В общем объеме выпускаемых для машиностроения заготовок доля полых изделий невелика. Это объясняется невозможностью получения отверстий и полостей в сколь угодно широком диапазоне соотношений размеров. Однако решение задачи получения отверстия в заготовке на стадии обработки давлением приносит не только ощутимую экономию станко-часов при механической обработке детали, но позволяет значительно снизить расход металла с напусками — иногда до 50 % массы изделия. Осадка полых слитков. Как правило, полые поковки получают по двум технологическим схемам: 1) ковкой с прошивкой сплошной заготовки и последующей раскаткой или протяжкой биллета на оправке; 2) ковкой из полого слитка. По техническим показателям (производительность работы, коэффициент использования металла) вторая технологическая схема более прогрессивна. Однако этой схеме присущи недостатки, связанные с использованием полого слитка: необходимость содержания большого парка изложниц, большое отношение высоты слитка к диаметру и сравнительно небольшой диаметр внутреннего отверстия. Обычная осадка полого слитка приводит к сокращению диаметра внутреннего отверстия, к образованию складок на внутренней поверхности, переходящих в зажимы и трещины при дальнейшей протяжке и раскатке. Предварительная раскатка полого слитка с целью увеличения отверстия в большинстве случаев невозможна из-за недостаточной прочности оправки и значительных упругих прогибов. Усовершенствование процесса заключается в следующем. Нагретая до ковочной температуры полая заготовка (например, пустотелый слиток) подается на имеющие осевые отверстия бойки, а оправка вводится во внутреннюю полость заготовки и в осевые сверления бойков, обеспечивая одновременно центровку всей системы. При осадке оправка препятствует смыканию внутренней полости заготовки и предотвращает образование складок и зажимов на внутренней ее поверхности; металл заготовки плотно облегает оправку.
Осаженный блок вместе с оправкой подается на опоры и подвергается раскатке. После окончания процесса раскатки, сопровождающегося увеличением внутреннего и наружного диаметров поковки, а также и ее ширины, оправка свободно извлекается. Длина оправки может быть не обязательно больше длины слитка. Для предотвращения закрытия осевого канала при осадке оправку располагают лишь в зоне интенсивного радиального течения металла. Короткую оправку подвешивают на середине высоты в канале заготовки, а после осадки производят ее выталкивание прошивкой. Другая возможность предотвращения смыкания осевой полости полой заготовки при торцовой осадке состоит в применении сыпучих наполнителей. Отдельные частицы наполнителя, не связанные жестко между собой, при уменьшении высоты заготовки могут перемещаться и воздействовать на стенки канала. При этом отверстие не только не закрывается, но его диаметр в средней части длины даже увеличивается, что дает возможность производить последующую раскатку на оправке большего диаметра.
Протяжку на оправке методом свободной ковки производят при соотношении габаритных размеров полой детали D/d > 1,5, HI(D — d) > 1, где.), d, H —габаритные размеры детали (соответственно внешний и внутренний диаметр, высота).
В качестве предварительной заготовки для протяжки на оправке применяют сплошные нормальные кузнечные слитки и бесприбыльные, позволяющие снизить коэффициент расхода металла с 1,6 до 1,2—1,3. Использование нормальных кузнечных слитков вызывает необходимость введения прошивки осаженного блока. Применение слитков другого типа встречает ряд трудностей.
Бесприбыльные слитки массой более 15 т не отливают. Кроме того, усадочная раковина в этих слитках сосредоточивается в верхней части и распространяется от центральной части слитка до его краев. При ковке и прошивке центральную часть усадочной раковины частично удаляют. Однако часть ее остается в поковке и служит причиной скопления трещин у торца со стороны усадочной раковины — так называемая бахрома, на что обычно дают дополнительный припуск. Для получения исходной кузнечной заготовки используют иногда полые слитки, но небольшой массы. Кроме того, за счет полых слитков удается снизить расход металла на 4т поковок на 10 %. Применение полых слитков обеспечивает достаточную проработку структуры даже при уковке 1,5—2.
Формоизменение при протяжке на оправке. При протяжке полой толстостенной заготовки на оправке плоскими, вырезными или комбинированными бойками образуются дефекты на торцах поковок за счет отставания заготовки от оправки и неравномерности удлинения в очаге деформации (работа была проведена при участии Ю. М. Антощенкова). При ковке круглой заготовки плоскопараллельными бойками наблюдаются три пары зон: зона затрудненной деформации, зона пластической деформации и свободная зона, в которых под воздействием пластических макро потоков возникает жесткое перемещение металла к поверхности заготовки. Свободные зоны характеризуются тем, что в процессе поперечной деформации полой заготовки с жесткой оправкой существует разрыв нормальных составляющих скоростей перемещения металла заготовки и неподвижной оправки, а также перемещений в направлении, перпендикулярном к действию внешней силы. Разница между нормальными составляющими перемещений оправки (которая неподвижна) и (пластической зоны приводит к отставанию слоев металла заготовки от поверхности оправки в горизонтальном направлении. При обжатии вырезными или комбинированными бойками, кроме зон, существующих при ковке полой заготовки на плоскопараллельных бойках, появляется зона, размеры которой ограничены углом охвата вырезного бойка и зонами пластической деформации. Отставание металла от оправки приводит к возникновению зажимов с внутренней поверхности полой заготовки при дальнейших переходах обжатий. Величина зажима зависит от соотношения размеров исходной заготовки, абсолютной подачи, степени деформации, диаметра оправки. Диаметр оправки для протяжки полой заготовки определяют из соотношения d0 = 0,94d.
С целью уменьшения разнотолщинности исходной полой заготовки после прошивки предусматривают операцию раскатки перед последующей протяжкой на оправке. При раскатке внутренний диаметр полой заготовки увеличивают на 50—100 мм. Это приводит к тому, что в первый момент протяжки до соприкосновения внутренней поверхности заготовки с поверхностью оправки происходит расплющивание заготовки.
При дальнейшем обжатии увеличение периметра внутреннего отверстия заготовки происходит за счет внедрения оправки в пластическую зону, сопровождающегося частичным отслоением металла от поверхности оправки. При этом отмечается неравномерность отставания металла по длине очага деформации: максимальное на торце заготовки и минимальное в месте стыковки очага деформации с внешним жестким концом. О соотношении уширения и удлинения при отсутствии внешних частей, стыкующихся с очагом деформации, судили по результатам осадки квадратных образцов на круглой оправке. В результате обжатия по схеме, приведенной на рис. 4.15, квадратная заготовка получала неравномерное уширение и удлинение. При этом измеряли только максимальную ширину осаженного образца при заданной степени деформации. Максимальное уширение получили слои образца, непосредственно расположенные у поверхности оправки. Соотношение размеров осаживаемых образцов на составляло 0,522; оправки имели различный диаметр. Уширение подсчитывали в процентах относительно высотной деформации, где 0 и 0 — высота и ширина исходного образца; H —наименьшая конечная высота и наибольшая ширина образца.
Относительное уширение в большей степени зависит от соотношения размеров образцов и оправки и в меньшей мере от степени деформации.
При обжатии образцов на оправке большого диаметра, что соответствует осадке на плоских бойках, относительное уширение для квадратных образцов составляет 50 %. При обжатиях на оправках меньшего диаметра относительное уширение изменяется в зависимости от соотношения Н!а: при Н/а = 2 увеличивается, при #/а=0,5 уменьшается и при HI а— 1 остается постоянным. Относительное уширение В незначительно зависит от степени деформации и в большей мере от соотношения размеров заготовки. Чем больше диаметр оправки и отношение Я/а, тем больше относительное уширение. ^Поэтому в процессе протяжки полой заготовки на оправке, характеризующемся последовательным изменением толщины стенки поковки от большего к меньшему, относительное уширение в начальный момент обжатия принимает максимальное значение, а затем уменьшается. Однако на всем протяжении деформирования максимальное уширение получают слои заготовки, расположенные в непосредственной близости к поверхности оправки. Уширение полой заготовки при ковке-протяжке, а также отслоение внутренних слоев от поверхности оправки в горизонтальном направлении, увеличение периметра внутреннего отверстия в дальнейшем обусловливают складкообразование в полости заготовки. Уменьшить это явление посредством изменения технологических параметров (варьированием степени обжатия и подачами) невозможно вследствие особенностей обжатия при протяжке на оправке. Кроме того, течению металла в продольном направлении (удлинению поковки) препятствуют силы трения, действующие по поверхности оправки и заготовки. Таким образом, с целью интенсификации удлинения за счет уменьшения сил трения необходимо, чтобы та часть оправки, которая в данный момент не участвует в пластической деформации, имела диаметр несколько меньше диаметра рабочей поверхности . Рабочая часть оправки шириной «В» имеет диаметр несколько больший ширины корпуса оправки и выполнена конической с углом у. Это позволяет за счет продольной составляющей макро потока еще больше интенсифицировать удлинение и тем самым уменьшить уширение заготовки при протяжке. Для того чтобы не происходило зажимов оправки во внутренней полости заготовки, ширина «В» рабочей ступени должна быть несколько больше ширины (или абсолютной подачи) бойков Вб.
