ФАКТОРЫ РЕЖИМА ДЕФОРМИРОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен процесс биллетировки предшествующей операции осадки заготовки для штампа. Влияние инструмента и рассмотренных технологических параметров на напряженно-деформированное состояние в металле при ковке слитков. Капитальный ремонт штампов.

ABSTRACT

The article considers the process of billeting the previous operation of upsetting a workpiece for a stamp. Influence of the tool and considered technological parameters on the stress-strain state in the metal during forging ingots. Overhaul of stamps.

Ключевые слова: штамп, слиток, пресс, поковка, заготовка, проковка.

Keywords: stamp, ingot, press, forging, billet, forging.

Основную долю металла для машиностроения деформируют в нагретом состоянии. В кузнечно – прессовые цехи, как правило, слитки поступают из сталеплавильного цеха при температуре их поверхности не ниже 650⁰С. В большинстве процессов горячей обработки металлов давлением предусматривают равномерный нагрев слитков и заготовок, что достигают за счет выдержки при температуре нагрева. Технологически допустимым перепадом температуры по сечению слитка считают 50-100⁰С для конструкционных углеродистых и легированных сталей и 30-40⁰С для сталей высокоуглеродистых и высоколегированных. Изменение свойств пластичности в интервале температур 1100-1200⁰С для сталей названных классов практически ничтожно, т.е. технологически допустимый температурный перепад обеспечивает равномерное сопротивление деформации металла по сечению заготовки.

При первом нагреве металла температуру ограничивают с целью предотвращения пережога и назначают на 150-200⁰С ниже линии солидуса по диаграмме железо – углерод. Заканчивают деформирование при температуре не выше Ас₃ +(20 ÷ 80⁰С). Температуру нагрева металла назначают в зависимости от величины накопленной деформации, а минимальную деформацию устанавливают в зависимости от температуры рекристаллизации. Термомеханические условия деформации определяют размер зерна стали, являющейся одной из важнейших характеристик качества деформированных изделий. При малых деформациях на отделочных операциях металл нагревают до невысокой температуры (900-1050⁰С), чем обеспечивают незначительный рост зерна при нагреве. Но если на последней операции деформирования предусмотрена уковка не менее 1,5 , то температуру нагрева можно назначить до 1200⁰С. Исследованиями было показано, что для большинства углеродистых и конструкционных сталей допустим нагрев до 1200-1250⁰С даже без последующей деформации, если заготовки потом подвергают термообработке с перекристаллизацией.

С точки зрения проковки металла операция биллетировки наименее производительна, и для ее выполнения обычно необходим нагрев слитка. Принято считать, что биллетировка слитков способствует заварке газовых пузырей и других подкорковых дефектов слитка, созданию пластичного поверхностного слоя металла, благоприятно влияющего на дальнейшее протекание ковки и в особенности операции осадки. При неудовлетворительном качестве поверхности стальных слитков операция биллетировки обязательна, независимо от марки стали, как важнейший фактор предупреждения развития пороков в крупные поверхностные дефекты. На некоторых заводах можно наблюдать осадку небиллетированных слитков, в основном из углеродистых сталей. Устранение биллетировки позволяет увеличить производительность ковки на 10%. Исследования и заводской опыт показали, что биллетировка – операция необходимая.[1]

Биллетировка предществует операции осадки. Применение осадки в качестве промежуточной операции в процессе изготовления поковок вызвано, что только протяжкой слитка с небольшим уковом нельзя обеспечить высокий уровень механических свойств металла, так же как нельзя получить поковки, размер сечения которых больше сечения слитка. Существует мнение, что осадка способствует улучшению качества поковки, размер сечения которых больше сечения слитка. Существует мнение, что осадка способствует улучшению качества поковок, повышению пластичности и вязкости металла в результате раздробления литой структуры, измельчения дендритов. В связи с этим при изготовлении особо ответственных поковок, к механическим свойствам которых предъявляют повышенные требования, нередко применяют две или даже три промежуточные осадки.

Осадку считают основной операцией, во время которой обеспечивают заковку внутренних несплошностей. Принято считать, что закрытие дефектов происходит при осадке на 50% и более. Однако при этом имеет значение соотношение размеров заготовки. Если осадку заканчивают при отношении H/D >1, то повышение плотности металла и заваривание внутренних дефектов происходят не полностью.

Осадка необходима в том случае, когда у металла поковки требуются повышенные свойства в поперечно-ориентированных образцах. Но следует иметь в виду, что осадка может быть лишней, а иногда и вредней операцией. Применение осадки связано со значительным увеличением трудоемкости, снижением производительности и увеличением мощности оборудования. В связи с этим осадку в качестве промежуточной операции (в целях повышения пластичности и вязкости металла) целесообразно применять тогда, когда для поковки не обеспечивается уковка, равная 2.

Закрытие внутренних дефектов слитка при осадке значительно зависит от схемы напряженно-деформированного состояния, а также от распределения потоков металла, особенно в месте расположения дефекта. Для свободной ковки наиболее характерна осадка слитков с H/D=1,5÷2,6. В этом диапазоне размеров H/D неравномерность деформации, обусловленная также трением на контактных поверхностях и формой осадочных плит, увеличивается по мере уменьшение отношения H/D. Влияние степени осадка на распределение деформации поэтому также связано с сопутствующим изменением соотношения размеров H/D.

По мере осадки наиболее интенсивно металл деформируется лишь в средней зоне, составляющей не более 30% высоты заготовки. В тоже время в приконтактных зонах деформация металла значительно меньше. В соответствии с распределением деформацией происходит и закрытие дефектов. Для закрытия крупных дефектов при осадке достаточна уковка 3, но необходимо, чтобы соотношение размеров заготовки было более 4, так как несплошности в при контактных зонах не устраняются даже при уковке, разной 3. Применение осадки большой степени как промежуточной операции может отрицательно сказаться на качестве поковок, так как с ростом диаметра осаженного блока уменьшается величина относительной подачи при последующей протяжке и в осевой зоне заготовки могут появиться растягивающие напряжения. В процессе осадки внутренние слои металла испытывают неравномерное объемное сжатие, а вблизи боковой поверхности появляются растягивающие напряжения, причем наряду с тангенциальными растягивающими напряжениями действуют и радиальные напряжения того же знака.

Многочисленные промышленные эксперименты показывают, что применение промежуточной осадки для повышения механических свойств на поковках типа валов нецелесообразно, если при последующей протяжке может быть получена уковка не менее 2,5, так как она обеспечивает примерно такие же свойства на образцах, ориентированных в продольном и поперечном направлениях, как уковка 4-5 при протяжке осаженного блока. Кроме того, увеличение уковки после осадки даже повышает склонность стали к шиферному излому.

Если биллетировка и осадка являются вспомогательными и промежуточными операциями при изготовлении поковок типа валов, то протяжка служит основной операцией. В отличие от осадки, то протяжка служит основной операцией. В отличие от осадки, осуществляемой при полном перекрытии заготовки инструментом, протяжка состоит из некоторого числа чередующихся единичных обжатий и кантовок при наличии одной или двух внешних необжимаемых зон.

Существенное влияние на распределение напряжений и деформацией в поковке при протяжке оказывает форму деформирующего инструмента и технологический режим ковки. К технологическим параметрам ковки относят единичное обжатие, относительную подачу; схема ковки включает последовательность и чередование обжатий и углов кантовки.

Напряженно-деформированное состояние металла при протяжке в значительной мере зависит от относительной подачи. Например, при малых подачах (0,2-0,4) в осевой зоне заготовки действуют продольные растягивающие напряжения. При этом существует возможность образования поперечных трещин. Результаты исследований и производственных наблюдений ковки слитков массой 75-100 т показали, что после ковки протяжкой с подачами 0,30-0,45 в осевой зоне поковок всегда обнаруживали трещины методом ультразвукового контроля.

На некоторых этапах протяжки относительные подачи в указанных выше пределах не всегда выполнимы. Это объясняется тем, что при осадке крупных слитков диаметр бочки иногда достигает размеров в 3-4 раза больших ширины бойков пресса, и при первых проходах такого осаженного слитка относительная подача составляет 0,2-0,3. В связи с этим приходится увеличивать ширину бойков для ковки крупных поковок с целью лучшей заковки несплошностей  и проработки металла осевой зоны слитка.

При ковке квадратной заготовки плоскими бойками величина обжатия мало влияет на напряженно-деформированное состояние вследствие малого изменения контактной поверхности при ковке. При обжатии круглой заготовки плоскими бойками ширина контакта бойков с заготовкой изменяется значительно, что сказывается на распределении деформаций и напряжений; величина обжатия при ковке круглой заготовки в комбинированных и вырезных бойках также имеет большое значение.

Достижение заданного распределения деформаций и создание благоприятных условий для интенсивной проработки металла осевой зоны слитка зависят от режима ковки. По оси поковки деформация достигает наибольшей величины посредине подач и наименьшей – на стыках подач. Увеличение числа проходов со смещением границ подач в смежных проходах способствует выравниванию деформаций по длине поковки, так как зоны интенсивной и затрудненной деформации при каждом последующем проходе меняются местами. Хорошая проработка осевой зоны поковки обеспечивается при протяжке по схемам круг-квадрат-квадрат-круг или круг –пластина –пластина-круг.

Важным технологическим параметром является угол кантовки между обжатиями. При ковке в комбинированных и вырезных бойках этот параметр один из основных, влияющих на производительность процесса протяжки. Наряду с удовлетворительной производительностью для обеспечения хорошей прокатки металла в осевой зоне рекомендуют угол кантовки 90⁰ в бойках с углом выреза 100⁰ .

Особое место в кузнечной практике отведено параметрам инструмента. При установлении типа и формы требуемых бойков учитывают интенсивность протяжки, возможность обеспечения заданной деформации и схемы объемного напряженного состояния сжатия.

Напряженно-деформированное состояние металла заготовки зависит, точнее, от взаимного сочетания параметров бойков и конфигурации заготовки. При ковке бойками, которые с начального момента деформирования создают контакт по максимальной части периметра поперечного сечения заготовки, действуют напряжения всестороннего сжатия. Минимальная поверхность контакта имеет место у плоских бойков с круглой заготовкой. При ковке круглой заготовки плоскими бойками по схеме круг-круг в осевой зоне возникают растягивающие напряжения, являющиеся одной из причин трещинообразования.

В промышленности получили широкое применение бойки с углом выреза 105-120⁰. Соотношение между радиусом сечения заготовки и радиусом выреза бойка в большей степени влияет на распределение деформаций в объеме поковки и в меньшей – на напряженное состояние. При ковке в ромбических бойках лучше прорабатываются поверхностные слои поковки, а при ковке овальными вырезными бойками наиболее эффективная проработка металла происходит в осевой зоне.

В условиях единичного и мелкосерийного производства область применения ромбических и тем более овальных вырезных бойков ограничено из-за необходимости частой их замены в процессе ковки. Поэтому протяжку слитков ведут, как правило, в комбинированных бойках как наиболее универсальных и удобных в эксплуатации.

Напряженно-деформированное состояние и вероятность разрушения металла при ковке в этих бойках определяются углом выреза нижнего бойка, величиной относительной подачи, обжатием за ход процесса и углом кантовки.

Угол выреза нижнего бойка рекомендуется выбирать в интервале 100-135⁰. С увеличением угла выреза нижнего бойка повышается возможная величина уковки в данных бойках, однако при этом возрастает вероятность появления в осевой зоне заготовки растягивающих напряжений.

Влияние инструмента и рассмотренных технологических параметров на напряженно-деформированное состояние в металле при ковке слитков, имеющих традиционное восьмигранное сечение, можно считать доминирующим.

Список литературы:

1. Кобелев А. Г. Теория и технология процессов ковки и прессования. Составление чертежа поковки и разработка технологии ковки: учеб.- метод. пособие / А. Г. Кобелев, М. А. Шаронов, Ю. М. Антощенков. – М. : МИСиС, 2002. – 64 с.
2. Семёнов Е. И. Технология и оборудование ковки и объемной штамповки /. В. Г. Кондратенко, Н. И. Ляпунов. – М.: Машиностроение, 1978. – 311 с.