Вальцовка на ковочных вальцах

Два приводных валка снабжены секторными штампами с ручьями. Подачу заготовки до упора производят в момент расхождения штампов. Поворачиваясь, валки захватывают и обжимают заготовку (рис. 36).

Рис. 36 . Схема вальцовки:

1 – секторный штамп; 2 – вал; 3 – упор

Вальцовкой получают фасонную заготовку для последующей штамповки и готовые поковки несложной формы.

Прокатка зубчатых колес

Сущность процесса заключается в обкатке нагретой штучной или прутковой заготовки в зубчатых валках (рис. 37).

Рис. 37. Схема горячей накатки зубьев

Поверхностный слой цилиндрической заготовки нагревается индуктором 2. Зубчатый валок получает принудительное вращение и радиальное перемещение под действием силы Р. Благодаря радиальной силе Р зубчатый валок 4, постепенно вдавливаясь в заготовку 1, формует на ней зубья. Ролик 3, свободно вращаясь на валу, обкатывает зубья по наружной поверхности.

Изготовление зубчатых колес методом горячего накатывания повышает износостойкость и усталостную прочность зубьев на 20–30%. Это объясняется, в частности, благоприятной волокнистой макроструктурой. Расход металла на 18–40 % меньше, чем на зубонарезных станках.

Прокатные валки

Прокатные валки – инструмент, с помощью которого осуществляется деформация металла (рис. 38).

Рис. 38. Прокатный валок

В прокатном валке различают следующие части: бочку или полотно 2гладкую часть валка, по которой происходит контакт валка с деформируемым металлом; шейки валка 1,служащие для крепления валка в подшипниках.

В четырех- и многовалковых клетях, помимо рабочих валков, имеются опорные. Опорный валок значительно большего диаметра, чем рабочий, его бочка служит опорой для рабочего валка.

Размеры валков характеризуются диаметром и длиной бочки валка. Длина бочки рабочих валков зависит и от их диаметра. Во избежание прогиба валков в двухвалковых станах отношение длины бочки к диаметру валка принимают для холодной прокатки равным 1,3–2,2, а для горячей–2,2–3,5.

Диаметр рабочего валка выбирают с учетом допустимого угла захвата, прочности и жесткости.

Так как поверхность рабочего валка соприкасается с прокатываемым ме­таллом, от ее состояния зависит и качество продукции. Поэтому поверх­ность валков перед их установкой в клеть шлифуют.

В процессе работы поверхность валков изнашивается, возникают дефекты – забоины, царапины и др., которые оставляют отпечатки на прокатываемом металле. Поэтому валки периодически перешлифовывают. За одну перешлифовку с поверхности валка снимают слой толщиной 0,2–0,5мм. Общее уменьшение диаметра валков после многократных перешлифовок не должно превышать 8 %.

Одним из основных показателей качества валков служит твердость его рабочейповерхности. Валки изготовляют из кованой или литой легированной стали, из закаленного чугуна. Необходимую твердость валков получают при отливке: в процессе быстрой кристаллизации чугун закаливается со значительным увеличением твердости (отбеливается).

Стальные валки закаливают с поверхности, оставляя сердцевину не­закаленной. Если закалить валки целиком, то они станут хрупким и легко разрушатся при небольшом изгибе.

Кроме упрочнения валков с помощью термической обработки, приме­няют поверхностный наклеп, осуществляемый обкаткой роликами. Этот метод не требует значительных затрат и обеспечивает увеличение из­носостойкости валков.

Восстановление чугунных валков наплавкой не применяют из-за появления хрупкого слоя около наплавленных участков.

При комплектовании валков для прокатной клети необходимо подбирать рабочие валки по возможности с одинаковой твердостью, чтобы скорость и степень износа у них были примерно равными.

Классификация прокатных станов

Прокатным станом называют комплекс машин, для деформации металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций: транспортировки заготовки к валкам, уборки после прокатки, резки, охлаждения, плавки, штабелирования или свертывания в рулоны, бунты и т. д.

По числу и расположению валков в рабочих клетях станы подразделяют на станы дуо, трио, кварто, многовалковые и универсальные (рис. 39).

А б

Рис. 39. Схема расположения валков в рабочих клетях:

а–четырехвалковая клеть; б –двенадцативалковая клеть

Диаметр и длина бочки рабочего валка являются основными параметрами рабочей клети и определяют название сортовых (диаметр валка) и листовых (длина бочки) станов.

Прокатные станы классифицируют по трем важнейшим признакам:

-по числу и расположению валков в рабочих клетях;

-по числу и расположению рабочих клетей;

-по назначению.

Стан триоимеет три валка с постоянным направлением вращения каждого. Все валки такого стана расположены в одной вертикальной плоскости. После прокатки между нижним и средним валками заготовка поднимается подъемно-качающимся столом для прокатки между средним и верхним валками в противоположном направлении. На станах такого типа прокатывают блюмы, балки, рельсы.

Стан квартоимеет четыре валка, два из которых меньшего диаметра являются рабочими, а два других валка большего диаметра – опорными. При прокатке опорные валки воспринимают давление рабочих валков, препятствуя их прогибу, благодаря чему обеспечивается большая точность проката. Эти станы применяют в основном для горячей прокатки толстых листов и для холодной прокатки тонких листов и полос.

Многовалковые станыимеют шесть, десять, двенадцать, восемнадцать, двадцать и более валков. Рабочие валки – бесприводные, вследствие их малого диаметра (10–30 мм). Рабочие валки опираются на приводные, а приводные - на опорные. Такая конструкция рабочей клети стана обеспечивает большую жесткость и отсутствие прогиба рабочих валков. Эти станы используют для прокатки очень тонких полос и лент.

По расположению валков различают рабочие клети, в которых валки расположены горизонтально, вертикально, косо.

По числу рабочих клетей прокатные станы подразделяются на одно- и многоклетьевые. Наиболее совершенные многоклетьевые станы – станы непрерывной и полунепрерывной прокатки. Металл в них движется прямолинейно и прокатывается одновременно во всех или нескольких клетях.

Кроме валковой, в промышленности применяются плоско-клиновые и валково-роликовые виды поперечно-винтовой прокатки.

Усилие при прокатке

Усиление прокатки определяется по формуле

Р= q F_ОЧ,

где q – удельное давление или удельное усилие между валками и заготовкой;

F_ОЧ – проекция площади очага деформации на ось заготовки :

F_ОЧ = B_СРа,

где B_СР – средняя ширина заготовки; а – ширина очага деформации.

Удельное давление равно

q = gn_s ,

где n_s – коэффициент напряженного состояния, равный 1,1–1,4;

– сопротивление деформации;

g – коэффициент, учитывающий уширение при прокатке.

Если прокатка происходит с уширением, то g = 1; а если без уширения, то g=1,1–1,15.

Сопротивление деформации уменьшается с увеличением температуры прокатки и возрастает с увеличением скорости прокатки (деформации).

При наличии переднего или заднего натяжения удельное давление q уменьшается.

Прессование

Прессование – выдавливание металла через матрицу определенного профиля.

На одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы получают изделия широкого сортамента практически любого поперечного сечения с высоким качеством поверхности и точностью размеров (рис. 40).

Рис. 40. Виды пресс-изделий

Для прессования используют черные и цветные металлы и сплавы в виде слитков, литых и предварительно деформированных кованых или катаных заготовок диаметром до 500 мм и более и длиной до 1200 мм. Черные металлы и сплавы прессуют в горячем состоянии, цветные – как в горячем, так и в холодном состоянии.

При прессовании действует наиболее благоприятная схема напряженного состояния – всестороннего неравномерного сжатия (см рис. 27), которая значительно повышает пластичность металла, что позволяет получать заготовки из труднодеформируемых сплавов, пластическая деформация которых другими способами затруднена.

Прессование подразделяется на прямое и обратное (рис. 41).

а б в

Рис. 41. Виды прессования:

а – прямое; б – обратное; в – прямое трубы

При прямом прессовании (рис.39, а) металл выдавливается в направлении движения пуансона, а при обратном прессовании – в противоположном.

При обратном прессовании (рис.39, б) контейнер 2 закрыт с одного конца упорной шайбой, а давление пресса передается через полый пуансон 3 на металл 1, который выдавливается навстречу движению пуансона.

Недостатком обратного прессования служит ограниченность размера поперечного сечения пресс-изделия, пониженная производительность и качество поверхности изделий. По этим причинам обратное прессование получило недостаточно широкое распространение.

По количеству отверстий матрицы могут быть одноочковыми и многоочковыми.

Скорость прессования и коэффициент вытяжки

Из закона о постоянстве объема следует, что за единицу времени из матрицы вытечет объем металла, равный:

V_M F_M =V_П F_П;

V_M= µ V_П,

где V_П – скорость прессования или скорость движения пуансона;

V_M – скорость истечения металла из матрицы;

F_П – площадь поперечного сечения контейнера (ползуна);

F_M– площадь поперечного сечения прессизделия (металла, который выдавливается из матрицы);

µ = F_П / F_M–коэффициент вытяжки.

Обычно значение коэффициента вытяжки μ находится в пределах 20–50, а в отдельных случаях, например при прессовании алюминиевых сплавов, его величина может быть значительно выше (до μ=400).

Пример

При скорости прессования V_П = 0,05 м/с и коэффициенте вытяжки µ = 20 скорость истечения металла из матрицы будет составлять

V_M= µV_П= 20·0,05 = 1м/с.

Влияние сил трения при прессовании

В процессе прессования в металле заготовки возникают зоны пластической и упругой деформации. При прямом прессовании до 30% от общего усилия приходится на преодоление сил внешнего трения за счет преодоления металлом значительного трения о стенки контейнера и внутренней поверхности матрицы. В этой связи течение металла отличается определенной неравномерностью, которая также зависит от режима обработки – коэффициента вытяжки, температуры и скорости деформации.

При обратном прессовании, когда металл выдавливается через пуансон (рис. 41, б), силы трения значительно меньше. При этом наблюдается пониженный расход энергии, так как необходимое усилие прессования в 1,5 – 2 раза ниже, чем при прямом прессовании.

Технология прессования

Прессованием получают прутки диаметром 3–250 мм, трубы диаметром до 800 мм с толщиной стенки от 1,5 мм и более.

Прессованию обычно подвергают слитки или катаную заготовку цилиндрической формы. Предварительно с поверхности удаляют обточкой на станке поверхностные дефекты. Длину L и диаметр D заготовки выбирают, исходя из допустимой вытяжки, неравномерности деформаций и усилия пресса. Обычно для сплошных профилей отношение L/D =2–3, а для полых L/D=1,5–2. При увеличении отношения L/D возрастают силы трения, а приуменьшении увеличиваются отходы металла.

Перед прессованием применяется подогрев контейнера, матрицы и пресс шайбы до 200–250 ^ОС; а иглы – до 350 ^ОС.

Технологическая смазка поверхности контейнера и пресс-шайбы уменьшает усилие прессования, остывание заготовки, неравномерность деформации, удлиняет срок службы инструмента. Обычно в качестве смазки употребляют смесь графита с машинным маслом.

После прессования профили проходят термическую обработку, их режут на мерные длины, правят, зачищают поверхностные дефекты вырубкой, шабровкой, травлением и другими методами. Для защиты от коррозии пресс-изделия смазывают, оксидируют, анодируют и т, д.

К недостаткам прессования следует отнести сравнительно высокую стоимость прессового оборудования и инструмента, а также появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия, повышенный расход металла на единицу изделия из-за существенных потерь в виде пресс-остатка до 5–15%.

Оборудование для прессования

Для прессования наибольшее распространение получили гидравлические горизонтальные прессы, которые отличаются простотой конструктивного исполнения и в то же время могут развивать значительные усилия. Прессы с механическим приводом от электродвигателя для прессования металла применяют значительно реже.

Правка пресс-изделий

На практике при серийном производстве крупных партий пресс-изделий выбирают какой-либо один из видов правки, например, для профилей небольшого сечения – путем растяжения на растяжных машинах со степенями деформации 3–5%; крупного поперечного сечения – на правильных машинах.

Дефекты пресс-изделий

К наиболее распространенным внутренним и подповерхностным дефектам пресс-изделий относятся несплошности, образующиеся вследствие втягивания окисной или загрязненной поверхности слитка или попадания газов, пресс-утяжины, пузыри, плены, различные включения, расслоения и трещины, структурная неоднородность, а также царапины, задиры, запрессованные инородные тела, попадающие с металлом заготовки, и др.

Волочение

Волочение представляет собой протягивание заготовки через матрицу, называемую волокой или фильерой (рис. 42).

Рис. 42. Схема волочения проволоки

Волочение преимущественно производится в холодном состоянии для получения проволоки диаметром от 0,002мм до 10мм и трубчатых изделий от капиллярных до диаметром 360 мм.

При волочении металл сильно упрочняется за счет деформационного наклепа.

Установлено что до 30–50%, а иногда и до 80% общего усилия волочения расходуется на преодоление контактных сил трения.

Коэффициент вытяжки μ = F_О/ F_В (F_Ои F_В – площади поперечного сечения заготовки до и после деформации)при волочении составляет обычно за один проход 1,25–1,45 и может достигать 1,8 при волочении труб на оправке.

Если волочение невозможно осуществить за один проход вследствие большого обжатия, то назначают несколько последовательных проходов через ряд волок.

Заметный эффект увеличения вытяжки может дать противонатяжение P_Н, приложенное к заднему концу прутка. Противонатяжение снижает сопротивление металла деформированию, уменьшает влияние контактного трения и, следовательно, разогрев волок, а в конечном итоге обеспечивает увеличение вытяжки.

Обычно размер противонатяжения устанавливают в пределах 10-30% от усилия волочения. Однако при волочении стальной проволоки значение противонатяження допустимо и целесообразно увеличивать примерно до 50% от усилия волочения.

Волочение труб

Волочение труб выполняют с применением оправок (рис. 43, а – в) и без оправки (рис. 43, г)

Рис. 43. Способы волочений труб с оправками короткой неподвижной (а),

длинной движущейся (б), плавающей (в) и без оправки (г)

При волочении без оправки наблюдается уменьшение внутреннего диаметра трубы.

Перед волочением заготовка термически обрабатывается, затем удаляется окалина и поверхность подготавливается для закрепления и удержания смазки при волочении.

Для снятия деформационного наклепа термическая обработка повторяется после 70 – 85 % обжатия для стали и до 99 % у цветных металлов.

Окалину после термической обработки удаляют механическим, химическим, электрохимическим способами, а также их комбинацией. Механическая очистка состоит в периодическом изгибании полосы между роликами, обдуве дробью или песком. Такой способ малоэффективен для удаления прочной окалины. Поэтому чаще применяют химический способ.

Стальную заготовку травят в серной или соляной кислоте или в смеси кислот; медь и латунь – в серной кислоте, никель и его сплавы – в смеси серной кислоты и хромпика. После травления заготовка промывается и на ее поверхность наносится подсмазочный слой путем меднения, фосфатирования, известкования.

Меднение заготовки, осуществляемое в растворе медного купороса, рекомендуется при волочении с большими обжатиями и давлениями, коэффициент трения при этом составляет 0,08–0,12.

Свободная ковка

Это один из древнейших способов ОМД. Ковку на молотах и прессах применяют для получения изделий упрощенной формы вопытном, индивидуальном и мелкосерийном производстве.

Благодаря свободной ковке улучшаются механические свойства металла, заготовка приближается по форме и размерам к готовому изделию.

Свободная ковка подразделяется на ручную, применяемую для штучного изготовления поковок небольшой массы, и машинную, осуществляемую с помощью молотов или прессов.

Свободной ковкой изготовляют поковки, масса которых составляет от нескольких десятков граммов до 300 тонн и более. Все поковки, масса которых превышает 1 тонну, изготовляют только свободной ковкой.

Для получения качественных поковок требуется определенная деформация слитка, которая оценивается коэффициентом укова:

К_У = F_О / F_К,

где F_О и F_К – площади поперечного сечения металла до и после деформации.

Величина коэффициента укова обычно составляет для конструкционных сталей 2–4, а для высоколегированных 10–12 .

Волокна в поковке должны либо огибать контур детали, либо совпадать с направлением максимальных напряжений во время работы детали.

Основные операции свободной ковки

К основным операциями ковки относятся биллетировка, рубка, осадка, протяжка, прошивка и др. В зависимости от массы и размеров сечения поковок их изготавливают на молотах или на гидравлических прессах.

Биллетировка представляет собой обжатие слитков или литых заготовок с небольшим коэффициентом укова К_У =1,05–1,2 (обжатие 5–20 %).

При биллетировке формируется более плотная пластичная рубашка заготовки, которая при дальнейшей свободной ковки обеспечивает высокую деформируемость заготовки.

Биллетировку обычно производят в вырезных бойках.

Рубка представляет собой разделение заготовки на части, производится с помощью топоров (рис. 44).

Рис. 44. Рубка топором

Осадка – уменьшение высоты заготовки с целью получения поковок большого поперечного сечения (дисков, колец и т.п.). При осадке происходит разрушение дендритной структуры, уменьшение количества газовых пузырей и других несплошностей литого металла. Осадка также производится для уменьшения анизотропии механических свойств металла за счет лучшей его прокованности , получения более мелкозернистой и однородной структуры.

При осадке во избежание изгиба заготовки отношение ее высоты к диаметру не должно превышать 2,5–3,0.

После осадки в поковке можно выделить 3 зоны (рис. 45):

I –затрудненной деформации;

II – интенсивной деформации;

III – зоны с растягивающими напряжениями.

Рис. 45. Зоны деформации при осадке

Протяжка – увеличение длины поковки за счет уменьшения ее поперечного размера (рис. 46).

а б

Рис. 46. Протяжка под плоскими (а) и вырезными (б) бойками

Подача заготовки при протяжке L обычно составляет:

L = (0,4- 0,8 ) В,

где В – ширина бойка.

Протяжку применяют для изготовления валов различного назначения, тяг, рычагов, колонн и т. д.

Протяжка производится под плоскими или вырезными бойками.

Верхний плоский и нижний вырезной бойки часто применяют при протяжке легированных сталей, так как при ковке в этих бойках обеспечивается более благоприятная схема напряженного состояния.

При протяжке заготовка после каждого единичного обжатия обычно кантуется (поворачивается) на 90 град.

Раскатка - операция, заключающаяся в увеличении диаметра кольцевой заготовки при вращении за счет уменьшения ее толщины с помощью бойка, оправки или роликов (рис. 47). Раскатка используется при изготовлении поковок, имеющих незначительную толщину стенки по сравнению с диаметром отверстия (кольца, бандажи, венцы, различные обечайки).

Рис. 47. Раскатка на оправке Рис. 48. Протяжка на оправке

Протяжка на оправке применяется для получения удлиненных полых поковок (рис. 48).

Прошивка применяется для получения глухих или сквозных отверстий в поковках с помощью прошивней (рис. 49).

а б

Рис. 49. Прошивка отверстия в поковке прошивнем 1 (с надставкой 2):

а – сплошным; б – полым

Высота выдры глухого отверстия обычно составляет 25–30 % от высоты поковки.

Масса слитка для поковки

По чертежу поковки определяют ее объем, а следовательно, и массу.

Учитывая все виды отходов металла в процессе обработки, устанавливают массу исходной заготовки или слитка G_СЛИТКА:

G_{СЛИТКА =} G_ПОК+ G_{ПРИБЫЛИ} + G_ДОНН+ G_ОБРЕЗ + G_УГАР,

где G_ПОК – масса поковки;

G_ПРИБ – масса прибыльной части слитка (20–35% от массы слитка);

G_ДОНН – масса донной части слитка (5–10% от массы слитка);

G_ОБРЕЗ – масса обрезков (обычно 5–8%, а для сложных поковок – 20–30% от массы слитка);

G_УГАР – потери от угара (2–3% от массы заготовки).

Коэффициент выхода годного металла К_ВГ обычносоставляет: