Реферат: Специальная ковка

Специальная ковка




г з ^ s

Рис. 2.3. Усовершенствование формы поперечного сечения слитка:

1 — восьмигранная заготовка; 2—5 — трехлепестковая заготовка соответственно с от* ношением d/R = 1: 0,75; 0,6; 0,37 (d — толщина выступа, R — радиус кривизны вогну­той грани)

Поскольку любой кузнечный слиток в той или иной степени обладает несовершенствами стального слитка, а в процессе ковки удается в большинстве случаев уменьшить их или устранить со­всем, то целесообразно было бы конфигурацию слитка констру­ировать, принимая во внимание схему течения металла в началь­ных операциях ковки. Успешная ликвидация несовершенств литого металла в начале кузнечного процесса оправдает возмож­ное удорожание изложницы. Конфигурация кузнечного слитка в данном случае играет роль геометрического параметра в обеспе­чении -заданной неравномерности деформации в поковке.

Недостаток применяемых в настоящее время кузнечных слит­ков состоит в потребности больших уковок для проработки осевой зоны. Для увеличения деформаций металла в осевой зоне при­меняют специальный кузнечный инструмент (например, вырезные бойки), усложняют технологический процесс ковки (вводят опе­рацию осадки) или используют слитки большей массы (чтобы полу­чить требуемое сечение при больших уковках). При этом на пер­вых операциях ковки возможно разрыхление осевой зоны за­готовки.

Один из вариантов усовершенствования формы слитка приме­нительно к особенностям неравномерного течений металла при ковке показан на рис. 2.3. При обжатии в начальный момент элементы, образующие лепестки слитка, принудительно пере­мещаются к центру сечения (оси) слитка; наибольшая деформация сосредотачивается в осевой зоне. •'-

Поперечное сечение заготовки после начального обжатия сохраняет принципиальную структуру — чередующиеся элементы массированного сосредоточения металла и участки с пониженным сопротивлением деформации. Обжатия повторяют после кантовки на угол, равный углу между осями симметрии в поперечном сече­нии заготовки. Общий уков после этих операций ковки небольшой. Затем следуют операции кузнечного процесса для получения окон­чательной формы поковки, которые проходят при уже прокован­ной осевой зоне слитка.

В зависимости от производственной необходимости (марки стали, формы поковки, операций отрубки) такой слиток можно ковать различными бойками.




Рис. 2.4. Параметры построения контура поперечного сечения трехлепесткового слитка (спра­ва—традиционный восьмигран­ный контур):

Dfi — диаметр описанной окружно­сти; Dpn—средний диаметр слитка {dq= 0,8Ј)o);0g—диаметр вогну­тости слитка (Dg== 0,6300); R,Ri, Ri — радиусы кривизны слитка (^i=0,350e, Ri^O. 40,)-, г,, Гг — радиусы скруглений (г, = 0,080а, г,=0,04Ј)о); Ci, С,—ширина лепест-ков.слитка (0,^0,4700, Ci==0,25Do)


Рис. 2.5. Распределение деформаций в по­перечном сечении заготовокпри уковке 1,2: Позиции'7-5 — см. рис. 2.3
Для решения вопроса об эффективности сконструированных контуров трехлепестковых слитков проводят контрольные обжа­тия в комбинированных бойках (верхний — плоский, нижний — вырезной с углом выреза 135"). Угол выреза выбирают, исходя из угла при вершине лепестка слитка, составляющего 135°. Для сравнения в серию опытов включают обычный восьмигранный слиток и исследуют распределение деформаций в поперечном се­чении.



Одним лепестком слиток устанавливают в нижний вырезной боек, а два других его лепестка контактируют с верхним плоским. Обжатие составляет 5—10 %; после каждого, обжатия заготовку кантуют на 120° (угол, равный углу между осями симметрии за­готовки) таким образом, чтобы один из выступов всегда находился в вырезе нижнего бойка, а противолежащая ему вогнутая грань — под верхним плоским бойком. Все заготовки обжимают до уковки по сечению 1,2, что соответ­ствует уковке при операции биллетировки.

Местную деформацию в поперечном сечении заготов­ки изучают методом коорди­натных ячеек и оценивают логарифмическим коэффи­циентом деформации е == = In (So/S,), где 50 и sk— соответственно площади ис­ходной и конечной коорди­натных ячеек. На основании полученных данных строят график зависимости распре­деления деформаций (рис. 2.5) по сечению откованных че­тырех различных заготовок 2, 3, 4 и 5. Из заготовок 4 и 5 не удается получить круг­лую поковку без поверхно-

39




Рис. 2.6. Влияние формы инструмента на рас­пределение деформаций ^поперечном сечении трехлепестковой заготовки при уковке 1,2
стных зажимов в области больших вогнутых граней. ^^ Наилучшие результаты по "^^° величине деформации в ^^ центре поперечного сече-г^""" ния (0,52 при среднем ло-^0^ гарифмическом коэффи-'^^ циенте .уковки 0,18) при ^^^, получении круглой поков-^—^ ^0^ ки без, поверхностных за­жимов) показала заготов­ка 3. У заготовок 2,4 ц 5 отмечено уменьшение де­формации в центральной зоне по сравнению с уча­стками, расположенными на расстоянии ^/gR от по­верхности. У заготовки 2 это объясняется тем. что

ввиду большого отношения ^ширины лепестка к радиусу больших вогнутых граней {d/R==l) площадь центральной части заготовки, расположенная между этими гранями, значительно превышает площадь лепестков. Так как среднее обжатие невелико (е==0,18), то деформации локализуются на расстоянии "/gR от поверхности.

У заготовок 4 и 5 с. отношением d/R, равным соответственно 0,5 и 0,37, площади лепестков превосходят площадь центральной части заготовок, но на начальной стадии обжатия ввиду незначи­тельной ширины лепестков деформация локализуется на поверх­ности до тех пор, пока сопротивление деформации лепестков не превысит сопротивление деформации центральной части за­готовки. К этому моменту большие вогнутые грани изменят свою первоначальную конфигурацию с образованием трех зажимов на поверхности заготовки.

• У заготовки 3 отношение ширины лепестка к радиусу боль­ших вогнутых граней, равное 0,75, являются оптимальным с точ­ки зрения сосредоточения деформации в. осевой зоне поковки при малых обжатияхх, при которых у заготовок других форм максимальная деформация не достигает центра сечения.

На рис. 2.4 представлены параметры оптимальной формы трехлепесткового слитка в сравнении с параметрами восьмигран­ного слитка равновеликого сечения.

^ Отработка режимов обжатия. Представляет интерес изучение влияния формы инструмента на распределение деформаций по сечению поковок, откованных из трехлепестковой заготовки 3 (см. рис. 2.3). В качестве деформирующего инструмента широко применяют распространенные комбинированные бойки (с углом выреза 90, 110, 120 и 135°), плоские, а также вырезные (верхний с углом выреза 135° и нижний 110°). Заготовки обжимали со сред-



Образование зажимов и каче­ство поверхности поковок, а также распределение деформаций в се­чении зависят не только от еди­ничных обжатий, но и от суммар­ной уковки. В связи с этим серию заготовок обжимали с уковкой 1,2; 1,5; 2,0 в комбинированных бойках с углом выреза нижнего бойка 135°.

Рис. 2.7. Распределение местных де­формаций по сечению заготовок п зависимости от обжатия:

/— е == 5 %; 2— к = 10 %; 3-е— -- 15 %

Графики распределения дефор­маций, выраженных логарифми­ческим коэффициентом уковки (рис. 2.8), подтверждают преиму­щество трехлепестковой заготов­ки. Уже на заготовительной опе­рации ковки (биллетировки), когда уковка по сечению не превышает

1,2, у трехлепестковой заготовки осевая зона получает дефор­мацию большую, чем поверхностные слои, в то время как у восьмигранной заготовки деформации распространились в осе­вую зону меньше. Логарифмический коэффициент уковки в осевой зоне поковки, откованной из трехлепестковой заготовки (0,52), в 3 раза больше, чем у поковки, откованной из восьмигранной заготовки (0,17). Полученный эффект повышенной деформации осевой зоны у трехлепестковой заготовки по сравнению с восьми­гранной сохраняется и на последующих стадиях ковки. Так, при средней уковке по сечению 1,5 осевая зона трехлепестковой за-


е^ ^к 1,0 ",•>































^ ^




^







У/^^л \^^^А ^^) у^) ^s^ ^^^ о—о Д—Д и




у




У










К




L v




^ о-о

r ^

^

^




д ^




^

h



















e-^

"K 1,0

R 0,SR 0 0,5R R R 0,5R 0 0,5R R R 0,5R 0 0,5R R 4) 5) В)

Рис. 2.8. Влияние формы исходных заготовок на распределение местных дефор­маций по сечению при уковках 1,2 (я); 1,5 (б) и 2,0 (б)



Рис. 4.10. Схема вырезки испытуемых образцов:

а — ориентация образцов в диске-темплете (<х, V — углы наклона оси образцов к ра­диусу R заготовки в поперечной и продольной плоскостях); б — ориентация продольных пластин относительно оси заготовки; 1—4 — продольные пластины

стых схем течения—при осадке и протяжке плоскими бойками — служат исходными данными для построения схем течения металла в кузнечных процессах. Количественно оценить эффективность той или иной схемы течения металла помогают испытания механи­ческих свойств образцов, ориентированных в различных направ­лениях.

Схема вырезки испытуемых образцов (рис. 4.10) дает возмож­ность использовать аппарат математической статистики для объективной оценки свойств металла по малым выборкам.

Для этого требуется выяснить вид поверхности, на которой лежат концы радиус-векторов механических свойств металла (например, ^).

.Уравнение поверхности II порядка общего вида запишем в виде аи^ + а^ху + a^xz + а^х + а^у" + а^уг + а^у + а^ +

+ W + аи --= 0.

Минимум среднеквадратичной ошибки приближает заданную со­вокупность экспериментальных данных путем нахождения коэф­фициентов уравнения. Для определенности предполагается ац == = 1. Для описания вероятных значений а.ц определяют минимум функционала

Ф==Ј^(^к.^к,2к).


ошибка для к-го набора эксперименталь-

где ^ (^А) ных данных. 70


В точке минимума функционала Ф

дФ

„—-О-дац

^ -О-даш ~ "'

аФ _„ ^-"

или в развернутом виде

^- ^ S х^^ц + И ^г/кй^ + ^ ^^^018 + Odii к к к

+ Ј 4^aii + S xlyla^ + S ^г/^кйгз + S ^г/кйг^ + к к к к

+ S4^3+ S 4^34+ S 4-1 = О;

к к к

^- •== Ј x^ylaii + S yix^a^ + S У^х^и + 0022 к к к

+ S yl^U + S ^^^22 + S yiy«W3 + ^ г/^кйм + к к к к

+ S У^а-зз + S ^кйз1 +S ^' 1 = О

В данном случае получается система из девяти уравнений отно­сительно девяти неизвестных йц, а^, ..., ащ, решение которой, если оно существует и является единственным, отвечает постав­ленным условиям.

Полученные коэффициенты йц определяют поверхность II по­рядка. Для установления вида этой поверхности вычисляют 1, II и III инварианты.

Если знать уравнения поверхностей механических свойств металла поковок, то можно вычислить значения механических свойств в любом желаемом направлении, оценить анизотропию и установить влияние сочетания простых схем течения. Например, три слитка массой 2,5 т из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т отковали по идентичной технологии с целью анализа свойств по трем стадиям: 1) после биллетировки; 2) после биллетировки и осадки; 3) после биллетировки, осадки, прошивки и раскатки.





"=Vmax'7S%

'Я=^ш=7!% «) I

"ис. 4.11. Поверхности механических свойств металла:

— после биллетировки: б — после биллетировки и осадки; в — после биллетиро^ садки и раскатки; /—III — проекции поверхностей '

Из сопоставления полученных поверхностей свойств пласт^ юсти металла (рис. 4.11) можно сделать следующие выво^

1) максимальные свойства пластичности получены у сбил1 'ированной поковки на осевых образцах (^ == 75 %) и минима* ibie —на радиальных Сф = 50%);

2) максимальные свойства пластичности у осаженной поког юлучены на радиальных образцах (ф = 64 %);

3) у поковки, подвергавшейся операции раскатки, максима. (не свойства пластичности получены на тангенциальных образ1 ф == 65 %) и минимальные —на осевых (ф == 35 %).

Дальнейший анализ формы трех поверхностей убеждает в том, что для повышения механических свойств металла целесообразно снизить степень осадки, а для операции раскатки обеспечить усло­вия ковки без действия растягивающих напряжений.

^ Увеличение выхода годного. Дальнейший рост мощности круп­ных машин ответственного назначения вызвал необходимость увеличения массы слитков для получения соответствующих по­ковок. Однако с увеличением массы слитка в значительной мере снижается его качество. В связи с этим повышение выхода год­ного с целью увеличения массы поковок становится одной из первоочередных задач ковки для машиностроения.

Типичная технологическая схема ковки колонны пресса из слитка массой 242 т, принятая в Чехословакии, позволяет полу­чить поковку массой 140 т, т. е. выход годного составляет 58 %. Однако этот технологический процесс не включает операцию осадки, которая предусматривается для поковок ответственного назна­чения.

По зарубежным данным, при ковке заготовок валов турбоге­нераторов из слитка массой 45 т выход годного составил 48 %. Эта цифра соответствует уровню использования металла при ковке подобных поковок и может считаться типичной для тех­нологических процессов ковки изделий ответственного назна­чения.

Применяя новые, усовершенствованные способы ковки, удается снизить трудоемкость производства поковок, не ухудшая качество готовой продукции. Но даже при относительно совершенных ре­жимах деформации второстепенные операции лимитируют повы­шение выхода годного.

Однако выход годного можно повысить и за счет улучшения самого слитка. Так, во Франции при ковке вала ротора тихоход­ной турбины из двадцатичетырехгранного слитка массой 190 т из вакуумированной стали удалось довести выход годного до 60 %. Положительный результат достигнут за счет применения слитка более высокого качества и приближения его формы к форме сбиллетированной поковки (двадцатичетырехгранный слиток вме­сто традиционного восьмигранного). Это мероприятие позволило сократить время биллетировки слитка и соответствующего нагрева после него. Отходы при рубке с донной части составили 14 %, с прибыльной —18 % и потери на угар —7,7 %.

Этот результат остается непревзойденным в зарубежной прокатке. Но вакуумированный металл обеспечивает потенциаль­ную возможность дальнейшего увеличения коэффициента исполь­зования металла. Учитывая, что в донной части металл вакууми-рованного слитка обладает лучшим качеством по сравнению с подприбыльным металлом и подвергается большей уковке, целесо­образно использовать его полностью, удалив лишь кюмпельную часть, а прибыль слитка применять для цапфы под патрон про­тивовеса. Поэтому при условии обеспечения достаточной прора-

75

ботки подприбыльной части слитка массу годной поковки можно довести до массы корпуса слитка за вычетом угара металла при нагреве и обсечки при рубке.

^ 4.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ БОЙКОВ

Основное назначение кузнечного инструмента — полу­чение поковок заданной формы^а^также обеспечение требуемой схемы напряженно-деформированного состояния в обрабатывае­мом металле.

На плоских бойках, варьируя величиной подач и углами кантовок, получают большинство конфигураций, встречающихся при изготовлении поковок средней сложности формы. Для того чтобы повлиять на напряженно-деформированное состояние ме­талла, изменяют величину подачи или ширину плоского бойка (узкие бойки — для преимущественной продольной деформации при протяжке на оправке или раскатке). С целью ограничения уширения, а также достижения более ярко выраженного трех­осного неравномерного сжатия применяют так называемые вырез­ные и комбинированные (нижний — вырезной, верхний — пло­ский) бойки с продольным по отношению к оси заготовки распо­ложением выреза. Такие бойки имеют большое число разновид­ностей по углу выреза (чаще всего от 90, 105, 110, 120, 135°) и по радиусу /-в скругления выреза, с зазором между заготовкой и вер­шиной выреза в пределах различного угла охвата у и без указан­ного зазора. Связь углов охвата у и выреза (3 для бойков всех видов определяется следующими тригонометрическими соотно­шениями: sin Р ^ cosy; р^+ у =^ п.

Таким образом, чем больше угол выреза, тем меньше угол охвата данной заготовки. Наибольшая глубина выреза ha при Гв == 0:

h» - R^/sln -I- - R^cos -^,

где R^ — радиус откованной заготовки.

При Гц <: 0 наибольшая глубина выреза (когда центр скруг­ления выреза находится на окружности прокованной заготовки ^ Rg)

h'B = Rg/sin -I- — Гв/sin -^ + /-в.

При Гв == R»

/is - R,-

Наибольшая глубина выреза зависит от величин j3 и Рц (с уве­личением р и Rg глубина выреза уменьшается). Глубина выреза, рассчитанная по размеру заготовки в конце протяжки R^, опре­деляет возможную величину обжатия при ковке данными бой-

76

ками. Если принять, что размер исходной заготовки не может превысить ширину выреза Ь'в <: 2/ia tg Р/2, то наибольшая воз­можная уковка в вырезных бойках определится из соотношения

^пр ^ ^ Rl/Ri ^ (^ tg^ ^sin^) ^ l/cos^-I-.

При p = 90 -120° Кпр = 2—4.

Общее правило состоит в том, что чем больше угол выреза, тем больше возможна, уковка^ в^данных^бойках. В этом_заключается преимущество бойков с большим^углом выреза.

В случае применения комбинированных бойков рабочее про­странство их увеличивается как в результате возрастания глу­бины, так и вследствие увеличения ширины выреза. Наибольшая глубина выреза комбинированных бойков повышается относи­тельно вырезных на величину Rn, тогда ha = rr/sui (Р/2) + + Рк — Гв/sin (p/2) + Гв. При Гв — rk h'B =- 2Рк. Пропор­ционально увеличивается и ширина выреза, поскольку ив = 2/1д Х х tg р/2. Аналогичный расчет для комбинированных бойков показывает большие значения уковки. При ' (3 — 90° К'чу = 5,8, а при Р — 120° K.np =- 13,0, что примерно в 3 раза больше, чем для вырезных бойков. Таким образом, наибольшую уковку ме­талла можно произвести в комбинированных бойках с большим углом выреза; вырезные бойки с небольшим углом выреза в этом отношении невыгодные, так как обладают меньшими возможно­стями для проковки металла.

Углы охвата и выреза используются для расчета обжатий, анализа распределения деформаций по сечению (формы и очерта­ния очага деформации и жестких зон), а также характера напря­женного состояния металла; угол охвата обычно является вели­чиной расчетной для определения угла кантовки. При угле кан­товки, меньшем угла охвата, каждое следующее обжатие пере­крывает предыдущее. Чем больше угол выреза бойков, тем меньше угол охвата, и поэтому пропорционально уменьшается угол кан­товки. Таким образом, с увеличением угла выреза число обжатий заготовки для каждого перехода увеличивается, а производитель­ность работы уменьшается. В процессе ковки-протяжки по мере уменьшения диаметра поковки производят смену бойков (или вкладышей) для изменения угла выреза, необходимого для обеспе­чения интенсивной вытяжки и оптимальной схемы напряженно-деформированного состояния металла. Если применять бойки, позволяющие изменять угол выреза в процессе ковки, то не только устраняются потери времени на смену инструмента, но становятся ненужными дополнительные вкладыши с различными углами выреза—экономится штампован сталь, появляется возможность использования более дорогостоящей стали с лучшими свойствами.

Анализ условий деформирования металла кузнечным инстру­ментом позволил установить третье весьма важное качество куз­нечного инструмента, связанное с возможностью интенсифици-77



Рис. 4.12. Рельефный ин­струмент для ковки

кации проковки металла. Рассмотрим этот вопрос более подробно. При деформиро­вании металла по любой технологиче­ской схеме удается с помощью совре­менных средств анализа (оптического метода, муара, линий скольжения и т. п.) установить не только форму и размеры очага деформации, но и зоны, области, плоскости наибольшей нормальной или сдвиговой деформации. Чем больше число плоскостей максимального сдвига удается обеспечить и чем большую протяженность эти плоскости получают, тем при меньшей деформации наступает разрушение литой структуры, заварка литейных несплошно­стей и раздробление ликвационных зон. В общем случае речь идет не о плоско­стях сдвига, но о поверхностях сдвига, а в количественном от­ношении — об удельной величине сдвиговой поверхности на единицу деформируемого объема (см ^):

S^^^S/V,

где Г-S —суммарная поверхность максимальных сдвигов; V — деформируемый объем (или объем очага деформации для единич­ного обжатия).

^ Рельефный инструмент. Рельефный боек (рис. 4.12) можно рассматривать как группу выпуклых (конических) бойков или группу вырезных бойков, сопряженных между собой рядами различной направленности. При обжатии рельефным бойком ме­талл обжимается не только выступами, но и в вырезах (выемках). Такая деформация создает условия для образования многих оча­гов деформации и большой общей поверхности сдвигов. При де­формировании. рельефным инструментом теоретически можно получить весьма большую величину ^сдв- Рельефные бойки обеспечивают также решение другой задачи, состоящей в расчле­нении крупных зон затрудненной деформации, неизбежных при ковке, на ряд мелких слабо развитых зон, которые при последу­ющем обжатии заготовки попадают в зоны сдвиговой деформации, и затрудненность деформации устраняется вообще. С точки зре­ния решения этой последней задачи рельефные бойки могут иметь любое число N и размеры отдельных выступов и вырезов рельефа бойка (чем больше, тем эффективнее решение). Однако для воз­можности получения сквозных плоскостей максимальных сдвигов должно быть выдержано определенное соотношение между разме­ром выступа по подошве Ьв и высотным размером заготовки в конце деформации.

Это соотношение размеров выступов и высоты заготовки в конце обжатия показывает, что чем больше высота поковки, тем круп-

78

нее должны быть выступы, исходя из условия получения наиболь­шей величины 5дд„. На практике высота различных поковок не одинакова, а в процессе ковки обжимаемые участки укорачи­ваются, в связи с чем целесообразно ориентироваться на универ­сальные условия, при которых выступы имеют некоторые средние размеры, а количество их ограничено небольшим числом N, которым может быть любое целое число. Получение N выступов или п рядов, или п —1 вырезов возможно при образовании на бойке вырезов поперечного, продольного, диагонального или скошенного профиля, а также в виде концентрических или криво­линейных вырезов и их различных комбинаций. В случае криво­линейной границы между инструментом и металлом образуются не плоскости, а поверхности максимального сдвига.

Роль продольных и поперечных границ между инструментом и металлом сводится к созданию условий возникновения соответ­ствующих плоскостей максимального сдвига, которые способ­ствуют образованию первичных (в поперечном и продольном се­чении) и вторичного ковочных крестов.

В условиях осадки цилиндрической или квадратной заготовки рельефным бойком понятие поперечные и продольные вырезы или ряд выступов не имеет смысла. При протяжке, когда две стороны очага деформации обычно сопрягаются с внешней (же­сткой) частью заготовки, направление вырезов является суще­ственным. Очертания вырезов (в том числе криволинейных) имеют значение во всех случаях ковки. Простейший рельефный инструмент при двух выступах по обе стороны выреза может быть выполнен в двух вариантах; 1) с продольным вырезом; 2) с попе­речным вырезом. Бойки с одним продольным вырезом вдоль оси заготовки — вырезные бойки — общеизвестны и имеют много разновидностей ^ При ковке такими бойками деформация металла происходит внутри выреза. При ковке бойками с поперечными вырезами деформация металла осуществляется выступами. Такие бойки позволяют интенсифицировать проковку металла, осуще­ствляя ее с увеличенной производительностью, поскольку обжатия происходят одновременно в нескольких очагах деформации. По­дача при ковке такими бойками должна быть согласована с раз­мерами ширины выреза, промежутка между ними и расстояниями от края бойка. Ширина выреза должна быть меньше ширины выступа бойков для того, чтобы при очередной подаче образован­ные утолщения на заготовке могли быть полностью обжаты. -С целью интенсификации проковки бойками с продольными выре­зами можно применять модификации этих бойков.

^ Ступенчатые бойки. Для интенсификации ковки может иметь значение не только величина 5цдв, но и дробность деформации,

^ Подкладной инструмент с несколькими продольными вырезами называется струбциной и применяется для поперечной протяжки в двух или трех вырезах различного размера,



Рис. 4.13. Ступенчатые бойки

повышение которого без снижения производительно­сти может быть обеспече­но ступенчатыми бойками (рис. 4.13). Плоскоступенча-тые бойки должны иметь ступени различной длины, чтобы компенсировать удли­нение заготовки при каждом обжатии. Чтобы чрезмерно не увеличивать размер бой­ков вдоль направления ков­ки, число ступеней следует устанавливать 2—3. Это от­носится и к вырезным сту­пенчатым бойкам.

У комбинированных ступенчатых бойков верхний оформлен как вырезной, а нижний как плоский ступенчатый боек. Эти бойки могут иметь также вспомогательный вертикальный вырез.

В целях дальнейшего увеличения эффективности ступенчатых бойков можно применять ступени скошенной, елкообразной, по­лукруглой и волнистой формы. Дополнительные преимущества ступенчатых бойков против вырезных состоят в возможности полу­чения больших обжатий за каждый ход. Если увеличение произво­дительности бойков с поперечным вырезом объяснялось развитием обжимаемой контактной площади, то в данном случае благодаря дробности деформации и рекристаллизационному процессу, про­текающему в промежутке между соседними обжатиями, общее об­жатие заготовки (рассчитанное по разности высот до и после вы­хода из бойков) получается еще более значительным, что и дает дополнительное повышение производительности работы.

Как уже отмечалось, для определения сдвиговой деформации и эффективности ковки бойками различной конструкции можно воспользоваться выражением 5ддв = S S/V. Определение удель­ной величины сдвиговой поверхности на единицу деформирован­ного объема сопряжено с расчетом действительной суммарной поверхности сдвигов Г S в деформируемом объеме V, который зависит не только от размеров и типа рабочего пространства бойков, но и от габаритов очага деформации. В простейшем слу­чае при обжатии заготовки квадратного сечения плоскими бой­ками в очаге деформации кубической формы образуется две пары плоскостей сдвига общей площадью S == 4^/sin к = 5,66F. Тогда для очага деформации в 1 мм^ 1 см^ и т. д. 5ддв = 5,66F/V --== — 5,66/Я, мм \ см ^ (где Н — толщина заготовки).

Для более сложных схем деформации бойками с поперечными и дополнительными вырезами следует учесть более развитые гра­ницы очага деформации, по которым образуются плоскости ма-

W







S) в)

Рис. 4.24. Поля линий скольжения при обжатии трехлепестковой заготовки: о— ес? = 1 %; б— е(;р == 2 %; в— вер = 4,6 %

рис. 4.24, в, поле начинает развиваться в центральную обла. гь. Размер контактных площадок определяли по равенству гидроста­тического давления в точке стыковки полей от верхнего и ниж­него бойков. Величина площадки, при которой поле от плоского

•бойка начинает развиваться в глубь заготовки, соответствует об­жатию 4,5 "/о. На данной стадии поля от двух площадок контакта под верхним бойком стыкуются с аналогичным полем от нижнего

•бойка по прямым линиям, пересекающим ось симметрии заготовки в центральной ее части под углом я/4. Следовательно, при обжатии менее 5 % деформация уже достигает осевой зоны заготовки.

95





^

Рис. 4.25. Поля линий скольжения при обжатии треугольной заготовки: "" a-^"6%•.б-^'cp=l3% —

Трехлепестковая заготовка после единичного обжатия е <: 10 % сохраняет принципиальную исходную форму сечения, поэтому характер поля после^ кантовки ее на 120° и такого обжатия не изменяется. 'В ^процессе последовательных кантовок на 120° и обжатий происходит расширение пластической области от двух контактных площадок под верхним плоским бойком. Вследствие перемещения жестких зон и расширения пластической области происходит выпрямление вогнутых боковых поверхностей заго­товки. Выступы исходной трехлепестковой заготовки в процессе последовательных обжатий и кантовок на 120° приобретает форму вершин треугольной заготовки. Когда произойдет слияние контактных площадок под верхним бойком в одну, поле линий скольжения будет иметь вид, как в случае осадки тупого клина. Поэтому после получения из трехлепестковой заготовки треуголь­ной ее кантуют на 60° (рис. 4.25).

Окантованная таким образом треугольная заготовка имеет две линии — площадки контакта с нижним вырезным бойком и с верхним плоским бойком. На первой стадии деформирования трехлепестковой заготовки под верхним плоским и нижним вы­резным бойками деформация локализуется у поверхности. Поле линий скольжения состоит из элементов двухцентровой веерной сетки и системы ортогональных^прямых. У треугольной заготовки очаг деформации локализован .у поверхности при обжатии до е == 13 %. Это благоприятно сказывается на проработке металла в вершинах треугольной заготовки, которые на стадии ковки трехлепестковой заготовки находились в зоне затрудненной де­формации у нижнего вырезного бойка.

При увеличении обжатия более 13 % наступает вторая стадия деформирования, когда очаги деформаций проникают в глубь заготовки и поля от верхнего бойка и двух площадок нижнего



стыкуются (рис. 4.25, б). Вырез нижнего бойка остается незапол­ненным. Стыковки между собой очагов деформаций от нижнего бойка не происходит.

После чередования обжатий с кантовками на 60 и 120° полу­чают заготовку шестигранной формы, которая легко перековы­вается в круглую.

Анализ кинематики зон деформации, выполненный по по­строенным полям линий скольжений, позволяет сделать заключе­ние о механизме образования поверхностных зажимов в области больших вогнутых граней заготовки.

При обжатии двух выступов трехлепестковой заготовки пло­ским бойком можно получить три различных очага деформации в зависимости от радиуса большой вогнутой грани.

На рис. 4.26, а представлена пластическая область, равно­мерно распространенная в обе стороны от площадки контакта. Равновесие в распределении потоков пластического течения обес­печивается радиусом вогнутости большой грани R, равной 7?крпт (^крит — радиус большой вогнутой грани, отклонение от которого по величине приведет либо к отсутствию зажима, либо к неиз­бежному его появлению). При R >^крит форма очага деформа­ции имеет вид, показанный на рис. 4.26, б. Пластическая область распространяется по обе стороны от площадки контакта, однако течение преобладает в сторону свободной поверхности, что гаран­тирует отсутствие зажима по большой вогнутой грани. При R rk-рит преимущественное течение наблюдается в сторону вогну­тости,' что неизбежно приведет к образованию зажима (рис. 4.26, в).

Рассмотренные в п. 2.3 формы трехлепестковых заготовок имеют радиусы больших вогнутых граней R больше ^крит- По­этому при первом обжатии гарантировано отсутствие зажимов. В процессе обжатия под действием нормальной силы и изгиба-

4 п. И. Полухин и др. 97

ющего момента начальные радиусы дбух других вогнутых граней, находящихся в межбойковом пространстве, уменьшаются. В за­висимости от величины обжатия эти радиусы могут стать равными или меньше ^крщ- После кантовки и обжатия это приведет к по­лучению под плоским бойком очагов деформации двух видов (по рис. 4.26, а, в) и возникновению возможности или неизбежности образования поверхностного зажима. Экспериментальные данные показали, что обжатие се<: 10 % гарантирует получение радиу­сов двух других вогнутых граней трехлепестковых заготовок 2 и 3 (см. рис. 2.3) больше ^крит. а следовательно, гарантирует отсут­ствие поверхностных зажимов. Заготовки 4 и 5 не удалось проко­вать без поверхностных зажимов. Объясняется это тем, что с умень­шением отношения diR резко снижается сопротивление лепестка изгибающему моменту. Даже при незначительном обжатии два других радиуса вогнутых граней становятся меньше ^крит> что неизбежно приводит к образованию зажима.

Таким образом, для исключения возможности образования зажимов в области больших вогнутых граней необходимо вести обжатия с е < 10 %, а соотношение размеров исходной трех­лепестковой заготовки diR должно быть равно или больше 0,75.

При ковке поковок типа валов в комбинированных бойках угол выреза нижнего бойка выбирают в пределах 90—135°. Иссле­дование влияния угла выреза на распределение деформаций по сечению в процессе ковки трехлепестковой заготовки, а также результаты анализа статистической модели процесса ковки пока­зали, что на стадии скругления трехлепестковой заготовки угол выреза не имеет существенного значения. Эти выводы подтвер­ждаются анализом полей линий скольжения, построенных для обжатия трехлепестковой заготовки в нижнем вырезном бойке с углами выреза 90, 110, 120 и 135°^.

Во всех случаях в первую очередь осуществляется стыковка смежных очагов деформации, развивающихся от контактных площадок нижнего вырезного бойка с образованием единой пла­стической области. По мере увеличения обжатия угол выреза всех рассматриваемых бойков заполняется металлом под действием развития пластической области и перемещения жесткой зоны вдоль оси заготовки в сторону основания выреза. После заполне­ния нижнего вырезного бойка металлом заготовки во всех случаях дальнейшее развитие поля линий скольжения подобно показан­ному на рис. 4.24.

В связи с этим на стадии получения из трехлепестковой за­готовки угол выреза нижнего бойка не изменяет схему течения металла и не оказывает заметного влияния на распределение деформации по сечению заготовки.

^ Вследствие громоздкости построений поля не приведены.

4.5.^ ОПЫТ КОВКИ КРУПНЫХ СЛИТКОВ Достаточно подробно рассмотренные в предыдущих главах особенности строения слитков и литых заготовок, а также разнообразные способы и приемы деформационного воздействия на структуру металла позволяют кратко изложить результаты их применения и достижения в улучшении качественных пока­зателей машиностроительного производства. Например, активное воздействие на формирование макростроения поковки путем за­данного потокораспределения металла в технологическом про­цессе позволило гарантированно увеличить выход годного до 71 % и из того же исходного слитка производить поковку боль­шей массы.

Сосредоточение деформаций в осевой зоне сл?1тка массой 53 т при ковке достигнуто применением термозонального фактора. Кузнечный цикл сокращен на 30 %, устранена трудоемкая опе­рация осадки и высвобождено мощное прессовое оборудование, время пассивного охлаждения слитка на ноздухе уменьшено более чем в 3 раза. Механические свойства металла повышены как по прочности, так и по показателям пластичности при идентичных режимах окончательной термообработки.

Для изготовления колец двух типоразмеров 03120х1900 (внутренний диаметр 1500 мм) и 0 288ОХ158О (внутренний диа­метр 1850 мм) потребовались слитки массой (соответственно названным размерам) 185 и 110 т. Реализация схем пластического течения, отработанных на реальных промышленных поковках, дала возможность производить раскатку прошитой заготовки вырезным ромбическим бойком. Улучшение качества металла, гарантируемое этим приемом, позволило снизить уковку заготовки на предыдущих операциях осадки в результате сокращения числа осадок и соответственно числа последующих протяжек, а также вследствие уменьшения степени осадки (т. е. ограничения ее получением требуемых габаритных размеров блока перед про­шивкой). Учитывая величину припусков на механическую обра­ботку и расположение наиболее ответственного участка детали посередине толщины поковки, для раскатки был'применен ромби­ческий боек с у