Перспективные направления развития техники и технологии ковки и штамповки

Технологии кузнечно-штамповочного производства наиболее консервативны среди других процессов ОМД, что в основном связано с дорогостоящим оборудованием чаще всего универсального применения и малым разнообразием исходных заготовок, получаемых либо наполнительным литьем, либо прокаткой или ковкой. Слитки для свободной ковки, имеющие большие поперечные сечения, характеризуются значительной структурной и химической неоднородностью. В 54 связи с этим необходимы операции по набору уковки, которые занимают значительное время, несоизмеримое с длительностью формообразующих операций свободной ковки. Многочисленные промежуточные операции нагрева слитка при наборе уковки повышают угар металла (иногда до 7 %) и резко повышают энергозатраты процесса ковки из слитка. Заготовки, полученные прокаткой, как правило, имеют острую продольную текстуру, которая наследуется текстурой рекристаллизации, что в итоге создает значительную анизотропию механических свойств. Этот факт приходится учитывать при дальнейшем расположении заготовки в штампе на стадии штамповки. Технологии горячей объемной штамповки на отечественных предприятиях сориентированы по большей части на крупносерийное производство однотипных поковок. Для каждой конкретной поковки проектируется и изготавливается дорогостоящий штамп, окупаемость которого возможна лишь при достаточно больших партиях продукции. В современных условиях, когда жизнь машиностроительных изделий (до морального и технического износа) непрерывно сокращается, возрастает необходимость в расширении сортамента поковок при уменьшении объемов выпуска каждого конкретного изделия. Поэтому экономическая целесообразность изготовления штампов далеко не очевидна. В настоящее время перспективными направлениями развития техники и технологии ковочно-штамповочного производства (КШП) следует считать: – применение в качестве заготовок слитков, полученных непрерывным либо полунепрерывным литьем, в частности представляется возможным использовать непрерывно-литые слябовые заготовки; – разработку обрабатывающих агрегатов свободной ковки, совмещенных с машиной непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и оснащенных автоматизированным магазином инструментальной оснастки и кузнечного инструмента; – применение специальных видов ковки и штамповки: 1) радиальное обжатие; 2) поперечно-винтовая деталепрокатка; 3) поперечно-клиновая деталепрокатка; 4) валковая раскатка колец; 5) ковка и штамповка с кручением; 6) ковка крупногабаритных плит из полой непрерывно-литой заготовки. 55 В области холодной объемной штамповки метизного производства эффективен отказ от автоматов, совмещающих все операции изготовления крепежных изделий из проволочной или прутковой заготовки, и переход к высокопроизводительным автоматам, предназначеннымх для выполнения лишь одной операции. В листоштамповочном производстве на современном этапе развития техники и технологии представляют интерес: – автоматизированные комплексы безраскройной штамповки; – универсальные гидравлические прессы для поэлементной штамповки листовых деталей, оснащенные автоматизированным магазином инструмента; – автоматизированные лазерные комплексы для контурной обработки формованных листовых деталей. Для получения крупных поковок необходим слиток достаточно большого объема. Отливка заготовок большого поперечного сечения всегда сопровождается появлением дефектов литой структуры металла. Эффективной мерой по снижению количества таких дефектов является уменьшение толщины отливаемых слябов. Слитки полунепрерывного литья – один из прогрессивных видов кузнечных заготовок. При замене ими традиционных кузнечных слитков наполнительного литья экономится до 20–25 % металла, уменьшается энергопотребление на нагрев под ковку. В свое время в практику КШП стал активно внедряться процесс получения круглых заготовок из непрерывно-литых слябов сравнительно малой толщины. Новый способ деформации был предложен ОАО «Уралмаш» и УПИ. Технологический процесс получения круглых поковок из слитков МНЛЗ выглядит следующим образом. Получаемый на МНЛЗ сляб разрезается на мерные длины. Слябы задаются в печь и нагреваются до температуры прессования. Нагретый сляб выдается из печи и передается на горизонтальный гидравлический пресс. С помощью загрузочного устройства сляб устанавливается в круглый контейнер пресса. Далее сляб осаживается в контейнере и приобретает форму цилиндра. После окончания процесса осадки крышку контейнера открывают и цилиндрический слиток выталкивают. Полученная таким образом заготовка без дополнительной проковки готова для выполнения формообразующих операций. Подобная технология производства заготовок позволяет значительно повысить качество металла, поскольку при отливке сравнительно тонкого (b / a = 2,5–4,0, где a и b – размеры сечения) сляба 56 скорость кристаллизации по всему сечению достаточно высока и зона равноосных кристаллов либо не развита, либо отсутствует. Ликвационные процессы не успевают развиться и породить химическую неоднородность сплава по сечению слитка. Кроме того, предварительная деформация осадки в контейнере пресса со степенью уковки с получением заготовки высотой к , где – исходная длина сляба, формирует радиальную текстуру рекристаллизации, что при дальнейшем нагреве под ковку интенсифицирует диффузию и выравнивание химического состава по сечению. Эффективность применения непрерывно-литой заготовки можно показать на примере изготовления плит из высоколегированных алюминиевых сплавов. К настоящему времени разработано достаточно много технологических вариантов ковки таких поковок как из слитков, так и из непрерывнолитых заготовок, имеющих ограниченную пластичность в литом состоянии при использовании схем напряженного состояния, характерных для традиционных операций свободной ковки. Все известные методы ковки нацелены на проработку литой структуры и достижение однородности степени деформации в объеме поковки. Описанные технологии многооперационны и требуют промежуточных подогревов металла, что существенно снижает производительность. В применяемых технологиях однородность и изотропность металла в объеме плит не достигается. Финишные операции этого способа традиционные: механическая обработка на фрезагрегатах, закалка со старением, окончательная правка. Полунепрерывным литьем получают полую заготовку с термически тонкой стенкой объемом двух готовых плит с учетом определенного заправочного коэффициента. В качестве исходной кузнечной заготовки рассматривается полый гомогенизированный и механически обработанный слиток. После нагрева до ковочной температуры заготовка помещается в цилиндрический контейнер и осаживается вдоль оси практически до замыкания полости. Такой способ закрытой осадки гарантирует отсутствие потери устойчивости стенки и позволяет даже за одну операцию осадки достичь высокой степени деформации: 57 где и – площадь сечения заготовки после и до осадки; D – диаметр полости контейнера; d – диаметр полости заготовки. Последующая закрытая прошивка в этом же контейнере пуансоном диаметром d практически восстанавливает исходную форму и размеры исходной заготовки. При этом накопленная за цикл «осадка – прошивка» степень деформации удваивается. Цикл деформирования таким способом может быть повторен n раз с накоплением суммарной степени деформации ε_Σ = 2nε. Схема напряженного состояния в этих операциях благоприятна для высокой пластичности металла и гарантирует отсутствие разрушения даже малопластичных сплавов. После обеспечения требуемой степени уковки (в принципе бесконечно большой) прошивнем осуществляется просечка донышка и полая заготовка выпрессовывается из контейнера. Последующая свободная осадка на гладких плитах готовит заготовку под раскатку (кузнечную или валковую) кольца. Во время раскатки формируется поперечное сечение стенки, соответствующее поперечному сечению будущей плиты. Раскатанное кольцо на оправке зарубается топором по диаметру на глубину 0,85–0,90 толщины стенки кольца. Далее кольцо устанавливают на гладкую плиту так, что диаметральная плоскость зарубок параллельна плите, и расплющивают верхней плитой пресса до полного смыкания полости. Металл недорубов, играющий роль шарниров при сплющивании, удаляется фрезерованием, при котором плиты разделяют и направляют на дальнейшую термическую и механическую обработку. Современная наука и промышленные предприятия единичного и мелкосерийного производства накопили богатый арсенал эффективных способов деформирования при свободной ковке (осадка со сдвигом или кручением, секционная ковка, валковая раскатка и др.). Однако эти способы с трудом входят в технологию из-за сложности их реализации на кузнечном оборудовании свободной ковки. Отсюда технологический консерватизм в области кованых заготовок. Даже современные ковочные комплексы не внесли принципиальных изменений в технологию свободной ковки. При создании обрабатывающих центров удается по-новому решить композиционную структуру кузнечной машины, пригодной не только для выполнения традиционных операций свободной ковки, но и позволяющей применять новые не характерные для ковки на молотах и прессах процессы. Структура обрабатывающего центра (ОЦ) решает проблемы комбинирования нагрузок, формирования новых 58 форм очага деформации, эффективного использования магазина инструментов. Оптимизация структуры ОЦ достигается минимизацией количества исполнительных механизмов, при которой возможна реализация всех известных способов свободной ковки, и всех транспортных и манипуляционных операций с заготовкой и инструментом. Оптимальная структура ОЦ сведена к двум радиально-обжимным блокам, снабженным поворотом и осевым перемещением, к валковому устройству, многоножевым ножницам и автоматизированному магазину инструментальной оснастки. Например, вертикальный обрабатывающий центр пластического формообразования поковок в состоянии автоматически без остановок на переналадку выпускать поковки широкой номенклатуры из непрерывно-литых полых заготовок. В ОЦ автоматизирован не только технологический цикл получения поковок, начиная с разливки металла, но и вспомогательные операции ОЦ: осевое перемещение поковок или литой заготовки, вращение поковок вокруг оси на заданный угол, осевое заданное перемещение ковочных и отрезных блоков, ввод оправок и раскатных валков в полость поковки, передача инструмента из магазина в бойки ковочных блоков, извлечение инструмента из полости поковки, возврат инструмента в магазин, перемещение части заготовки в индуктор для подогрева и возврат в зону обработки, удаление поковок из зоны обработки и передача их в приемный короб. Заготовка для изготовления поковок производится вертикальной машиной непрерывной разливки и без предварительной разрезки и охлаждения передается вверх в деформирующую часть ОЦ. Главной технологической особенностью вертикальной разливки является формирование полой одно- или многослойной заготовки последовательным ее вытягиванием с большим (до 500 мм) шагом вверх. В состав деформирующего агрегата, располагающегося на техническом этаже по оси разливки над литейной машиной, включены два радиально-обжимных блока, раскатное устройство и автоматизированный магазин инструмента. Присутствующий в полой заготовке нейтральный газ предотвращает окисление внутренней поверхности. Формирование слитка со сравнительно тонкой стенкой, т. е. использование в заготовке только коркового металла, кристаллизующегося с большой скоростью при однородном фронте теплоотвода гарантирует мелкозернистую структуру и подавление ликвации примесей и легирующих добавок в ста- 59 ли. Качество литой заготовки может улучшаться за счет циклического движения вдоль фронта кристаллизации, легко осуществимого в данной конструкции литейной машины. Поскольку литейная машина позволяет производить непрерывнолитые заготовки, лишенные основных дефектов слитков наполнительного литья, то обрабатывающий центр освобождается от традиционных при свободной ковке операций по набору уковки, имеющих целю разрушить литую структуру и устранить ликвационную неоднородность заготовок. В связи с этим все технологические операции свободной ковки ОЦ являются формообразующими, что сокращает время обработки и уменьшает угар металла при многочисленных нагревах заготовки. Подобный ОЦ предназначен для изготовления поковок гладких и ступенчатых валов круглого или прямоугольного сечения, дисков, втулок, обечаек, колец, некоторых поковок с искривленной осью. Чрезвычайно богатые технологические возможности ОЦ позволяют существенно расширить эту основную номенклатуру поковок. Основные преимущества ОЦ перед всеми известными агрегатами, ныне используемыми в свободной ковке: – неограниченно широкий набор технологических операций и приемов свободной ковки, предоставляющий технологу возможность непрерывно совершенствовать техпроцесс и даже оптимизировать его, задаваясь различными целевыми функциями: – возможность выполнения ковки либо без переналадки инструментальной оснастки, либо с очень оперативной автоматической переналадкой; – полная автоматизация технологического процесса свободной ковки, в частности крупных поковок с использованием не специализированных управляющих вычислительных блоков и систем, а серийно выпускаемых дешевых и надежных микропроцессорных средств; – возможность эффективного совмещения САПР ТП свободной ковки с АСУ ТП, полностью исключающего бумажное представление технологического процесса; – высокая производительность свободной ковки, определяемая возможностью изготовления практически любой крупной поковки за один нагрев, применением новых операций ковки и эффективным использованием удлиненных слитков и непрерывных заготовок; – повышенная точность поковок за счет более строгого контроли- 60 рования положения границ очага деформации при выполнении всех операций свободной ковки как традиционных, так и новых, присущих только данному ОЦ; – высокий коэффициент использования металла за счет повышения точности ковки и снижения угара металла. При изготовлении всей широкой номенклатуры поковок на ОЦ в распоряжении технолога и кузнеца имеется следующий основной набор операций, определяемых комплектом инструмента в магазине: – свободная ковка; – осадка в подкладных кольцах; – осадка со сдвигом; – осадка с одновременным кручением и сдвигом; – заковка цапфы; – протяжка по схемам «круг – квадрат», «круг – восьмиугольник», «круг – прямоугольник», «квадрат – прямоугольник», «прямоугольник – прямоугольник»; – осевое скручивание заготовок и поковок; – валковая и сферодвижная раскатка дисков; – растяжка с кручением дисков со ступицей; – прошивка полыми и сплошными прошивнями; – ковка полых поковок на оправках; – растяжение колец на раздвигающихся бойках; – валковая раскатка втулок, колец и обечаек с гладкими и фасонными внутренними и наружными поверхностями с торцевой правкой поковок; – засечка; – передача; – высадка буртов и фланцев; – зацентровка поковок валов; – скальпирование поковок. Принципиально новый подход к компоновке ОЦ, применение оптимальной архитектуры машины, отказ от сложившихся в области свободной ковки технологических и конструктивных стереотипов, затормозивших развитие способов изготовления крупных поковок, порождают новый технологический объект. Такой объект свободен от известных недостатков современной технологии свободной ковки и пригоден как для реализации известных, но не применяемых из-за отсутствия соответствующего оборудования способов ковки, так и для порождения целого ряда совершенно новых технологических прие- 61 мов, не нуждающихся в роботах и манипуляторах, но в то же время полностью автоматизированных на базе серийных микропроцессорных средств.