Сущность ковки. Операции свободной ковки. Характеристики

Деформации при ковке

Ковка представляет собой широко распространенный способ обработки металлов давлением с целью получения изделий, называемых поковками.

Ковка – способ обработки давлением, при котором деформирование нагретого (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота или однократным давлением пресса.

Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях, перпендикулярных к движению деформирующего инструмента. При свободной ковке течение металла ограничено частично, трением на контактной поверхности деформируемый металл – поверхность инструмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов.

Различают ручную и машинную свободную ковку, которые осуществляются с помощью различного кузнечного инструмента (рисунок 42). Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве.

Машинная свободная ковка осуществляется с применением кузнечно – прессовых машин. Мелкие и средние по массе поковки (массой до 750 кг) изготовляют на молотах, а крупные (массой до 350 т) – на прессах.

а

б

в

а – обжимки; б – наметки, пережимки, раскатки; в – прошивки

Рисунок 42 – Основной кузнечный инструмент

Технологические процессы ковки представляют собой различное сочетание и последовательность основных и вспомогательных операций, таких как осадка, протяжка, прошивка, гибка, кручение, рубка, кузнечная сварка, а также операции отделки и термической обработки (если это требуется).

Осадка – это операция, при которой за счет обжатия по высоте увеличивается площадь поперечного сечения заготовки, перпендикулярного к деформирующей силе (рисунок 43, а).

Осадка является основной операцией для получения формы поковки, но может при-

меняться также как промежуточная для устранения литой структуры или анизотропии свойств металла.

а – осадка; б – высадка; в – протяжка; г – рубка; д – прошивка; е – раскатка;

ж – рубка; з – кручение; и – сварка

Рисунок 43 – Операции свободной ковки

При выполнении осадки требуется, чтобы инструмент перекрывал заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, это характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.

Во избежание продольного изгиба заготовки необходимо, чтобы при осадке выполнялось следующее условие:

,

где и – соответственно начальная толщина, ширина или диаметр заготовки, мм.

Деформация металла при осадке характеризуется коэффициентом ковки:

, (62)

где – коэффициент ковки при осадке;

– толщина поковки после осадки, мм;

– площадь поперечного сечения заготовки и поковки, мм².

Разновидностью осадки является высадка части заготовки. Высадка может быть

осуществлена при нагревании только определенной части заготовки (на конце или в середине) или ограничением деформации части заготовки кольцевым инструментом (рисунок 43, б).

Очень важным условием при осадке является условие плоской (двумерной) деформации, т.е. деформации без уширения: при (где и – соответственно начальные длина и ширина заготовки, мм) деформация является двумерной, и металл течет только в направлении длины.

Усилие при осадке определяется по той же формуле, что и при прокатке .

Однако контактная площадь определяется иначе

, (63)

где – ширина и длина полученной поковки, мм.

Среднее давление металла на инструмент можно определять, как и при прокатке по формуле

.

Однако в отличие от процесса прокатки коэффициент напряженного состояния при ковке определяется весьма сложно и в зависимости от отношения определяется по-разному.

Таким образом

1) при отношении >2+ и 0< <0,5

, (64)

где – толщина поковки, мм; – коэффициент трения в процессе ковки.

2) при 2< <2+ и 0< <0,5

. (65)

3) при 2 и 0< <0,5

. (66)

4) при 2 и 0,5

. (67)

Сопротивление металла деформации при ковке необходимо определять по уравнению Л.В. Андреюка – Г.Г. Тюленева.

Скорость деформации при операциях ковки определяется из выражения

, (68)

где – высотная деформация при осадке, определяемая как и при прокатке;

– абсолютное обжатие, мм;

– скорость осадки, м/с.

Протяжка – операция, в процессе которой длина заготовки увеличивается за счет уменьшения ее поперечных размеров при последовательных по длине нажатиях бойками.

При протяжке в отличие от осадки заготовку обрабатывают участками при последовательной подачи ее под бойки молота или пресса (рисунок 43, в).

Если сечение нужно уменьшать за счет толщины и ширины заготовки, то после каждой подачи производится осаживание толщины и затем после кантовки на 90 ⁰ – осадки ширины.

Металл, осаживаемый участками по высоте, течет в направ­лении длины и ширины. К деформируемому за каждый обжим участку с обеих сторон примыкают участки, не подвергающиеся непосредственно действию инструмента. Эти участки сдерживают течение металла в направлении ширины и принудительно вырав­нивают деформации в длину по всей ширине.

Так как целью протяжки является увеличение длины за счет уменьшения сечения, необходимо обжим осуществлять так, чтобы течение металла в ширину было минимальным. Этого достигают об­жимом малыми подачами при малом отношении подачи к ширине заготовки. Однако при малых подачах увеличивается число об­жимов и снижается производительность.

Для интенсификации процесса протяжки и получения достаточно гладкой поверхности подачу следует принимать в следующих пределах

, (69)

где – величина подачи заготовки, мм;

– ширина бойков, мм.

Для определения размеров заготовки после обжатия вводится понятие уковки.

Уковка – это коэффициент вытяжки за обжатие:

, (70)

где – коэффициент уковки при протяжке;

– площадь поперечного сечения заготовки до протяжки и поковки после про

тяжки, мм².

Кроме того, при осадке и протяжке показателем деформации является высотная деформации

.

Удельное усилие (т.е. усилие, приходящееся на единицу площади или среднее давление) при протяжке определяется по формуле

. (71)

Осадка и протяжка являются основными операциями свободной ковки.

Помимо них к операциям ковки относятся следующие.

Рубка, которую применяют для разделения заготовки на несколько частей или для удаления концов поковок при помощи зубил и кузнечных топоров (рисунок 43, г).

Рубка производится в холодном и горячем состоянии. В холодном состоянии рубят тонкие и узкие полосы и прутки сечением 15 – 20 мм. Более толстые заготовки нагревают.

Схема рубки основана на действии деформирующей силы на малую площадь соприкосновения инструмента с заготовкой, а реакция этой силы со стороны нижней части распределена по большой поверхности заготовки, и пластической деформации здесь не возникает.

В зависимости от габаритов и формы заготовок используют следующие способы рубки:

- с одной стороны – для тонких заготовок;

- с двух сторон, сначала осуществляется предварительная надрубка заготовки на 0,5–0,75 высоты, после кантовки на 180⁰ проводится окончательная рубка;

- с трех сторон – для круглых и крупных заготовок, осуществляются две надрубки на глубину 0,4 диаметра заготовки с кантовкой на 120⁰, после второй кантовки на 120⁰ проводят окончательную рубку;

- с четырех сторон – для крупных заготовок, после надрубки с четырех сторон в центре остается перемычка прямоугольного сечения, по месту которой производят разделение заготовки на части.

Прошивку применяют с целью получения сквозных или глухих отверстий в металле при помощи прошивня (рисунок 43, д), который может быть сплошным или пустотелым. Сквозное отверстие обычно получают за два прохода. Сначала на заготовке, уложенной на подкладное кольцо, прошивнем делается наметка отверстия, затем заготовка кантуется на 180⁰ и прошивается сквозное отверстие с удалением отхода, называемого выдрой. Прошитая заготовка далее может раскатываться по диаметру.

Раскатка по диаметру (рисунок 43, е) осуществляется с применением оправки, что приводит к утонению кольца и увеличению его диаметра. Заготовка опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку, устанавливаемую концами на подставках, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком. После каждого обжатия заготовку поворачивают относительно оправки.

При гибке заготовку изгибают по заданному контуру (рисунок 42, ж). Гибку можно

осуществлять при зажатии одного конца заготовки между бойками ударами кувалды по другому концу. Крупные заготовки подвергают гибке в специальных гибочных штампах или нагибочных машинах.

Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в месте изгиба (утяжка). Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Для избежания этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления. Радиус в месте изгиба не должен быть меньше полутора толщин заготовки.

Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны.

Кручение состоит в повороте одной части заготовки относительно другой на заданный угол (рисунок 43, з). При кручении один конец заготовки зажимают между бойками, а на другой надевают вилку. Кручение производят ударом кувалды по противоположному концу вилки или с помощью крана.

Различают два случая:

1) поворот на угол до 180⁰ – для пространственной ориентации отдельных частей;

2) многократное скручивание на 360⁰ – для придания витого характера (используется как элемент украшения композиций решеток, перил, лестниц и т.д.).

Кузнечная сварка состоит в соединении в одно целое отдельных частей поковки различными способами: в нахлестку, в разруб, в стык (рисунок 42, и). Место соединения нагревают до температуры 1275 – 1400 ⁰С и сваривают, применяя внешнее давление. Такой вид сварки используют для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,15 – 0,25%.

В производственных условиях рассмотренные операции при изготовлении поковок применяются в различном сочетании в зависимости от характера выполняемой работы.