В практике кузнечных цехов машиностроительных заводов конфигурацию слитков характеризуют в основном четырьмя параметрами:
1) отношением поперечного размера к длине корпуса слитка (нормальные, удлиненные и укороченные или «широкие»);
2) конусностью (в том числе двойной, тройной);
3) гранностью — формой слитка в поперечном сечении (круглые, двадцатичетырехгранные, двенадцатигранные, восьмигранные, шестигранные, четырехгранные);
4) наличием осевой полости — полые слитки.
Такие параметры, как масса прибыли по отношению к массе слитка, характер прибыльной надставки (стационарная, плавающая или внутренняя), форма донной части, обычно относят к характеристикам металлургических условий затвердевания стали. Так или иначе, все перечисленные параметры влияют в большей степени на формирование структуры слитка и значительно меньше определяют течение металла при ковке. Исключение составляют полые слитки и четырехгранные при ковке по схеме круг — круг.
По оптимальным условиям разливки для предотвращения поверхностных трещин на слитках наилучшей формой поперечного сечения изложницы является квадратный контур с волнистыми гранями. Причем для сокращения цикла обработки давлением целесообразно приближать форму поперечного сечения слитка к форме готового изделия. Для поковок, сечение которых приближается к кругу, слитки отливают в шести-, восьми и двенадцатигранных изложницах. Изделия типа плит и пластин с наименьшими трудозатратами можно ковать из слитков прямоугольного сечения, отливаемых в «листовые» изложницы.
При наличии в технологическом процессе специфических операций ковки (осадки, протяжки с последующей разрубкой на мерные заготовки под осадку, ковки на круг через пластину), вводимых для существенного улучшения качества металла, форму слитка следует рассматривать как фактор, влияющий на качество металла. 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 течения 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. Опытная проверка экспериментальных заготовок с внутренними продольными стержнями для определения деформаций показала, что при средней уковке 1,3 деформация в осевой зоне составила 71 %. Тогда как ковка модели обычного восьмигранного слитка с такими же стержнями даже при большей уковке (1,5) привела к меньшей деформации осевой зоны — 56 %. Улучшение проработки металла осевой зоны в ряде случаев позволяет ликвидировать операцию осадки, так как достаточная площадь поперечного сечения слитка (за счет большего отношения поперечных размеров) обеспечивает заданное сечение поковки. Слитки рассмотренной конфигурации обладают большим отношением периметра к площади поперечного сечения по сравнению с обычными кузнечными слитками. А это значит, что при разливке стали условия кристаллизации металла в изложницах будут более благоприятные как для предотвращения продольных трещин по границам слитка, так и для уменьшения осевой пористости и ликвационных явлений. Разработка формы поперечного сечения слитка. Внешнее усилие при ковке в комбинированных бойках передается на заготовку от трех плоскостей, середины которых являются вершинами вписанного треугольника. В связи с этим сконструировано несколько форм поперечных сечений с постепенным переходом от традиционной восьмигранной к треугольной. При последовательном переходе от одной формы к другой увеличивали радиус трех вогнутых граней R с одновременным уменьшением толщины образующихся лепестков. Отношение этих двух размеров влияет как на условия кристаллизации, так и на условия деформирования слитка. С увеличением R и уменьшением толщины лепестка увеличивается относительный периметр поперечного сечения слитка, а следовательно, и скорость кристаллизации металла в изложнице такой формы. Построение трех лепесткового контура начинают с окружности диаметра D0: ее делят на три части осевыми линиями под углом 120°. Из точек пересечения осевых линий с окружностью проводят внутри нее прямые линии под углом 135° друг к другу. На этих прямых откладывают отрезки С2 и, соединив их концы, получают контуры девятигранника с шестью малыми С2 и тремя большими Сг гранями. При подборе радиуса больших вогнутых граней надо учесть необходимость свободной усадки металла при кристаллизации в изложнице в направлении оси симметрии. Далее подбирают радиус /?2- Построение заканчивают в углах радиусами закругления и Для построения сечений, равновеликих обычному восьмигранному сечению, целесообразно разработать программу расчета на ЭВМ. Определив описанные диаметры при равных площадях сечений, строят контуры слитков. Форма сечения, имеющая три лепестка, называется трех лепестковой. Для решения вопроса об эффективности сконструированных контуров трех лепестковых 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, где S0 не соответственно площади исходной и конечной координатных ячеек. На основании полученных данных строят график зависимости распределения деформаций по сечению откованных четырех различных заготовок 2, 3, 4 и 5. Из заготовок 4 и 5 не удается получить круглую поковку без поверхностных зажимов в области больших вогнутых граней. Наилучшие результаты по 135^0" величине деформации в центре поперечного сечения (0,52 при среднем логарифмическом коэффициенте уковки 0,18) при получении круглой поковки без поверхностных зажимов показала заготовка 3. У заготовок 2, 4 и 5 отмечено уменьшение деформации в центральной зоне по сравнению с участками, расположенными на расстоянии от поверхности. У заготовки это объясняется тем, что ввиду большого отношения ширины лепестка к радиусу больших вогнутых граней (d/R=1) 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 2/3R 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 трех лепесткового слитка в сравнении с параметрами восьмигранного слитка равновеликого сечения.
