Технология конструкционных материалов (стр. 3 )

λ = , (3.1)

где S – толщина слоя после деформации, мм; S0 – толщина того же слоя до деформации, мм.

По полученным данным строят график λ = f (k), где k – номер слоя пластилиновой заготовки.

После этого собирают схему прессования для получения прутков через многоканальную матрицу и схему прессования трубы с помощью иглы.

Содержание отчета

1. Зарисовать схемы прямого прессования прутка, трубы и обратного прессования прутка.

2. Составить таблицу экспериментальных данных по деформированию различных слоев прутка. Построить график зависимости коэффициента вытяжки от номера слоя, пластилиновой заготовки. Зарисовать срез многослойного прутка.

3. Сделать выводы, объясняющие неравномерность деформации при прессовании.

Контрольные вопросы

1. Сущность прессования. Что такое прямое и обратное прессование?

2. Назовите достоинства и недостатки прямого прессования.

3. Перечислите недостатки и преимущества обратного прессования.

4. Объясните, почему при прямом прессовании необходимо большее усилие для деформации, чем при обратном?

5. Что позволяет обрабатывать прессованием малопластичные материалы?

6. Чем объясняется расхождение механических свойств и макроструктуры прессованных изделий в поперечном и продольном направлениях?

7. Что служит заготовкой для прессования?

Лабораторная работа № 4

КОВКА МЕТАЛЛОВ

Цели работы: изучить основные технологические операции процесса ковки; исследовать влияние условий трения на процесс пластической деформации при осадке на прессе; освоить методику выбора оборудования для операции осадки.

Оборудование и материалы

Гидравлический ковочный пресс. Заготовки из прессованного круглого прутка алюминиевого сплава. Смазка – машинное масло или графит. Измерительный инструмент – штангенциркуль.

Краткие теоретические сведения

Ковка относится к виду горячей обработки металлов давлением, при котором с помощью действия универсального инструмента – бойков – заготовка, нагретая до температуры, составляющей 70–80 % температуры плавления, пластически деформируется, постепенно приобретая заданные формы, размеры и свойства.

Ковку делят на ручную и машинную. При ручной ковке нагретую заготовку помещают на наковальню и ударами молотка-ручника и кувалды ей придают нужную форму, используя, как правило, при этом подкладной инструмент (обжимки, подбойники и т. д.). Этот вид ковки применяют на предприятиях только при изготовлении мелких поковок массой не более 8 кг при ремонтных работах. Выполнение ручной ковки требует высокой квалификации кузнеца, и этот процесс малопроизводителен.

При машинной ковке для создания энергии, необходимой для деформации заготовки, применяют ковочные молоты и ковочные гидравлические прессы. При ковке на молоте деформация заготовки происходит за счет кинетической энергии падающих частей молота, а при ковке на прессе – под действием жидкости высокого давления.

Изделие, полученное ковкой, называется поковкой. Поковка отличается от готовой детали размерами и часто формой (рис. 4.1). Чертеж поковки составляют на основании разработанного конструктором чертежа готовой детали с учетом припусков, допусков и напусков. Припуск 2 – поверхностный слой металла поковки, подлежащий удалению обработкой резанием для получения требуемых размеров и качества поверхностного слоя готовой детали 1. Размеры детали увеличивают на величину припусков в местах, которые подлежат обработке резанием. Допуск 4 – допустимое отклонение от номинального размера поковки, т. е. разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами поковки. Допуск назначают на все размеры поковки. Конфигурацию поковки иногда упрощают за счет напусков 3 – объема металла, добавляемого к поковке сверх припуска для упрощения ее формы. Напуски 3 удаляют последующей обработкой резанием.

Ковка является экономически выгодной в условиях единичного и мелкосерийного производства, а также единственно возможным способом изготовления поковок массой до сотен тонн. Заготовками для поковок служат слитки, блюмы и катаный пруток.

Чтобы получить качественную поковку, необходимо соблюдать технологический процесс ее изготовления.

Технологическим процессом ковки называют совокупность действий, непосредственно связанных с изменением формы исходной заготовки, ее состояния и свойств, а также транспортированием от момента поступления заготовки в обработку до получения готовой поковки. Технологический процесс ковки состоит из операций и переходов, выполняемых в определенной последовательности.

Рис. 4.1. Схема размеров поковки

Последовательность операций ковки устанавливают в зависимости от конфигурации поковки и технологических требований на нее, вида заготовки (слиток или прокат). В качестве примера на рис. 4.2 приведена последовательность ковки полого массивного цилиндра из слитка на гидравлическом прессе. Цилиндр куют из стального слитка (сталь 40) массой 18 т с пяти нагревов (рис. 4.2, а). После первого нагрева протягивают прибыльную часть под патрон и сам слиток на диаметр 1000 мм, отрубают донную и прибыльную части слитка (рис. 4.2, б). После второго нагрева выполняют осадку (рис. 4.2, в), прошивку отверстия и раскатку на оправке (рис. 4.2, г), после третьего нагрева – посадку на оправку и протяжку на длину 1100 мм (рис. 4.2, д), после четвертого – посадку на оправку и протяжку средней части на диаметр 900 мм (рис. 4.2, е). После пятого нагрева (нагревают только конец А) заковывают конец А (рис. 4.2, ж).

Рис. 4.2. Последовательность операций ковки полого цилиндра из слитка

К технологическим инструментам относят основной деформирующий, поддерживающий и контрольно-измерительный.

Основные операции и инструмент ковки

Операцией называется законченная часть технологического процесса изготовления поковки, осуществляемая на одном рабочем месте.

К операциям ковки относятся: протяжка, разгонка, раскатка, прошивка, передача, гибка, скручивание, осадка. Еще ряд других операций используется реже.

Протяжка – кузнечная операция, предназначенная для получения у поковки или ее отдельных частей меньшего поперечного сечения. Протяжку выполняют ударами молота или нажатиями пресса на верхний боек с подачей заготовки вдоль продольной оси (рис. 4.3). После каждого обжатия или серий обжатий заготовку поворачивают (кантуют) вокруг оси на 90 градусов и деформируют по высоте, что ведет к удлинению заготовки. Ряд одноименных последовательных ударов называется проходом. Продольное перемещение заготовки, т. е. длина деформируемой ее части за каждое обжатие, называется подачей l.

Применяют различные схемы протяжки. Протяжку заготовок с прямоугольными или квадратными сечениями выполняют на плоских бойках тремя способами.

Первый способ: последовательно делают обжатия 1, 2, 3, 4, 5 без промежуточной кантовки. Затем заготовку кантуют на 90°, аналогично выполняют обжатия от 6 до 10 (рис. 4.3, а). Этот способ применяют для мелких и средних по массе заготовок из углеродистой и легированной стали. Это протяжка «проходами».

а	б

Рис. 4.3. Способы выполнения протяжки:

а, б, в – последовательность выполнения; г – величина подачи при протяжке

Второй способ: после каждого обжатия с одной и с другой стороны (переход) выполняют подачу и следующий переход. Кантовку производят при этом в обе стороны (рис. 4.3, б). Способ применяют для ковки крупных заготовок из углеродистых и легированных сталей. Это протяжка «кольцами».

Третий способ: после каждого обжатия заготовку кантуют в одну и ту же сторону на 90 градусов, а после каждых четырех обжатий осуществляют подачу заготовки. Этот способ протяжки «по винту» отличается большой трудоемкостью, его применяют при ковке твердой инструментальной стали, для уменьшения внутренних напряжений.

При изготовлении поковок с удлиненной осью (валы – валы гладкие и ступенчатые тяги, шатуны) протяжка является основной формообразующей операцией в технологическом процессе. При этом измельчается крупнозернистая структура исходной литой заготовки, завариваются внутренние дефекты и повышаются механические свойства металла.

а	б

Рис. 4.4. Бойки различной формы:

а – плоские (1 – нижний, 2 – верхний, 3 – отверстия для транспортировки,

4 – хвостовик с клином для крепления); б – вырезные

Протяжку производят бойками различной формы: плоскими (рис. 4.4, а), вырезными (рис. 4.4, б), комбинированными (рис. 4.4, в).

Рис. 4.5. Изменение формы размеров при протяжке

Вырезные (радиусные) бойки применяют для ковки заготовок круглого сечения. При ковке в вырезных бойках уширение практически отсутствует, а схема деформации приближается к неравномерному всестороннему сжатию, что позволяет ковать поковки из малопластичных сталей.

Достоинство комбинированных бойков: их большая по сравнению с вырезными универсальность и возможность получения достаточной проковки металла по сечению.

При протяжке заготовка постепенно удлиняется и вместо исходных размеров B, H, L приобретает новые размеры – B1, H1, L1 (рис. 4.5).

Интенсивность проковки металла выражается коэффициентом уковки У.

, (4.1)

где F и F1 – площади поперечного сечения заготовки до и после протяжки.

Для круглых заготовок где D и D1 – диаметры заготовки и поковки.

Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, т. е. лучше его структура и механические свойства. Величина уковки для слитков из углеродистой и среднелегированной стали обычно принимается в пределах 2,5–3 и более. Для поковок, изготавливаемых из горячекатаной стали, достаточна величина уковки 1,3–1,5.

Величина относительного обжатия называется степенью деформации Е. При каждом обжатии высота заготовки уменьшается на абсолютную величину деформации DН = Н - Н1. Степень деформации по высоте заготовки при обжатии равна

. (4.2)

Между уковкой как основной характеристикой величины деформации и величинами относительной деформации существуют количественная зависимость

(4.3)

Разновидностями протяжки являются операции: раскатка на оправке и разгонка.

Раскатка на оправке – одновременное увеличение наружного и внутреннего диаметра прошитой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок S (рис. 4.6). Операцию выполняют при помощи узкого бойка и цилиндрической оправки. Оправка определенного диаметра d0 заменяет нижний боек и опирается на две стойки. После каждого обжатия кольцо поворачивают на заданный угол.

При обжимах кроме увеличения наружного и внутреннего диаметров происходит удлинение заготовки. Эту операцию применяют для изготовления поковок типа колец, зубчатых венцов, бандажей, различных обечаек и других деталей с тонкими стенками и большими отверстиями.

Рис. 4.6. Раскатка

Разгонка – увеличение ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины (рис. 4.7). Сначала на заготовке прямоугольного сечения по предварительной разметке с помощью пережимки (рис. 4.7, а) делают пережим в месте начала заготовки металла. Затем посредине части заготовки, подлежащей уширению под углом 90 градусов к сделанному пережиму, устанавливают раскатку (рис. 4.7, б), внедряют ее в заготовку. Заготовка начинает расширяться. Переставляя раскатку вправо от намеченного центрального углубления (рис. 4.7, в – увеличенный масштаб), а затем влево, постепенно разгоняют металл в ширину. После внедрения раскатки волнистую поверхность выглаживают плоским бойком (рис. 4.7, г).

а	б
в	г
Рис. 4.7. разгонка: а, б, в, г – последовательность выполнения

Рис. 4.8. Инструмент: а, б, в – раскатки; г, д – пережимки

Прошивка – это операция получения сквозных и глухих отверстий в заготовке за счет вытеснения металла (рис. 4.9). Инструментом для прошивки являются прошивни (рис. 4.10) – сплошные и пустотелые; последними прошивают отверстия большого диаметра (400–900 мм). Диаметр прошивня выбирают равным 1/2–1/3 наружного диаметра заготовки, при большом диаметре прошивня значительно искажается форма прошиваемой заготовки.

Прошивку пустотелым прошивнем (рис. 4.9, а, б) применяют для получения отверстий диаметром больше 400 мм, при этом металл течет во внутрь полого прошивня. При внедрении прошивня на глубину 3/4–4/5 от высоты заготовки ее переворачивают, и ударяя широким торцом прошивня, получают сквозное отверстие. Вместе с прошивнем из отверстия извлекают отходы (выдру). Эту операцию применяют также для удаления некачественной сердцевины слитка.

Рис. 4.9. Прошивка отверстий в поковках:

а – сплошным прошивнем; б – полым прошивнем

При прошивке сплошным прошивнём поковок, осаженную заготовку устанавливают на нижнем бойке, а на нее по центру сверху прошивень (рис. 4.9, а), торцом меньшего диаметра вниз. Слегка вдавливают прошивень в металл заготовки, а затем ударяют. При этом металл вначале выдавливается из-под прошивня в стороны, получают глухое отверстие 3/4 высоты заготовки. Затем заготовку поворачивают на 180 градусов и ставят на нижний боек отверстием вниз, производят сквозную прошивку с обратной стороны. Полученная выдра по объему составляет лишь 1/4 объема прошиваемого отверстия.

Для уменьшения трения между прошивнем и заготовкой получаемое углубление припыливают порошком молотого угля или графита.

Использование полого прошивня по сравнению со сплошным снижает усилие прошивки.

а	б	в
Рис. 4.10. Инструменты прошивки: а, в – сплошные; б – полый

Отрубка – полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента – топора. Отрубку металла применяют для отделения заготовок под ковку от прутков, для удаления прибыльной и данной части слитков и т. д. отрубку металла производят в горячем состоянии.

а б в г

Рис. 4.11. Топоры для отрубки:

а – двусторонний; б – левый; в – правый; г – фасонный

Применяют топоры двусторонние (рис. 4.11, а) и односторонние (рис. 4.11, б, в) – правые и левые. Последние обеспечивают меньший отход металла и меньшие припуски на механическую обработку. Вырубку дефектов с поверхности поковок выполняют фасонным топором (рис. 4.11, г).

а б

Рис. 4.12. Отрубка с поворотом заготовки

При отрубке нагретую заготовку 1 (рис. 4.12, а) располагают на середине нижнего бойка и измерительным инструментом или шаблоном намечают место установки топора. Топор верхним бойком внедряется на глубину, составляющую примерно 3/4 высоты заготовки. Затем заготовку поворачивают на 180 градусов (рис. 4.12, б) и производят окончательное отделение части заготовки. Второй вариант отрубки выполняют без поворота заготовки: после удаления топора из надрубленного места заготовки под перемычку укладывается квадрат и верхним бойком производят разделение материала.

Скручивание (закручивание) применяется для формирования колен поковки вала. Одно колено зажимают бойками молота, а на другое надевают вилку и медленно ее поворачивают.

Рис. 4.13. Скручивание

Осадка – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения (рис. 4.14). Осадку применяют:

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

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.

а б

Рис. 4.14. Схема осадки: а – исходная заготовка; б – поковка после осадки

Схема осадки под молотом цилиндрической заготовки (рис. 4.14) имеющей диаметр D и высоту Н. В результате действия сил трения τ на контактных поверхностях бойка и заготовки изменяются не только размеры заготовки, но и искажается ее форма: вместо цилиндра получатся выпуклое (бочкообразное) тело с диаметром торцов Dт, а выпученной части – Dв. В технологических расчетах обычно учитывают средний диаметр поковки из условия постоянства объема:

. (4.4)

При давлении бойков на заготовку между заготовкой и инструментом возникает контактное трение, препятствующее свободному перемещению металла. На торцах заготовки цилиндрической формы в вертикальном сечении образуют конусы (рис. 4.15, а) неподвижного металла, а при ковке гранёных заготовок – пирамиды (рис. 4.15, б).

Фигуры, образуемые неподвижными частями поковки, называют конусами скольжения. Металл, находящийся в пределах конуса скольжения, не может выйти из него, и поэтому пластическая деформация осуществляется за счет металла, находящегося вне конусов скольжения. Действие конусов скольжения при этом подобно действиям силовых клиньев, внедряющихся в массу металла и тем самым деформирующих его, поэтому металл течет из объемов, где в данный момент действуют конусы скольжения. Соотношение высоты и диаметра заготовки определяет геометрическую форму и качество поковки после осадки.

При большой высоте заготовки , когда вершины конусов относят далеко друг от друга, заготовка деформируется в двух местах, образуя двойную бочку (рис. 4.15, в). При высоте заготовки , но недостаточной пластичности металла после встречи конусов может происходить их внедрение друг в друга, сопровождающееся постепенным разрушением конусов с вершин (рис. 4.15, г) или скольжением одного конуса по другому (рис. 4.15, д). Сближающиеся конусы приводят к образованию трещин или разрушению заготовки.

Наиболее часто на практике зоны затрудненной деформации, расклинивающие металл, имеют форму куполов 1 (рис. 3.34). Выделяются также зоны II и III.

Зона II выходит на боковые поверхности заготовки, интенсивность деформации в ней больше, чем в зоне I, и меньше, чем в зоне III. Здесь возникают растягивающие напряжения, которые могут являться причиной образования трещин и ограничивают величину деформации при осадке.

Зона III – зона наиболее интенсивной деформации, она располагается в осевом сечении заготовки и может частично выходить на торцы и боковые поверхности заготовки.

Для уменьшения коэффициента трения контактные поверхности бойков должны иметь незначительную шероховатость. Бочкообразованию способствует также переохлаждение торцов нагретой заготовки из-за контакта с более холодными бойками. В этом случае подогревают бойки или осадочные плиты. Для уменьшения коэффициента трения и получения более равномерной осадки применяются смазочные материалы: сухие древесные опилки, графит с машинным маслом, водный раствор коллоидного графита и жидкого стекла и т. д.

Рис. 4.15. Схема возникновения неравномерной деформации при осадке:

а, б – в заготовках различной формы; в – заготовки большой высоты;

г, д – в заготовках из металла недостаточной пластичности

а б

Рис. 4.16. Операции ковки:

а – неравномерность деформации при осадке; б – высадка

С увеличением общей степени деформации разница местных деформаций у торцевых поверхностей и в центре возрастает. При степени деформации 60 % в зоне I (рис. 4.16, а) металл будет продеформирован на величину около 10 %, а в центре зоны III деформация составляет более 90 %. Поэтому степень закрытия дефектов по объему осаживаемой заготовки будет различной. Для закрытия дефектов, находящихся в зоне I, требуется повышенная степень деформации, что достигают правильным подбором конфигурации бойков и осадочных плит.

Высадка представляет собой осадку на части высоты заготовки. В зависимости от конфигурации поковки утолщение может располагаться как на конце, так и в средней части заготовки. Чаще всего при ковке на молоте утолщенной является концевая часть (рис. 4.16, б). В этом случае заготовку устанавливают на подкладное кольцо, диаметр отверстия которого несколько больше диаметра заготовки. Высадка производится ударами верхнего бойка до получения требуемых размеров фланца.

При нагреве средней по высоте части заготовки до более высоких температур получают осадку в этой зоне.

Оборудование для ковки

Деформирование металла на молотах происходит в условиях динамического характера приложения нагрузки (ударом). Падающие части молота в момент соприкосновения с поковкой (начало деформации) имеют максимальную скорость. В момент окончания деформации скорость падающих частей молотов равна нулю. Кинетическая энергия удара для молотов с неподвижным шаботом составляет, КДж:

, (4.5)

где m – масса падающих частей молота; V – скорость падающих частей в момент начала удара.

Основная часть кинетической энергии удара расходуется на деформацию металла, т. е. используется полезно. Остальная часть энергии теряется на упругие деформации частей молота, на сотрясение шабота и фундамента, на трение при движении падающих частей и т. д. следовательно, КПД удара представляет собой отношение полезно используемой энергии А ко всей кинетической энергии удара Е:

(4.6)

где mш – масса шабота, шабот – крупная отливка из стали, к которой крепится нижний боек, k – коэффициент восстановления, характеризующий степень упругости тела (в зависимости от марки стали k = 0,3–0,7). Чем больше отношение , тем больше КПД удара. У ковочных молотов = 10–15, при этом КПД ≈ 0,7.

Рис. 4.17. Пневматический молот для ковки

Пневматический молот. Наиболее распространенная конструкция такого молота дана на рис. 4.17. В литой станине 10 расположены два цилиндра – компрессорный 9 и рабочий 5, полости которых сообщаются через золотники 7 и 6.

Поршень 8 компрессорного цилиндра перемещается шатуном 14 от кривошипа 15, вращаемого электродвигателем 13 через шестерни 11 и 12 (редуктор). 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 7 или 6, поступает через них в рабочий цилиндр 5. Здесь воздействует на поршень 4 рабочего цилиндра. Поршень 4, выполненный за одно целое с массивным штоком, является одновременно бабой молота, к которой крепят верхний боек 3. В результате падающие части 3 и 4 периодически перемещаются вниз-вверх и наносят удары по заготовке, уложенной на нижний боек 2, который неподвижно закреплен на массивном шаботе 1. Пневматические молоты применяют для ковки мелких поковок (примерно до 20 кг) и изготовляют с массой падающих частей 50–1000 кг.

Рис. 4.18. Гидравлический ковочный пресс

Гидравлические прессы. Это 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 1 (рис. 4.18). Жидкость давит на плунжер 2, который передает усилие перемещающейся по колоннам 4 подвижной поперечине 3. Верхний боек 5 крепят к подвижной поперечине, нижний боек 6 устанавливают на нижней неподвижной поперечине 12. Верхняя неподвижная поперечина 10, в которой находится рабочий цилиндр 1, и нижняя поперечина 12 жестко соединены четырьмя колоннами 4. При опускании поперечины 3 жидкость из возвратных цилиндров 9 вытесняется плунжерами 8, связанными верхней поперечиной 7 и тягами 11 с поперечиной 3. Для подъема последней в исходное положение после рабочего хода жидкость под давлением подается в возвратные цилиндры 9, из рабочего цилиндра вытесняется плунжером 2 в сливной резервуар.

Выбор оборудования для ковки

Ковочные молоты работают по принципу ударного действия, при котором мощность удара определяется главным образом массой падающих частей молота. Металл деформируется за счет энергии, накопленной падающими (подвижными) частями молота к моменту их соударения с заготовкой.

В номинальную массу падающих частей молота входят массы бабы, штока, поршня, верхнего бойка и других, сопряженных с ними деталей. Мощность молота принято выражать массой падающих частей в тоннах (т) и килограммах (кг).

Ориентировочные данные для выбора ковочных молотов в зависимости от формы и размера заготовки приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Данные для выбора массы падающих частей ковочных молотов

Масса пада-ющих частей молота, кг	Максимальное сечение заготовки – сторона квадрата или диаметр исходной заготовки, мм	Примерная масса поковок, кг
гладких	фассонных
50	40	До 8	До 1,5
80	50	8–12	1,5–2
160	65	12–15	2–5
250	75	15–35	5–8
400	100	35–60	8–18
630	125	60–120	18–30
1000	160	120–125	30–70

Расчет размеров и массы заготовки. Массу исходной заготовки при ковке из проката определяют по формуле