Рассматривая деформационный эффект бойков со скрещивающимися рабочими поверхностями как полученный вследствие макро сдвига в поперечной плоскости заготовки (т. е. принимая деформацию в очаге обжатия плоской), устанавливаем количественные соотношения между конечными сдвиговыми и нормальными деформациями (последние для объемного трехмерного течения, происходящего при ковке обычными бойками):
Таким образом, с принятым допущением потребные сдвиговые деформации оказываются в 1,4 раза меньше, чем нормальные. Как следует из анализа деформированных координатных решеток, сдвиговые деформации при ковке бойками со скрещивающимся фронтом при общей уковке 4 составляют в очаге деформации 7 = 24°, т. е. 0,415 рад. Это дает соотношение нормальных и сдвиговых деформаций 10 : 1, полученное непосредственно из эксперимента по ковке слитков массой 1,7 т, т. е. потенциально тот же самый деформационный эффект можно достичь при сдвиговых деформациях в 10 раз меньших нормальных, рассчитанных по уковке. Степень реализации дополнительных макро сдвиговых деформаций в зависимости от основных параметров процесса ковки бойками со скрещивающимися рабочими поверхностями установлена из уравнения регрессии для этого процесса.
В рассмотренных и установленных оптимальных интервалах варьирования угла скрещивания рабочих поверхностей бойков Ц (100—140°) и степеней обжатия *2 (10—25 %) макро сдвиговые деформации составят 0,86—0,92, что в пересчете по установленному выше соотношению соответствует уковке 8,6—9,2. В то же время уковка на экспериментальной поковке составляла 4. Таким образом, при ковке новыми бойками деформация более чем в 2 раза превышает расчетную. Практическая важность приведенного анализа состоит в возможности более эффективной деформационной проработки металла при ковке новыми бойками или в снижении общей уковки на поковке до двух раз (при условии обеспечения эквивалентной обычному способу ковки проработки структуры металла).
Требования к качеству поковок для машино и судостроения связаны с проблемами прочности металла, эксплуатационной надежности и долговечности изделий. Повышение нагрузок, интенсификация режимов работы, стремление к уменьшению массы и габаритов агрегатов при сохранении мощности приводят к изысканию новых материалов с повышенной прочностью и новых конструктивных решений. Вместе с тем увеличение эксплуатационной надежности крупных агрегатов и эффективности использования и рентабельности эксплуатации машин можно достичь, используя возможности кузнечных средств повышения качества металла. В процессе эксплуатации судов нарушение работы валопровода приводит либо к снижению скорости хода судна, либо к полной его остановке, а поломка вала турбогенератора — к аварии. Ответственность поковок такого типа иллюстрируется следующими цифрами: по данным бюро «Веритас» (Франция), на судах, снабженных валами диаметром свыше 400 мм, число аварий составляет 25,5 % от всех судов. По американским данным, 34 % гребных валов океанских одновинтовых судов, эксплуатируемых в США, заменяют после трехлетней эксплуатации. По статистике, замена гребных валов на судах, поднадзорных регистру Ллойда, за десять лет с момента эксплуатации была произведена более чем на 33 %.
Валы в процессе эксплуатации испытывают действие крутящего момента, динамических сил, силы тяжести самого вала, изгибающего момента, сил инерции. Наряду с основными нагрузками на вал действуют дополнительные импульсные и ударные нагрузки, имеющие знакопеременный и циклический характер приложения. Исследования поврежденных валов показывают, что причинами их поломки во время эксплуатации являются поверхностные трещины коррозионного и усталостного характера. Длительный опыт эксплуатации крупных валов ответственного назначения как в нашей стране, так и за рубежом показывает, что с увеличением внешнего диаметра вала свыше 600 мм большой процент их аварий объясняется недостаточной усталостной долговечностью металла поковок, получаемых из крупных слитков (или усталостной выносливостью). Следовательно, одним из источников повышения надежности машин является увеличение усталостной долговечности деталей за счет использования резерва механических свойств металла при ковке с заданным макро течением.
Долговечность работы деталей характеризуют коэффициентом усталостной долговечности
Сравнение качества металла по механическим свойствам и коэффициенту усталостной долговечности, выполненное для поковок, откованных по-новому и обычными способами (табл. 4.3— 4.7), приводит к двум выводам: 1) без ухудшения качества металла и снижения надежности деталей можно уменьшить усредненное нормальное обжатие (уковку) при условии применения одного из рекомендованных новых способов ковки; 2) применяя новые способы ковки со старыми нормативными значениями уковки, можно получить детали с большими коэффициентами усталостной долговечности. Обсуждаемые результаты исследований можно количественно обобщить графиками. При этом обязательно применение новых способов ковки. Коэффициент эквивалентности показывает, во сколько раз требовалось бы изменить величину уковки на единицу изменения надежности: где Kf—уковка по обычной технологии; Ку.в.об и ^у. в. нов — коэффициенты усталостной долговечности по обычной и новой технологиям. Например, исследованием качества металла поковок, откованных из слитков массой 125 т (сталь 25), было установлено преимущество ковки с форсированным нагревом (табл. 4.3) и с биллетировкой на вогнутую боковую поверхность (табл. 4.4). Достигнутое повышение коэффициента усталостной долговечности металла поковки, откованной новым способом, можно было бы получить при эквивалентном повышении общей уковки (при ковке обычным способом) до Кэ = 2,9-2,98/1,61 = 5,35. Вместе с тем результаты исследований показывают, что для обеспечения высокого качества металла поковки минимальную уковку можно уменьшить в 1,6 раза за счет биллетировки на вогнутую боковую поверхность перед операцией осадки.
Преимущества ковки поковок гребных валов из слитков массой 40 т (сталь 35) с новым режимом кантовок отражены в табл. 4.5. Таким образом, получены экспериментальные данные о возможности уменьшения уковки в 1,75 раза за счет применения нового режима кантовок при ковке не только без ухудшения качества металла, но и с увеличением достигнутого коэффициента усталостной долговечности.
При ковке с предварительным охлаждением поверхности слитка массой 53 т (сталь 36ХНЗМФА) и обжатием узкими бойками по плоским участкам, проведенной без операции осадки, уковку уменьшили в 1,6 раза не только без ухудшения качества металла, но даже с увеличением коэффициента усталостной долговечности.
Применение бойков со скрещивающимися рабочими поверхностями позволило снизить уковку в 1,5 раза при ковке слитков массой 7 т. Этот результат хорошо согласуется с полученным по координатным решеткам увеличением макро сдвиговых деформаций при ковке с у ковкой 4. Практически график на рис. 4.28 используют в соответствии с показанным ключом: на оси абсцисс отложена нормативная величина уковки, от которой переходят по оси ординат до кривой Л, затем горизонтально до кривой Б, после чего, возвращаясь на ось абсцисс, получают новое значение уковки, необходимое при ковке по одному из четырех новых способов. Диапазон применения каждого из этих способов зависит от конфигурации поковки и для удобства отмечен отрезками на оси уковок подсчитываемых традиционно (как отношение площади поперечного сечения слитка к площади поперечного сечения поковки) по наименьшему значению.
Приведенные результаты исследования механических свойств металла поковок в широком диапазоне масс слитков с варьированием уковки на поковках от 1,8 до 8 показывают, что за счет применения новых способов ковки можно снизить уковку в 1,5— 1,75 раза при сопутствующем увеличении коэффициента усталостной долговечности.
