Технологические процессы горячей ковки

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Технологические процессы горячей ковки

Содержание

Введение

1. Общие положения

2. Основные операции ковки и применяемый инструмент

3. Оборудование для ковки

4. Технологическая разработка процесса ковки

Список литературы

Введение

Предметом изучения курса «Технология конструкционных материалов» являются современные рациональные и распространенные в промышленности, наиболее прогрессивные технологические методы формообразования заготовок и деталей машин литьем, обработкой давлением, сваркой, механической обработкой резанием и другими методами.

Создавая конструкции машин и приборов, инженер должен обеспечивать определенные их эксплуатационные технические характеристики и надежность работы, учитывать особенности технологических методов обработки и сборки, а также экономическую целесообразность изготовления конструкций. Для этого инженер широкого профиля должен обладать глубокими технологическими знаниями в области расчета и конструирования машин.

1. Общие положения

Ковка -- вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента. Нагретую заготовку укладывают на нижний боек и универсальным инструментом -- верхним бойком последовательно деформируют на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.

Ковкой получают заготовки для последующей механической обработки. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковками.

Ковка является единственно возможным способом изготовления тяжелых поковок (до 250 т и более) типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и т. д. Поковки меньшей массы (десятки и сотни килограммов) можно изготовлять и ковкой, и штамповкой. Хотя штамповка имеет ряд преимуществ перед ковкой, в единичном и мелкосерийном производстве ковка обычно экономически более целесообразна. Объясняется это тем, что при ковке используют универсальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, а изготовление специального инструмента (штампа) при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Исходными заготовками для ковки тяжелых, крупных поковок являются слитки массой до 320 т. Слитки для ковки имеют различную форму: удлиненные, малоприбыльные, полые; многогранного, круглого или квадратного поперечного сечений. Поковки средней и малой массы изготовляют преимущественно из проката в виде блюмов и сортового: квадратного, круглого или прямоугольного сечений. Ковку подразделяют на ручную и машинную. Ручной ковкой получают мелкие поковки в единичном производстве и при ремонтных работах с помощью наковальни и кувалды. Ниже рассмотрена машинная ковка на молотах и гидравлических прессах.

2. Основные операции ковки и применяемый инструмент

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. К основным операциям ковки относятся: осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка, скручивание.

Каждая основная кузнечная операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.

Осадка -- операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. Осадку применяют:

· для получения поковок с большими поперечными размерами при относительно малой высоте (зубчатые колеса, диски и т. и.);

· как предварительную операцию перед прошивкой при изготовлении пустотелых поковок (колец, барабанов);

· как предварительную операцию для уничтожения литой дендритной структуры слитка и улучшения механических свойств изделия.

Деформация при осадке может быть выражена величиной уковки

Очевидно, чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства.

Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки, у которых отношение высоты к диаметру больше 2,5, так как в этом случае может произойти продольное искривление заготовки. Осаживают заготовки между бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осаживается лишь на части длины заготовки.

Протяжка -- операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг этой оси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличиваются ширина и длина заготовки. Общее увеличение длины равно сумме приращений длин за каждое нажатие, а уширение по всей длине одинаково. Если заготовку повернуть на 90° вокруг горизонтальной оси и повторить протяжку, то уширение, полученное в предыдущем проходе, устраняется, а длина заготовки снова увеличивается. Чем меньше подача при каждом нажатии, тем интенсивнее удлинение. Однако при слишком малой подаче могут получиться зажимы.

Протягивать можно плоскими и вырезными бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (особенно при протяжке круглого сечения) значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направленные с четырех сторон к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образования осевых трещин.

Величина деформации при протяжке, как и при осадке, может быть выражена уковкой. Протяжкой получают поковки с удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т. п.). Ниже приведены основные разновидности операции протяжки.

Разгонка -- операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины.

Протяжка с оправкой -- операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок. Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном и верхнем плоском) на слегка конической оправке. Протягивают в одном направлении -- к расширяющемуся концу оправки, что облегчает ее удаление из поковки.

Раскатка на оправке -- операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок. Заготовка опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку, устанавливаемую концами на подставках, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком. После каждого нажатия заготовку проворачивают относительно оправки.

Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вначале раскаткой уничтожают бочкообразность предварительно осаженной и прошитой заготовки и доводят ее внутренний диаметр до требуемых размеров. Затем протяжкой с оправкой уменьшают толщину стенок и увеличивают до заданных размеров длину поковки.

Прошивка -- операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка). Инструментом для прошивки являются прошивни сплошные и пустотелые; последними прошивают отверстия большого диаметра (400 -- 900 мм). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца. Более толстые поковки прошиваются с двух сторон без подкладного кольца. Диаметр прошивня выбирают равным ¹/₂ -- ¹/₃ наружного диаметра заготовки; при большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается. Прошивка сопровождается отходом (выдрой).

Отрубка -- операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента -- топора. Отрубку применяют для получения из заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления излишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной частей слитка и т. п. Инструмент для отрубки -- топоры различной формы.

Гибка -- операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т.п. Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус закругления.

Скручивание -- операция, посредством которой часть заготовки поворачивается вокруг продольной оси.

Скручивание можно применять при развороте колен коленчатых валов, при изготовлении сверл и т. п. При скручивании обычно одну часть заготовки зажимают между бойками, другую разворачивают с помощью различных приспособлений -- воротков, ключей, лебедок.

Перечисленными операциями ковки трудно изготовить поковки с относительно сложной конфигурацией. Поэтому при изготовлении небольшой партии таких поковок применяют так называемую штамповку в подкладных штампах. Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка. В подкладных штампах можно изготовлять головки гаечных ключей, головки болтов, диски со ступицей, втулки с буртом и другие поковки.

3. Оборудование для ковки

Машинную ковку производят на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах. ковка оборудование металл

Молоты -- машины динамического ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их соударения с заготовкой. Поэтому при выборе молотов руководствуются массой их падающих частей. Энергия, накопленная падающими частями, не вся расходуется на деформирование заготовки. Часть ее теряется на упругие деформации инструмента и колебания шабота -- детали молота, на которую устанавливают нижний боек. Чем больше масса шабота, тем больше к. п. д. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей, что обеспечивает к. п. д. удара.

Основными типами молотов для ковки являются приводные-пневматические и паровоздушные.

Пневматический молот. В литой станине расположены два цилиндра--компрессорный и рабочий, полости которых сообщаются через золотники.

Поршень компрессорного цилиндра перемещается шатуном от кривошипа, вращаемого электродвигателем через шестерни. При перемещении поршня в компрессорном цилиндре воздух поочередно сжимается в верхней и нижней его полостях. Воздух, сжатый до 0,2--0,3 МН/м², при нажатии на педаль или рукоятку, открывающую золотники, поступает через них в рабочий цилиндр. Здесь он воздействует на поршень рабочего цилиндра. Поршень, выполненный за одно целое с массивным штоком, является одновременно бабой молота, к которой крепят верхний боек. В результате падающие части периодически перемещаются вниз -- вверх и наносят удары по заготовке, уложенной на нижний боек, который неподвижно закреплен на массивном шаботе. В зависимости от положения органов управления молот может наносить единичные и автоматические удары регулируемой энергии, работать на холостом ходу (баба свободно лежит на нижнем бойке), осуществлять силовой прижим поковки к нижнему бойку (например, для операций гибки и скручивания) и держать бабу на весу.

Пневматические молоты применяют для ковки мелких поковок (примерно до 20 кг) и изготовляют с массой падающих частей 50--1000 кг.

Паровоздушные молоты. Такие молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7--0,9 МН/м². В зависимости от конструкции станины паровоздушные ковочные молоты бывают арочные, мостовые и одностоечные. На станине молота смонтирован рабочий цилиндр с парораспределительным устройством. При нажатии педали или рукоятки управления сжатый пар или воздух по каналу поступает в верхнюю полость цилиндра и давит на поршень, соединенный штоком с бабой, к которой крепят верхний боек. В результате падающие части перемещаются вниз и наносят удар по заготовке, уложенной на нижний боек, неподвижно закрепленный на массивном шаботе. При подаче сжатого пара по каналу в нижнюю полость цилиндра падающие части поднимаются в верхнее положение. Перемещения бабы происходят в направляющих . В ковочных молотах станина и шабот закреплены на фундаменте по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать с заготовками и кузнечным инструментом, необходимо иметь доступ к бойкам со всех сторон. Молоты могут совершать удары полной и неполной силы, прижимать поковки между бойками и удерживать бабу навесу. Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей 1000--8000 кг. На этих молотах изготовляют поковки средней массы (20--350 кг) преимущественно из прокатанных заготовок.

Гидравлические прессы. Эти машины -- статического действия, продолжительность деформации у них может составлять от единиц до десятков секунд. В гидравлическом прессе усилие создается с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла) высокого давления (20--30 МН/м²), подаваемой в рабочий цилиндр. Жидкость давит на плунжер, который передает усилие перемещающейся по колоннам подвижной поперечине. Верхний боек крепят к подвижной поперечине, нижний боек устанавливают на нижней неподвижной поперечине. Верхняя неподвижная поперечина, в которой находится рабочий цилиндр, и нижняя поперечина жестко соединены четырьмя колоннами. При опускании поперечины жидкость из возвратных цилиндров вытесняется плунжерами, связанными верхней поперечиной и тягами с поперечиной. Для подъема последней в исходное положение после рабочего хода жидкость под давлением подается в возвратные цилиндры, а из рабочего цилиндра вытесняется плунжером в сливной резервуар.

Кроме указанных частей, гидравлические прессы имеют устройства, питающие пресс жидкостью высокого давления, наполняющие всю гидравлическую систему пресса жидкостью и управляющие прессом (распределители).

4. Технологическая разработка процесса ковки

Чертеж поковки составляют на основании разработанного конструктором чертежа готовой детали с учетом припусков, допусков и напусков. Припуск - поверхностный слой металла в поковке, подлежащий удалению механической обработкой для получения требуемых размеров и качества поверхности готовой детали. Размеры детали увеличивают на величину припусков в местах, которые подлежат механической обработке. Величина припуска зависит от размеров поковки, ее конфигурации, типа оборудования, применяемого для изготовления поковки, и других факторов. Чем больше размеры поковки, тем больше припуск. Допуск -- допустимое отклонение от номинального размера поковки, проставленного на ее чертеже, т. е. разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами поковки. Допуск назначают на все размеры поковки. Конфигурацию поковки иногда упрощают за счет напусков -- объема металла добавляемого к поковке сверх припуска для упрощения ее формы и, следовательно, процесса ковки. Напуски удаляют последующей механической обработкой. Припуски, допуски и напуски назначают в строгом соответствии с ГОСТом.

Выбор заготовки. Заготовку выбирают по ее массе. Отходы с прибыльной частью составляют 14--30%, а с донной 4--7%; на угар -- в среднем 2--2,5% от массы нагреваемого металла при нагреве холодной заготовки и около 1,5% при каждом подогреве. Технологические отходы (обрубки, выдры и т. п.) зависят от формы поковки и принятой последовательности ковки. Размеры поперечного сечения заготовки выбирают с учетом обеспечения необходимой уковки. Достаточной уковкой для слитков считается 2,5--3,0, а для проката 1,3--1,5.

Выбор оборудования. Для ковки оборудование выбирают в зависимости от режима ковки данного металла или сплава, массы поковки и ее конфигурации. Аналитический расчет необходимой мощности оборудования во многих случаях представляет сложный вопрос, поэтому часто используют приближенные формулы или таблицы справочников.

Последовательность операций ковки. Последовательность устанавливают в зависимости от конфигурации поковки и технических требований на нее, от вида заготовки (слиток или прокат).

Цилиндр куют из стального слитка (сталь 40) массой 18 т с пяти нагревов. После первого нагрева протягивают прибыльную часть под патрон, слиток на диаметр 1000 мм, отрубают донную и прибыльную части слитка. После второго нагрева выполняют осадку, прошивку отверстия и раскатку на оправке. После третьего нагрева -- посадку на оправку и протяжку на длину 1100 мм. После четвертого -- посадку на оправку и протяжку средней части на диаметр 900 мм. После пятого нагрева (нагревают только конец) заковывают конец.

Ковка рычага с вилкой из стального проката квадратного сечения. Нагретую заготовку протягивают на прямоугольник и пережимают металл для щеки. Затем отковывают щеки и загибают в приспособлении, пережимают металл для стержня и протягивают до нужного диаметра. Конец стержня отрубают на заданную длину.

Технологические требования к деталям. Требования к деталям, получаемым из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны быть наиболее простыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями. Следует избегать в поковках конических и клиновых форм. Надо учитывать трудность выполнения ковкой участков пересечений цилиндрических поверхностей между собой и с призматическими поверхностями. В поковках необходимо избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п., учитывая, что эти элементы в большинстве случаев изготовить ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится прибегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Кроме того, следует стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получить при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.

Технологические особенности ковки высоколегированных сталей и цветных металлов обусловлены отличием их технологических свойств от свойств углеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

Высоколегированные стали склонны к интенсивному упрочнению, поэтому для ковки этих сталей чаще целесообразнее использовать пресс, а не молот. Ввиду малой скорости деформирования на прессах разупрочняющие процессы, возврат и рекристаллизация успевают произойти полнее, и упрочнение снимается. В противном случае деформация не будет полностью горячей, и пластичность может резко понизиться.

Для каждой марки стали необходимо выбирать определенную общую уковку, чтобы получить хорошее качество поковок. Ввиду того, что высоколегированные стали имеют пониженную технологическую пластичность, нужно выбирать такие приемы ковки, при которых значительно снижаются растягивающие напряжения. Например, протяжку этих сплавов целесообразно выполнять в вырезных бойках. Особенно осторожно следует ковать литую заготовку, так как литая структура менее пластична, чем деформированная. Последнее относится и ко всем алюминиевым сплавам. Например, предварительно деформированные прутки из сплавов АК5 и АК6 можно подвергать ковке, тогда как слитки этих сплавов при ковке разрушаются. Алюминиевые сплавы, которые имеют хорошую пластичность (АЛ1, Д1, АК2 и др.), куют на молотах и гидравлических прессах без особых ограничений. Малопластичные алюминиевые сплавы (АКЗ, В93 и др.) предпочтительнее ковать на гидравлических прессах в вырезных бойках, так же как малопластичные магниевые сплавы (МАЗ). На гидравлических прессах с невысокой скоростью деформирования можно ковать и магниевые сплавы, обладающие хорошей пластичностью (MA1; MA2).

Медные сплавы (латуни и бронзы) имеют невысокий запас пластичности, поэтому ковку необходимо вести с минимальными растягивающими напряжениями.

Титан и титановые сплавы имеют достаточно высокую пластичность и обрабатываются ковкой всеми применяемыми методами. Но в случае динамического деформирования под молотом пластичность титановых сплавов снижается. Труднодеформируемые титановые сплавы протягивают в вырезных бойках.

Механизация ковки. Ковка является трудоемким и малопроизводительным процессом, поэтому ее механизация является важной задачей, улучшающей условия труда и повышающей производительность. При ковке массивных поковок (особенно на гидравлических прессах) многие операции вообще не могут быть осуществлены вручную.

Для посадки заготовок (слитков) в печь и выдачи их из печи кроме мостовых и консольно-поворотных кранов применяют специальные посадочные машины напольного или подвесного типов. Ковку на прессах и молотах можно механизировать с помощью различных кранов, кантователей и манипуляторов.

Молоты обслуживают обычно консольно-поворотные краны, прессы -- мостовые. Кантователь -- механизм, подвешиваемый к крюку крана и позволяющий поворачивать слиток вокруг его продольной оси (дополнительно к тем движениям, которые обеспечивает сам кран).

Манипулятор представляет собой тележку, либо перемещающуюся по железнодорожным рельсам (рельсовый манипулятор), либо автомобильного типа (безрельсовый манипулятор). На тележке устанавливают электрические или гидравлические приводы, осуществляющие перемещение самой тележки и движения хобота. Хобот зажимает заготовку, производит кантовку вокруг продольной оси и перемещает ее вверх-вниз. Имеются манипуляторы, у которых, кроме этого, хобот поворачивается вокруг вертикальной оси. Грузоподъемность манипуляторов достигает 120 т. Начинают применять автоматизированные процессы ковки, при которых работа пресса и манипулятора управляется электронными устройствами по заданной программе.

Для повышения точности поковок находят применение устройства (фотоэлементы, датчики с радиоактивными изотопами), регламентирующие положение рабочего инструмента в заключительный момент ковки.

Список литературы

1. Безручко И.И., Зубцов М.Е., Балакина Л.Н. Обработка металлов давлением. Учебное пособие для механических специальностей вузов. Л., «Машиностроение», 1967.

2. Брыцыхин Е.А. Технология пластических масс. Учебное пособие для химических техникумов. Изд. 2-е. Л., «Химия», 1974.

3. Технология конструкционных материалов. Учебник для Т 38 ВУЗов, М., «Машиностроение», 1977.

4. Технология металлов и других конституционных материалов. Под ред. Проф. Н.П.Дубинина. М., «Высшая школа», 1969.

Размещено на Allbest.ru