Тепловые режимы для обжатия слитков массой 10 т. Влияние тепловых полей на характер течения металла в процессе ковки исследовали при двух режимах нагрева. Режим А. Два слитка (сталь 35) нагревали в пламенной печи до 1220 °С (контроль по оптическому пирометру) с выдержкой для выравнивания температуры по всему сечению. После закатки цапфы под патрон противовеса один слиток ковали протяжкой в комбинированных бойках, второй выдерживали на воздухе в течение 25 мин. Общее время охлаждения с учетом времени подготовительных операций составило 40 мин. По сечению слитков из углеродистой стали массой 10 т, средним диаметром 800 мм за это время создается температурный перепад 350 °С. Затем первый слиток обжимали нижним вырезным бойком (угол выреза 135°) и верхним специальным, контактирующим по части поперечного сечения слитка. После этого слиток подогревали и ковали протяжкой в комбинированных бойках. Пооперационный хронометраж ковки двух поковок (с предварительным охлаждением поверхности и без такового) показывает, что первая поковка находилась под прессом 124 мин, вторая — 100 мин. Общее время работы с поковками составляло 146 и 108 мин, из них на первом этапе 52 и 50 мин соответственно. Увеличение времени процесса ковки первой поковки вызвано вырубкой поверхностных трещин, которая продолжалась 29 мин (трещины слитка раскрылись при операции биллетировки). При обжатии второго слитка с предварительно охлажденной поверхностью трещины существенно не развились, и необходимость в операции вырубки их отпала. Режим Б. На трех слитках одной серии закатали цапфы под патрон противовеса из поддонной части.
Операцию осадки провели на нижней сферической плите с отверстием под цапфу. Для первого слитка выбрали сферическую вогнутую верхнюю плиту, для второго и третьего — выпуклую коническую (с углом при вершине 120°), усеченную. Дополнительный радиальный боковой подпор при осадке третьего слитка конической плитой обеспечивался повышенным сопротивлением деформации охлажденной поверхности сбиллетированной заготовки. Общее время охлаждения заготовки после выдачи из печи составило 40 мин, причем пассивное охлаждение на воздухе продолжалось только 7 мин, т. е. в этом технологическом процессе полезно используется охлаждение слитка на заготовительных операциях ковки. При осадке слитка конической выпуклой плитой внешнее усилие сосредоточивается на нагретой части сечения заготовки, и инструмент не воздействует непосредственно на охлажденную часть, которая оказывает, таким образом, подпирающее действие на осевую область заготовки. Примечательно, что состояние поверхности первой заготовки «после ковки-протяжки бочки на третьем выносе было неудовлетворительным: потребовалась операция вырубки поверхностных трещин, продолжавшаяся 12 мин. У второй и третьей заготовок значительного развития поверхностных трещин не наблюдалось.
Поковки валов, откованные из пяти слитков (по режимам А и Б), термообрабатывали (закалка от 880 °С в воде + отпуск) и исследовали. Ковка с осадкой конической плитой с охлаждением поверхности биллета перед осадкой наибольшее влияние оказала на металл подприбыльной части слитка. Так, на поперечных макротемплетах двух поковок, откованных с осадкой без охлаждения, в центральной области имеют место трещины типа «паучок», которые отсутствуют в поковке, осаженной коническим бойком с предварительным охлаждением поверхности. Рациональное охлаждение для обжатия слитка массой 50 т. Недостатком рассмотренного ранее варианта обжатия с охлаждением при протяжке является пассивное охлаждения слитков на воздухе, которое не только приводит к нерациональной потере ковочной теплоты и недостаточному перепаду температур в сечении слитка, но ухудшает санитарные условия в цехе, создает организационные трудности в работе и требует специальных бойков для каждого типоразмера изложниц. Обжатие по схеме рис. 3.8, а слитка массой 50 т показало возможность сокращения кузнечного цикла на 30 %, отказа от трудоемкой операции осадки, уменьшения времени пассивного охлаждения на воздухе более чем в 3 раза без ухудшения качества металла по всем показателям металлографических и механических испытаний. Длительность и интенсивность охлаждения слитка перед ковкой выбирали по графику на рис. 3.5. Общепринятая технология ковки слитков такой массы включает операцию промежуточной осадки и соответствующий подогрев. Усовершенствованный технологический процесс проводили только протяжкой. После нагрева до ковочной температуры и выдержки в печи для выравнивания температуры по всему объему слиток подали под пресс, где произвели закатку цапфы под патрон противовеса, биллетировку и предварительную ковку в комбинированных бойках «на круг» с уковкой 1,3—1,5. При этом слиток освободился от толстого слоя печной окалины, а силовой контакт с холодными бойками способствовал ускоренному охлаждению металла с поверхности. Затем по всей длине биллета произвели обжатие плоскими бойками со степенью деформации 10—15 % без кантовок; температура на его поверхности снизилась до 800 °С.
Подготовленную таким образом заготовку (рис. 3.9) обжимали без кантовок по всей длине. Бойки — плоские (верхний и нижний). Ширина бойков меньше ширины плоского участка на сбиллетированной заготовке, и при обжатии усилие пресса передается в основном в осевую зону металла, которая имеет меньшее сопротивление деформации, чем наружный, охлажденный с поверхности слой, выполняющий роль оболочки. Эта оболочка остается вне силового воздействия бойков и распирается деформируемым металлом осевой зоны, в свою очередь подвергающемуся сжатию. После завершения прохода по всей длине заготовки ее передали на подогрев, а затем проковали до необходимой формы и размеров по обычной технологии. Таким образом, применение технологического процесса с рациональным охлаждением для обжатия позволило существенно сократить длительность и трудоемкость изготовления поковок, отказаться от операций промежуточной осадки и подогрева, высвободить мощное прессовое оборудование, потребное для осадки, улучшить качество металла по макроструктуре без снижения свойств прочности и пластичности металла поковки. Охлаждение при отделочных операциях. Контроль температуры поверхности поковки на заключительных этапах технологии показал следующее ее распределение по элементам формы. Сопоставление величин сопротивления деформации в зависимости от температуры, а также величин обжатий и подач выявило неблагоприятные условия деформирования металла в области, отмеченной точками. При весьма малых подачах и обжатиях в этой области развиваются осевые растягивающие напряжения, а значительный перепад сопротивления деформации неравномерно охлажденного металла (170 МПа на поверхности, до 12,5 МПа в области галтели и в глубинных слоях еще меньше) ужесточает условия деформирования. Действительно, отмеченная точками область на ряде поковок характеризуется наличием дефектов по ультразвуковому контролю. Учитывая это, целесообразно протяжку осаженного блока производить до размеров большого уступа (фланца) поковки, а затем ковать шейки вала, исключив обжатия фланца после его остывания. Такое изменение технологии позволило устранить дефекты металла по ультразвуковому контролю. Этот пример показателен еще и тем, что перепад температуры (и сопротивления деформации) в сечениях поковки при обжатиях может оказаться не только полезным. В рассмотренном случае, вероятно, имела место преимущественная самостоятельная деформация охлажденных слоев металла, что способствовало разрыхлению осевой зоны.
Напряженно-деформированное состояние на отделочных операциях ковки менее ответственно за качество металла, но все же представляет интерес с точки зрения выбора оптимальной конфигурации инструмента для поковок ответственного назначения и из специальных сталей.
Малая степень деформации при шлихтовочных обжатиях плоскими бойками сопровождается действием растягивающих напряжений в осевой зоне поковки (см. рис. 1.3). Более благоприятное напряженное состояние имеет место при ковке в комбинированных бойках. Опасность появления растягивающих напряжений устраняется с применением для отделки вырезных бойков. Конечно, решение о выборе инструмента надо принимать, учитывая и технологические факторы, например удобство операций рубки, смены бойков для уступов разного диаметра.
