Напряженно-деформированное состояние металла при протяжке в значительной мере зависит от относительной подачи. Например, при малых подачах (0,2—0,4) в осевой зоне заготовки действуют продольные растягивающие напряжения. При этом существует возможность образования поперечных трещин. Результаты исследований и производственных наблюдений ковки слитков массой 75—100 т показали, что после ковки протяжкой с подачами 0,30—0,45 в осевой зоне поковок всегда обнаруживали трещины методом ультразвукового контроля. Вопрос оптимальной подачи не решается однозначно. Установлено, что в случае протяжки с подачей 0,5 в центральной части поперечного сечения заготовки отсутствуют растягивающие напряжения. Эту величину можно принять в качестве нижнего предела оптимальной подачи. Экспериментально установлено, что увеличивать подачу более 1,2—1,35 нецелесообразно, так как снижается производительность процесса протяжки вследствие значительного роста уширения. В связи с этим для сочетания благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния с приемлемой производительностью работы рекомендуют диапазон подач 0,4—0,8. На некоторых этапах протяжки относительные подачи в указанных выше пределах не всегда выполнимы. Это объясняется тем, что при осадке крупных слитков диаметр бочки иногда достигает размеров в 3—4 раза больших ширины бойков пресса, и при первых проходах такого осаженного слитка относительная подача составляет 0,2—0,3. В связи с этим приходится увеличивать ширину бойков для ковки крупных поковок с целью лучшей заковки несплошностей и проработки металла осевой зоны слитка. При ковке квадратной заготовки плоскими бойками величина обжатия мало влияет на напряженно-деформированное состояние вследствие малого изменения контактной поверхности при ковке. При обжатии круглой заготовки плоскими бойками ширина контакта бойков с заготовкой изменяется значительно, что сказывается на распределении деформаций и напряжений; величина обжатия при ковке круглой заготовки в комбинированных и вырезных бойках также имеет большое значение. Достижение заданного распределения деформаций и создание благоприятных условий для интенсивной проработки металла осевой зоны слитка зависят от режима ковки. По оси поковки деформация достигает наибольшей величины посредине подач и наименьшей — на стыках подач. Увеличение числа проходов со смещением границ подач в смежных проходах способствует выравниванию деформаций по длине поковки, так как зоны интенсивной и затрудненной деформации при каждом последующем проходе меняются местами. Хорошая проработка осевой зоны поковки обеспечивается при протяжке по схемам круг — квадрат — квадрат — круг или круг — пластина — пластина — круг. Важным технологическим параметром является угол кантовки между обжатиями. При ковке в комбинированных и вырезных бойках этот параметр один из основных, влияющих на производительность процесса протяжки. Наряду с удовлетворительной производительностью для обеспечения хорошей проковки металла в осевой зоне рекомендуют угол кантовки 90° в бойках с углом выреза 100°. С заменой гидравлических прессов на автоматические ковочные комплексы, где возможно точное выполнение заданного угла кантовки, возможности использования этого параметра для регулирования напряженно-деформированного состояния возрастут. Особое место в кузнечной практике отведено параметрам инструмента. При установлении типа и формы требуемых бойков учитывают интенсивность протяжки, возможность обеспечения заданной деформации и схемы объемного напряженного состояния сжатия.
Напряженно-деформированное состояние металла заготовки зависит, точнее, от взаимного сочетания параметров бойков и конфигурации заготовки. При ковке бойками, которые с начального момента деформирования создают контакт по максимальной части периметра поперечного сечения заготовки, действуют напряжения всестороннего сжатия. Минимальная поверхность контакта имеет место у плоских бойков с круглой заготовкой. При ковке круглой заготовки плоскими бойками по схеме круг — круг в осевой зоне возникают растягивающие напряжения, являющиеся одной из причин трещинообразования. При протяжке крупной заготовки вырезными бойками имеет значение конструкция бойка, характеризуемая глубиной выреза, радиусом выреза, углом выреза и соотношением между радиусами заготовки и выреза. В промышленности получили широкое применение бойки с углом выреза 105—120°. Соотношение между радиусом сечения заготовки и радиусом выреза бойка в большей степени влияет на распределение деформаций в объеме поковки и в меньшей — на напряженное состояние. При ковке в ромбических бойках лучше прорабатываются поверхностные слои поковки, а при ковке овальными вырезными бойками наиболее эффективная проработка металла происходит в осевой зоне. В условиях единичного и мелкосерийного производства область применения ромбических и тем более овальных вырезных бойков ограничена из-за необходимости частой их замены в процессе ковки. Поэтому протяжку слитков ведут, как правило, в комбинированных бойках как наиболее универсальных и удобных в эксплуатации. Напряженно-деформированное состояние и вероятность разрушения металла при ковке в этих бойках определяются углом выреза нижнего бойка, величиной относительной подачи, обжатием за ход процесса и углом кантовки. Угол выреза нижнего бойка рекомендуется выбирать в интервале 100—135°. С увеличением угла выреза нижнего бойка повышается возможная величина уковки в данных бойках, однако при этом возрастает вероятность появления в осевой зоне заготовки растягивающих напряжений. Влияние инструмента и рассмотренных технологических пара метров на напряженно-деформированное состояние в металле при ковке слитков, имеющих традиционное восьмигранное сечение, можно считать доминирующим. Пути повышения эффективности деформирования стали. Правильное использование температурного фактора помогает значительно интенсифицировать технологический процесс ковки. Увеличение поверхности слитка по отношению к его объему, например, в результате изменения его конфигурации позволяет сократить время нагрева. Пластичность высокоуглеродистых сталей увеличивают путем предварительного нагрева их до повышенной температуры с последующим охлаждением до общепринятых температур начала деформации. Комбинирование нагрева и охлаждения слитков, обеспечивающее различный характер тепловых полей перед ковкой, представляет собой эффективное средство получения заданного распределения деформаций при ковке поковок из слитков.
Для слитка трех зонного строения тепловые поля подразделяют на четыре вида. Равномерный нагрев по сечению наиболее распространен в кузнечной практике. Применение форсированного нагрева перед операцией биллетировки, предшествующей осадке, обусловливает сокращение времени нагрева и уменьшение возможности разрыва металла в осевой зоне слитка при малых обжатиях во время биллетировки. Охлаждение поверхности слитка перед ковкой позволяет улучшить проработку осевой зоны слитка. Комбинирование нагрева и охлаждения дает возможность сосредоточить деформации при ковке в зоне внеосевой ликвации.
Операция осадки при производстве поковок типа валов не имеет самостоятельного формообразующего назначения, поэтому необходимость ее применения рассматривают в связи со схемами течения металла при протяжке и осадке и происходящими при этом изменениями элементов макро строения слитка. В кузнечном производстве применяют, как правило, при осадке сферически вогнутые плиты. Средняя по оси часть осаженного блока оказывается при этом продеформированной в большей степени, чем зоны, примыкающие к осадочным плитам. Применение различного вида инструмента для осадки позволяет регулировать распределение деформаций по высоте осаженных блоков. При осадке коническим бойком получают наибольший эффект по заварке дефектов усадочного происхождения, а при осадке рельефными бойками — равномерную проработку металла по всему объему поковки с раздроблением литой структуры в при контактных зонах. Значительное влияние на распределение деформаций и напряжений при осадке оказывает конфигурация заготовки. Так, для уплотнения металла в осевой зоне используют эффект подпирающего воздействия вогнутых боковых поверхностей. При осадке слитка, предварительно сбиллетированного с получением вогнутой боковой поверхности, средняя по его высоте зона находится в ярко выраженном объемном напряженном состоянии сжатия. В конце осадки боковая поверхность блока близка к цилиндрической, что уменьшает вероятность растягивающих напряжений в наружных слоях металла. Вследствие разности сечений по высоте слитка в средней зоне наблюдается не только повышение напряжений сжатия, но и сосредоточение деформаций, что создает благоприятные предпосылки для заварки внутренних дефектов.
В настоящее время за усредненный технологический показатель деформации принята уковка, которую определяют как отношение большей площади к меньшей площади поперечного сечения заготовки до и после деформации. Однако знать только величину уковки для характеристики макроструктуры и механических свойств металла поковок недостаточно. В последнее время большое развитие получили работы по изысканию новых технологических процессов, позволяющих регулировать течение металла в процессе ковки, создать заданную схему напряженно-деформированного состояния металла и обеспечить получение заданных механических свойств в определенном (заданном) направлении. Знание влияния описанных выше технологических параметров на характер распределения деформаций и напряжений дает возможность управлять процессом ковки.
Использование бойков со скосами или имеющих сферический профиль рабочих кромок уменьшает растягивающие напряжения на поверхности заготовок и способствует уменьшению развития поверхностных трещин. Преимущественные условия для проработки в комбинированных бойках зоны вне осевой ликвации и перемещения ее к осевой зоне заготовки обеспечивает режим кантовок 3 X 90°. Применение бойков, позволяющих последовательно изменять в процессе протяжки угол выреза бойков, относительную подачу и единичное обжатие, дает возможность управлять очагом деформации и достигать в заданном участке сечения поковки наибольшей проработки металла либо обеспечить равномерную проработку металла по сечению. Для уменьшения трещинообразования на поверхности заготовки биллетировку проводят рельефным инструментом, у которого линии рельефа на рабочих поверхностях имеют разное направление. Большую роль в раздроблении литой структуры исходного слитка наряду с нормальными деформациями играют сдвиговые. Применение специальных бойков, создающих дополнительные макро сдвиговые деформации в металле, позволяет при незначительных величинах среднего укова получить хорошо про деформированную структуру металла поковки.
