Технологический процесс машинной свободной ковки состоит из ряда элементарных операций, выполняемых в определенной последовательности с целью получения из исходной заготовки простой формы (слитка, блюма и т.п.) фасонной поковки требуемых размеров и формы.
Кроме чисто кузнечных операций полный технологический процесс изготовления поковки, фиксируемый в специальной технологической карте, включает также заготовительные операции (резку или рубку заготовок и их контроль), нагрев металла под ковку, охлаждение поковок, контрольные операции по проверке размеров и механических свойств поковки (если это требуется техническими условиями), а также операции первичной термической обработки поковок (отжиг, нормализацию), выполняемые обычно в кузнечном цехе.
Основными операциями процесса свободной ковки являются осадка, вытяжка, прошивка, гибка, рубка. К менее распространенным кузнечным операциям относятся передача металла, закручивание и кузнечная сварка. Кроме перечисленных операций в процессе изготовления поковок применяются и их разновидности: высадка в подкладных кольцах, представляющая собой частичную осадку заготовки по ее высоте; обкатка по диаметру (после осадки), вытяжка и раздача кольцевых поковок на оправке. В ряде случаев технологический процесс ковки включает операции горячей штамповки в подкладных штампах под молотом.
Наличие тех или иных кузнечных операций, а также порядок их чередования определяются формой изготовляемой поковки. Так, например, при изготовлении поковок типа валов применяются главным образом вытяжка и рубка, а в случае ковки коленчатых валов вытяжка и передача металла. При изготовлении кольцевых поковок применяют осадку, прошивку, раздачу, а иногда и вытяжку на оправке. Для ковки фланцевых поковок характерны высадка, прошивка, обкатка по диаметру.
При машинной ковке заготовка укладывается на нижний неподвижный боек молота или пресса, а затем деформируется или непосредственно верхним подвижным бойком или с применением подкладного инструмента, помещаемого между верхним бойком и заготовкой.
Таким образом, технологические процессы ковки всегда являются сочетанием предварительных, основных, вспомогательных и отделочных операций. Главным универсальным инструментом ковки служат бойки.
К предварительным операциям относятся биллетирование и рубка, причем рубка применяется и как основная операция.
Биллетирование – операция, предназначенная для превращения слитка в болванку или заготовку и состоящая в сбивке ребер (для слитков некруглого сечения) и устранении конусности слитка. Биллетирование осуществляют путем ковки с незначительным обжатием нагретого слитка. Принято считать, что биллетирование способствует устранению дефектов литой структуры и улучшению пластических свойств поверхностного слоя (рубашки) слитка. Однако высокая температура и малые обжатия в процессе биллетирования способствуют получению крупнозернистой структуры, что вынуждает иногда проводить термическую обработку после биллетирования. Если при этом обжимаются только ребра слитка, то у металла между ребрами сохраняется литая структура. При хорошем качестве слитков можно отказаться от биллетирования, что позволяет увеличить производительность технологического процесса на 10 – 15% [1].
Схематично основные операции ковки представлены на рис.1.
Осадка (рис. 1 а) – это операция, при которой за счет обжатия по высоте увеличивается площадь поперечного сечения заготовки, перпендикулярного деформирующей силе. Если осаживается по высоте только часть заготовки, то операция называется высадкой (рис. 1 б). При ковке осадка является основной операцией для получения формы поковки, но может применяться так же как промежуточная операция для устранения литой структуры или анизотропии свойств металла.
Протяжка (вытяжка) – операция, в процессе которой длина заготовки увеличивается за счет уменьшения ее поперечных размеров при последовательных по длине нажатиях бойками (рис. 1 в). Применяют плоские, вырезанные и закругленные бойки. Заготовка обжимается по участкам и перемещается (подается) в осевом направлении с поворотами вокруг оси. Два последовательных обжима с поворотом (кантовкой) на 90° называют переходом. Рационально вести процесс протяжки с небольшой подачей, так как с уменьшением подачи в соответствии с законом наименьшего сопротивления уменьшается уширение. В этом случае увеличивается число обжатий, необходимых для деформации заготовки, следовательно, снижается производительность процесса. Практически величину подачи принимают равной 0,4…0,7 от ширины бойка в зависимости от размеров заготовки; однако для увеличения скорости протяжки, особенно в начале процесса, можно величину подачи определять как [1]:
а =(1,5…1,8)· b0,
 |
где а – величина подачи;
b0 – исходная ширина заготовки.
Применяют несколько видов операции протяжки. Поковки плоской формы получают расплющиванием. Расплющивание (уширение, разгонка) – это увеличение ширины заготовки за счет обжатия по высоте.
При ковке котельных барабанов, турбинных роторов и т.п. применяют протяжку на оправке (рис. 1 г): длина полой заготовки увеличивается за счет утонения ее стенки. Оправка имеет небольшую конусность, верхний боек плоский, а нижний боек вырезной. Внутренний диаметр заготовки изменяется незначительно, а оправка калибрует внутреннее отверстие. Во время ковки заготовка с оправкой периодически поворачивается и подается под бойки. На оправке производят также раскатку (рис. 1 д) – операцию, при которой увеличивается диаметр за счет уменьшения толщины стенки исходной полой заготовки. Оправка служит опорой заготовки по ее внутренней поверхности и установлена на козлах. Применяют цилиндрическую оправку и узкий верхний боек, длинная сторона которого параллельна оси поковки. После каждого обжатия оправка или заготовка поворачиваются вокруг оси, подавая под боек новый участок заготовки. Периодически поковку снимают с оправки и подвергают правке. Раскатка на оправке используется при ковке колец, обечаек, барабанов и т.п. и часто сочетается с протяжкой.
Гибка (рис. 1 е) – кузнечная операция, с помощью которой заготовке придают изогнутую форму по заданному контуру. Гибка используется при изготовлении угольников, скобок, крюков, кронштейнов, лап, кулис и т.п. В результате гибки первоначальная форма поперечного сечения заготовки искажается с уменьшением площади в зоне изгиба.
Закручивание (рис. 1 ж) – кузнечная операция, посредством которой одну часть заготовки поворачивают по отношению к другой под определенным углом вокруг общей продольной оси. Закручивание применяется при изготовлении коленчатых валов с коленами, расположенных в различных плоскостях, стенных болтов, стоек для изгородей, спиральных сверл и т.п.
Рубка (рис. 1 з) применяется для разделения заготовки на части, отделения части металла по наружному (обрубка) и внутреннему (вырубка) контурам, частичного разделения заготовки (разрубка). Отход металла при рубке называют обсечкой.
Прошивка – эта операция связана с образованием полости в заготовке за счет вытеснения металла. Сквозную прошивку (пробивку) относительно тонких поковок ведут на подкладном кольце (рис. 1 и). Высокие массивные поковки прошивают в два перехода, образовав сперва глухую полость (рис. 1 к), и, перевернув поковку, прошивают дно (рис. 1 л). Прошивающим инструментом является сплошной или пустотелый прошивень круглого или фасонного поперечного сечения. В результате прошивки форма заготовки искажается и образуется отход – выдра.
Кузнечную сварку в последнее время используют в основном при ковке мелких поковок в целях ремонта (для соединения деталей или их частей). В настоящее время применяют в основном автогенную сварку и электросварку.
Наряду с уже рассмотренными при свободной ковке употребляют еще многие виды специализированного инструмента. Иногда для производства поковок сложной формы больших партий: крупных гаечных ключей, фланцев, гаек, крюков и т.п. целесообразно оформлять часть поковки или даже всю поковку в специальном инструменте – штампе, полость которого представляет собой объемное зеркальное отражение формы поковки. Как правило, эти штампы не закрепляют на оборудовании и при выполнении соответствующего перехода устанавливают непосредственно на гладкий боек. Их называют подкладными штампами. Один из таких штампов для формообразования головки гаечного ключа показан на рис. 1 м. Штамп состоит из двух половин – нижней и верхней (перевернута справа). Для совпадения половин штампа в нем предусмотрены центрирующие угловые шпильки. Используется штамп в конце ковки после предварительного «фасонирования» заготовки. Применение простейших подкладных штампов в виде колец позволяет резко упростить технологию ковки и повысить точность поковок.
Свободная ковка – трудоемкий и малопроизводительный процесс, требующий сложных и быстрых манипуляций с горячим металлом и тяжелым инструментом. Облегчение ручного труда, повышение производительности труда и качества поковок достигается механизацией и автоматизацией. Основным средством механизации в кузнечных цехах служат грузоподъемные краны: мостовые, поворотные, консольные и т.п.
Для загрузки и выгрузки печей применяют механические, пневматические и гидравлические толкатели, специальные клещи и другие механизмы. Передача заготовок от оборудования к оборудованию осуществляется с помощью монорельсовых тележек и качающихся транспортеров. Для сложных манипуляций с поковкой в процессе ковки в современных цехах устанавливают напольные рельсовые и безрельсовые манипуляторы, представляющие собой тележку, снабженную клещами, которые могут подниматься и опускаться, поворачиваться и вращаться вокруг продольной оси.
Смена бойков крупных прессов – длительная и трудоемкая операция. Поэтому прессы оборудованы подвижными столами, выкатывающими бойки из-под пресса под мостовой кран. Применяют автоматизацию работы ковочных прессов. В ряде производств прессы и молоты переводят на программируемую работу по режимам ходов и обжатий.
Применение радиоактивных изотопов позволяет довести точность размеров крупных поковок на прессах до ±1 мм по высоте и тем самым повысить ее в несколько раз.