
57 8 910
Покойна
3
Утора диагятрой
—Lem '
у Зпюро
•' сеченир
6'7 8 9W
»4-“ —
0|Н— Г2 3 4
Рис. 187. Поковка, эпюры диаметров и сечений и варианты заготовок для штамповки
чета /КЛ>По (если он предусматривается), потерь металла на перемычки Vr.ep, если рассчитывается заготовка для спаренной или многоштучной заготовки. Для поковок с отверстиями в отходах учитывают объем удаляемого металла в пленки Упл. Так что в общем случае получим
Vomx = Vo6 + Укя + Vnep + Упл. (67)
Размеры заготовки определяют исходя из следующего. Длина фасонной заготовки не должна превышать длину поковки. Для определения конфигурации фасонной заготовки в виде тела вращения вокруг оси поковки строят по ее чертежу эпюру диаметров (рис. 187). Для этого определяют площади различных поперечных сечений поковки с учетом облоя по всему периметру поковки. Площадь каждого сечения приравнивают к площади круга и определяют соответствующий диаметр равновеликой окружности.
325
Если F — площадь данного сечения поковки с учетом облоя, то р р । ос л(£>ля)в
где Dsn — диаметр эпюры, соответствующий данному сечению поковки;
Fog — площадь одностороннего облоя.
Отсюда
F>an~ 1,13 VF.
На рис. 187, а приведена эпюра диаметров применительно к поковке типа шатуна. Эпюра построена по десяти сечениям от Fr до Е1о поковки. Объем тела вращения, получающегося при повороте этой эпюры вокруг ее горизонтальной оси, равен объему расчетной заготовки (если пренебречь объемом частей облоя левее сечения 1 и правее сечения 10). При конструировании штампов полезной оказывается эпюра сечений (рис. 187, б), которая отличается от эпюры диаметров тем, что ординаты эпюры сечений соответствуют площадям сечения поковки; площади отдельных элементов эпюры сечений равны объемам этих элементов, а площадь всей эпюры равна объему нагретой заготовки или объему поковки с облоем и другими отходами.
При построении эпюр для поковок сложной формы следует учитывать неравномерность образования облоя в процессе штамповки (рис. 187, б, штриховой линией показана эпюра сечений поковки без облоя). На участках вогнутых углов эпюры предусмотрен облой меньше среднего расчетного, а на участках выпуклых углов — больше среднего расчетного объема.
Если продольное сечение круглой фасонной заготовки соответствует эпюре диаметров, то при штамповке такой заготовки в окончательном ручье перемещение металла вдоль оси потребуется только в связи с образованием облоя; заполнение ручья произойдет при преимущественном растекании металла перпендикулярно оси заготовки.
Для придания фасонной заготовке формы, продольное сечение которой соответствует эпюре диаметров, служат различные подготовительные ручьи. При выборе размеров исходной катаной заготовки следует иметь в виду два крайних случая: заготовка наибольшего диаметра Л0(шах) и наименьшей длины Lo(min) (рис. 187, в, верхний эскиз) и заготовка наименьшего диаметра и наибольшей длины Lo(maX) (рис. 187, г).
1. В случае с наиболее короткой заготовкой (Lo (mit-j) ее диаметр Z)o(itax) найдется по площади поперечного сечения, получаемой при делении объема большой головки шатуна на длину этой головки Lfe взятую из эпюры диаметров:
р ______ ^бг _ ^^6(п>ах)
Лчппос)- 7^-— 4 >
3^
откуда
^бг — (max) — 1,13 [' Fq (max).
Общая длина наиболее короткой заготовки найдется как г __ sat
i-’O (min) — "F—-->
r0 (max)
Для ТОГО чтобы из цилиндрической заготовки ДЛИНОЙ jL0{lT1111) получить фасонную заготовку длиной, равной длине поковки, необходимо протянуть заготовку, для чего служат протяжные ручьи. В данном случае (рис. 187, в) протяжке нужно подвергнуть левую часть заготовки, оставив непротянутым правый конец заготовки такой длины, которая обеспечит объем большой
головки шатуна. Протяжка левого конца заготовки может быть осуществлена до размеров и =1,13 I/ на участке малой головки и на размеры LCT и Dcr =1,13 l/^ на участке F Lcr
стержня, где 1.М1,— длина малой головки по эпюре и LCI — длина стержня по эпюре*.
2. Так как в процессе штамповки осуществляемой силами, перпендикулярными к оси заготовки, длина заготовки, не может
* Полученный диаметр из выражений V : Lo = Fe и £>0 = 1,13 р/'о является диаметром цилиндра, равновеликого (по объему V к длине Lo) данной сложной фигуре. Не следует отождествлять указанный диаметр со средним диаметром DcP этой фигуры или с диаметром среднего сечения данной фигуры Dcc. Например, для фигуры в виде усеченного конуса с малым диаметром, равным 50 леи, большим диаметром 100 мм и длиной LK диаметр равновеликого цилиндра Do найдется так:
I': f к 4“ (502 50- 25 т 25»): LK = 4588 мм*.
откуда
Do = 1,13 У 4588 = 76,5 мм.
Средний диаметр данного конуса составит
п _ 50+ 100 — q-------------- 75,0 мм.
/г
Диаметр среднего сечения данной фигуры получится из следующего выражения:
1003) = 79.0 мм.
Следовательно, диаметр равновеликого цилиндра больше среднего диаметра фигуры и меньше диаметра среднего сечения фигуры: 75,0 < 76,5 < 79,0.
327
уменьшиться, то заготовка наибольшей длины для данной поковки может иметь размер L0(max) = LnoK (не больше). Из выражения
1/ .г _____(min)
’ ваг L'tuiK — 4
определяется соответствующий наименьший диаметр Do (mini этой заготовки (рис. 187, г). При совмещении такой заготовки с эпюрой можно видеть участки, на которых металла недостаточно (штриховка справа, вверх, влево), и участки с избытком металла (штриховка слева, вверх направо). Подобное перемещение металла вдоль оси может быть осуществлено в так называемом подкатном ручье, который придает заготовке более плавные очертания, чем протяжной ручей. По данной эпюре и исходной цилиндрической заготовке нетрудно определить объемы, которые нужно переместить вдоль заготовки, тогда сечение 1—1 определит границу раздела избыточного металла, от которой происходят перемещения металла в противоположных направлениях: слева от сечения 1—1 металл для заполнения малой и справа — для большой головок шатуна. Положение границы сечения 1—1 удобнее показать на эпюре сечений, так как нахождение равных объемов в этом случае сведется к определению равных площадей (что практически выполняют при вычерчивании эпюр на миллиметровой бумаге). Для получения фасонной заготовки рассматриваемого профиля могут быть применены исходные заготовки Do в пределах Do (max) >D0 >D{0) min- Эти заготовки будут иметь длину в пределах £0 («in) < Z-o < (max) и вначале подвергнутся протяжке до размера Lo (ГТ1аХ) = LMK1 а затем подкатке. Чем ближе диаметр выбранной заготовки простого профиля к диаметру Do<max), тем большую работу должен выполнить протяжной ручей и тем меньше работы приходится на долю подкатного ручья. Напротив, чем длиннее исходная заготовка в указанных выше пределах, тем меньшая роль протяжки и большая роль подкатки. Цель построения описанных эпюр состоит в отыскании такой формы фасонной заготовки, которая обеспечивает заполнение чистового ручья штампа без перемещений металла вдоль оси заготовки, т. е. по кратчайшим путям. На основании анализа формы эпюры выявляются необходимые переходы при штамповке. Не во всех случаях следует добиваться полного соответствия между продольным профилем фасонной заготовки и эпюрой диаметров. Например, если рассмотренную выше поковку шатуна штампе* вать с наметкой отверстий в ее головках (рис. 188, а), то эпюра диаметров принимает более сложные очертания (рис. 188,6} и соответствующая ей фасонная заготовка не обеспечит заполнение полости штампа в местах, указанных стрелкой на рис. 188, а из-за необходимости перемещать металл в этих местах на большие расстояния. В подобных случаях упрощают эпюру, приводя ее к равновеликой (рис. 188, в); эта форма Эпюры соответствует такой 328
. сонной заготовке (в виде тела вращения), которая обеспечит заполнение чистового ручья штампа.
Анализ эпюр диаметров позволяет установить, что для превращения заготовок простых форм в фасонные при поперечной штамповке приходится удлинять отдельные части заготовок за счет соответствующего уменьшения поперечного сечения или
увеличивать поперечные сечения в отдельных местах заготовки за счет уменьшения их в других местах. Это и состав-
ляет основную задачу подготовительных ручьев: протяжного и подкатного.
При штамповке поковок с непрямой осью технологические переходы не отличаются от описанных выше; для получения кривизны здесь применяют гибочный ручей. Для расчета заготовки поковку выпрямляют и строят эпюру диаметров. Аналогично штампуются поковки с развилками. Если отростки развилки отстоят друг от друга на небольшом расстоянии, то гибка нецелесообразна и штамповку осуществляют из цельной заготовки, применяя специальные рассекатели.
Рассмотрим подробнее условия применения и устрой-
Рис. 188. Поковка, штампуемая с наметкой отверстий, и соответствующие эпюры диаметров
ство подготовительных ручьев для поперечной штамповки.
Протяжной ручей применяется в тех случаях, когда длина выбранной заготовки меньше длины поковки. Протяжка может быть осуществлена на концах и в средней части заготовки, на одинаковые и разные размеры, что позволяет получить большое разнообразие форм фасонных заготовок. Протяжные ручьи бывают открытыми и закрытыми в зависимости от формы рабочей поверхности.
В конструкции протяжного открытого ручья (рис. 189 слева) основной частью является протяжной порог с площадью bnp х /г, представляющий собой прототип плоских бойков, применяемых для протяжки при свободной ковке. У закрытого ручья этот порог вогнутый (показан пунктирной линией), как в случае использования вырезных бойков для ковки. Поскольку протяжка обычно является первой операцией при многоручьевой штамповке,
329
то протяжной ручей размещают на ближайшем к нагревательной печи углу штампа (с левой его стороны). Чтобы избежать рассекания волокон, рабочие выступы протяжного ручья скруглены радиусами г. Расстояние между этими выступами Л, при сомкнутом положении штампа определяет наименьшую толщину протянутой заготовки. Большую толщину заготовки при протяжке можно получить за счет «нёдобоя», определяемого на глаз.
В сечении по А А показано расположение заготовки в конце протяжки на размер Для более интенсивной протяжки применяют закрытые протяжные ручьи. Вследствие ограничивающего действия овальных выступов ручья уширение при протяжке уменьшается; этим и объясняется более интенсивное течение металла вдоль оси заготовки в случае протяжки в ручьях закрытого типа. Если протяжной ручей является единственным подготовительным ручьем при штамповке или последним в их числе, то обычно используют ручей закрытого типа, так как из него заготовка выходит более округлой.
Закрытый ручей следует применять в случае, когда протяжке подлежит значительный по длине участок заготовки. Более интенсивная протяжка в закрытом ручье (за меньшее число ударов) позволяет получать в конце штамповки температуру заготовки выше, чем при открытом ручье, что благоприятно сказывается на стойкости чистового ручья. Стоимость штампа при наличии закрытого протяжного ручья несколько выше, чем при открытом ручье, за счет более сложной механической обработки.
Протяжной ручей чаще всего расположен параллельно боковой стороне кубика штампа (см. рис. 189). При этом задняя глухая стенка ручья используется в качестве упора-ограничителя длины заготовки в конце протяжки. Если длина заготовки настолько большая, что конец ее выходит за пределы штампа, то применяют сквозной протяжной ручей без упора. В этом случае ручей занимает значительную площадь зеркала штампа; для уменьшения ее применяют угловое расположение ручья (см. рис. 193). При конструировании такого ручья нужно проверить, не упрется ли заготовка в станину молота; в противном случае нужно изменить угол расположения ручья, который обычно равен 10—20°.
В зависимости от местоположения на заготовке участка протяжки и необходимости пользоваться упором протяжку производят с продвижением заготовки «от себя» и «на себя». При протяжке «на себя» заготовку в начале процесса устанавливают вплотную к упору. Этим и определяется размер lz ручья (рис. 189). Ручей получается коротким даже в тех случаях, когда участки протяжки имеют большую длину. При протяжке «от себя» упор используется в конце операции, ручей в этом случае получается длиннее.
Протяжку по обоим способам в зависимости от формы поковок осуществляют с кантовкой (на 90е) или без нее в открытых и в закрытых протяжных ручьях.
330
Размеры рабочих выступов протяжного ручья определяют по наименьшему сечению расчетной заготовки (объемной эпюры диаметров). У протяжного ручья основным является размер (гъ чис пенно равный наименьшему размеру Нк протянутого сечения заготовки; F = НКВК, где F — минимальное протянутое сечение, а gK__ширина его. Протяжка в открытом ручье за минимальное
число ударов приводит к получению окончательного сечения
Рис. 189. Подготовительные ручьи молотовых штампов
заготовки, близкого к прямоугольному, с отношением размеров = 1), где г] — коэффициент перехода > 1. Имея в виду, что Вк ~ *14 а протягиваемое сечение заготовки F = BKhx = hfr] = jtDg
— и полагая (по А. В. Ребельскому) ц = 1,4—1,6, получаем
= (0.7- 0,75) D3n, (68)
где Dgn — наименьший диаметр расчетной заготовки в месте протяжки.
А. В. Ребельский рекомендует при длине протянутой части заготовки более 500 мм принимать hr — 0,7Dgn мм, при длине 200—500 мм hr — 0,75Dsn и при менее 200 мм ht = 0,8Dffrt.
З'Я
В случае с закрытым ручьем
hi = 0,81 4- Q,86DM. f (68')
Длину порога /х принимают равной
h = (1,24-1,8) (69)
где Z>0 — размер исходной заготовки (круглой или квадратной). Меньшие величины относятся к протяжкам меньшей длины. Ширину ручья принимают = (1,2—2,5)£)с, причем чем больше сечение заготовки, тем меньше значение величины в скобках. Необходимо, чтобы исходная заготовка, укладываемая даже неточно по оси ручья, не вытекала за его край и не защемлялась между частями штампов во избежание брака поковок (складок в последующих ручьях). Неправильное соотношение размеров ручья может привести в начале протяжки к слишком большому переходному коэффициенту (т] >2,5 т- 3,0), из-за чего после очередной кантовки произойдет поперечный изгиб заготовки.
Длина части ручья 4 определяется из простых геометрических соотношений:
при протяжке от себя
/ _ УпР___г ___I
Г К
где 1-'пя — объем протягиваемого металла;
— длина переднего конца, не подлежащего протяжке (при протяжке с конца LH = 0);
FK —сечение протянутой заготовки.
При протяжке на себя
/ _ I / _______I
*2- р I
г О
где Fo — сечение исходной заготовки.
Чтобы избежать защемления заготовки при протяжке от себя, в верхнем штампе удлиняют размер Z8 (показано штриховой линией на рис. 189). Обычно принимается г = 0,25/ и /? = 2,54-
Нормальная уковка при протяжке, равная К = ~~, обычно не бывает более четырехкратной; в противном случае большая длительность протяжки сказывается отрицательно на производительности работы и может привести к чрезмерному остыванию заготовки.
Подкатной ручей (см. сечение Б Б на рис. 189) применяется в тех случаях, когда длина заготовки (исходной или протянутой) равна длине поковки (без учета клещевой части). Деформация заготовки в подкатном ручье сопровождается увеличением поперечных сечений в одних ее местах за счет их уменьшения в других. Длина заготовки при подкатке существенно не изменяется. Про-332
Лиль подкатного ручья строят по контуру эпюры диаметров; при этом имеется в виду, что на участках исходной заготовки с избытком металла он должен перетекать в сторону участков с недостатком металла (см. рис. 187, г). При большом объеме смещаемого металла ручей получает уклон по обе стороны линии раздела /_/ что способствует более интенсивному перемещению металла вдоль оси ручья. При подкатке кантовка осуществляется после каждого удара молота. Подкатанная заготовка имеет гладкую поверхность.
Если левая сторона штампового кубика уже занята (например, протяжным ручьем), то для подкатного ручья отводят правую сторону штампа или участок, расположенный вблизи края штампа, оставляя середину его для самых тяжелых окончательных ручьев.
При подкатке заготовка деформируется на участке I (рис. 189), принимая форму ручья за несколько ударов при кантовке заготовки.
Порог ручья а отжимает клещевину от основной части заготовки. С противоположной стороны находится узкая полость, где размещается так называемый ус, это — металл, неизбежно защемляемый штампами и вытекающий за пределы ручья. В клещевое отверстие также вытекает часть металла. Поэтому подкатка осуществляется обычно не более чем за 5—10 ударов.
Закрытый подкатной ручей (профиль его показан штрихпунк-тирной линией) обычно выполняют постоянной ширины Ьпд, в связи с чем скругления рабочей поверхности на разных участках имеют различные радиусы. Этот более дорогой в изготовлении ручей обладает преимуществами перед открытым подкатным ручьем. Подкатка в нем протекает более интенсивно, а получающаяся заготовка имеет более правильную форму.
Повышение интенсивности подкатки в закрытом подкатном ручье объясняется затрудненным уширением. Подпор со стороны стенок ручья способствует осевому перемещению металла.
Основные данные для расчета подкатных ручьев получают из эпюр диаметров и сечений. При подкатке за небольшое число ударов не получают равноосных сечений. Например, при подкатке в закрытом ручье сечение имеет овальную форму, которая практически может быть принята за эллиптическую.
Основными у подкатного ручья являются размеры he (на участке вытеснения металла) и hH (на участке набора металла, см. сечение ББ на рис. 189).
Если исходить из рассуждений, аналогичных приведенным выше для протяжного ручья, и полагать т] = 1,5^-2 для тех участков ручья, на которых металл вытесняется, то
= (0,7-г-0,9) (гп1п), (70)
где Dsn(rnin} находится по эпюре диаметров.
333
Рекомендуется (по А. В. Ребельскому) при Do > 60 мм принимать коэффициент равным 0,7; при Do < 30 мм — 0,8. При расчете величины Д, открытых подкатных ручьев на участке вытеснения металла А. Д. Богдан рекомендует величину диаметра в таких формулах принимать не по эпюре, а по соответствующему сечению поковки без учета облоя, чтобы избежать получения неоправданного избытка металла в рассматриваемых местах поковки.
Для участков набора в целях улучшения условий течения металла рекомендуется принимать > Пйгг(1яах). В этом случае потери на преодоление сил трения при наборе металла минимальные. Длина отдельных участков подкатного ручья определяется по эпюре диаметров с увеличением на усадку металла. При большом наборе металла или при длинных стержнях у поковок для повышения интенсивности подкатки горизонтальные участки в ручьё заменяются наклонными (под углом 2—5°) по обе стороны от линии раздела согласно эпюре (см. рис. 187). Ширину закрытого ручья Ьпд рекомендуется определять из выражения
&пд 1, l^s« (так) -=-l,7£\) ИЛИ 1,9щ>,
где Os„(rTiaj!) —максимальный диаметр эпюры;
£)с — диаметр круглой заготовки;
а0 — сторона квадратной заготовки.
При расчете принимается большее значение ширины из двух указанных предельных. В большинстве случаев штамповка длинноосных поковок осуществляется с применением более дешевых, чем круглые, квадратных заготовок.
Высота клещевой выемки (в месте пережима, см. рис. 189) обычно не превышает hn < (0,24-0,26). Радиусы закругления рабочих поверхностей поперек закрытого ручья находят графически исходя из известной глубины и ширины ручья.
Очень узкие ручьи могут привести к вытеканию металла за их пределы и к браку. Наиболее опасным в этом отношении является наименьшее сечение подкатного ручья.
При подкатке за 5—10 ударов, в течение которых металл остывает до допустимых пределов, можно увеличить сечение относительно исходного примерно в 2 раза, при этом диаметр исходной заготовки равен
Do = 0,7Dsn(maX).
Макроструктура подкатанных заготовок обладает рядом положительных качеств, так как расположение волокон в заготовке соответствует плавной форме ручья и не имеет резких перегибов и узлов.
Гибочный ручей (см. рис. 189, сечение ВВ) применяют для штамповки изогнутых заготовок и при гибке оформленных поковок. На практике встречаются две разновидности гибочных ручьев; 334
„-лмтпй гибкой и для гибки с защемлением заготовки. Промессгабки подробно разобран в гл. VIII.
Если по условиям процесса требуется пространственный изгиб заготовки, то гибку расчленяют на отдельные операции, причем последняя' из них может быть осуществлена в чистовом ручье. При свободной гибке заготовка укладывается в ручей нижней части штампа и фиксируется упором или по шаблону.
В зависимости от наличия других ручьев и исходя из очередности гибочной операции ручей для гибки располагают с левой или с правой стороны штампа.
Ручей открытого типа (см. рис. 189, сечение ВВ) обычно имеет в верхней части штампа седловину, которая не дает заготовке сме-
Рис. 190. Ручьи для гибки
щаться в сторону. Для накопления металла с внешней стороны угла в штампе предусмотрен карман б. Сечение ручья в этом месте имеет большую высоту, чем это требуется для заготовки данного размера. Длина прямой заготовки, закладываемой в гибочный ручей, рассчитывается по развернутой длине фигуры с учетом некоторого удлинения, которое всегда имеет место при горячей гибке. Удлинение заготовки (растяжка) особенно заметно при гибке с защемлением заготовки (рис. 190, а).
Если гибке подвергается готовая поковка, то профиль ручья соответствует чертежу поковки. Если гибка предшествует штамповке, то профиль изогнутой заготовки в плоскости действующей силы должен вписываться в контур окончательного ручья (в плоскости разъема штампов). Исключение составляют внутренние углы (участки сжатия), которые должны быть построены в гибочном ручье так, чтобы обеспечивалось перекрытие металлом углов окончательного ручья во избежание образования складок (рис. 190, б). Так как течение металла происходит по кратчайшим расстояниям, то внутри углов 1 и 2 неизбежна встреча двух потоков металла. Если эта встреча происходит в пределах окончательного ручья (контур его обведен штриховой линией), то образуется складка на поковке и облое. Если встреча происходит за пределами ручья, то складка образуется только на облое (рис. 190, е) ис ним вместе удаляется (при обрезке).
335
Гибочный ручей должен быть расположен так, чтобы на штамп по возможности не действовали горизонтальные силы, стремящиеся сдвинуть одну половину штампа относительно другой. Заготовка до начала гибки должна опираться не менее чем на две точки, причем для ее устойчивого положения в точках опоры целесообразно иметь корытообразный профиль.
Ширина ручья рассчитывается из условий наибольшей деформации
\ (10-20) лш.
Увеличение ширины на 10—20 мм учитывает возможную неточность укладки заготовки в ручей.
Недостаточная ширина ручья приводит к вытеканию металла за его пределы или к образованию на поковке следов от кромок ручья, что вызывает брак изделий. Для осуществления гибки по заготовке наносят один-два удара. В некоторых случаях в конце гибки применяют правку или даже обжатие заготовки по всему контуру для получения точных размеров поковки (калибровка).
Пережимной ручей применяется для создания местного уширения на заготовке в плоскости, перпендикулярной к действующей при штамповке силе, без существенного изменения общей длины заготовки.
В пережимном ручье можно получить незначительное перемещение металла и вдоль оси, что сопровождается некоторым увеличением поперечных сечений заготовки, набором металла в сечениях, смежных с пережимаемыми.
По форме пережимной ручей похож на подкатной, но в нем заготовка получает только один и реже два удара без кантовки, а при установке заготовки в окончательный ручей последняя сохраняет то же положение, что и в пережимном ручье. Пережим-ные ручьи часто применяются при многоштучной штамповке; тогда заготовку пережимают в промежутке между двумя соседними поковками.
Профиль ручья строят по форме эпюры диаметров. На участке пережима заготовки
hs = (0,6 - 0,75) Den(tnin}, (71)
а на участке набора
h„= (1,05 -1,1) D9nW. (72)
Ширину ручья подбирают по наименьшей высоте исходя из р условия наибольшего уширения заготовки -у.
Ширину ручья, получаемого по расчету, увеличивают на 5— 10 мм, чтобы избежать вытекания металла за край ручья при неточной укладке заготовки в ручей. Чтобы создать благоприятные 336
вия для осевого перемещения металла на горизонтальных Участках эпюры диаметров, при построении ручья в соответствующих его местах предусматривается уклон 3—5° по обе стороны от линии раздела.
Формовочный ручей применяется для придания заготовке необходимой формы в плоскости, параллельной действующей силе, и частичного набора металла. Во многих случаях обработке
в формовочном ручье подлежат поковки, не симметричные относительно одной плоскости. Деформация в ручье совершается за один-два удара. При перекладывании заготовки в окончательный ручей она кантуется на 90°. Сущность построения этого ручья состоит в нахождении такой фигуры, которая вписывалась бы в контур поковки по разъему штампа. На некоторых заводах формовочные и лережимные ручьи называют обжимными.
Выемка для клещевины. Большинство ручьев штампов со стороны рабочего имеет выемку для клещевины (см. рис. 189). Клещевина чаще всего предусматривается при штамповке из штучной заготовки. Металл, идущий на клещевину, представляет собой отход; однако при правильной организации производства объем клещевины рассчитывают исходя из того, чтобы из него можно было впоследствии отштамповать какую-либо поковку.
Клещевая выемка предназначена для размещения в ней части прутка, зажатого губками клещей. Кроме того, выемка исполь-
зуется как литник для заливки в полость штампа свинца или сплава солей (дающего незначительную усадку при остывании) для проверки правильности изготовления фигуры штампа. Поэтому такая выемка предусматривается и при торцовой штамповке, когда отсутствует клещевина (см. рис. 185). Отливка необходима Для контроля размеров ручья и при наладке обрезных штампов. Указанная выемка служит также для облегчения захвата поковки при удалении ее из ручья. Размеры выемки для клещевины (литника) устанавливаются в зависимости от размеров заготовки и поковки.
Конструкция отрубного ножа напоминает открытый протяжной ручей, у которого длина рабочего выступа уменьшена до размера лезвия топора, равного 3-5 мм.
Отрубной нож применяется в молотовых штампах в трех случаях: при отрубке поковки от прутка; при отрубке клещевины и при разрубке поковок, отштампованных из заготовки, на две или несколько поковок.
Наиболее целесообразно с точки зрения расхода металла применять штамповку от прутка и поочередную с поворотом штамповку заготовки на две поковки. В этих случаях клещевины не Требуются.
Отрубной нож располагается на одном из углов штампа (см. рис. 193). Выбор места для отрубного ножа определяется удобством работы, наличием других ручьев и тем, куда нужно подавать
22 Я - М- Охрименко S97
337
поковки. Отрубной нож необходимо устанавливать так, чтобы станина молота не мешала работе. Обычно ось его располагают под углом р = 204-30° к боковой стенке штампа.
При отрубке поковки наносят один удар. Сходящиеся плоские лезвия ножей пережимают металл до тонкой пленки, которая под влиянием значительной деформации, действующей в противоположные стороны, разрывается, и поковка отлетает. При износе ножа на лезвии появляются скругления, при рубке таким ножом поковка плохо отделяется от прутка.
Определение переходов при штамповке. К установлению переходов при штамповке и, следовательно, к определению вида ручьев в штампе для данной поковки приступают уже после того, как определен типоразмер потребного оборудования. Разделение поковок на группы и рассмотрение рациональной типовой технологии штамповки поковок каждой группы в связи с серийностью производства позволяют правильно подойти к установлению необходимых переходов.
Относительно просто эти вопросы решаются при торцовой штамповке поковок типа тел вращения и им подобных. При штамповке поковок удлиненной формы большое распространение получил способ определения переходов на основании анализа эпюр диаметров и сечений. Однако и в этом случае не исключаются элементы субъективного подхода; этим можно объяснить различные решения, принимаемые разными заводами с одинаковым объемом производства при штамповке одинаковых поковок. Некоторые объективные данные для определения переходов при штамповке выражаются в следующих показателях. Работа, необходимая на преобразование заготовки простой формы в фасонную, при прочих равных условиях пропорциональна величине
„ _ ^«(тах)
U — Г) ’
^вп (ср}
где Рал (шах) — наибольший диаметр эпюры диаметров;
Dan (ср) — средний диаметр эпюры, численно равный наименьшему диаметру заготовки Ро (т.п), из которой можно изготовить данную поковку.
Если выбрать размер исходной заготовки Ро в пределах Dsn (max) >• Do >• Dsn (ср), то по мере уменьшения Ро в указанных пределах объем подкатки увеличивается, а объем протяжки уменьшается; при Рр — D3n (еру протяжная операция вовсе отсутствует, так как длина заготовки при этом равна длине поковки. Чем ближе Ро и D3n (шах), тем меньше роль подкатки и тем больше протяжки. Оптимальный диаметр заготовки должен соответствовать наименьшему числу ударов молота, необходимых для придания заготовке фасонной формы, что обеспечивает максимальную производительность и минимальный расход работы.
338
Расход работы в подготовительных ручьях зависит и от величины пути на котором происходит перемещение металлав утол-шйрную часть. Это может быть учтено величиной
f’-TF52-.
sn (ср)
!де L4n — длина^эпюры, численно равная длине поковки L„0K или наиболее длинной заготовки L0(max) (см. рис. 187).
Несомненно, что с увеличением этого отношения возрастает путь перемещения избыточного металла вдоль оси заготовки.
На рис. 191 приведена диаграмма, составленная по опытным данным и облегчающая подбор ручьев при штамповке силами, перпендикулярными к оси заготовки, в координатах п—р с поправкой на абсолютную массу поковок G, так как с увеличением массы поковок условия штамповки несколько изменяются.
В этой диаграмме учитывается также влияние конусности стержня поковки введением коэффициента С:
__&к
LCT
где DK — больший диаметр эпюры на участке стержня;
<1К — меньший диаметр эпюры на участке стержня;
LCT — длина стержня.
Величина С характеризует форму стержня и влияет на величину горизонтальных составляющих действующих сил.
Пример пользования диаграммой. Масса поковки 0,8 кг
а==^(п.ах) =1Э7
иап (ср)
II
= 3,2.
^вп (ср)
Так как точка, отвечающая указанным значениям сс и находится в области 4 диаграммы, то следует применить в качестве подготовительного ручья подкатной закрытый ручей. Если эта точка расположена в области 5, то ручьи устанавливают после определения коэффициента С. При С с 0,02 применяется протяжной ручей; при 0,02 <Z С <С 0,05 — протяжной вместе с подкатным открытым и при С 0,05 — протяжной вместе с подкатным закрытым ручьем.
В качестве примера технологического процесса многоручьевой штамповки в открытых штампах на молотах рассмотрим переходы при штамповке поковки шатуна (рис. 192). Штамповка осуществляется в четырех ручьях. После резки и нагрева мерной заготовки а происходит протяжка ее середины 1 и подкатка двух бобышек 2 в протяжном и подкатном ручьях. Далее следует черновая 3 и чистовая штамповка 4. После обрезки облоя и прошивки двух отверстий поковка считается готовой.
Оформление многоручьевого штампа для спаренной штамповки рычагов, а также расположение ручьев многоручьевого штампа показаны на рис. 193.
Штамповка поковки типа рычага осуществляется за четыре операции: протяжкой, подкаткой, черновой и чистовой штамповкой. Протяжной открытый ручей расположен слева (см. сечение Л Л), подкатной открытый — справа штампа (см. сечение ББ).
22* 339
fynfip)
0,0$ ,
O^
0.1-0.5
' 0,5-1
Oxi
2 Ч
10
Пасса походки Слкг
Рис. 191. График для подбора подготовительных ручьев. Области штамповки:
I — без предварительных ручьев; 2 — с пережимным; 3 — с подкатным открытым: 4 — с подкатным закрытым; С — с протяжным и комбинацией подкатного и протяжного ручьев (ио А. В. Ребельскому)
ПокоОка
Рис. 192. Переходы при штамповке поковки типа шатуна в четырехручьевом открытом штампе
340
В данном случае количество ударов молота при штамповке складывается из трех-четырех ударов при протяжке, трех-четырех — при подкатке, двух-трех —- в черновом и двух ударов — в чистовом ручьях. Для штамповки требуется всего 10—13 ударов.
Рис. 193. Расположение ручьев многоручьевого штампа:
I — верхняя и 2 — нижняя чести штампа; 5 — протяжней ручей; 4 — подкатной; 5 — черновой и 6 — чистовой ручьи; 7 — отрубной нож; 1—I — ось хвостовика; II—II — ось выемки для сухаря; О — центр зеркала штампа
Молоты совершают примерно 50—80 полных ударов в минуту, однако при штамповке полные удары необходимы только в черновом и чистовом ручьях. В подготовительных ручьях следуют неполные удары с одной трети или с половины общей высоты подъема бабы молота, что, естественно, увеличивает возможное число ударов молота в минуту и сокращает общее время работы. Однако на подготовку фасонной заготовки уходит не менее половины общего
341
времени штамповки. С технико-экономической точки зрения это может быть оправдано только при среднесерийном производстве поковок. Повышение серийности производства поковок создает условии для внедрения более совершенных форм технологической специализации процессов штамповки. В частности, становится
Рис. 194- Переходы двойной штамповки
целесообразной замена непроизводительных подготовительных операций вальцовкой, прокаткой периодических профилей и другими операциями специализированными методами фасонирования заготовок, при которых молот совершает лишь окончательную штамповку в ручьях, расположенных в средней части штампов. Штамповка предварительно подготовленных фасонных заготовок специализированными методами приводит к увеличению производительности в 2 раза и более.
В некоторых случаях для повышения точности процесса целесообразно применять комбинирование различных окончательных ручьев с изменением положения плоскости разъема штампов. На рис. 194 показаны переходы двойной штамповки поковки рычага с применением комбинирования двух откры
поковки рычага в открытых штампах ТЫХ окончательных ручьев, с промежуточной и окончательной обрез- После закрытой подкатки ками облоя симметричная фасонная за-
готовка 1 подвергается обработке в формовочном ручье (за 1 удар), после чего несимметричная заготовка 2 штампуется в чистовом ручье. При этом все оси бобышек поковки расположены в плоскости разъема штампа 3. Затем следует первая обрезка облоя, после чего почти гото-
вая поковка кантуется на 90е’ и штампуется во втором чистовом ручье 4 (доштамповывается). Окончательную форму поковка получает после второй обрезки облоя.
Малоотходная штамповка в открытых штампах. Как уже было установлено, наибольшими отходами при штамповке в открытых
342
штампах являются отходы металла на припуски, напуски и в облой Возможности уменьшения припусков зависят от качества * ёпхности исходного металла, способа его нагрева, типа штампа П°пассмотрены в предыдущих главах. Возможность уменьшения облоя и напусков, имеющих при штамповке на молотах наибольшие значения, будет рассмотрена ниже.
Одним из эффективных способов уменьшения напусков является штамповка в хорошо смазанных штампах. Смазка, уменьшающая силы, необходимые при извлечении поковки из ручья,
е}
Рис 195. Кольцевые поковки с напусками (а), без напусков (б) и после штамповки с разворотом (в) (ио Ф Д. Бичукину)
нужна только на стенках полости, выполненных с уклонами. Смазка дна полости не нужна, а смазка порога канавки может быть даже вредна из-за увеличения объема облоя. Лучшими смазками, применяемыми для горячих штампов, являются различные графитные суспензии или коллоидальный графит на водной или масляной основах, литиевые композиции и некоторые другие (см. гл. X).
Другой путь уменьшения отходов металла за счет напусков состоит в том, что форма поковки получает некоторое искажение в процессе штамповки с последующим ее восстановлением при правке или калибровке (рис. 195). Например, кольцевая поковка получается в обычном ручье с плоскостью разъема, проходящей через его среднее поперечное сечение (рис. 195, а). Для штамповки без напусков (рис. 195, б) поковка формуется в несколько развернутом виде под углом а (рис. 195, в), а плоскость разъема штампа переносится к торцу поковки. Для придания поковке нормальной формы она подвергается обжатию по высоте после обрезки облоя и просечки пленки в том же или особом штампе. В процессе штамповки уклон стенок штампа составляет а — -- 5-т7с и зависимости от высоты кольцевой поковки. Диаметр
343
ручья Ds должен быть равен диаметру поковки Dn на высоте hp = — 0,75ha. Лучшие результаты получаются при Нп < .
Уменьшить уклоны и соответственно напуски удается и в других случаях, когда заготовка в глубокую полость штампа попадает уже свободно вставленной на всю глубину ручья. При этом вместо осевого выдавливания ручей заполняется при радиальной раздаче заготовки; силы трения, удерживающие поковку, незначительны, что позволяет существенно уменьшить напуски. Применение полостей с двумя уклонами (больший уклон примыкает к плоскости разъема и меньший — к дну полости) также приводит к сокращению напусков. Значительное сокращение напусков может быть получено при применении для молотовых штампов выталкивателей. Обычно для молотовых штампов выталкиватели не применяются, так как это может вызвать ослабление штампа и его поломку под действием ударных нагрузок. Однако применение молотовых штампов с рычажным выталкивателем (например, при штамповке буферных тарелок железнодорожных вагонов) известно уже очень давно. В настоящее время на одном из отечественных заводов применяется иневмовыталкиватель для молотовых штампов (см. рис. 201), конструкция которого обеспечивает надежность в работе и позволяет существенно сократить величину штамповых уклонов. Чтобы обеспечить нормальную работу молотовых штампов, снабженных выталкивателями, следует применять штамповую сталь с повышенной ударной вязкостью и устранять значительную концентрацию напряжений около отверстий для выталкивателей; тогда можно не опасаться ослабляющего влияния на штамп отверстий для выталкивателей.
Штамповка без наружных напусков осуществляется в штампах с двумя плоскостями разъема по типу штампов горизонтально-ковочных машин или фрикционных прессов.
По литературным данным (1061 на прессах с мощными выталкивателями осуществляется штамповка вообще без предусматриваемых уклонов (в частности, для поковок из цветных сплавов). При этом незначительный уклон полости (требующийся для того, чтобы вместо сил трения скольжения преодолевать при выталкивании поковок силы трения отрыва) получается за счет упругой раздачи стенок ручья в процессе штамповки.
Малооблойная штамповка. Разновидностью малоотходной штамповки является малооблойная штамповка, осуществляемая из заготовок с более точными размерами, чем размеры заготовок, применяемых для обычной облойной штамповки. Малооблойная штамповка осуществляется в двух вариантах: в четырехстадийном, при котором предусматривается минимальный облой, расположенный только в пределах порога канавки, и в трехстадийном, при котором облой вообще не предусматривается. Возможность осуществления четырехстадийной малооблоцной штамповки показал 344
В [1. Черниченко 1951. Принцип трехстадийной малооблойной штамповки в открытых штампах основан на том, что в полости штампа образуются такие потоки металла, которые обеспечивают заполнение рельефа полости штампа прежде, чем металл достигнет входа в облойную канавку. Такой процесс с очень развитой второй стадией штамповки (стадии штамповки см. рис. 177) обеспечивается за счет специального фасонирования заготовки и использования подпирающего действия боковых стенок полости штампа без участия облойной канавки в заполнении углов окончательного ручья. При ориентировании на трехстадийную штамповку облой не предусматривается, однако избыток металла в заготовке (вследствие ее неточности) образует на четвертой стадии штамповки некоторый незначительный по объему бесполезный облой. Таким образом, трехстадийный процесс штамповки происходит за счет первой, второй и четвертой стадий.
Практически этот процесс возможен не для всех форм поковок. Проще всего осуществляется трехстадийный процесс при наличии, внутри деформируемого объема, поверхности раздела, характеризующей два потока положительной (со знаком Ч-) деформации. Например, при попытке штамповать шары без облоя, но в открытом ручье (рис. 196), использование различных размеров цилиндрической заготовки Di, Г).г и D3 (рис. 196, а) не дает положительных результатов, и штамповка протекает в четыре стадии. Тщательным подбором соотношения размеров и объема заготовки удается лишь свести до минимума четвертую стадию штамповки. Трехстадийная штамповка возможна за счет предварительного фасонирования заготовки. Для штамповки шаров была подобрана форма фасонной заготовки в виде двух усеченных конусов по обе стороны цилиндра (рис. 196, б). При соотношении размеров Нц = (0,5-ь -ь 0,6) Но и DM = 2/sDo осевой поток металла, приводящий к заполнению полюсных частей шаровой полости, заканчивается одновременно или даже значительно раньше, чем радиальный поток достигнет облойной щели. Если при этом объем металла заготовки равен объему шара, то соответствующая поковка получается без облоя или с небольшим облоем (если в заготовке имеется некоторый избыток металла вследствие неточности размеров заготовки). Однако этот облой, как уже отмечалось ранее, не выполняет функций \ обычных для открытых штампов.
Для сравнения протяженности отдельных стадий при обычной четырехстадийной и трехстадийной малооблойной штамповке приводятся данные, относящиеся к штамповке шаров (рис. 196, табл. 39).
В условиях трехстадийной штамповки вторая стадия штамповки должна быть осуществлена за счет значительного сокра-
1 Исследование по штамповке шаров в открытом ручье без предусмотренного облоя выполнено авторов совместно с В,. В. Губаревым в 1948 г.
345
щепия первой и полного устранения третьей стадий штамповки. Чем больше величина J, тем правильнее выбран профиль фасонной заготовки и тем меньше вероятность образования облоя при штамповке точно дозированных заготовок. Наличие четвертой стадии в таком процессе может быть только в случае превышения объема металла в заготовке относительно номинального.
Рис. 196. Штамповка шаров в открытом штампе:
а — о&лойиая {четырехстадийный процесс) и б — безоблойная штаы повка (двухстадийный процесс)}
Наряду со специальным фасонированием заготовки для мало-облойной штамповки применяют прием, заключающийся в переносе плоскости разъема штампа от середины плоскости, где имеет место максимальный радиальный поток металла, ближе к торцу поковки или даже непосредственно к одному из ее торцев (см. рис. 152), как обычно у закрытых штампов (см. рис. 153). На одном из отечественных заводов применяются штампы с комбинированным разъемом (рис. 197). Такой штамп сочетает в себе преимущества открытого и закрытого ручьев и применяется для всех поковок, штампуемых в обычном закрытом ручье в торец из заготовок, 346
Таблица 39
Сопоставление стадий двух вариантов штамповки шаров в открытом ручье
Способ штамповки Удельное значение отдельных стадий штамповки в долях от суммарного обжатия 2дн J 4Н1
ДН, дн. АН, АН,
Облойный 0,48 0,1 0,36 0.06 1 0,2
Малооблойный 0,15 0,75 0 0,1 1 5
недостаточно точных по объему. Образующийся облой может быть
малым по объему из-за особого месторасположения облойной
канавки, обеспечивающей задержку начала образования облоя и увеличение сопротивления входа в нее металла. Обрезка получаю-
щегося облоя в обычных обрезных штампах не встречает затруднений. В описанном варианте малооблоиная штамповка протекает за четыре стадии. Такой процесс можно осуществить и за три стадии, для чего необходимо предварительное фасонирование заготовки.
Конструкция молотового штампа, применяемого на одном из отечественных заводов для малооблойной штамповки поковок шестерни трактора С-ЮО, показана на рис. 198. Исходная заготовка диаметром 130 мм устанавливается на осадочную выемку 1 нижней
Рис. 197. Штамп с комби-
части штампа и за один-два удара получаем фасонную форму, соответствующую полости 2 верхней части штампа. Фасонная заготовка, помещенная
нированным разъемом для малооблойной штамповки (по В. В. Богомолову):
/—I — ливня среза облоя
после поворота на 180° в чистовой
малооблойный ручей, превращается за два-три удара в поковку. При этом образуется незначительный облой толщиной 2 мм, для которого канавка в штампе не предусмотрена. Незначительные наружные штамповочные уклоны (1° по ступице) соответствуют небольшим напускам. Выталкивание поковки обеспечивает пневмовыталкиватель 3. Опорная выталкивающаяся часть штампа 4 и верхний знак 5 образуют незначительную пленку (толщиной 6 мм) и являются наиболее изнашиваемыми, а потому сменными частями штампа. Сменной является и часть штампа 6 для оформления ступицы шестерни. Стойкость этого штампа значительно превышает
347
стойкость обычных молотовых штампов, поскольку ручей имеет уменьшенные уклоны, а заготовки попадают в него уже отфасо-нированные.
Безоблойная штамповка в закрытых штампах на молотах. Стремление использовать преимущества закрытых штампов привело к значительному количеству вариантов технологических разработок. Главные затруднения, встречающиеся при внедрении
Рис. 198. Молотовой штамп для фасонирования заготовки в полузакрытом ручье и малооблойной штамповки (по Н. Е. Щербакову)
штамповки в закрытых штампах, связаны с трудностями получения заготовок, достаточно точных по объему (необходимых при продольной штамповке) и размерам (необходимых при поперечной штамповке). Объемы заготовок, поступающих в ручьи, чаще всего колеблются в пределах 3—9%. Этот избыточный металл частично может быть распределен по поверхности поковки в пределах, ограниченных допусками на размеры поковки. Остальной объем избыточного металла должен быть вытеснен в облой открытого штампа. Для закрытых штампов большие колебания объема заготовок приводят к быстрому износу штампов, разрушению их, появлению трудноудаляемых непредусмотренных торцовых заусенцев и значительному снижению производительности молотов (из-за увеличения числа ударов при штамповке). Технико-экономические 348
показатели процесса штамповки в закрытых штампах при условии использования заготовок, достаточно точных по объему и размерам, настолько велики, что экономически оправдывается даже такой несовершенный метод получения точных заготовок, как грубая обточка их после резки на ножницах. Действительно, если указанные 3—9% объема мерных заготовок все равно должны быть удалены с поковок сложной формы при их механической обработке, то, естественно, целесообразной оказывается предварительная обточка простых по форме заготовок, приводящая, кроме того, к более высоким показателям стойкости штампов и производительности работы молотов *.
В тех случаях, когда производительность работы не является главным показателем процесса, экономически оправдывает себя комбинированная штамповка поковок сложной формы. Нагретые мерные заготовки обычной точности, но уменьшенного объема штампуются в виде фасонной заготовки в открытом ручье с последующей обрезкой незначительного по величине облоя. Окончательная штамповка осуществляется без облоя в закрытом ручье без дополнительного нагрева. При штамповке фасонной заготовки простой формы в открытых штампах потери на облой не превышают 5—6% металла вместо обычных потерь, составляющих в среднем 15—20%. На величину, соответствующую разности этих цифр, может быть сокращен объем исходной заготовки при данном варианте комбинированной штамповки. Применение подобных вариантов штамповки имеет смысл лишь тогда, когда нет возможности точной безотходной разделки прутков на мерные заготовки
с заданными допусками по объему или размерам.
Большая часть уже освоенных процессов безоблойной штамповки на молотах (это преимущественно торцовая штамповка поковок небольшой высоты типа тел вращения) представляют собой штамповку в одноручьевом штампе с предварительной подсадкой заготовки или без нее (рис. 199). Так как извлечь поковку из полости закрытого ручья, расположенного в нижней части обычного молотового штампа, затруднительно, то иногда глубокие ручьи помещают в верхнем штампе (рис. 199, б). Это облегчает удаление окалины, которая может заштамповаться в тело поковки, и увеличивает дефектный поверхностный слой /металла, удаляемого в стружку. Однако подобную конструкцию штампа нельзя считать рациональной из-за большой глубины полости (на всю высоту поковки), так как это приводит к раскалыванию штампа, и нз-за неудобства вкладывания заготовки в ручей. Более рациональным следует считать вариант штампа, показанный на рис. 199, е, у которого плоскость разъема проходит не по торцу, а по телу поковки,
1 Этот способ производства поковок может быть рекомендован лишь в ваде исключения, поскольку в настоящее время имеются средства для получения заготовок необходимой точности по объему (см. § 3 гл. II). Определить’необхо-димую точность заготовок для закрытых штампов можно по графику на рис. 313.
349
что уменьшает глубину полости, при этом условия вкладывания заготовки значительно лучше. Для удаления из такого ручья осыпающейся окалины необходимо специальное пневматическое устройство, работающее автоматически.
Нецентральное положение заготовки в ручье приводит к смещению штампов относительно друг друга. Указанные смещения в закрытых штампах устраняются естественными у этих штампов замками, которые имеются даже в тех случаях, когда форма поковки не вызывает горизонтальных сил, смещающих штамп. Для повышения надежности центрирования частей штампа применяют даже двойные замки. Однако замки не устраняют несимме-
Рис. 199. Типовая поковка (а) и варианты схемы без-облойных молотовых штампов: нерациональный (б); рациональный (б)
тричности течения металла при нецентральном положении заготовки в ручье или неправильной форме заготовок. У поковок в этих случаях образуется односторонний облой при незаполненной противоположной части угла полости. Для лучшего распределения металла внутри ручья его полость должна быть хорошо смазана. Это позволяет работать с уменьшенными уклонами, которые при безоблойной штамповке приводят к гораздо большим отходам, чем при облойной штамповке в открытых штампах.
Для поковок, расположенных в относительно неглубоких полостях штампов, может быть использована конструкция обычного молотового штампа (рис. 200), так как возможна штамповка с относительно небольшими напусками. Штамповка в таком штампе осуществляется за один-два удара. Об окончании штамповки (особенно в закрытых штампах) необходимо судить не по звуку при соударении штампов, а по заполнению углов, находящихся в глухой части полости ручья 1 и не попадающих в разъем штампа. В плоскости разъема штампа, в наиболее удаленном месте от оси
1 С этой целью уже применяются специальные сигнализаторы в виде утапливаемых игл, находящихся в отверстиях, выходящих в углы штампа или основанных на использовании радиоактивных изотопов.
350
поковки, имеется компенсатор в виде кольцевой выемки, образованной за счет скругления кромки штампа (радиус 5—15 ,мж). В случае переполнения полости штампа металл затекает в эту выемку.
_____——Ф300 — -------—----------
\Ф220
Рис. 200. Рациональная конструкция закрытого ручья молотового штампа для поковок небольшой высоты
Для того чтобы безоблойная штамповка была к тому же и малоотходным процессом, необходимо уменьшить величину напусков. С этой целью при штамповке на молотах в закрытых штампах
и особенно в случае с глубокими полостями ручьев целесообразно применять выталкиватели (рис. 201).
В данном случае работа выталкивателя сочетается с работой механизма для удаления готовых поковок. Движение системы обеспечивает пневматический цилиндр 1 выталкивающего механизма, шток 2 которого шарнирно связан с рыча
351
гом 3, проходящим к вертикальной оси ручья через боковой паз в нижнем штампе 5. По окончании штамповки нажатием на педаль включают пневматический цилиндр (на рис. 201 не показан). При движении поршня пневматического цилиндра и штока 2 вниз рычаг 3 поднимает стержень, на конце которого укреплена вставка-выталкиватель 4 ручья, и поковка оказывается извлеченной из ручья. Удаление поковки н сбрасывание ее в лоток или на транспортер обеспечивается следующим устройством. На крышке цилиндра 1 установлен переключатель 7, золотник 8 которого соединен с серьгой 9. На плите 10 установки укреплены две стойки 11, на которых горизонтально расположен второй пневматический цилиндр 12 управления движением съемной вилки 13, связанной болтовым соединением со штоком 14 цилиндра 12.
Одновременно с извлечением поковки из ручья при движении рычага 3 вниз он опускает серьгу 9 и связанный с ней золотник 8 переключателя. При этом сжатый воздух попадает в правую часть цилиндра 12 и поршень цилиндра со штоком 14 и вилкой перемещаются влево, устанавливая последнюю ниже уровня фланца поковки. При освобождении педали пневматического выталкивателя осуществляется подача воздуха под поршень цилиндра 1, шток 2 перемещается вверх, вставка-выталкиватель 4 устанавливается в исходное положение, а поковка 6 остается на вилке 13. Незадолго до окончания перемещения штока 2 в верхнее положение рычаг 3 через серьгу 9 поднимает золотник 8 и сжатый воздух через переключатель 7 поступает в левую часть цилиндра 12. При этом поршень со штоком 14, вилкой 13 и поковкой 6 движутся вправо до встречи поковки со сбрасывателем, после чего поковка сталкивается на лоток или транспортер.
На рис. 202 показан безоблойный молотовой штамп для штамповки поковок шестерни (рис. 202), в котором применен описанный выталкиватель. Слева находится ручей для фасонирования поко-
Рис. 202 Молотовый трехручьевой штамп для безоблойной штамповки и просечки пленки поковок шестерен (по Н- Е. Щербакову)
вок. В лередине расположен чистовой ручей с тремя вставками, ограничивающими боковую поверхность венца/, а, торцовую его поверхность, боковую поверхность’’ступицы. б и торец ступицы в. Последняя вставка является выталкивателем. Для того чтобы при фасонировании не образовался облой, объем соответствующего ручья выполнен на 6—8% больше номинального объема заготовки.
352
Чистовой ручей имеет двойной замок (по внутренней и наружной поверхностям вставки а). Зазор в направляющей части замка составляет 0,11% от ее диаметра (в данном случае
0,3 леи). Зазор запирающей части замка равен 0,1 мм; высота этой части замка равна 2 мм.
Просечной ручей расположен справа (для экономии площади зеркала штампа он может находиться в угловой его части). Ручей с нижним расположением пуансона имеет пружинный выталкиватель. Верхняя часть штампа плоская.
Достоинства описанного закрытого молотового штампа состоят в возможности тщательной отработки ручьев, обеспечивающих большую точность поковок, штампуемых без облоя, с незначительными напусками и уменьшенными против обычного припусками.
Рассмотренные выше примеры безоблойной штамповки относились к продольной (торцовой) штамповке с несложным фасонированием заготовок, не отличающимся от фасонирования, необходимого при штамповке в облойных штампах. При поперечной штамповке длинноосных поковок из фасонных заготовок, приготовленных специализированными способами (вальцовкой, прокаткой, отливкой и др.), применение закрытых штампов не имеет ограничений, кроме обычных для безоблойной штамповки. При фасонировании в подготовительных ручьях (многоручьевая штамповка с чистовым закрытым ручьем) сталкиваются с некоторыми трудностями, связанными в основном с тем, что в закрытом ручье не должно быть клещевого конца, необходимого для манипулирования с заготовкой в протяжном, подкатном и других подготовительных ручьях. Рассмотрим один пример подобной штамповки.
Поданным расчета при поперечной штамповке поковки с двумя головками (рис. 203) необходим подкатной ручей. Так как у заготовки клещевина отсутствует, то этот ручей пришлось разделить на две части. Сначала подкатывается большая (сечение ВВ), а затем — малая головки (сечение ББ), причем заготовка удерживается за ту часть, которая не деформируется в данном ручье. Угловые замки штампа не препятствуют размещению подготовительных ручьев. Один из них (сечение ВВ) расположен непосредственно на выступах замка.
Из приведенного примера видно, что технология штамповки в закрытом штампе без клещевых концов у заготовки хотя и выгодна (с точки зрения экономии металла), но усложнена по сравнению со штамповкой в открытом штампе.
Сравнение штамповки в открытых и закрытых штампах. При штамповке в открытом штампе плоскость его разъема обычно проходит по середине высоты поковки в том месте, где металл, осаживаемый при штамповке, получает наибольшую поперечную деформацию. Вытекающий в облойную канавку толстым слоем металл испытывает препятствия от боковых стенок штампа,
23 Я. М. Охрименко 597 353
а также задерживается в канавке силами трения. В закрытом штампе плоскость разъема проходит по торцу поковки. Это сопряжено с возникновением более значительного подпора от стенок полости, что приводит к большему удельному' усилию, чем в предыдущем случае. Однако на расход энергии влияет величина общего усилия. При штамповке в открытом штампе необходимо
Рис. 203. Пример штамповки в закрытом штампе поковки удлиненной формы:
а — переходы, б — молотовый аакрытнй штамп
учитывать увеличение площади в связи с наличием облоя. В табл. 40 приведены данные, характеризующие увеличение площади поковки в плоскость разъема с учетом облоя, величина которого принимается нормальной для поковок, штампуемых в автотракторной промышленности.
При штамповке в открытом штампе усилие на деформацию возрастает в связи с наличием облоя. Если принять, что облой обжимается только в пределах порога и не обжимается в магазинной части канавки, то увеличение площади поковок составит величины, приведенные в табл. 40.
354
Таблица 40
Увеличение площади проекции поковок в связи с наличием облоя
Днамечр ио копки DnBK В Л«Л1 Ллощвдь проекции покосом F к мм* Ширина об-ЛОЙлЮГО мог-ТИКЗ в им Диаметр покоеок с учетом Облоя в мм Пл ицадь проекции поковок с облоем F" в Отношение F' F
40 1 256 6 52 2 123 1,70
66 3 420 7 80 5 026 1,5
106 8 820 8 122 11 690 1,33
200 31 415 10 220 38 013 1,21
1 330 85 540 12 354 98 423 1,15
Влияние облоя на увеличение усилия штамповки тем относительно больше, чем меньше габаритные размеры поковки в плане. Усилие штамповки возрастает от наличия облоя интенсивнее, чем F/
это выражено отношением —р~, так как сопротивление деформи-
Рис. 204. Формы полости штампа для одной и той же поковки: с — открытого; б — закрытого
рованию быстро остывающего тонкого облоя больше, чем у медленно остывающей поковки. Таким образом, можно ожидать, что при штамповке относительно небольших поковок затрачиваемая энергия на штамповку будет меньше при применении закрытого штампа. Это подтверждается экспериментами даже для поковок диаметром более 100 мм.
На рис. 204 приводится сечение открытого и закрытого штампов для поковки типа шестерни диаметром 140 мм с двухсторонней ступицей. Поковка штамповалась из заготовки массой 8,5 кг, высо-
23* 355
той 95 мм и диаметром 120 мм на штамповочном молоте простого действия с массой падающих частей 2000 кг. Заготовки были изготовлены из малоуглеродистой стали (0,09% С) и из хромоникелевой стали (0,32% С, 0,68% Ст, 3,47% Ni). Данные экспериментов приведены в табл. 41.
Таблица 41
Сравнение штамповки в открытом и закрытом штампах (к рис. 204)
Тип штампа Сталь Температура штамповки в °C Число ударов Работа деформации Заполненне углублений я штампе в
и кдж л к!'м верхнего нижнего
Открытый Малоуглеродиста я 1150 4 184 19 188 34,1 28,5
X ромоникелевая 1140 4 184 19 188 31,0 26,0
Закрытый Малоуглеродистая 1140 3 141 14 391 54,5 44,0
Хромоникелевая ИЗО 3 141 14 931 41,0 33,0
Работа деформации подсчитана по выражению
л GW® я ( д 6 W* „ \
А —%—дж {А - -—£~ кГ'М},
Рис. 205. Расположение волокон в поковках, штампуемых в открытом (левая часть) и закрытом (правая часть) штампах
где G — масса падающих частей в кг;
g — ускорение силы тяжести в м/сек*;
W — скорость падения бабы в момент удара в м/сек.
Указанные данные свидетельствуют о лучшем заполнении закрытого штампа при меньшей работе, затрачиваемой на штамповку. Штамповка в открытом штампе с образованием тонкого облоя приводит к повышению усилия штамповки и соответственно к повышенному расходу энергии.
Поковки, штампуемые в закрытых штампах, более высокого качества, чем в открытых, за счет лучшего расположения волокон, отсутствия местного интенсивного течения металла в облой и перерезанных волокон в месте его удаления.
На рис. 205 показана схема расположения волокон в поковках, штампуемых в открытом и закрытом штампах. Приведенная схема иллюстрирует большую неравномерность деформации в случае 358-
штамповки в открытых штампах; это свидетельствует о более низком качестве получаемых поковок, чем при штамповке в закрытых штампах.
К преимуществам штамповки в закрытых штампах можно также отнести большую точность размеров поковок в плоскости разъема штампа. Конструкция закрытого штампа такая, что разъем штампа всегда получает естественный замок (например, на рис. 199). Наличие замков исключает большие смещения штампов и позволяет повысить точность размеров поковок, хотя и приводит
Рис. 206. Сечения открытых штампов (а) и соответствующих закрытых штампов (б):
а — штамповый уклон: р — угол рабочей кромки внутренней чщтн штампа
к дополнительной затрате энергии. Наряду с перечисленными преимуществами штамповка в закрытых штампах имеет недостатки. Один из главных недостатков заключается в том, что при штамповке поковок, у которых в продольном сечении окружность, квадрат, эллипс и т. п. (рис. 206), штамп имеет острые нестойкие кромки к.
К наиболее распространенным технологическим процессам штамповки в закрытых штампах относятся торцовая штамповка и, в частности, случай, когда в продольном сечении штампа угол рабочей кромки внутренней части штампа р > 90°.
Иногда отмечают в качестве недостатка низкую стойкость закрытых штампов, однако понижение стойкости штампов, как уже было выяснено, в значительной степени зависит от использования отдельных заготовок увеличенного объема. При отсутствии компенсаторов для размещения излишка объема металла заготовок и средств, обнаруживающих готовность поковки (по автоматиче
357
скому контролю высоты поковок и обнаружению заполняемости углов полости), дополнительные удары молота разбивают штамп. Например, при штамповке от прутка в закрытых и открытых штампах на горизонтально-ковочных машинах стойкость тех и других штампов одинакова, так как при штамповке удается избежать значительного избытка металла в полости за счет вытеснения его в зажимную часть ручья.
Для штамповки в закрытом штампе требуются заготовки, более точные по объему, чем для открытого штампа, так как объем поковки в первом случае определяется объемом заготовки (за вычетом угара металла и небольшого заусенца 1—2%). Однако это обстоятельство нельзя рассматривать как недостаток. Напротив, более точная дозировка заготовок по объему повышает технический уровень кузнечно-штамповочного производства.
Сведения об элементах конструкции молотовых штампов. Штампы для горячей штамповки могут быть разделены на две основные группы: целыюблочпые массивные и сборные.
При штамповке на молотах применяются массивные штампы, изготовляемые из цельных кубиков. В последнее время все большее распространение получает конструкция массивных молотовых штампов со вставками.
Большие скорости в момент соприкосновения штампов с металлом (до 7 м/сек} обусловливают высокие требования не только к конструкции штампов, но и к устройству крепления штампов на молотах. Вполне надежна применяющаяся в качестве единственной для всех типоразмеров молотов клиновая система крепления массивных штампов (см. рис. 208 *}.
Верхняя часть штампа крепится по ласточкину хвосту клином к бабе, нижняя часть — тоже клином к подушке, которая, в свою очередь, закрепляется на шаботе молота. Сухари предотвращают перемещение частей штампов вдоль клиньев. Подушка (подштамповая плита) выполнена по форме ласточкина хвоста и представляет собой промежуточную крепежную деталь, предназначенную для предохранения шабота от быстрого износа. Ремонт относительно легко снимаемой плиты значительно проще, чем ремонт (прострожка) шабота, масса которого превышает в 20—30 раз массу падающих частей молота.
Предотвращение перемещений подштамповой плиты вдоль клина осуществляется не при помощи сухаря, а самой плитой, имеющей особую конструкцию. Правая боковая наклонная часть плиты выполнена под тупым углом у (см. рис. 156). Эта часть плиты входит в соответствующий вырез в шаботе и исключает перемещения плиты вдоль клина при его забивке.
Обеспечить одновременную опору штампов на хвостовик и боковые плоскости трудно из-за несовпадения фактических допусков
* Система крепления молотовых штампов_(см. ГОСТ 6039—51).
358
на механическую обработку этих поверхностей. Поэтому штампы опираются только на хвостовики. При этом заплечики штампов приподняты над поверхностью опоры на 1,0 мм. На рис. 207 приведена схема нагрузки штампа при эксцентричном расположении заготовки (например, случай осадки на площадке, рис. 207, а). Если штамп имеет опору на хвостовик, но выполнен без достаточно большого радиуса скругления при переходе на его горизонтальную плоскость, то возможна поломка штампа из-за концентрации напряжений в этом месте (рис. 207, б).
При опоре штампа на его боковые плоскости происходит образование трещин, начинающихся от внутренних углов, образуемых
Рис. 207. Крепление молотового штампа
хвостовиком (рис. 207, в), даже если имеются скругления, устраняющие концентрацию напряжений. Это может произойти при износе опорной поверхности под хвостовиком штампа более чем на 1 мм. В месте перехода от горизонтальной плоскости к хвостовику должно быть скругление; место сопряжения штампа с крепежной деталью показано на рис. 207, а.
Для контроля правильности совпадения частей полости штампа черновые поверхности кубиков подвергают строжке на глубину, например, 5 мм по двум граням и на высоту 50—70 мм от лицевой поверхности (см. на рис. 193, размер 65 мм).. Образующиеся при этом углы используются для указанного контроля, поэтому они называются контрольными углами. Обработанные грани служат базовыми поверхностями при разметке зеркала штампа перед изготовлением ручьев. При вычерчивании штампов расстояния до осей ручьев проставляют от этих поверхностей. На штамповых кубиках обычно имеются транспортировочные отверстия (см. рис. 156).
Для крепления штампов (рис. 208) применяются односторонние клинья с уклоном 1 : 100 (0° 35') вдоль оси. Для упрощения изготовления штампов уклон клина приходится на сторону бабы (верхний штамп) или подштамповой плиты (нижний штамп). Для того чтобы клинья при работе не выжимались из гаезд в направлении разъема штампов, а, наоборот, прижимались к основа-359
нию этих гнезд, они имеют уклон и в сечении, для чего одна их грань наклонена к вертикали под углом 10°, а другая — под углом 12°. На рис. 208, а изображены рекомендуемые для применения по условиям техники безопасности левые клинья. Правые клинья не применяются, так как выступающие части верхнего клина длиной I могут травмировать штамповщика, находящегося обычно справа от штампа и ожидающего очередную заготовку, поступающую к нему из печи (слева от молота). На некоторых
Рис. 208. Крепежные клинья (с) и сухарь (б) для предотвращения смещения штампа (по сечению I—I сухарь работает на срез)
<7
заводах применяют верхний левый и нижний правый клинья, что дает возможность взаимозаменять верхние и нижние части штампа. Концы клиньев закаливаются на длине 80—100 мм для безопасной работы с ними (для стали 40 твердость НБ 363—321).
Форма сухарей (рис. 208, б) принята исходя из следующих соображений. Прямоугольная часть сухаря входит в хвостовик штампа. Часть сухаря с наклоненными гранями входит в бабу молота (нли в подштамповую плиту), причем наклон граней способствует удалению сухарей, которые обычно застревают в снимаемом штампе; это делает более удобным их демонтаж. Клиновая выемка А в сухаре необходима для удаления зубилом сухаря, если он крепко сидит в пазах.
Сухари должны быть изготовлены тщательно и с точными размерами. Высокий сухарь приводит к поломке штампа, так как штамп опирается при этом только на сухарь. Низкий сухарь приводит к увеличению удельного давления на стенки гнезд для сухарей при забивке клиньев и вследсствие горизонтальных сдвигаю-360
щих сил при штамповке. Согласно ГОСТу 6039—51 высота h£ сухаря и клина должна быть на 1 мм меньше соответствующей высоты паза hi (см. рис. 207, г).
Высокая стоимость штампов определяет необходимость повышения их стойкости. Один из простых способов возобновления работы штампов заключается в перестрожке их, для чего у штамповых кубиков должен быть соответствующий припуск по высоте. Высокие штамповые кубики приводят к уменьшению хода молота и соответственно к уменьшению энергии удара. Сумма высот верхнего и нижнего штампов должна превышать минимально допустимую высоту штампового пространства после запланированного количества перестрожек штампа. Если суммарная высота штампа меньше допустимой величины для данного молота, то может возникнуть опасность выбивания нижней крышки цилиндра молота.
Обычно ориентируются на возможно большее число перестрожек штампа (три-четыре для глубоких и до 10 для неглубоких ручьев, причем каждый раз снимается от 10 до 25 мм).
Следует иметь в виду, что хотя увеличение массы падающих частей молота (не более чем на 25% от номинальной величины за счет более тяжелого штампа) сопровождается увеличением мощности молота, однако потери от уменьшения величины хода и числа ходов молота в единицу времени обычно более значительны. При увеличении массы падающих частей сверх номинального может снизиться производительность работы, так как при данном давлении пара (воздуха) время подъема подвижных частей молота увеличивается, а возможное число ударов в единицу времени уменьшается.
Штамповые кубики. Заготовки для штампов в виде кованых болванок в форме параллелепипеда называют штамповыми кубиками.
Размеры штамповых кубиков подбирают в соответствии с принятым количеством, размерами и расположением ручьев. При этом проверяют величину площади соударения штампов. Опытом установлено, что во избежание смятия при соударении площддь лицевой поверхности штампов должна составлять не менее 300 см2 на 1 т массы для молотов с массой падающих частей более 2 т и 250 см2 — для молота с меньшей массой падающих частей. Следует стремиться к тому, чтобы по обе стороны любой линии, проведенной через середину зеркала штампов (во избежание перекоса их в работе), площади, свободные от гравировки, были примерно равны между собой.
Размеры штамповых кубиков предусмотрены ГОСТом 7831—55. Наиболее употребляемые размеры кубиков по высоте, ширине и длине следующие: от 200 X 225 X 275 до 400 х 500 X 650 мм. На штамповом кубике должны быть указаны ось слитка (головная и хвостовая части), направление выхода волокон, марка стали. Указание о направлении волокон используют для перпендику-361
лярного размещения осей удлиненных полостей ручьев. Наибольшее разрывающее усилие должно быть направлено вдоль волокон. Недопустимо вертикальное расположение волокон в кубике, при котором скалывающие напряжения от нецентральных нагрузок совпадают по направлению с волокнами; это приводит к поломке штампов. Для получения равномерного износа и одинаковой прочности в разных направлениях желательно иметь кубики с перепутанными волокнами, для чего при их ковке производят чередование осадки с протяжкой. Штампы, прокованные таким способом, не имеют резко выраженной анизотропии, вызванной наличием направлен iioi'O волокна.
Штампы обычно проектируют так, что по габаритным размерам они вписываются в размер бабы молота. В исключительных случаях для очень длинных поковок применяются штампы, выступающие (Ьперед и назад) за пределы опоры в бабе. При ударах по заготовке консольные части такого штампа упруго отгибаются, и ио-ковка оказывается на концах большей высоты (недоштампована). Для устранения этого недостатка увеличивают в допустимых пределах массивность штампа. Однако при применении штампов большой длины эти возможности весьма ограничены, поэтому на практике уменьшают высоту в тех частях ручья, в которых получается недоштамповка. В литературе описан случай, когда приходилось уменьшать глубину ручья на краях штампов более чем на 4 мм.
Расположение ручьев на зеркале штампов. При стремлении к возможно более экономичному использованию зеркала штампов сталкиваются с трудностями, заключающимися в получении стенок достаточной прочности между ручьями и на краях штампа.
Установленные на практике расстояния между отдельными ручьями приведены в табл. 42. Чем глубже ручей, чем меньше радиус закругления дна полости и уклон соседней полости, тем больше должна быть толщина стенки штампа.
Центром зеркала штампа считается пересечение осей хвостовика и сухаря. При необходимости центр зеркала штампа может быть смещен относительно оси, проходящей через геометрический центр кубика (см. рис. 193). Однако центр зеркала штампа должен совпадать с осью штока, а при отсутствии чернового ручья — с осью, проходящей через середину чистового ручья. Это требуется для лучших условий работы штампа и штока молота.
При наличии чернового и чистового ручьев в одном штампе приходится допускать эксцентричное приложение на него максимальных нагрузок. На практике поступают следующим образом: устанавливают (примерно), на сколько сопротивление деформации в одном ручье больше, чем в другом, и в соответствии с этим размещают ручьи. Чаще всего расстояние от центра зеркала штампа до оси чистового ручья меньше, чем до чернового (в 2—3 и 362
Таблица 42
Стенки с минимальной толщиной и высота молотового штампа [109]
Стенки с минимальной толщиной С в мп
I л;бина ручья в мл
между ручьем и краем штампа
16
25
40
63
100
125
160
12
20
32
40
56
80
НО
130
160
между соседними ручьями
Минимальная высота штампового чубика huiT в ИЛ
100
100
125 160 200 250
315 355
400
даже в 4 раза), но и в этом случае центр зеркала штампа должен совпадать с осью штока молота (см. пересечение осей I—I и II—11 на рис. 193).
Для несимметричных в плане поковок обычно трудно определить середину ручья (центр давления). Для приблизительных расчетов за середину принимают центр тяжести площади проекции поковки на плоскость разъема штампа. Расположение центра давления соответствует центру тяжести объема эпюры нормальных напряжений в конце штамповки.
Если известны размеры отдельных ручьев, расстояния между ними и до края штампа, а также высота штампа, то можно найти габаритные размеры необходимых кубиков. Хвостовики штампов в процессе работы образовывают углубления в бабе и подушке; если следующий штамп имеет большие размеры вдоль хвостовика, чем предыдущий, то он оказывается подвешенным на двух опорах и легко разрушается в процессе работы.
Методы уравновешивания сдвигающих усилий в штампах. Во многих случаях при штамповке возникают горизонтальные силы, смещающие верхнюю часть штампа относительно нижней, что приводит к браку поковок и повышенному износу направляющих бабы молота.
Появление сил, сдвигающих штамп, происходит по следующим причинам (рис. 209). Разъем штампа, расположенный косо, приводит при соударении (т. е. в конце штамповки при образовании
363
облоя) к горизонтально направленным силам Рх (рис. 209, а). Эти силы в нижней и верхней частях штампа направлены в разные стороны. Поскольку нижняя часть штампа жестко закреплена на шаботе, она остается неподвижной. Верхняя же часть штампа вместе с бабой молота может смещаться в сторону за счет зазоров между направляющими молота и бабы, а также за счет упругих деформаций деталей молота. В этом случае происходит сдвиг одной части штампа относительно другой, что приводит к браку поковки по форме и размерам или понижает механические свойства по месту сдвига одних волокон металла относительно других.
Рис. 209. Схемы, поясняющие возникновение горизонтальных сдвигающих сил в штампах
В другом случае (рис. 209, б) разъем штампа расположен горизонтально, однако полость имеет наклонные поверхности, которые с момента соприкосновения с заготовкой (т. е. в начале штамповки) вызывают горизонтальные неуравновешенные силы Рх, сдвигающие верхнюю часть штампа относительно нижней. Если полость верхней части штампа имеет с разным наклоном и не одинаковые по площади поверхности, то результирующая горизонтальная составляющая будет оказывать на штамп сдвигающее действие. Очевидно, сдвиг частей штампов может быть вызван и соответствующей формой заготовки или неправильной ее установкой в ручье. На величину сдвигающих усилий оказывают влияние контактные силы трения. Горизонтальные сдвигающие силы могут быть направлены вдоль или поперек фронта штампа.
При штамповке силами, перпендикулярными к оси поковки, имеющей форму конуса, горизонтальные силы в нижней и верхней частях штампа направлены в одну и ту же сторону. Однако направление горизонтальных сил нижнего штампа не имеет значения, поскольку эти силы во всех случаях уравновешены.
Положение изогнутых заготовок в процессе штамповки в уравновешенном штампе без применения специального замка определяется из тригонометрических соотношений. Если предположить,что равномерное распределение нагрузки на проекции поковки соот-364
ветствует равномерному распределению нагрузки и на каждой полке поковки, то для поковок, изогнутых под углом р и имеющих короткую полку /j и длинную полку /2, действительно следующее соотношение:
7“ = tgy2ctg(P ]-у2).
При р = 90° имеем
tgy2 -
где у2 — угол наклона длинной штампа.
полки /а в плоскости зеркала
Рис. 210. Способы уравновешивания сдвигающих сил в штампах: ЛА и ББ — линии разъема штампа
Для соответствующего угла yj наклона короткой полки получаем
Правильность формул подтверждается следующим образом: при и р — 90° получаем tg Ух — tg уа — 1, откуда следует Ул = у2 = 45°, а ул + у2 + р = 45° + 45° + 90° = 180°.
Если не удается ликвидировать горизонтальные силы изменением положения поковки относительно плоскости разъема (рис. 210, а, б), то устранить сдвиг штампов можно, используя в них односторонний замок (рис. 210, в). Если позволяют габаритные размеры штампа и размер молота, то лучшим способом уравновешивания горизонтальных сил будет сдваивание поковок при совместной штамповке (рис. 210, г). Полости штампов нужно расположить так, чтобы одинаковые горизонтальные силы Рх действовали в разных направлениях. На рис. 211 изображены контуры круглого (рис. 211, а), углового (рис. 211, б) и двухстороннего замков
365
(рис. 211, е). Замки усложняют конструкцию штампов и увеличивают расход работы на штамповку, но в отдельных случаях, о которых говорилось выше, их применение необходимо.
Профиль замка, выполненного под прямым углом, показан на рис. 211, г. Применяют замки и с тупым углом; последнее конструктивное решение менее удачно, так как при этом части штампов устанавливаются на свои места лишь в последний момент штамповки. Замки с наклоном в боковой поверхности можно рекомен
Рис. 211 Форма замков молотовых штампов
Рис. 212. Штампы со вставками:
а — для поковок удлиненной формы; б — для торцовой штамповки
довать лишь в тех случаях, когда смещение штампов вызывается действием их друг на друга в момент образования облоя (рис. 209, а).
Высота выступа замка hec (рис. 211, г) должна быть такой, чтобы к моменту появления сил Рх, сдвигающих штамп, замок уже действовал. Чем больше высота замка, тем сложнее изготовить штамп, особенно если штамп не имеет прямой линии разъема. Выступающие части замка могут быть в нижней или верхней частях штампа. Чтобы обеспечить удобство извлечения поковки из ручья и выдувания из него осыпающейся во время штамповки окалины, желательно наружные выступающие части замка выполнять в верхней части штампа (рис. 211, г). При необходимости размер замка в плане может быть увеличен и на нем могут быть расположены подготовительные ручьи.
Молотовые штампы со вставками. Расход дорогостоящей штамповой стали в штамповочных цехах достигает 1,0% от массы выпускаемой продукции. Стремление продлить срок службы штампов привело, в частности, к использованию вставок молотовых штампов.
366
Вставки применяют для штамповки длинноосных поковок (рис. 212, а) и для торцовой штамповки (рис. 212, б). Вставным может быть, например, быстроизнашиваемый знак, чистовой, а при необходимости — черновой и чистовой ручьи. Кубики для размещения в них вставок могут быть литыми и коваными. Если штамп мпогоручьевой, то материалом для кубика служит штамповая сталь. Для одноручьевой штамповки (рис. 212, б) кубики можно изготовлять из стали 45.
На рис. 212, б показаны два варианта вставок, сделанных из двух частей для дальнейшего повышения их стойкости. В местах вероятного образования трещины, в углах полости выполняется стык частей вставок, что исключает возможную концентрацию напряжения. Стойкость вставок выше цельных штампов из-за того, что вставки имеют предварительные напряжения сжатия. Опасные растягивающие напряжения, приводящие к трещинам (в том числе к разгарным), появляются при больших напряжениях и позже, чем при использовании цельного штампа, не имеющего предварительных напряжений. Вставки небольшого объема целесообразно изготовлять из более дорогих штамповых марок стали и этим еще больше увеличивать их стойкость.
Так как извлечение вставок из штампового кубика представляет собой сложную операцию, некоторые заводы применяют постоянные вставки, которые особенно удобны при одноручьевой штамповке. В штамповый кубик (литой или кованый) из углеродистой стали с помощью горячей посадки вставляют вставку из легированной стали и не извлекают ее после износа. При этом ремонт ручья и всего штампа осуществляется, как при цельноблочном штампе.
Если вставка открытого штампа имеет небольшие габаритные размеры, то в ней нельзя расположить облойную канавку, и ее приходится выполнять на зеркале штампа. Если такая вставка оседает в процессе работы, то высота поковок увеличивается (недоштамповка). Лучите конструкция вставок, выступающих над уровнем зеркала штампа. При переточке вставок величина снятого слоя металла компенсируется подкладками. Более подробное описание о вставках молотовых штампов дано в гл. X.
Технологическая применяемость молотов различных типов. Приведенные выше материалы относятся к штамповке на паровоздушных молотах двойного действия. Помимо этих молотов, в кузнечно-штамповочных цехах используются (в значительно меньшем числе) молоты с доской. В последнее время получили некоторое распространение так называемые бесшаботные молоты. Наиболее успешно штамповка на молотах с доской осуществляется в одноручьевом штампе. Молоты с доской относительно тихоходны, поэтому при большом числе ударов (при штамповке поковок сложных конфигураций) металл остывает быстрее, чем заканчивается процесс. При штамповке, как известно, не рекомендуется провозе?
дить повторный нагрев из-за большой потери металла в угар и ухудшения поверхности поковки от образования окалины. Наиболее приемлемыми для штамповки на молотах с доской оказываются поковки простой конфигурации. При этом, как и у других молотов простого действия, штамповочные уклоны должны быть несколько большими, чем в штампах молотов двойного действия.
К преимуществам молотов с доской относятся дешевизна изготовления, простота конструкции и управления, а также малогабаритность в плане. Молоты с доской используются самостоятельно и в комбинации с другими видами кузнечных машин. Они успешно применяются для правки поковок. Небольшая стойкость досок снижает достоинства молотов рассматриваемого типа. Большая эксцентричность, вызванная формой поковки, уменьшает стойкость досок и ускоряет разладку молота. Крепление штампов и расположение ручьев штампов для молотов с доской аналогичны таковым в обычных молотовых штампах.
За рубежом (в частности, в Англии) некоторое распространение получили цепные молоты простого действия. Эти молоты имеют переменную величину хода. Поскольку размер бабы молота вдоль его фронта увеличен, на этих молотах удается применять многор уч ьевые штампы.
Бесшаботные молоты получили относительно небольшое распространение из-за недостатков, имеющихся в существующих конструкциях, хотя сам принцип работы бесшаботного молота весьма рационален. Возможность деформирования металла при встречном движении верхнего и нижнего бойков молота снижает потери энергии на сотрясение фундамента и грунта, позволяя изготовлять молоты с фундаментами неглубокого залегания и на металлических конструкциях, а при необходимости даже выше уровня иола. Неудобства эксплуатационного порядка, связанные с подвижностью заготовки в процессе штамповки, как показывает опыт, являются несущественными. Отечественная конструкция бесшаботного молота (ЦНИИТМЛШ) имеет короткий самостоятельный ход нижней части и большой величины ход верхней части штампа.
В последние годы некоторое распространение получают горизонтальные молоты с двухсторонним ударом, так называемые импакторы. Для удержания заготовки перед соударением частей штампа применяются специальные механизмы. Система управления этими молотами срабатывает лишь в том случае, если заготовки правильно расположены по отношению к штампам. Скорость удара импактора достигает десятков в даже сотен метров в секунду.
Технологические преимущества и недостатки молотов. Молоты различных конструкций применяются для горячей штамповки. Наибольшее распространение получили паровоздушные молоты двойного действия.
368
К основным преимуществам штамповки на молотах относятся следующие.
I. Возможность регулирования энергии удара. Слабые удары могут быть нанесены с повышенной частотой.
2. Осуществление деформации в одном ручье за несколько ударов (особенно важно для штамповки в окончательном ручье). В связи с этим до недавнего времени наиболее крупные поковки штамповали только на молотах. Влияние больших скоростей деформации при штамповке на молотах благоприятно сказывается на заполнении сложного рельефа штампа.
К недостаткам молотов относятся следующие.
1. Дорогостоящие установки, связанные с наличием котельных или компрессорных станций и громоздких фундаментов.
2. Малый к. п. д. (не более 3%).
3. Относительно невысокая производительность работы, особенно при многоручьевой штамповке, когда при выполнении подготовительных операций молот работает не на полную мощность.
4. Относительно тяжелые условия труда, сложность осуществления механизации и особенно автоматизации процессов штамповки.
5. Большой расход металла от штамповочных уклонов вследствие ограниченного применения выталкивателей.
6. Невысокая точность размеров поковок (допуск достигает нескольких миллиметров).
7. Сотрясения от ударов зданий и приборов.
8. Частые поломки штоков.
§ 4. ШТАМПОВКА НА ПРЕССАХ
Для объемной штамповки применяются кривошинные, фрикционные (винтовые) и гидравлические прессы. Каждый из этих типов прессов имеет свои особенности и преимущества, связанные с масштабом производства, видом применяемых штампов, температурным режимом деформации и размерами поковок.
Кривошипные горячештамповочные прессы являются рациональным оборудованием для объемной штамповки при крупносерийном-производстве средних по массе поковок (от десятых долей до нескольких сот кг). Этот вид машин-орудий отличается наиболее высокой стоимостью и может быть использован для механизированного или даже автоматизированного производства поковок. Кривошипные прессы допускают эксцентрицитет в нагрузках, но имеют фиксированный конец рабочего хода, что не позволяет осуществлять деформацию в одном ручье за несколько ходов. Усилие прессов составляет 6170—98 000 кн (630—10 000 т).
Фрикционные прессы по современной классификации оборудования относятся к группе молотов, у которых деформация осуще-24 Я- М. Охрименко 597 ^69
ствляется за счет энергии падающих масс. Однако в технологическом отношении они ближе к прессам. Конец хода у них не фиксируется, что позволяет осуществлять в каждом ручье штамповку за несколько ходов. Из-за конструктивных особенностей фрикционные прессы непригодны для штамповки с большим эксцентрицитетом прилагаемых сил, поэтому в основном они применяются для одноручьевой штамповки, а также для гибки, правки и некоторых других операций. Усилие самых крупных фрикционных прессов не превышает 9800 кн (1000 т). Наиболее распространены прессы усилием 390—5880 кн (40—600 т).
Ниже рассмотрены технологические процессы и штампы кривошипных прессов, а также фрикционных прессов. Штамповка стальных поковок на гидравлических прессах отнесена к штамповке выдавливанием и глубокой прошивкой, поскольку эти процессы более типичны для указанных прессов.
Штамповка на кривошипных прессах. Значительное распространение кривошипных прессов для объемной штамповки объясняется следующими их преимуществами перед молотами.
1. Более высоким к. п. д. Кривошипный пресс с индивидуальным электродвигателем имеет экономический (приведенный к энергии топлива) к. п. д. в два и более раза выше, чем умолота, и достигает 6—8%.
2. Более высокой производительностью за счет сокращения числа ударов в каждом ручье до одного.
3. Большой точностью размеров поковок. Постоянство хода кривошипного пресса обеспечивает уменьшение отклонений размеров поковок но высоте. Более совершенные конструкции штампов на прессах обеспечивают меньшую величину смещения половин штампа, в связи с чем точность размеров поковок увеличивается. На практике возможная точность работы на кривошипных прессах характеризуется допусками 0,2—0,5 мм вместо 0,8—1,0 мм при штамповке па молотах.
4. Увеличенным коэффициентом использования металла. Наличие уменьшенных припусков, напусков и допусков является следствием более совершенной конструкции штампов кривошипных прессов, снабженных выталкивателем. Экономия металла достигает десятков процентов.
5. Улучшением условий труда-
6. Снижением себестоимости продукции. При штамповке на кривошипном прессе себестоимость продукции снижается за счет расхода металла и эксплуатационной стоимости.
К числу основных недостатков кривошипных прессов относятся высокая стоимость прессов и возможность заклинивания и поломки пресса в крайнем нижнем положении ползуна. Вывод пресса из этого положения приводит к потере времени.
Особенности штамповки на кривошипных прессах. Деформация металла на кривошипных прессах характеризуется жестким 370
характером кривой изменения пути ползуна во времени. В каждом ручье для данного размера заготовок возможна лишь определенная степень деформации, осуществляемая за один рабочий ход пресса. Если пресс совершает такое же количество ходов, как и эквивалентный молот, то машинное время штамповки сокращается пропорционально количеству ударов молота в каждом ручье штампа. Однако непосредственное перенесение технологических переходов штамповки от молота к прессу обычно осуществить нельзя. Для того чтобы выявить особенности условий
C7
Спорость движения рабочего инструмента
Рис. 213. Изменение скорости движения штампов; / —- для кривошипного пресса, 2 — для эквивалентного молота
деформации в прессовых штампах, следует сопоставить их с подобными условиями при штамповке па молотах.
Рассмотрим скоростные условия деформации. Молоты простого действия к моменту удара имеют скорость бойка 5—6 м/сек. Молоты двойного действия имеют более высокие скорости (6— 7,5 м/сек). Кривошипные прессы к началу деформации металла имеют скорости в пределах 0,5—0,8 м/сек.
На рис. 213 приводится график изменения скоростей в процессе деформации металла у молота и пресса. Этот график построен по данным для пресса усилием 24 500 кн (2500 т) и эквивалентного ему молота 1 с массой падающих частей 2,25 т, а также по данным осадки цилиндра на 25 мм за один удар- В конце осадки скорости бойков молота и пресса равны нулю; наибольшая
1 На практике считают, что пресс усилием 9800 кн (1000 tn) примерно эквивалентен молоту с массой падающих частей 1 т.
24* 371
разница в скоростях наблюдается в начальный момент деформации. Если разниц}' в течении металла при деформации его на прессе и под молотом объяснять влиянием неодинаковых скоростей, то это, вероятнее всего, относится к начальному моменту деформации, когда разница в скоростях движения инструмента наибольшая. Так как скорость распространения пластических деформаций соизмерима со скоростями движения бойка молота, то деформация при штамповке на молоте в основном должна протекать вблизи контакта металла с движущимся инструментом. Это способствует лучшему заполнению верхних полостей штампа на молотах. При использовании молота длительное соприкосновение нижнего штампа с заготовкой приводит к большему охлаждению ее нижней части, поэтому верхняя часть заготовки деформируется легче и в большей степени. Экспериментами установлено, что сопротивление-деформации металла в верхней полости молотового штампа в 2 раза меньше, чем в ннжней.
Значительной разницы в заполнении верхней и нижней полостей штампа на прессе нет; меньшие скорости деформации способствуют ее распространению на весь объем заготовки. Поверхностной деформации при этом не наблюдается. Разница в действии удара молота и пресса состоит в различном продолжительности воздействия инструмента на металл. Каждый удар молота длится 0,005—0,01 сек, тогда как при использовании пресса продолжительность единичного обжатия в каждом ручье составляет 0,03—0,2 сек 1109].
При деформации металла на прессе в штампе, сконструированном по аналогии с молотовым штампом, происходит примерно то же явление, которое наблюдается при штамповке поковок полным ударом молота с излишне большой для данной поковки массой падающих частей. Получается чрезмерно большой облой, поэтому металла оказывается недостаточно для образования поковки.
Л. А. Шофман полагает, что основная разница в заполнении молотового и прессового штампов состоит в условиях образования облоя и в более высокой температуре металла облоя прессового штампа, поскольку в этом случае время остывания облоя значительно меньше.
Предотвратить образование чрезмерного облоя в прессовом штампе можно несколькими способами. Наиболее простой способ с технологической точки зрения состоит в увеличении количества ручьев для постепенного приближения формы заготовки к форме поковки. При этом уменьшается степень деформации за каждый ход пресса, а условия деформации приближаются к тем, которые имеются при штамповке на молотах. Поковки, штампуемые на молоте за один переход, целесообразно при применении пресса штамповать в два или несколько переходов. При этом получают экономию машинного времени, если число ручьев прессового штампа меньше числа ударов при штамповке данной поковки 372
в молотовом штампе. Введение, например, операции осадки с наметкой отверстия или образованием выступа позволяет, кроме того, удалить с заготовки окалину.
Другой способ заключается в затруднении течения металла в облойную канавку. Проще всего уменьшить толщину облоя или увеличить ширину порога канавки, но это затруднит вытекание облоя лишь в конце штамповки. С этой же целью применяют канавки со сдвоенными порогами или дополнительные карманы на пути движения металла в магазин канавки.
Целесообразнее всего задержать момент начала образования облоя путем подбора фасонной заготовки соответствующей формы. Наиболее эффективное решение состоит в том, что плоскость разъема штампов размещают так, чтобы она оказалась в месте наименьших поперечных деформаций вблизи торца заготовки, где имеет место зона затрудненной деформации. Наличие выталкивателей у пресса позволяет работать с незначительными штамповочными уклонами и размещать плоскость разъема штампов в любом положении, не опасаясь больших потерь металла вследствие напусков. Безоблойная штамповка, будучи более совершенным процессом, чем облойная (в отношении расхода металла), не нашла еще на прессах достаточно широкого применения из-за трудностей, связанных с точной дозировкой объема заготовки. Штамповка в закрытом штампе на машине с жесткой связью между приводом и инструментом может быть успешно осуществлена при достаточно точной массе заготовки или при размещении в штампе специального компенсатора для размещения излишка металла отдельных особенно неточных заготовок.
Значение упругих деформаций пресса. Каким бы жестким ни был пресс, его отдельные детали под влиянием усилий штамповки упруго деформируются. Вал получает изгиб, шатун и ползун — сжатие, станина на участке между столом и вырезами для коленчатого вала — растяжение. Если наладку штампа производить без нагрузки, сблизив верхнюю и нижнюю его части на установленный расчетом размер облоя, при крайнем нижнем положении ползуна, то высота поковки (и облоя) получится больше на величину упругой деформации пресса. Так как соударение частей штампов прессов опасно, то штампы должны иметь открытый магазин облойной канавки (см. рис. 220). Это позволяет при наладке штампа изменять расстояние между его частями. Чтобы получить в результате штамповки необходимый размер h облоя, при наладке штампа между выступами канавки помещают прокладки толщиной, равной высоте облоя за вычетом соответствующей величины упругой деформации пресса. Толщина прокладки устанавливается предварительно при пробных штамповках. Прокладки после закрепления штампа убираются. В процессе штамповки вследствие упругой деформации деталей пресса получается облой заданного размера.
373
Упругая деформация деталей данного пресса зависит от величины сопротивления деформации металла в штампе. Это сопротивление зависит от температуры металла и объема заготовки. Избыток металла (больше расчетного), пепрогрев или недогрев заготовок приводят к возрастанию упругой деформации деталей пресса, а следовательно, к увеличению размеров поковки и облоя по высоте.
При остывании поковки получают усадку, и размеры их уменьшаются. Величина усадки зависит от температуры конца штамповки. С возрастанием этой температуры сопротивление деформации металла понижается, а его усадка возрастает. Величина деформации деталей кривошипно-штамповочных прессов достигает иногда 2 мм и более; усадка (1,2—1,5%) для поковок средних размеров — 1 мм и более, т. е. эти величины соизмеримы. Окончательный размер поковок по высоте Нп после остывания может быть найден следующим образом:
Нп - HT + M-Oi \-gn, (73)
где Нт — высота поковки, соответствующая холостому ходу пресса (может быть получена при штамповке заготовки из воска или пластмассы);
Д/ — суммарная величина продольных упругих деформаций деталей пресса при данном усилии; для одной и той же поковки Az зависит от температуры штампуемого металла в соответствии с изменением его сопротивления деформации (если объем заготовок одинаков);
at — величина линейной усадки по высоте поковки при остывании от температуры конца штамповки (может быть подсчитана или определена для данной стали дилатометрически);
gn — упругие деформации поковки (они весьма незначительны).
Если производить штамповку при различных фиксируемых температурах металла, измерять фактическую высоту поковки и знать расчетную величину at (величиной g„ можно пренебречь), то суммарную величину упругих деформаций деталей пресса можно определить из выражения
+ (74)
Затем' следует построить график упругих деформаций деталей пресса Д, в зависимости от температуры t деформируемого металла. По этому i-рафику можно осуществлять контроль температуры i конца штамповки по высоте поковок Нп, так как Нп ~ [ (/). По данной величине допуска на высоту поковки график позволяет установить допустимые колебания температуры конца штамповки или величину допуска при данном интервале температур конца штамповки. Если протарировать пресс, то можно построить гра-374
фик «упругая деформация д, — развиваемое усилие Р». По этому графику можно определить впоследствии усилие штамповки для любых поковок, фиксируя фактические упругие деформации пресса в процессе штамповки или получая величину д/ по формуле (74).
Абсолютная величина Л, упругой деформации деталей пресса определяет величину наиболее данной поковки. Дальнейшее уменьшение толщины облоя приводит к соударению частей штампа (и их поломке) на холостом ходу пресса, что, в свою очередь, вызывает заклинивание пресса. По этой же причине на кривошипных прессах не применяют отрезных ножей типа молотовых. В тех случаях, когда приходится отделять поковки от прутка, применяют ножи, движущиеся смежно относительно друг друга (по типу ножниц).
Для получения минимальных отклонений размеров поковок необходимо, чтобы колебания объемов поковок и температуры штамповки были возможно меньшими. На практике отклонения размеров поковок, получаемых на прессах, находятся в пределах 0,2—0,5 мм.
Однако при изготовлении поковок необходимо рационально использовать штампы, износ которых приводит к увеличению допускаемых отклонений от заданных размеров поковок.
Допуски в плоскости, совпадающей с плоскостью разъема штампов, не зависят от упругих деформаций пресса и определяются возможностью относительного смещения половин штампа, а также зависят от износа штампов и неравномерной усадки поковок, т. е. от колебания температуры конца штамповки.
Устройство прессовых штампов. Для обеспечения точности размеров поковок, перпендикулярных к разъему штампа, пресс должен иметь регулирование штампового пространства по высоте (закрытой высоте). С этой целью прессы снабжены столом особой конструкции (рис. 214). Опорная часть станины 1 выполнена наклонной (в данном случае по.фронту, а у некоторых прессов — в глубь пресса). Подштамповая плита в^виде клина 2 имеет тот же наклон, что и станина (для прессов средних размеров 12—14°).
375
тонкого облоя при штамповке 2
Рис. 214. Клиновое устройство для регулирования закрытой высоты пресса
Клин 2 имеет в середине овальное отверстие для прохода стержня нижнего выталкивателя, а также выступающий в окне станины пресса отросток (справа) для перемещения плиты ударами кувалды (чтобы не портить клин) и клиновый скос (слева). Вдоль клина 2 по его скосу горизонтально перемещается вспомогательный клин 3 меньших размеров, упирающийся прямой стороной в станину 1 пресса. При установке клина 2 на стол пресса оба клиновых скоса компенсируют друг друга и верхняя плоскость подштамповой плиты устанавливается в горизонтальное положение. Перемещение клина 2 по наклонной опоре приводит к изменению уровня горизонтальной поверхности и, таким образом, к изменению закрытой высоты пресса. Для более легкого перемещения клина 2 его наклонную поверхность тщательно смазывают, например, смесью масла с графитом.
В случае заклинивания пресса необходимо, чтобы закрытая высота могла быть легко увеличена, поэтому работать с максимальной закрытой высотой не следует, так как при расклинивании пресса перемещением клина нельзя будет воспользоваться.
В отличие от массивных цельноблочных молотовых штампов на прессах применяются сборные штампы. Штамп монтируется в так называемом пакете, состоящем из двух частей — нижней 1 (рис. 215) и верхней 2. Вставки 3—5 с ручьями устанавливаются в соответствующем гнезде, причем для их крепления применяются клиновые планки 6 и прижимы 7.
Наклонные боковые грани вставок позволяют прижать вставки к местам посадки. Для регулирования положения вставок вдоль фронта пресса и для последующего закрепления их положения применяются болты 8. Регулирование положения вставок перпендикулярно фронту пресса может быть осуществлено клиновыми планками 6. Точность совладения верхних и нижних вставок обеспечивается направляющими ползуна пресса и колонками 9. Две колонки 9 расположены в задней части штампа, они закрепляются внизу стопорными болтами или прессовой посадкой. Верхняя часть штампа имеет соответствующие отверстия и втулки, в которые входят колонки 9, Для удобств демонтажа каждой части штампа колонки могут выходить из втулок при подъеме ползуна пресса в верхнее положение. Однако исходя из условий техники безопасности и для большей стабильности наладки пресса принимают меры, исключающие выход колонок из втулок при работе пресса. Для уменьшения потерь на трение колонки смазываются, для этой цели на втулках предусмотрены канавки.
Прессовые штампы имеют одну-четыре вставки. Для круглых в плане поковок применяются цилиндрические вставки с индивидуальным креплением. Помимо описанного основного способа крепления вставок, иногда применяются и другие — шпоночное, клиновое и стопорным болтом в хвостовик.
376
- Нижняя часть штампа устанавливается на подштамповую плиту и закрепляется на столе пресса, для чего в станине пресса имеются отверстия с нарезкой (см. рис. 214).
Штамповый пакет должен быть изготовлен отдельно для каждого размера пресса, так как в его бортах имеются отверстия для крепления, соответствующие отверстиям (см. рис. 214) в столе
пресса. Собранный нижний штамп опирается на клин 2 и вместе с ним может быть поднят (выше или ниже), для этого необходимо предварительно освободить крепежные болты. После установки пакета последний жестко закрепляется на станине болтами. Положение штампа регулируется с помощью болтов, проходящих через специальный прилив в станине пресса.
Выталкивающие устройства. Возможность применения выталкивателей в штампах кривошипных прессов позволяет применять небольшие штамповочные уклоны. Система, выталкивающая поковку, состоит из толкающих механизмов 10 пресса (самостоятельных для верхней и нижней частей штампа) и выталкивателя штампа, непосредственно удаляющего поковки из ручья.
377
Ниже приведены данные, характеризующие количество отходов, вызываемых штамповочными уклонами, при штамповке поковки диаметром 50 мм и высотой 100 мм в торен, и с разъемом посредине высоты.
Величина уклона в град ...... 0
Объем поковки в ммв 196 350
Отходы в % .... О
1 3 5 7 10
210 500 218 400 233 000 251 000 274 000
7 11,5 19 28 40
Потери металла значительно возрастают с увеличением штамповочных уклонов. Конструкция выталкивающих механизмов
Рис. 216. Различные положения поковок при штамповке:
с — предпочтительно? при штамповке на молотах (без выталкивателя), б — при штамповке па прессах (с выталкивателем)
у прессов не вызывает затруднений, они обладают высокой стойкостью в работе.
Согласно ГОСТ у 7505—55 наибольшие внешние штамповочные уклоны при штамповке с выталкивателями не должны быть больше 3°. Как говорилось выше, сила трения, удерживающая поковку в ручье, зависит, в частности, от коэффициента трения и напряжений сжатия металла, принудительно запрессованного в полость, т. е. от удельной силы при штамповке. Для уменьшения удельной силы повышают температуру штамповки и вводят дополнительные ручьи для более тщательного фасонирования заготовки, уменьшения облоя и замены
деформации выдавливания осадкой при заполнении ручья. Для уменьшения коэффициента трения необходимо полости штампов обработать как можно тщательнее и производить смаз-
ку штампов. Применение смазки не только облегчает удаление поковок из ручьев, но, что еще более важно, улучшает качество поверхности поковок и уменьшает износ штампов в тех местах, относительно которых металл смещается в процессе формообразования.
Наличие выталкивателя позволяет изменить весь технологический процесс, например, заменить сложную поперечную штамповку более простой продольной (торцовой, рис. 216). При отсутствии выталкивателей для уменьшения глубины полости ручья и напусков приходится выбирать плоскость разъема штампа по
378
наибольшему габаритному размеру поковки (рис. 216, «). При наличии выталкивателей в штампе для уменьшения потерь металла на облой можно рекомендовать разъем по наименьшим габаритным размерам поковки (рис. 216, б). Лимитирующим обстоятельством здесь будет высота заготовки, которая не должна быть чрезмерно большой по условиям продольного изгиба. При этом уклоны могут не превышать 3° для верхней поковки и 1° для остальных. Применение продольной штамповки дает следующие преимущества.
1. Уменьшается сложность гравировки основного штампа и изготовления обрезного штампа (токарные работы вместо фрезерных и долбежных).
2. Упрощается форма исходной заготовки.
3. Упрощаются условия штамповки (штамповка в торец).
4. Уменьшается величина отходов на облой (в связи с уменьшением периметра облоя). Возможна экономия металла в напусках от уклонов и вследствие упрощения формы поковки.
5. Облегчается обрезка облоя; конструкция обрезного штампа проще и долговечнее.
6. Уменьшается опасность получения брака по сдвигу и пе-заполнению углов.
7. Возрастает стойкость основного штампа.
8. Повышается качество изделий из-за более правильного расположения волокон и большей равномерности деформации.
При расположении плоскости разъема перпендикулярно оси поковки можно выполнять глубокие выемки со стороны торцовой поверхности поковок (верхняя поковка на рис. 216, б). Это важно для получения волокон стали определенного направления и улучшения условий последующей калибровки поковок с целью повышения точности их размеров. Если для указанных выемок предельный диаметр полости у молотовых штампов составляет 30 мм, то у прессов он равен 20 мм.
Кривошипный пресс можно использовать и без выталкивателей, если при минимальном угле уклона поковка свободно освобождается из ручья. Чаще всего это наблюдается для неглубоких и широких полостей штампа. Если при штамповке удается использовать естественные уклоны или овалы, то применение выталкивателей не обязательно.
Конструкция выталкивателей штампа зависит от формы поковки и способа штамповки. При продольной штамповке выталкиватель упирается либо в торец поковки, либо в пленку. Для поковок с отверстием может быть выталкивание с упором в кольцевую поверхность торца поковки. При поперечной штамповке упор может быть в головку, в стержень поковки и даже в облой. Если применяется упор выталкивателя в пленку, то стержень выталкивателя может быть внутри знака (рис. 217, а) или заменять деталь штампа (рис. 217, б); штамповочный .уклон ссп в послед-
379
нем случае должен быть больше, чем уклон а^, это обеспечивает свободное снятие поковки с выталкивателя, у которого уклон должен быть равен 5—7°.
Если применение выталкивателя необходимо в нескольких местах поковки большой длины (чтобы избежать ее искривления)
Рнс. 217. Варианты выхода стержня выталкивателя к телу поковки
или в нескольких ручьях, то используют конструктивное решение, показанное на рис. 218, а. Толкатель 7 пресса надавливает на два шарнирных рычагаЗ (ось шарнира 3), которые поднимают планку 4 с опирающимися на нее тремя стержнями 5 выталкивателя штампа. Другой вариант подобного решения дан на рис. 215 (см. позицию 10).
Для преодоления сил трения, удерживающих поковку в ручье, необходимо сдвинуть ее на ничтожно малое расстояние, при этом соотношение плеч рычагов выталкивателя (рис. 218, б) подбирают в соответствии с необходимой силой
Рис. 218. Рычажный выталкиватель
Для того чтобы представить различные возможности при конструировании выталкивателей, рассмотрим конструкцию штампов с нижним и верхним выталкивателями для поковки шестерни (рис. 219). Вдоль оси нижней вставки 1 чистового ручья имеется отверстие, равное диаметру ступицы поковки. Через это отверстие проходит выталкиватель 2, верхняя часть которого является 380
Рнс. 219- Штамп для штамповки шестерни с нижним стержневым и верхним кольцевым выталкивателями
элементом ручья (знаком). Нижний выталкиватель 2 упирается в опорный диск 3, который находится в выточке башмака пакета. В полости верхней вставки 4 размещен стержень 5 со знаком, формующим полость поковки и не перемещающимся относительно верхней вставки. Выталкиватель 6 верхней вставки имеет форму кольца с заплечиками, на которые через пробку 7 и пальцы 8 надавливает верхний толкатель пресса (на рис. 219 эта деталь не показана).
Для поковок со стержнями и вообще для поковок, штампуемых в очень глубоких полостях, применяют пневматические выталкивающие механизмы вместо обычных рычажных, которыми оборудованы кривошипные прессы.
Ручьи прессовых штампов. На кривошипных прессах применяются открытые и закрытые штампы. Конструктивное оформление чистовых ручьев открытых штампов во многом совпадает с их оформлением при штамповке на молотах. Отличия носят
количественный характер, поскольку размеры уклонов ручьев и облойной канавки определяются иными зависимостями.
Ручьи закрытых прессовых и молотовых штампов имеют более существенные отличия, так как при штамповке на кривошипных прессах требования к точности дозировки заготовок из-за опасности перегрузки прессов более жесткие, чем при штамповке на молотах. В связи с этим в прессовых штампах получают применение специальные компенсаторы в виде дополнительных выемок в полости штампа, устраняющие вредное влияние больших колебаний в объеме заготовок. Соответствующие штампы рассмотрены ниже (см. рис. 229).
Размеры облойных канавок открытых штампов прессов, приведенные в табл. 43, изменяются в зависимости от степени подготовки заготовки до поступления ее в окончательный ручей глубиной hn (рис. 220).
При штамповке на прессе размер h не должен быть меньше упругой деформации пресса, величина которой зависит от усилия, развиваемого в каждом отдельном случае прессом. При определенной величине h и прочих равных условиях сопротивление деформации металла в окончательном ручье определяется шириной b 381
Таблица 43
Размеры облойных канавок штампов кривошипных прессов (97J
Усилие пресса Размеры в мк
в кн в т h h' b hM Ri
6 170 630 1—1,5 0,6 -1,0 4—5 5 15 0,5
9 800 1000 1.5—2.0 1,0-1.5 4—6 6 15 1.0
15 680 1600 2.0—2,5 1,2—1,6 5—6 6 20 1,5
19 600 2000 2,5—3,0 1.4—1,8 6 6-8 20 2.0
24 500 2500 2,5—3,0 1.6—2,0 6 6—8 20 3,0
30 870— 3150—4000 3,5—4,0 2,0—2,5 6-8 8 25 3.5
39 200
порога, облойной канавки. Чем больше величина Ь, тем больше
сопротивление металла деформации.
Для обеспечения вытекания облоя в течение одного рабочего хода пресса необходимо, чтобы размер h перемычки канавки был
Рис. 220. Облойные канавки штампов
кривошипных прессов:
Г — форма, нашедшая наибольшее применение, Ч — применяется для уменьшения объема механической обработки, III — применяется при большом объеме облоя; IV — применяется при небольшом объеме облоя
примерно в 2 раза больше этого же размера канавки у молотового штампа. Так, например, при штамповке небольших поковок в молотовом штампе h =- 0,6 ч-1,5 мм, при штамповке аналогичных поковок на эквивалентном прессе h = 1,5 -ь 2,5 мм. Однако за счет более тщательного фасонирования заготовок (по сравнению с молотовой штамповкой) на прессах штампуют с меньшим фактическим объемом облоя.
Выбор плоскости разъема штампов при штамповке на кривошипных прессах подчи-
нен тем же условиям, что и при штамповке на молотах (см. рис. 161), однако при наличии выталкивателей используют разъем ближе к
торцу поковки, так как это не вызывает значительного увеличения напусков, но затрудняет образование большого объема облоя.
При штамповке на прессах нужно, чтобы воздух выходил из глубоких полостей штампа через специальные выводные отверстия. Чтобы избежать затекания металла в эта отверстия, диаметр их не должен превышать 2—3 мм.
382
Величина штамповочных уклонов, как уже было сказано выше, при наличии выталкивателей сокращается. Уклоны, равные 1—-3°, вызывают значительно меньшие потери металла в напуски, чем при штамповке на молотах с уклонами 5—7°. Радиусы закруглений в штампах выбираются исходя из тех же соображений, что и при использовании молотовых штампов (см. рис. 171).
Подготовительные ручьи. Продольная и поперечная штамповка осуществляется при использовании различных подготовительных ручьев. Чтобы обеспечить высокую производительность,
Рис. 221. Типы подготовительных ручьев при штамповке в торец (ручьи а—з расположены в порядке возрастания степени фасонировки для различных типов поковок) [109]
в прессовом штампе должно быть не более двух-трех ручьев Поэтому при использовании кривошипных прессов не применяют сложного фасонирования, а применяют с этой целью специализированные методы подготовки заготовок, особенно при поперечной штамповке длинноосных поковок (см. § 1 гл. VII). При продольной штамповке на прессе (штамповке в торец) технологический процесс включает полузакрытую осадку или осадку с образованием глухих наметок (рис. 221), штамповку в черновом ручье (только для поковок сложной формы) и чистовую штамповку. При штамповке на кривошипных прессах технологический процесс более сложный, чем при штамповке па молотах, это объясняется относительно большей степенью фасонирования заготовок. По этой причине свободная осадка как подготовительная операция нецелесообразна и редко применяется.
Кроме указанных выше подготовительных ручьев в прессовых штампах, широко применяются ручьи для выдавливания металла Поперечная штамповка сопровождается значительным перераспределением металла вдоль оси заготовки. У молотовых штампов эту задачу обычно выполняют протяжной и подкатной подготовитель-383
ные ручьи, в которых деформация происходит за несколько ударов переменной силы. При штамповке на прессе каждая подкатка или протяжка в одном ручье могут быть совершены лишь ходами пресса одинаковой величины. В более сложных случаях потребовалось бы вместо одного протяжного или подкатного ручья несколько таких ручьев, так как ход у пресса в процессе штамповки постоянный. Поскольку более четырех ручьев (включая и чистовой) в прессовых штампах применять не целесообразно из-за низкой производительности и громоздкости сборного инструмента, протяжку и подкатку на прессах обычно не применяют. Вместо этих операций используют прокатку периодического профиля или подготовку фасонных заготовок на ковочных вальцах, устанавливаемых обычно вблизи пресса. По условиям прокатного производства штамповка заготовок периодического профиля экономически выгодна в массовом и крупносерийном производствах поковок; штамповка вальцованных заготовок — при средней серийности производства поковок. В настоящее время прокат периодического профиля находит все большее применение; например, на автомобильных заводах штампуют поковки балки передней оси автомобиля, шатуны и многие другие детали. Следует заметить, что прокатка и вальцовка фасонных заготовок сопровождается большей равномерностью деформации, чем протяжка и подкатка фасонных заготовок в штампах.
Для длинноосных поковок, штампуемых на прессах поперек оси заготовки, применяют следующие ручьи: а) пережимной, в котором за одни ход пресса высота заготовки уменьшается, поперечные размеры увеличиваются, незначительно увеличивается длина и происходит некоторое фасонирование за счет небольшого перераспределения металла вдоль оси; 6) формовочный — для фасонирования несимметричных поковок. В этих ручьях деформация заготовки может быть совершена за один ход пресса; указанные ручьи не отличаются от им подобных при штамповке на молотах. Прессовые штампы для поперечной штамповки имеют ручьи для черновой штамповки; в отличие от молотовых штампов они могут иметь не один, а даже два черновых ручья. Расчет и построение указанных подготовительных ручьев производятся так же, как и при штамповке на молотах с указанными изменениями в отношении уклонов, облойных канавок и степени фасонирования заготовок.
Ниже рассмотрены примеры переходов при штамповке на кривошипных прессах.
При отсутствии на поковке высоких и тонких ребер штамповка в торец возможна в окончательном ручье после однократной осадки, сопровождающейся, как правило, фасонированием для облегчения заполнения ручья при меньшем (чем при молотовой штамповке) облое. Если в процессе нагрева металла не приняты меры по предотвращению окалинообразования, то перед штамповкой за-384
готовка должна быть тщательно очищена от окалины, чтобы избежать ее заштамповки в тело поковки.
Штамповка поковки с двумя полостями на прессе в открытом штампе происходит следующим образом (рис. 222). После полу
Рис. 222. Переходы при
штамповке поковок втулки на кривошипном прессе в открытом штампе
Рис. 223. Штамповка поковок шестерни в закрытом штампе
закрытой осадки (рис. 222, а) с ограничением течения металла вблизи торцов заготовки (для лучшего распределения металла в остальных ручьях) она передается во второй подготовительный ручей Чрис. 222, б), где образуется наметка верхней полости поковки, а затем в окончательный ручей (рис. 222, в).
При штамповке поковок для шестерни за три перехода в закрытом штампе (рис. 223) должны применяться заготовки с повышенной точностью по объему. После штамповки в первом осадочном ручье, в котором образуется фиксирующая полость, заготовка поворачивается на 180° и переносится во второй подготовительный ручей. Для последующей чистовой штамповки образование полости и пережим диска шестерни производится инструментом скругленной формы; по периферии заготовка может свободно деформироваться и принимать естественную бочкообразную форму.
Окончательная штамповка происходит в чистовом закрытом ручье, поэтому венец шестерни имеет односторонний уклон (под углом 3°).
Вариант поперечной штамповки применительно к среднесерийному производству представлен совместной штамповкой двух шатунов в открытом штампе (рис. 224); шатуны расположены рядом одинаковыми головками в разные стороны (валетом). Процесс штамповки начинается с пережима заготовки прямоуголь-25 Я. М. Охрименко 597 385
кого сечения выпуклым бойком под углом примерно 120° к продольной оси квадратной заготовки. При этом недеформированные части заготовки смещаются относительно продольной оси заготовки и обеспечивают некоторое начальное перераспределение металла.
В черновом, а затем в чистовом ручьях поковки шатунов окончательно оформляются. При удалении облоя оставляют небольшие перемычки, которые позволяют упростить обрезной инструмент; соединенные между собой шатуны попарно калибруются, что увеличивает про-
Рис. 224. Переходы при штам- Рис. 225. Переходы при штамповке шатунов повке одновременно двух шату- из заготовок периодического профиля: нов ИЗ прокатной заготовки про- л _ заготовка получена прододьной 1[рокаткой;
СТОГс профиля. £> — заготовка получена поперечной прокаткой
/ — пережатая заготовка; 2 — черновая; 3 — чистовая и 4 — обре-
заниая поковки изводи тельность этой операции. Пе-
ремычки удаляют только перед механической обработкой. Шатуны, соединенные перемычками, представляют собой более жесткую систему и не нуждаются в последующей правке. Преимущество такого технологического варианта становится очевидным при сопоставлении эпюр диаметров для одиночной и сдвоенной валетом фигур поковок.
На рис. 225 приведены переходы при крупносерийной штамповке шатунов из проката периодического профиля, полученного продольной А и поперечной Б прокаткой.
При использовании заготовок, полученных специализированными методами фасонирования, отпадает необходимость в экономически невыгодных малопроизводительных процессах фасонирования на основном оборудовании. При использовании специализированных методов фасонирования и, в частности, проката 386
Рис. 226. Переходы /, II и III при штамповке поворотных кулаков автомобиля из мерной заготовки (/), отфасонирован-ной (2) на ковочных вальцах
периодических профилей производительность работы возрастает в 2—2,5 раза 19 J. Производство поковок из проката периодического профиля, получаемого методом продольной прокатки (с образованием и удалением облоя в прокатных цехах), обходится дороже производства поковок из обычного проката. Поэтому указанный прокат применяют только в тех случаях, когда в крупносерийном или массовом производствах поковок нет возможности или экономически нецелесообразно применять установки для поперечной прокатки фасонных заготовок. Эти установки малогабаритны и могут быть расположены непосредственно в кузнечных цехах. При среднесерийном производстве фасонирование, как уже указывалось, осуществляют на ковочных вальцах, устанавливаемых вблизи пресса. В этом случае появляется возможность фасонировать и штамповать заготовки с одного нагрева.
На рис. 226 приведены переходы для спаренной штамповки поковок поворотных кулаков автомобиля из квадратной заготовки (/), отфасонированиой (2) на ковочных вальцах. Сложная форма поковок при объединении двух поковок в одну немного упрощена для совместной штамповки, которая осуществляется за три перехода (формовочный I, черно-
вой Пи чистовой IH). Этот технологический процесс обеспечивает производительность 250 поковок в час вместо 70—90 поковок в час при раздельной штамповке кулаков на молотах.
Более сложен технологический процесс штамповки поковок кривошипа передней подвески автомобиля (рис. 227), форма которых характеризуется двойным углом изгиба. Для того чтобы получить профиль заготовки, соответствующий эпюре диаметров, которая строится для поковки в распрямленном состоянии, 25* 387
Заготовка
Рис. 227. Переходы при штамповке кривошипа передней подвески автомобиля из заготовки, отфасонированной в штампах горизонтально-ковочных машин (ГКМ)
используется специализированное фасонирование заготовки вначале на ковочных вальцах (оттяжка конца), а затем с того же нагрева на горизонтально-ковочной машине (высаживается бобышка диаметром 65 jwjh).
Первый переход при штамповке на прессе усилием 24 500 кн (2500 т) происходит в гибочно-формовочном ручье, в котором, кроме двойного изгиба, заготовка получает форму, имеющую некоторое приближение к форме поковки; стержневые части заготовки из круглых превращаются в эллиптические (в сечении). Второй переход осуществляется в черновом, а третий — в чистовом ручьях; после этого следует горячая обрезка облоя [на прессе усилием 1960 кн (200 иг]. Нагрев заготовки осуществляется в индукционном нагревателе. Поскольку это происходит после высадки, то нагрев фасонной заготовки требует индуктора специальной формы, обеспечивающего различный подвод тепла к более толстым и тонким участкам заготовки.
При штамповке небольших поковок относительный объем облоя очень большой, поэтому, используя принцип смежного расположения поковок для совместной штамповки, приходят к экономически целесообразной
многоштучной штамповке с общим периферийным облоем (рис. 228). При таком способе штамповки, кроме того, увеличивается производительность, хотя штамповка происходит на более тихоходном (более мощном) прессе, чем раздельная штамповка мелких заготовок.
Штамповка на кривошипных прессах в закрытых штампах заготовок недостаточной точности по массе сопровождается перегрузкой и заклиниванием прессов, а также снижением стойкости штампов. Чтобы предотвратить это (в тех случаях, когда нет возможности повысить точность заготовок), используют штампы с компенсаторами. Принцип компенсации неточности объема заготовок состоит в том, что переменный излишек металла, характеризующий недостаточную точность объема отдельных заготовок, вытесняется при штамповке в дополнительную полость или от-3«8
верстие в ручье и затем удаляется. Требования, предъявляемые к компенсаторам, сводятся к тому, чтобы металл вытеснялся в него после заполнения углов ручья, причем удаление выдавленного в компенсатор металла должно быть относительно простым. Лучше всего, если это удается выполнить в процессе изготовления поковки. Менее эффективно, если этот металл удаляется на станках при изготовлении деталей из поковок. Если же его приходится удалять обточкой по сложному контуру поковки, то конструкция компенсатора считается неудачной. На рис. 229 приве-
Рис. 228. Многоштучная штамповка коромысла клапана
дены схемы четырех типов компенсаторов и их разновидностей в зависимости от формы поковок. Эти компенсационные устройства предусматривают свободное истечение избыточного металла заготовки за пределы ручья. Металл, компенсирующий переменный в каждой мерной заготовке избыточный объем, на рис. 229 зачернен. Существуют следующие типы компенсаторов. Тип I — торцовые компенсаторы, при которых избыточный объем металла получается в виде конического или цилиндрического отростка (рис. 229, а) или кольцевого наплыва у дна полости (рис. 229, б). Тип II — внутренний компенсатор (рис. 230, в), обеспечивающий удаление избыточного объема в карман увеличенного объема, в котором расположена перемычка (пленка), образованная в предыдущем подготовительном ручье. Этот тип компенсаторов появился раньше других и получил наибольшее распространение так как позволяет удалить компенсированный металл вместе с пленкой при просечке поковки. Тип III — кольцевые компенсаторы, расположенные между матрицей и пуансоном (рис. 229, г), и внутренний (рис. 229, д) — широко применяется в отдельных странах (в частности, во Франции), но менее рационален, так как требует обточки, а не отрезки компенсированного металла. Тип IV — наружный кольце-389
вой компенсатор облойного типа более сложен в эксплуатации, так как требует приспособлений для предварительной, перед штамповкой, жесткой посадки фиксирующей обоймы 3 (рис. 229, ё). Течение металла в такой компенсатор аналогично образованию облоя в открытых штампах; разница состоит в том, что высота щели компенсатора постоянна в течение всего периода штамповки. При использовании штампов с фиксирующей обоймой па прессах двойного действия (типа вытяжных листоштамповочных) при-
Рис. 229. Схемы штампов с различного типа компенсаторами, применяемыми в закрытых штампах кривошипных прессов:
1 — нижний выталкиватель, 2 — верхний выталкиватель. 3 — фиксирующая обойма
менение указанного компенсатора не встречает затруднений. Для применения его на обычных прессах необходимо особое устройство штампа (см. рис. 239 и 279, е). Этот штамп можно рассматривать состоящим из матрицы и пуансона и имеющим двойной разъем. В данном случае один разъем штампа проходит по компенсатору, причем нижняя часть штампа и фиксирующая обойма, находящаяся на верхней части штампа, являются матрицей; остальная часть верхнего штампа представляет собой пуансон, входящий в полость матрицы и обеспечивающий деформацию металла.
Преимущества и недостатки каждого типа компенсаторов различны и зависят от конфигурации поковок и вида предварительного фасонирования заготовок. Наиболее рационально, чтобы компенсатор примыкал либо к зоне затрудненной деформации (на участке прилипания), либо к глухой части полости, где металл течет с пре-390
одолением контактных сил трения на боковой поверхности полости. Более точное положение компенсатора можно определить При построении сеток линий скольжения. При этом компенсатор
Рис. 230. Переходы при штамповке шестерни в закрытом штампе с внутренним компенсатором
должен примыкать к любой жесткой области металла (область пластического равновесия) и по возможности быть удаленным от
пластической зоны.
На рис. 230 приведены технологические переходы при штамповке поковки шестерен с внутренней компенсацией избыточного металла заготовки.
Если вытекание металла в компенсатор невозможно обеспечить после того, как заполняется полость штампа, то применяют противодавление (рис. 231). При этом верхний или нижний выталкиватели не представляют собой жестких упоров, а монтируются в виде пружинящей системы. Штампы с противодавлением могут применяться при всех типах выталкивателей (рычажных, гидравлических и пневматических) и для всех разновидностей поковок, выталкиваемых с упором в тело поковки.
На рис. 232 приведен трехручьевой
Рис. 231. Схема закрытого штампа с применением противодавления при штамповке стержневой поковки
штамп с кольцевым верхним выталкивателем, объединенным с системой противодавления, обеспечиваемой группой тарельчатых пружин. В первом переходе осуществляется фасонирование заготовки с образованием
фиксирующей полости. Затем заготовку поворачивают на 180° и устанавливают на нижний знак чистового ручья (второй пере-
ход). В третьем — просечном ручье от поковки отделяется пленка. Поковка с просечного пуансона в третьем ручье снимается пружинным съемником. Пленка, отделенная от поковки, по наклон-
391
ному каналу удаляется вправо за пределы штампа. В чистовом ручье система противодавления связана с механизмом верхнего выталкивателя. Кольцо 1, выталкивающее поковку, упирается в концы стержней 2 (в данном случае их четыре), которые другими своими концами упираются в пластину 3 выталкивателя. Пластина 3 находится в выемке муфты 4, заплечики которой нажимают на тарельчатые пружины 5 системы противодавления.
Рис. 232. Закрытый штамп с рычажным верхним выталкивателем и пружинной системой противодавления (на рисунке показано положение в конце рабочего хода). Условно все ручьи I, И, III заполнены металлом (штриховка сеткой)
В некоторый момент процесса штамповки (поковка заштрихована сеткой) металл входит в кольцевую полость ручья и упирается в кольцо толкателя. В дальнейшем металл может выдавливаться в кольцевую полость только после преодоления сопротивления сжатия пружин. Это дополнительное сопротивление выдавливанию металла обеспечивает заполнение ручья; лишь только после этого избыток металла заготовки выдавливается, сжимая пружины соответственно объему излишка металла данной заготовки.
При обратном ходе ползуна пресса пружины через механизм выталкивателя преодолевают силу, удерживающую поковку в ручье, и поковка освобождается. Большие естественные уклоны нижней части поковки способствуют свободному ее отрыву от нижнего знака ручья; выталкиватель здесь не нужен.
Противодавление в закрытых штампах применяется для увеличения сопротивления вытеснению металла в компенсаторы при 392
чрезмерно большой утечке металла из ручья. Эго сопровождается незаполненном полости (см. а, рис. 231), особенно при штамповке поковок сложной конфигурации. Противодавление может быть использовано для «подпора» заготовки из малопластичного металла, ужесточающего всестороннее сжатие металла, что дает возможность штамповать даже такие хрупкие сплавы, как чугун и т. п.
Рис. 233. Штамп кривошипного пресса с двумя разъемами:
1 — фасонировочный ручей; 2 и 5 — нижняя и верхняя части матрицы: 4 — прижимные устройства, 5 — пуансон
При штамповке на кривошипных прессах можно применять штампы с двумя поверхностями разъема. Такие штампы используются для поковок сложной формы, например, типа крестовин (рис. 233).
Для выдавливания металла в четыре отростка крестовины фасонную заготовку, полученную в ручье 1, помещают в нижнюю часть 2 матрицы, укрепленную в нижней части пакета штампа. Часть матрицы, находящаяся в верхней части пакета, перемещается с помощью пружинных прижимных устройств 4 по поверхности пуансона 5, закрепленного неподвижно относительно верхней части штампа. При движении ползуна пресса вниз верхняя часть матрицы 3 также движется вниз до соприкосновения с нижней частью матрицы 2. При этом фасонная заготовка оказывается в цилиндрической части полости. При дальнейшем движении ползуна пресса пуансон 5 входит в соприкосновение с заготовкой и выдавливает в горизонтальном направлении (боковое выдавливание) все четыре отростка крестовины. Избыточный металл 393
заготовки вытекает в компенсатор, выполненный в виде кольцевой щели и размещенный по периметру поковки (см. рис. 229, ё). Штамповка на кривошипных прессах позволяет увеличить точность формы поковок (рис. 234), например, по сравнению с молотовой штамповкой. Поковка, отштампованная на прессе, во
многих случаях может быть обработана не по всей поверхности. При штамповке на прессах затрачивается меньше энергии (рис. 235). Для сравнения штамповки одной и той же поковки в открытых штампах были выбраны тихоходный пресс .усилием 1000 « (100 tri) и молот двойного действия с
w -588-546-510-458-429-392-351 массой падающих частей 300 «г. Усилия измерялись масдозой и записывались на осциллографе. Кривая 1 характеризует
Рис. 234. Сравнение поковки, отштампованной на молоте (левам половина) и на кривошипном прессе (правая половина)
2?3 234 196 156
т 78
39 О
т
ВО 56
52 48
44 40
?зг £
28
- 24 20
16 12
- 8
4 0
бОмн
Очередность ударов
20 I 10
ЛеФормаиая ।
Ю~1 1.
Деформация — 0.0074 —от—/--*. арене ijOiiiiu 0,00259сек
Рис. 235. Сопоставление экспериментальных кривых изменения усилия на деформацию при штамповке на молоте (за 4 удара) и на прессе (за 1 ход)
изменение усилия и соответствует экспериментальным данным при значительном понижении температуры металла в условиях штамповки на тихоходном прессе. Кривая 2 соответствует меньшему падению температуры металла при штамповке на прессах нормальной быстроходности. Остальные кривые относятся к штамповке на молоте. Если судить по величине площади, ограниченной кривыми, относящимися к штамповке на молоте (за 4 удара) и площади, ограниченной кривой, относящейся к штамповке на прессе (за 1 ход), то работа деформации в последнем случае меньше в — 2 раза.
Штамповка на фрикционных прессах. Свободный ход фрикционных прессов, так же как и у молотов, позволяет деформировать 394
Таблица 44
Примерная конфигурация штампованных нековок, входящих в данную группу
Характеристика группы
Штампованные поковки стержневые с утолщением на одном конце, изготовляемые методом высадки
Полые штампованные поковки, изготовляемые методом выдавливания и раздачи
III
Штампованные поковки простой формы, получаемые в открытых штампах
IV
Штампованные поковки с отростками, буртами и полостями, изготовляемые в закрытых штампах с разъемными матрицами
Штампованные поковки, изготовляемые в открытых гибочных штампах
395
металл в каждом ручье штампов за несколько ударов. Достигаемая при этом дробная деформация может быть в сумме даже большей, чем деформация кривошипного пресса, по усилию одинакового с фрикционным. С другой стороны, фрикционные прессы не могут развить ту же энергию, что и молоты с одинаковой массой падающих частей, так как скорость удара фрикционных прессов примерно в 2 раза меньше, чем молотов (3—4 м!сек вместо 5—7 лМсек), а энергия удара, как известно, пропорциональна квадрату скорости. Фрикционные прессы характеризуются не массой падающих частей, а силой давления на металл.
Так как фрикционные прессы для горячей штамповки относятся к группе машин средней мощности [самые крупные из них имеют усилие < 9800 кн (——1000 т) ] и не могут работать с большим эксцентрицитетом нагрузок, то их наиболее целесообразно применять для штамповки мелких и средних поковок типа тел вращения и им подобных. Наибольшее распространение нашла продольная штамповка в открытых штампах, но применяется поперечная штамповка, гибка, штамповка в закрытых, в том числе в разъемных штампах, а также в штампах для выдавливания, раздачи и т. п. Некоторые типовые формы поковок, штампуемых на фрикционных прессах, приведены в табл. 44. Наличие большого рабочего хода у этих прессов позволяет штамповать поковки относительно большой высоты.
Возможность использования нижнего выталкивателя значительно расширяет номенклатуру штампуемых изделий и позволяет работать с небольшими штамповочными уклонами, а в разъемных матрицах — даже без уклонов для полостей, попадающих в плоскость разъема. Фрикционные прессы могут быть применены и в качестве оборудования для правки поковок.
Конструкции штампов фрикционных прессов очень разнообразны, в какой-то степени схожи с молотовыми цельноблочными штампами и имеют много общего со сборными прессовыми колоночными штампами со вставками.
На рис. 236 приведен штамп с призматическими вставками 1 и 2 и клиновым их креплением 3 и 4, а также с диагонально расположенными колонками 5 и 6. Этот штамп может быть использован для изготовления поковок разнообразной формы. Ниже приведены габаритные размеры указанных штампов.
Усилие пресса в мм ЬШТ в кк Масса в кг
Е кн в т
2500 250 344 500 500 424
4000 400 410 630 560 770
6300 630 430 710 630 1081
395
На рис. 237 показан составной штамп фрикционного пресса для безоблойной штамповки осесимметричной поковки с глухой полостью. Пуансон 1 клиновыми разъемными колодками 2 и кольцом 3 укрепляется на верхней плите штампа. Аналогично крепится на нижней плите штампа матрица 4. Матрица опирается на подкладку 5, охлаждаемую водой через впускной штуцер 7 и выпуск
Рис. 236. Штамп (с призматическими вставками) фрикционного пресса
Рис. 237. Составной закрытый штамп (с круглыми вставками и внутренним охлаждением) фрикционного пресса
ной штуцер 8. Эта система охлаждения штампов обеспечивает их высокую стойкость в условиях напряженного режима работы. Конструкция штампов, имеющих нижний выталкиватель 6, ближе к прессовым штампам. На фрикционных прессах применяются также штампы с двумя плоскостями разъема (рис. 238). Производительность работы на таком штампе небольшая из-за сложности сборки и разборки, производимых после штамповки каждой поковки.
Для точной штамповки на фрикционных прессах используются те же средства, что и для штамповки на других прессах. На рис. 239 показан штамп для горячего выдавливания сложной поковки из предварительно отфасонированной заготовки. Процесс осущест
397
вляется по схеме, при которой используется кольцевой компенсатор (см. рис. 229, е). При опускании верхнего штампа 2 обойма / достигает своего нижнего положения и приходит в соприкосновение с нижним штампом 3 еще до конца рабочего хода. При этом скосы на обойме упруго раздвигают стопоры-съемники 4, которые удерживают обойму 1 в процессе штамповки в положении, показанном на рис. 239. В части рабочего хода, равной ЛЯ, происходит выдавливание поковки из заранее отфасонированной заготовки (фланец со стержнями по обеим его сторонам). Избыток металла
Рис. 239. Штамп с кольцевым компенсатором для выдавливания сложной поковки
Рис. 238. Закрытый штамп (с разъемной матрицей) фрикционного пресса:
1 — разъемная матрица; 2 — пуан-сои; 3 — обойма, 4 — иыталкива-тель матрицы, 5 — поковка
поступает в кольцевой компенсатор, напоминающий облойную щель, но отличающийся от нее тем, что имеет постоянную высоту в течение всего периода деформации металла в ручье.
На обратном ходу стопоры-съемники 4 удерживают в неподвижном состоянии обойму 1 и поковку, при этом штамп 2 поднимается на величину ДА/. Поковка отделяется от стенок полости верхнего штампа, затем обойма 1 увлекается штампом 2 вверх, причем стопоры-съемники 4 упруго раздвигаются. Поковка, оставшаяся в полости нижнего штампа, снимается клещами и передается к обрезному прессу.
§ Б. ОБРЕЗНЫЕ И ПРОСЕЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ
Появляющийся при штамповке в открытых штампах на молотах и прессах облой удаляют обычно в обрезных штампах на кривошипных прессах. При штамповке поковок деталей с отверстиями получаются пленки, удаляемые одновременно с обрезкой облоя или раздельно (последовательно).
398
Рабочий инструмент и схема процесса обрезки. Схемы обрезки облоя и удаления пленок приводятся на рис. 240. Применяемые в обоих случаях штампы состоят из пуансона I и матрицы 2, причем каждый штамп обычно имеет только по одной режущей кромке с. Инструмент для удаления облоя имеет режущую кромку на матрице, а для удаления пленки — на пуансоне. Место среза па поковке прилегает непосредственно к режущим кромкам соответствующей части инструмента. Части штампов, не имеющие режущих кромок, выполняют роль толкающих или опорных деталей и получают форму в соответствии с конфигурацией поковок по месту соприкосновения с ними.
Рис. 240. Схемы обрезки заусенцев (с) и удаления пленок (б) с поковок
На практике используют горячую и холодную обрезку. Горячая обрезка осуществляется непосредственно после штамповки на прессе, входящем в состав штамповочного агрегата. Это приводит к экономии энергии, расходуемой на обрезку. Хотя усилие при горячей обрезке в 5—6 раз меньше усилия при холодной обрезке, все же этот способ имеет недостатки, связанные с менее рациональным использованием площади основного цеха, тогда как при холодной обрезке обрезные прессы можно установить в другом, вспомогательном помещении батарейным способом.
Значение операции обрезки в технологическом процессе неодинаково при штамповке на молотах и прессах.
Штамповка за несколько ударов в каждом из ручьев на молоте требует в 2—3 раза больше времени, чем обрезка облоя за один ход на кривошипном обрезном прессе, поэтому последний обычно используется непроизводительно (на 40—50%). При штамповке в многоручьевых штампах на прессах более быстроходных, чем обрезные, узким местом иногда становятся обрезные прессы, поскольку время, необходимое на обрезку облоя и просечку пленки, в отдельных случаях больше времени, необходимого для штамповки. Горячая обрезка необходима при штамповке поковок из легированных и высокоуглеродистых сталей, для того чтобы предотвратить появление трещин на поковках при холодной обрезке. Поковки с большой площадью среза целесообразно обрезать
399
Рис. 241. Конструкция и крепление простейшего обрезного штампа
в горячем состоянии, чтобы не устанавливать обрезные прессы очень большой мощности. Поковки небольших размеров, но тонкие подвержены короблению при горячей обрезке и поэтому подлежат холодной обрезке, которая в таких случаях не требует больших усилий и обычно не сопровождается последующей правкой поковок.
При холодной обрезке можно использовать линии (батареи) прессов, расположенных в невысоких помещениях. Производительность при холодной обрезке на таких линиях прессов значительно выше, чем при горячей; прессы используются более рационально, в связи с чем общее количество обрезных прессов в цехе уменьшается. При холодной обрезке коробление поковок незначительно, подгонка обрезного инструмента проще, чем при горячей обрезке. Для уменьшения усилия холодной обрезки ее можно производить после первичной термической обработки поковок (отжига). Однако термическая обработка поковок, не подвергнутых обрезке, обходится дороже из-за снижения производительности термических печей.
Конструкция простейшего обрезного штампа (рис. 241) следующая. Пуансон 1, закрепленный клином в ползуне пресса, и матрица 2, закрепленная клином в башмаке 3, составляют обрезной инструмент. Крепление башмака к столу 4 пресса производится с помощью накладок (прихватов) 5 и болтов 6, головки которых проходят в пазах стола 4 пресса. Пазы имеют Т-образную форму и в данном случае пересекают стол пресса по диагонали. В некоторых конструкциях прессов эти пазы пересекаются под прямым углом и параллельны сторонам стола. Башмак 3 имеет выгребное а и провальное окна, последнее совпадает с рабочим отверстием в матрице 2. Для обрезки поковку устанавливают так, чтобы она опиралась на матрицу облоем, который после обрезки остается на кромке матрицы, а поковка проваливается и вынимается через окно а.
Если стол пресса имеет отверстие, то применяются низкие башмаки с провальным окном. Обрезанные поковки проваливаются под стол пресса па транспортер или в ящик.
Матрицы. Обрезные матрицы бывают цельными или составными, что определяется в основном условиями их изготовления, 400
восстановления и термической обработки (рис. 242). Составные матрицы применяют для обрезки крупных поковок независимо от их формы (рис. 242, а) и для поковок сложной конфигурации в плоскости обрезки независимо от их размера (рис. 242, б). Цельные матрицы (рис. 242, в) применяют преимущественно для мелких и средних по размеру поковок типа тел вращения.
Рис. 242. Типы обрезных матриц:
I — отверстия для прижимных и 2 — для упорных болтов
При изготовлении составных матриц отковка и фрезерование их частей значительно упрощаются. Рабочую часть сплошных матриц с круглым отверстием подвергают токарной обработке. На рис. 243 представлены формы режущих кромок К матриц. Режу-
щая кромка, выполненная под углом 90°—(ЗО'-е-1°), применяется у составных матриц (рис. 243, а). Цельные матрицы (рис. 243, б) имеют режущую кромку под прямым углом, но провальное отверстие и в этом случае имеет уклон, исключающий возможность застревания поковки в матрице после обрезки облоя. Возвышение, имеющееся на верхнем обрезе матриц, обеспечивает плотное
26 Я. М. Охрименко 597 401
прилеганиеоблоя к матрице, даже если облой был несколько искривлен при передаче поковок от места штамповки к месту обрезки. При наличии этого возвышения шлифование режущей кромки значительно упрощается.
Износ матрицы заключается в затуплении их режущих кромок. Для увеличения срока службы матриц их режущие кромки восстанавливают. В промышленности для восстановления обрезного инструмента применяются обработка резанием, наплавка слоя металла с последующим восстановлением формы режущей кромки обработкой резанием или абразивной обработкой. По первому Способу для восстановления составной матрицы (рис. 243, а) при затуплении режущей кромки К. можно снять слой металла толщиной а вдоль всей конической поверхности провального отверстия матрицы. Для того чтобы размеры отверстия матрицы не изменялись, необходимо также снять слой металла толщиной а с каждой части матрицы в месте их стыка. При использовании сплошной матрицы (рис. 243, 6) в случае затупления режущей кромки Л восстановление заключается в шлифовании слоя металла толщиной а с торцовой поверхности матрицы. Для того чтобы диаметр провального отверстия не увеличивался, некоторая часть грани этого отверстия имеет вертикальные стенки (5—10 мм), переходящие затем в наклонные. Для восстановления составных матриц можно сошлифовать их с торца, если это не приведет к значительному увеличению диаметра отверстия матрицы. Этим объясняется то, что уклон провального окна у них выполняется под меньшим углом (30'—1° вместо 3—5°). Описанный способ восстановления матриц осуществляют после их термической обработки.
Исправление обрезного инструмента наплавкой металла или твердого сплава применяют в случае его капитального ремонта. Долговечность инструмента при наплавке твердыми сплавами во много раз возрастает, но обработка наплавленных кромок до недавнего времени была затруднительной.
В настоящее время эту задачу успешно решают с помощью электроискровой, алмазной и других видов обработки. Применяется также электронаплавка рабочих кромок легированной сталью. Стойкость таких штампов ниже твердосплавных, но обработка их легче. Более простой способ ремонта заключается в подсадке обрезного инструмента ковкой и в последующем образовании режущей кромки (как при изготовлении новых матриц).
Для уменьшения усилия обрезки и обеспечения более плавной нагрузки пресса применяют матрицы со скошенными режущими кромками (рис. 243, в). Чтобы избежать появления горизонтальных сил, количество скосов может соот-
Рабочий ход
Рис- 244. График «усилие—рабочий ход» при обрезке облоя в матрице:
1 — с прямой и 2 — сс скошенной режущей кромками
ветствовать любому четному числу. Уклон режущих кромок выполняют под углом а = 3-5-6°. При обычной обрезке облоя график «усилие—рабочий ход»
показан на рис. 244 (кривая /). При наличии скосов режущей кромки график (кривая 2) характеризуется максимальным усилием обрезки меньшей величины, т. с. Р2 < Pi, при этом рабочий ход увеличивается. Работа,
402
затрачиваемая на резку, в обоих случаях примерно одинакова. При укладке поковки на матрицу с волнистой режущей кромкой облой прилегает к матрице только в тех местах, в которых возвышается режущая кромка, все же это обеспечивает устойчивое положение поковки в процессе ее обрезки.
Форма матриц, используемых для удаления пленок (перемычек) с поковок, видна на рис. 240, б. Эти матрицы не имеют режущих
кромок и являются опорными — центрирующими деталями
штампа. Поэтому обычно матрицы имеют полость, соответствующую форме поковки, и отверстие для прохода пленок, отделенных от поковок.
Пуансоны. В штампах для обрезки облоя пуансоны играют роль толкателя, пере
Рис. 245. Форма луапсока обрезного штампа для поковки ступенчатого валика
избежать сосредоточения нагрузки Так как износ основного и обрез-
дающего усилие на поковку, находящуюся на матрице. Обрезной пуансон должен прилегать к поковке, чтобы и местного смятия поковки,
пого штампов неодинаковый, размеры поковок имеют допуски, и температура обрезки поковок колеблется в некоторых пределах, необходимо принимать меры, обеспечивающие плот-
Рис. 246. Обрезные пуансоны различной формы
ное прилегание пуансона к поковке. Размеры пуансона в местах его соприкосновения с цилиндрическими частями поковки выбираются по ее номинальным размерам. Так как в переходных сечениях поковки будут иметь место наибольшие отклонения размеров (вследствие износа по радиусам закруглений выступов основного штампа), то в этих местах на обрезном пуансоне следует предусмотреть зазоры Д, которые должны быть немного большими, чем допуск на соответствующие размеры поковок (рис. 245).
Различные формы пуансонов приведены на рис. 246. В случаях /, II и III пуансон не погружается в отверстие матрицы и требования к зазорам между матрицей и пуансоном опреде-
26*
403
ляются условиями плотного прилегания пуансона к поковкам. Если штамповочный уклон поковки не превышает 15°, то пуансон может иметь плоский торец с выемкой (рис. 246, 1а) или с выступом (рис. 246, 16) в середине торца. В случае большего уклона и при круглых сечениях поковки, чтобы избежать деформации поковки, пуансон должен охватывать и боковую ее поверхность (II и III). Если облой расположен у торца поковки, то обрезной инструмент для обеспечения качественной обрезки должен иметь две режущие кромки (на пуансоне и матрице — тип IV). В этом случае пуансон входит в отверстие матрицы и величина зазора | должна быть равна 15% от толщины облоя h. Чтобы обеспечить центральное расположение пуансона в процессе такой обрезки, применяют штампы с направляющими колонками.
Просечные пуансоны выполняются с режущими кромками и размерами, соответствующими номинальным размерам отверстия в поковке. Торец пуансонов имеет обычно плоскую форму; исключение составляют пуансоны для просечки пленок с утолщениями из-за наличия в штампах фиксаторов (см. рис. 230). При большом диаметре пленок в середине торца пуансона целесообразно иметь выемку, которая упрощает восстановление режущих кромок за счет снятия некоторого слоя металла со стороны их торца. Для уменьшения усилия, необходимого для удаления пленки, просечные пуансоны могут иметь скосы, так же как матрицы при обрезке облоя.
Дефекты при обрезке облоя и пленок. При обрезке облоя соседние участки металла не должны подвергаться даже незначительным остаточным деформациям, в противном случае поковка получает искривление (и нуждается в добавочной операции — правке) или смятию, приводящему к браку.
Большое количество дефектов поковок связано с неодинаковым износом основного и обрезного штампов, что приводит к необходимости производить наладку пресса для обрезки отдельно для каждой партии штампуемых поковок. Неодинаковая усадка поковок и недостаточная точность размеров инструмента еще более это усугубляет. При чрезмерном увеличении размера поковки по месту разъема штампа она не входит в провальное окно матрицы и при проталкивании часть штамповочных уклонов срезается вместе с заусенцем (в некоторых случаях этим методом пользуются для удаления напусков). Напротив, при увеличенном зазоре между матрицей и поковкой по контуру поковки остается часть облоя, втянутого в зазор.
Остатки облоя и пленок в виде заусенцев по периметрам обрезки должны быть небольшими. Наибольшая величина их оговорена ГОСТом 7505—55 (табл. 45).
При обрезке облоя поковка может получить смятие, если площадь соприкосновения поковки с пуансоном окажется недостачей
точной и напряжения на контактной поверхности превзойдут сопротивление деформации прежде, чем напряжения у облоя достигнут сопротивления срезу.
Необходимая площадь контакта пуансона сноковкой Fn должна удовлетворять следующему соотношению:
где сср — сопротивление срезу материала поковки при температуре обрезки;
сем — сопротивление смятию поковки при температуре об
резки;
П — периметр обрезного
Таблица 45
отверстия матрицы; h — толщина облоя.
Если поковка имеет форму, неудобную для ее фиксации в матрице, то при укладке обычно получается смещение оси поковки относительно оси ручья; при большом смещении поковки она с одной стороны срезается, а с другой на ней остается часть облоя. Этого часто удается избежать, если в обрезном штампе принято взаимно обратное расположение пуансона и матрицы; при этом перед обрезкой
Допустимые размеры остатков облоя и пленок в мм (на сторону) после их удаления на поковках с различной точностью размеров
Масса еоковск в кг
Группы точности размеров поковок
I ' II I 111
Свыше 0,25 до 0,63 0,5 0,6 1,5
» 0,63 » 1,60 0,8 0,8 2,0
» 1,60 » 2,50 1.0 1,0 2,5
» 2,50 » 4,00 1,2 1,2 2,7
» 4,00 » 6,30 1,3 1.5 3,0
» 6,30 » 10,00 1,5 1,6 3,5
поковку помещают на пуансон,
который находится внизу в неподвижном положении. При таком расположении деталей штампа необходимо предусмотреть верхний выталкиватель для поковок, застревающих после обрезки
внутри матрицы.
При обрезке поковок, имеющих двутавровое полотно (например, стебель шатуна и др.), трудно добиться одновременного прилегания пуансона к полкам и к перемычке таврового сечения. Это явление усугубляется отклонениями размеров поковок после штамповки, например, недоштамповкой поковок. При обрезке таких поковок часто получается искривление полок. Для уменьшения указанного влияния отклонения размеров поковок пуансон следует изготовлять по номинальным размерам ручья, используя для подгонки рабочей поверхности пуансона контрольную отливку чистового ручья штампа.
Приведенные случаи относятся к наиболее простым, так как рассматривались поковки, отштампованные в штампах с прямой линией разъема. Много осложнений возникает в процессе обрезки при ломаных и кривых линиях разъема штампа. Необходимо,
405
чтобы профиль облоя в плоскости линий разъема штампа не имел углов, близких к прямому; чем больше этот угол, тем легче обрезать облой. Кроме того, обрезку облоя легче осуществить, если он не проходит по торцу поковки.
Пример упрощения условий обрезки (рис. 247, а) относится к поковке, имеющей Г-образное сечение. При штамповке в штампе с линией разъема I—I качественной обрезки не получается; поковки идут в брак по неровному срезу и смятию углов. При увеличении угла между участками разъема (линия разъема II—II) и одновременном перенесении облоя с ребра на грань поковки обрезка получается качественной.
Рис. 247. Изменение липни разъема основного штампа для получения нормальной обрезки облоя
В другом случае при штамповке с одновременной гибкой и формовкой поковка П-образного сечения имеет облой, расположенный под прямым углом к линии разъема штампа I—I (рис. 247, б). Обрезка облоя в этом случае затруднена, а при недостаточно массивной поковке в процессе обрезки происходит искажение ее формы. В подобных случаях целесообразнее, чтобы линия II—II разъема была не под прямым углом, а под углом 110—120°. Окончательная гибка при этом может быть осуществлена на обрезном пресее (в специальном штампе) после обрезки облоя.
Упомянутые выше искривления поковок при горячей обрезке во многих случаях происходят по той причине, что сопротивление смятию или изгибу поковки, имеющей высокую температуру (700—750° С), меньше, чем сопротивление срезу облоя, имеющего более низкую температуру (ниже 600° С). Если в этих условиях пуансон недостаточно плотно прилегает к поковке, то в начале обрезки получается смятие или искривление поковки.
Дефекты, появляющиеся при обрезке, во многих случаях, можно устранить правкой (для устранения изгиба) или обточкой на наждачном станке (для удаления остатков облоя), но это 406
сопряжено с дополнительными затратами средств и времени. Смятие поковок Вызывает их окончательный брак.
Для того чтобы избежать появления дефектов, необходима тщательная подгонка рабочего инструмента перед штамповкой каждой партии поковок.
При обрезке пленок могут также появиться дефекты; из них наиболее часто встречающиеся — искривление и несоосность среза пленки.
Обрезные штампы. Схема обрезною штампа была приведена на рис. 241. В зависимости от размера закрытой высоты штампового пространства обрезного пресса и от теплового режима процесса обрезки применяют высокие или низкие башмаки штампов; для горячей обрезки — преимущественно высокие башмаки с выгребным окном. В таком штампе поковка не получает забоин при выпадении из провального окна. Конструкции обрезных штампов различаются по крепежным деталям рабочего инструмента, а также по наличию или отсутствию съемников, направляющих колонок и некоторых других деталей.
Крепление пуансонов. Пуансоны обрезных штампов крепятся непосредственно к ползуну пресса или через переходные плиты. Существует много разновидностей крепления пуансонов, из них наиболее широкое применение получили следующие конструкции. Клиновое крепление (рис. 248, а), осуществляемое по типу крепления молотовых штампов, применяется для холодной и горячей обрезки поковок удлиненной формы. Это крепление простое по устройству и падежное в работе. Для поковок, штампуемых в торец, применяется крепление пуансона к переходной плите (рис. 248, б) с помощью кольцевого пуансонодержателя 1 болтами 2. Пуансон при использовании такого крепления характеризуется простотой конструкции и удобством в монтаже и демонтаже. Подобное крепление применяется чаще всего для просечных пуансонов.
Конструкция крепления пуансонов с хвостовиками стопорными винтами 3 (рис. 248, в), проходящими через съемную нажимную колодку 4, закрепляемую, в свою очередь, сквозными болтами 5, характеризуется простотой в изготовлении и надежностью в эксплуатации. В этом случае пуансон удерживается в гнезде силами трения от нажимной колодки и стопорным винтом.
Для снижения стоимости пуансонов, трудных в изготовлении, в случаях обрезки поковок сложной конфигурации (например, поковок шатуна) применяют пуансоны, соответствующие форме поковки, без специальной крепежной части (рис. 248, г). Для крепления пуансона 6 служат зажимные колодки 7, которые одновременно используются для крепления пуансона к переходной плите пресса. Такая конструкция пуансона удобна, так как позволяет использовать его с двух сторон.
Крепежные гнезда ползунов рассчитаны на наибольшие возможные габаритные размеры пуансонов для данного пресса, 407
поэтому в отдельных случаях для уменьшения размеров крепежных частей ^пуансонов применяются переходные детали из недорогостоящей стали между ползуном и пуансоном.
Рис. 248. Различные способы крепления пуансонов обрезных штампов
Крепление матриц. В большинстве конструкций обрезных штампов применяются два основных способа крепления матриц. Для цельных или состоящих из двух частей матриц 1 применяют
12 3 4 5 6 1
Рис. 249. Крепление обрезных матриц
крепление клином 2 в башмаке 3 (рис. 249, «). При этом положение матрицы регулируют с помощью прокладок.
Другая разновидность крепления (винтами, рис. 249, б) применяется для матриц, состоящих из двух и более частей. Крепление матрицы 4 к башмаку 6 осуществляется винтами 5. Стопорные 408
болты 7 служат для фиксации положения матриц при наладке инструмента.
Если матрица имеет два или несколько разъемов во взаимно перпендикулярных плоскостях, то для ее регулирования служат стопорные болты 7, расположенные в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Для возможности регулирования отверстия в матрицах имеют овальную форму (см. рис. 242).
Рис. 250. Конструкция съемников обрезных штампов
Крепление матриц штампов для удаления пленок аналогично описанному выше. Кроме рассмотренных креплений матриц, применяются и некоторые другие (см. рис. 250, д).
Съемники. При обрезке облоя в тех случаях, когда пуансон погружается в матрицу, облой остается на пуансоне. Во всех случаях при просечке пленок на пуансоне остаются поковки. Для снятия с пуансонов облоя и поковок применяют специальные съемники, по конструкции они разделяются на верхние и нижние, жесткие и подвижные.
Простейший нижний съемник жесткой конструкции выполнен в виде съемных Г-образных лап 1, укрепленных на башмаке штампа (рис. 250, с).
«Лапы работают на изгиб в тот момент, когда застрявший облой снимается с пуансона. Более совершенной является конструкция нижнего жесткого съемника на распорных трубках (рис. 250, б). Длинные болты 2 проходят через трубки 3, на которых укрепляется плита (съемник 4) с отверстием для прохода пуансона.
409
При необходимости это отверстие может служить для пуансона направляющим. Съемник может быть использован для поковок большой и небольшой высоты при изменении расстояния hc между съемником и матрицей. Для поковок большой высоты, но при малой закрытой высоте пресса, приходится применять нижний жесткий съемник на пружинах (рис. 250, в). Когда происходит рабочий ход, то в какой-то момент ползун пресса встречает на своем пути съемник и опускает его в процессе обрезки облоя; при этом пружины сжимаются.
На обратном пути ползуна, прежде чем облой упрется в пластину 5 съемника, последняя вернется в исходное положение под действием пружин 6, после чего съемник начинает работать как обычный — жесткий.
Если нижний съемник мешает установке поковок, то можно использовать верхний съемник (рис. 250, г). Съем облоя происходит при обратном ходе ползуна. Съемная плита 7 передвигается к торцу пуансона пружинами 8, снимая при этом застрявший на нем облой.
Верхний пружинный съемник можно выполнить в виде компактных стержней 9, действующих от пружин 10 (рис. 250, й). Три или четыре стержня свободно сталкивают облой, при этом конструкция штампа не усложняется, а штамповое пространство пресса не загромождается. При холодной обрезке облоя вместо пружин верхнего съемника можно использовать толстые резиновые подкладки (рис. 250, ё).
Если облой сложного контура застревает на пуансоне, то для облегчения удаления его разрезают ножами, укрепленными на пуансоне. Для предотвращения затупления ножей при их соприкосновении с матрицей и для упрощения наладки режущая кромка ножей поднята относительно режущей кромки пуансона на величину, равную величине погружения пуансона в матрицу плюс толщина облоя. Следовательно, каждый второй облой продвигается к ножу и рассекается им на части.
На одном заводе при штамповке коленчатых валов ножами такой конструкции облой рассекался в восьми местах и удалялся по частям.
Тилы обрезных штампов. Различают следующие разновидности обрезных штампов: простые, последовательные и комбинированные. Бывают также штампы с высокими (для горячей обрезки) и низкими башмаками (для холодной обрезки), с колонками и съемниками и без них.
Простые обрезные штампы предназначены только для удаления облоя или пленки и были рассмотрены при описании обрезного рабочего инструмента (см. рис. 241 и 250). Ниже рассмотрены некоторые специальные конструкции штампов.
Обычная конструкция штампа для горячей обрезки имеет недостаток, связанный с тем, что при падении поковки после об-410
резки тонкие ребра или выступы искажаются, что вызывает дополнительную операцию — правку, В некоторых случаях поковка может иметь настолько тонкие части, примыкающие к облою, что она изгибается в процессе обрезки. На рис. 251 показан штамп для обрезки таких поковок. В башмаке 1 устанавливается пружина 2, которая действует на выталкиватель 3 с полостью, соответствующей форме поковки. Выталкиватель 3 смещается
относительно матрицы 4 при сжатии пружины 2. Рабочая часть 5 пуансона прикрепляется болтами к крепежной его части 6. После обрезки поковки 7 с очень тонким полотном облой 8 остается на пуансоне, в связи с чем штамп должен быть снабжен съемником (на рис. 251 не показан). Поковка, опущенная внутрь матрицы, поднимается до ее верхнего уровня выталкивателем 3 при обратном ходе пресса. Для того чтобы обеспечить необходимые зазоры между пуансонами и матрицами обрезных штампов, необходимо точ-
Рис. 251. Обрезной штамп с выталки-вателем
ное направление движущихся частей штампов. Наиболее совершенным в этом отношении являются штампы с колонками, аналогичные штампам, применяемым для штамповки на прессах.
Последовательные штампы. Если, кроме удаления облоя, необходимо выполнить еще какие-либо операции над поковкой (удаление пленки, правку, гибку), то они могут быть выполнены последовательно на штампах, стоящих рядом, или в общем штампе на одном и том же прессе. Обычно более двух операций на одном обрезном прессе не совершают. Общий штамп, в котором поочередно выполняются две операции, называют последовательным штампом. Для удобства изготовления и наладки штампов рабочие вставки для каждой операции крепятся и регулируются самостоятельно. Указанные операции могут быть осуществлены одновременно для двух поковок, размещенных в двух рабочих вставках. Для одновременного совершения двух операций потребуется пресс, развивающий большее усилие. При этом за каждый ход пресса получается готовая поковка, обработанная за две операции.
Комбинированные штампы. Сущность комбинированного штампа заключается в одновременном совершении нескольких (обычно двух) операций — обрезки и просечки в одном ручье. Если поковка имеет большую массу, то перекладка ее из обрезного ручья в просечной требует значительной затраты физического
4U
труда, устраняемого при применении комбинированных штампов. Если необходимо ускорить обработку поковки, то следует также использовать комбинированные штампы.
Комбинированный штамп для одновременной обрезки облоя и удаления пленки показан на рис. 252. В башмаке / штампа, кроме матрицы 2, установлен просечной пуансон 3 с режущей
Рис. 252. Комбинированный штамп для обрезки облоя и удаления пленки (применяется выталкиватель, действующий от закрепленных тяг)
кромкой.
Обрезной пуансон 4 внутри имеет полость, в которую может свободно входить удаляемая пленка. Поковка (штриховка в клетку) устанавливается на матрицу 2 и опирается на просечной пуансон 3. После обрезки поковка проваливается и попадает на седло 5, находящееся на коромысле 6, свободно охватывающем просечной пуансон 3 (показано внизу рисунка). Концы коромысла 6 сопряжены с тягами 7, позволяющими ползуну пресса опускаться при неподвижном положении коромысла. При обратном ходе пресса тяга 7 с коромыслом
6 выталкивает поковку за верхний обрез матрицы. Для прохода кромысла в башмаке штампа имеется сквозной паз.
Описанная конструкция комбинированного обрезного штампа неудобна из-за наличия громоздких тяг, уменьшающих доступ
в штамповое пространство при верхнем положении ползуна пресса. Ниже приведена конструкция комбинированного обрезного штампа, в котором указанный недостаток исключен (рис. 253).
В нижней плите / штампа закреплен пуансон 2 и пружинный нижний съемник 3 облоя Б. В верхней плите 4 штампа размещены обрезная матрица 5, прошивник 6 и толкающий съемник 7, закрепленный в траверсе 8. К основным деталям механизма выталкивателя поковки относятся шарнирные тяги 9 (левая и правая), закрепленные в петлях 10 и удерживаемые вертикально пружинами 11, которые упираются в планки 12. Тяги 9 одним концом упираются в рычаги 13 со скосами; эти рычаги закреплены в верхней плите штампа винтами 14.
В данном случае показано нижнее положение штампа, когда поковка А уже отделена от облоя Б и пленки В. Поковка устанавливается на съемник 3 (при верхнем положении ползуна пресса),
412
удерживаемый в поднятом положении пружинами 15 и лапами 16. При опускании плиты 4 происходит обрезка облоя Б между режущими кромками матрицы 5 и пуансона 2 и просечка пленки В между режущими кромками полого пуансона 2 и противника 6. При этом рычаги 13 отодвигают нижними скосами тяги 9 и проскакивают в прорези этих тяг, которые возвращаются пружинами 11 в исходное положение. При подъеме плиты 4 съемник 3 извлекает облой, а траверса 8, упирающаяся в выступ рычагов 13, снимает
Рис. 253. Комбинированный штамп для обрезки облоя и удаления пленки (применяется выталкиватель, действующий от разъединяемых тяг)
поковку А с противника 6 при помощи выталкивателя. Через некоторое время рычаги 13 верхними скосами упираются в выступы тяг 9 и, отклоняя их в стороны, проходят вверх. Основное преимущество этого штампа заключается в том, что его работа не зависит от величины хода ползуна, а сам штамп свободно регулируется при свободном доступе к его деталям.
Обрезные операции часто совмещают в конце хода с правкой поковок. Чтобы избежать перегрузки обрезных прессов при обжатии поковок переменной (в пределах допусков) высоты, матрицу для правки устанавливают на мощных тарельчатых пружинах.
§ 6. ШТАМПОВКА НА ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫХ МАШИНАХ
Особенности штамповки на горизонтально-ковочных машинах. Штамповку на горизонтально-ковочных машинах осуществляют в открытых и закрытых штампах. Типичным процессом для штам-413
повки на горизонтально-ковочных машинах является многоручьевая высадка в закрытых штампах1.
Основным отличием штампов горизонтально-ковочных машин является наличие двух взаимно перпендикулярных разъемов (рис. 254). Основной разъем проходит между пуансоном, который закреплен в блоке 1 пуансонов, и матрицей, расположенной в блоках матриц, — неподвижном 2 и в подвижном 3. В начале процесса пуансон и обе половины матрицы находятся в разомкнутом состоянии (положение I, рис. 254). Пруток металла диаметром Dc
вкладывается в неподвижную часть матрицы до упора 4, положение которого отрегулировано так, что в полости матрицы оказывается участок прутка необходимой длины Lu. Затем включают машину на рабочий ход: при этом подвижные части штампов приходят в движение в следующем порядке. Прежде всего в рабочее положение становится подвижная часть матрицы, находящаяся в блоке 3 (положение //). Это обеспечивает плотный зажим прутка на длине L,., после чего упор 4 отходит, а пуансон приходит в соприкосновение с прутком металла. При дальнейшем движении пуансона производится высадка свободной длины Lo прутка; при этом заготовка приобретает форму полости ручья (положение fff).
При обратном ходе машины из полости матрицы удаляется пуансон с блоком I, затем отходит блок 3 с частью матрицы, после
1 Как и при ковке, операция высадки при штамповке состоит в осадке части прутка независимо от места расположения деформируемого участка прутка (на конце или на некотором расстоянии от него).
414
чего становится в исходное положение упор 4 и штамповщик может вынуть из ручья пруток с высаженным концом. Такой порядок передвижения частей инструмента обеспечивается кривошипной системой главного хода и кулачковой системой бокового хода машины, которые схематически изображены на рис. 254. На рис. 255, а показан рабочий инструмент и силы, действующие на заготовку. Заготовка укладывается в ручей до упора (положение У). В положении // в момент зажатия прутка возникают боковые силы АГ,
Рис. 255. Схема действующих сил (с) и график «усилие — рабочий ход» при высадке (б):
1 — пуансон; 2 — неподвижная часть матрицы; 5 — подвижней часть матрицы; 4 — упор
которые вызывают силы трения Т, удерживающие пруток при последующей высадке его конца усилием Р пуансона (Т = Р).
В положении III сила Р имеет максимальное значение, но это не требует увеличения сил трения Т для удержания прутка в зажатом состоянии, так как образовавшееся утолщение на конце прутка упирается в заднюю стенку ручья. График «усилие—рабочий ход» при высадке (рис. 255, б) имеет ярко выраженный максимум в конце хода пуансона. Штамповка обычно осуществляется в нескольких ручьях штампа, расположенных вертикально по высоте блоков. Высадочный штамп имеет два-три ручья и в исключительных случаях четыре-пять в зависимости от длины деформируемой части прутка и сложности конфигурации поковки.
Штамповка от прутка является наиболее целесообразным типовым процессом высадки без предварительной разделки прут-
415
ков на заготовки. При необходимости на горизонтально-ковочных машинах можно штамповать и мерные заготовки с упором заднего конца (задним упором). Наличие разъема у матриц позволяет не применять штамповочные уклоны на стенках ее полости в тех случаях, когда глухая полость ручья попадает в разъем. Высаженные поковки со сквозными отверстиями можно получить без особых трудностей. Точность высаженных поковок более высокая, чем, например, точность поковок при штамповке на молотах, за счет лучшего направления движущихся частей штампов и постоянства величины хода горизонтально-ковочных машин. Штампы с пространственным разъемом позволяют получать такие формы поковок, которые невозможно получить в рассмотренных ранее штампах (рис. 256, о).
Рис. 256. Поковка двубортного ролика, полученная в штампах с двумя плоскостями разъема (а), в открытом (6) и в закрытом (в) с одной плоскостью разъема
При сравнении потерь металла на механическую обработку, в облой и на пленку при различных способах штамповки двубортного ролика (рис. 256) легко убедиться в преимуществах штампов с пространственным разъемом (потери металла заштрихованы в клетку). Однако этот вид штамповки имеет некоторые недостатки, которые сводятся к следующе.му. При штамповке на горизон-тальво-ковочных машинах получаются отходы металла на зажим прутков. Эта разновидность штамповки может быть применена преимущественно для поковок, штампуемых в торец. Изменение диаметра прутков при штамповке одной и той же поковки сопряжено с заменой штампа.
Условия высадки в один переход. Как и в других многоручьевых штампах, ручьи штампов горизонтально-ковочных машин разделяются на подготовительные и окончательные. Форма окончательных ручьев определяется формой поковки в соответствии с ее чертежом. При торцовой штамповке на вертикальных машинах предварительные операции заключались в осадке и в формовке главным образом для придания заготовке устойчивости при обработке в последующих ручьях. При штамповке на горизонтально-ковочных машинах вследствие плотного зажима прутка имеет место большая устойчивость заготовок, чем у свободно осаживаемых заготовок. В лабораторных условиях зажатый в матрице образец небольшого размера, имеющий перпендикулярно срезанный торец, может быть высажен в холодном состоянии в головку любого необходимого конечного диаметра при длине дефор-416
мируемой части прутка £с = 3,2 (рис. 257, а) *. Однако в производственных условиях при косом торце пруток такой длины не удается высадить в симметричную головку. По нормали одного из отечественных заводов при наличии косины торца не более 6° наибольшая выступающая длина прутка, чтобы избежать продольного изгиба и образования складки, составляет £0 < 2 (рис. 257, б). Угол косины, равный более 6°, при высадке нежелателен, так как если складка и не образуется, то волокнистость
металла получается несимметричной. При указанных условиях высадки (см. рис. 257, «) можно получить поковку с конечным диаметром любой величины, если только это допускает пластичность металла. Эти условия остаются одинаковыми для прутков различных диаметров и для любых температур штамповки. Если пуансон имеет знак для образования полости, то длина высадки за один ход машины принимается несколько меньшей, чем было указано выше. Чтобы обеспечить симметричную деформацию, применяют коэффициент однопереходной высадки п’ —- £0 : Do < < 2,04-2,5. Для определения возможности высадки поковки за один переход, согласно приведенному соотношению между длиной и диаметром прутка, можно воспользоваться объемным соотношением
* Величина Lo — 3,2D0 экспериментально установлена Г. Н. .Потоцким в кузнечной лаборатории Московского института стали и сплавов.
27 Я. М. Охрименко 597 417
и, имея в виду, что Lo n'D0, получим
3/- 4V
(75)
Если принять во внимание, что масса поковки G равна произведению объема заготовки па плотность Уу, получим
(75')
Рис. 258. Зависимость диаметра заготовки от массы или объема поковки
На рис. 258 показан график, по которому можно определить, какие диаметры прутка можно применить для поковок заданной массы или объема при высадке за один ход. Чем меньше коэффициент однопереходной , fo л высадки п = —t тем больно
те диаметр прутка, из которого штампуется данная поковка за один переход.
Кривые разделяют поле графика на две области. Область, лежащая выше кривых, соответствует высадке поковки за один переход. Если в соответствии с размерами поковки необходим диаметр прутка меньшей величины, чем необходимо по кривым, то перед формовкой следует применить специальный ручей, называемый наборным.
Ручьи для набора металла. Назначение наборных ручьев — получить заготовку большего диаметра пригодную для последующей высадки поковки за одну операцию. Продольный изгиб заготовки ограничен стенками наборного ручья. В штампах горизонтально-ковочных машин можно осуществлять набор металла в пуансоне (рис. 259, а), в матрице (рис. 259, в), а также частично и в пуансоне, и в матрице (рис. 259, 6). Получающаяся форма высадки соответствует форме ручья. Набор металла предпочтительнее осуществлять в пуансоне, так как при наборе в матрице может образоваться пепредусматриваемый заусенец по месту ее разъема и между пуансоном и матрицей.
Для набора металла общая длина заготовки может быть значительно больше n'Do, но чтобы избежать образования складок при продольном изгибе заготовки, диаметр полости штампа не может быть произвольно большим. Чем больше длина высадки, тем 418
меньше допустимый диаметр ручья для набора металла. При наборе металла в пуансоне для облегчения заполнения ручья и извлечения из него высаженной заготовки применяют полости пуансона конической формы.
Экспериментально установлено, что больший диаметр конической полости d6 не может превышать диаметра заготовки Dt, более чем в 1,8 раза. На практике отношение : Do принимают
равным 1,25 при Lo > 1О£Эо и (ио при Lo ^>n'D0). Меньший диаметр конической полости d„, исходя из условий заполнения полости принимают несколько большим номинального размера прутка (dM — 1,05D u). При увеличении dK объем конической полости возрастает, но увеличивается и возможность изгиба прутка. Поэтому величину dM можно принимать больше, чем указано выше, при относительно малых значениях : £)0. Например, при Lo : dM =
= 1,5DC, если db < l,8D0. Если конусная форма перехода нужна не в связи с требующейся формой поковки, а как средство набора металла, то соотношение размеров и dM принимают исходя из максимального объема полости с учетом изгиба прутка. Например, при dM — 1,25DO и d6 = l,5Dn
1,5 при меньших величинах Lo
Рис. 259 Ферма ручьев для набора металла
L составит
(см. рис. 259) объем конической полости глубиной
К - (dl + dl + dbdM) - 1,48 lnDl
(76)
Полагая, что объем заготовки равен объему поковки, а последним равен объему конической полости пуансона, получим
nD%L6 ,,
откуда
1п - 0,534о. (77)
Экспериментально установлено, что при указанных соотношениях размеров свободная длина прутка Leuc < 2,5£)0 (во избежание продольного изгиба и образования складок на поковке), 27* 419
поэтому Lo — ln = 2,5D0, или Lo — O,53£o — 2,5D 0, откуда La = 5,3D0; при этом
In - 2,8D0. (77')
Аналогичным путем при d6 = l,5D0, dM = l,05Do и при LefM = 2,500 получим £0 -= 6,400, откуда
ln = 0,61 £0. (78)
Эти соотношения получены H. В. Гусевым па основании экспериментальных данных и могут быть использованы при построении конических ручьев. Им же проверены условия высадки заготовок длиной £0 > 10 О0, причем оказалось, что в этих случаях вели^ чина LefM. может достигнуть 30 0.
А. Д. Томленое показал, что условие осадки заготовки без образования складок заключается в том, что наибольший допустимый эксцентрицитет действующей силы не должен превышать некоторой определенной величины 1б. Если иметь в виду, что направления продольного изгиба различны, то возможно установить круг радиусом г = /с, через который должно проходить направление силы при высадке прутка с допустимой величиной продольного изгиба. Называя этот круг пластическим ядром сечения,ГА- Д. Том-ленов установил, что радиус его г — lQ 0,2 £>с. Условия высадки, допускаемой за одну операцию,’-установлены'величиной
k С 1,2 + 0,2п, но не более 3,
где k= — относительная длина высадки;
п — — относительная длина всей заготовки, подлежащей
"О высадке.
Зная величину k, нетрудно установить относительную глубину полости пуансона
i = п — k.
Расчетную длину заготовки находят при делении объема поковки на поперечное сечение прутка:
г l-'лож
“ F-jas ‘
ЧтобьГизбежать переполнения ручья из-за колебаний размеров заготовки, объем ручья увеличивается на 5—6%.
Для упрощения расчетов при определении размеров ручья построена диаграмма (рис. 260), на которой по оси абсцисс отложена величина с = Если dM ^>D0, то с = если же dM — D и, то с — По оси ординат отложена величина k — 420
_ _ 2rn—. Пучок кривых соответствует заготовкам
Do Do
различных относительных длин п = 4^-14 188].
Пример расчета конического ручья. По объему горячей поковки с учетом увеличения объема ручья на 5—6% (во избежание его переполнения) определено I 100 лои при Do — 20 мм.
Рис 260. Соотношения размеров при конической высадке (по А. Д. Томленову)
Расчет, и Le : DB =
произведенный по формуле (78) при da = 1,5Р, dM = l,05Do too
-эд- = 5,0, дает
ln -= 0,61Lo = 61 мм;
louc — Ao — ln — 100 — 61 — 39 мм; dg = 1,5£>0 = 1,5-20 = 30 л/л; сСи = 1,05-20 — 21 л/л;
d£P = 25,5 JfJf.
Следующий ручей может быть окончательным, так как ln - dcp - 61,0 : 25,5 = 2,4, г. е. меныце предельного tf. По А. Д. Томленову расчет производят: Lo 100 -_
"“е;=т=5а
По диаграмме (рис. 260) находим точку пересечения луча п — 5 с граничной кривой, которой соответствуют величины /г = 2,2 и с = 1,65 (этот случай расчета показан на диаграмме штрихпунктирными линиями).
421
Тогда при de = cD0 = 1,65-20 = 33,0 находим
dM = l,05Do = 1,05-20 =- 21 мм;
== — 2,2-20 = 44 мм; 1ц = Dо (п £).
/„ = (5 — 2,2)-20 - 56,0 мм; d£p = 33-°+21’0 = 27,0 мм;
£
Следующий ручей может быть окончательным, так как
Рис, 261. Различные положения поковки в штампах горизонтально-ковочной машины (горизонтальный разрез штампа в плане):
1 — неподвижная часть матрицы; 2 — подвижная часть матрицы; «У — пуансон
in dcp = 56,0 : 27,0 - 2,07, т. е. меньше предельного п'.
Расчет ио методу А. Д. Томленова дает возможность получить набор большей вели-чины-
Если при расчете получается, что после конической высадки /п > то необходимо для набора предусмотреть второй ручей, который рассчитывается по средним размерам конуса 1п и dcp = . Количе-
ство наборных ручьев в отдельных случаях может достигнуть четырех (например, при высадке поковок клапанов).
Формовочные ручьи. В зависимости от объема поковки и выбранного диаметра исходного прутка операция формовки может быть осуществлена непосредственно от прутка (при £0 < n'D0) или с применением предварительного набора металла (при 0). Чем сложнее конфигурация поковки, тем за большее число операций происходит ее формовка. Операции формовки осуществляются в матрице (рис. 261, а), в пуансоне (рис. 261, б) или частично в матрице и в пуансоне (рис. 261, в).
Положение основной плоскости разъема на рис. 261 обозначено линией /—/, а дополнительной плоскости разъема, проходящей через матрицу, — линией — II—II. Фор-
мовка в разъемной матрице (рис. 261, о) позволяет осуществлять штамповку без уклонов. Но получаемая при этом точность меньше, чем при штамповке в пуансоне (рис. 261, б), так как сме-
щение частей матрицы относительно друг друга приводит к искажению формы поковки.
422
как на точность последних
г)
Допуски на размеры поковки зависят от положения плоскостей разъема штампа. Так, размеры ha и /i6 могут быть более точными, чем размер he, граничащий с плоскостью разъема штампа /—7. Допуск на общую высоту поковки Нк берется одинаковым во всех трех случаях, показанных на рис. 261. Допуск на размер D6 меньше, чем на размеры Da и De, Tai влияет смещение частей матриц по плоскости разъема 7/—II.
Формовка в пуансоне обеспечивает полное соответствие формы поковки и полости, но при этом необходимы штамповочные уклоны (I—2я), приводящие к напускам металла.
В зависимости от необходимой точности отдельных размеров и формы поковок применяют то или иное расположение полости. На рис. 261, а показана штамповка в закрытом штампе, а на рис. 261, б, в—в штампе открытого типа.
Штамповка в открытых штампах поковок сложной формы из прутков обычной точности без достаточной подготовки в подготовительных ручьях сопровождается появлением облоя в плоскости 7—7. Этот облой удаляется в обрезном ручье штампа (по типу обычных обрезных) на этой же машине.
Процесс формовки чрезвычайно разнообразен в связи с большим количеством различных поковок, получаемых на горизонтально-ковочных машинах. В отдельных случаях формовка сопровождается только высадкой металла (рис. 262, а), высадкой и прошивкой с образованием
глухой полости (рис. 262, б) и высадкой с выдавливанием (рис. 262, <?) с образованием в полости пуансона выступа, диаметр которого меньше диаметра исходного прутка (de<ZD().
Если форма поковки требует того, чтобы высадка (набор или формовка) осуществлялась на некотором расстоянии I от конца прутка, то для недеформируемой части прутка предусматривают в пуансоне соответствующую полость А (рис. 262, г).
При необходимости высаживать пруток на большом расстоянии от его конца деформируемая часть прутка не может быть размещена в пуансоне. В этих случаях применяют скользящие матрицы
423
Рис. 262. Различные схемы высадки:
/ — неподвижная и 2 — подвижная части матрицы, 3 — пуансон
(рис. 263). Задние части блоков матриц 1 и 2 зажимают пруток силами на длине Ls. В передних частях этих блоков разме
щаются скользящие ползушки 3 и 4 с полостями матриц и дополнительным зажимным ручьем на участке Ls. Таким образом, пруток оказывается зажатым по обе
Рис. 263. Высадка в скользящих матрицах:
п — начальная и б — конечная стадии (разрез в плане)
стороны подлежащего высадке участка Lt. При нажатии пуансона 5 на пруток или на скользящие части матриц они перемещаются на величину I; при этом происходит деформация на участке прутка Ly. При обратном ходе пуансона после разжатия матриц скользящие их части возвращаются в исходное положение с помощью пружин 6. Одновременно с высадкой в скользящих матрицах можно осуществлять высадку на конце прутка (на длине Ls). В скользящих матрицах можно также высаживать одновременно несколько утолщений (рис. 264).
Если высадка находится не на конце прутка и не может быть выполнена за один переход, то
перед формовкой осуществляют набор металла в нескольких скользящих матрицах. На рис. 265 приводится пример высадки за четыре операции, из которых три первых наборные, а четвер-
Рнс. 264. Одновременная высадка четырех утолщений, три из которых получаются в скользящих матрицах;
I — ход скользящей матрицы". Ct, L2, L* — исходные длины высадки, а—скользящие части матрицы (вид на правый блок матрицы)
тая — формовочная. Для лучшей центровки заготовки последующие ручьи размещены попеременно в скользящей и в нескользящей частях матриц.
Операции формовки обеспечивают получение окончательных размеров и формы поковок, поэтому объем и размеры полостей 424
формовочных ручьев соответствуют «горячим размерам» поковки. На рис. 266 приведены кривые изменения усилий при высадке поковки с фланцем и полостью в наборном и формовочном ручьях. Так как объем полости наборного ручья больше объема металла, предназначенного для высадки, то кривая усилия достигает в конце хода пуансона всего 705 кн (72 /и). При высадке конуса образуется наметка полости, облегчающая ее образование в следующем формовочном ручье. Вследствие заполнения металлом формовочного
ручья усилие резко возрастает и достигает в копце рабочего хода пуансона 4070 кн (415m). При штамповке в закрытом штампе с большим избытком объема металла конечное усилие может превысить допустимую величину, т. е. произойдет перегрузка машины.
Прошивные ручьи. Назначение прошивки состоит в образовании полостей у поковок с глухими или сквозными отверстиями. Прошивка называется глубокой, если глубина прошиваемой полости значительно больше диаметра заготовки. Для глубокой
Рис. 265. Набор и формовка металла в многопереходных скользящих матрицах:
« — скользящая часть матрицы (сид на неподвижный блок матриц); 1 — ход скользящей матрицы; Lt, Lc, l-i f. La - исходные длины высадки переходов /, 2, 3 к 4
прошивки применяются
пуансоны различной формы (рис. 267, а) в зависимости от требуемой формы дна полости поковки, вида последующей операции и соотношения размеров заготовки (Lc : Do).
По мере внедрения рабочей части пуансона в металл усилие прошивки возрастает (рис. 267, 6} до положения /, на кривой соответствующего полному погружению рабочей части пуансона в металл. На некотором участке диаграммы до положения II усилие примерно одинаковой величины. На конечном участке диаграммы до положения III наблюдается резкий подъем кривой усилия, что соответствует формовке поковки в замкнутой полости
штампа.
Для нормального протекания процесса прошивки необходимо, чтобы диаметр пуансона dn не был слишком большим по сравнению с диаметром D 0. Если dn = Do, то имеет место процесс осадки. Прошивка осуществляется при dn : Dv < 0,75. На практике принимается dn : Do < 0,5-ъ0,6. Пои dn — 20 мм не обеспечивается достаточная стойкость пуансона из-за быстрого его разогрева.
425
Рис. 266. График усилий при высадке (по В- И. Залесскому): а — угол поворота кривошипа вала Мишины
Рис. 267. Форма прошивных пуансонов (а) и соответствующий график «усилие—рабочий ход» при глубокой прошивке (б)
426
Осадка в процессе прошивки более вероятна вначале. Чем больше величины dn : : Do, тем более вероятна осадка при
прошивке. При Lo : Do > 3 происходит продольный изгиб заготовки.
В результате осадки заготовка может оказаться настолько низкой, что при дальнейшей прошивке в штампе начнется процесс обратного выдавливания металла между пуансоном и матрицей.
Выдавливание металла при прошивке наблюдается и при отсутствии осадки, если длина заготовки меньше длины поковки.
ej
Рис. 268. Дефекты прошивки и способы их устранения:
а — утяжина, косина торца и разностенность прошитой поковки; о - прошивка заготовки с опорным утолщенном; в — прошивка заготовки с компенсирующим утяжку утолщением и опорным буртом
При осадке заготовка укорачивается, при выдавливании удлиняется, а при радиальной раздаче металла длина ее не изменяется. Поэтому для прошивки может быть использована заготовка, длина которой равна длине поковки, длиннее или короче ее. Осуществить процесс прошивки путем радиальной раздачи металла удается только в заготовках при небольших отношениях : Do и di: : Du. Если длина заготовки равна длине поковки, то при невыполнении указанных условий сначала будет осадка заготовки, а затем выдавливание.
Плоский пуансон в конце хода обеспечивает обычно наименьшие усилия прошивки и создает благоприятные условия для последующей просечки дна.
При глубокой прошивке имеет место «утяжка» металла на участке, смежном с местом погружения в нее пуансона (k, рис. 268, а). Утяжка появляется лишь в начале прошивки, когда рабочая часть пуансона внедряется в металл. При дальнейшей прошивке утяжка остается постоянной.
Для устранения утяжки приходится осаживать поковку или механически удалять некоторый слой металла со стороны торца поковки, что усложняет и удорожает процесс. На рис. 268, а
427
показаны разностенность и косина поковки, появляющиеся вследствие смещения пуансона или заготовки в сторону. Это особенно заметно при большой длине заготовки и наличии скоса на ее торце. Чтобы обеспечить устойчивость заготовки в процессе прошивки, на ней по диаметру ручья предварительно высаживают опорное утолщение (рис. 268, б). Для устранения утяжины, косины и раз-ностенности на торце заготовки образуют бурт с компенсирующей выпуклостью (Т на рис. 268, в). Этот бурт способствует радиальной раздаче металла при прошивке. Если бурт не нужен на детали, то его удаляют обрезкой подобно облою в обрезном ручье.
При большой глубине прошивки вследствие значительной затраты работы маховик горизонтально-ковочной машины расходует много накопленной энергии, при этом резко падает число оборотов, что может вызвать остановку машины. Поэтому глубокую прошивку осуществляют в многоручьевом штампе, подразделяя ее на несколько операций в соответствии с допустимой работой за каждый ход машины.
Для расчета количества"ручьев приводим следующий пример. Для глубокой прошивки поковки подсчитана необходимая работа (по площади графика «усилие — рабочий ход»), равная 178 кдж (18 200 кГ-л).
По данным каталога работа, обеспечиваемая горизонтально-ковочной машиной, Р — 2940 кн (300 т) за один ход при 10%-ком торможении соотвстствуег 88 кдж (9000 кГ-л). При высадке можно допустить уменьшение числа оборотов маховика на 30%. Энергия, отдаваемая маховиком, может быть установлена из следующего соотношения:
2 2
_Д 10 = «ю.
а0 пн~ П30
где Л1С — работа маховика при 10%-хюм торможении 88 кдж (9000 кГ-м);
— то же при 30%-ном торможении (искомая величина);
пн— номинальное число оборотов маховика (950 об/хшм);
п10 — число оборотов маховика в минуту при 10%-ном торможении; п10 = — 950—0,1 -950 = 855 об/яы«;
«зо — то же при 30%-ном торможении;
Лзо = 950 — 0,3-950 — 665 об/мин; тогда
Л80 = ~950® — ёб5®" — Г>552) = 24 100 кГ-м (236 кдж).
С учетом к. п. д. шатунно-кривошипного механизма ч — 0,4 получаем полезную работу 24 100-0,4 = 9640 кГ-м (94,6 кдж). При сравнении необходимой работы с той, которую может выполнить машина, находим число ручьев для глубо-„ 178 / 18200
кой прошивки о 1 » - - }<_ 2; принимаем, что должно быть два ручья.
Практически глубина прошивки не превышает трех-четырех-кратной величины диаметра полости. Обычно вначале прошивку осуществляют более заостренными и тонкими пуансонами для уменьшения утяжки и создания более благоприятных условий для радиальной раздачи металла.
428
Если при прошивке используют пуансоны одинаковых размеров, то в каждом последующем ручье применяют пуансоны с меньшим продольным уклоном для уменьшения потерь на трение. Таким образом, на горизонтально-ковочных машинах штампуют снарядные стаканы и подобные им поковки.
Если поковка должна иметь очень тонкие стенки, а отношение
: Dо значительно меньше 3, то заготовку, прошитую в обычных условиях, протягивают сквозь кольцо (рис. 269, а) или применяют прямое выдавливание (рис. 269, б) в одном из ручьев горизонтально-ковочной машины.
Рис. 269. Утонение стенки прошитых заготовок
Рис. 270. Просечка дна 'поковок и варианты этой операций (разрез в плане)
Просечной и обрезной ручьи. Для поковок со сквозными отверстиями после формовки или глубокой прошивки полости необходима просечка донной части. Эта операция совершается в просечном ручье (рис. 270, а), в котором пруток свободно размещается в матрице, упираясь высаженной частью (штриховка сеткой) в нож с режущей кромкой /. Поковка установлена ю соответствующей полости штампа матрицы, которая обеспечивает направление пуансона с плоским торцом и режущей кромкой 2. В начале процесса просечки под действием силы Р пуансон сминает все увеличивающийся по мере своего продвижения кольцевой слой металла (указан условной штрихпупктирной линией). В некоторый момент сопротивление срезу по кольцу высотой he и диаметром d0 становится меньше сопротивления смятию металла и происходит просечка ПОКОВКИ. При этом
-J- (4—
График «усилие—рабочий ход» при просечке представляет собой кривую с максимумом аналогично графику при резке металла на ножницах (см. рис. 10) или при обрезке облоя.
429
Для обеспечения нормальной просечки поковок (рис. 270, б) необходимо, чтобы диаметр прутка D' был меньше диаметра полости dn на величину нормального зазора при резке металла ножами (~ 5% от й0). На практике не всегда удается выдержать это соотношение, в связи с чем прибегают к следующим приемам. Если формовку удобно осуществлять из прутка меньшего диаметра, чем диаметр полости (Do < dn), то применяют формовку с утолщением прутка (рис. 270, в). Если необходимо штамповать поковку из прутка большего диаметра, чем диаметр полости D(l >> dn (большой объем поковки и малый диаметр отверстия), то применяют пережим прутка (рис. 270, г). Для отчетливого заполнения наружных радиусов полости штампа у дна поковки размер h0 стараются получить по возможности небольшим, что уменьшает усилие просечки. Просечной ручей аналогичен ручью для удаления пленок (см. рис. 240, б).
Обрезной ручей. Если штамповка на горизонтально-ковочных машинах происходит в открытом штампе, то для четкого заполнения ручья приходится допускать образование облоя. Обрезку облоя осуществляют в одном из ручьев штампа. Объем облоя, получающегося при штамповке от прутка, меньше, чем при штамповке мерных заготовок за счет более значительного выдавливания металла в зажимной ручей. В штампах горизонтально-ковочных машин облойных канавок из-за малого объема облоя не применяют. Образующийся плоский облой удаляют в обрезном ручье, конструкция которого выполняется по схеме обычного обрезного инструмента.
Ручьи для трубных заготовок. Горизонтально-ковочные машины удобны для обработки труб, особенно при большой их длине, когда высадка на этих машинах является единственно возможным способом получения фланцев и утолщений на конце труб. На практике широко применяют высадку труб для большого количества разнообразных трубных поковок (рис. 271). Увеличение внутреннего и наружного диаметра трубы (рис. 271, а) можно получать за счет утонения трубы и без него. При необходимости можно получить фланец (рис. 271, б), утолщение внутрь (рис. 271, в), а также утолщение, выступающее наружу и внутрь трубы (рис. 271, г). Инж. А. Н. Дунаев экспериментально установил допустимые соотношения размеров у трубных заготовок, которые могут быть использованы при расчете переходов высадки труб.
1. При высадке на концах трубы (рис. 273, б)
Ьф — (0,254-0,5) 6 (где 6 — ая~авя \ можно получить фланцы диаметром D# = (24-2,5) d„.
2. При Ьф < 0,75i!r. и < V + 0,75djK утолщения на концах труб можно высаживать в две операции: первая — 430
высадка внутрь трубы до dn > (рис. 273, е) и вторая — увеличение внутреннего диаметра до исходного detl и наружного диаметра до заданного размера (рис. 273, б).
3. При кф > 0,75d„ и Оф < у & -|- б,75Й^ высадка трубы должна осуществляться в три операции, две из которых наборные.
Уменьшение внутреннего и увеличение наружного диаметров трубы можно осуществить одновременно. Однако последовател ъ-ная высадка (сначала внутрь, а затем снаружи) протекает в более
благоприятных условиях. При необходимости конец трубы может быть высажен и в коническом пуансоне (рис. 271, д).
Ручьи для операций, совершаемых подвижной матрицей. В рассмотренных выше ручьях деформации осуществлялись силой основного кривошипного механизма машины. У горизонтально-ковочных машин деформации осуществляются также силой, развиваемой при боковом ходе подвижной матрицы. Рассмотрим соответствующие ручьи.
Пережимной ручей. Для уменьшения в каком-либо месте поперечного сечения заготовки (например, для обеспечения нормальных условий просечки поковок, см. рис. 270, а) служит пережимной ручей. Пережим прутков осуществляют боковым перемещением пережимных матриц. Механизм бокового хода горизонтально-ковочных машин может быть использован только для сравнительно небольших деформаций, которые достаточны для пережима прутков. Чтобы избежать вытеснения металла между вставками для пережимных матриц и последующего образования зажимов на поковках, допускается пережим с круга на круг за один ход машины не более чем на 5% по диаметру. Пережим большей величины осуществляется в двух или трех ручьях с кантовкой
431
1 г
Рис. 272. Конструкция овального пере-жимиого ручья:
I — неподвижная и 2 — подвижная части матрицы
прутка на 90э. Эту операцию выполняют в овальных ручьях (рис. 272), и только последний пережимной ручей имеет круглую форму. Рядом с высадочной полостью матрицы диаметром dM размещается пережимная часть ручья. Часть ручья диаметром d относится к зажимному ручью. В месте пережима (малая ось овала dj) металл перемещается частично вдоль оси прутка, а частично вдоль большой оси овала в уширение, которое в этих условиях не превышает 15%, поэтому большая ось овала ручья принимается равной 1,15 d.
При пережиме прутков различных диаметров на одну и ту же относительную величину объем металла, вытекающего за пределы ручья и образующего впоследствии зажимы, больше для крупных прутков. При использовании прутков диаметром 20—80 мм получаемый пережим па 10% больше, чем при использовании прутков диаметром более 80 мм. В автотракторной промышленности пережим прутков на 45% по диаметру получают в овальном ручье и в ручье с круглым сечением. При пережиме па 55% применяют два овальных ручья и один круглый. Очередной пережим
после кантовки прутка можно осуществлять за второй ход машины в том же овальном ручье, но так как пережимные ручьи можно сопрягать с другими, имеющимися в данном мпогоручьевом штампе, то, чтобы не уменьшать производительности работы, нецелесообразно применять пережим, требующий повторных ходов. Необходимость кантовки прутков на 90° при пережиме приводит к ограничению применения пережимных ручьев для поковок, не являющихся телами вращения.
Отрезной ручей. Поковки без отверстий могут быть отделены от прутка ножами, действующими от бокового хода. Существуют две разновидности конструкции отрезных ручьев (рис. 273). В одном случае (рис. 273, а) ножи пит расположены так, что поковка (или часть прутка, предназначенная для высадки) остается неподвижной, а пруток сдвигается под действием ножа т, установленного на левом подвижном блоке матриц. В другом случае (рис. 273, 6) поковка (или часть прутка, предназначенная для высадки) сдвигается относительно неподвижного прутка с помощью 432
приема можно разрезать
Рис. 273. Отрезной ручей штампов горизонтально-ковочных машин:
ножа л, укрепленного на подвижной матрице. Чтобы избежать смещения конца прутка при его разрезке, устанавливается скоба k, которая поддерживает пруток в нужном положении.
При отрезке прутков ножами, действующими от бокового хода, главный ход машины можно использовать для высадки отрезанной заготовки, поскольку боковой ход заканчивается раньше, чем начинается высадка прутка. В одном ручье отрезают прутки диаметром до 30 мм. В двух ручьях за два прутки диаметром до 80 мм. Если отрезка нс совмещается с высадкой, то отрезной ручей устанавливают (из экономии места) на зеркале блока между какими-либо ручьями как можно ближе к середине высоты блока. Форма ножей аналогична применяемой для ножниц (см. рис. 14, а).
Ручей для плющения. При необходимости боковой ход машины можно использовать для расплющивания высаженных головок. При плющении можно также получить углубления, ось которых перпендикулярна оси прутка. Для осуществления деформации поковки при использовании бокового хода следует иметь в виду сравнительно небольшую длину полезного хода и небольшое усилие. Даже у горизонтально-ковочных машин большой мощности этот ход не более 10—15 л/ле
при усилии, не превышающем 30% от номинального, развиваемого машиной на пуансоне в конце рабочего хода.
Гибочный р у ч е й. На горизонтально-ковочных машинах можно выполнять гибочные операции. Однако гибка не является типичной операцией для горизонтально-ковочных машин и бывает необходима при получении несимметричных головок для предварительного перераспределения металла (рис. 274, а) или изгиба заготовки в соответствии с требуемой формой поковки (рис. 274, б). Гибку осуществляют при помощи поперечного или главного ползуна машины.
Зажимные ручьи. Зажимные ручьи в отличие от всех других предназначены не для деформации прутка, а для его удержания в процессе высадки.
На практике применяют гладкие зажимные ручьи (рис. 275, а) или рифленые (рис. 275, б—г).
Для зажима гладкими зажимными ручьями требуется участок прутка большей длины Ls; эти зажимы не оставляют следов на прутке. Так как длиной зажима при штамповке от прутка опре-28 Я- М. Охрименко 597 433
I - пул неон; 2—левая к 3—пра-иая части матрицы
делается длина концевого отхода, то необходимо, чтобы зажимной ручей был как можно меньшей длины. С этой целью применяют ручьи с канавками (рис. 275, б) или выступающими поясками (рис. 275, е). Для еще большего укорочения зажимной матрицы применяют ручьи с канавками, в промежутке’между7 которыми наплавлены (например, автогеном) бугорки, возвышающиеся над рабочей поверхностью матрицы. Зажимной ручей очень небольшой длины выполняется с острыми зубцами, профиль которых имеет вид
Рис. 274. Гибка в штампах горизонтально-ковочных машин
ерша (рис. 275, а). Металл при зажиме полностью не затекает в острые углы этого ручья, зубцы же оставляют на прутке следы. Ручей такой формы можно применять лишь в тех случаях, когда нет опасности образования складок при последующей высадке части прутка, находившейся в зажиме.
При наличии в штампе нескольких зажимных ручьев рифление в виде канавок или выступающих поясков целесообразно располагать таким образом, чтобы следы его на прутке не совпадали со следами от рифления при деформации прутка в следующем ручье.
Профиль зажимных ручьев строят исходя из того, что матрица в направлении зажима должна иметь минимальный размер прутка В~д, а в плоскости разъема — максимальный размер прутка D+Д по холодным размерам. Для прутков повышенной точности разница этих размеров не превышает £)0 ± 1,2% от диаметра. Расширение прутков при нагревании (примерно на 1,2% при 850—900° С) обеспечивает плотное зажатие всех их 434
размеров. Для размещения избыточного металла при наибольших размерах прутков служит развал сечения ручья под углом а =
- 30-5-45 по месту разъема матриц. Для получения эллиптического сечения зажимного ручья токарную обработку его осуществляют по наибольшему размеру прутка (с учетом допуска) с прокладкой между половинами матрицы, толщина которой равна допуску на пруток. После нанесения развала матрицы получают необходимый эллип-
—-___-—-|^___— тический профиль.
Рис. 275. Зажимные ручьи штампов горизонтально-ковочных машин: с — вид на правую часть матрицы; б, в, г — разрез в плане
Рис. 276. Схема действующих сил при зажиме прутка (разрез в плане)
Удержанию прутка в ручье способствуют образующиеся при зажиме прутка заплечики (на границе между высаживаемой и зажатой частями прутка), на которые опирается высаживаемая часть прутка (рис. 276, а). В процессе высадки заплечики увеличиваются (рис. 276, б). Заплечики разгружают зажимной ручей, так как при этом Т -j- R = Р или kT — Р, где k — коэффициент больше единицы, учитывающий наличие у прутка опоры. В случае, когда контактная поверхность между прутком и ручьем соответствует боковой поверхности цилиндра диаметром Dc и длиной Ls, имеет место соотношение (для начального периода высадки)
kLsTtDfp.GCM " Руд>
28*
435
откуда
^ОРуд
(79)
3 4Лролл
где [1 — коэффициент трения;
р^д — удельная сила высадки, зависящая от температуры конца прутка (обычно 1000—1200 J С) и соотношения размеров Do : Lfl;
— сопротивление смятию металла при температуре зажима (обычно 850—900° С). Эту величину можно представить как среднее нормальное напряжение па боковой поверхности заготовки.
Из выражения (79) видно, что длина зажима может быть уменьшена при уменьшении диаметра прутка, а также сопротивления деформации (т. е. с повышением температуры высаживаемого Конца прутка) и при возрастании роли заплечиков (коэффициент k), коэффициента трения в зажимном ручье и сопротивления смятию металла в нем (т. е. с понижением температуры зажимного участка прутка). Расчет длины зажимного ручья усложняется тем, что коэффициент k является величиной неодинаковой для прутков с различными допусками и переменной в процессе высадки. В случае пережима прутка (рис. 276, «) роль заплечиков приобретает еще большее значение.
Величина поверхности контакта изменяется в зависимости от изменения величины фактического допуска на диаметр прутка и теплового расширения стали, которое, в свою очередь, зависит от температуры металла в зажимном ручье. Нетрудно видеть, что для формовочных ручьев с более низкой температурой высадки (после набора металла) и при Lo : Do <3 потребуются зажимы большей длины, чем для наборных ручьев с более высокой температурой высадки и величиной > 3 (вследствие меныпего удельного усилия высадки).
Расчет силы трения для рифленого ручья затруднителен, поэтому обычно пользуются практически установленными величинами L3. Достигается это пробной штамповкой прутков небольшой длины, насаженных на тонкие стержни. Если установить наименьшую длину прутка, при которой он не выталкивается из матриц, то эту длину можно принять за размер L3.
В процессе высадки допускается небольшое выталкивание прутка, при этом важно, чтобы оно было одинаковым во всех случаях штамповки данного типа поковок; тогда можно отрегулировать упор так, чтобы поковки получались в закрытых штампах без заусенцев. В процессе высадки часть объема металла, находящегося в полости матрицы, выталкивается в зажимной ручей. Очевидно, в этом и состоит одна из причин, по которой объем облоя в открытых штампах горизонтально-ковочных машин меньше объема облоя в штампах аналогичного типа ври штамповке па молотах и прессах.
435
В действующих нормалях и во многих пособиях по штамповке для расчета длины зажима рекомендуются эмпирические формулы в функции диаметра заготовки. Например, для гладкого ручья рекомендуют L3 = 2,5D<, 50 мм, а для рифленого Ls — 2,074 4
+ 30 мм. При этом имеется в виду, что чем больше типоразмер машины, тем больший диаметр у высаживаемой заготовки, а также
у поковки. Это должно привести к большей силе зажима в соответствии с большим необходимым усилием на высадку. Правильнее длину зажима Ls определять экспериментальным путем, что и практикуется на заводах.
Задние упоры. Этот упор представляет собой приспособление для упора мерной заготовки в процессе ее высадки (рис. 277). Для того чтобы обеспечить высадку на длину Lo мерной заготовки длиной кзаг, ее упирают в жесткий упор, находящийся па расстоянии Lsag — Lo (рис. 277, о) от дна полости матрицы. В начале деформации прутка сила Р передается па упор, вызывая реакцию А4- После образования высаженной головки появляется 437
дополнительная реакция со стороны дна полости матрицы при этом задний упор не воспринимает всей силы Р. Следовательно, задний упор заменяет передний упор и зажимной ручей. Часть ручья, смежная с полостью матрицы, служит лишь для предотвращения продольного изгиба заготовки.
Задний упор применяется в следующих случаях,
1. Если по условиям высадки заготовка не выступает за передний обрез матрицы, передний упор применить нельзя.
2. Когда часть поковки представляет собой пруток, недостаточно качественная отрезка которого боковым ходом машины недопустима по техническим условиям и необходима предварительная отрезка мерных заготовок, например, на пиле.
3. Если длина поковки, включая невысаженную часть, больше длины матрицы,
4, Когда по условиям высадки длина мерной заготовки недостаточна для осуществления зажима.
Задние упоры подразделяются на типы в зависимости от их расположения: в пределах матрицы; выступает из нее, но находится в пределах станины или находится на большом расстоянии от машины (рис. 277).
Простейший упор первого типа (рис. 277, б) представляет собой выступ на неподвижном блоке матриц. Заготовка 1 закладывается в ручей и удерживается в нем клещами, изогнутыми под прямым углом. Для того чтобы установить клещи в блоках матриц, предусмотрены соответствующие пазы.
Заготовка, нагретая до высокой температуры, имеет упор не по всему торцу, поэтому на ней вследствие местного смятия может образоваться нежелательный след от упора (ступенька).
При выполнении паза для заднего упора данной конструкции заготовка опирается половиной своего торца и условия се смятия будут следующими:
Руд^ ~2 Руд “2"
т. е. смятие возможно, если удельная сила для высадки достигает половины сопротивления смятия прутка. Смятие особенно опасно в начальный период высадки до образования в ручье заплечиков, разгружающих упор. Для устранения смятия заготовки необходимо увеличить площадь опоры, например, наваркой или другим способом. Целесообразнее применять так называемый «упор в клещи» (рис. 277, в). Этот тип упора наиболее распространен. Второй тип упора представлен на рис. 277, а. Заготовка упирается в торец регулируемого винта, ввернутого в планку, укрепленную в рабочем вырезе станины машины. Клещи, изогнутые под прямым углом, служат для удержания заготовки в процессе ее высадки. При использовании мерных заготовок очень большой длины применяют упор, смонтированный в виде рейки с выступами (рис. 277, 6), 438
которые удерживают упор. Точное регулирование длины упора осуществляется болтом, в головку которого упирается заготовка.
Такие упоры могут быть использованы также для трубных заготовок, длина которых достигает 9 jw. Тонкая трубная заготовка высаживается с задним упором во избежание смятия труб в зажимных ручьях, а также потому, что они обычно имеют мерную длину.
Задний упор, как и передний упор, применяется только в одном ручье штампа (обычно в первом). При дальнейшей штамповке положение заготовки фиксируется в ручьях с помощью выступов, имеющихся на поковке.
Элементы конструкции штампов. Высадочные штампы состоят из пуансонов и матриц. Пуансоны расположены в блоке пуансонов (называемом также пуансонодержателем), а матрицы — в блоках матриц.
Блоки пуансонов и их крепление. Наибольшее распространение получил тип сплошного блока пуансонов (рис. 278). В правой части блок имеет пазы для фланцевого закрепления хвостовиков пуансонов (в данном случае их три). Закрепление блока в седле ползуна осуществляется планкой 1, которая прижимается к ползуну болтами 2. Болт 3, упираясь в выступ блока, прижимает его к клину 4, который осуществляет регулирование положения блока (и соответственно положения пуансонов). При подъеме клина (ввертыванием болта 5, упирающегося в ползун) блок передвигается вправо. После установки блока положение его фиксируется болтом 3. Для уменьшения массы литой блок имеет в средней части выемку прямоугольной формы, что уменьшает и облегчает обработку боковых поверхностей блока.
Блоки данной конструкции надежны в работе и при наладке штампов обеспечивают необходимую стабильность. Такие блоки изготовляют в двух-, трех- и четырехручьевом исполнении. Размеры h6, Ьб и 16 увязываются с габаритными размерами соответствующего паза в ползуне машины. Кроме фланцевого крепления, применяются блоки с винтовым креплением пуансонов, а также со стяжным их креплением.
Крепление пуансонов. Требования, предъявляемые к креплению пуансонов, заключатся в жесткости, возможности регулирования положения пуансона, экономном расходовании штамповой стали, простоте изготовления и удобстве монтажа и демонтажа инструмента. Этим требованиям отвечает наиболее распространенный вид крепления пуансонов с помощью фланцев, закрепляемых болтами (рис. 279, а). Задний бурт пуансона служит опорой при высадке, а заплечики k работают при обратном ходе машины, когда пуансон отходит от поковки. Чтобы предотвратить поворот пуансона (что важно при несимметричных поковках), служит лыска s, в которую упирается выступ на блоках 439
(см. также рис 278). Этот надежный тип крепления применяют на машинах средних и больших размеров.
Другой распространенный тип крепления пуансонов, применяемый на машинах небольших и средних размеров, показан на рис. 279, б. В этом случае крепление осуществляется наклонным
Рис. 278. Блок пуансонов с фланцевым закреплением пуансонов в трехручьевом исполнении:
ht. Л2; As — расстояния до осей пуансонов
стопорным винтом, который создает некоторый натяг, прижимая пуансон к блоку.
Чтобы предотвратить поворот пуансона, используют шпильки с. В целях более экономного расходования штамповой стали применяются пуансоны составной конструкции. На рис. 279, в показан составной пуансон, рабочая часть 1 которого прикреплена к крепежной части 2 гайкой 3. Пуансоны (рис. 279, а) клинового типа обеспечивают жесткое крепление рабочей части пуансона, но демонтаж их сложен (деформируются клинья, и это затрудняет их удаление). Крепление составного пуансона в данном случае 440
осуществляется сквозным болтом, привернутым гайкой сзади блока, это приводит к необходимости съема всего блока при демонтаже пуансона. Крепление быстроизнашивающихся вставок в полых пуансонах осуществляют так, как показано на рис. 279, д. Наличие галтели на вставке обеспечивает легкое ее крепление в гнезде (в обойме).
Основные требования, предъявляемые к конструкции составного инструмента, заключаются в экономном использовании
Рис. 279. Крепление пуансонов
стали и отсутствии трудновыполнимых и ненадежных в работе деталей. По этой причине к резьбовым соединениям на пуансонах прибегают лишь в исключительных случаях. Например, при формовке в пуансонах относительно высоких поковок и образовании в них глубоких полостей применяют скользящий пуансон, предотвращающий вытекание металла в облой (рис. 279, ё); рабочая вставка пуансона имеет резьбовое крепление. В этом случае пружина, предназначена для передвижения (па обратном ходу ползуна) наружной рубашки пуансона, которая, упираясь при прямом ходе в матрицу, предотвращает образование облоя во время высадки поковок. Такая конструкция пуансона позволяет использовать его как штамп с компенсатором (см. схему на рис. 229, е).
Блоки матриц и их крепление. Блоки, в которых закрепляют части матриц, обычно изготовляют сплошными из конструкционных сталей (например, из стали 45, рис. 280).
441
Правый, неподвижный блок, находится в гнезде станины, а левый, подвижный блок, — в боковом ползуне. Так как в рабочем (сомкнутом) положении блоки матриц с трех сторон ограничены опорными поверхностями, то для их установки и крепления применяют накладки 1 с нажимными болтами 2 и направляющие шпонки 3 (рис. 280, а).
Вставки матриц, изготовляемые из штамповых сталей, применяются для всех описанных выше ручьев и имеют форму полуцилиндра с выемкой, соответствующей части рабочей полости ручья. При соприкосновении двух вставок в конце бокового хода машины образуется вся полость. Вставки кренятся сквозными
Рис. 280. Блоки матриц
болтами 4 с гайками, навинчиваемыми с тыльной стороны блоков. Вставки для матриц могут быть использованы для части ручья, для всего ручья или для двух ручьев в зависимости от стойкости отдельных участков штампа и условий закрепления вставок на блоках. Важно, чтобы можно было заменить наиболее изнашиваемую часть штампа. Однако не всегда на зеркале блоков удается расположить большое количество вставок, поэтому приходится несколько вставок объединить в одну общую. Небольшие вставки крепят одной парой болтов, большие — двумя, а иногда и тремя парами болтов. В виде исключения один болт может быть использован одновременно для крепления двух соседних вставок (рис. 280, а, верхние левые вставки). Наружный диаметр вставок выбирается в зависимости от их прочности, при этом учитывается возможность унификации крепежных гнезд в блоках. Для разгрузки крепежных болтов от напряжений среза необходимо, чтобы вставки упирались непосредственно в блок матриц. Для этого каждая последующая вставка в направлении усилия высадки должна быть меньшего диаметра, это обеспечивает упор вставок в стенку блоков. Блоки с ручьями, расположенными в них (без вставок), используются относительно редко, при небольших сериях 442
выпуска поковок. Штампы без вставок изготовляют из менее дорогих марок стали.
Известно крепление вставок одним болтом, ввинчивающимся с тыльной стороны (рис. 280, б). Эта конструкция проще, но ее недостатком является наличие резьбы во вставке.
Особенности регулирования штампов. Положение блоков матриц и их вставок регулируется прокладками. В рабочем (сомкнутом) положении блоки матриц плотно прижаты друг к другу, обычно вставками, которые немного выступают по разъему над зеркалом блоков. Чтобы избежать поломки штампов, пуансоны
Рис- 281. Регулирование штампов; а — закрытых; б — открытых
не должны приходить в соприкосновение ни с блоками матриц, ни с их вставками. Исключение составляют скользящие матрицы ипуансоны.
Регулирование и наладка штампов различны для открытых и закрытых штампов. Для закрытых штампов (рис. 281, а) расчет их долевых размеров производят по номинальным размерам перехода без учета упругих деформаций машины, так как при установке и наладке таких штампов можно регулировать в обе стороны положение пуансона относительно матрицы (путем регулировочного клина и прокладок). Для открытых штампов (рис. 281, б) при расчете длины пуансонов и глубины ручьев необходимо заранее учитывать величины возможных упругих деформаций, так как при регулировании штампов не следует приближать пуансон к матрице во избежание удара их друг о друга при холостом ходе машины, что может привести к разрушению штампов.
По литературным данным величина упругих деформаций составляет 1 мм для машин усилием 2940—3920 кг (300—-400 т) и до 3,5 мм для машин усилием 19 600 кн (—2000 гл). Экспериментально установленная величина упругих деформаций для машин усилием 10 780 кн (-—1100 т) составляет 2,2 мм.
Особенности технологического процесса высадки. Схема построения технологических процессов штамповки на горизонтальноковочных машинах аналогична общей схеме для всех типов штамповочных машин и будет рассмотрена в § 8 данной главы.
443
Таблица 46
Допускаемая высота заусенцев у поковок при штамповке в закрытых штампах (в мм)
Масса поковок в кг Группы точности размеров ПОКОЕОК
1-а 2-я 3-я
Свыше 0,25 до 0,63 1.0 2,5 3,0
» 0,63 » 1,6 1.6 3,0 3,5
» 1,6 » 2,5 2,0 3,5 4,0
» 2,5 » 4 2,5 4,0 4,5
» 4 » 6 3,2 4,5 5,0
» 6,3 » 10 3,5 5,0 6,0
Специфические особенности технологического процесса высадки описаны ниже.
Ввиду пространственного разъема штампов углы уклона применяются только для глухих полостей в пуансонах и матрицах, а напуски, упрощающие конфигурацию поковки, обычно не требуются (см., например, рис. 256). В связи с этим, хотя максимальные припуски у поковок, штампуемых на горизонталыю-ковочных машинах, предусматриваются по ГОСТу 7505—55 большими, чем у других штампованных поковок, все же масса первых (для одноименных деталей) меньше.
При определении объема заготовки исходят из объема поковки и типа штампа. Если применяется обычный закрытый штамп, а в качестве заготовок прокат повышенной точности, то учитывается расход металла на заусенец, равный 0,5—1,5%. Этот расход металла можно подсчитать и более точно по табл. 46 с учетом допустимого заусенца.
Толщина заусенцев определяется полуразностыо р азмеров матрицы и пуансона.
Чем сложнее и меньше по объему поковка, тем больше
относительный объем образующегося заусенца. Если для данной поковки применяется открытый штамп, то фактический объем облоя зависит от типа применяемого упора. При наличии переднего упора и зажимного ручья можно иметь сравнительно небольшой облой, назначение которого заключается в том, чтобы препятствовать значительному вытеканию металла по месту основного разъема штампов. Остальной избыточный металл выталкивается при некотором продвижении прутка вдоль зажимной матрицы и вытекает в зажимную часть ручья, заполняя место «развалки» ручья по дополнительной плоскости разъема (в направлении большой оси сечения зажимного ручья), а также в канавки рифленого зажимного ручья.
При наличии заднего упора применяются гладкие ручьи без канавок, продвижение прутка вдоль матрицы исключается и значительная часть избыточного металла вытекает по месту разъема штампа, образуя относительно больший облой.
Для успешного осуществления технологического процесса высадки очень важно правильно выбрать исходную заготовку. В подавляющем большинстве случаев применяются прутки с круглым профилем сечения, но при необходимости может быть приме-444
пен профильный прокат, если это оправдывается технико-экономическими соображениями.
При определении размеров заготовки исходят из следующих соображений.
1. Если пруток данного диаметра является частью поковки в виде стержня с головкой (болты, клапаны, валики с шестеренками, оси с фланцами и т. п.), то его следует принять в качестве исходной заготовки.
2. Для поковок с отверстием целесообразнее принимать диаметр прутка примерно равным диаметру отверстия (см. рис. 270).
3. Чем меньше диаметр прутка, тем больше колебания в объеме заготовки за счет допусков при прокатке и тем вероятнее появление заусенца на некоторых поковках, штампуемых в закрытых штампах.
4. Очень тонкие прутки (менее 15—20 лш) быстро остывают, что приводит к повышению удельного усилия, увеличению неравномерности деформации и некоторому уменьшению пластичности металла.
5. Чем больше диаметр прутка, тем меньше общая затрата работы на деформацию (с учетом прокатки), что следует предпочесть.
6. Пруток чрезмерно большого диаметра приводит к малой длине высадки (длина заготовки для высадки должна быть больше высоты поковки).
7. Для большого диаметра прутка при работе «от прутка» может быть недостаточно имеющихся средств механизации; применение прутков большой массы для высадки должно сопровождаться дополнительной механизацией рабочего места.
8. Если поковка отделяется от прутка при ходе поперечного ползуна, то при большом диаметре прутка следует проверить, можно ли осуществить этот процесс на данной машине.
9. Чем больше диаметр прутка, тем больше концевые отходы (при использовании концевых отходов указанное обстоятельство не является отрицательным).
Применение прутка большого диаметра особенно предпочтительно в тех случаях, когда это приводит к уменьшению числа переходов при штамповке, т. е. к увеличению производительности машины.
Тонкие, быстро стынущие части поковок целесообразно образовывать в первых ручьях, пока металл имеет более высокую температуру.
Каждый предыдущий переход должен создаватв в матрице опорную поверхность для последующего перехода. Пуансоны должны образовывать в переходах центрирующие углубления: к моменту начала деформации пуансон должен находиться в матрице для обеспечения точности его движения. Набор в пуансонах следует предпочесть набору в матрице из-за отсутствия затекания
445
металла по месту разъема матриц и возможности большей величины высадки за один ход.
Оценивая порядок расположения ручьев по высоте блоков, следует иметь в виду, что упор осуществляется проще для верхнего ручья. Наиболее нагруженный ручей лучше расположить ближе к нижней части машины во избежание перекоса блоков. Рассмотрим несколько примеров хорошо отработанных технологических процессов.
Рис- 282. Технологические переходы (а) и штамп (б) для штамповки поковки полуоси автомобиля
На рис. 282 показаны переходы при штамповке одного конца полуоси автомашины в четыре операции (рис. 282, а). Два наборных перехода 1 и II и два формовочных III и IV осуществляются в штампе со вставками. В данном случае оба формовочных ручья закрытого типа, что позволяет получать поковки из проката повышенной точности практически без заусенцев.
Высадка поковки втулки с развитым фланцем производится в четырехручьевом штампе (рис. 283). Ручей 1 предназначен для набора металла в коническом пуансоне (с отверстием для выхода газов, чтобы избежать незаполнения угла полости). В этом же ручье производится пережим прутка диаметром Do на эллиптическое сечение. В ручье 2 происходит высадка фланца с наметкой будущего отверстия, причем для компенсации утяжины при последующей прошивке торец фланца получается выпуклым. В этом же ручье оформляется пережим прутка до диаметра, равного диаметру отверстия поковки, для чего при переносе прутка из ручья I в ручей 2 производится поворот прутка на 90°. В ручье 3 446
447
оформляется фланец при прошивке с радиальной раздачей металла. Ручей 4 предназначен для просечки поковки.
Макроструктура высаженных поковок обеспечивает высокую прочность деталей машин. На рис. 283 приводится макроструктура поковки в виде стержня с головкой и поковки с отверстием типа шестерни.
Штамповка на горизонталыю-ковочпых машинах с горизонтальным разъемом матриц в принципе не отличается от описанной выше. У этих машин, выпускаемых отечественной промышленностью усилием 400, 630 и 800 т, легче осуществлять механизацию передачи заготовок из ручья в ручей. Конструкция машин обеспечивает больший рабочий ход при использовании подвижной (верхней) полуматрицы для штамповки. Штамп и переходы при штамповке втулок с фасонным профилем отверстия приведены на рис. 284.
Слева на рис. 285, а дан вид блоков матриц (вверху — вид спереди, внизу — вид сверху). Справа на этой же позиции дан вид пуансонодержателя (вверху — вид сбоку, внизу — вид сверху).
В парке кузнечно-штамповочных машин СССР количество горизонтально-ковочных машин составляет 10%; на них штампуется около V3 всех поковок, выпускаемых штамповочным оборудованием [37].
§ 7. ШТАМПОВКА ВЫДАВЛИВАНИЕМ И ПРОШИВКОЙ
Схема процесса выдавливания поковок в общих чертах была рассмотрена в § 2 данной главы (см. рис. 154 и текст к нему). Рассмотрим ее более подробно. Этот процесс по схемам деформации и действующих сил аналогичен прессованию прутков и профилей. Основные различия этих процессов состоят в следующем. При прессовании весь объем заготовки за исключением 5—8% отхода (прессостатка) выпрессовывается через матрицу в' изделие в виде длинного профиля. Прессование отличается весьма развитой стадией установившегося процесса, которая составляет 92—95% от всего хода пресса. При выдавливании поковок в течение значительной части хода пресса (60—80%) происходит заполнение сложной полости штампа при одновременном относительно небольшом выдавливании части металла в стержневую часть поковки. Таким образом, выдавливание отличается весьма развитой стадией неустановившегося процесса. Образование стержневой части поковки относится к началу деформации металла и заканчивается после заполнения закрытой полости штампа ме таллом.
Объем стержневой части /поковки может быть различным, но чаще всего он меньше объема корпуса поковки.
Для прессования необходим большой ход пресса с примерно 448
Одинаковым усилием па протяжении стадии установившегося процесса и увеличением его к концу процесса. Таким требованиям вполне отвечают гидравлические прессы. Для удобств манипулирования и транспортирования прутков большой длины прессы имеют горизонтальное направление хода. Для выдавливания поковок небольшой длины, требующих силовой характеристики машины в виде кривой, плавно возрастающей до максимума в конце хода, может быть применен любой тип пресса (гидравлический, кривошипный, фрикционный). Наиболее удобными в экс-
плуатации для выдавливания являются гидравлические прессы,
которые в настоящее время усовершенствованы, компактны И
имеют достаточно высокие, Кривошипные и фрикционные прессы целесообразно применять для выдавливания потому, что к концу хода, когда скорость истечения металла в стержневую часть поковки максимальная, скорость хода машины постепенно убывает, так что сопротивление деформированию ме
свободно регулируемые скорости хода.
Рис 286 Конфигурация покупок, получаемых выдавливанием
талла не возрастает до слишком больших вели-
ЧИН.
Штамповкой выдавливанием можно изготовлять с относительно короткими отростками поковки, которые в связи с этим имеют значительную разницу в соседних поперечных сечениях (рис. 286). Выдавливанием можно получать поковки с одним или несколькими отростками, сплошные или полые, а также с боковыми отростками (типа крестовин, тройников и т. п.); в этом случае необходимы штампы с двумя плоскостями разъема. Выдавливание применяется и для фасонирования заготовок, используемых при последующей штамповке .
Процесс выдавливания можно разделить на три стадии; осадка до момента соприкосновения бочкообразной заготовки с боковыми стенками полости; заполнение полости металлом; выдавливание металла при заполненной полости.
Образование стержневой части поковки происходит на всех трех стадиях процесса. На первой стадии выдавливание металла в стержневую часть незначительно и зависит от высоты заготовки Но и соотношения , где Do — диаметр заготовки, a d — диаметр стержневого отверстия. На второй стадии выдавливание увеличивается; это основная стадия процесса для образования стержня. К началу третьей стадии стержень может быть уже 29 д, м. Охрименко 597 449
образован, и тогда выдавливание продолжается за счет избыточного металла из-за неточности дозировки заготовки. Однако встречаются и такие случаи, когда вторая стадия слишком затягивается. Это характерно для поковок со сложными формами корпуса или для относительно небольшого отношения -ф-. где drl — действительный или приведенный (для корпуса некруглых форм) диаметр полости штампа, ad — диаметр стержневого отверстия. В этих случаях металлу легче вытекать в стержневое отверстие, чем воспроизвести рельеф полости в штампе для корпуса поковки.
Рис. 287. Основные схемы и действующие силы на третьей стадии выдавливания:
I — прямое и II — обратное выдавливание
Для обеспечения третьей стадии процесса приходится применять противодавление, подпирая стержень соответствующим устройством (см., например, рис. 231).
На рис. 287 представлены две основные схемы выдавливания и действующие силы применительно к третьей стадии процесса выдавливания грибовидной поковки. Инструмент для выдавливания состоит из пуансона а и матрицы б. Матрица б с полостью, в которой размещается корпус поковки, имеет входное отверстие для пуансона и стержневое или выходное отверстие для выдавливания металла. Полость матрицы можно рассматривать как состоящую из двух частей: пассивной, образованной неподвижными относительно друг друга боковой стенкой и дном; активной, образованной подвижными относительно друг друга боковой стенкой и торцовой поверхностью пуансона. Если выходное (стержневое) отверстие расположено в пассивной части полости (рис. 287, Z), то выдавливание называют прямым. Если же отверстие расположено в активной части полости (рис. 287, II), то 450
выдавливание называют обратным. Схемы действующих сил при прямом и обратном выдавливании неодинаковы. Основное отличие касается сил трения на стенках инструмента, которые направлены против движения металла. Как видно из рассмотрения рис. 287, схемы выдавливания и усилие для осуществления процессов не зависят от того, какая часть инструмента подвижна и какая неподвижна. В общем случае могут перемещаться и обе части инструмента. Имеет значение лишь местоположение выходного отверстия (в активной или пассивной частях полости). В за
Рис. 288. Искажение координатной сетки при прямом (а) и обратном (б) выдавливании
висимости от подвижности той или иной части инструмента изменяется наименование сил 1 и 2; одна из них является внешней силой, а другая ее реакцией. Боковые силы 3 являются реакцией внутреннего давления сжатого металла на стенки матрицы. При движении стержня поковки относительно боковой, поверхности выходного отверстия возникают силы трения 4, направленные против движения стержня. Силы трения 5 возникают вследствие перемещения металла по направлению к выходному отверстию. На третьей стадии при обратном выдавливании никаких других сил трения не возникает, так как заготовка находится в глухой полости и неподвижна относительно ее стенок. Смещается лишь металл, находящийся в активной части полости. Это подтверждается экспериментами при деформации образцов с предварительно нанесенной координатной сеткой в продольном сечении (рис. 288).
При прямом выдавливании на третьей стадии процесса происходит смещение объема заготовки относительно всех стенок полости, что видно по искажению координатной сетки на рис. 288, а.
29* 451
В связи с этим на боковой и торцовой стенках полости (рис. 287, /), кроме сил трения 4 и 5, возникают силы трения 6 и 7. Силы трения 7 на торце пуансона направлены от его оси к периферии, что согласуется с противоположным направлением соответствующего потока металла (см. стрелки на рис. 288, а), который при прессовании приводит к так называемой пресс-утяжине. Этот дефект в виде воронкообразной выемки образуется в результате вытекания из полости значительного количества металла (более 90%) и при выдавливании поковок обычно не встречается.
На второй стадии выдавливания действие сил подчинено несколько иной схеме. Как уже отмечалось, эта стадия при вы-
Рис. 289. Вторая стадия выдавливания: а — прямое п б — обратное ввдавлиааиис
давливании поковок очень развита и существенно влияет на весь процесс формообразования, поэтому рассмотрим ее более подробно.
На рис. 289 представлены начало (левые части схем) и конец (правые части схем) второй стадии выдавливания прямым и обратным методами.
В данном случае внешние силы Р передаются пуансонами 1, которые подвижны относительно матриц 2. Для большей наглядности схемы расположены так, что выдавливание стержня происходит в одном направлении (вниз).
Вследствие наличия выходного отверстия на одной из торцовых поверхностей полости удельные силы с самого начала процесса на дне матрицы и на пуансоне неодинаковы. На первой стадии прямого и обратного процесса (свободная осадка заготовки) вследствие того, что Р = R, условия истечения металла в отверстие также одинаковы. Образование стержня может начаться при относительно большом диаметре выходного отверстия по сравнению с диаметром заготовки.
С момента соприкосновения бочкообразной заготовки с боковой стенкой полости (вторая стадия выдавливания) возникают боко-452
вая реакция /?с, а затем сила трения Т, направленная против движения осаживаемой заготовки (остальные силы трения на рис. 289 не даны).
Нетрудно видеть, что направление осадки заготовки в обоих случаях происходит в сторону пассивной (глухой) части полости. Это обусловливает действие боковых сил трения Т по направлению от пассивной части полости к активной, т. е. от дна глухой полости по направлению к пуансону. В результате отклонение равнодействующих от сил и Т происходит в разные стороны по отношению к стержневому отверстию. Если сумма вертикальных проекций сил равна нулю, то получим для обеих схем
Р - R + Т.
Отсюда можно заключить, что общее усилие, необходимое для осуществления прямого и обратного выдавливания на второй стадии процесса, так же как и на первой его стадии, одинаковое. Однако удельное давление на поверхности F с отверстием составит
Р — Т
меньшую величину ру9 — —j— при прямом выдавливании и большую величину ру9 = уг при обратном выдавливании. Естественно, что обратное выдавливание начнется раньше, в процессе возрастания усилия на деформацию заготовки, и будет происходить более интенсивно, чем прямое выдавливание. Большая интенсивность процесса на второй стадии обратного выдавливания происходит при одинаковой деформации заготовки по высоте при прямом и обратном выдавливании. Это предопределяет относительно мепыпее затекание металла в углы полости матрицы и позволяет предположить увеличенную протяженность второй стадии обратного выдавливания по сравнению со второй стадией прямого выдавливания.
Меньшее общее усилие обратного выдавливания по сравнению с прямым наблюдается гтишь на третьей стадии процесса, когда при обратном процессе исчезают боковые силы трения. При прямом выдавливании эти силы действуют до конца процесса, что обусловливает относительно большие усилия и работу деформации. Таким образом, чем больше развита вторая стадия процесса выдавливания и чем, соответственно, меньше третья его стадия, тем меньше разница между прямым и обратным методами выдавливания с точки зрения величины действующих сил.
Существует несколько разновидностей процессов выдавливания (рис. 290).
На рис. 290, а представлена схема процесса комбинированного (совмещенного) выдавливания. Пользуясь изложенными выше признаками типа процесса, легко установить, что верхняя часть полости штампа (со стороны пуансона /) является активной; здесь имеет место обратное выдавливание. У дна матрицы 2 453
в пассивной части полости происходит прямое выдавливание. Очевидно, что больший объем металла выдавливается в сторону пуансона независимо от того, находится ли он внизу или вверху, подвижен он или неподвижен. На рис. 290, б приведена схема
Рис. 290. Разновидности процесса выдавливании
двухстороннего выдавливания обратным методом. Здесь обе части полости относятся к активным. В штампе имеется два пуансона 3, 4, движущихся навстречу друг другу, так что центр тяжести (и геометрический центр) заготовки остается в процессе выдавливания неподвижным относительно матрицы 5. Для осуществления такого процесса применяются машины с двухсторонним движением рабочих органов.
Боковое выдавливание (рис. 291, а)
только через отверстие, расположенное в пассивной части полости. Этот процесс имеет много общего с прямым выдавливанием. Сложность конструкции штампов с двумя плоскостями разъема явля
лась препятствием для широкого применения этого процесса. В настоящее время для осуществления такого процесса применяются многоплунжерные гидравлические прессы с движением рабочих органов под прямым углом. Боковое выдавливание может быть осуществлено в нескольких направлениях одновременно. В этом 454
Рис. 291. Схемы бокового одностороннего выдавливания (о) и выдавливания в направлении максимальных касательных напряжений (б) (вторая плоскость разъема штампа — в плоскости чертежа)
возможно
Рис. 292. Форма образцов, деформированных в закрытом штампе с щелью, проходящей через весь периметр заготовки в продольной плоскости сечения штампа
случае применяют разъем штампов в плоскости стержней. В разъемном штампе может быть осуществлено выдавливание в направлении наибольших касательных напряжений (рис. 293, б). Эта схема обеспечивает воспроизведение заданной формы поковки, но может быть применена и для прессования, поскольку опыты убеждают, что более легкое истечение металла из закрытого штампа происходит под углом —45° к оси заготовки. Преимущество этого способа прессования заключается в том, что выходное отверстие проходит через углы, в которых обычно образуются застойные (жесткие) зоны металла.
Образующиеся в прямых углах пассивной части полости штампа застойные (жесткие) зоны металла приводят к увеличению неравномерности деформации. Дно полости целесообразно изготовлять в виде воронки, если это позволяет форма поковки (как на рис. 288), когда указанные зоны металла не образуются.
На форму очага деформации оказывают влияние многочисленные факторы. При охлаждении периферийных слоев заготовки очаг деформации при прямом выдавливании сосредоточивается в середине заготовки. Смазка полости матрицы и тщательная ее обработка приводят к уменьшению сил трения. При этом очаг деформации приближается к выходному отверстию. С уменьшением отношения диаметра волости штампа к диаметру стержневого отверстия (dn: d) очаг деформаций уменьшается [1001.
Обратное выдавливание характеризуется наличием очага деформации,
сосредоточенного у выходного отверстия. Значительное влияние на распределение напряжений при выдавливании оказывает отношение диаметра к высоте деформируемой заготовки. Качественную характеристику распределения напряжений можно получить из следующих опытов. Штамп с закрытой цилиндрической полостью имел узкую щель шириной Л/У, в которую выдавливался металл из полости (рис. 292). Щель проходила через пуансон и матрицу в плоскости продольного сечения штампа. Свинцовые образцы, изготовленные по диаметру полости, сжимались силой Pi пуансоном, который опускался сверху вниз,
455
выдавливая металл в щели (рис. 292, а). Глубина затекания мё‘ талла в щель пуансона больше, чем в щель дна матрицы, что объясняется меньшим сопротивлением деформации нри обратном выдавливании, которое характерно для затекания металла в щель пуансона.
В другом случае металл выдавливался в щели силой двумя пуансонами, двигавшимися навстречу друг другу (рис. 292,6), причем геометрический центр образца оставался на месте. В этом случае металл в щели затекал симметрично. В зависимости от отношения размеров образцов D : 11 изменяется глубина затекания металла в щель по ее периметру. При D : Н — 4 (см. I, б) максимальные напряжения, если судить по глубине затекания металла в щели пуансонов, больше вдоль оси образца. При D : Н = 1 (см. II, б) напряжения одинаковы во всех направлениях. .При D : Н = 0,3 (см. III, б) напряжения убывают на боковой поверхности в направлении от торцов пуансонов.
Анализу процесса выдавливания-прессования посвящено значительное количество работ. Особенно плодотворными оказались исследования с помощью метода линий скольжения, например, работы Л. А. Шофмана [1001, исследовавшего деформации и напряжения тела, идеально пластического (т. е. нсупрочняюще-гося) при плоской и осесимметричной деформации. Использование графического метода построения полей скольжения применительно к жесткопластической деформации дает возможность определить напряжения и деформации в любой точке пластической зоны деформируемого тела. На рис. 293 показаны поля линий скольжения для третьей стадии прямого (а) и обратного (б) процессов выдавливания в условиях плоской деформации. Плоская схема деформации без значительных погрешностей может быть распространена и на осесимметричную деформацию, применительно к которой и даны обозначения на рисунках.
Для построения сеток и их анализа деформируемый объем разделяют на: зоны больших пластических деформаций (очаг деформации скольжения); упругие (жесткие) зоны, в которых обычными экспериментальными средствами (например, по координатным сеткам) не обнаруживаются остаточные деформации; промежуточные зоны, в которых обнаруживается деформация лишь при весьма значительной общей деформации. Поскольку теоретический анализ жесткопластического тела учитывает только зоны больших пластических деформаций, наиболее достоверной по этому методу является форма очага деформации скольжения. Сопоставление сеток линий скольжения с координатными сетками (см. рис. 288) показывает, что получаемые результаты в достаточной мере совпадают, согласно им форма очага деформации описывается контуром полей линий скольжения АСЕ (рис. 293 при максимальном контактном трении, левые части схем) и А 'С'Е' (при отсутствии контактного трения). Поля линий скольжения 456
при обратном выдавливании (рис. 293, а) подтверждают образование жестких зон в пассивных и активных частях полости даже при отсутствии контактного трения. Роль контактного трения в этом случае весьма существенна (сравните левую и правую части схем). При уменьшении коэффициентов трения очаг деформации значительно уменьшается в объеме и сосредоточивается
— я
вблизи стержневого отверстия.
При обратном способе выдавливания (рис. 293, б) жесткие зоны образуются при любых
Рис 293. Поля линий скольжения для третьей стадии прямого (а) и обратного (б) процессов выдавливания в условиях максимальных значений коэффициента контактного трения р = 0,5 (левые части схем) и при отсутствии трения р — 0 (правые части схем) (100]
контактных условиях только в пассивных частях полости. Уменьшение трения мало изменяет объем и форму очага деформации, который сосредоточен вблизи стержневого отверстия.
По данным Л. А. Шофмана относительные высоты пластических зол р при прямом способе выдавливания на третьей стадии процесса соответствуют: при р -= 0,5 на боковой поверхности полости =1,4; при р. 0 0,7. Соответственно для
обратного метода выдавливания при р. 0,5 -*® 0,6 и при
а = 0 яь- 0,5. Эти данные относятся к случаю выдавливания
А -
в узкое прямоугольное стержневое отверстие, но, как и другие данные по плоской задаче, при небольшой погрешности они могут быть распространены и на осесимметричную задачу, т. е. па выходные отверстия диаметром 2г круглого сечения.
457
Деформация заготовок, у которых относительная высота больше указанных для очага деформации, происходит в условиях стационарного процесса. Если относительная высота заготовок меньше, чем относительная высота очага деформации, то пластическая зона воздействие? непосредственно на пуансон и непрерывно уменьшается по мере его продвижения. Этот процесс называется нестационарным. Графики «усилие—рабочий ход» при условии истечения металла через очко имеют различную форму (рис. 294). Начальный подъем кривых соответствует первом стадии процесса— периоду осадки заготовок. Средняя часть кривых относится к стационарному периоду выдавливания, а подъем кривых в конце
процесса связан с возрастанием сопротивления трения па торцах вследствие значительного уменьшения высоты заготовки Н Примерно постоянное усилие выдавливания (кривая 1) бывает в двух случаях; при относительно небольшой скорости прямого истечения нагретого металла, когда уменьшение боковых сил трения по мере укорочения заготовки сопровождается увеличением сопротивления деформации в связи с понижением температуры металла; при обратном выдавливании, когда температура металла существенно не изменяется.
Падение усилия прямого выдавливания (кривая 2) наблюдается в связи с уменьшением сил трения, в то время как температура металла заметно не изменяется. Штрихпуиктирной линией показан характер кривой при выдавливании сплавов, склонных к проявлению хрупкости.
Возрастание усилия выдавливания (кривая 3) является следствием большой скорости деформирования, при которой упрочнение полностью не устраняется в процессе одновременно протекающей рекристаллизации металла. По такой схеме совершается обычно процесс выдавливания стальных поковок.
Деформация при выдавливании (как и при прессовании) характеризуется ярко выраженной схемой трехосного сжатия, осуществление которой сопровождается очень высокими удельными 458
усилиями течения. Это обстоятельство препятствовало практическому использованию выдавливания стали из-за небольшого срока службы инструмента. Применение прочных штамповых ста-
лей и соответствующих смазок позволяет в настоящее время успешно деформировать различные стали не только в горячем, но и в холодном состоянии. Значительному развитию процессов выдавливания способствовало то обстоятельство, что трехосная схема сжатия позволяет обрабатывать малой ластичные сплавы, деформация которых в обычных штампах сопровождается появлением трещин и других дефектов. Удель-
ное усилие истечения интенсивно растет с увеличением степени деформации, которая обычно характеризуется следующим выражением:
«„₽- ^-100,
где F и f — площади входного и выходного отверстий.
Так, например, при выдавливании (прессовании) стальных труб (рис. 295)
Рис. 295. Зависимость среднего удельного давления течения при выдавливании от степени деформации (сталь 35, температура выдавливания 1150° С, по
Л- В. Прозорову)
из заготовки Do 124 мм и Но — 150 мм увеличение степени деформации с 88,5 до 98 % сопровождается повышением удельного усилия с 274 до 686 Мн?мя (примерно с 28 до 70 кПмм*, т. е. более чем в 2 раза. По данным Л. В. Прозорова [67 ] удельное усилие при темпе-
ратуре прессования 1150“ С стали марки
35 достигает 1176—1274 Мн/м2 (—120—130 кГ/мм2). Поэтому
инструмент для штамповки выдавливанием должен быть изго-
товлен из высокопрочной и износоустойчивой стали. Для повышения срока службы инструмента применяют нитрирование его рабочих частей. Решающее значение для успешного протека-
ния процесса выдавливания имеют применяемые смазки, которые приводят к снижению удельных усилий и увеличению срока службы штампов. В качестве смазок применяют коллоидные растворы графита и специальные графитовые пасты, содержащие, кроме графита, соли и минеральные масла. При выдавливании
жаропрочных марок стали в качестве смазок применяют смазки на основе стекла, а также коллоидные растворы стекла с добавкой спирта; эти смазки не только понижают коэффициент трения, ио и служат теплоизолирующим слоем, который разделяет заготовку и инструмент. Смазка предотвращает налипание деформируемого металла на стенки штампа. Перед подачей металла в полость штампа поверхность заготовки должна быть тщательно очищена от окалины. На рис. 296 приведен график усилий
459
при штамповке клапана (операция Ья). Из заготовки диаметром 50 мм и высотой 60 мм в первом ручье выдавливается стержень клапана. Затем заготовку штампуют в окончательном ручье закрытого типа, в котором длина стержня практически не увеличивается. В настоящее время клапаны выдавливают и за одни переход.
Экспериментальная кривая ври горячем выдавливании клапана на кривошипном прессе соответствует кривой 3 (рис. 294) для истечения по прямому методу. Однако кривая на рис. 296 более типична для условий выдавливания поковок. По этой кривой можно судить о том,
что большая часть хода пуансона затрачивается на заполнение полости и только незначительная часть при возрастании усилия от 980 до 4300 кн (—100 до 480 т) происходит при уже заполненной полости матрицы, форма которой близка к конической. Это существенно отличает выдавливание поковок от процесса прессования, при котором большая часть хода пуансона относится к периоду деформации металла при заполненной полости. В связи
Рис. 296 График «усилие—рабочий ход» при штамповке клапана методом выдавливания (ио А. В. Ребельскому)
с этим условия деформации металла также неодинаковы. Для процесса прессования степень деформации подсчитывают как 1 ? (она изменяется от 0 до I),
а коэффициент деформации как Кя -j- (он изменяется от 1 до со). Согласно этим показателям величина деформации нс зависит от деформации по высоте заготовки и постоянна от начала и до конца процесса прессования. Использовать эти показатели для процесса выдавливания можно лишь в третьей стадии, которая, как было сказано выше, относительно мала. Большая часть деформации при выдавливании поковок происходит на первых двух стадиях процесса, когда степень деформации не только зависит, но и определяется величиной деформации по высоте.
Следовательно, при выдавливании поковок степень деформации определяется двумя видами показателей. До сих пор методика определения суммарной степени деформации при выдавливании не разработана. Поэтому отсутствует и количественная характеристика неравномерности деформации при выдавливании. Про-
460
tieccH выдавливания Сопровождаются значительной неравномерностью деформации, что особенно характерно для стержневой части поковки, образуемой в основном при неустановившемся процессе. Об этом можно судить по искажению координатной сетки на рис. 288. Если судить по изменению твердости за счет наклепа при холодном выдавливании поковок, то действительная местная степень деформации увеличивается в поперечном сечении стержня от его оси к периферии и по длине стержня — от его конца к месту перехода в корпусную часть поковки. Для того чтобы разграни-
Рис. 297 Неравномерность деформации в процессе выдавливания:
1 -г- прямая расчетной деформации 2 — кривая изменения деформации ем по длине стержня
чить степень деформации и соответственно ее неравномерность в корпусной и стержневой частях поковки, следует образец (разрезанный по продольному сечению) с координатной сеткой па одной его половине продеформировать до начала стадии заполнения полости. По искажению сетки можно установить распределение деформации на первой и второй стадиях выдавливания. После этого наносится координатная сетка на другой, уже обжатой половине образца; после окончания выдавливания стержня можно установить неравномерность деформации и на третьей стадии выдавливания. В качестве показателя неравномерности деформации в стержневой части поковки может быть использован угол у отклонения линий сетки от своего первоначального положения (рис. 297).
Более наглядно неравномерность деформации можеи быть оценена величиной, учитывающей кривизну линий координатной сетки по длине стержня. Из рассмотрения расположения этих линий можно заключить, что
“Ь ®п+1 ~ Ч “Ь Цг>
461
откуда
fyi+l fyi ~ Ik if
Абсолютное приращение кривизны линий координатной сетки по мере увеличения длины стержня может быть представлено как
До — iK i„
где iK — расстояние между краями линий искаженной координатной сетки;
ic — расстояние между серединами линий координатной сетки. Величина Да является характеристикой абсолютной продольной- неравномерности деформации между любыми двумя соседними поперечными линиями сетки в стержне поковки.
Относительной величиной неравномерности деформации яв-Дс „ ,
л яется-отношениегде i0 — шаг координатной сетки (в дан-ном случае — расстояние между параллельными линиями, нанесенными вдоль .диаметра исходной цилиндрической заготовки в ее продольном сечении).
Неравномерность деформации можно выразить также разностью иди отношением величины деформации средней для всего объема и местной для выбранной точки.
На рис, 297 приведено сопоставление расчетной (сред-р_________________________________________________f
ней) величины деформации, подсчитанной как ев = —(пря-
мая 1), где F — —и f — —~t с местной деформацией, подсчитанной как еЛ — 1~~1° (кривая 2), где I —расстояние между линиями сетки. Это расстояние определяют исходя из того, что местную деформацию можно подсчитать в любом месте сечения стержня. Например, вдоль оси стержня е' — tZZ-f®-у поверхности продольная местная деформация составляет в" _ Величины и е„ являются сопоставимыми, так
м l/С V м f
как обе изменяются в пределах от 0 до 1.
Конец стержня получает местную деформацию еЛ < ее, а его противоположная часть еЛ > ев. Точка 3 пересечения прямой 1 и кривой 2 соответствует равенству = ев. Левее этой точки (область А) местные продольные деформации стержня меньше расчетных, а правее (область Б) — больше расчетных. Разность Ав = еэ — в,, характеризует абсолютную продольную неравномерность деформации (слева отрицательная или нижний предел, справа положительная или верхний предел неравномерности). Точка 3, определяемая но величине ел, находится правее аналогичной точки, определяемой но величине Таким образом 462
равенство ел = чв вдоль диаметра стержня описывается некоторой кривой. Неравномерность деформации можно выразить также с помощью любого показателя деформации, например с помощью логарифмических коэффициентов: еЛ = 1пи ее = 1п-~-, тогда абсолютная продольная неравномерность деформации составит л А<?
величину, равную Ле — ем — ев, а относительная-------.
Св
Для определения неравномерности деформации в поперечных направлениях (по диаметру стержня) можно воспользоваться положениями о постоянстве объема и о связи продольных и поперечных деформаций (см. табл. 15). В каждом элементе объема продольная деформация, выраженная логарифмическими коэффициентами, равна сумме поперечных. Для круглого стержня поперечные деформации равны между собой, поэтому расчет их еще более упрощается.
В реальных условиях процесса степень деформации при выдавливании достигает 80—90%, что соответствует Ке — 54-15. Скорости истечения или выдавливания Wf пропорциональны коэффициенту деформации Ке и скорости движения инструмента \VF.
Скорость истечения равна
Wf- WFKa-WF-L.
Например, для гидравлического тихоходного пресса скорость движения инструмента составляет 0,15 м/сек, что при Ке = 10 соответствует скорости выдавливания =1,5 м/сек. Для более быстроходных машин (кривошипных, фрикционных прессов) эта скорость в несколько раз больше.
Чем пластичнее, материал, тем с относительно большей степенью деформации и скоростью истечения можно осуществлять штамповку выдавливанием. Прессы для удаления готовых изделий из полости, имеющей незначительный штамповочный уклон, должны быть снабжены выталкивателями (верхним и нижним).
На рис. 298 приведен штамп кривошипного пресса для комбинированного двухстороннего прямого выдавливания поковки с фланцем, по бокам которого находятся развитые ступенчатые части. Поковка изготовляется из стали 35X. Заготовка диаметром 85 мм и длиной 182 мм отрезается на пресс-ножницах в холодном состоянии. После нагрева до 1200° С заготовка немного подсаживается (до высоты Нк = 80 мл:), а затем укладывается в полость матрицы для выдавливания за один ход пресса усилием 35 280 кн (~3600 т). Излишек металла вследствие неточности дозировки заготовки выдавливается в стержень, длина которого несколько увеличивается по сравнению с расчетной по минимальному объему. Выталкивание поковки из нижней полости обеспечивается вытал-
463
кивателем 1, а из верхней — выталкивателем 8. Нижняя часть штампа, которая состоит из матрицы 4, закрепленной в бандаже 3, горячей посадкой монтируется в пакете при помощи державки 2. Верхняя часть штампа состоит из полого пуансона 6, опирающегося на плиту 7, которая соединена с пуансоподержателем 5 и хвостовиком 10. Внутри хвостовика помещается нажимной сухарь верхнего выталкивателя 8. Сухарь 11 поддерживается в верхнем
Рис. 298. Штамп для выдавливания цапфы прицепа
положении пружиной 9. Штамп имеет газоотводные каналы в стержне выталкивателя 1 и пуансоне 6.
На рис. 299 приведены переходы при штамповке поковки со сквозным отверстием способом прямого выдавливания, а парне. 300 — соответствующий штамп. После осадки заготовки (переход /, рис. 299) она поступает в фасонировочпый закрытый ручей, в котором образуется двухсторонняя наметка отверстия поковки (переход II). В следующем ручье (переход III) пуансон входит в полость поковки,просекает пленку и при дальнейшем движении наружной обоймь! осуществляет вы-давливние трубчатого стержня поковки. В последнем ручье, расположенном в середине пакета штампа (переход IV), пуансон входит в отверстие поковки и служит в качестве оправки (аналогично игле при прессова
нии труб). Формующая обойма пуансона осуществляет штамповку фланца поковки в закрытом ручье. Штамп имеет кольцевые нижние выталкиватели. Съем заготовки и поковки с пуансонов производится движением обойм пуансонов при возвращении ползуна кривошипного пресса в исходное положение.
Штамповка с использованием бокового выдавливания (рис. 301) применяется для поковок, требующих двойного разъема штапов. Дополнительный разъем штампа проходит по матрице и может быть осуществлен в двух вариантах. В одном случае разъем матрицы перпендикулярен направлению движения пуансона (рис. 301, а), в другом параллелен этому направлению движения (рис. 301, б). Применение указанных штампов значительно расширяет номенклатуру штампуемых поковок.
464
Переход!
Рис. 299. Технологические переходы штамповки выдавливанием поковки со сквозным отверстием (цапфа поворотного кулака)
Рис. 300. Штамп для изготовления поковки поворотного кулака методом прямого выдавливания на кривошипном прессе
30 Я- М. Охрименко 5Э?
465
Противодавление при штамповке выдавливанием применяется для тех же целей, что и при штамповке в закрытых штампах (см. § 4). Конструктивное оформление систем противодавления также аналогично описанному ранее.
На рис. 302 приведена сложная гидравлическая система противодавления при обратном выдаливании поковок в штампе с кольцевым выходным отверстием (а) и цилиндрическим выходным отверстием (б). Этот штамп применяется для выдавливания поковок из хрупких спавов, например из чугуна или жаропрочных
pi
Рис. 301. Схема бокового выдавливания в разъемных матрицах (по А. В. Ребельскому). Стрелки указывают движение пуансона и подвижной части матрицы
fi
малопластичных сплавов, так как противодавление обеспечивается на всем протяжении операции выдавливания. Верхняя часть I штампа с пуансоном 2 смонтирована вместе с гидравлическим устройством для противодавления, корпус 3 которого герметизирован с помощью уплотнителей 4. В корпусе 3 перемещается поршень 5, полый шток которого скользит по пуансону 2. Пружина 6, работающая на сжатие, упирается в верхнюю часть 1 штампа и выемку поршня 5, устанавливая его в исходное положение. Камера 7 для жидкости над поршнем и подпоршневое пространство 8 соединены между собой каналом 9, рабочее сечение которого регулируется конусом 10. Когда жидкость поступает в камеру 7 (при возвращении поршня в нижнее исходное положение после окончания выдавливания), шариковый клапан 11 открывается, позволяя поршню 5 быстро принять исходное положение с помощью пружины 6.
Рабочий ход пуансона, осуществляемый в направлении стрелки Л, сопровождается движением поршня в направлении стрелки Б под действием на него металла, выдавливаемого из полости 12. Работа системы противодавления происходит в следующем пр-466
рядке. После нагревания заготовка устанавливается в полость 12 нижней части 13 штампа. До начала деформации нижняя кольцевая часть поршня одновременно с торцом пуансона входит в соприкосновение с металлом. В начале выдавливания металла пуансоном поршень 5 перемещается вверх, вытесняя жидкость из камеры 7 в подпоршневое пространство 8 через отверстие, которое регулируется конусом 10. Увеличением или уменьшением этого отверстия можно добиться противодавления в широком диапазоне
Рис. 302. Схема противодавления штампа для обратного выдавливания поковок из чугуна и других хрупких сплавов на гидравлическом прессе [112]
сил, тормозящих выдавливание. Система противодавления при обратном выдавливании грибовидных поковок приведена на схеме рис. 302, б. Действие системы аналогично предыдущей, устройство же штампа несколько проще. Отличие состоит в том, что вместо конуса для регулирования величины противодавления здесь применяется поворотный кран.
Величина противодавления при выдавливании поковок из хрупких и малопластичных металлов составляет 98—245 Мн1м* (10—25 кГ/мм21). При выдавливании грибовидных поковок из серого чугуна величина противодавления может составлять 29— 39 Мн/м2 (—3—4 кГ/льи2) [38]. Такое противодавление предотвращает образование трещин, так как обеспечивает ярко выраженное напряженное состояние трехосного сжатия.
Кроме того, штамповка выдавливанием обеспечивает большую точность размеров, высокую чистоту поверхности поковок и почти 30* 467
полностью устраняет обработку на металлорежущих станках. Так, например, клапаны, полученные штамповкой этим способом, подвергаются незначительной обработке в местах их посадки в седло и на конус стержня.
Прошивка в штампах. Прошивка представляет собой процесс вдаливания инструмента (пуансона) в заготовку, в результате которого получаются поковки с углублениями (полостями) различной формы. Различают открытую или свободную прошивку
Рис. 303. Разновидности процесса^закрытой прошивки
и закрытую прошивку в зависимости от того, имеет ли металл возможность течь перпендикулярно направлению действующей силы или нет.
Рассмотренные выше процессы прошивки представляли собой либо промежуточный этап формирования (например, при заполнении ручья штампов молотов, см. § 3), либо самостоятельную операцию штамповки на универсальном оборудовании (например, при штамповке на горизонтально-ковочных машинах, § 6). Здесь рассматривается специализированный процесс прошивки, применяемый для получения поковок типа снарядных стаканов, гильз, толстостенных баллонов, пустотелых деталей и т. и. Для глубокой прошивки требуется большая величина рабочего хода, поэтому особенно широкое применение получила прошивка на гидравлических прессах. Эти прессы обычно снабжены выталкивателями, что важно при штамповке с небольшим уклоном полости штампов.
Разновидности процесса закрытой прошивки в основном характеризуются формой и соотношением размеров заготовок (рис. 303). Если диаметр цилиндрической заготовки (рис. 303, а) 468
меньше диаметра матрицы (Do < dM), то процесс прошивки состоит из следующих стадий. Первая стадия — свободная прошивка, сопровождающаяся осадкой и радиальной раздачей заготовки. С момента соприкосновения бочкообразной боковой поверхности заготовки со стенками матрицы начинается вторая стадия прошивки. Когда полость матрицы в основном заполнится, начинается обратное выдавливание металла (третья стадия прошивки).
В промышленности применяется также процесс прошивки заготовок квадратного сечения в цилиндрической матрице (рис. 303, б). Диагональ квадратной заготовки, взятой с положительным допуском, должна быть несколько меньше диаметра матрицы. При этом сторона квадратной заготовки а должна удовлетворять условию а+д < 0,7<fz.t. В этом случае начальный период процесса прошивки осуществляется в несколько иных условиях. На первой стадии радиальная раздача металла происходит только в направлениях, перпендикулярных к граням квадратной заготовки, так как по диагоналям поперечного сечения заготовка упирается в боковые стенки штампа. После соприкосновения заготовки по всему периметру с боковыми стенками штампа начнутся, как и обычно, вторая и третья стадии процесса.
Если диаметр круглой заготовки с учетом положительного допуска примерно равен диаметру матрицы (рис. 303, е) D$a — — dM, то образование полости в заготовке происходит за счет выдавливания, т. е. третьей стадии прошивки, минуя две первые.
Первая стадия прошивки характеризуется различным напряженным и деформированным состояниями в разных местах заготовки [24J. Непосредственно под пуансоном наблюдается трехосное сжатие; во внешнем кольцевом участке возникают тангенциальные положительные деформации и напряжения того же знака. При штамповке недостаточно пластичных металлов и сплавов совпадение положительных напряжений и деформаций может привести к появлению продольных трещин на боковой поверхности заготовки. Чтобы избежать появления этих трещин, первую стадию прошивки сокращают до возможного минимума, выбирая диаметр заготовки, близкий к диаметру полости матрицы.
В период появления реактивных сил от боковых стенок полости штампа тангенциальные положительные деформации исчезают, растягивающие напряжения сменяются сжимающими и в любой точке заготовки наблюдается трехосное сжатие. Высокая пластичность, сопутствующая этой схеме напряжений, исключает появление трещин, реформация заготовки с увеличением размера вдоль образующей полости матрицы не приводит к появлению трещин, так как напряжения в этом направлении имеют противоположный знак (сжимающие).
На первой стадии процесса прошивки заготовок квадратного сечения положительные тангенциальные деформации имеются 469
Только на тех участках, Где металл не соприкасается с боковыми стенками штампа. При прошивке квадратных заготовок пуансонами небольшого диаметра (dn : dx <0,4) металл не заполняет полости матрицы и на поковке остаются фаски.
Большое влияние на усилие и характер течения металла при прошивке оказывает форма рабочей поверхности пуансона. При прошивке применяют пуансоны с коническими тупыми, сферическими и плоскими головками. Если форма пуансона не диктуется конфигурацией дна полости поковки, то при разработке' техноло-
Рис. 304. Влияние формы рабочей части пуансона на усилие прошивки:
1 — пуансон с плоской; 2 — со сферической и 3 — с конической формой головки
гии прошивки следует учитывать данные о влиянии формы пуансона на усилие прошивки (рис. 304). Эти данные свидетельствуют о том, что вначале усилие прошивки при плоском пуансоне больше, чем при сферической или конической форме пуансона. В конечной стадии процесса наименьшее усилие требуется при прошивке плоским пуансоном и наибольшее — при пуансоне конической формы. Объяснить это явление можно следующим.
Конический пуансон внедряется в заготовку и подобно клину раздвигает металл в радиальном направлении (рис. 305, а). Когда в конце процесса имеет место обратное выдавливание металла, то перемещение его вдоль оси конусной головки пуансопа происходит при одновременном уменьшении поперечного сечения (в промежутке между пуансоном и матрицей), т. е. происходит течение в сужающуюся волость. Это вызывает повышение усилия прошивки. При свободном внедрении в заготовку пуансона с плоской головкой (рис. 305, б) необходимо выдавить металл в стороны, а не раздвигать его, как в случае использования конической головки пуансона. Это требует больших напряжений в начале про-470
цесса, но зато обратное выдавливание металла в конце прошивки облегчено, так как полость, в которой перемещается металл, имеет постоянное сечение по высоте. Поэтому при перемещении
приходится преодолевать лишь силы трения между готовой частью поковки и стенками штампа (за пределами очага деформации).
На рис 305 показаны действующие при прошивке силы — внешние и их реакции (левые половины схем) и силы трения (правые половины схем). Для конического пуансона (рис. 305, а) нормальная сила Л\
действующая со стороны пуансона на металл, представлена двумя составляющими: силой
Nx, ответственной за радиальную деформацию, и силой Ny обжатия заготовки по высоте. Соприкосновение металла с боковой стенкой полости вызывает появление реакции R. Силы трения Т на пуансоне представлены составля-
ющей Тх, направленной
против вектора N и со- Рис. 305. Схемы действующих сил при прошивке ставляющей Ту, наврав- конусным и плоским пуансонами
ленной в сторону
При плоском пуансоне (рис. 305, б) действует внешняя сила N. С момента соприкосновения металла с боковой стенкой полости возникает сила N6 и ее реакция R. Силы трения Т действуют на
всех контактных поверхностях (указаны стрелками). Вертикаль-
ные силы трения направлены против движения выдавливаемого металла. Во всех случаях имеются в виду силы трения, действующие на инструменте (на металле сиды трения направлены в противоположные стороны).
На величину усилия прошивки влияет толщина стенки прошитого стакана. Наименьшие удельные усилия при прошивке соответствуют величине d„ : d0 = 0,5-ь0,6 124].
Деформации металла при прошивке можно проследить по искажениям прямоугольной координатной сетки (рис. 306). При прошивке закругленным пуансоном зона наибольших деформаций расположена непосредственно под ним. При плоском пуансоне контактное трение па его торце приводит к образованию зоны затрудненной деформации, перемещающейся при прошивке вместе с пуансоном. Зона наибольших деформаций в этом случае расположена на некотором расстоянии от торца пуансона. На рис. 307
471
и)
Рис. 306. Изменение координатной сетки, нанесенной в продольном сечении заготовки перед прошивкой:
а — закругленным; б — плоским пуансонами
я
Рис. 307. Изменение деформаций по оси заготовки при прошивке: / — закругленный и 2 — плоский пуансоны
Рис. 308. Переходы и штамп для изготовления снарядного стакана на гидравлическом прессе
Рис. 309. График «усилие—рабочий ход* при прошипке снарядного ртакана (по Ф. И- Гофману)
472
приведены результаты измеренья степени деформации по осй прошивки (но методу измерения шага винта, ввинченного в заготовку перед ее прошивкой), которые хорошо согласуются с распределением деформаций по координатной сетке.
На рис. 308 в качестве примера показан процесс изготовления снарядных стаканов из квадратной заготовки прошивкой на вертикальном гидравлическом прессе. Заготовка 1 вставляется вертикально в матрицу 2 и поддерживается в ней с помощью центрирующего кольца 3 (рис. 308, а). Затем пуансон 4, имеющий плоский торец и конусную боковую поверхность, за один ход прошивает заготовку. Прошитая заготовка удаляется из матрицы при помощи выталкивателя 5. Для получения цилиндрического стакана с тонкой стенкой применяют дополнительную операцию — протяжку через несколько колец. Обычно протягивают заготовку одновременно через два кольца (рис. 308, б). Прошитая заготовка 6 вставляется в протяжное кольцо 7, за которым расположено другое протяжное кольцо 8. Пуансон 9, надавливая на дно прошитой заготовки, протягивает ее, утоняя стенку при продвижении через оба кольца. На обратном пути съемник 10 снимает с пуансона протянутый стакан 11. Это происходит вследствие того, что диаметр стакана под действием упругих деформаций немного увеличивается и не может пройти в обратном направлении через отверстие съемника. График изменения усилий по рабочему ходу при прошивке снарядной заготовки (рис. 309) имеет следующие особенности. В начале процесса (до положения I па диаграмме) происходит осаживание заготовки. На участке диаграммы между положениями I и II протекает радиальная раздача металла, которая сопровождается обратным выдавливанием металла. Подъем кривой за положением III объясняется влиянием тонкого дна заготовки и ее охлаждением.
§ 8. СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ И ВЫБОР ВАРИАНТА ШТАМПОВКИ
Особенность разработки технологического процесса штамповки поковок состоит в том, что одновременно определяется конструкция соответствующей оснастки.
Задачи технологической разработки, исходя из формы и размеров детали по чертежу, в общем случае сводятся к определению следующего:
L Объема, формы и размеров заготовки.
2. Объема, формы и размеров поковки.
3. Способа и производительности при нагреве заготовки.
4. Способа штамповки поковок.
5. Количества и формы переходов.
6. Типа, конструкции и размеров инструмента.
7. Типа отделочных операций.
473
8. Экономической эффективности принятого технологического решения.
Последовательность разработки технологического процесса и конструирования инструмента следующая. По укрупненным данным устанавливается целесообразный способ штамповки и выбирается тип штампа (например, по величине критической серийности и с учетом имеющегося оборудования). Затем разрабатывается чертеж поковки и подбирается исходная заготовка; определяется термомеханический режим деформации металла.
В соответствии с принятым способом штамповки и типом штампа производится расчет переходов, определяются усилия (иногда и работа) па деформацию, подбираются машины-орудия и средства механизации и автоматизации. Затем разрабатываются рабочие чертежи конструкций штанов и приспособлений. В заключение определяют нормы времени и производительность работы, после чего производят расчет технико-экономических показателей принятого варианта и сопоставляют их с соответствующими показателями, характерными для данной отрасли промышленности.
Отдельные вопросы технологической разработки были рассмотрены выше в соответствующих параграфах и главах, исключение составляют вопросы нормирования, механизации, автоматизации и организации производства, являющиеся предметом рассмотрения других дисциплин.
В данном разделе приводятся дополнительные материалы для руководства при разработке технологического процесса.
При разработке технологического процесса горячей штамповки наибольшие трудности связаны с установлением оптимального варианта общей схемы процесса. На рис. 310 приведена классификация разновидностей применяемых процессовх. Учитывая тип производства, форму и габаритные размеры поковок, состав стали, требуемую точность поковок и другие их характеристики выбирают один из вариантов схемы процесса (рис. 310).
Для установления типа штампа (открытый, закрытый, для выдавливания) необходимо учитывать особенности конфигурации поковки.
Для этого следует пользоваться классификацией поковок. Известно большое количество классификаций и разработаны они с учетом различных признаков, главными из которых являются конфигурация, объем и химический состав стали для поковок. Подобную классификацию предложил А. В. Ребельский [10]. Он же приводит соответствующие технологические рекомендации для каждого типа поковок.
Более подробная классификация может быть построена на основании соотношения размеров различных элементов поковок [115, 109]. Все возможные формы поковок разделены на три класса
1 О штамповке жидкого металла в момент кристаллизации см. гл. VII.
474
в зависимости от соотношения их размеров, наличия ярко выраженной оси и отростков относительно большей или меньшей длины (рис. 311). К классу 1 относятся поковки компактных форм с раз-
Горячая сбъеьшая штамповка
Рис. 310. Классификация процессов горячей объемной штамповки
мерами Ln Вп Нп. Эти поковки объединены в четыре подгруппы в зависимости от отсутствия или наличия придаточных элементов в виде стержней, выступов и т. п. (101, 102, 103 и 104). Класс 2 объединяет поковки типа шайб при Ln Вп > Нп двух групп и нескольких подгрупп: шайбы с односторонним придаточным элементом (группа 21 и пять подгрупп от 211 до 215) И шайбы с двухсторонними придаточными элементами (группа 22 475
Классификация штампованных поковок
Класс П о д г f У с п а
1 Компактная форма Группа 101. Без придаточных элементов 102 С односторонним придаточным элементом 103 С приди точным Элементом по периметре 104 С двумя придаточными элементами, односторонним
Е* < Л 7* | Нл Поковки типа шаров и кубиков 009 д& 09 и по периметру
2 Шайбы ^Lr- Ч Название группы Без придаточного элемента Со ступицей Со ступицей и отверстием С венцом (кольца) С венцом и ступицей
&П > Поковки круглого, к8 обратного и подобных очертаний Крестообразные по- 21 Шайбы с односторонним 211 । - 212 213 214 215
придаточным элементом
ковки с короткими отростками, высаженные головки на удлиненных поковках (фланцы, вентильные тарелки и т д.) 22 Шайбы с двухсторонним придаточным элементом 22 2 223 224 Irfll а 225
3. Удлиненные формы w Ln > Bn ~ Hn Поковки с ярко выраженной продольной осью > Группы по длине: Короткие (1) j 1д *3br Полудлинные (2) Ln=(3 + 8)8n Длинные (3) L=(8m16')B„ Очень длинные (У) L > 15В’п (Цифры, обозначающие группы по длине, ставятся через дробь, например 334/2) Название , группы Без придаточных элементов С симметричным по отношению к главной оси придаточным элементом С открытой или замкнутой вилкой 1 С несиммет- 1 рично расположенными придаточными элементами С двумя или более придаточными элементами разной формы и Величины
31. Главный элемент формы с прямой ОСЬЮ 311 312 Vf 314 315
32. Ось главного элемента изогнута в одной плоскости- 321 322 325
33. Ось изогнута 8 нескольких плоскостях Д3^ 332 333 334 335
Рис. 311. Классификация штампованных поковок [115]
и четыре подгруппы от 222 до 225). В классе 3 поковок удлиненной формы с Ln ~> > Нп объединены поковки: короткие (Ln <'
< ЗВ,,), полудлинные (L st (З-е-8) В), длинные [Ln = (8-е 16) В„| и весьма длинные (Ln > 16В„). Этот класс содержит три группы поковок: с прямой осью (группы 31 с пятью подгруппами от 311 до 315); с изогнутой осью в одной плоскости (группа 32 с пятью подгруппами от 321 до 325) и с изогнутой осью в нескольких плоскостях (группа 33 с пятью подгруппами от 331 до 335). Данная классификация объединяет 28 подгрупп различных поковок с указанной выше трехзначной нумерацией, при которой первая цифра означает класс, вторая — группу и третья — подгруппу поковок. Для более подробной иллюстрации разновидностей форм поковок могут быть составлены альбомы поковок с кофигу-рацией одинакового характера.
При выборе переходов штамповки для поковок по данной классификации используются указания, приведенные в каждой главе книги в зависимости от выбранного типа штампа и оборудования. Анализ формообразования выполняется на основании эпюр диаметров и сечений (см. § 3 гл. VI). Например, для поковок с развилками (подгруппа 313) в эпюре сечений обе площади на участке развилки объединяются в общую с учетом дополнительного внутреннего облоя. При очень большом расстоянии между развилками применяют рассекатели. Для поковок с несимметрично расположенными придаточными элементами (подгруппа 314) в случае значительного отклонения от симметричности формы требуется несимметричное распределение металла с применением формовочного ручья. Для поковок с изогнутой осью (группы 32 и 33) приходится решать вопрос о том, что будет подвергнуто гибке: заготовка или поковка. Решение этого и других подобных вопросов позволяет установить форму поковки, а следовательно, и форму полости окончательного ручья штампа. О форме поковки можно судить по ее чертежу.
Составление чертежей поковок осуществляется в соответствии с ГОСТом 7505—55. Наиболее распространена двухсторонняя система допусков, но некоторые предприятия применяют и одностороннюю систему, как более наглядную (см, § 4 гл. V). Оформление чертежей поковок имеет некоторые особенности. В промышленности распространены два способа вычерчивания чертежей поковок. В одном случае чертежи поковок не отличаются от обычных машиностроительных чертежей, но размеры в них проставляются один над другим: верхние — для поковки, нижние — для детали. В другом случае деталь вычерчивают внутри контура поковки линиями наложенной проекции или более тонкими, чем основные линии, что дает наглядное представление о припусках и напусках. Допуски с соответствующими знаками (±) проставляются более мелкими цифрами, расположенными справа, несколько выше каждого размера на чертеже. Независимо от способа 478
Выполнения чертежа для штампованных поковок проставляют размеры, соответствующие холодной или горячей поковке. Чертеж холодной поковки необходим при ее приемке. Чертеж горячей поковки используют при конструировании фигуры штампа, поскольку профиль полости чистового ручья должен соответствовать сечению горячей поковки. Размеры на чертежах горячей и холодной поковок отличаются между собой на величину тепловой усадки металла с момента окончания штамповки. Размеры горячей поковки можно рассчитать по известной формуле
= /„(! + а<°),
где /х — «горячий» размер;
/е — «холодный» размер;
п — коэффициент линейного расширения стали;
t° — температура конца штамповки.
Различные условия остывания топких и массивных частей поковок требуют раздельного определения усадки для них. Для ориентировочных расчетов температуру окончания штамповки полагают равной 900—1000° С, что соответствует линейной усадке стали примерно 1,2%. Для перевода «холодных» размеров в «горячие» и наоборот используют «усадочные метры» — обычные масштабные линейки, на которых нанесены линейные размеры с учетом тепловой усадки стали.
На чертеже поковки (рис. 312) указываются ее наименование, различные требования (например, твердость или величина неоговоренных радиусов закруглений), а также материал поковки. Масштаб поковочных чертежей выбирается обычно 1:1.
Форма поковки для данной детали зависит от положения ее оси в процессе штамповки (продольная или поперечная штамповка); типа штампа (открытый, закрытый, для выдавливания); наличия или отсутствия компенсатора и уровня плоскости разъема ио высоте поковки (см. рис. 159).
В табл. 47 приведены разновидности штамповки в открытых штампах. Наряду с типичным и наиболее распространенным вариантом 1 штамповки с предусматриваемым облоем приведен перспективный вариант 2 с непредусматриваемым облоем. Поковки простые и компактные по форме (классов 1 и 2, рис. 311) при условии высокой точности заготовок по объему и тщательного их фасонирования можно штамповать на молотах и прессах с облоем, Образующимся за счет естественного избытка металла, который не выполняет никакого технологического назначения и обусловлен колебаниями размеров заготовки вследствие неточности прокатки и разделки прутков. Штамповка по варианту 3 с уменьшенным облоем возможна при переносе плоскости разъема к торцу поковки. Такое решение часто принимают и для упрощения верхнего штампа, в частности, при штамповке поковок небольшой толщины (типа гаечных ключей, плоских спиц и т. п.).
479
Разновидности п1тамповкй
। Варианты
I штамповки
I
Особенности полости Характеристика штяы па п Р°Ц®С с а
штамповки
Стадии
I
‘ !
।
С двухсторонним уклоном относительно плоскости разъема (разъем и средней части ручья)
С предусматриваемым облоем
Свободная осадка
Осадка с боковым подпором заготовки до начала образования сблоя
2 То же С нс предусматриваемым облоем (с естественным избытком металла) То же То же
3 С односторонним уклоном относительно плоскости разъема (разъем в плоскости дна ручья) С предусматриваемым облоем То же То же
4 То же С непредусмат-рирнемым облоем (с естественным избытком металла) То же То же
480
Таблица 47
в открытых штампах
штамповки Применение штампа Эскизы
I III IV
Заполнение углов ручья с одновременным вытеснением предусмотренного избытка металла Вытеснение остатка избыточного металла после заполнения углов ручья (до штамповка) При универсальном способе штамповки заготовок обычной точности “ XX жХХ^ХХХ*’^^ »
Заполнение уг-ло15 ручья с одновременным вытеснением непредусмотренного избытка металла При точной заготовке стадия отсутствует При тщательном фасонировании заготовок повышенной точности W
Заполнение углов ручья с одновременным вытеснением предусмотренного избытка металла Доштам-ловка Для упрощения верхнего штампа, уменьшения объема облоя и для гонких поковок ШШ, *1
Заполнение углов ручья с одновременным вытеснением непредусмотренного избытка металла При точной заготовке стадия отсутствует Для поковок типа тел вращения, при возможности разъма штампа по дну полости и повышенной точности заготовок 1... а) б)
31
Я- М. Охрименко 597
481
Варианты штамповки Особенности полости штампа X арактеристика процесса штамповки Стадии
I II
5 С односторонним уклоном относительно плоскости разъема (с комбинированной облой ной канавкой, обеспечивающей подпор облоя) С предусматриваемым облоем Свободная осадка Осадка с боковым подпором заготовки до начала образования облоя
6 С переменной шириной порога облойной канавки То же То же То же
7 С внутренней облоЙной канавкой (или карманом) То Же Свободная осадка То же
Примечание. Сеткой заштрихованы поковки при минимальном облое; аачер
482
Продолжение табл. 47
штамповки Применение штампа Эскизы
... IV
Заполнение углов ручья с одновременным вытеснением предусмотренного избытка металла Дошта виновна Для улучшения условий заполнения сложной полости и уменьшения объема облоя при обычной точности заготовок
То же То же Для затруднения образования облоя в отдельных местах поковок некруглых в плане при обычной точности заготовок 4 -/^Х7
jy1 'у/~ xTt 4’
То же То же Для низких крупногабаритных поковок с отверстием, штампуемых с чер- 'ШШ с _
новым ручьем при обычной точности заготовок *~ч
йен добавочный облой при максимальном облое.
31*
483
Разновидности штамповки
Варианты & характеристика штампов Стадии штам
I П 11!
1. Закрытый штамп обычной конструкции Свободная осадка Осадка с боковым подлором Заполнение углов ручья бса вытеснения естественного избытка металла, который увеличивает высоту поковки
2т Закрытый штамп усовершенствованной конструкции То же То же Заполнение углов ручья при одновременном частичном вытеснении естественного избытка металла в пав 1
3- Закрытый штамп с компенсатором То же То же То же
4. Закрытый штамп с раздельными устройствами компенсатора н противодавления То же То же То же
5. Закрытый штамп с совместным устройством компенсатора и противодавления То же Тс же За полней не углов ручья с одновременным вытеснением естественною избытка металла
Примечания: ] Сеткой заштрихована поковка при минимальных отклопе колебаний размеров заготовок. 2. Устройство для противодавления условно показано в виде пружины.
484
Таблица 48
в закрытых штампах
ПСВКН ! IV Применение штампа Эскиз ручьев I
| Стадия отсутствует I Предпочтительный способ штамповки без дополнительных из пусков у поковки при заготовках повышен ной точности к
i '/%/%/%/// I/
Заполнение углов ручья при одновременном частичном вытеснении естественного избытка металла е паз 1 Для заготовок обычной точности о
.tn i с) А)
Пол ное вытеске н ие естественного избытка металла после за пол- Для штамповки на молотах, фрикционных и 1 идринличсских прессах при обычной точности за- ; у
пения углов ручья готовок и на кр и вогни л пых прессах при повыше в ной точности заготовок °)
То же При штамповке малонлаопч-
иых материалов н обычной тсч-ностн заготовок х?ч\ Лйр \ х
Вытеснение остатка избытка м таллз- При При штампсикс малопластич пых материалов и обычной или повышенной точности заготовок
• ОЧНОМ iteti ui ивки С J <1
дня отсутствует । 1 Ж
нпях размеров; зачернен естественный избыток металла, получающийся вследствие
485
Для поковок более сложных форм и большого объема при штамповке по варианту 4 без предусматриваемого облоя используют оба указанных выше мероприятия: наряду с тщательным фасонированием плоскость разъема размещают у дна поковки. Чтобы избежать торможения при вытеснении естественного избытка металла из ручья, магазин канавки начинается непосредственно от границы полости, при этом порог канавки отсутствует (эскиз о) 1221.
Допускается заусенец по пинии отрезки f нм на сторону,
смещение по линии разъема штампа во ОД нм № Z.W-ZP7
Неуказанные радиусы закруглений 1,5им, уклоны 5‘
А-А
Размеры вез допусков Выдерживать доводим
Сталь УО ГОСТ 1050-00
ЫГ
Рис. 3I2. Типовой чертеж поковки (размеры остывшей поковки)
Описанный вариант штамповки используют в промышленности и при обычной точности дозировки заготовок. При высадке колец па горизонтально-ковочных машинах этот вариант штамповки называют штамповкой в полости пуансона (эскиз б). Штамповка прутков проката повышенной точности практически не сопровождается образованием облоя или осуществляется с незначительным облоем (—1,0%) у некоторой части поковок, который удаляется обточкой на наждачных станках или резцом. Для поковок сложной формы торможение облоя в пределах порога канавки бывает недостаточным, и тогда прибегают к использованию бокового подпора облоя в штампе по варианту 5. К переменной ширине порога облойной канавки прибегают при штамповке по варианту 6 поковок несимметричных в плане для получения торможения облоя, неравномерного по периметру канавки. Это позволяет уменьшить объем облоя. При штамповке крупногабаритных 486
поковок с углублением или отверстием в середине штамп должен иметь карман в области пленки. Этот вариант штампа применяется при наличии чернового ручья, чтобы избежать большой затраты энергии на значительное перемещение металла от середины к краю полости штампа (см. вариант 7). При этом уменьшается вероятность образования складок в углах поковок (см. рис. 173).
В табл. 48 приведены разновидности штамповки в закрытых штампах. Кроме обычных закрытых штампов (вариант 1), в таблице даны конструкции усовершенствованных штампов, у которых предусмотрены соответствующие емкости для размещения небольших заусенцев, обусловленных колебаниями размеров заготовок. При осуществлении штамповки по варианту 2 (эскиз а) заусенцы снимаются при обточке поковки резцом или на наждачных станках. При изготовлении по варианту 2 (эскиз б) заусенец можно образать подобно облою при штамповке в открытых штампах. Этот заусенец получается незначительным особенно у поковок небольшой высоты, но большого объема. Ступенька на боковой стенке полости штампа не приводит к изменению его типа, так как в процессе штамповки имеет место боковой подпор металла, как и в обычном закрытом штампе. Штамповка в штампах с компенсатором (вариант 3) обеспечивает вытеснение избытка металла после заполнения углов ручья. Трудности конструирования штампов этого типа состоят в отыскании в каждом отдельном случае удачной конструкции компенсатора. Характеристика и разновидности компенсаторов были даны в гл. VI (см. рис. 229). Там же подробно даны условия применения компенсаторов в комбинации с устройствами для противодавления (варианты 4 и 5), которые обеспечивают повышение пластичности хрупких металлов при штамповке и способствуют лучшему заполнению углов сложной полости штампа.
Для выбора сочетания и последовательности операций из общего комплекса операций, применяемых в кузнечно-штамповочном производстве, дана табл 49.
Установление комплекса необходимых операций в известной степени субъективно и зависит от опыта технолога и используемых материалов, среди которых только ГОСТы и нормали машиностроения являются обязательными. Поэтому встречаются случаи различных технологических решений для одинаковых поковок и условий их производства. Унификация нормативных материалов, введенная с 1959 г. в виде нормалей машиностроения (МН), обязательных для всех предприятий и организаций независимо от их ведомственного подчинения, является крупным техническим достижением. Особенностью введенной нормализации является ее комплексный характер, поскольку унифицированы все виды оснащения технологических процессов [75).
487
Таблица 49
Характеристика операций кузнечно-штамповочного производства
- 1 О и »-j 1 Подготовка металла н подготовительные операции £ з »в Наименование операций 1. Правка исходных прутков 2 Зачистка торцов прутков 3. Калибровка прутков — протяжка на волочильном стане через фильеры 4. Разделка прутков / 5. Очистка поверхности заготовок перед нагревом 6. Нагрев заготовок 7. Очистка поверх- ности нагретых заготовок Назначение и область применения Преимущественно при последующей штамповке на горизонтально-ковочных машинах для получения ровного стержня в пределах жесткого допуска Для повышения точности отрезки заготовок и отмеривания длины при высадке прутка Для получения минимального припуска или стержня, точного по диаметру без последующей обработки резанием, а также при высадке утолщения сложной формы без образования облоя Для получения мерных и других типов заготовок; для разделки на более короткие прутки, если торговая длина не позволяет штамповать от прутка Для удаления поверхностных оки-слов и загрязнений в условиях прецизионной штамповки (например, при штамповке медицинского инструмента) в целях получения поковок с особо чистой поверхностью Для снижения сопротивления деформации и возможного увеличения пластичности; обеспечения определенного термомеханического режима деформации металла с целью получения качественных поковок Для повышения точности поковок, увеличения стойкости штампов в случае, если используемые средства нагрева заготовок не обеспечивают требуемой чистоты поверхности поковок
II Формоизменяющие операции 1. Профилирование к фасонирование заготовок 2. Предварительная штамповка 3. Окончательная штамповка Для перераспределения металла заготовки в соответствии с величиной площадей поперечных сечений и объемов элементов поковки Для получения формы, близкой к окончательной, с целью уменьшения, объема облоя, повышения точности поковки и увеличения стойкости окончательного ручья штампа Для получения окончательной формы поковки или формы, приводимой к окончательной посредством дополнительных формоизменяющих и отделочных операций
488
Продолжение табл. 49
Г руппа операций Наименование операций Назначение и область применения
III Охлаждение и термическая обработка поковок 1. Методическое охлаждение 2. Нормализация 3. Отжиг 4. Высокий отпуск 5. Улучшение (закалка-отпуск) Для снятия внутренних остаточных напряжений и получения оптимальной макро- и микроструктуры, а также механических свойств (твердости, предела прочности, относительного удлинения и сужения, ударной вязкости и пр.). В соответствии с техническими условиями
IV Обрезные и отделочные операции 1 1. Обрезные для облоя и просечные для пленок 2. Срезание напусков от штамповочных уклонов 3. Зачистка заусенцев 4. Очистка поверхности покоеок 5. Правка поковок 6. Калибровка поковок (холодная и горячая) Для удаления облоя, пленок и перемычек с целью получения поковок окончательной формы Для уменьшения объема механической обработки Для удаления (абразивной обработкой на наждачных станках) остаточных заусенцев после обрезки облоя; торцового заусенца при безоб-лойной штамповке Для удаления дробеметкой обработкой. галтовкой и травлением окалины и получения чистой поверхности поковок Для устранения искажений (искривлений, коробления, закрутки) формы поковок при обработке в правочных штампах Для получения размеров или массы поковок в пределах относительно жестких допусков и поверхностей поковок повышенной чистоты
V Контроль качества и контрольные операции Контроль: 1. Исходного металла 2. Резки заготовок 3. Нагрева заготовок 4. Формоизменяющих операций Б. Отделочных операций 6. Структуры и механических свойств поковок Для установления требований в соответствии с техническими условиями применяется па всех стадиях производства поковок с установленными режимами
489
Ниже приведен перечень ГОСТов, нормалей и руководящих материалов, необходимых при разработке технологического процесса различных способов горячей штамповки.
Название ГОСТов, нормалей (МН) и руководящих материалов (РТМ) на технологическую оснастку для горячей штамповки ЮСТы, нормали и руководящие материалы
Допуски, припуски и кузнечные напуски на детали, изготовляемые горячей объемной штамповкой из черных металлов ГОСТ 7505—55
Заготовки стальные кованые для штампов горячей штамповки „ ГОСТ 7831—55
Элементы крепления бойков и штампов в бабе и подушке ГОСТ 6039-51
Штампы для объемной горячей штамповки .... МН 4235—634-МН
Вставки дли молотовых штампов 4249-63
Штампы для объемной горячей штамповки на кривошипных прессах. Блоки, узлы и детали. Конструкция и исполнительные размеры МН 4808—63ч-МН 4812—63
Штампы для горизонтально-ковочных машин. Детали и узлы. Конструкция и исполнительные размеры МН 1277—60—МН 1290—60
Штампы для объемной горячей штамповки на винтовых фрикционных прессах. Блоки и детали МН 4202—63—МН 4206—63
Штампы для обрезки облоя. Конструкция и исполнительные размеры МН 1748—61—МН 1773—61
Штампы для калибровки на чеканочных прессах. Блоки, пакеты и их детали МН 4557—63-МН 4577—63
Штампы молотовые для объемной горячей штамповки. Расчеты и конструирование РТМ 56-62
Штампы для горизонтально-ковочных машин. Расчеты и конструирование РТМ 39—61
Штампы для объемной горячей штамповки на винтовых фрикционных прессах Расчеты и конструирование . РТМ 93—63
Штампы для обрезки облоя. Конструирование . . . РТМ 29—61
Марки сталей и нормы твердости штампов для объемной горячей штамповки РТМ 104—63, РТМ 108—63
490
11
На рис. 313 (см. вклейку) приведена номограмма, по которой можно подобрать соотношения размеров заготовки и увязать их с допусками на поковку объемом до 10 000 сма, определить необходимость применения компенсатора при выбранной заготовке и оценить возможную точность штамповки в закрытых штампах для оборудования любого типа. Номограмма содержит четыре поля. Поле I связывает номинальный объем поковки или заготовки (при штамповке в закрытом штампе они равны между собой) с отношением , где £)„ —диаметр поковки; /7«uP) —
1 Г средняя высота поковки, найденная как --
Поле II связывает относительное колебание объема заготовки -V- со средней высотой поковки На этом поле размещены кривые с различными колебаниями размеров поковки в пределах допуска Д по высоте от 0,5 до 5 лсч.
Поле III связывает величину с диаметром заготовки Do;
AV 2AV -I- AL.wi Do tT r..
при этом — • где т = ~i—• На лоле
по нормативным материалам простроены кривые точности объема заготовок, разделанных на пресс-ножницах из проката нормальной точности (сплошные линии), и кривые для более точных заготовок (штрихпунктирные линии), получаемых точной прокаткой, прессованием, волочением и резкой на пилах.
Поле IV связывает объем заготовки V с диаметром заготовки Do. Пользование номограммой объясним на примере. Поковка объемом 400 см3, НП{.Р) — 22 мм, Вп — 146,6 мм. Допуск по высоте поковки Д -- 2 мм. Тогда
Пп (ср) делывается на пресс-ножницах из прутков нормальной точности. Для того чтобы подобрать наиболее выгодное соотношение размеров заготовки, отыскиваем на ординате нижней половины номограммы объем, равный 400 еж3, и проводим горизонтальную линию до встречи с кривой поля I, соответствующей -ц- -п - — 6,6 "л (ср)
(точка /А); затем проводим вертикальную линию до встречи на поле II с кривой, соответствующей Д = 2 мм (точка Б). Горизонтальная линия на поле III пересекает кривые, соответствующие различным соотношениям размеров заготовок, которые отвечают требованиям задачи. Для выбора заготовок возвращаемся к исходной точке (У = 400 см3) и, проведя горизонтальную линию до встречи с кривыми поля IV, устанавливаем значение т — .
Например, при т == 0,5 (точка В) вертикаль, проведенная к данной точке, пересекается В точке Г с горизонталью, проведенной 4©1
= 6,6. Заготовка раз-
через точку Л (на'поле 777). Это показывает возможность удоме-творения заданных условий штамповки в закрытом штампе без компенсатора при размерах заготовки Dv — 62,5 мм и Но — = 125 мм. ^Нетрудно видеть, что данную поковку можно штамповать и при меньшем допуске, например, при Д 1,5 мм. Для получения поля допуска Д — 1 мм необходима заготовка из проката повышенной точности или из калиброванной заготовки (так как горизонталь от поля II к полю III пересекает штрихпунк-тирные линии поля III).
Указанная номограмма не учитывает износа штампов и изменения объема поковки вследствие температурных колебаний. Учесть изменения объема в процессе штамповки (при штамповке в облойиых штампах и в штампах для выдавливания) довольно сложно.
Кузнечное производство характеризуется несколькими показателями точности. Отличают
Рис. 314. Зависимость точности процесса изготовления поковок от размеров припусков и допусков на поковки
точность размеров поковок, характеризуемую полем допусков, от точности приближения формы поковок к форме детали, которая определяется величиной фактических припусков,
так как от них зависит степень приближения формы и размеров поковок к форме и разме-
рам детали. Фактический припуск (характеризующий объем стружки и угар металла при термической обработке поковок) учитывает величины дефектного слоя
металла; напуски, упрощающие форму поковки и от штамповочных уклонов и слой металла за счет допусков.
Известно также понятие о точности процесса изготовления поковок. Эта точность тем выше, чем ближе форма поковок к форме деталей и чем меньше колебания размеров поковок. Таким образом, точность процесса объединяет в себе оба упомянутые выше понятия точности. Высокая точность размеров поковок частично
уменьшает потери металла в стружку и упрощает автоматизированную обработку резанием. Однако наиболее полно отходы металла
характеризуются точностью процессов изготовления поковки.
На рис. 314 приведен график, характеризующий связь между припусками, допусками и точностью процесса изготовления поковок. Как видно из графика, припуски изменяются от некоторых положительных величин до нуля, тогда как допуски всегда больше нуля. Движение по оси абсцисс слева направо означает переход от процесса низкой точности (например, от свободной ковки) к процессу большей точности (например, к штамповке с чеканкой) и, наконец, к процессу высокой точности (например, к выдавли-
492
ванию), при котором уровень допусков (по линии / I) удовлетворяет условиям сборки машины, а припуски отсутствуют.
Определение усилия пресса и массы падающих частей молота. Одним из наиболее ответственных расчетов при разработке технологических процессов штамповки является расчет необходимого усилия пресса или массы падающих частей молота. От правильного выбора машины-орудия зависят расход энергии, производительность, точность получаемых изделий, износ инструмента и др.
Существующие методы определения типоразмеров оборудования могут быть разделены на три группы: эмпирические, экспериментальные и теоретические.
Эмпирические методы основаны па практических результатах при ковке и штамповке в различных отраслях промышленности. Эмпирические формулы обычно не имеют физического смысла, и во многих случаях они связывают величины, не согласующиеся между собой по размерности. В качестве примера для определения массы падающих частей молота рассмотрим формулу, используемую часто на практике,
G = ^-V (c=-T-v). <«о>
где h — высота падения бабы молота в м (см);
п — число ударов молота при штамповке в чистовом ручье;
Fn — поверхность поковки в м2 (см2);
а' (а") — удельная работа на 1 ме (см2) площади поверхности в длс/м2 (кГ-м/см2);
у — отношение предела прочности марки стали, из которой штампуется поковка при температуре конца штамповки, к той же величине для стали с ов — = 491 Мн!м2 (50 кПмм2).
Для расчетов рекомендуется принимать п — 4, а а' = -= 2,4 Мдж/м2 (а = 24,5 кГ -^1см2) для стали с ов— 491 Л1н/№ (50 кГ/мм2).
При расчете массы падающих частей молота двойного действия влияние верхнего пара учитывается введением в знаменатель коэффициента, равного 1,8.
Для упрощения расчета по формуле (80) пользуются примерным соотношением между поверхностью поковки и площадью ее проекции:
Fn ъ 2,3Fnf>.
При установлении массы падающих частей молота для штамповки следует исходить из наибольшей работы деформации, затрачиваемой при последнем ударе.
П. П. Еднерал на основании опыта штамповки 45 типов поковок автомобильного завода имени Лихачева показал, что
493
работа одного удара молота двойного действия, затрачиваемая в чистовом ручье штампа и отнесенная к объему поковки, дает значительно большие отклонения от средних значений, чем в случае отнесения ее к площади проекции поковки с включением площади облоя.
Этим автором установлены следующие расчетные формулы:
-=
G--^Fnp (G-^Fnp\ (81)
где Aljd — работа одного удара молота в дж (кГ-м);
G — фактическая масса падающих частей молота в кг1, Fnp — суммарная площадь горизонтальной проекции поковки и облоя в конце штамповки в м2 (си2);
0' (РЭ — удельная работа одного удара молота в дж!м2 (кГ-м/см2);
ф' (ФЭ — удельная масса падающих частей молота в кПсм2.
Для конструкционных мало- и среднеуглеродистых, а также для малолегированных сталей значения 0' (0") и ф' (ф”) при температуре конца штамповки приняты: 0' (0") ~ 547 сЫЛи2 (5,7 кГ -м/см2); ф' (ф") -- 399 дж/м2 (4,0 кПсм2).
Для определения приблизительного соотношения между усилием пресса и массой падающих частей молота можно воспользоваться выражением, предложенным Е. П. Унксовым,
Р - (104-12) G Мн [Р = (10004-1200) G ml,
где Р — усилие штамповки на прессе в Мн (/п);
G — масса падающих частей молота в tn.
Большее значение коэффициента в скобках относится к более крупному оборудованию.
Для подбора пресса и молота можно использовать одни и те же эмпирические формулы с учетом указанного соотношения.
Экспериментальные методы определения усилия с помощью месдоз используют в исследовательских целях, поскольку в этом случае процесс штамповки уже осуществлен; при разработке технологического процесса ориентируются на еще неосуществленный процесс ковки, штамповки.
Экспериментальный метод, используемый для определения типоразмера оборудования, основан на известном положении о подобии. На модели небольшого размера воспроизводят процесс штамповки. При этом с помощью приборов фиксируют необходимые величины (работу, усилие для деформации), которые затем пересчитывают с учетом масштабных коэффициентов для процессов, совершаемых динамически в условиях высоких температур.
С учетом положения о подобии формула для определения усилия, необходимого для деформации, имеет вид
Р = MpF, (82)
494
где р — удельное усилие при деформации модели в тех же условиях, в которых протекает процесс в натуре в Мн/м2 (кПмм2);
F — контактная площадь натуры в м2 (мм2)-,
М — масштабный коэффициент, значения которого по С. И. Губкину приведены ниже в зависимости от массы поковки Gn:
Объем поковки «Масса поковки 6П в кг Масштабный коэффициент М
V в см*
До 25 0,2 1,0
Свыше 25 до 100 0,2-0,8 1—0,9
» 100 » 1 000 0,8—7,8 0,9—0,8
1000 » Б ООО 7,8—39,5 0,8-0,7
5 000 » 10 000 39,5—78,5 0,7—0,6
* 10 000 » 15 000 78,5—118,0 0,5
15 000 » 25 000 118,0—196,5 0,5—0,4
у 25 000 Свыше 196,5 0,4
В более поздних работах было установлено, что в зависимости от соотношения размеров заготовки поправочный коэффи-циент не одинаков. Чем больше начальное отношение размеров тем больше снижается удельное усилие на деформацию при увеличении объема заготовки. Указанные выше данные относятся к = 1->2.
По
Теоретические методы. В основу теоретических методов расчета усилия при штамповке приняты положения теории пластических деформаций. Соответствующие методы излагаются в курсе теории обработки металлов давлением. Ниже приводятся некоторые формулы, рекомендуемые для практического использования.
Формула М. В. Сторожева [811 приводится в упрощенном виде; отклонения при расчете по ней не превышают 10—12% от величин, полученных по более точной формуле, выведенной тем же автором,
Р -- 2pzoT(c₽) (1 + 4) + П. (S3)
где р — коэффициент трения деформируемого металла о стенки штампа;
Ь и h —размеры облоя (см. рис. 158);
F и F’ — площади проекции поковки и облоя;
Or (ср) — среднее значение передела текучести металла поковки и облоя с учетом их неодинаковой температуры.
495
Величины, учитывающие масштабный коэффициент и скорость деформации, в формуле (83) отсутствуют, поэтому необ-
ходимо принимать с учетом и этих величин.
Формула Е. П. Унксова [90 J для штамповки в закрытом штампе поковки диаметром Dn и полостью диаметром d, глубиной I имеет вид
4ц? \
)(•+34)F+(f-f>
(84)
где
г nd2
h# — толщина дна поковки;
и — коэффициент трения.
Для перехода от усилия к массе падающих частей молота используется известный метод, согласно которому запас энергии одного удара молота составляет
Дуй — Руд,
(85)
где 8 — деформация за последний удар (обычно принимается из расчета 3—5% по условиям рекристаллизации металла до мелкого зерна);
V — объем поковки в мя (мм3)-,
Руд — удельное усилие течения в конце штамповки с учетом скоростного коэффициента в Мн/м3 (кГ/мм*).
Как известно,
л Uw2
— Г1 2д ’
где т] — к. п. д. удара, равный примерно 0,8;
w — скорость штампа в момент соприкосновения с поковкой (ш — 6,5 м/сек)-,
G — масса падающих частей молота в кг.
Число ударов молота п при штамповке можно определить из выражения
?Д — пД^а
(86)
Работа при штамповке может быть определена, например, по формуле
(87)
496
Рис. 313. Номограмма для расчета ручьев закрытых штампов (по Б. Д. Копыскому)
Я. М. Охрименко 507
где р.п — среднее удельное усилие течения при штамповке по Е. П. Унксову (90J;
Рср = "5" “I 4~)» (88)
Но — начальная высота заготовки;
Н1Р — средняя высота поковки, полученная делением объема поковки на площадь проекции поковки.
Определение усилия пресса для обрезных операций. Необходимое усилие пресса зависит от сопротивления среза стали данной марки, температуры, при которой производится обрезка, периметра среза и толщины облоя.
При выборе оборудования для горячей обрезки облоя на практике используют следующее примерное соотношение: 1 Мн (100 т) усилия обрезного пресса на каждую тонну (1000 кг) массы падающих частей молота или на каждые 10 Мн (1000 т) усилия штамповочного пресса. При расчете требуемого усилия па обрезку облоя данной поковки и для выбора обрезного пресса исходят из следующих соображений.
Усилие среза может быть подсчитано по формуле
Рср = Р^с1» (89)
где Fcp — площадь среза облоя или пленки в м2 (мм2);
gcP — предел прочности при срезе в н]м2 (кГ/мм2).
При этом учитывается следующее:
1. Площадь среза Fcp, подсчитываемая как произведение периметра П среза на толщину облоя h или толщину пленки hnA, увеличивается при затуплении режущих кромок инструмента и износе порога облойной канавки.
2. Действительная толщина облоя может оказаться значительно больше расчетной при недоштамповке поковок.
Указанное заставляет внести поправочный коэффициент в формулу, по которой определяется усилие при чистом срезе. При самых неблагоприятных условиях усилие резки возрастает на 70 %, поэтому
Р,;р = 1,7асрПЙ.
Обычно при расчете вместо <гср используют значения которые указаны в справочниках для различных марок стали. При огр 0,8ой получим
Рср 1,4ов/7й,
где U — периметр места реза в мм;
h — толщина облоя в м (мм).
Если одновременно с обрезкой облоя удаляется пленка, то усилия этих операций суммируются. Однако для уменьшения расчетного усилия можно предусмотреть определенную последо-32 я. М. Охримсш$<? 597 497
вательность обрезки и просечки. Величину ов следует принимать с учетом температуры, при которой производят обрезку поковок.
В последнее время делаются попытки применить для технологических расчетов счетно-решающие устройства. Это можно осуществить, поскольку все технологические параметры определяются по нормативным или стандартизованным данным. Задача сводится к составлению соответствующего алгоритма, тогда технологическая разработка может осуществляться за несколько минут.
Конструирование штампов сводится к определению расчетных размеров всех элементов ручьев применительно к нормализованным вставкам и пакетам или блокам для каждого типоразмера оборудования, установленного при расчете.
Экономические расчеты (себестоимость, эффективность) обычно являются завершающими при разработке технологических процессов штамповки. Результаты всех расчетов заносятся в так называемую карту технологического процесса.1
1 Болес подробно о разработке технологического процесса и конструировании штампов см. в работе [10], а также А. В. Ребельский, Основы проектирования процессов горячей штамповки, М. Машиностроение, 1965.
ГЛАВА F//
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ФАСОННЫХ ЗАГОТОВОК И ПОКОВОК
(ТЕХНОЛОГИЯ КРУПНОСЕРИЙНОГО И МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК)
При достаточно больших сериях производства поковок становится целесообразным фасонирование заготовок и даже изготовление поковок специализированными или узкоспециализированными методами. С этой целью вместо универсальных машин используются машины специального назначения1; при этом технико-экономические показатели их производства значительно повышаются.
К таким машинам относятся прокатные станы, ковочные вальцы, ковочно-обжимные (вертикальные и горизонтальные), гибочные (бульдозеры), раскаточные, электровысадочные и другие машины для производства цепей, рессор, пружин и тому подобных массовых деталей. В данной главе рассматриваются специализированные технологические процессы изготовления поковок мелких и средних размеров, которые при неспециализированном производстве получают обычными способами горячей штамповки.
Эффективность специализированного и узкоспециализированного производств тем выше, чем проще технологический процесс, который в известной степени определяется конфигурацией поковок. Для упрощения способов производства сложных поковок можно использовать некоторые технологические приемы, которые также описаны в данной главе. Возможности увеличения серийности производства поковок за счет кооперирования и централизации производства, унификации поковок, групповых технологических процессов, применения сборных штампов и т. и. были рассмотрены в предыдущих главах.
1 Исключение составляет крупносерийное и массовое производство относительно крупных поковок, которые получают ковкой на универсальном оборудовании (например, массовое производство железнодорожных осей па молотах).
32* 499
При узкоспециализированном производстве целесообразнс процесс доводить до готовой детали. Если это осуществить не удается (например, при значительной разнородности смежных операций или невозможности ограничиться обработкой давлением при производстве деталей), то специализированный или узкоспециализированный процесс используется для производства поковок.
Если такими методами нельзя получить поковки (например, при очень сложной их конфигурации), то ограничиваются специализированным фасонированием заготовок с последующей их штамповкой на универсальных машинах, обеспечивающих высокие производительность и качество продукции.
Специализация производства фасонных заготовок или поковок на базе упрощенной технологии создает условия для высокой механизации и автоматизации производственных процессов. Осуществление технологических процессов при использовании последних достижений науки и техники требует применения системы совершенных механизмов и автоматов. К последним относятся автоматы-двигатели, автоматы-орудия и управляющие автоматы *.
Применение системы вспомогательных механизмов и автоматов обеспечивает непрерывность процесса производства поковок или деталей машин. Анализ работы кузнечных агрегатов свидетельствует о наличии больших резервов увеличения производительности действующего оборудования за счет повышения коэффициента использования оборудования. Чтобы производить быстро и большое количество высококачественных поковок, нужно обеспечить непрерывность технологического процесса, каждая стадия которого должна совершаться с оптимальной скоростью. Это обстоятельство является главным при разработке специализированных процессов совершаемых на высоком техническом уровне.
Непрерывность процесса производства поковок (деталей) в сочетании с их высокой технологичностью и тщательно подобранными переходами составляют условия для построения оптимального варианта кузнечной технологии. При этом обеспечивается высокий уровень трех основных показателей любого производства: производительности, экономичности и качества продукции. Кроме того, должны быть обеспечены требуемые санитарно-гигиенические условия труда и условия техники безопасности.
Возможность осуществления непрерывного технологического процесса производства поковок не встречает затруднений, так как он отличается малооперационностью; отдельные операции его легко сочетаются между собой и обычно согласуются по затрачи-
1 Подробно вопросы механизации и автоматизации рассматриваются в курсе «Механизация и автоматизация кузнечно-штамповочного производства». В данной главе приводятся лишь сведения об особенностях технологии, совершаемой на высоком техническом уровне.
500
Наемому на них времени. Здесь основные трудности связаны с изменением условий работы инструмента, невысокая стойкость которого еще больше снижается при непрерывной работе. Однако эти трудности можно устранить за счет применения новых штамповых материалов и правильной эксплуатации штампов (см. гл. X).
Ниже приводятся отдельные наиболее типичные приемы, помогающие упростить технологический процесс и создать условия для организации специализированного производства поковок.
§ 1. СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ И РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ
Как уже известно, к подготовительным операциям относятся разделка прутков торговой длины на мерные заготовки и фасонирование последних.
Непрерывность технологического процесса в условиях работы машин с возвратно-поступательным циклом рабочего хода состоит в использовании для деформации всего номинального количества ходов данной машины в единицу времени. При нормальном нагружении машины это возможно за счет совершения вспомогательных операций (по перекладке заготовки из ручья в ручей или укладке в ручей новой очередной заготовки) в промежутке между операциями, совершаемыми машиной. Несмотря на то, что полезная часть хода в 3—4 раза меньше всей величины хода машины, времени для совершения вспомогательных операций бывает недостаточно и технологический процесс совершается с большой прерывностью.
Штамповка от прутка. Одним из способов, обеспечивающих упрощение вспомогательных операций и непрерывность процесса, является штамповка от прутка, широко используемая при высадке на горизонтально-ковочных машинах (см. гл. VI, § 6), а также на молотах и прессах (рис. 315). При этом способе, особенно целесообразном для небольших поковок, отпадает необходимость в предварительной разрезке прутков на отдельные заготовки; для осуществления вспомогательных операций могут быть использованы простые и дешевые средства механизации и автоматизации. Например, в подшипниковой промышленности горизонталыю-ко-вочиые машины, оборудованные подъемными столами, обеспечивают с одного нагрева прутка последовательное изготовление до 25 поковок.
Для упрощения не только вспомогательных, но и технологических операций применяются различные приемы специализированного фасонирования заготовок.
Применение профильного проката. При выборе круглых и квадратных заготовок исходят из целесообразности применения этих профилей с экономической точки зрения. Однако при использовании производительных и недорогих способов разрезки металла 501
На заготовки экономически выгодно применять такие профили, после разрезки которых заготовки не требуют дополнительного фасонирования и могут быть подвергнуты штамповке непосредственно в чистовом (или предварительно в черновом) ручье штампа (рис. 316).
Рис. 315. Штамповка «от прутка»длинноосных поковок («) и поковок типа тел вращения (б)
Рис. 316. Использование профилированного проката для штамповки без предварительного фасонирования заготовок:
/ — пруток (профиль); 2 — отрезанная заготовка; 3 — поковка
При штамповке круглых изделий с отверстиями успешно применяются трубные заготовки (цельнотянутые трубы).
Из таких заготовок можно получать поковки, имеющие форму фасонного кольца, штамповкой в одном ручье за один-два рабочих хода машины (рис. 316, а). Головка торцового гаечного ключа при изготовлении его из трубы оформляется в двух ручьях горизонтально-ковочной машины (рис. 316, б). При штамповке маховичков целесообразно использовать фасонный прокат крестообразной формы (рис. 316, в). На рис. 317 приведены изделия, получаемые 502
из профилированного проката горячей штамповкой в открытых или в закрытых штампах, а также точной горячей калибровкой. Успешное применение подобной штамповки зависит от того, насколько производителен способ разрезки профильного проката на заготовки. В массовом производстве штамповка с отрезкой заготовок от прутков профильного проката дает значительное сокращение отходов при одновременном увеличении производительности. Однако прокат имеет характерное расположение волокон, которое, исходя из назначения готового изделия, не всегда является оптимальным в прокатной заготовке. Наличие отходов при раз-
Рис- 317 Варианты штамповки заготовок из профилированного проката:
1 — профиль; 2 — мерная заготовка; 3 — поковка
резке дорогостоящих прутков профильного проката также является недостатком указанного способа штамповки.
Вырезка заготовок. Для получения фасонных заготовок применяется также операция вырезки их из полосового материала. Вырезка на прессе фасонных заготовок из полосы позволяет штамповать их непосредственно в чистовом ручье. Однако при таком технологическом процессе во избежание значительных потерь металла необходимо применять малоотходную резку заготовок.
На рис. 318 показан упрощенный способ фасонирования заготовки для шатунов. Вырезка из полосы по сложному контуру обеспечивает безотходный раскрой металла. Фасонная заготовка 1 формуется в подготовительном ручье 2 и штампуется сначала в черновом 3, а затем в чистовом 4 ручьях. Поковку шатуна 5 получают с незначительными отходами при относительно простом технологическом процессе.
Пример рациональной разрезки фасонного проката на отдельные заготовки для штамповки показан на рис. 319. Двутавровое сечение фасонного проката по линиям I—I разрезается на равные части. Затем каждая из этих частей разрезается по линии II—II.
503
Таким образом, получают одинаковые заготовки Д 2, 3, 4 и т. д. таврового сечения, которые затем штампуются до окончательные размеров.
Горячая штамповка заготовок, вырезанных из листа полосы, позволяет получать поковки с размерами высокой точности. Холодная калибровка обеспечивает еще большую точность размеров изделий, качество же получаемой поверхности в отдельных случаях не уступает шлифованной. Преимущества приведенных способов
Рис. 318. Технологические переходы при штамповке шатунов из вырезанных заготовок
заключаютсяугакже в уменьшении затрат труда и экономии энергии. При штамповке на молоте изделия получаются за один-два удара, а производительность при этом увеличивается в 2—2,5 раза.
Рис. 319. Получение фасонных заготовок из двутаврового профиля [101]: а — фасонная заготовка; б — нековка
Применение проката периодического профиля. Для штамповки применяется также прокат периодического профиля (см. рис. 5). Увеличение производительности и экономия металла в крупносерийном и массовом производстве компенсируют сложность получения проката периодического профиля. Если обычный прокат применяется для продольной и поперечной штамповки в открытых и закрытых штампах, то периодический прокат — только для поперечной штамповки преимущественно в открытых штампах.
На заводах СССР осуществляется производство периодических профилей продольной и поперечной прокаткой. Так. например, из профилей, полученных продольной прокаткой, штампуются балки передней оси автомобиля. Недостатки продольной прокатки связаны с образованием облоя, который понижает выход годного, и сложностью получения относительно небольших серий заготовок. В последнее время все более широкое распространение нахо-304
дит периодический профиль, изготовляемый поперечной прокат* кой. Станы для поперечной прокатки могут быть установлены даже вблизи штамповочных агрегатов, ввиду простоты переналадки они могут обеспечивать выпуск относительно небольших серий фасонных заготовок. На рис. 225 приведены фасонные заготовки, полученные продольной и поперечной прокаткой. Штамповка таких заготовок осуществляется в чистовом ручье. В настоящее время освоены и применяются для штамповки пустотелые периодические профили.
Вальцовкой фасонных заготовок на консольных вальцах получают мерные фасонные заготовки; из-за простоты смены инструмента вальцы обычно работают в агрегате с оборудованием для штамповки. Например, заготовка для двух поворотных кулаков автомашины вальцуется за два включения вальцев (см. рис. 226).
§ 2. СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ И РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ОКОНЧАТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ
Для упрощения переходов штамповки применяются различные приемы, например, изменяется форма поковки на предварительных операциях. В тех случаях когда поковка имеет форму, усложняющую процесс штамповки, в частности длинные боковые от-
Рис. 320. Упрощение формы поковки за счет приближения отростков к основному стержню поковки:
I, II. III — переходи штамповки
ростки, используется способ «складывания». Он заключается в том, что при штамповке отростки поковки пригибаются к стержню. Это упрощает фасонирование и процесс штамповки (рис. 320, а).
После штамповки отростки необходимо отогнуть. Аналогично штампуется вагонный тормозной валик (рис. 320, б). Операция отгибки отростков в обоих случаях существенно не усложняет технологический процесс и обычно осуществляется после обрезки облоя на том же прессе.
505
Во многих случаях из-за конфигурации поковки ее удобнее штамповать в развернутом виде, затем обрезать облой и сгибать поковку соответственно с требуемой формой (рис. 321). При таком способе штамповки повышается стойкость штампов, так как исключается тяжелая операция рассекания металла (при образовании вилки).
Рис. 321. Штамповка вилки в развернутом положении:
а — лакея на до обрезки облоя, б — обрезанная поковка; в — поковка после гибки
Сращивание частей поковки. В некоторых случаях упрощение технологического процесса штамповки может быть достигнуто штамповкой отдельных частей поковки, затем сращиванием их и обжатием в специальном ручье или непосредственно в чистовом ручье. Например, при изготовлении судовых цепей применяют заштамповку предварительно отштампованных частей звена, этим упрощают технологический процесс производства цепей.
Совмещение штамповки нескольких поковок. С целью упрощения процесса могут быть применены различные варианты совмещенной штамповки поковок. Например, можно производить последовательную штамповку двух поковок удлиненной формы с поворотом заготовки. Сначала штампуют одну поковку, а затем, после поворота заготовки, вторую. В этом случае отсутствует клещевина (и соответствующий отход), необходимая для удержания заготовки в процессе штамповки единичной поковки.
Возможны различные варианты совместной штамповки нескольких поковок с последующей их разрезкой (рис. 322). Например, трудноштампуемые поковки (рис. 322, а и б) заменяют поковкой более простой конфигурации в случае их штамповки по 2 шт. Таким образом часто объединяют в общую поковку так называемые «правые и «левые» детали машин. Рукоятки ручных фонарей (рис. 322, в), имеющие Г-образную форму, получить гибкой затруднительно из-за небольшой длины заготовки. Объединение указанных деталей по 5 шт. позволяет получать их в виде круглой 506
поковки, при этом упрощается их штамповка. На рис. 322, г показано подобное объединение четырех одинаковых деталей в одну общую поковку. Во всех приведенных случаях упрощается не только штамповка, но и подготовительные операции; однако при этом необходима разрезка поковок (по линии к).
Совмещение штамповки часто диктуется упрощением эпюры диаметров, в связи с чем устраняется необходимость в применении сложных подготовительных ручьев. Например, при штамповке поковок удлиненной формы с бобышками на концах применена
Рнс. 322. Совместная штамповка различных поковок
спаренная штамповка с расположением их «валетом» (см. рис. 224). При таком расположении устраняется протяжка и подкатка заготовки. После пережима заготовки за один удар следует черновая и чистовая штамповка. После обрезки облоя и термической обработки поковок, а также удаления перемычек между' ними поковки отделяются друг от друга.
Совмещенная штамповка применяется также для разгрузки штампа от горизонтальных сил. В рассмотренных случаях при совмещенной штамповке объединяются одинаковые поковки. Практикуют также совмещенную штамповку различных поковок. Особенно благоприятны условия для совмещенной штамповки нескольких круглых поковок с отверстиями (рис. 323). В этих случаях можно получить поковки за счет металла, идущего при другом способе штамповки в отход. Такой способ может быть применен в тех случаях, когда объединяемые для совместной штамповки поковки могут быть изготовлены из одной стали. На рис. 228 приведен пример мпогоштучной штамповки в случае расположения поковок цепочкоц.
507
Уменьшение габаритных размеров поковки. Во многих случаях препятствием для осуществления штамповки являются большие габаритные размеры поковки (например, различные стержневые тяги с фасонными головками или законцовками). Штамповка таких поковок возможна при сокращенной длине их стержневой части и соответствующем удлинении ее после штамповки.
Штамповка по частям (секционная штамповка). В тех случаях, когда изделие не удается штамповать целиком, применяют штамповку по частям. Этот способ может применяться в тех случаях, когда необходимо уменьшить габаритные размеры штампов и обо-
а — поковки, штампуемые раздельно; б — совмещенная штамповка; 1 — основная поковка; 2 — поковка, дополняющая основную; 3 — облой; 4 — пленка
рудования. Например, так штампуют балки передних осей автомобиля из проката периодического профиля (вначале штампуется один нагретый конец заготовки, а затем другой в том же ручье штампа).
Рассмотрим технологический процесс штамповки шестиколенчатого вала массой 1100 кг и длиной 3 мм. Для этого необходим пресс усилием 196 000 кн (20 000 tri). Штамповка вала по частям может быть осуществлена на прессе, усилие которого меньше во столько раз, на сколько частей разделена поковка при штамповке. В рассматриваемом случае поковка штампуется за два или три приема на гидравлическом прессе усилием 98 000 кн (10 ООО tn). Технологическая схема изготовления коленчатого вала состоит из отдельных операций. В подготовительном штампе после перераспределения металла вдоль оси и подкатки с набором бобышек получается фасонная заготовка. Предварительная штамповка фасонной заготовки выполняется за один ход пресса в открытом штампе. В том же штампе, разделенном на три секции (рис. 324), осуществляется штамповка поковки по частям: вначале средней, а затем крайних за два или три хода пресса. После штамповки следует обрезка облоя в обрезном штампе и правка-калибровка 508
в окончательном ручье основного штампа. Следовательно, в рассматриваемом случае используются три штампа: подготовительный, окончательный и обрезной. Особый интерес представляет окончательный трехсекционный штамп (рис. 324). Нижняя часть штампа размещается в башмаке /, который служит направляющей для верхней части штампа. Верхняя и нижняя части штампа разделены на три секции (/, //, ill). Включение в работу отдельных секций штампа осуществляется при помощи передвижных подкладок (на рис. 324 не показаны), которые вводят в действие среднюю часть штампа, а затем крайние части. При тщательной
Рис 324. Трехсекционный штамп для штамповки поковки шестиколенчатого вада
отработке процесса штамповка по частям не сопровождается образованием складок или перерезыванием волокон по месту стыка смежных секций штампа.
Устройство для специализированной поочередной штамповки колен крупных валов (массой 400—10 000 кг) на гидравлическом прессе усилием 58 800 Кн (6000 т) показано на рис. 325. Нижняя часть устройства, установленная на столе пресса, состоит из двух рам 1 и 2, передвигающихся навстречу друг другу при надавливании на их скосы 3 и 4 соответствующими наклонными планками. Последние укреплены на верхней части 5 устройства, которое, в свою очередь, закреплено на траверсе пресса. Каждая часть штампа 6 и 7 состоит из двух половин: нижние укреплены на рамах / и 2, а верхние — па верхней части 5 устройства. Круглая заготовка предварительно обтачивается в местах будущих цапф вала до соответствующих размеров. Процесс штамповки начинается с образования фланца вала высадкой его (рис. 325, а); затем инструмент заменяется и осуществляется штамповка первого колена вала (рис. 325, б); при этом опорной базой служит фланец вала. Вначале при штамповке высаживаются щеки колена; это происходит при сближении частей штампа 6 и 7; затем пуансон 8 с подвижной опорной частью 9 опускается вниз и смещает цапфу 509
колена в нужное положение при одновременном дальнейшем сближении частей штампа 6 и 7. Штамповка следующих колен осуществляется аналогично. За один нагрев можно отштамповать два-четыре колена вала. Путем перестановки опорных колец 10 возможно штамповать валы при расположении соседних колен под любым углом относительно друг друга (без выкрутки).
Рис. 325. Штамп для поочередной иламповки элементов крупных коленчатых валов:
а — начальное (вверху) и конечные (внизу) положения штампа при штамповке фланца вала; 6 — начальное (вверху) и конечные (внизу) положения штампа при штамповке первого колена вала
Способом секционной штамповки можно изготовлять также поковки круглые в плане. На рис. 141 и 142 рассмотрен такой процесс, являющийся в данном случае переходным между ковкой и штамповкой.
Комбинированная штамповка. Получение высоких техникоэкономических показателей штамповки в значительной степени зависит от правильного расчленения технологического процесса на отдельные элементы и стадии, а также от способа их осуществления.
Штамповка разнообразных поковок на универсальном оборудовании по мере укрупнения серийности производства уступает место такому специализированному производству поковок, при котором каждая операция совершается в оптимальных условиях па оборудовании, приспособленном только для данных целей. Одним из наиболее простых приемов специализации всего процесса штамповки является комбинированная штамповка, сущность которой заключается в том, что отдельные эле-510
менты или стадии технологического процесса осуществляются па различных машинах или в различных штампах более рациональными способами.
Существует много способов рационализации технологического процесса за счет применения комбинированной штамповки. В зависимости от сложности технологического процесса можно использовать комбинирование различных машин для отделения стадии фасонирования от стадии непосредственной штамповки поковок. При этом можно применить комбинации из одинаковых машин различной мощности и из машин различных типов. К многочисленным примерам такого вида специализации относятся раздельное фасонирование и штамповка на двух молотах или на молоте и прессе, на горизонтально-ковочной машине и прессе, на вальцах и прессе и т. п.
Способы специализации производства поковок на стадии их оформления из фасонных заготовок еще более многообразны, так как, кроме различных машин, для комбинированной штамповки могут быть использованы различные типы штампов (открытые, закрытые и для выдавливания). При ориентировании только на основные пять типов машин-орудий (молоты, горизонтально-ковочные машины и прессы —^кривошипные, гидравлические, фрикционные) и на три типа штампов можно составить большое количество вариантов комбинированной штамповки. Число этих вариантов возрастает при наличии более двух переходов при штамповке, а также при изменении последовательности штамповки в различных ручьях. Например, вариант комбинирования открытого штампа с закрытым служит для уточнения объема заготовки (за счет переменного объема облоя) перед точной штамповкой в закрытом штампе. Обратная последовательность штамповки при данной комбинации штампов целесообразна для упрощения фасонирования заготовки при сложной форме поковки.
В общем штамповочном агрегате могут быть использованы не только различные универсальные машины, но и машины узкого назначения. При расчленении процесса на отдельные элементы учитывают особенности оборудования, включаемого в общий агрегат. Наиболее просто осуществляется штамповка при разделении заготовительных и окончательных операций. Например, выполнение протяжных и подкатных операций на кривошипных прессах нецелесообразно, поэтому последние используют в сочетании с ковочными вальцами, обеспечивающими необходимое перераспределение металла перед штамповкой. На практике часто применяют обрезные прессы, входящие в агрегат как вспомогательное оборудование для правки и гибки поковок и т. п. Рассмотрим примеры комбинированной штамповки. При изготовлении обычным способом цепного (грузового) колеса (рис. 326, а) приходится предусматривать большой напуск 1 по месту расположения желоба, что приводит к значительным потерям металла. Комбинированная
511
штамповка заключается в получении колеса с ребордой, форма которой указана штрихпунктирнои лилией. Под прессом в штампе с разъемной матрицей реборда отгибается до получения колеса нормальной формы. При этом процессе, помимо экономии металла, значительно сокращается объем механической обработки поковки.
Штамповку трубного тройника (рис. 326, б) можно осуществить комбинированным процессом сначала на молоте в открытом штампе, в затем на горизонтально - ковочной машине в закрытом штампе, в котором образуются флан
Рис. 326. Примеры комбинированной штамповки на универсальном оборудо-”вании
Рис. 327. Примеры комбинированной штамповки с использованием специального оборудования
цы 2 тройника. Поковки с расширяющейся к дну полостью (рис. 327, а) можно получить при использовании следующего комбинированного процесса. После штамповки из цилиндрической заготовки 1 поковки в виде тарелки 2 ее протягивают сквозь кольцо и получают поковку в виде обечайки 3. Затем обкаткой кромки обечайки внутрь ^получают поковку заданной формы 4.
Комбинированный процесс штамповки железнодорожных колес показан на рис. 327, б. Осаженная и прошитая литая заготовка 5 подвергается штамповке в открытом штампе па молоте или прессе; полуфабрикат 6 — раскатке на раскаточной машине. В результате этого образуется реборда 7. Для придания колесу 8 большей устойчивости полотно его выгибается на прессе.
На рис. 328 приведен пример комбинированной штамповки коленчатого вала. Для облегчения штамповки в открытом штампе на прессе длину поковки коленчатого вала получают большего 512
размера (за счет большего расстояния между щеками колен), чем предусмотрено чертежом поковки. Доштамповка вала осуществляется на горизонтально-ковочной машине в одноручьевом штампе со скользящими матрицами. За один ход поковка укора-
Рис. 328. Комбинированный процесс штамповки коленчатого вала на прессе п доштамповки в скользящих матрицах горизонтально-ковочной машины:
а — коленчатый вал после штамповки па прессе; б — коленчатый вал после доштанповки на горизонтально-ковочной машине; в~ скользящая матрица с ручьем для доштамповки вала
чивается на величину Д, одновременно обжимаются штамповочные уклоны и поковка получает размеры, близкие к размерам детали. При таком процессе расположение волокон в металле соответствует очертанию поковки, несмотря на незначительное расстояние между щеками колен.
33 у;. М. Охрименко 597 513
Штампосварные изделия. При комбинировании штамповки со сваркой можно получить изделия сложной формы и больших габаритных размеров. В промышленности применяется значительное количество штампосварных изделий [51 ]. На рис. 329 представлено несколько примеров штампосварных изделий. Получение
глухих фланцев на концах труб 1 или длинных стержней 2 обеспечивается приваркой к ним поковок соответствующей формы. Сваркой двух несложных поковок получают блок шестерен S сложной формы. Кронштейн 4 получается после гибки предварительно высаженной по-
Рмс. 329. Штампосварике изделия
ковки и приварки ее к плоскому фланцу. В про-
мышленности применяют сварные штампованные паровозные дышла, штампованные рукоятки с приваренными ручками, штампосварные тяги и много других частей машин. Очень крупные части, а также части сложной формы могут быть составлены из трех и более отдельных штампованных поковок. При необходимости штампосварные изделия подвергают механической обработке, как и обычные поковки.
ГЛАВА Vffl
ШТАМПОВКА НА ОБОРУДОВАНИИ УЗКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
§ 1. ГИБКА НА БУЛЬДОЗЕРАХ
Для гибки металла в горячем состоянии применяются средние и крупные модели бульдозеров, представляющих собой кривошипные машины с горизонтальным перемещением ползуна. Характерные особенности бульдозера заключаются в относительно большой величине рабочего хода и возможности применения крупногабаритных штампов, что позволяет осуществлять гибку заготовок, размеры которых превосходят обычные размеры поковок, получаемых горячей штамповкой. При гибке не требуется больших усилий, в связи с чем усилия, развиваемые бульдозерами, не превышают 4900 кн (500 tn). Гибкой на бульдозерах получают готовые детали или полуфабрикаты, подвергающиеся затем дополнительной обработке на прессах, молотах и т. п. Гибка может быть также завершающей операцией для поковок, полученных ковкой или штамповкой. При гибке на бульдозерах заготовка свободно размещается в штампах или закрепляется в них с помощью специальных устройств.
После изгиба заготовки обычно необходима операция правки, так как участки заготовки, смежные с очагом деформации, искривляются, а поперечное сечение ее в месте изгиба искажается (рис. 330). В зоне 1 действия растягивающих напряжений (рис. 330, а) размеры сечения заготовки уменьшаются (смотри вогнутость слева в сечении квадратной заготовки). В зоне сжатия 2 сечение увеличивается. Отрезок АВ касательной, проведенной к контуру изогнутой заготовки, делится примерно пополам в точке пересечения с осью OY (рис. 330, б). Это обстоятельство послужило основанием для Рейте считать линию внешнего контура изогнутой части заготовки параболой, уравнение которой имеет вид
Fa « 2gX,
где q — радиус кривой в ее вершине.
33* 515
Если радиус изгиба очень мал, то при большом угле изгиба могут образоваться в зонах сжатия нежелательные складки. С точки зрения пластичности металла для среднеуглеродистой стали при горячей гибке не существует ограничений по величине минимального радиуса изгиба. Между толщиной изгибаемой заготовки /70, радиусом изгиба г и поперечным сужением ф известна следующая зависимость:
По
Щ'Л\\
<9°)
Из этой формулы ВИДНО, что при г — 0 (изгиб до соприкосновения между собой концов заготовок) ф — 0,5. При изгибе такое условие может быть выдержано без разрушения для стали, имеющей сужение в шейке при растяжении более 50%. Чаще всего внутренний радиус гибки составляет
2
Рис. 330. Искажения профиля заготовки при гибке:
а — квадратное сечение (штрих-пунктирной линией показан профиль при отсутствии искажений); о — круглое сечение
При этом согласно формуле '(90) поперечное сжатие равно 0,33 (т. е. 33%). При проектировании оснастки следует проверять соответствие заданной величины радиуса и поперечного сжатия данной стали при растяжении, причем должно быть выдержано соотношение
Яо(1-2ф)
2ф
(90')
(91)
При определении усилий, необходимых для гибки, исходят из положения, что изгибающий момент, создаваемый внешними силами, уравновешивается моментом внутренних сил
Л1 — М
2 внетн 1Пвь утр •
Момент внешних сил, как известно, равен произведению внешней силы на соответствующее плечо. Момент внутренних сил можно определить исходя из распределения напряжений по сечению изгибаемой заготовки. На первой стадии, при упругом изгибе, распределение напряжений имеет вид, показанный на рис. 331, а. Из курса сопротивления материалов известно, что изгибающий 516
момент для заготовки круглого сечения равен
яЛо
М внутр ^шах 32 ^шях^у»
(92)
где W'y — момент сопротивления сечения изгибаемой заготовки.
На следующих стадиях изгиба, когда стП|ах = пТ , начнется пластическая деформация, причем в первую очередь остаточные деформации появляются в зонах наибольших напряжений (рис. 331, б).
Рис. 331. Схемы напряженного состояния при изгибе:
а — упругий изгиб; б — упрую-плястический изгиб; е — пластический изгиб при отсутствии наклепа металла (осевые напряжения); г — схемы напряженного и деформированного состояния при нбе широкого бруса; д — схема напряженного и деформированного состоянии при изгибе узкого бруса
При этом
ли™ == «Ж м*7).
где — доля момента сопротивления для части сечения, находящейся в упругом состоянии;
W — то же для пластически деформирующейся части сечения.
517
При малом радиусе изгиба пластическая зона охватывает почт! все сечение заготовки. При гибке нагретой заготовки наклеп металла устраняется протекающими процессами возврата и рекристаллизации. В этом случае эпюру напряжений с некоторым приближением можно представить так, как показано на рис. 331, в. При этом Мвнутр= 0rW.
В действительности эпюра напряжений имеет несколько иную форму из-за объемного напряженного состояния и искажения поперечного сечения заготовки. В результате этого по мере уменьшения радиуса изгиба нейтральная линия все больше сдвигается в сторону сжатых волокон.
Из теории пластической деформации известно, что пластический момент сопротивления равен удвоенному статическому моменту половины площади сечения относительно оси, проходящей через- центр тяжести сечения и перпендикулярной к плоскости изгиба 187 ]:
= 2S.
Чтобы определить момент сопротивления при пластическом изгибе заготовки круглого сечения, выделяют элементарный участок сечения площадью dF (рис. 331, е).
Пластический момент сопротивления сечения определяется из следующего выражения:
W o = 25 = 2 J dF^- = J y2dx.
у=0 I/—О
После подстановки
у2 — R2 — х2 получим
+К л= +«
j (/?2~X2)dX= | <93)
Л— —R х= —R
При сопоставлении величины Wv и для круглого сечения можно видеть, что при переходе упругого изгиба в пластический сопротивление изгибу возрастает почти на 70% [87]:
Wo __ 32D3 _ . „„
Itf^-блО3 “
Если изгибу подвергается брус прямоугольного сечения с поперечными размерами, значительно большими, чем размер по высоте сечения, то напряженное состояние имеет объемный характер в растянутой и сжатой зонах бруса (рис. 331, г). Осевые нормальные напряжения <гь действующие по оси изогнутого бруса, задаются внешней силой. Радиальные напряжения <т3 возникают 518
вследствие наличия кривизны бруса к моменту появления пластического изгиба; продольные слои бруса нажимают друг на друга и вызывают эти напряжения, причем максимальное значение они имеют на нейтральной оси бруса. Вследствие большой ширины бруса деформации по его ширине затруднены и это вызывает напряжения о2. По указанной причине схема деформаций будет иметь плоский характер (йа — 0).
При изгибе узкого бруса напряжения oj и tf2 имеют то же происхождение. Вследствие свободы деформации по ширине бруса
Рис. 332. График «усилие—рабочий ход» при гибке:
а — свободная гибка, б — гибка в штампах; 1 — конец упругого изгиба; 2—пластический изгиб, 3—начало калибровки (Р—633 Мл/лс* (64,6 к/'/лл2), по И. И. Гиршу]
направлении; обратные по знаку деформации появляются в поперечном сечении как следствие осевых. Вдоль отдельных слоев действуют касательные напряжения.
Типовая диаграмма изменения усилия при горячей свободной гибке показана на рис. 332, а. Для того чтобы уменьшить искажение сечения заготовки, получающееся в результате изгиба, и для увеличения точности угла загиба в конце гибки в штампах производят обжатие заготовки по толщине. При этом требуется приложить значительные удельные давления: кривая «усилие — рабочий ход» достигает максимума в конце хода (рис. 332, б). Усилие, необходимое для гибки, значительно меньше усилия, требуемого для доштамповки (калибровки по толщине). Поэтому при определении типоразмера бульдозера исходят обычно из величины удельного усилия калибровки рк и фактической площади F, подлежащей калибровке:
Р = pKF.
519
На рис. 333 показано поперечное сечение заготовки по месту ее гибки в момент конца изгиба и начала калибровки по толщине заготовки Н. Этому моменту соответствует точка 3 на рис. 332, б.
Рис. 333. Поперечное сечение заготовки, изогнутой в штампе:
1 — пуансон;
2— матрица
В некоторых случаях не применяют калибровочного обжатия, а исправляют искажения согнутых изделий правкой.
Рис. 334. Разновидности гибочных операций на бульдозере: 1 — пуансон: 2 — матрица
В литературе рекомендуются следующие формулы для определения усилия Р |в Мн (кГ)1 при горячей гибке [101:
при гибке по дуге или на угол с обжатием (рис. 334, а)
Р-- 1,1 ^+(1,5 + 0,(94)
при гибке в двух углах (рис. 334, б)
/>=[ад^- + (1.5|0.15^)р]°,(,), (95)
520
где Во — ширина полосы в м (мм);
Но — толщина полосы в м (лш);
/ — расстояние между центрами радиусов опор при гибке в м (мм);
г — внутренний радиус гибки или радиус пуансона в м (мм);
F — площадь проекции обжимаемой части изделия на плоскость, перпендикулярную к движению ползуна, в JK2 (мм*).
При гибке нескольких углов (рис. 334, в) усилия соответственно суммируются. Величина щ 1в Мн!м* (кГ/мм*) 1 выбирается в соответствии с температурой конца гибки.
Так как операция гибки не трубет больших усилий, а продолжительность гибки небольшая, то стальные заготовки чаще всего нагревают до 900—1000'’ С с тем, чтобы окончание гибки совпало с обычно рекомендуемым нижним пределом штамповочных температур (800—850° С).
При таком режиме образование окалины относительно невелико. В отдельных случаях для уменьшения усилия может быть применен нагрев стали до более высокой температуры, но в пределах, допустимых для штамповки. Последующая термическая обработка изделий устраняет недостатки, связанные с ростом зерна при высокой температуре окончания гибки.
Для уменьшения расхода топлива на нагрев и для ограничения очага деформации заготовку при гибке нагревают не всю (по длине), а лишь отдельные ее участки, находящиеся в зоне изгиба и в смежных с ними зонах.
Ширила и толщина заготовки обычно принимается равной ширине и толщине изделия, причем поминальные, размеры и допуски па них определяются ГОСТом на материал заготовок, исключение составляют места, подвергаемые гибке. В этих местах устанавли-ваются’допуски с учетом характера деформации (свободная гибка, гибка справкой или калибровкой изделия). Длина заготовки Lo определяется по чертежу изделия
L0 = ^Lnp+YLKp, (96)
где у Lnp — суммарная длина прямолинейных участков; — суммарная’1' длина криволинейных участков.
Длины прямолинейных участков определяются непосредственно по чертежу изделия.
Если внутренний радиус при гибке больше половины толщины полосы ( г , то вытяжку не принимают во внимание и расчет
длины криволинейных участков ведут по средней линии:
L„-=y(r+^). (97)
где у — центральный угол закругленного участка в град.
521
Если г = (0,2-;-0,5), то расчет длины ведут по линии, проходящей на расстоянии 2/3 Нй от выпуклого угла. Тогда
- Y (г + •
(97')
Внутренний радиус меньше г <Ч),2/У(1 применять не рекомендуется из-за трудности получения правильного контура изгиба. В производственных условиях путем пробной гибки можно скорректировать расчетную длину заготовки. Если допуск на длину изделия меньше, чем допуск на резку заготовок, то предусматри-концов изделий. При отрезке конца изделия пилой минимальный припуск может быть в пределах нескольких миллиметров (но в 1,5 раза больше, чем толщина диска пилы). При отрезке конца изделия на ножницах необходимо оставлять участок, равный 1,5—2 толщины полосы.
При гибке полосы на ребро минимальный радиус гибки определяют по следующей эмпирической формуле:
вается припуск на отрезку
Рис 335. Одиоручьевой гибочный штамп
где Во — ширина полосы в мм;
Но — толщина полосы в мм.
Штамп наиболее простой конструкции для одноручьевой гибки изделия 1 (z-образной формы) имеет следующее устройство (рис. 335). Матрица 2 прикреплена к башмаку 3. Пуансон 4 закреплен болтами па башмаке 5. Для определения положения заготовки перед гибкой служит упор 6, который выполнен в виде лапы, изогнутой в двух плоскостях, и фиксирует конец заготовки на некотором расстоянии от штампа (чтобы избежать увеличения габаритных размеров штампа).
При конструировании гибочного инструмента необходимо обеспечить отсутствие сил, смещающих заготовку относительно установленного положения. В описанном примере особенно нежелательны силы, направленные справа налево, так как они могут вызвать перемещение заготовки относительно упора. По той же причине положение заготовки в рассматриваемом случае перпендикулярно направлению движения пуансона. На практике широко используются фиксаторы, препятствующие сдвигу заготовок относительно их положения, зафиксированного упором.
На рис. 336 показан двухручьевой штамп для гибки кронштейна. В ручье 1 полосовая заготовка приобретает П-образную форму. Затем заготовка изгибается в ручье II и устанавливается 522
пе замкнутому контуру может
в нем после поворота на 90°. Для получения правильного профиля внутри заготовки помещается вкладыш, который фиксируется направляющими колонками. После гибки изделие извлекается из штампа вместе со вкладышем и затем освобождается от него. Вкладыш нужно удалить быстро, чтобы избежать горячей посадки изделия на него при остывании заготовки.
Гибкой получают разнообразные сложные поковки с углами, расположенными в различных плоскостях. Многоручьевые штампы применяемые в этих случаях, снабжены специальными фиксирующими устройствами. Гибка совершена и в одноручьевых штампах, состоящих из трех или четырех отдельных частей.
Башмаки гибочных штампов часто выполняют литыми с ребрами жесткости для уменьшения их массы. Матрицы и пуансоны для упрощения изготовления следует выполнять составными. Размеры ручьев выдерживаются по чертежу поковки и должны быть согласованы с размерами заготовки с целью учета допусков на
Рабочие вставки гибочных штампов выполняют из стали штам
Рис. 336. Двухручьевой штамп для гибки кронштейна (смежное расположение ручьев)
части заготовки.
новых марок, а другие детали — из стали конструкционных марок или из чугуна. Крупные штампы изготовляют из чугуна, легированного никелем и хромом.
Гибка металла в горячем состоянии осуществляется также па молотах, прессах и горизонтально-ковочных машинах (см. соответствующие разделы).
§ 2. ВАЛЬЦОВКА
Ковочные вальцы относятся к группе ротационных штамповочных машин-орудий, которые характеризуются вращательным перемещением рабочего инструмента. В кинематическом отношении ковочные вальцы имеют сходство с прокатными станами для продольной прокатки, но конструкция их более проста из-за наличия всего лишь одной клети, состоящей из двух валков. Деформация металла в вальцах обеспечивает уменьшение поперечных сечений заготовки при одновременном увеличении ее длины. В отличие от обычной прокатки вальцовка обеспечивает получение изделий с неодинаковыми поперечными сечени-
ями по длине, причем наиболее просто получить поковки с равномерным изменением площади поперечных сечений. Схематически процесс вальцовки можно представить следующим образом.
На валках 1 и 2, расположенных горизонтально (рис. 337), Закрепляются вставки с ручьями. Вставки охватывают часть длины окружности бочки каждого валка. В нерабочем (холостом) положении вставки с ручьями находятся па максимальном друг от друга расстоянии (рис. 337 а); при этом между валками имеется проход для заготовки, которую подают клещами цо упора <?. После включения вальцев на рабочий ход валки
Рис. 337. Схема вальцовки:
а—керабочее положение вальцев; б —деформация заголовки
1 и 2 начинают вращаться (направление движения указано стрелками), захватывают заготовку, обжимают ее в ручье и направляют в сторону рабочего (рис. 337, 6). При мпогоручьевой вальцовке ручьи расположены последовательно вдоль оси валков. Вальцы могут останавливаться (автоматически) после совершения одного оборота или продолжать движение до тех пор, пока не будут включены. В промышленности применяются вальцы разнообразных размеров с валками диаметром 250—1100 мм и числом оборотов в минуту 60—30. На крупных вальцах обрабатывают прутки диаметром до 60 мм. Мощность электродвигателя этих вальцев 66—80 М дж (~25—30 л. с.). Обычно вальцы снабжены столом с желобками или роликами для направления заготовки и упором. При этом заготовка имеет две опоры, определяющие ее положение в вертикальном и горизонтальном направлениях, что обеспечивает правильную фиксацию заготовки в ручьях валков. Наладка инструмента осуществляется регулированием расстояния между валками, что достигается за счет вертикального перемещения верхнего валка; расстояние между вставками валков может изменяться до 15— 25 мм.
524
Рассмотрим схему деформации металла в вальцах, полагая, что при вращении вокруг оси О валки диаметром d„ соприкасаются между собой (фиг. 338). Окружность d проходит ио дну ручья (квадратного, круглого и другого профиля) каждого из валков, причем центр ее Ог сдвинут относительно оси О вращения валков на величину Д/?. В связи с этим глубина ручья в выходном сечении (\ — (\ неодинакова иа разных стадиях вальцовки.
Рис. 338. Схема процесса вальцовки
Как видно из рис. 338, наибольшая глубина ручья наблюдается в начале перехода (в положении валков по схеме Г):
Сш^2[4-(4-А/г)] =d.-d-!-2AS.
Наименьшая глубина ручья в конце перехода, соответствующая положению валков на схеме IV, равна
С„ы=2[4—(4+ -«)] d.- .1- 2Л11.
Если вальцовке подвергается заготовка постоянного сечения (что имеет место при первом переходе), то разность
С;пяг. - Cniin = 4Л7? (99)
характеризует наибольшее высотное обжатие заготовки, которое наблюдается в конце перехода (см. схему IV). Если размер заготовки по высоте сечения Но >Ста>!, то к моменту установления выходного сечения (по линии Ох—Ог) будет иметь место предварительное обжатие т — — Стзу (см. схему /). Тогда общее обжа-
тие в конце перехода составит
ДН = tn -I- 4ДЯ. (100)
525
Если Но -= Сгаах, то т = 0 и
АЛ = 4Д7?. (100')
При 11(1 Стах
ДЯ м 4ДЯ - Стах -Ь Яо.
Аналогично вычисляются обжагия при вальцовке заготовки переменного сечения вдоль оси (т. е. для последующих переходов) с той разницей, что вместо одинаковой во всех случаях величины Нь в расчетах используется переменная высота И.
По абсолютным обжатиям можно вычислить и относительные обжатия — степень деформации:
100%-
Существенное отличие процесса вальцовки от прокатки прутков с постоянным поперечным сечением вдоль оси заключается в том, что в первом случае величины дуг и углов захвата не остаются постоянными и зависят от положения центра О, окружности, проходящей по дну ручья. При вращении валков вокруг оси О центр Ог совершает круговой путь радиуса А/?, как показано на схемах I — IV. Из этих схем видно, что угол захвата а и протяженность контактного участка / возрастают по мере продвижения заготовки вдоль ручья валков. Уменьшение этих величин происходит в конечной стадии каждого перехода (см. схему III), начиная с момента, когда задний обрез ручья находится под максимальным углом а захвата.
Следует иметь в виду, что начальные условия захвата прутка аналогичны таким же условиям при прокатке, если Но < Стах. При Но 2> Стах имеет место предварительное обжатие на величину т, причем образующиеся выступы (см. схему /) воспринимают от валков горизонтальные силы, которые складываются С силами трения и продвигают пруток вдоль ручья.
При прокатке величину I определяют из уравнения
I = (101)
где г — радиус валка.
При вальцовке можно воспользоваться этим же выражением в следующей интерпретации:
1-- У(ЮГ)
Как ’"следует из приведенного выражения, протяженность контактного участка возрастает с увеличением диаметра окружности, проходящей по дну ручья, и величины обжатия, которая при вальцовке является переменной. Это выражение недействительно для последней стадии вальцовки (см. схему IV), 526
когда контактный участок сокращается до нуля. Угол захвата может быть получен из уравнения
cos а = 1 — (102)
Следует иметь в виду, что длина вальцованной заготовки больше длины ручья на величину опережения S:
£ = ^- + S. (103)
Величина опережения при вальцовке изменяется в значительных пределах и составляет на каждом переходе 2—12% от конечной длины заготовки. По данным В. Н. Мартынова при вальцовке заготовок прямоугольного сечения на гладкой бочке валков, а также в закрытом ручье опережение составляет S = - 24₽оя-
Давление течения металла при вальцовке определяется как произведение контактной площади F на среднюю ординату эпюры распределения удельного усилия рст> по дуге I захвата:
i
P -PcfiP =fj P.dx- (104)
о
Миогоручьевая вальцовка осуществляется за число переходов, которое может достигнуть 8—10. При безостановочном вращении валков время t, в течение которого должна быть осуществлена установка заготовки в каждом ручье, прямо пропорционально углу у холостого поворота валков и обратно пропорционально числу оборотов п вальцев. В самом деле
* = (Ю5)
где М = ---длина дуги, соответствующая углу у;
W = — окружная скорость валков радиуса гв в секунду.
После подстановки этих величин получаем
< = &• <105'>
Если ручьевые вставки занимают половину окружности (у — 180°), то при п = 30 получаем t = I сек. Для крупных вальцев, на которых обрабатываются прутки диаметром 60 ми, длиной лгл = 3,14-425 =5= 1300 мм, время установки заготовки в ручей составляет десятые доли секунды и зависит от продолжительности поворота валков на угол у. Так, при у = 90° имеем
. 9° ПС
t — = 0,5 сек;
b- oU
длина изделия в этом случае может достигать почти 2 м.
527
В настоящее время вальцы используют в общем агрегате с кривошипными прессами. Как известно, кривошипные прессы неприспособлен!,! для некоторых фасонировочиых операций [1; 50], поэтому их осуществляют на вальцах, которые обеспечивают получение фасонных заготовок. Так получают заготовки для шатунов (вальцуется стеблевая часть шатуна), поворотных кулаков и т. п. Для фасонирования заготовок, наиболее удобны вальцы консольного типа, отличающиеся от других, в частности, тем, что каждый валок имеет по одной цапфе. Число оборотов таких вальцев достигает 100—НО в минуту. Небольшие габаритные размеры консолыгых вальцев и большая скорость вращения валков обеспечивают вальцовку заготовок и штамповку на прессе за один нагрев, что сокращает расход топлива и дает экономию на угаре металла. Угол обхвата валков вставками у этих вальцев достигает 270°, но диаметр валков меньше, чем у двухопорных вальцев. Для обеспечения времени, необходимого на установку заготовок в ручьи, нужно чтобы валки после каждого быстро совершаемого оборота автоматически останавливались.
При разработке технологического процесса вальцовки исходят р
из допустимых величин коэффициентов вытяжки Z = ~ (Fl и J’z
F2 — площади поперечных сечений заготовки до и после очередной операции вальцовки). На практике коэффициент Z < 1,45 [1 ]. Средние значения коэффициента вытяжки Хср — 1,2-5-1,3.
Коэффициенты вытяжки большей величины можно получить при изменении профиля в каждом последующем ручье, например, при переходе от полосы к кругу Л = 2,0 [101-
Использование допустимых вытяжек при вальцовке обеспечивает деформацию металла без образования облоя, который при вальцовке с кантовкой на 90е приводит к образованию в следующем ручье складок. В общем случае для получения сечения Fn после вальцовки из заготовки сечением Fs необходимо п переходов.
После первой вальцовки можно получить сечение
после второй вальцовки
р____
после п вальцовок имеем
При логарифмировании этого выражения и решения его относительно величины п получим
п = |пГз~-1п Гп _ in Хдбщ _ Усм(общ). (106)
in Zrjp In Хср Усм(е/>) ’
528
это означает, что количество переходов п при вальцовке равно отношению общего смещенного объема У^(обИ{) к среднему смещаемому объему за переход.
Если вальцовке подлежат поковки с равномерно изменяющимися поперечными сечениями вдоль оси (без бобыщек или шеек), то при Л < 1,45 они могут быть получены в одном ручье. Вначале оттягивается часть заготовки в наиболее глубоком участке ручья;
затем, по мере утонения конца заготовки, ее можно подавать на все большую часть ручья и, наконец, так, чтобы в конце очередной вальцовки заполнить весь ручей.
В качестве примера вальцовки фасонной заготовки рассмотрим схему переходов при протяжке стебля поковки шатуна (рис. 339, а). Если сечение стебля имеет форму квадрата, то вальцовка осуществляется по диагонали квадратной заготовки. Если же стебель шатуна штампуется с ребрами жесткости, то они могут быть предварительно отформованы при вальцовке. Чтобы избежать искривления поковки при вальцовке, следует стремиться к тому, чтобы разъем штампов проходил ио плоскости симметрии поковки.
Основные параметры вальцев для заданного изделия “’определяют на основании следующих расчетов. Если принять, что ручьевые вставки занимают половину окружности валков, то получим
откуда 4^0,65£ж, (107)
где LK — длина поковки, подлежащей вальцовке. 34 Я М Охрименко 597
529
После расчета необходимого количества ручьев для вальцовки данной поковки и установления расстояния между соседними ручьями (например, исходя из прочности стенок ручья) определяют минимальную длину бочек валков. Эти данные позволяют выбрать по каталогу требуемый типоразмер вальцев. Профиль поперечного сечения каждого ручья выбирается с учетом того, чтобы металл не вытекал за его пределы. Это обеспечивается выбором соответствующего значения коэффициента вытяжки и ширины ручья с учетом уширения, которое принимается равным 30— 50% от величины высотного обжатия в данном ручье (меньшее значение уширения соответствует верхнему пределу температуры вальцовки). Кроме того, выход из ручья на поверхность бочки валка имеет фаску под углом 45° и скругляется радиусом. Длина ручья принимается меньше длины поковки на величину опережения,. которое составляет 4—12% от провальцованной длины. Радиусы внутренних углов ручья должны составлять примерно 50% от высотного обжатия, а наружные радиусы — 20—30% от той же величины. Уклоны стенок полости составляют 3—6° в зависимости от глубины ручья [501.
На консольных вальцах фасонирование заготовок может быть осуществлено за один проход. Подобный метод фасонирования получил распространение в Советском Союзе и за границей, так как обеспечивает большую производительность. Вальцы могут работать в общем агрегате с молотом или прессом, обеспечивая вальцовку и штамповку с одного нагрева заготовок. При применении прессов иногда приходится включать в агрегат двое вальцев. Если заготовка должна иметь значительную разницу в соседних поперечных сечениях и при этом необходимы большие коэффициенты обжатия (до 2,5—3,0), то за один переход фасонирование возможно лишь при образовании облоя между валками. Во многих случаях вальцовка заготовок с облоем приемлема, так как последний уменьшает опережение при вальцовке и может быть полезен при последующей штамповке заготовок в чистовом ручье молота или пресса. Наличие облоя не позволяет применять кантовку при переносе заготовки из ручья вальцев в ручьи штампа молота или пресса. Последнее обстоятельство несколько ограничивает технологические возможности процесса. На рис. 339, б приведена фасонная заготовка для поковки сошки руля автомобиля (рис. 339, в), которая вальцуется за один переход без образования облоя. Сечение по валку дано на рис. 340.
Штамповка в вальцах. В промышленности успешно применяется вальцовка поковок от прутка с образованием облоя. Сущность рассматриваемого процесса состоит в том, что применяется обычный метод штамповки (как бы в открытых штампах), но ручьи расположены на поверхностях валков. В этом случае достигается заполнение разнообразной формы полостей, которые неоднократно повторяются в общем ручье. Выходящие из вальцев от-530
Рис 340. Валки консольных вальцен
штампованные от прутка одинаковые поковки соединены между собой общим облоем. Разделение их происходит при обрезке облоя. Наиболее технологичными для штамповки в вальцах являются поковки, не имеющие высоких ребер, выступов или отростков. Чем меньше разница размеров соседних поперечных сечений поковок, тем вероятнее возможность штамповки их в вальцах. При групповой вальцовке поковок имеется возможность получить ручей с плавным очертанием за счет сочетания одинаковых или разных поковок. Применение штамповки в вальцах дает большое увеличение производительности (в 5—10 раз) и приводит к значительному снижению себестоимости поковок.
На Ростсельмаше была освоена штамповка в вальцах штифтов молотилки комбайна (рис. 341, а). Внедрение этого процесса взамен штамповки на молотах обеспечило
пятикратное увеличение производительности и снижение себестоимости поковок на 30%. Штампы для вальцев состоят из нескольких вставок (по 20 шт. на каждом валке), охватывающих
Рис. 341. Примеры штамповки в вальцах с образованием заусенцев
всю окружность валков и закрепляемых болтами, шпонкан и боковыми накладками. Подгонка и сборка вставок — наиб' сложные операции наладки процесса. Для удаления из
34*
окалины к валкам подсоединены круглые стальные щетки с индивидуальным электродвигателем. Инструмент снабжен регулируемым воздушно-водяным охлаждением. Темпера гура вальцовки 1000—1200е С. Подача нагретых прутков осуществляется специальным устройством, которое сбивает с них окалину и обеспечивает правильную фиксацию прутков в ручье. Стойкость штамповых вставок ниже стойкости цельноблочных молотовых штампов.
Опыт штамповки в вальцах штифтов для комбайна показал, что для лучшего заполнения ручья необходимы сравнительно низкая температура металла (950—1000° С) и высокие окружные скорости вальцовки (0,85 м/сек).
Значительные исследования, связанные с теорией и технологией штамповки в вальцах, проведены ЦНИИТМАШем. В результате этих исследований решены основные вопросы по разработке технологических процессов, конструированию инструмента и определению параметров ковочных пальцев для ряда поковок. Для достижения большей технологичности и производительности при штамповке в вальцах используются различные варианты совмещения нескольких поковок, например, «валетом» при штамповке корпуса разводного ключа (рис. 341, б). Освоена штамповка в вальцах звеньев цепей, стамесок, ножниц, цельностальных ножей, различного медицинского инструмента и др.
При штамповке в вальцах особое значение приобретает опережение, в результате которого длина поковки получается больше, чем длина соответствующего ручья. Исследование опережения при штамповке в вальцах показало, что в разных местах поковки вдоль ее оси опережение неодинаково и в одном случае колебалось в пределах 1,7—11,5% [50]. Объясняется это тем, что при заполнении сложной полости величина смещаемых объемов на отдельных участках неодинакова. С увеличением смещаемого объема увеличивается разность между скоростью продвижения заготовки и окружной скоростью валков, что приводит к возрастанию опережения.
Установлены необходимые размеры облоя для успешной штамповки в вальцах. В частности, ширина облоя увеличивается с увеличением смещенного объема при вальцовке и при понижении температуры штамповки пропорционально коэффициенту вытяжки и обратно пропорционально высоте исходной заготовки.
Повышение температуры штамповки на 100° С приводит к уменьшению ширины облоя па 20 - 30%, ио к увеличению опережения. По данным В. Н. Мартынова уменьшение окружной скорости валков (в пределах 0,69—0,14 м/сек) вызывает в очаге деформации охлаждение металла и приводит к незначительному снижению опережения.
Смазка ручьев вызывает увеличение опережения и отрицательно сказывается на заполнении металлом ручьев, особенно если у поковки имеются резкие изменения размеров смежных поперечных 532
сечений. Поскольку смазка оказывает решающее влияние на стойкость штампов, этот вопрос требует специального исследования в заводских условиях.
§ 3. РАСКАТНА
В промышленности весьма эффективно применение процесса горячей раскатки колец и некоторых других изделий, имеющих форму тел вращения. Принцип раскатки заключается в деформации металла между вращающимися валками-роликами, причем обрабатываемая заготовка получает вращательное движение
Рис 342 Схемы иткрыюй и закрытой раскатки
в той же плоскости что и ролики. Существуют две разновидности процесса раскатки — открытая и закрытая (рис. 342).
Открытая раскатка (рис. 342, а) заключается в том, что предварительно отштампованная поковка (например, кольцо 5) деформируется между обжимным и опорным роликами 1 и 2 при их вращательном движении. Этот процесс аналогичен прокатке заготовки, у которой оба конца соединены между собой. По мере опускания обжимного ролика 1 происходит непрерывное утонение кольца при одновременном увеличении его диаметра. Ролики 3 и 4 сигнализируют об окончании процесса раскатки в тот момент, когда окружность прокатываемого кольца одновременно касается всех четырех роликов.
Закрытая раскатка (рис. 342, 6) состоит в том, что раскатываемое кольцо 6 надевается на опорный ролик 7 и обжимается роликом 8. Открытая раскатка получила большее применение в промышленности в связи с более простым ее осуществлением. Удаление же готовых изделий при закрытой раскатке более сложно.
Раскатка ие является самостоятельным процессом обработки металлов давлением, так как заготовки для раскатки обычно получают штамповкой, ковкой (для крупных колец) или отливкой.
533
Преимущества раскатки заключаются в приближении размеров изделия к окончательным размерам детали (за счет уменьшения напусков, экономии металла, сокращения объема механической обработки — за счет уменьшения припусков и напусков) и возможности применять малогабаритные заготовки. Последнее обстоятельство особенно важно в тех случаях, когда раскатке подлежат тонкостенные и крупногабаритные изделия, штамповка кото-
Рис. 343. Различные стадии процесса открытой раскатки
рых требует приложения больших усилий. Рассмотрим подробнее различные этапы процесса открытой раскатки (рис. 343). Раскатка начинается с момента, когда заготовка входит в соприкосновение с приводным обжимным роликом I (рис. 343, с). Так как кольцо-заготовка надевается на опорный ролик свободно, то центр окружности этого ролика 0 не совпадает с центром окружности кольца 0V При раскатке по мере увеличения диаметра кольца центр его окружности непрерывно перемещается, и в момент соприкосновения кольца с направляющим роликом 2 он окажется в точке (рис. 343, б). Дальнейшая раскатка связана с отклонением центра окружности кольца влево (рис. 343, в), что продолжается до его соприкосновения с сигнальным роликом 3 (рис. 343, г) в конце раскатки, По окончании процесса раскатки 534
обжимной ролик / отходит в исходное положение и кольцо можно свободно снять с опорного ролика. При раскатке желательно, чтобы между кольцом и инструментом не было проскальзывания. Для этого необходимо, чтобы окружная скорость кольца и роликов в месте контакта была одинаковой.
Так как диаметр кольца в процессе раскатки увеличивается, то при определенном числе оборотов обжимного ролика скорость вращения кольца должна уменьшаться. Переменной величиной должно быть и число оборотов опорного ролика, что достигается свободным его вращением на своей оси. На некоторых раскаточ-
Рис. 344. Дефекты, получающиеся при раскатке
ных машинах (например, применяемых для раскатки ватерных колец) опорный ролик имеет также принудительное вращение. В этом случае диаметры роликов подбираются исходя из того, чтобы окружные скорости по средней линии кольца были примерно равными.
Известно, что при прокатке прутка валками различного диаметра наблюдается изгиб его в сторону валка меныпего диаметра. При раскатке колец это явление оказывается полезным, так как способствует получению колец правильной формы. Очень важно, чтобы выходная часть кольца своевременно встречала направляющий ролик во избежание появления так называемой «утки» (рис. 344, «). Этот вид брака получается, если угол р значительно больше 90*’. Взаимное расположение роликов проверяют путем установки контрольной поковки с размерами в пределах допусков. При раскатке колец встречается вид брака, называемый «козырьком» (к на рис. 344, б) и наблюдаемый при раскатке колец, у которых толщина больше высоты. Практически установлено, что этот брак появляется чаще при низкой температуре раскатки, при большом диаметре опорного ролика и при малой мощности раскаточной машины. Обычно козырьки больше со стороны обжимного ролика, чем со стороны опорного. Это можно объяснить неодинаковой поперечной деформацией с внутренней и наружной
535
сторон кольца. Площадь контакта обжимного ролика с наружной поверхностью кольца шире, чем с внутренней поверхностью кольца с опорным роликом. Это обстоятельство может способствовать большей поперечной деформации по наружной поверхности раскатки. При раскатке колец с малым обжатием часто наблюдается утяжка торцев колец (рис. 344, в). Этот вид брака встречается у колец с профилированием по внутренней поверхности (рис. 345, о). Величина нормального обжатия (по данным подшипниковых заводов)
Рис. 345 Инструмент и профили раскатанных изделий:
/ — бандаж; 2 — раекзточный ролик
Л’1 — начальное и конечное сечения кольца;
б ! — начальная"и конечная толщина кольца;
В — ширина кольца.
При раскатке ватерных колец оптимальным считают величину т] - - 1,4-э 1,8. Однако в некоторых случаях раскатка может быть осуществлена с обжатиями до т] = 2,4 [31; 44].
Высота колец в процессе раскатки остается
неизменной, так как она ограничивается ребордами обжимного ролика (рис. 345, а). При раскатке на крупных раскаточных станах бандажей и железнодорожных колес’(рис. 345/6) профиль сечения ’получается в 'результате" обжатия” обычными^и/наклон-ными роликами (угол наклона их оси а).
Раскатку осуществляют при обычных ковочных температурах. Высокие температуры при раскатке применяются для уменьшения энергозатрат, однако это сопряжено с более интенсивным окислением и обезуглероживанием стали. Подшипниковые кольца перед раскаткой нагревают в индукционных электронагревателях до 1000° С. Раскатка ватерных колец, бандажей и колес осуществляется при температуре 1100—1200° С. Подача кольцеобразных заготовок может быть легко механизирована и автоматизирована. Для агрегатной высадки и раскатки необходимо обеспечить постоянство температуры колец. Достигаемая точность размеров при раскатке до ±0,4 мм. Нагрев металла в мазутных и газовых печах приводит к’обезуглероживаиию на глубину 0,4—0,8 мм, поэтому припуски на обработку должны быть даны с учетом последующего ’удаления относительно большого слоя металла. Электронагрев снижает обезуглероживание стали.
53S
§ 4. РОТАЦИОННАЯ КОВКА
Этот процесс представляет собой обжатие сечения заготовок для получения цилиндрических, конических и ступенчатых переходов. Ротационному обжатию подвергаются прутки, имеющие круглое, прямоугольное и любое другое сечение, а также трубчатые заготовки. Деформация может быть сосредоточена на конце прутка либо осуществляться на некотором расстоянии от него в одном или в нескольких местах. Ротационной ковкой можно
Рис. 346. Типичные конфигурации головок, получаемых ротационным обжатием
осуществить полную или частичную заковку концов трубчатых заготовок, а также соединение стержней с трубами. Применяется холодная и горячая ротационная ковка. Сущность процесса состоит в следующем. Прутковая заготовка подвергается обжатию бойками, движущимися навстречу друг другу. В различных конструкциях вертикальных и горизонтальных машин движение бойков осуществляется по-разному. Некоторые конструкции машин имеют две пары бойков, действующие во взаимно-перпендикулярных направлениях, причем обжатия могут происходить либо поочередно каждой парой бойков, либо одновременно всеми бойками. Количество обжатий в минуту зависит от числа оборотов машины и количества пар бойков, а также от того, действуют ли они одновременно или поочередно. Количество обжатий у различных машин колеблется от нескольких сот до нескольких тысяч в минуту. На этих машинах подвергаются обжатию прутки диаметром 3—300 мм.
Характерные переходы и инструмент приведены на рис. 346. Современные мощные радиально-ковочные машины вертикаль-537
него типа с гидравлической подачей заготовки развивают усилие до 10 760 кн (1200 zn). На таких машинах изготовляют ступенчатые валы, шпиндели и полые поковки с внутренним профилированием по сложному контуру. Бойки изготовляют из стали РФ-1 и РФ-2 с до 61-63.
§ б. ЭЛЕКТРОВЫСАДКА
Для значительного непрерывного местного набора металла на конце или в середине длинного прутка применяют электровысадку (рис. 347). ГТруток 1, зажатый клеммами 2, действующими от гидравлического цилиндра, вводится в цепь электротока. Второй контакт создается при нажатии на пруток штока 3 на другом конце, упирающемся в стопор 4. Конец прутка между клеммами 2 и стопором 4 разогревается, как при электроконтактном методе нагрева металла (см. § 4 гл. IV).
По мере продвижения прутка его разогретый конец высаживается в головку, величина которой технологически не ограничена, что и отличает электровыса-дочную машину от горизонтальноковочной машины. Эта специализированная машина применяется в тех случаях, когда поковки не могут быть получены выдавливанием (из-за отсутствия мощного
пресса) или высадкой на горизонтально-ковочной машине.
Для образования головки высадкой на горизонтально-ковочных машинах, диаметр которой значительно превышает диаметр прутка, можно использовать его длину, не превышающую (2,5н-3) D 0. Электровысадкой можно получать головки, используя длину прутка, равную (104-15) £>0.
Из опыта Горьковского автомобильного завода по электровысадке расстояние I между клеммами 2 и стопором 4 (см. рис. 347) рекомендуется принимать (34-3,5) Г)о. Оптимальное осевое давление на пруток можно принимать равным 98 МяАм2 (10 кг!мм2). Скорость движения штока 3 2—4 мм!сек. Силовой трансформатор электровысадочной машины рекомендуется использовать с возможно большим числом ступеней регулирования напряжения [для прутков диаметром до 25 леи число ступеней регулирования 154-20J. Электровысадочные машины питаются от сети переменного тока напряжением 220 или 380 в.
Наиболее распространены горизонтальные электровысадочные машины, но известны и вертикальные модели этих машин. 538
В последнее время выпускаются электровысадочные машины с автоматизированными управлением и регистрацией температуры металла.
§ в. ШТАМПОВКА МЕТАЛЛА В ПЕРИОД КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Наиболее простой схемой обработки металла давлением отличается штамповка металла в период кристаллизации или, как ее обычно называют, штамповка жидкого металла.
Этот процесс занимает промежуточное положение между обычной штамповкой и литьем под давлением. Наличие прессового оборудования, принудительного перемещения металла с помощью штампов и процесса рекристаллизации металла дает возможность рассматривать этот процесс как разновидность горячей штамповки. Отличие штамповки жидкого металла от обычной штамповки заключается в том, что деформируемый металл затвердевает и приобретает кристаллическое строение в процессе штамповки. Схема процесса типична для штамповки в закрытом штампе.
К преимуществам штамповки жидкого металла относятся отсутствие предварительной обработки исходного металла (ковки, предварительной штамповки); небольшие удельные усилия и работа деформации; возможность получения глубоких полостей малого диаметра и тонких ребер; высокий коэффициент использования металла; возможность получения очень крупных изделий. Перечисленное обеспечивает высокую экономичность [процесса.
К недостаткам процесса штамповки жидкой стали по сравнению с горячей штамповкой стальных заготовок следует отнести быстрый выход из строя штампов; возможность сваривания штампуемой стали со штампом (при продолжительных выдержках во время штамповки); быстрое остывание металла при получении изделий небольшого размера, что превращает процесс в горячую штамповку литой заготовки; сложность точной дозировки объема металла и более низкое качество по сравнению с изделиями, имеющими волокнистое строение металла.
Область применения штамповки жидкого металла для стальных изделий еще окончательно не определена. Микроструктура деталей, изготовленных штамповкой жидкого металла, имеет мелко-зернистрое строение и характеризуется отсутствием пороков, газовых пузырей и усадочных раковин.
Выход годного составляет около 98%. Следовательно, с точки зрения технической рациональности процесса он является одним из наиболее эффективных методов обработки металлов давлением. Возможность запрессовки в металл различной арматуры (металлической и неметаллической) является также существенным преимуществом, расширяющим область применения штамповки жидкого металла.
539
На рис. 348 дана схема процесса штамповки жидкого металла в штампе конструкции, описанной в § 5 гл. VI (см. рис. 253).
Штамп обеспечивает герметичность полости и автоматическое удаление поковки из рабочей полости.
Упомянутая выше штамповка литых фасонных заготовок уступает предыдущему способу, так как при этом требуется предварительная отливка заготовок, пригодных для штамповки в чистовом пли хотя бы предварительно в черновом ручье. При штамповке литых заготовок отпадает необходимость в прокатке и разрезке заготовок.
Рис. 348. Схема процесса штамповки жидкой стали в период кристаллизации:
а — Момент заливки; Г> — момент штамповки; 1 — пуансон; 2 — рычаги со скосами: 3 — съемник, 4 — болты; 5 — пружина; 6 — обойма металлоприемппка; 7 — матричная вставка: Я — башмак; у — тяги; 10 — пружины; 11 — планки; 12 — валик
Недостатки процесса штамповки литых заготовок заключаются в более низком качестве металла поковки вследствие небольшой степени деформации при штамповке литых фасонных заготовок.
При большой степени деформации преимущества штамповки литых заготовок уменьшаются, так как при этом их форма значительно отличается от формы поковки. Штамповка литых заготовок может получить распространение при изготовлении деталей машин, работающих при сравнительно небольших напряжениях. Метод штамповки литых заготовок, разработанный советскими учеными (В. М. Аристовым, Н. И. Корнеевым, М. И. Рининым и др.), широкого распространения до сего времени не получил. В качестве примера можно указать на штамповку роликов трактора С-80 из литых заготовок на одном из тепловозостроительных заводов. Все же из литых заготовок на одном из заводов штампуют одиннадцать наименований поковок [99].
ГЛАВА IX
ОТДЕЛОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ
Штампованные поковки перед отправкой на склад готовой продукции или в механический цех проходят следующие отделочные операции: правку, термическую обработку, очистку от окалины и калибровку. Кованые поковки обычно не подвергаются другим отделочным операциям, кроме термической обработки.
Применение отделочных операций приводит к улучшению поверхности и структуры поковок, а так же к повышению точности их размеров.
§ 1. ПРАВКА ПОКОВОК
Правкой устраняют искривления поковок, полученные при следущих обстоятельствах.
1. При штамповке вследствие застревания и последующего принудительного извлечения поковок из ручья; при штамповке только какой-нибудь части поковки; при рубке”ножом и при транспортировании поковок.
2. При обрезке вследствие неудовлетворительной подгонки штампов и по другим причинам, описанным в § 5 гл. VI.
3. При термической обработке в результате коробления (вследствие остаточных напряжений, возникающих при неравномерной деформации в процессе штамповки).
4. После дополнительной технологической операции, например, при гибке, вследствие упругого частичного восстановления формы.
5. При быстром остывании облоя у изогнутых поковок (усадка металла со стороны внутреннего угла”приводит к "искривлению поковок).
Величина искривления поковок устанавливается на разметочной плите или с помощью специального контрольного приспособления. Искривление считается допустимым, если искажение формы не превышает допусков на размеры. В большей степени искривлению подвержены поковки значительной длины, с тонкими ребрами, с резкой разницей в размерах смежных поперечных сечений.
541
В зависимости от причин, вызывающих искривление поковок, правка их может быть осуществлена в горячем состоянии после обрезки облоя или в холодном состоянии после термической обработки.
Горячая правка поковок производится после обрезки облоя и удаления пленок. В этом случае правка может быть осуществлена в окончательном ручье основного штампа, но это сопряжено с увеличением нормы времени на штамповку. Более рациональной является правка, осуществляемая па обрезном прессе (если этот пресс рассчитан для подобных операций). Правка может быть произведена и на дополнительном правочном оборудовании (молоте или прессе), но это удорожает процесс, а при горячей правке делает штамповочный агрегат громоздким. Горячая правка оказывает лучшее влияние на структуру и механические свойства стали, чем холодная.
Холодная правка применяется главным образом для поковок, получающих искривления при термической обработке. Для этого вида правки используются дешевые и простые в эксплуатации фрикционные молоты (с доской). Они устанавливаются батарейным способом в термическом отделении цеха. Ручьи правочных штампов по форме полости совпадают с окончательными ручьями с учетом снижения температуры. В отличие от окончательного ручья основного штампа правочный ручей может иметь полость, не ограниченную с торцев длинноосной поковки, для удобства закладки и удаления поковок. Правка поковок при необходимости может быть осуществлена ив двух перпендикулярных плоскостях. Для увеличения производительности холодная правка небольших поковок осуществляется попарно или в многоручьевом штампе (многоштучная правка).
§ 2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОКОВОК
Типичными опера вичной термической
поковок являются отжиг и нормализация (рис. 349).
Отжиг поковок. Отжигом достигают перекрметалл изацию стали для получения ее равновесного состояния, для улучшения пластичности и вязкости, понижения твердости, уничтожения остаточных напряжений и измельчения зерна, если оно увели-642
Рис. 349. Температурные области разновидностей первичной термической обработки для стали с различным содержанием углерода (по А. Й. Та-русину)
Гиями пер-обработки
чено в результате длительного пребывания стали при высокой температуре.
Нормализация поковок. Нормализация — более выгодная термическая обработка, чем отжиг, и заменяет его в случае применения мало- и среднеуглеродистых сталей (до 0,4% С). Стали с большим содержанием углерода при нормализации не получают тех же свойств, что при отжиге. Если есть опасность появления полосчатой структуры (при низкой температуре окончания ковки, штамповки) или крупнозернистости стали (при высокой температуре окончания ковки, штамповки), следует применять полный отжиг. В противном случае достаточно применения неполного отжига.
Высокий отпуск, называемый также низким отжигом (650— 680° С), применяют для снижения твердости высоколегированных сталей, поскольку обычным способом отжигать их сложно.
В последнее время для экономии тепла и ускорения процесса производства поковок термическую обработку осуществляют с использованием тепла поковок после их штамповки, в связи с чем применяют агрегатную организацию рабочих мест (термическая обработка в потоке со штамповкой).
§ 3. ОЧИСТКА ПОКОВОК ОТ ОКАЛИНЫ
Для повышения срока службы режущего инструмента при механической обработке поковок, а также для облегчения контроля качества поверхности поковок их подвергают очистке от окалины. В промышленности применяют три способа очистки поковок: травление в кислотах (рис. 350, а), дробеструйную (рис. 350, б) и в барабанах (рис. 350, в).
В свое время травление поковок было незаменимым способом их очистки, так как после дробеструйного снятия окалины трудно обнаружить поверхностные дефекты металла (волосовины и др.). В связи с широким внедрением магнитометрических методов контроля это затруднение устранено. Травление поковок теряет практическое значение вследствие низкой экономич ности процесса (большого расхода кислот, потерь металла в связи с его растворением и др.) и неудовлетворительных санитарно-гигиенических условий. В настоящее время все более широкое применение находят два последних способа удаления окалины с поковок. Для дробеструйной очистки применяют чугунную дробь диаметром 1,5—2 мм, что позволяет сбивать окалину при малых радиусах закругления внутренних углов поковок (/?miI1 = 3 мм). Используются два типа аппаратов для дробеструйной очистки поковок. Для поковок мелких и средних размеров очистка осуществляется при их движении относительно ленты транспортера, находящейся внутри аппарата (рис. 350, б). Для крупных поковок применяют аппараты, в которых поковки перемещаются вместе с лентой. Скорость удара
543
дробинок достигает? 60 м/сек [40]. Кроме того, применяют пневматическую и механическую подачу дроби, в последнем случае дробь разбрасывается лопатками быстровращающегося ротора. Производительность дробеструйных аппаратов 1,5--2 т поковок в час. При обработке поковок в барабанах (галтовка) удаление
а — травильная конвейерная установка; б — дробеструйная установка; 6 — галтовочный барабан; 1 — конвейер лестничного типа; 2 — вытяжной колпак с гидравлическим затворим; 3 — горячая иода для подогрева пиковок; 4 — раствор серной кислоты; 5 — горячая вода для промывки: 6 — др сберегатель, 7 — барабан; — люк
окалины происходит во время удара поковок друг о друга и о спе-циальные металлические звездочки, закладываемые в барабан. Этот способ применяется только для относительно небольших поковок, чтобы избежать значительных забоин на поверхности изделий (рис. 350, в). Наклон барабанов способствует лучшему перемешиванию поковок и облегчает их выгрузку. Угол у должен быть больше угла трения стали о сталь и обычно составляет 20—30°
§ 4. КАЛИБРОВКА ПОКОВОК
Для повышения точности поковок (массы и размере»), а также для получения более высокой чистоты поверхности применяют калибровку (чеканку). Эта операция заключается в пезначитель-544
ном обжатии поковок. Обжатие поковки между плоскими плитами называют плоскостной калибровкой (рис. 351, с). Она дает возможность значительно повысить точность размеров поковок в направлении приложения усилия. Если калибровке подвергают неплоские поверхности поковок (на некоторой их части, рис. 351, б или по всей поверхности, рис. 351, в), то при этом образуется небольшой облой по разъему штампов и имеет место объемная :алибровка. Последняя позволяет повысить точность всех раз-леров поковки, а также точность массы поковок. Для некоторых поковок может быть применена частично плоскостная и частично
объемная калибровка. Операция калибровки совершается чаще без нагрева поковок и является составным элементом процесса горячей штамповки. Для того чтобы чистота поверхности поковки, достигнутая при калибровке, не уменьшилась, ее целесообразно проводить после последнего нагрева в процессе изготовления детали. Поэтому калибровке подвергают поковки, прошедшие уже термическую обработку. Калибровка, совершаемая при температуре 700—800° С, часто называется горячей калибровкой; она не обеспечивает чистоту поверхности, достигаемую при холодной калибровке, но происходит при более низких удельных усилиях. Горячую калибровку применяют до термической обработки поковок.
По точности получаемых размеров поковок различают грубую калибровку (обеспечивает допуски ±0,1—±0,25 .«jw) и повышенной точности (с допусками ±0,05—±0,1). При необходимости после двукратной калибровки можно получить еще более высокую точность размеров (до ±0,025) [80 ]. Для плоскостной калибровки припуски П и допуски Д предусмотрены ГОСТом 7505—55.
Шероховатость поверхности при калибровке (без нагревания поковок) достигает 7 и 8-го класса по ГОСТу 2789— 59, т. е. такая же, как при шлифовании.
Основным препятствием для получения большей точности размеров при плоскостной калибровке является образование вьгпук-
35 Я- М. Охрименко S97 54 J
лости на ранее плоских поверхностях (рис. 362, а). При обжатии па величину — Н„Лп поковка фактически получается с размерами Ят5п по краям и /7Я1ах в середине, несмотря на то, что калибровочные плиты имеют плоскую рабочую поверхность. Наличие стрелы выпуклости fn 11 является пре
пятствием для повышения точности размеров поковок.
Для объяснения причин появления выпуклости (называемой также мениском) на калиброванной поверхности рассмотрим вначале процесс в идеализированных условиях, предполагая, что трение отсутствует (рис. 352, б). В этом случае рабочие плиты 2 будут подвергнуты упругому вмятию вследствие внедрения поковки в рабочую плиту (вмятие плиты происходит на большей площади, чем площадь контакта плиты с поковкой) и упругому изгибу вследствие того, что площадь опоры рабочей плиты 2 на подштамповую плиту 1 больше, чем контактная площадь между поковкой 3 и рабочей плитой 2.
Выпуклость калиброван-
Рис. 352 Схемы, поясняющие образование выпуклости на плоской поверхности при калибровке
ной поверхности, как результат упругого вмятия и изгиба рабочей плиты характеризуется размерами Dn и /н, а вмятие плиты — d и f0 (рис. 352, б). Величину выпуклости торца можно определить исходя из решения классической задачи теории упругости, по деформации упругого полупространства (задача Буссииеска). При равномерном распределении нормальных напряжений по площади круга наибольшая стрела прогиба в м (мм) поверхности штампа вдоль оси деформируемого цилиндра составит
f (1 р2) /О — /-
а у края цилиндра соответственно
f _ 2 (1 — р2) ятРп пЕ
где р — коэффициент Пуассона (для стали р 0,3); 546
от — предел текучести материала изделия в Л4кЛ«2 (кг/мм2);
£>п — диаметр цилиндра (поковки), подвергаемого калибровке, в м (мм);
Е — модуль упругости (для стали 20-104 Мн!м2 2,1 • 10а кг'мм3) ];
отсюда величина выпуклости торца определяется как
<Ю8)
Если вместо ит (при наличии трения) принять руд и dn — — 1,131/£„, где Fn — площадь калибровки, то получим
/п^ Е
Следовательно, выпуклость при калибровке прямо пропорциональна удельному усилию и линейному размеру поковки в плане и обратно пропорциональна модулю упругости материала штампа.
Для уменьшения искажения поверхности при чеканке необходимо использовать штамповую сталь с повышенным модулем упругости. Значительно повысить модуль упругости стали за счет изменения се состава не удается, хотя, например, увеличение содержания углерода в стали от 0,1 до 0,5 % приводит к повышению величины Е с 18,6-104 Л'/h/jh2 до 20-104 Мн/я* (е — I,9-104 кГ/мм? до 2,1-104 кГ/мм2), однако дальнейшее повышение содержания углерода в стали не сопровождается заметным повышением модуля упругости.
Значительное повышение модуля упругости можно получить при использовании явления анизотропии упругих свойств. Так, например, хромомолибденовая сталь после горячей прокатки имеет £|1|ах = 24,5-Ю4 Мн/я2 (=ь 2,5-104 кГ/мм2) и Em1n = = 19,6-10* Мн/я2 (—2,0-104 кГ/мм2).
Если штамповые плиты изготовлять таким образом, чтобы при калибровке стрела прогиба инструмента совпадала с направлением максимальных величин модуля упругости, то искажение плоской поверхности при калибровке значительно уменьшится. Термическая обработка снижает модуль упругости примерно на 10%, но без нее при калибровке штампы получают пластическое смятие.
В табл. 50 даны значения выпуклости, рассчитанные по формуле (108) для поковки Dn = 100 мм при ог = 980 Мн/м2 (—100 кГ/мм2) и плит из различных металлов.
Если нагревать поковку перед калибровкой, то можно уменьшить ог и соответственно величину fn при условии, если падение модуля упругости, вызванное разогревом штампа, не окажет более значительного обратного действия па величину fn. Если повышение температуры поковки приводит к окалинообразовапию, 35* 547
Таблица 50
Расчетные величины выпуклости калиброванной плоскости для рабочих плит из различных материалов
Материал плит
Характеристики -J Медь 1 Сталь Бериллий Молибден Вольфрам Иридий
Е fn в Л!н/л1г 10,8-104 20-104 29,4-104 34,3-104 41,2-104 51-10*
в кГ/мм? 1.1-10* 2,1-Ю4 3,0-10* 3,5-104 4.2-104 5,2-104
В лш 0,3 0,15 0,1 0,09 0,076 0,057
то калиброванные поверхности имеют менее чистую поверхность, чем поверхности при калибровке без нагрева.
Существенного уменьшения выпуклости поверхности можно получить при уменьшении площади калибровки, в связи с чем на поковках целесообразно сделать наметки отверстий (если они требуются для детали). При этом дополнительным преимуществом является экономия металла при штамповке поковок.
Большое влияние на образование выпуклости оказывает контактное трение, которое в зависимости от соотношения размеров поковки предопределяет удельное усилие калибровки. Известно, что удельные усилия возрастают с увеличением отношения диаметра к высоте образца, что сопровождается значительным увеличением выпуклости калиброванных поверхностей. При большом отношении диаметра образца к высоте (Ь : Н > 4) эпюра нормальных напряжений на торце осаживаемого образца имеет куполообразную форму. В процессе калибровки повышение напряжения в центральной части торца образца вызывает увеличение местных упругих деформаций, в результате чего выпуклость возрастает (рис. 353, а). Следовательно, при калибровке образцов с отношением D : Н > 4 влияние упругого вмятия и изгиба плит суммируется с влиянием куполообразного распределения нормальных напряжений, поэтому мениск получается увеличенным (это подтверждено опытами). При деформации высоких образцов (D : Н <'2) наблюдается убывающая к середине торца образца эпюра нормальных напряжений. Это доказано теоретическим путем и подтверждено экспериментами. При калибровке образцов с D : Н <2 удельные усилия относительно небольшие; это обстоятельство и то, что нормальные напряжения уменьшаются от периферии к центру торца образца, обеспечивают значительное уменьшение выпуклости (рис. 353, б). 548
На рис. 354, а дан график изменения удельных усилий при осадке в зависимости от отношения D : Н. При D : Н < 2 чистота обработки поверхности инструмента оказывает небольшое влия-
Рис. 353. Выпуклость до калибровки плоской поверхности у низких (а) и высоких (б) образцов
ине на величину удельных усилий. Однако с увеличением отноше-
плит характеризуется крутым подъемом кривой. Таким образом, с увеличением чистоты обработки плит и при их смазке удельные усилия уменьшаются, а следовательно, уменьшается и выпуклость
549
Рис. 355. Сопротивление деформации некоторых сталей при холодном обжатии
калибровочных плит является
торцов образцов. Это проявляется тем интенсивнее, чем больше отношение D : Н.
До тех пор, пока зоны затрудненной деформации находятся на расстоянии друг от друга (D : Н < 2), их форма и размеры (зависящие от контактных сил трения) не оказывают существенного влияния на увеличение сопротивления деформации. Когда эти зоны начинают взаимодействовать (D : Н > 4), то по мере их сближения трение начинает играть все большую роль и сопротивление деформации увеличивается. Указанные явления и сказываются на величине выпуклости при калибровке. О роли величины D :Н в образовании выпуклости можно судить по осадке образцов из армко-железа (рис. 354, б). При D : Н — 7 влияние трения на величину выпуклости интенсивнее, чем при D : И --- 4,5 и еще более интенсивно при D : Н = 2, когда выпуклость в несколько раз меньше.
О пригодности стали для калибровочных плит обычно судят по ее твердости после закалки (RC 58 — 62) и прочности в термически обработанном состоянии. Однако, как было показано выше, важнейшей характеристикой стали для модуль упругости Е. Для изго
товления плит применяют стали ШХ15, Х12М и другие им подобные, которые могут выдерживать удельные усилия при калибровке, доходящие до 2440 Мн!м* (—250 кПмм*). Величина удельного усилия при калибровке зависит от тех же факторов, что и при штамповке. Кроме того, учитывается упрочнение стали при калибровке (рис. 355), которое повышает в 1,5—2 раза сопротивление деформации в зависимости от степени деформации [101].
Чем больше масса (в известных пределах) калибровочных плит, тем меньше выпуклость за счет их изгиба. В частности увеличение толщины плит приводит к уменьшению их изгиба. При увеличении размеров плит в плоскости калибровки изгибающий момент увеличивается пропорционально увеличению плеча в первой степени и одновременно уменьшается пропорционально уменьшению давления на опору во второй степени. Следовательно, целесообразно применять плиты, у которых площадь опоры в несколько раз больше площади контакта между поковкой и плитой. Соотношение этих величин можно получить расчетом при условии отсутствия смятия подштамповой плиты:
^vnPcM > FPffd’
550
где Fcn — опорная площадь рабочей плиты;
осм — сопротивление смятию подштамповой плиты;
F — контактная площадь калибровки;
р^д — удельное усилие калибровки.
При калибровке отожженных поковок можно получить повышение точности их размеров, но если поковки подвергаются закалке и отпуску, то калибровку стараются выполнять после термической обработки, так как при этом устраняется механическая обработка поковок.
Увеличение удельных усилий па деформацию при возрастании D : Н приводит к тому, что при Dn : Нп > 20 калибровка в холодном состоянии стальных поковок плитами из обычной штамповой стали нецелесообразна [80].
При уменьшении контактного трения снижаются удельные усилия и разность напряжений между центром и периферией торца, поэтому уменьшается и величина выпуклости на поковке. Для снижения удельных усилий применяют смазки и тщательно обрабатывают поверхность рабочих плит. Однако обильное смазывание поковок приводит к ухудшению чистоты поверхности, что не всегда можно допустить. Эффективность применения смазки особенно заметна при калибровке поковок с большим отношением диаметра к высоте.
Большие степени деформации приводят к наклепу стали и, как следствие, к увеличению выпуклости поверхности. Для получения точных размеров поковок достаточна деформация 1—2%. Однако малые степени деформации не позволяют получить чистую поверхность. Очень важно, чтобы колебания степени деформации были возможно меньшими, что зависит от постоянства величины припуска на калибровку и фактических допусков на размеры поковок. Для получения высокой точности размеров при калибровке поковки иногда предварительно сортируют по размерам на несколько партий, а затем производят раздельную калибровку каждой партии поковок. Поковки с отношением размеров Г>„ < 2 можно калибровать без сортировки на партии. На
практике для уменьшения выпуклости поверхностей иногда применяют плиты с выпуклой рабочей поверхностью, кривизну которой определяют опытным путем.
Из курса «Оборудование кузнечно-штамповочных цехов» известно, что при калибровке на колепорычажных прессах (при однократной калибровке) поковка получает двойное обжатие, соответствующее двукратному прохождению рычагов через распрямленное положение. Прессы с кулачковым приводом этих рычагов могут осуществлять и несколько двойных обжатий поковки за один рабочий ход, если профилю кулачка будет придан соответствующий волнообразный контур (рис. 357). Многократная калибровка приводит к уменьшению выпуклости калиброванной поверхности, причем особенно эффективны первые пять-шесть
551
Рис. 356. Высота неровностей пости поковки при различном жатий:
I — по краям и 2 — в средней части нековки
двукратных обжатий. Специальные исследования [59 J показали, что такое число обжатий наиболее целесообразно и с точки зрения повышения чистоты поверхности поковок (рис. 356). Высота неровностей, измеренных профилографом после пяти двойных обжатий, уменьшается более чем вдвое. Дальнейшее увеличение числа обжатий уже не приводит к существенному повышению чистоты поверхности.
Один из эффективных приемов уменьшения выпуклости плоских поверхностей, обжатых при калибровке, состоит в том, что калибровка осуществляется в тот момент, когда верхний и нижний штампы входят в соприкосновение и пресс работает
«в распор». Это приводит к тому, что изгиб и упругая вогнутость плит уменьшаются, а величина только его механизмом, но и и усилие на деформацию при
х поверх-числе об-
хода пресса ограничивается не инструментом. Расход энергии таком способе калибровки не-
Рис. 357. Схема устройства рабочих органов кулачкового пресса для шестикратной калибровки за один рабочий ход:
/ — верхний штамп; 2 — распорные рычаги; 3 — ролик: 4— профильный кулак: о—вал пресса; 6 — толкающий рычаг, ₽ — угол между распорными рычагами [59]
сколько больше, чем при обычном процессе, но это окупается значительным повышением точности размеров поковок (рис. 358).
При калибровке с жесткими ограничителями хода ползуна пресса удается уменьшить влияние упругих деформаций штампа на точность размеров изделия. Соотношения отдельных составляющих упругой деформации штампа и поковки приведены на рис. 358. 552
Ограничители высотой а при калибровке сжимаются на величину До, тогда как верхняя и нижняя плиты — на АЬ. Кроме того, плиты получают вогнутость глубиной Влияние всех факторов на конечную высоту поковки с учетом обратного ее пружинения А//1 может быть выражено как сумма следующих величин:
Н =» а — Да — 2А6 + 2f0 + Af/V
После калибровки поковка выступает над уровнем ограничителей хода на величину Нк — а. Зависимость этой величины от соотношения размеров калибруемой поковки для двух степеней
Рис. 358. Схема штампа с ограничителем для калибровки с уменьшенной выпуклостью обжатой поверхности [109]
деформации (—ен ~ 0,1; —ен — 0,2) приведена на рис. 358. Данные относятся к калибровке образца Do = 25 мм из сплава AlMgSiB [109].
Для определения усилия калибровки обычно используют формулу
Р = Руд?, (Ю9)
где ру3 — среднее удельное усилие для калибровки (например, по кривым на рис. 355);
F — контактная площадь калибровки.
Штампы калибровочные. Штампы для объемной калибровки во вставках имеют ручьи. Для облоя канавок не предусматривается; он вытесняется в щель между плоскими частями штампа и удаляется, как и обычно, в обрезных штампах. Для плоскостной
553
калибровки плиты закрепляются в массивных башмаках (рис. 35S). В данном случае поковка калибруется одновременно по трем плоскостям, находящимся на различных уровнях. Процесс осуществляется на специальных чеканочных (коленорычажных) прессах, обладающих малым ходом и большой жесткостью (с малой упругой деформацией при номинальном усилий).
~ Дефекты при калибровке. Дефекты
I поковок после калибровки заключаются
СД 1 Ч—Ч в недостаточной чистоте поверхности
р—4 при некачественной или слишком I II _______I I обильной смазке и в искажении формы
| ----------1 поковок при большой степени деформа-
г__________________Ч ции по высоте. Особенно значительные
искажения формы поковок получаются при одновременной обработке двух или нескольких плоскостей. Например, при калибровке поковок типа шатуна (рис. 360, а) одновременная калибровка двух поверхностей приводит к встречному перемещению металла в направлении перемычки между обрабатываемыми поверхностями, что может вызвать изгиб средней части шатуна. Уменьшение припуска на калибровку может уменьшить
Рис. ЗБ9. Штамп для плоскостной калибровки
указанную деформацию, ио полное устранение ее возможно лишь при раздельной калибровке плоскостей. Если поковка имеет форму, показанную на рис. 360, б, то раздельная калибровка плоскостей не даст необходимого эффекта и при этом надо будет уменьшать припуски и допуски на операцию. Если стебель поковки имеет достаточно большую массу и противостоит возникающим продольным силам, то калибруемые головки получают эллИп-554
тическую форму, причем расстояние между центрами головок fj увеличивается до величины /2 (рис. 360, в). При обработке более сложных поковок, например двуплечего рычага (рис. 360, г), происходит изменение не только расстояния между осями головок, но и угла между ними (а3 вместо а,) [1011.
Поскольку калибровку обычно осуществляют после очистки поковок, то участок калибровки размещают в термическом отделении штамповочного цеха, вблизи от очистного участка.
Оборудование устанавливают батарейным способом, так как калибровка, как и холодная обрезка облоя, осуществляется обычно не в общем потоке основного технологического процесса (вследствие того, что производительность этих операций значительно больше, чем при операциях штамповки).
ГЛАВК X
ШТАМПЫ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Штампы, применяемые в технологических процессах горячей объемной штамповки, делятся на основные (для оформления поковок, обрезки облоя, просечки пленок) и отделочные (для правки и калибровки). По способу монтажа основные штампы делятся на цельноблочные (монолитные или со вставками для молотов и фрикционных винтовых прессов) и сборные (в блоках). Сборные штампы, применяемые на горизонтально-ковочных машинах и бульдозерах, обычно состоят из матриц и пуансонов.
Прессовые сборные штампы, монтируемые в пакетах, а также цельноблочные штампы различаются между собой на верхние и нижние или на подвижные и неподвижные. Для штамповки с облоем применяются открытые штампы, для безоблойной штамповки — закрытые. Независимо от типа штампы применяются одноручьевые и многоручьевые.
По конструктивным признакам штампы различают с одной плоскостью разъема (молотовые), с одной плоскостью разъема и выталкивателями (прессовые) и с двумя плоскостями разъема (для горизонтально-ковочных машин и иногда для фрикционных и гидравлических прессов). Инструмент, применяемый для штамповки поковок на специализированном оборудовании, классифицируется по перечисленным выше признакам, за исключением инструмента ковочных вальцев, который имеет разъем по круговой линии.
Материалы для бойков и штампов. Условия работы различных типов штампов имеют много общего; отличия связаны с режимом деформации металла и разделением штампов на сборные и цельноблочные, работающие при динамических нагрузках (штампы молотов и винтовых прессов).
В процессе горячей деформации металла инструмент подвергается большим напряжениям — от внешних сил и от чередующихся нагревов и охлаждений. Нагрев поверхности ручья, в котором размещается заготовка при температуре 800—1250° С, достигает в среднем 400—500° С, а в тонких ребрах, выступах 556
и в поверхностных слоях гравюры — 600° С и выше (до хорошо видимого свечения металла в темноте).
То обстоятельство, что нагретый деформируемый металл прижат к поверхности ручья с большой силой [до 2000 Мн/м2 (200 кГ/ям2)], способствует нагреванию штампа, которое также зависит от продолжительности соприкосновения металла со штампом. Время плотного соприкосновения металла со штампом зависит от продолжительности воздействия рабочих органов машины на заготовку в процессе деформации. По данным [109] это время для молотов составляет (5—10)-10“ 8 сек (за один удар), для эксцентриковых прессов — (150—250)-10“3 сек, для кривошипных прессов и горизонтально-ковочных машин (30— 200)-10“ 3 сек.
Основным материалом, применяемым для бойков и штампов, является сталь в пластически обработанном состоянии, а в некоторых случаях — литая сталь и даже чугун. Твердые сплавы применяются преимущественно как наплавочный материал при ремонте. К материалу для инструмента предъявляются следующие требования.
1. Высокое сопротивление небольшим деформациям при температурах разогрева термически обработанных штампов.
2. Высокое сопротивление деформации стали в отпущенном состоянии вследствие повышения температуры разогрева в отдельных частях штампа выше температуры отпуска (знаки, выступы, ребра, углы).
3. Высокая температура критических точек, определяющая температуру отпуска стали.
4. Высокая разгаростойкость.
5. Достаточная ударная вязкость при температурах 300 — 600° С.
6. Высокая износостойкость при повышенных температурах.
7. Относительно небольшой коэффициент теплового расширения и незначительная зависимость его от изменения температуры при разогреве штампов.
8. Глубокая прокаливаемость.
9. Незначительное коробление при термической обработке.
10. Хорошая обрабатываемость резном или абразивом.
11. Пониженная склонность к слипаемое™ со штампуемым металлом или высокая температура слипаемости (выше 700° С).
12. Относительно низкая стоимость.
13. Недефицитность легирующих элементов, входящих в состав штамповой стали.
В табл. 51 приведены марки стали, входящие в ГОСТ 5950--63.
В него входят также новые марки стали, в том числе и для обработки труднодеформируемых сплавов. Новые рекомендуемые марки стали не содержат никеля, и только три из них, предназначенные для штампов, работающих в особо тяжелых 557
$ оо
Химический состав, твердость и термическая обработка штамповых сталей
Таблица 51
Марка стали Химический состав в %
Углерод Марганец Кремний Хром Вольфрам Ванадий Молибден Никель
ЗХ2В8Ф 0,30-0,40 0,15-0,40 0,15-0,40 2,20-2,70 7,50—9,00 0,20-0,50 — !»
4Х8В2 0,35—0,45 0,15—0,40 0,15-0,35 7,00—9,00 2.00-3,00 —- —
7X3 0,60-0,75 0,15—0,40 0,15-0,35 3,20-3,80 — —
8X3 0,75-0,85 0,15-0,40 0,15—0,35 3,2 —3,8 — - ""
5ХНМ 0,50-0,60 0,50—0,80 0,15—0,35 0,50—0,80 — - 0,15—0,30 1,40—1,80
5ХНВ 0,50—0,60 0,50-0,80 0,15—0,35 0,50—0,80 0,40-0,70 — 1,40—1,80
5ХНСВ 0,50-0,60 0,30-0,60 0,60-0,90 1,30-1,60 0,40-0,70 — 0,80—1,20
5ХГМ 0,50-0,60 1,20—1,60 0,25—0,65 0,60—0,90 — 0,15-0,30 —
4Х5В4ФСК 0,35-0,45 0,15—0,40 0,60—1,00 4,00-5,00 3,50—4,20 0,30-0,60 0,40 -0,60 —
4Х2В5ФМ 0,30-0,40 0,15-0,40 0,15-0,35 2,00-3,00 4,50—5,50 0,60—1,00 0,60-1,00 —
4ХЗВ2Ф2М2 0,35-0,45 0,30—0,50 0,15—0,35 3,00 -3,70 2,00—2,70 1,50-2,00 2,00—2,50
4Х5В2ФС 0,35—0,45 0,15-0,40 0,80—1,20 4,5 —5,5 1,6 -2,4 0,6 —1,0 — —
Продолжение табл. 51
Марка стали Сталь в состоянии поставки (лоеле отжига) Сталь после закалки н отпуска
Твердость НН Диаметр отпечатки при d = !0 мм и Р « 3000 кГ Температура в °C и среда закалки образцов Твердость HRC и о ниже
ЗХ2В8Ф 255—207 3,8-4,2 1075—1125, млело 46
4Х8В2 255—207 3,8-4,2 1025—1075, масло 45
7X3 229—187 4,0-4,4 850—880, масло 54
8X3 255—207 3,8-4,2 850 -880, масло 55
5ХНМ 241—197 3,9—4,3 830—860, масло 47
5ХНВ 255 -207 3,8-4,2 840- -860, масло 56
5ХНСВ 255-207 3,8—4,2 860—880, масло 56
5ХГМ 241—197 3,9-4,3 820—850, масло 50
4Х5В2ФС 229—180 4,0-4,5 1030—1050, масло •или воздух 50
4Х5В4ФСМ Не более 225 Нс менее 3,8 1035—1065, масло 50
4Х2В5ФМ 220-180 4,0—4,5 1060-1080, масло 50
4ХЗВ2Ф2М2 269-207 3,7 - 4,2 1090—1110, масло 50
559
условиях (4Х2В5ФМ, 4ХЗВ2Ф2М2 и 4Х5В4МФС), содержат молибден.
Износ штампов. Горячая штамповка применяется для изготовления поковок различной сложности и при неодинаковой серийности производства.
Увеличение стойкости штампов экономически целесообразно только в тех случаях, когда серийность производства поковок выше стойкости соответствующих штампов. Однако следует иметь в виду, что качество поковок, штампуемых в менее изнашиваемом штампе, выше, чем в штампе, изношенном до предела. Высокая стойкость штампов особенно необходима при автоматизированном изготовлении поковок.
Наибольшая стойкость штампового инструмента возможна в условиях его нормального износа. Под нормальным износом штампов понимается такой износ, при котором размеры поковки постепенно выходят за пределы, установленные инспекционным чертежом, при этом штамп не имеет чрезмерно развитых трещин и может быть подвергнут очередному ремонту; поковки получаются с достаточно чистой поверхностью. Нормальный износ штампа отвечает нормальным условиям их эксплуатации, при которых соблюдается расчетный интервал температур штамповки, своевременно удаляется окалина с заготовки, инструмент не имеет перекосов и смещений, штамповка ведется при оптимальном числе ударов в каждом ручье (на молоте), применяются эффективная смазка и обдувка штампа, производятся подогрев штампа перед работой и равномерное охлаждение в процессе работы, своевременная зачистка штампа и т. д. Изменение этих условий эксплуатации ведет к преждевременному износу штампов. Ниже рассмотрены условия правильной эксплуатации штампов.
Разгар штампов и меры его уменьшения. Наибольшая величина опасных напряжений в штампах соответствует первому периоду его охлаждения, при котором перепад температур имеет максимальное значение. Отдельные элементы штампа нагреваются до различных температур. Из-за невыгодных условий для отвода тепла знаки, ребра и выступы нагреваются до более высоких температур, чем стенки полости. В момент штамповки трение повышает температуру облоя на 200е С и более.
В нормальных условиях горячей штамповки штампы должны иметь температуру 250—400а С, которая отвечает наибольшей прочности штамповой стали и одновременно способствует уменьшению перепада температур между заготовкой и штампом. Искусственное охлаждение штампа происходит в промежутке между двумя операциями штамповки, причем тепло отводится в основном от поверхности ручья и частично с зеркала штампа. Естественное остывание штампа происходит в течение всего периода штамповки за счет отвода тепла остальной частью его поверхности. Чтобы обеспечить среднюю температуру штампа (250—400е С), прихо-Б60
дится допускать разогрев поверхности ручьев в процессе штамповки до более высокой (600—600“ С), а охлаждение этой поверхности до более низкой температуры (100—150° С). Это и создает перепад температур в несколько сот градусов в поверхностном слое, подверженном разгару, который представляет собой сетку мелких поверхностных трещин. То, что такой перепад температур при быстром, многократно повторяющемся охлаждении приводит к разгару поверхности металла, подтверждают опыты по искусственному образованию разгара (с переменным многократным нагревом и охлаждением образцов), причем для получения разварных трещин, видимых невооруженным глазом, достаточно нескольких сотен циклов испытаний. Различные марки стали имеют неодинаковую разгаростойкость в зависимости от способности сопротивляться растягивающим напряжениям, возникающим при охлаждении металла.
Напряжения, соответствующие величине температурного перепада при охлаждении штампов, зависят от интенсивности их охлаждения. Чем больше время охлаждения штампа, тем меньше интенсивность охлаждения и величина напряжений и тем выше разгаростойкость штампа. Штампы охлаждаются распыленными водой и соляным раствором или коллоидным графитом, наносимыми при помощи разбрызгивающего приспособления одновременно на обе половины штампа (рис. 361). При нанесении на штамп соляного раствора охлаждение штампа происходит за счет расхода тепла на испарение воды, остающаяся соль выполняет роль сухой смазки, уменьшая трение.
Для уменьшения разгара целесообразно внутреннее охлаждение штампов (см. рис. 237). Вода подводится и отводится по гибким шлангам через штуцеры. При этом способе охлаждения отвод тепла происходит в направлении подвода тепла (а не в обратном направлении, как при обычном охлаждении штампов) непрерывно в течение всего периода штамповки. Наиболее опасный момент для появления разгара (начало охлаждения) при этом исключается. По данным Д. М. Корнеева стойкость штампов с внутренним охлаждением примерно в 2 раза выше, чем у штампов с обычным охлаждением.
Другим способом для уменьшения опасных для штампов пиковых растягивающих напряжений является равноинтенсивное внешнее их охлаждение. Сущность этого охлаждения состоит в том, что через рабочую поверхность штампа тепло отводится равными долями в течение всего периода между смежными операциями штамповки. Для обеспечения режима равноинтенсивного охлаждения следует постепенно увеличивать количество охлаждающей среды или уменьшать ее температуру по мере остывания штампа. Это можно осуществить комбинацией водяного охлаждения с воздушным (автоматизируя дозировку и подачу охладителя на штамп). Этот режим охлаждения, так же как и внутреннее охлаждение
36 Я- М- Охрименко 597 561
штампов, благоприятно влияет на их разгаростойкоеть. Если времени для охлаждения штампа недостаточно, то иногда в штампе применяют два одинаковых ручья, в которых поковки штампуются поочередно.
Рис. 361. Приспособления для охлаждения молотовых штампов:
а — соляным раствором: б — коллоидным графитом: 1 — трубочки для охлаждения верхнего штампа; 2 — трубочки для охлаждения нижнего штампа: 3 — смесительная камера; 4 — труба для воды; 5 — рукоятка; 6 — трубы для воздуха; 7 — распылитель; В— край;
9 — бачок; 10 — сопло
Истирание штампа. Истирание штампа происходит в местах, подверженных силам трения при перемещении деформируемого металла относительно рабочей поверхности штампа. Места «прилипания» (застойные участки на контактной поверхности) соответствуют зонам затрудненной деформации металла, где истирание штампа либо отсутствует, либо незначительно. Чем больше отношение высоты выступа к поперечному его размеру, тем больше истирание; напротив, для стенок полостей истирание тем больше, чем больше отношение ширины полости к ее высоте. Истиранию особенно подвержены стенки полостей, заполнение которых происходит при выдавливании металла. Процесс истирания нагретого металла аналогичен процессу истирания холодного металла и представляет собой отрыв и унос частичек металла шероховатой поверхности инструмента. Если штамп имеет высокую чистоту поверхности (например, 7—9-й класс чистоты по ГОСТу 2789—51), то износ его за счет истирания незначителен. Истирание прогрес-562
сирует при появлении разгара штампа. Чем меньше ячейки раз-гарной сетки, тем значительнее истирание штампа. Деформируемый материал под влиянием действующих сил затекает во все мелкие разгариые трещины и при своем перемещении по поверхности штампа еще более разрабатывает их. Разгар, истирание поверхности, покрытой сеткой разгарных трещин, а также местное размытие и выкрашивание крутых и высоких составляющих рельефа поверхности представляют собой эрозию штампа. Эрозия сопровождается увеличением объема полости ручья.
Деформация штампа (смятие). Под влиянием местного разогрева и больших давлений материал штампа в отдельных местах ручья подвергается оплыванию, смятию и другим деформациям, ведущим к искажению формы полости (рис. 362). При деформации
Рис. 362. Искажение формы полости штампа под влиянием его пластической деформации (стрелками указано направление оплывания штампа):
/ — поднутрение: 2 — увеличение уклона; 3 — деформация знака; 4— деформация мостика
кромок полости образуются поднутрения, задерживающие удаление поковки из ручья (рис. 362, а), или, наоборот, происходит увеличение уклона штампа (рис. 362, б). Деформация кромок зависит от направления течения деформируемого металла в полости: либо металл течет для образования ступичной части шестерни, как показано на рис. 362, а, либо для образования ее венца (см. рис. 362, б). На рис. 362, в показана деформация знака, а на рис. 362. г - деформация порога канавки. При соударении молотовых штампов происходит смятие зеркала штампа,
36* 563
при этом глубина полостей и размеры поковки по высоте уменьшаются.
Для уменьшения износа отдельных элементов штампа вследствие их пластической деформации применяют различные способы: сокращение количества ударов в ручье в случае применения дополнительных, например, черновых ручьев; более полное фасонирование в подготовительных ручьях; использование проката периодических профилей или вальцовки фасонных заготовок взамен их штамповки из обычного торгового проката и т. п. Для предотвращения чрезмерного разогрева штампа применяются специальные теплоизолирующие среды, которые можно наносить на заготовки или па поверхность ручья штампа вместе со смазкой. К числу малотеплопроводных наполнителей для смазок, кроме стекла и графита, являющихся собственно смазкой, могут быть отнесены асбестовая пыль, слюда, некоторые соли (например, иодистые).
Температуру разогрева молотового штампа в процессе работы можно понизить за счет повышения температуры штампуемого металла (штамповка в интервале более высоких температур); при этом время штамповки сокращается настолько, что штамп не успевает нагреться до опасной температуры.
Если появление разгара вызывается растягивающими напряжениями, то для пластической деформации штампа опасны сжимающие напряжения. Следует отметить, что искажение формы ручья может быть вызвано также тепловыми напряжениями.
Налипание и свариваемость. Эрозия поверхности штампов приводит к появлению неокисленной и несмазанной поверхности металла штампа, к которой легко пристает деформируемый металл (налипание); при этом возможно полное схватывание металла (сварка). В противоположность эрозии налипание и свариваемость приводят к искажению формы ручья с уменьшением его объема. Налипший металл оставляет следы на поковках, которые обычно поступают в брак по чистоте поверхности или из-за несоответствия их размерам, заданным по чертежу.
Уход за штампами. Правильный уход за штампами может увеличить их стойкость на десятки процентов, а в отдельных случаях даже в несколько раз. К числу основных мероприятий по уходу за штампами (кроме нагрева штампа перед работой и охлаждения его в процессе работы) относйт&я смазка штампов.
При горячей штамповке требования к смазке значительно усложняются, так как, кроме снижения сил трения, смазка должна быть бездымной, не терять смазочных свойств при разогреве штампа, гарантировать высокую чистоту поверхности поковок, предотвращать налипание металла на инструмент и обеспечивать его высокую стойкость. Качество смазки характеризуется «кроющей» способностью, негорючестью, недефицитностью, невысокой стоимостью, простотой нанесения и т. п. Эффективная смазка 564
уменьшает работу деформации при изготовлении поковок, дает возможность применять меныние штамповочные уклоны и уменьшает износ штампов. Кроме того, смазка может способствовать уменьшению угара, охлаждению штампов и, наконец, уменьшению перехода тепла от деформируемого металла к штампу.
До недавнего времени приходилось применять антисанитарную мазутную смазку, смоченные водой опилки и солевые растворы. Применение смесей порошкового графита на минерально-масля-ной основе не дает должного эффекта, так как эта смазка располагается на поверхности неравномерно и легко выдавливается при деформации металла.
В последние годы промышленностью освоены водные и масляные суспензии мелкодисперсного графита, которые иногда называют коллоидным графитом. Водная суспензия графита (или аквадаг) применяется для покрытия обезжиренных поверхностей штампов, нагретых до 100—150° С. Вода быстро испаряется, и на поверхности штампа остается плотный и равномерный слой мелкодисперсного графита, который после полирования длительное время остается на поверхности ручья. По истечении 1—2 ч этот слой возобновляется в процессе работы штампа. В отдельных случаях стойкость штампов при этой смазке увеличивается в 1,5— 2 раза. В тех случаях, когда значительный разогрев штампа нежелателен, применяют спиртовые или трихлорэтиленовые растворы коллоидного графита [711.
Получила распространение также суспензия графита на масляной основе (или, как ее называют, ойлдаг). Хорошие результаты получены от смазки, состоящей из суспензии коллоидного графита на ланолиновой основе, которой покрывают поверхность штампа и во время его эксплуатации (несколько раз в смену). Графит должен быть высокой чистоты (99,9%); размер его частиц — не должен превышать нескольких микронов, однако лучше, если они составляют доли микрона. От измельчения графита зависят его адсорбционные свойства, что определяет кроющую способность и прочность графитового слоя на поверхности штампа. Чем тоньше слой, тем эффективнее действие смазки. Смазку рекомендуется наносить малыми дозами и регулярно; обильная же единовременная смазка штампов нецелесообразна. Штампы для прессов и горизонталыю-ковочных машин смазывают графитноланолиновой пастой, которая после расплавления получает возможность проникать в труднодоступные места ручьев. При водяном охлаждении штампов рекомендуется слой графита возобновлять не менее 3—4 раз в смену. Смазка наносится обычно кистью, в некоторых случаях — пульверизатором. При выдавливании хорошие результаты получены от применения в качестве смазки натронного стекла (жидкая смазка, паста и др.).
Из литературы известны случаи применения омедненных штампов без дополнительной смазки. На некоторых отечественных заво-565
дах успешно применяется в качестве смазки сульфитцеллюлозный щелок (отход бумажного производства) в смеси с графитом (3 : 1). Растворы поваренной соли в воде (от 10 до 30%) применяют при штамповке на мелких и средних молотах.
Окалину с нагретой заготовки удаляют при погружении ее в слегка влажную крупную соль, превращающуюся в жидкий шлак, остатки которого служат смазкой.
Для жаропрочных сплавов с узким температурным интервалом штамповки применяется смазка, состоящая из порошка йодистого калия (67%) и чешуйчатого графита (33%). Йодистый калий, соприкасаясь с нагретой поверхностью штампа, расплавляется и растворяет графит. Эта смазка способствует хорошему заполнению ручьев и легкому удалению поковки из штампа, кроме того, она не налипает на стенки штампа. В последнее время получают некоторое распространение смазки на основе солей лития.
К мероприятиям по уходу за штампами относится также своевременное (лучше непрерывное) удаление окалины из их полостей. Окалина оказывает на штамп такое же действие, как абразив. Зачистка и другие виды текущего ремонта необходимы и способствуют увеличению работоспособности штампа. Оплывание (деформация) знаков, ребер, кромок устраняют не только зачисткой, по и пластической деформацией при помощи пневматического молотка. Стойкость элементов штампа, восстановленных таким способом, иногда даже выше вновь изготовленных.
Расход штампов определяется их стойкостью, которая в значительной степени зависит от марки штамповой стали, способа изготовления штампов и условий их эксплуатации. Ниже дано сравнение стойкости молотовых штампов, изготовленных из различной стали, при штамповке одинаковых поковок. Стойкость штампов из стали У7 принята за 100% [4].
Материал штампа .... У7 4ХС 5ХГМ 5ХНМ ЗХ2В8 Х12М
Относительная стойкость
штампов в % ......100 120 140 180 250 320
Как видно из этих данных, стойкость штампов, изготовленных из высоколегированной стали, в 2—3 раза выше стойкости штампа из углеродистой стали.
В табл. 52 приведены средние данные стойкости и расхода штамповой стали 5ХНМ на 1000 кг поковок из средпелегированной стали при изготовлении молотах крупными сериями.
Применительно к штамповым сталям, приведенным выше, их средний удельный расход для различных штампов в кг па 1000 кг поковок следующий:
Молотовых................14.5
ГКМ .....................12,6
Обрезных ................ 1.8
Приведенные данные являются ориентировочными.
566
Таблица 52
Стойкость штампов и расход штамповой стали 179]
Штампуемые нековки До первого Еозобневле- ВИЯ Б ШТ- Число установок штампа до его износа До ПОЛНОЮ износа штампа Е шт. Удельный расход штамповой! стали па кг ПОКОВОК ь кг
Тяжелые и длинные (передние оси, коленчатые валы) 3 500 3 10 500 7,8
Типа поворотных кулаков 5 000 3 15 000 11,0
Шатуны и рычаги средних размеров . . 10 000 4 40 000 13,5
Типа шестерен . . . . 15 000 4 60 000 12.0
На рис. 363 приведены данные УЗТМ по стойкости молотовых штампов из стали 5ХНВ» термически обработанных до НБ 341—368. Поковки трех групп (по сложности формы) из углеродистой и среднелегированной стали штамповали при температуре нагрева 1150—1200° С и подогреве штампа газовыми горелками до 250—400° С. При этом применялась смазка штампов мазутом. Для поковок типа тел вращения (группа I) стойкость штампов, определяемая по кривым, действительна для отношения приведенной высоты (нпв = -тД—к наибольшему диаметру поковки
= 0,15. При величине этого отношения 0,05 и менее полученная характеристика стойкости штампа должна быть умножена нпр
па 0,7; при -уг—--0,05-ь 0,1—соответственно на 0,8, а при
— 0,3 и более — на 1,2.
С увеличением высоты облойной щели по отношению к высоте поковки стойкость штампов (в'связи с уменьшением сопротивления металла деформации) увеличивается (рис. 364). Обычно штамп подвержен нескольким разновидностям износа, по отбраковывается он по какой-либо одной из них (преобладающей). По данным Н. Г. Просвирова с увеличением высоты облойной щели (или уменьшением глубины полости штампа при постоянной высоте облойной щели, рис. 364) преобладающим видом износа штампа становится истирание вместо смятия. То же происходит в случае применения штампов с клинообразной облойной щелью вместо обычной облойной канавки (см. рис. 158, VI). В обоих случаях при этом стойкость штампов повышается.
567
(X
Рис. 363. График стойкости молотовых штампов 1 смятием hP₽//J—’истиранием"003
558
Стойкость штампов можно рассчитать по формуле ^=^л+г=г(4ч м),
где Sn — суммарная стойкость штампа до износа, выраженная количеством снятых поковок;
а — стойкость основного ручья штампа до’переточки;
L — общая допускаемая величина снятия металла при возобновлениях;
I — толщина слоя металла, снимаемого при переточке;
7] — коэффициент, учитывающий снижение относительной стойкости штампа после возобновления.
Способы изготовления и ремонта штампов. Штампы и их ручьи изготовляются следующими способами: механической обработкой на станках, горячей и холодной штамповкой, электроискровой и электрозвуковой обработкой и литьем.
Для обработки штампов применяются станки: продольно- и поперечно-строгальные, сверлильные и радиально-сверлильные, фрезерные и копировально-фрезерные, с ручным управлением и автоматические (типа Келлера по копир-модели), плоско- и круглошлифовальные и координатно-расточные. Получают распространение копировально-фрезерные станки с многошпиндельными головками, а также программированные работы этих станков.
Для экономии штамповой стали, сокращения времени на изготовление и установку штампов па кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах применяются сборные штампы. При этом значительно облегчаются наладки и эксплуатация сложных штампов, так как для каждого ручья предусматривается отдельная вставка. Применение вставок в молотовых штампах усложнено. Как правило, на многоручьевых сборных штампах устанавливается одна вставка с одним-двумя ручьями.
В молотовых штампах вставки закреплены в блоках с помощью горячей посадки (предварительный нагрев блока или охлаждение вставки в кислороде), а также клипа или скользящей посадки.
Размеры вставок определяются конфигурацией ручьев. Для призматических вставок их толщина применяется Н > 2h, но не менее h + 30 мм, длина L > I + 2h, ширина В --- b 4- 2h, где h — максимальная глубина, I — длина и b — ширина ручья. Толщина стенки штампа должна быть S > Л, но не менее 20 мм.
Для цилиндрических вкладышей: высота Н 1,5й, но не менее /J I 25 мм, диаметр D > 2, но не менее dp + 20 мм (dp — диаметр ручья).
Размер гнезда для вставок определяется размером вставок с учетом натяга. Размеры натягов выбираются по ОСТу 1042.
Для вставок применяются те же стали, которые используются для горячих штампов.
697 569
Применение вставок наиболее целесообразно для осесимметричных поковок с большим отношением высоты к диаметру.
Расход штамповой стали можно также уменьшить за счет следующего:
1) применения многоштучной штамповки для небольших поковок. В штампе нарезают несколько фигур (можно для поковок разных наименований, если для них применяется одинаковая сталь);
2) применения изношенных вставок чистового перехода для вставок чернового перехода путем слесарной зачистки ручья и развала выходных радиусов. В этом случае каждая вставка используется дважды — сначала как окончательная, а затем как предварительная;
3) штамповки штампов, т. е. получения ручьев штампа путем выдавливания под прессом или на молотах с помощью мастер-штампа.
Применяется горячая и холодная штамповка штампов. Горячая штамповка применяется для штампов с глубокими ручьями и сложной формы, холодная — для изготовления штампов с неглубокими ручьями, у которых отсутствуют острые грани, тонкие ребра, несимметричные углубления с большими уклонами (для ручьев с коническими зубчатыми и рифлеными формами). Холодная штамповка штампов более точна, дает лучшее качество поверхности, не требует нагрева штамповых блоков и упрощает процесс.
Принцип электроискрового изготовления ручьев штампов тот же, что и лри электроискровой резке прутков (см, § 2, гл. II).
В настоящее время электроискровой обработкой изготовляются штампы для гаечных ключей, коромысла клапана автомобильного двигателя, вилки кардана, фитингов, болтов, рычагов, мелкого инструмента и пр. Электроискровой обработкой можно обрабатывать штампы любой твердости.
Литые штампы применяются для вкладышей и вставок и даже для цельных кубиков при штамповке небольших партий поковок. Стойкость их часто не уступает стойкости кованых штампов (особенно при штамповке крупных поковок).
В Чехословакии литые штампы получают путем погружения в расплавленную штамповую сталь мастер-штампа, охлаждаемого водой. Стойкость таких штампов превышает стойкость обычных штампов (в 1,5—2,5 раза), а стоимость их изготовления в 4—7 раз ниже, чем при механической обработке.
Для увеличения срока службы штампов применяется химикотермическая обработка (цементация, азотирование, хромирование, борирование, покрытие молибденом, никелем, вольфрамом, сульфидирование), а также электроискровое упрочнение. Химикотермической обработкой можно добиться улучшения свойств по-570
верхности штампов, повышения усталостной и общей прочности металла. Улучшение пластичности поверхности способствует повышению разгаростойкости металлов.
Одним из способов повышения стойкости штампов является наплавление их рабочей поверхности электродами со специальной обмазкой.
Для наплавления применяются преимущественно твердые сплавы типа стеллита, сталинита и т. п. Штампы, наплавленные стеллитом, не закаливаются. При наплавлении стеллитом штамп
Рис. 365. Схема ремонта молотовых штампов электрошлаковой наплавкой
должен иметь температуру не ниже 750° С. Стеллитом целесообразно наплавлять пуансоны гладкие, цилиндрические и прямоугольные, которые можно шлифовать на станках; матрицы, обрезные и вырубные штампы, у которых наплавляются только режущие кромки. Для наплавления изношенных штампов с последующей термической обработкой и без нее применяются специальные электроды. Поверхностная твердость слоя, наплавленного электродами, равна НБ 300—350. Наплавление штампов электродами на стальной основе заметного повышения их стойкости не дает, поэтому применяется только для восстановления изношенных штампов.
Электроды ЦС-1 и ЦС-2 на основе твердого сплава сормайт при наплавлении дают твердый слой, по свойствам аналогичный стеллиту.
Наплавкой твердыми сплавами значительно повышается также стойкость штампов для горячей обрезки облоя. Такие штампы обладают повышенной жаропрочностью и сопротивлением истиранию.
571
Когда штамп после ряда возобновлений путем строжки становится недопустимо низким, его обычно используют для более мелких штампов или направляют в переплав. Для ремонта штампов, имеющих высоту ниже минимально допустимой, можно использовать электрош лаковую сварку с новым штамповым кубиком с нарезанным хвостиком (рис, 365, метод разработан в институте сварки им. Е. О. Патона). Кубик может быть изготовлен и из углеродистой стали.
Правильный выбор марки стали для штампов, применение вставок, хороший уход за штампами и рациональный ремонт обеспечивают их высокую стойкость и относительно небольшой расход штамповой стали1.
1 Болес подробно см. Я. М. Охрименко, Д. М. Корнеев, В. Л. Бабенко, Ковочные штампы п их эксплуатация, М., НТО Машпрсм, 1963.
ГЛАВА Xi
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК
При разработке технологического процесса изготовления поковок возникает необходимость в расчете экономической эффективности и установлении оптимального варианта наиболее экономичного в данных производственных условиях.
Кузнечные цехи характеризуются специфическими особенностями, обусловливающими выбор оптимального варианта технологического процесса изготовления поковок. К их числу относятся высокая металлоемкость и энергоемкость процесса, значительная стоимость основного оборудования и технологической оснастки (штампов).
От выбора технологического процесса зависят количество расходуемого металла и трудоемкость механической обработки. Затраты на металл достигают 60—80 % от себестоимости поковки. Следовательно, совершенствование технологии производства поковок в первую очередь связано с сокращением количества металла, расходуемого на поковки.
Оценка экономической эффективности новой технологии, выбор наиболее экономического варианта производства деталей из поковок осуществляются при сравнительном анализе технико-экономических показателей (стоимостных и натуральных). Необходимость использования нескольких показателей обусловлена разнообразием решаемых задач (выбор наиболее эффективного варианта технологии и установление рациональной очередности работ, определение годовой экономии от ее внедрения и установление влияния новой технологии производства поковок на показатели плана).
Стоимостные показатели являются главными при оценке экономической эффективности. К числу их относятся себестоимость производства, годовой экономический эффект и срок окупаемости дополнительных затрат на приспособления, механизмы и т. п.
В состав натуральных показателей кузнечного производства входят коэффициент использования металла, трудоемкость изго
573
товления поковок и деталей, а также показатели, характеризующие расход энергии, топлива, инструмента и некоторые другие. Расчет и анализ натуральных показателей позволяет оценить отдельные преимущества и выявить недостатки вариантой новой технологии *.
Величинами, используемыми для сопоставимости отдельных показателей, являются одинаковые объемы производства для сравниваемых технологических вариантов и одинаковые цены, тарифы и т. д.
Критерием при выборе наиболее экономичного варианта технологического процесса в заданных условиях служит сумма приведенных затрат, определяемая для каждого из сравниваемых вариантов производства. Этот показатель позволяет наиболее правильно оценить преимущества и недостатки каждого варианта в области экономии эксплуатационных расходов и в области экономии капитальных вложений.
Расчет приведенных затрат производится по следующим формулам:
3 = С + ЕкК или 3 == К + 0нС, (110)
где 3 — приведенные затраты в руб.;
С — себестоимость годовой продукции в руб.;
Е„ — отраслевой нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности;
К — капитальные вложения в руб.;
О,. — отраслевой нормативный срок окупаемости.
В машиностроении приняты следующие значения Ен: 0,3 — для новых технологических процессов, частичной механизации и автоматизации; 0,2 — для принципиально новых технологических процессов, для комплексной механизации и автоматизации.
Наиболее экономичный вариант технологического процесса должен иметь минимальную сумму приведенных затрат. Экономическая эффективность, связанная с использованием нового технологического процесса, определяется как разность между суммами приведенных затрат по существующему и внедряемому вариантам производства по следующей формуле:
Э = |(С1 + + Е«Ка)1 (Н1)
где Э — годовой экономический эффект в руб.;
си с2 — себестоимость детали (поковки) до и после внедрения технологического процесса в руб.;
К1г К2 — капитальные вложения на производство детали (поковки) до и после внедрения технологического процесса в руб.;
1 Более подробно см. В. С. Банковская, оценка экономической эффективности технологии кузнечного производства, М., НТО Машпром, 1962.
574
Ен — нормативный отраслевой коэффициент экономической эффективности;
N — ГОДОВОЙ объем производимой Продукции (поковок, деталей) после внедрения усовершенствованного технологического процесса в шт. или т.
В расчетах экономической эффективности наибольшие трудности обычно связаны с определением себестоимости продукции.
Следует производить экономические расчеты всего процесса изготовления детали, включая и механическую обработку. Расчетом себестоимости поковок можно ограничиться только в том случае, если сопоставляемые процессы обеспечивают одинаковые массу, форму и размеры поковок, т. е. одинаковый объем механической обработки. Как будет показано ниже, одним из главных показателей низкой себестоимости деталей является незначительный объем механической обработки. Это объясняется тем, что трудоемкость при механической обработке 1 кг металла в десятки раз выше трудоемкости кузнечно-штамповочной обработки, причем, чем позже по ходу технологического процесса удаляется металл в отход, тем больше относительные стоимостные потери на единицу массы металла.
Следует иметь в виду, что отход в кузнечном цехе в виде донной и прибыльной частей слитков по существу является отходом сталеплавильного, а не кузнечного цеха. Аналогично отходы при черновой (грубой) механической обработке, при которой удаляется поверхностный слой металла, ставший дефектным на предыдущих стадиях обработки, не являются отходами механического цеха. Типичный отход механической обработки, необходимый для получения заданной чистоты поверхности и точности размеров детали, небольшой и определяется припуском под шлифование и более точную обработку. Основная масса стружки в механическом цехе является результатом низкой точности кузнечно-штамповочного производства, т. е. больших фактических припусков и напусков при ковке, штамповке.
Существуют два основных способа расчета себестоимости: детальный расчет по элементам затрат и по укрупненным нормативам.
В первом случае при оценке экономической эффективности затраты по всем статьям себестоимости определяются прямым подсчетом. Величина затрат по каждому элементу себестоимости находится в зависимости от соответствующих параметров операции или процесса: штучного времени изготовления поковки (детали), установленной мощности оборудования, времени работы оборудования и т. д.
Поэлементный способ определения затрат позволяет достаточно точно установить себестоимость поковки или детали для каждого варианта технологического процесса (табл. 53).
575
Таблица 53
Расчет элементов затрат себестоимости
Статьи затрат Расчетные формулы Условные обозначения
На 1 поковку За 1 мин работы оборудования 1
। Основные материалы (металл) 1 е.« “ см — затраты на металл в коп. Gp — норма расхода металла в кг G„— маиса отходов в кг Цк — цена 1 кг металла в коп Цс — цепа 1 кг отходов в коп.
Заработная плата производственных рабочих с начислениями и дополнительной заработной платой _ _ГчМз л 6J 3 — заработная плата бригады в коп. Р&Р — расцепок За 1 шт. в коп. kt — коэффициенты дополнительной заработной платы ks — коэффициент начислений на заработную плату Т — часовая тарифная станка бригады (рабочего) в коп.
Амортизация оборудования 3Д = F^-60 100 1а”‘ СОб>-15-Л„ в /'Й-СО-1СО За — затраты на амортизацию в коп. — стоимость оборудования в руб. 1,15 — коэффициент, учитывающий затраты па монтаж и транспортирование оборудования F& — действительный фонд времени работы оборудования в ч >шт — штучное время в мин Ап — установленный процент амортизационных отчислений
Текущий ремонт оборудования „ нп-со Р "ч Зр^НЦ Зр — затраты на ремонт в коп. И — нормативные затраты на текущий ремонт единицы ремонтной сложности оборудования в КОП/МНЦ R —* группа ремонтной сложности Пч — часовая производительность
Технологическое топливо (газ) Зщ — Нрг'п3Цг т Зт — затраты на технологическое топливо в коп. Нрг — норма расхода газа на нагрев 1 кг заготовок в ж8 Цг — цена 1 jua газа в коп. тд — м асса заготовки в «г 1шт — штучное время в мин
576
Продолжение табл. 5'1
Статьи затрат Расчетные формулы Условные обозначении
На t иоковку За 1 мин работы оборудования
Двигательная энергия; пар, сжатый воздух; электроэнергия ™ Пч .. =*^ЦЭЛ ‘ яя ’ П„ О _ 11Рп^п^п «в ~ «и »-« 60 Зм — затраты на нар или сжатый воздух в коп. Чрп — часовой расход пара или сжатого воздуха в ж’/ч Пч — часовая производительность в шт. Кп — коэффициент, учитывающий потери пара в трубопроводе Цп — цена 1 м* пара или сжатого воздуха в кои 3—затраты на дви!атель- иую электроэнергию в КОП. Иэл — цена 1 «era-ч в кол. Л’ — установленная мощность в кол- ца — коэффициент использования оборудования по мощности и времени
Сжатый воздух дли обдув-ни штампотз pcMt„ л с- г» С- и й Ч Об со 3^$ — затраты на сжатый воздух для ебдуики штампов в кои. —расход сжатого воздуха в ж*/Ч1 скорректированный ня время работы оборудования 7(cf? — пена 1 ж5 сжатого воздуха в коп.
Затраты на наладку штампов = 7«'«" « Пс ~ рч*кп 3Ч= 60~ — время наладки (в ч); п — количество наладок в смену Зн — затраты ка наладку в коп. Т — часовая тарифная ставка бригады наладчиков в коп. Пс - выпуск в смену в шт.
Штампы . _ сиэг + п1Саос “ г«з« Зш — затраты на штампы до полного износа в коп. Сизг—стоимость изготовления штампа в руб. С— стоимость восстановления штампов в руб. л> - количество восстановлений 1 Риэн— суммарная стойкость до полного износа в шт.
37 Я. М. Охрименко S97
577
Себестоимость (с) поковки включает затраты: на металл (сЛ); основную и дополнительную заработную плату производственных рабочих Зп, амортизацию оборудования За, на текущий ремонт оборудования Зр, на технологическое топливо Зт, на пар (воздух) для молотов Зм, на электроэнергию Здл, на обдувку штампов на наладку штампов 3„ и затраты на штампы Зш:
сп — сл + Зп 4- За + Зр - j - Зт 4- Зпв 4- Зял - ЗоВ 4- Зи + 3,и.
При сопоставительном расчете себестоимости детали дополнительно учитываются изменяющиеся затраты при механической обработке: основная заработная плата рабочих механического цеха, затраты на инструмент и некоторые затраты, связанные с эксплуатацией оборудования. Формулы для расчета отдельных элементов затрат при изготовлении поковок приведены в табл. 53.
При укрупненных расчетах себестоимости поковок (деталей) используют нормативную величину затрат, связанных с эксплуатацией кузнечного и металлорежущего оборудования, или нормативные затраты, связанные с обработкой единицы массы металла.
В первом случае расчет производят по формуле
Сп ~ см4~ Зп Зш 4- 3SKtvm', соответственно себестоимость детали определяется eg = См 4~ 3,, 4~ 3IU -|- 33Ktwtn . Зп 4_ Зи -|- Зв/,^шт Л 1 И
где Зэк — нормативная величина затрат, связанная с эксплуатацией оборудования, в коп. за минуту;
3SM — нормативная величина затрат, связанная с эксплуатацией металлорежущего оборудования, в коп. за минуту;
itumt — соответственно штучное время ковки, штамповки и механической обработки в мин\
3,. — затраты на инструмент при механической обработке.
Так как стоимость металла составляет наибольшую часть от себестоимости детали, то целесообразно более подробно рассмотреть действительный расход металла с учетом отходов на различных стадиях изготовления детали.
В общем случае затраты на металл сЛ можно выразить в виде следующего двучлена:
См - Ср — со - врЦм — С<ДО> (112)
где ср — стоимость расчетного количества металла в коп.;
Cju — стоимость отходов в коп.;
Gp — расчетное количество металла на заготовку в кг;
578
Цм — цена исходного металла в коп. за I кг;
G„ — масса отходов в кг;
Ци — цена отходов металла в коп. за 1 кг.
Анализ выражения стоимости металла см на одну поковку может привести к неправильному заключению о том, что чем больше отходов, тем ниже себестоимость. Это верно только для отходов на отдельных стадиях производства, предшествующих механической обработке, и при данной массе заготовки. Чем больше отходы процессов ковки или штамповки при Gp = const, тем ниже себестоимость детали, так как объем механической обработки при этом уменьшается. Для того чтобы правильно понять роль отходов, целесообразно увязать стоимость металла с коэффициентом его использования Кисп = (где Gg — масса одной детали в кг) и с потерями в связи с о(лцим количеством отходов и их более низкой ценой по сравнению с исходным металлом. Эту величину можно представить как разность между ценой металла Цм и ценой отходов Цо (на единицу массы):
А// = /L - Цо.
Тогда выражение для см перепишется в следующем виде:
- врЦм - (I - Кмп) СРЦ„, (113)
откуда
см = Gp (AZf + КиспЦо) = Gd 4- Цо) . (114)
Проанализируем выражение (114). При K,.Lr, = 1 действительно равенство Gg — Gp, и тогда см = ддЦм. Чем выше коэффициент использованйя металла, тем ниже себестоимость детали, поскольку величина Gp уменьшается. При Цо = Цм (в случае использования отходов для изготовления продукции) см = GPUM. При уменьшении стоимости исходного металла или массы заготовки Gp величина себестоимости уменьшается.
В формуле (114) отходы суммированы (обезличены), а стоимость их усреднена. Однако имеет значение распределение отходов по различным стадиям процесса изготовления детали и характер этих отходов. Из рис. 366 видно, как нарастают отходы по маршруту металла (нижняя часть графика) и как при этом увеличивается себестоимость будущей детали (верхняя часть графика). Для большей наглядности расчетная норма металла на программу, так же как и стоимость исходного металла, принята равной 100%. Цифры по отходам соответствуют промышленным данным для штампованных поковок массой 1—10 кг при общем коэффициенте использования металла 0,5.
В рассмотренном примере при ЦО1ЦМ = 0,1 масса детали становится меньше расчетной нормы на 50%, т. е. вдвое. При этом стоимость металла деталей снижается всего на 5% и состав-37* 579
ляет см — с0 = 0,95^, а на единицу массы его стоимость повышается до 197% (см. вторую снизу графу на рис. 366). Линии повышения относительной стоимости металла и увеличения себестоимости полуфабриката (в соответствии с долей заработной платы, увеличением трудо- и энергозатрат и т. п.) имеют ступенчатый характер. Если принять стоимость металла равной 100%
Рис. 366. Изменение статей затрат себестоимости в процессе изготовления детали
(см. верхнюю часть графика), то стоимость детали составит 250%. Таким образом, стоимость передела составляет 150% от первоначальной стоимости металла.
На рис. 366 показано постадийное увеличение расходов на заработную плату и нарастание трудозатрат при изготовлении деталей. На стадии получения поковок себестоимость составляет 195%, а стоимость передела соответственно 95%.
Большое влияние на величину себестоимости оказывает характер отходов. Самые низкие потери от отходов получаются в тех случаях, когда их удается использовать для изготовления основной или дополнительной продукции (отходы по некратпости при разделке заготовок, концевые отходы при штамповке от прутка, клещевые концы, крупные выдры и т. п.). Наибольшие потери связаны либо с превращением металла в окислы (окалипу), либо в стружку (при механической обработке на последних стадиях изготовления детали). Эти отходы, как и другие обрезки (облой и т. п.); используются в металлургическом производстве. Окалина используется только в крупных кузнечных цехах, где ее имеется большое количество. Объем отходов регламентируется величиной
^ticn ~
Op
Как видно из формулы (114), увеличение стоимости отходов уменьшает себестоимость детали в значительно меньшей степени, чем она уменьшается вследствие соответствующего увеличения выхода годного на каждой стадии производства.
Для того чтобы проследить, как влияет увеличение количества отходов и снижение их цены на повышение себестоимости единицы массы готовых деталей, приводится табл. 54. Следовательно, если отходов мало, то относительная их цена оказывает незначительное влияние на стоимость единицы массы металла деталей (сравните изменение цифр верхних строчек таблицы). Большое влияние оказывает цена отходов при низких коэффициентах использования металла (см. нижние строчки табл. 54).
Особенно большая интенсивность роста стоимости металла ПРИ = 0,5 и менее.
Себестоимость продукции зависит также от величины программы производства поковок п.
Сопоставление расчетов себестоимости и приведенных затрат в зависимости от величины серийности выпуска поковок для разных технически приемлемых способов их изготовления позволяет выявить наиболее рациональный вариант технологии и величину оптимальной программы производства.
Для того чтобы решить, какому способу изготовления поковок следует отдать предпочтение — ковке или штамповке, можно воспользоваться формулой М. Г. Златкина для определения мини-581
Таблица 54
Изменение коэффициента повышения стоимости единицы массы металла деталей в зависимости от коэффициента использования металла и Относительной стоимости отходов
Коэффициент использования металла к Ci Р Относительная стоимость отходов
цв- цм
1 : П> .=3 1 : J 1 :Я
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 • 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1,0 1,1 1,22 1,38 1,60 1,90 2.35 3,10 4,60 9,10 1,0 1,09 1,20 1,34 1,53 1,80 2,20 2,86 4,20 8,20 1,0 1.08 1.16 1,28 1,43 1,66 2,00 2,55 3,66 7,00 1,0 1,05 1,12 1,21 1,33 1,50 1,75 2,16 3,00 5,50
мального количества деталей, при котором штамповка становится экономичной:
т
Йк 4“ сл«)' — (Сш 4" Сл!ш) ’
(Н5)
где Зя — затраты на наладку;
— стоимость штампов в руб.;
ск — себестоимость одной кованой поковки с учетом термической обработки в руб.;
смк — себестоимость механической обработки кованой поковки в руб.;
с1и — себестоимость одной штампованной поковки с учетом термической обработки в руб.;
cMlu — себестоимость механической обработки штампованной поковки.
На рис. 367 показаны кривые, характеризующие себестоимость одной поковки, имеющей форму кольца, в зависимости от величины серии выпускаемых поковок при различных вариантах технологического процесса. Из приведенного графика следует, что наиболее целесообразным процессом для данных поковок является штамповка их на горизонтально-ковочной машине и наименее целесообразным — штамповка намолоте. При штамповке на горизонтально-ковочных машинах отсутствует разрезка заготовок и имеется возможность производить одновременно штамповку нескольких поковок с одного нагрева. В этом случае незначительные отходы из-за отсутствия облоя и высокая производительность обеспечивает наиболее низкую себестоимость поковок.
Б82
Точки пересечения различных кривых характеризуют критические серийности — величину серии, при которой себестоимость поковок одинакова.
Из рассмотрения кривых следует, что свободная ковка целесообразна лишь при условии, когда партия поковок не превышает 210 шт. Штамповка на горизонТально-ковочных машинах рентабельна, когда партия поковок более 210 шт. Штамповка
Рис. 367, Себестоимость единицы поковки кольца в зависимости от способа изготовления и величины серии выпуска поковок:
1 — свободной ковкой по £ шт ; 2 — штамповкой на молоте в открытом штампе; 8 — штамповкой не прессе в открытом штампе и 4 — на гориаоятально-ковочиой машине в закрытом штампе
на кривошипном прессе экономически более целесообразна, чем свободная ковка, если серийность не меньше 400 шт. поковок, для штамповки на молоте — 480 шт.
Для установления зависимости себестоимости от величины программы выпуска и для упрощения расчетов все статьи затрат себестоимости разделяют на две группы: 1 — переменные расходы А, изменяющиеся пропорционально величине программы выпуска п, и 2 — условно-постоянные Б, не зависящие практически от объема производства. К первым относят стоимость металла, заработную плату производственных рабочих, все виды производственной энергии и топлива, отнесенные к одной детали. Ко вторым — стоимость штампов, наладку оборудования и остальные общецеховые расходы (отопление, освещение, аморти-583
зацию зданий, основную заработную плату ИТР и др.)- Тогда себестоимость’одной детали составляет
Са«Л.|-4; (116)
*
это уравнение представляет собой гиперболическую кривую. Для графического построения такой зависимости необходимо произвести значительное количество расчетов. Если выразить себестоимость всей программы выпуска через С = с^п, то получим
С = Ап 4- J5; (117)
это уравнение прямой линии в координатах «стоимость программы выпуска деталей — величина программы выпуска». При построении таких графиков расчеты значительно упрощаются, так как достаточно определить две точки прямой. Указанным способом удобно анализировать целесообразность использования тех или иных приспособлений, конструкций штампов, новые марки стали для них и т. п. Пересечение прямых, соответствующих себестоимости партии поковок при штамповке новым (прямая 2) и обычным (прямая 1) способами (рис. 368), покажет величину минимальной программы производства, при которой экономически целесообразна данная модернизация технологического процесса. Точки пересечения прямых соответствуют критическим серийностям производства.
В случае, рассмотренном на рис. 368, условно-постоянные расходы увеличились с Ej до Ь2, но себестоимость при количестве деталей более 120 шт., снижается за счет уменьшения переменных расходов. Указанное имеет место при замене ковки штамповкой или при переходе к использованию более совершенного, но дорогостоящего штампа, который обеспечивает повышение выхода годного. Подобный анализ себестоимости при различных вариантах технологических процессов изготовления поковок, выполненный на УЗТМ, показал, что с увеличением массы поковок критическая серийность программы уменьшается. С увеличением легированности стали, используемой на поковки, критическая серийность также уменьшается. Если условно-постоянные затраты уменьшаются (например, с Бх до Б3), а переменные расходы остаются без изменения (прямая 3), то новый процесс будет рентабелен при любой серийности производства. Еще более целесообразен процесс, при котором сокращаются условно-постоянные и переменные расходы (прямая 4). В этом случае прямые линии не пересекаются в поле графика.
Наибольший эффект в снижении себестоимости получается при увеличении выхода годного (или коэффициента использования металла), так как статья расходов на металл во много раз 384
превышает любую другую статью расхода при производстве деталей машин. Поскольку с увеличением выхода годного уменьшается и критическая серийность, то применять, например, штамповку становится экономически целесообразно при тем меньшей серийности производства, чем больше коэффициент использования металла.
В табл. 55 приведены данные по отходам металла в автотракторном производстве. Из таблицы видно, что общие отходы при изготовлении деталей из штампованных поковок достигают 50% и более, причем наибольшее количество отходов связано с обра-
Рис. 368. Зависимость себестоимости программы выпуска деталей от величины п
зованием облоя (до 18,4%) и стружки (до 29,6%»). В некоторых других отраслях машиностроения отходы достигают еще больших размеров.
Ранее (см. табл. 2) было показано, что при производстве деталей [из кованых поковок (изготовленных из катаного металла) отходы в облой отсутствуют, но большие припуски, напуски и допуски приводят к увеличению отходов в стружку. Если коэффициент использования металла при ковке и штамповке оказывается даже одинаковым, то себестоимость серии деталей из штампованных поковок всегда более низкая за счет меньших стоимостных потерь на отходы на более ранних стадиях производства.
В настоящее время расчеты по определению целесообразного варианта изготовления поковок и критических серийностей производства значительно усовершенствованы. Для упрощения этих расчетов создаются нормативные материалы, которые облегчают учет многочисленных переменных статей расхода. В промышленности уже используются нормативы по удельным нормам расхода металла, технологического топлива, энергии, пара, сжатого воздуха и другим элементам цеховых расходов. Аналогичные материалы разрабатываются и для других элементов затрат, например,
585
Таблица 55
Баланс металла при изготовлении деталей автомашин и тракторов (в %)
Марки машин Отходы Итого ] 1 & с с с с 1 5 1 > ! Отход в етружку 1 I Масса деталей Всего отходов Расход металл;!
При ряз-делке прутков ла заго-| товки При штамповке
Отрезка . Некратиость Заусенцы и плёнки Клещевина Угар Прочие отходы
ГАЗ-51' .... 0,92 0,85 17,4 2,42 3,02 0,89 25,5 74,5 19,7 54,8 45,2 100
ЗИС-150 .... 1.4 2,0 17,0 4,3 2,5 0,8 29,2 70.8 21,8 49,0 51.0 100
ГАЗ-63 .... 0,8 1,3 13,6 1,8 2,7 0.94 21,2 78,2 26,7 52,1 47,9 100
Трактор ДТ-54 2,43 1,7 18,0 0,84 2,9 1,0 27,2 72,8 21,8 51,0 49,0 100
Трактор КД-35 0,14 0,4 12,6 4.0 2,2 0,5 20,4 79,6 29,6 50,0 50,0 100
Трактор У2 . . 0,9 2,2 18,4 1.5 1,6 0,6 25,4 74,6 23,6 51,0 49,0 100
для себестоимости часа работы, основного оборудования, для расходов на заработную плату производственных рабочих, двигательной энергии, текущего ремонта оборудования, амортизационных отчислений, затрат на штампы и др. Соответствующие данные можно найти в справочной и специальной литературе по экономическим вопросам. Если подобные нормативы составлены с учетом конкретных условии производства, то при использовании их можно получить весьма точные результаты. В некоторых отраслях промышленности машиностроения разрабатываются руководящие материалы, пригодные для непосредственного определения варианта технологии. В качестве примера приводится расчет, выполненный Л. А. Никольским и другими применительно к поковкам пяти групп сложности. В табл. 56, кроме примерной конфигурации поковок, дается их краткая характеристика.
В общем случае сравнительную себестоимость составляют исходя из конфигурации, массы, марки металла и величины программы выпуска поковок. Конфигурация поковок оценивается путем отнесения расчетной детали к одной из групп, приведенной в табл. 56. Для расчета себестоимости 1 кг деталей различных групп сложности (при программе 100 шт.) определен коэффициент S сложности конфигурации поковок, значение которого дано в табл. 56. Там же даны поправочные коэффициенты Z для деталей из кованых поковок.
586
Таблица 56
Характеристика поковок в зависимости от сложности их конфигурации
Группа сложности Характеристика групп поковок Типичные конфигурации поковок Коэффициенты
S z
I Типа тел вращения и близких к ним 1,0 0,57
II Плоские с небольшими выступами (накладки, уши и др.) Z "X (1 1,08 0,64
III IV С односторонними ребрами ' иГ II 1 г 1,15 0,71
Арматурные (тройники, угольники, корпуса, краны) * ЙЕд* 1,33 0,81
V Весьма сложной конфигурации 1 3,3 1,06
587
Для поковок группы сложности I из конструкционной стали определена себестоимость 1 кг деталей разной массы, изготовленных из штампованных поковок при п — 100 шт. (см. левую часть табл. 57).
Таблица '57
Расчетные данные для определения себестоимости деталей из штампованных стальных поковок
Зависимость
Себестоимость 1 кг себестоимости . Себестоимость 1 кг Зависимость себе-
деталей группы I к nvfi от величины программы деталей группы 1 в nv6. стоимости от величины программы
выпуска по- выпуска поковок
ковок
а
г Я О X о д к ta с ° а: д, й я
- к >.g г- ж СО п 3 CQ я р- *>» рп
2 сп сть ра з: »
то ТО S °-Я. 3 м=® $ ТО М 1мо ме. €4 Е 2 Я
Я с - U Я? Еы Ж „ =□ а с> 5СТО* грам шт. 2 * са к О. с £eS. то u
то Ф cig и а» £ с 85g. Мас : оо[ Q(iu '90 Я» Я е P и о
0,25—0,40 0,53 10 6,39 10,0—16,0 0,11 400 0,54 !
0,4—0,6 0,44 20 3,39 16,0—25,0 0,093 ] 000 0.45 j
0,6—1,0 0,36 40 1,89 25,0—40,0 0,077 1 600 0,43
1,0—1,6 0,29 60 1,39 40,0—60,0 0,064 2 500 0,41
1,6—2,5 0,24 80 1,14 60,0—100,0 0,053 4 000 0,40
2,5—4,0 0,20 100 1,0 100,0—160,0 0,043 6 300 0,40
4,0—6,0 0,17 140 0,82 160,0-250,0 0,035 10 000 0,39
6,0-10,0 0,14 200 0,69
Если потребное количество деталей больше или меньше 100 шт., то найденные значения себестоимости 1 кг деталей корректируются коэффициентом К„ (см. правую часть табл. 57). Расчет себестоимости сводится к перемножению найденных величин коэффициентов. Для деталей из штампованных поковок себестоимость определяется как произведение:
Сш (118)
где ц — себестоимость 1 кг деталей группы сложности I при п = 100 шт. в руб.;
Gd — масса механически обработанной детали в кг.
Соответственно при определении себестоимости детали из кованой поковки
c^dSZG^; (119)
в этом случае коэффициент К,п не учитывается, так как при ковке величина программы выпуска поковок не оказывает существенного влияния на себестоимость детали.
588
Сопоставление величии с„ и дает возможность выбрать наиболее экономически целесообразный вариант изготовления поковок в данных условиях производства.
На рис. 369 приведен график изменения себестоимости 1 кг деталей из конструкционной стали при единичном или мелко-
Программа Выпуска деталей
Рис. 369- График изменения себестоимости 1 кг деталей из конструкционной стали для производств с различной серийностью:
I—V — группы сложности- Условные обозначения: । —детали их штампованных поковок;---------детали из кованых поковок; — область серийного про-
изводства (штамповки);
— область мелкосерийнсагс» производства (ковки))
зависят от марки металла и сложности поковок. В табл. Заданы такие серийности для поковок из различных металлов.
Как видно из таблицы, наиболее дорогостоящие металлы (нержавеющие стали и титановые сплавы) имеют самые низкие критические серийности.
При крупносерийном производстве возникает необходимость в разделении годовой серии поковок на отдельные партии. Для кузнечно-штамповочных цехов целесообразнее изготовлять всю годовую серию поковок непрерывно — без разделения па партии.. С общезаводских позиций этого сделать нельзя вследствие замедления оборачиваемости средств, вложенных в металл, необ>-ходимости в годовом запасе металла на складах (вместо деухче-тырехнедельного) и в промежуточных складах для хранения
589
Таблица 58
Зависимость критических серийностей производства деталей от сложности поковок и материала деталей
Материал детали
Группа слож- Сталь углероди-
ПОСТИ поко- Сталь конструк- Нержавеющие Титановые
вок стая циониая стали сплавы
(по табл. 55)
Критическая серийность
400 350 66 37
п 290 250 55 32
ш 220 190 48 28
IV 165 150 40 26
V 96 00 30 17
полуфабриката и т. д. Обычно разбивка на партии согласуется с производительностью следующих по потоку цехов и со стойкостью штампов. Для небольших серий и мелких поковок допускают квартальные партии. Вообще же оптимальные партии должны рассчитываться исходя из экономической целесообразности подобно тому, как определяется минимальная серийность производства. Для кузнечно-штамповочных цехов удобно, когда величина партии поковок согласована с межремонтной стойкостью штампов. Тогда переналадка процесса происходит с минимальными потерями в производительности.
Один из наиболее ответственных экономических расчетов состоит в определении окупаемости дополнительных капиталовложений К1г р.2и т. д. по сравниваемым вариантам технологии. Капитальные затраты, связанные с внедрением новых технологических процессов или с их модернизацией, определяются объемом затрат на новое, дополнительное и реконструированное оборудование, штампы и приспособления. Дополнительные капиталовложения представляют собой разпость общих капиталовложений по сравниваемым вариантам, т. е. /<<? — Ki — К2- Величина дополнительных капиталовложений определяется как сумма новых капиталовложений (KJ и потерь, связанных с ликвидацией ненужного оборудования (Q,):
Ка - Кн + Q,,
& = Ка - (2Г - Р) ~ КЛ, (120)
где Кп — первоначальная стоимость снимаемого оборудования в руб-;
У Т — сумма произведенных амортизационных отчислений В руб.;
Р — затраты на капитальный ремонт за время эксплуатации снимаемого оборудования в руб.;
590
— стоимость снимаемого оборудования (по цене с учетом степени износа или по цене лома, если машины идут в переплав).
Эффективность использования дополнительных капиталовложений оценивается сравнением их с годовой экономией Э вследствие снижения себестоимости. Срок окупаемости определяется как отношение
О = (121)
Чем меньше срок окупаемости, тем эффективнее внедрение новых процессов (1—2 года считается вполне приемлемым сроком). Нередки случаи, когда срок окупаемости менее одного года.
ЛИТЕРАТУРА
t. Аристов В. М. Изготовление поковок в ковочных вальцах. «Прогрессивная технология кузнечно-штамповочного производства». М., Машгиз, 1953.
2. Бабенко В. А. и Шапошников Л. Е. Штамповка на кривошипных горяче-штамповочных прессах. Технологический справочник по ковке и объемной штамповке. М-, Машгиз, 1959
3. Валяемый И. М. Исследование уширения при раскатке поковок. «Кузнечно-штамповочное производство», 1961, Я? 2.
4. Бельский Е- И. и Казаченек В. И. Справочное пособие кузнеца-штамповщика. Минск, Госполитиздат, 1960.
5- Бережковский Д. И. Нагрев металла перед ковкой и штамповкой. М-, Машгиз, 1950-
_ 6- Березкин В- Г. Кузнечная вытяжка. под плоскими бойками. Сб. трудов МВТУ. ««Машины и технология обработки металлов давлением», 1955, № 40,
«резкий В. Г. и К л и м е н к о Н. П. Уширение после кантовки при вытяжке в вырезных и плоских бойках. — «Вестник машиностроения», 1960, № 10.
8. Богданов В. Н. и др Индукционный нагрев в кузнечном производстве. М-, Машгиз, 1956.
9. Б р ю х а н о в А. Н. Ковка и объемная штамповка. М., Машгиз, 1960.
10. Брюханов А. Н. и Ребельский А. В- Горячая штамповка. М., Машгиз, 1952.
II. Бялиовская В. С. Основные направления специализации кузнечного производства. М., Машгпз, 1961.
12. Г а н а г о О. А. в Тарковский И. Я. Безоблойная штамповка на молотах. Свердловск, Машгиз, 1955.
13. Г е н е р с о к И- Г. Влияние коэффициента укова при вытяжке на механические свойства поковок типа дисков. Сб- «Основные вопросы развития кузнечно-штамповочного производства». Труды Всесоюзного научно-технического совещания. (1956). М. 1958.
14. Г л у ш к о в В. Н- Кузнечно-штамповочный цех нового типа. Сб. «Прогрессивная технология горячей штамповки». М-, Машгиз, 1955.
15. Г о н ч а р о в М. А. Ковка крупных поковок. М., Машгиз, 1945.
16. Голубятников Н. К- и Прозоров Л. В. Ковка слитков без биллетирования. «Кузнечно-штамповочное производство», 1959, №11.
592
17. Г р о м И. К- Свободная ковка. М , Машгиз, 1955.
18. Губкин С. И. Пластическая деформация металлов, т. I—III. М., Металлургиздат, 1960.
'41 9- Д з у г у т о в М. Я- Внутренние разрывы при обработке металлов давлением. М., Мегаллургпздат, 1958.
20. Д и н И. М. Изготовление поковок на специальных машинах. М., Машгиз, 1958.
21. Д о р о х о в Н. Н. и Златкин М. Г. Технологические процессы ковки крупных поковок. М. — Свердловск, Машгиз, 1950.
22. Ж У Р а в л е в А. 3. Параметры бокового приемника (компенсатора) для штамповки осесимметричных деталей в закрытых штампах. «Кузнечно-штамповочное производство», 1960, № 6.
23. Залесский В. И. Оборудование кузнеч но-прессовых цехов. М.. Изд-во «Высшая школа», 1964.
24. 3 а л е с с к и й В. И. и Цибанова М. С. Исследование процесса глубокой прошивки. Сб- трудов МИС, As 31. М-, Металлургиздат, 1953.
25. Зимин А. И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. М., Машгиз, 1953.
26. Златкин М. Г. Определение размеров заготовок для поковок типа дисков. «Кузнечно-штамповочное производство», 1959, № 11.
27. 3 л а т к и н М. Г. и др. Справочник рабочего кузнечно-штамповочного производства. М., Машгиз, 1961.
28. И в а н о в К- Н- Удлиненные кузнечные слитки. Приложение к журналу «^таль». М., Металлургиздат, 1959.
(29 / И вапушкин П. Ф. Вытяжка между выпуклыми бойками. Сб. научных трудов Ждановского металлургического института, «Производство и обработка стали», вып. 5, 1960.
30. Камеиицер С. Е. и др. Экономика, организация и планирование промышленного предприятия. М., Господитиздат, 1961.
31. Камнев П. В. Горячая раскатка на специальных станках. М., /Машгиз, 1961.
32. Керле А. Ф. и Четвертаков И. Г. Штамповка поковок с глубокой прошивкой отверстий. М., Машгиз, 1953.
33. Ковка крупных поковок. Результаты исследования технологических режимов. Сб. под ред. Трубина В. Н. и Тарновского И. Я- М.—Свердловск, Машгиз, 1962-
34. KjJ н ь к о в А- С. Снижение припусков при штамповке поковок. М., Машгиз, 1961.
35. Кононенко В. Г. Обработка металлов взрывом. — «Кузнечноштамповочное производство», 1960, № 7.
36. Корнеев Н. И. и С к у г а р е в И. Г. Основы физико-химической теории обработки металлов давлением. М., Машгиз, 1960.
37. Ключников С. И- Повышение точности поковок. М., Машгиз, 1960.
38. Ключников С. И. Новое в технологии изготовления поковок. М., Машгиз, 1961.
39- К о п ы т о в В. Ф. и Сорокин П. В. Скоростной нагрев стали. Материалы по наладке кузнечных машин И печей. М., ОНТИ. 1937.
38 Я. М. Охрименко 5S7 о93
40, Кр ы м с к и й Н. И. Очистные операции в кузнечно-штамповочных цехах. М., Машгиз, 1960.
41. К узел ев М. Я- и Скворцов Л. А. Нагрев металла под ковку и штамповку в пламенных печах. М., Судпромгиз, 1960.
42. Куроедов В. А. Некоторые вопросы технологии нагрева слитков в пламенных печах. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1965, № 5.
43. Л е б е д е в Л. В. и Устюгов П. Л. Заварка внутренних дефектов при ковке крупных поковок. Сб № 5 «Ковка и термическая обработка. Уралмашзавод. М.—Свердловск, Машгиз, 1958.
44. Л и т в а к Л. К- Методика расчета размеров заготовок при штамповке на ГКМ и раскатке. ЦБТИ. М., Машгиз, 1955.
45. Л о ш к а р е в В- Ф. Производство стальных поковок. М., Металлург-издат, 1953.
46. Любви н В. И. Обработка деталей ротационным обжатием. М., Машгиз,^ 1959.
47. М а н а сев и ч А. Д. Физические основы напряженного состояния и прочности металлов. М., Машгиз, 1962.
48. М а н с у р о в А. М. Современные кузнечно-штамповочные цехи. М., Машгиз, 1959.
49. Мансуров А. М. Технология горячей штамповки. М., Машгиз, 1960.
50. Мартынов В. Н. Изготовление поковок и фасонных заготовок в ковочных вальцах. М., Машгиз, 1958.
51. А1 е ще р и н В. Т. Некоторые положения по штампосварным деталям. Сб. трудов Московского станкоинструментального института, «Оборудование и технология штамповки и ковки» № 3. М., Машгиз, 1955.
52. Мещерин В. Т. и др. Использование радиоактивных изотопов в кузнечно-штамповочном производстве. Сб. трудов Московского станкоинструментального института № 6. М., Машгиз, 1962.
53. М и х и н Т. А. Безоблойная штамповка поковок на молотах. Сб. ЛОНИТОМАШ, №31. Л.» Машгиз, 1952.
54. Мо ш и и н Е. Н. и Золотухин Н- М. Определение усилия осадки поковок. «Кузнечно-штамповочное производство», i960, № 6.
55. Нагрев крупных слитков Сб. ЦНИИТМАШ № 66. М., Машгиз, 1954.
56. Н о с к о в Б- А. Производство литых молотовых штампов. М., Машгиз, 1953.
57. Ну зо в А. Я- Стойкость я стоимость штампов при объемной штамповке.— «Кузнечно-штамповочное производство», 1961, № 12.
58. Охрименко Я. М. Закономерности бочкообразования при осадке. Научные доклады высшей школы. «Металлургия», 1958, № 3.
59. Охрименко Я- М. и Тюрин В. А. Влияние деформации и износа калибровочного инструмента на точность и чистоту поверхности поковок- — «Кузнечно-штамповочное производство», 1963, № 3-
60. Охрименко Я М. и Шибалов Н- С. Об изотермическом режиме ковки. —«Кузнечно-штамповочное производство», 1961, № 12.
61. Петров С. Н. Сопротивление ковкого металла, сжатого между двумя параллельными плоскостями. Записки горного института, 1914.
594
62. Павлов И. М. и др. Обработка металлов давлением. М., Метал-лургиздат, 1955.
63. По з д ее в А. А. Комплексное обобщение опыта новаторов в кузнечном цехе Уралмашзавода. Сб. «Ковка и штамповка». Обмен передовым опытом. М., Машгиз, 1954.
64. П о к р о в с к и й В. Б. Дозирование заготовок под штамповку весовым методом- Сб. Московского станкоинструментального института № 7 М., «Машиностроение», 1964.
65. Полонский М. В. Автоматизация ковочных прессов с помощью измерителя поковок с радиоизотопным датчиком СШТ-11. Сб. Московского станкоинструментального института Ns 7. М., «Машиностроение», 1964.
66. П р о з о р о в Л. В. Ковка высоколегированных сталей. Сб. ЛОНИТО-МАШ № 31. Л. Машгиз, 1952.
67. П р о з о р о в Л. В. Прессование стали. М., Машгиз, 1956.
68. Радюченко Ю. С. Ротационная ковка. М., Машгиз, 1962.
69. Р а с те г а е в М. В. К вопросу образования трещин при ковке малопластичных сплавов. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1959, № 11.
70. Р о г о в А. И. Расчет ширины ручьев молотовых штампов. — «Кузнечно-штамповочное производство». 1961, № 6.
71. Сахаров Г. С. и Бейлер С. Я. Исследование свойств различных смазок при горячей объемной штамповке металла. ИТЭИН. М., АН СССР, 1956.
72. С а х и о в с к и й М. А. Методика определения прогрессивных норм расхода металла на поковки. ИТЭИН, М., АН СССР, 1951.
73. С е в е р д е н к о В. П. и Макарович А. И. Распределение нормальных напряжений в полости кольцевых штампов, ИФЖ, т. 1, 1958, № 4.
74. Се не нов Е. И. Об очаге деформации при штамповке в открытых штампах. Сб. трудов МВТУ, № 40, М-, Машгиз, 1955.
75. С и д о р о в И- А. Нормализация технологической оснастки для обработки давлением, М., изд-во Госкомитета стандартов и измерительных приборов СССР, 1964.
76. С м и р и о в - А л я е в Г. А. О некоторых технологических задачах, решенных методами сопротивления материалов пластическим деформированием. Сб. ЛОНИТОМАШ №31. М-, Машгиз, 1952.
77. Современное состояние кузнечно-штамповочного производства. Коллектив советских и чехословацких авторов. Совместное издание. М., Машгиз, 1961.
78. С о к о л о в В. Н. Расчеты нагрева металла. М., Машгиз, 1955.
79. Справочник проектанта машиностроительных заводов М., Гостехиз-дат, 1946-
80. С т е п а и о в В. Н. Технология чеканки штампованных деталей, М-, Оборонгиз, 1954.
81. Сторожей М. В. К элементарной теории пластической деформации. — «Вестник машиностроения», 1948, № 5 и 9.
82. Сторожей М. В и Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М., изд-во «Высшая школа», 1963.
38» 595
83. Суровой Н. М. Использование тепла поковок в условиях автоматизированного производства Автоматизация технологических процессов, вып. 1 Изд-во АН СССР, 1960.
84. Тарковский И. Я. Формоизменение при пластической обработке металлов М-, Металлургиздат, 1954.
85. Тарковский И Я , Поздеев А. А. и Га наго О. А. Деформации и усилия при обработке металлов давлением. М., Машгиз, 1959.
86. Технологический справочник по ковке и объемной штамповке. Под ред. М. В. Сторожева. М., Машгиз, 1959.
87. Т о м л е и о в А. Д. Механика процессов обработки металлов давлением. М-, Машгиз, 1963.
88. Т о мл е в о в А. Д. Определение размеров конусных пуансонов при конструировании штампов для горячей высадки. — «Вестник машиностроения», 1950, № 7.
89. Т р а х т е н б е р г Б. Ф. Выбор температурного интервала ковки и штамповки углеродистых сталей. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1960, № 5.
90. У н к с о в Е. П. Инженерная теория пластичности. М., Машгиз, 1959.
91. Хржа невский С. Н. Проектирование кузнечных цехов М., Машгиз, 1949.
92. Целиков А. И. и др. О новом технологическом процессе производства заготовок полых вагопных осей. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1961, № 5.
93. Ц е л и к о в А. И. и др. Новые исследования поперечно-винтовой прокатки и внедрение ее в машиностроение. Сб. «Новые процессы обработки металлов давлением». Изд-во АН СССР, М. 1962.
94. Ц у к е р м а п М. Г. Основные направления в развитии технологии горячей штамповки. Сб- «Прогрессивная технология горячей штамповки». М., Машгиз, 1955.
95. Ч е р'н и ч е н к о В П. Штамповка на кривошипных ковочных прессах. М., Машгиз, 1953.
96. Ш а й о в и ч Л. Л. Специализация и кооперирование кузнечно-штамповочного производства. М.» Машгиз, 1962.
97. Ш а по ш н и к о в Д. Е. Изготовление поковок на горячештамповочных прессах. М., Машгиз, 1962.
98. 111 и б а л о в Н. С. и др. Исследование деформируемости хромоникелевого сплава. Изв. высших учебных заведений, «Черная металлургия», 1961, М5.
99. III и р я е в А. Ф. Опыты работы кузнечного цеха. М., Машгиз, 1953.’
100. Шофма и Л. А. Основы расчета процессов штамповки и прессова» ния. М-, Машгиз, 1961.
101. Ш о ф м а н Л. А. Элементы теории холодной штамповки. М., Обо-рокгиз, 1952.
102. Юречек Г. и Рихтер Г. Исследование процесса протяжки тяжелых поковок с предварительной осадкой слитка и без осадки. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1964, № 10.
596
103. 3 д у а р д о в М. С. и Эфрос М. М. Нагрев металла в пламенных печах и электронагревательных установках. М., Машгиз, 1958.
104. Dixon Е. О. Recent development in heavy closed die forging. «Machinery», London, 1951, vol. 78.
105. Kaessberg H- Gesenkschmieden von Stahl 11 Teil, Werkstatt. biicher fur Betriebsfachieute, Konstrukteure and Studierende Heft 58,2.Aufl, Berlin (Gottingen) Heidelberg, Springer, 1951
106. Kay R. R. No—draft forging urnkorks a bottleneck. «Iron Age», 1956, N 19.
107. К i n z 1 e O. Beitrag zum Stand unserer Erkentnisse Dber Kelt und Warmurnformung. «Microtecnic» 1958, N 6.
108. К i e n z 1 e O. und Spies K- Die Gestaltung der Zwischenformen fur Gesenkschmiedestiicke. Wt. u. Mb. Bb. 47 (1957) H. 4, S. 176/181.
109. Lange K. Gesenkschmieden von Stahl. Springer—Verlag, Berlin (Gott ingenf Heidelberg), 1958.
110. Mac—New T. Newest production techniques at Chevrolet’s Mona-wanda forge plant. «Automat. Ind.» 1956, N 2.
111. Najoks V„ Fab el D. Forging Handbook. Cleveland, 1953.
112. Schlegel W- Французский патент, кл. В23к, № 1.108.725.
113. Smart G. Design of drop forging dies. «Heat treating and Forging», 1937, v. XXIII, № 1, 2, 3.
114. Spenser L. Basic Forging Concepts. Steel processing, June, 1956
115. S p i e s K. Die Zwischenformen beim Gesenkschmieden und ihre Her-stellung durch Formwalzen, Diss. T. H. Hannover, 1957.
116. S t о d t A. Freiformschmiede, Springer—Verlag, Berlin, 1950
117. Turner D. D., Split. Die Forging solves a problem. Steel, November, 1956, 26.
118. Ver о t P. The continuous grain—flow process and its recent applications. Spec. Rep. Iron and Steel Inst , 1957, v. 60.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.......................................................... 3
Глава I. Кузнечно-штамповочное производство СССР................. 5
Глава II. Исходные материалы и их подготовка для ковки, штамповки 20
§ 1. Слитки, болванки, прутки................................... 20
§ 2. Разделка исходных материалов на заготовки.................. 27
§ 3. Точность разделки и отходы металла........................ 58
лава III. Общие вопросы технологии ковки, штамповки................ 60
§ 1. Показатели и коэффициенты деформации....................... 61
§ 2. Неравномерность деформации при ковке, штамповке......... 75
* Г л а в а IV. Термический режим ковки и штамповки................... 102
§ 1. Интервал ковочных температур.............................. 103
§ 2. Типы нагревательных устройств и способы нагрева металла 107
§ 3. Нагрев слитков............................................ 113
§ 4, Нагрев заготовок.......................................... 120
§ 5. Термический режим ковки и охлаждения металла.............. 132
§ 6. Согласование производительности нагревательного и ковочного оборудования.............................................. 140
Г л а в а V. Ковка прутковых заготовок, болванок и слитков (технология индивидуального и мелкосерийного производства поковок) .............................................................. 146
§ 1. Общие сведения о кузнечном производстве................... 146
§ 2. Кузнечные операции и применяемый инструмент............... 158
§ 3. Уковка при основных технологических операциях............. 223
§ 4. Содержание технологической разработки..................... 237
§ 5. Усовершенствованные технологические процессы ковки .... 255
Ковка на прессах........................................... 255
Ковка на молотах........................................... 271
Глава VI. Объемная штамповка (технология средне- и крупносерийного производства поковок) ........................................ 275
§ 1. Общие сведения о кузнечно-штамповочном производстве . . . 275
§ 2. Разновидности объемной штамповки.......................... 278
§ 3. Штамповка на молотах...................................... 285
§ 4. Штамповка на прессах..................................... 369
§ 5. Обрезные и просечные операции............................. 398
§ 6. Штамповка на горизонтально-ковочных машинах............... 413
§ 7. Штамповка выдавливанием и прошивкой....................... 448
§ 8. Содержание технологической разработки и выбор варианта штамповки ................................................... 473
598
Глава VII. Специализированное производство фасонных заготовок и поковок (технология крупносерийного и массового производства поковок)................................................ 499
§ 1. Специализация и рационализация подготовительных операций 501
§ 2. Специализация н рационализация окончательных операций. . 505
Глава VIII. Штамповка на оборудовании узкого назначения . . . . 515
§ 1. Гибка на бульдозерах................................ 515
§ 2. Вальцовка........................................... 523
§ 3. Раскатка... 533
§ 4. Ротационная ковка ........................................ 537
§ 5. Электровысадка...................................... 538
§ 6. Штамповка металла в период кристаллизации........... 539
Глава IX. Отделочные операции....................................... 541
§ 1. Правка поковок................................. . . 541
§ 2. Термическая обработка поковок............................. 542
§ 3. Очистка поковок от окалины................................ 543
§ 4. Калибровка поковок........................................ 544
Глава X. Штампы н их эксплуатация................................... 556
Глава XI. Экономическое обоснование способа производства поковок 573
Литература.......................................................... 592
Яков Михайлович О х р и м е н к о Технология кузкечно- штамповочного производства
Технический редактор Н. Ф. Демкина Корректор А. П. Озерова
Переплет художника А. Д. Михайлова
Сдано в производство 19/VIII 1965 г.
Подписано к печати 15/V1 1966 г. Т-08820
Тираж 16000 SK3. Печ. л. 37,75 (1 вкл.).
Бум л. 18,88 Уч.-изд. л. 38 Темн.чан 1966 г.. №38
Формат 60 X 90*/1,. Цена 1 р. 52 к. Зак. № 597
Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ»,
Москва, Б-66. 1-й Басманный пер., 3
Ленинградская типография № 6 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР Ленинград, ул. Моисеенко, 10
ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ
Страница Строка Напечатано Должно быть
168 8-я сверху предложить предположить
197 Подрисуночная подпись к рис. 105 по табл. 27 по табл. 26
197 . 4-я снизу штриховые линии тонкие линии
199 9-я сверху табл. 28 табл. 27
212 3-я сверху рис. 105 рис. 112
Я. М. Охрименко. Зак. 597.