Операции и приемы ковки сплошных поковок
Многообразие технологических процессов ковки сводится, по сути дела, к двум способам — ковке протяжкой и ковке с осадкой заготовки. Не оценивая достоинства и недостатки этих способов с точки зрения производительности работ и технологических параметров (об этом сказано выше) рассмотрим особенности течения металла в связи с геометрическими условиями.
Ковка протяжкой. Этот способ применяется для получения поковок, у которых один размер значительно превосходит два других (типа вала, пластины). Операция протяжки предусматривается и при ковке поковок типа дисков и кубиков с целью предварительной подготовки структуры литой заготовки, выполнения размеров, обеспечивающих увеличение укова при последующей осадке, а также при изготовлении нескольких заготовок под осадку из одного слитка.
В последние годы получили развитие методы улучшения качества металла слитка на первоначальных операциях ковки. К их числу относятся всевозможные варианты предварительного охлаждения поверхности слитков с целью создания схемы всестороннего сжатия и сосредоточения деформаций в осевой зоне заготовок. Эти усовершенствования относятся главным образом к технологическим процессам, в которых предусмотрена небольшая последующая уковка (от 1,5 до 4,0). С увеличением уковки на окончательных операциях ковки, осуществляемых протяжкой, различие в качестве металла, обусловленное условиями ковки на заготовительных операциях, нивелируется. В связи с этим совершенствование приемов протяжки остается объектом пристального внимания исследователей. , Конструирование кузнечного инструмента новой формы, изыскание оптимальных обжатий и подач, температурного интервала ковки, схемы кузнечной технологии — все это звенья решения специфических задач, связанных с особенностями строения стальных слитков. Например, преобладающее осевое течение металла при протяжке может явиться причиной заметной анизотропии механических свойств металла поковки. Сущность пластического потокообразования при ковке состоит в течении металла по поверхностям наибольших касательных напряжений, осуществляемом в условиях зонообразования. Силовое воздействие машины — орудия передается инструментом на заготовку через контактные поверхности; геометрический очаг деформации с других сторон ограничен свободными от внешних сил поверхностями и внешними, недеформируемыми в данный момент частями заготовки. Предписанное, таким образом, расчленение объема заготовки деформационными условиями проявляется в локализации преимущественного течения металла по поверхностям сдвига. Величина единичных обжатий при протяжке зависит от нескольких факторов, в числе которых мощность оборудования, пластичность материала заготовки, окончательная степень вытяжки и т. д.
Кроме технологической цели быстрейшего достижения заданной вытяжки, величина обжатия при ковке с кантовками обусловливает и степень объемной проработки структуры металла. Так, при ковке с большими единичными обжатиями поверхности максимальных сдвиговых деформаций перераспределяются по большей части геометрического очага деформаций. В результате действия контактных сил трения часть объема геометрического очага деформации оказывается в зонах затрудненной деформации. Размеры этих зон в продольном сечении заготовки по мере обжатия уменьшаются, а в поперечном сечении сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Поэтому результаты действия потоков вытеснения металла вдоль оси заготовки и в направлении уширения оказываются различными. Ковка квадратной заготовки с кантовками на 90° и малой величиной единичных обжатий характеризуется меньшим течением в направлении уширения по сравнению с продольным смещением металла. В поперечном сечении заготовки частицы металла смещаются по криволинейным траекториям, мало отличающимся от обжатия к обжатию.
В условиях действия контактного трения части объема металла, находящиеся в зонах затрудненной деформации, смещаются по этим траекториям через раз, в то время как по условным границам зон затрудненной деформации (в диагональных областях) интенсивное смещение имеет место при каждом нажатии. Так как после кантовки на 90° зоны затрудненной деформации и свободные боковые поверхности меняются местами, то в диагональных областях действуют знакопеременные деформационные смещения и сдвиги. Следствием малых обжатий при ковке является локализация преимущественного течения в форме ковочного креста. Кроме местных перенапряжений, повышенного тепловыделения и возможности расслоений металла, такое распределение деформаций приводит к недостаточной проработке структуры в остальном объеме заготовки. Преимущество протяжки с большими единичными обжатиями состоит также в уменьшении абсолютных размеров начальной зоны затрудненной деформации при обжатии после кантовки на 90°. Соответственно увеличивается объем металла, в котором распространены поверхности сдвигов, а области эффективной проработки металла сдвиговыми деформациями охватывают большую часть сечения заготовки. В общем случае единичного обжатия полосы плоскими бойками в очаге деформации образуется две пары поверхностей наибольших сдвигов (рис. 4.1): Площадь первой пары поверхностей более развита — по этим поверхностям меньше локализация сдвиговых деформаций; вместе с тем на них отсутствует чередование течения металла, т. е. первая пара поверхностей сдвига менее опасна с точки зрения нежелательных последствий (например, образования ковочного креста). Единственная линия этого семейства поверхностей, на которой действуют знакопеременные перемещения при ковке с кантовками на 90°: 0\ —01 —0\.
Локализация знакопеременного течения металла происходит вследствие зонообразования и попеременных чередующихся операций (например, обжатия с кантовками или возвратно-поступательного движения заготовки вдоль ее оси).
Уменьшения зоны затрудненной деформации в поперечном сечении заготовки и снижения локализации течения металла по поверхности сдвига второй пары можно достичь уменьшением площади начального контакта инструмента с заготовкой и последующим изменением этой площади. Другим решением этой задачи является протяжка бойками с выпуклой рабочей поверхностью в плоскости поперечного сечения (рис. 4.2). Регулирование течения металла эффективно осуществляется при этом за счет локализации начального контакта и получаемой формы заготовки. После кантовки на 90° представляется возможным регенерировать элементы формы поковки: боковые поверхности, начиная со стороны обжатия, становятся вогнутыми. Процесс ковки при этом сопровождается дополнительными боковыми напряжениями сжатия и сосредоточением деформаций в среднем по высоте (и меньшем по площади) сечении. Изменение поперечного сечения восьмигранного кузнечного слитка при протяжке комбинированными бойками с кантовками на 90 и 45° позволяет сохранить при ковке восьмигранную форму заготовки. Это дает возможность регулировать течение металла без существенной локализации наибольших сдвиговых деформаций в области ковочного креста (рис. 4.3). Первый цикл заключается в четырех обжатиях с кантовками на 90° в одном направлении (например, по часовой стрелке). Затем слиток устанавливают на ребро, смежное с отсчетным (т. е. кантуют на 45°), и проводят второй цикл — четыре обжатия с кантовками на 90° в противоположном направлении (против часовой стрелки). Два цикла ковки, таким образом, составляют сложный переход протяжки. После этого слиток перемещают в осевом направлении на величину заданной подачи и проводят следующие два цикла ковки до завершения прохода по длине слитка. Окончательную ковку осуществляют с уменьшением углов кантовок. В перечисленных выше способах ковки применялся кузнечный инструмент с прямолинейным фронтом, который создавал прямолинейную границу подачи и вызывал действие поверхностей наибольших сдвигов с прямолинейными образующими этих поверхностей (см., например, рис. 4.1, линия а[—а\—а{). Рассредоточения локализации деформации путем увеличения площади поверхностей наибольших сдвигов можно достичь, увеличивая протяженность фронта бойков, т. е. применяя бойки с непрямолинейным фронтом. При этом границы геометрического очага деформаций получаются более развитыми, чем при протяжке обычными плоскими бойками с прямолинейным фронтом. Изменение фронта кузнечных бойков приводит к перераспределению деформации не только по первой паре поверхностей сдвига. Различные ориентация и величина кратчайших нормалей от нейтральных линий геометрического очага деформаций вызывают существенные изменения в конфигурации второй пары поверхностей сдвигов.
Показанные на рис. 4.4 схемы построены для плоских бойков с фронтом, симметричным относительно продольной оси заготовки (за исключением схем, а и б), причем верхний и нижний бойки принимаются одинаковыми по форме и относительному расположению. В общем случае переменными параметрами описанного инструмента могут быть кривизна элементов фронта, их периодичность, причем процесс ковки целесообразно вести без перекрытия границы подач, так, чтобы работали оба фронта бойков (передний и задний). Сравнение схем /, б и /, в (по рис. 4.4) для каждого типа бойка показывает незначительную разницу в характере поля кратчайших нормалей при волнообразном фронте. Вместе с тем увеличения протяженности фронта бойков (и развития площади поверхностей наибольших сдвигов) можно достичь и для прямолинейной границы подачи, но расположенной относительно продольной оси заготовки под углом, отличным от 90°. Во всех случаях следует учитывать характер напряженного состояния, зависящий от конфигурации фронта бойков. Так, бойки по рис. 4.4 обеспечивают дополнительные напряжения сжатия в осевой зоне заготовки вследствие затрудненного уширения у свободных поверхностей и большей величины предписанных перемещений в средней части ее. При ковке с перекрытием границ подач бойками (рис. 4.4, схема /, а) такой характер течения металла сохраняется при подаче от себя или на себя. С позиций конфигурации фронта вырезные бойки можно рассматривать как имеющие непрямолинейный фронт в плоскости, совпадающей при ковке с поперечным сечением заготовки.
