Классификация процессов волочения

Волочение классифицируют в основном по виду получаемых изделий: 1) волочение прутков и труб, 2) бухтовое (получение изделий, свернутых в бухты) и 3) линейное (получение мерных изделий).

На рис. 4.1 приведены схемы волочения прутков и труб. При волочении труб для уменьшения толщины стенки применяются короткие, длинные и самоустанавливающиеся оправки. Один из важнейших параметров калибровки волоки — полуугол конусности рабочего канала , который выбирается из условия минимума усилия волочения. Из этого условия волочение прутков ведется при меньших углах  = 5…12°, а волочение труб — при  = 12…15°.

Для примера рассмотрим технологические операции, выполняемые при волочении проволоки. В качестве исходной заготовки используется катанка, производство которой рассмотрено в подразделе 3.7. Технологический процесс начинается с подготовки катанки:

1) травление для удаления окалины и ржавчины в растворах серной и соляной кислот в машинах периодического и непрерывного действия, промывка горячей водой;

2) нанесение подсмазочного покрытия (желтение, меднение или фосфатирование) и смазки (мыло, водные эмульсии минерального масла и мыла, хлорпарафин);

4.2. Классификация процессов волочения

2

1

3

а

4



б

4

1

4

в

2

4

г

4

2

д

Рис. 4.1. Схемы волочения прутка (а) и труб (б—д):

б — без оправки; в — короткооправочное; г — на самоустанавливающейся оправке; д — длиннооправочное;

1 — волока; 2 — оправка; 3 — стержень для крепления оправки; 4 — закованный конец;  — полугол конусности рабочего канал

3) подготовка переднего конца (острение или плющение);

4) многократное волочение на непрерывных многониточных линейных либо барабанных станах (между проходами проводятся операции травления, термообработки, нанесения подсмазочного покрытия и смазки);

5) термообработка (отжиг, закалка и отпуск в зависимости от требований к механическим свойствам);

4 . ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ВОЛОЧЕНИЯ

6) отделка (правка, шлифовка, полировка, нанесение защитных покрытий).

Волочение проволоки чаще всего осуществляют на барабанных станах многократного волочения (рис. 4.2), которые могут работать в режимах без скольжения проволоки относительно барабанов и со скольжением.

В схеме без скольжения (рис. 4.2, а) окружные скорости барабанов не связаны жесткой связью, необходимо, чтобы на каждом предыдущем барабане сохранялся запас проволоки. Сматывание проволоки во избежание ее скручивания производится через систему

роликов.

1

а

4

7

6

1

6

4

2

3

5

б

Рис. 4.2. Схемы многократного волочения проволоки без скольжения (а) и со скольжением (б):

1 — волоки; 2 — двигатель; 3 — катушка с катанкой; 4 — рабочие барабаны; 5 — волокодержатели; 6 — приемный барабан

4.2. Классификация процессов волочения

При волочении со скольжением (рис. 4.2, б) за каждый оборот тягового барабана на него наматывается один виток проволоки и один виток сматывается, для этого окружные скорости барабанов должны быть жестко связаны условием постоянства секундных объемов. Однако это условие не всегда выполняется в связи с износом волок, неточностью изготовления, что приводит к проскальзыванию проволоки относительно барабанов и повышенному износу их рабочей поверхности.

¹⁰⁰5. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

КОВКИ И ШТАМПОВКИ

Кузнечно-штамповочное производство (КШП) включает технологические процессы ковки и штамповки. Основная область применения этих процессов — изготовление деталей машин и приборов в машиностроении и приборостроении, а также товаров ширпотреба. Процессы ковки и штамповки относят к нестационарным, т. е. очаг деформации (пластически деформируемая область) изменяется с течением времени. Эти процессы характеризуются в большинстве случаев многократным и ударным воздействием на металл, в отличие от прокатки, прессования и волочения. Технологический процесс разрабатывается «от детали», которую надо получить, с учетом заключительной механической обработки.

Технология ковки

К о в к а—это способ ОМД путем местного приложения деформирующих нагрузок с помощью универсального инструмента. В качестве универсального инструмента используются бойки и подкладной инструмент. При ковке инструмент действует на часть поверхности заготовки, а оставшаяся часть формируется свободно. Ковка применяется в единичном (например, для уникальных поковок типа роторов турбин) и мелкосерийном производстве (до 1000 т поковок в год), например производстве валов или дисков.

К преимуществам процесса ковки относят простоту и универсальность инструмента и операций ковки; достаточно высокую производительность; возможность получения формы поковки, приближенной к форме детали; хорошую проработку структуры металла; высокие механические свойства поковок.

Недостатки связаны с большим коэффициентом использования металла

G ^д

  ^К_им     ,      (5.1)

 

G 0

где G_д — масса детали, G₀ — масса заготовки.

При ковке слитков К_им  0,45, при ковке катаной и кованой заготовки К_им  0,5, что связано со значительным расходом металла на кузнечные напуски и токарную обработку^[15]. Также к недостаткам ковки можно отнести большую энергоемкость кузнечных машин, прессов и молотов, нагревательных печей.

В качестве исходной заготовки для ковки в начале технологического цикла ОМД применяются кузнечные слитки (см. подраздел 2.5), а также в дальнейшем  сортовой прокат либо прессованный пруток круглого и квадратного сечений, порезанные на мерные длины.

Различают ковку на прессах и молотах. Ковкой на прессах получают более крупные поковки из слитков массой до 350 т. Согласно ГОСТу 7062—90 прессовые поковки из углеродистых и легированных сталей могут иметь длину до 20 м и поперечный размер — до 2,1 м и выпускаются при единичном и мелкосерийном производстве. Это единственный способ изготовления крупных роторов и турбин для гидроэлектростанций, оружейных стволов, колонн гидравлических прессов, крупных валков прокатных станов и других массивных деталей.

Ковкой на молотах получают поковки более мелких размеров в соответствии с ГОСТом 7829—70 — до 6 м длиной и 360 мм в поперечном размере. Исходной заготовкой служит слиток до 2—3 т для углеродистых сталей и до 1 т для легированных, также прокат и прессованная заготовка.

Классификация поковок

Основные типы поковок рассмотрим в соответствии с ГОСТом 7062—90 (15 типов поковок на прессах) и ГОСТом 7829—70 (18 типов поковок на молотах). Обобщая эти данные, можно выделить следующие основные типы поковок.

1. Поковки удлиненной формы L  (1,2…1,5)D (H), где L — длина, D — диаметр, H — поперечный размер) (рис. 5.1, а—е):

— сплошные круглого сечения — валы (гладкие, с уступами, с выемкой, с буртом, с фланцем);

— сплошные прямоугольного (квадратного) сечения тех же типов;

Рис. 5.1. Типы поковок:

удлиненной формы (а—е): a — гладкие, б — с уступами, в — с выемкой, г — с буртом, д — с фланцем, е — полые; ж — бруски, кубики, пластины с отверсти-

ем; з — диски и кольца

2. Поковки умеренной длины (0,5D(Н)  L  (1,2…1,5)D(Н)):

— цилиндры (рис. 5.1, а) ;

— бруски, кубики, пластины без отверстия (H  B, B  L  1,5B) и с отверстием, d  0,5B (рис. 5.1, ж) ;

— раскатные кольца, d  0,5D (рис. 5.1, з) ; — муфты, втулки, d  0,5D (рис. 5.1, е).

3. Короткие поковки — диски (L  0,5D; 0,2D  L  0,5D) без отверстия и с отверстием, d  0,5D (рис. 5.1, з).

Операции ковки

В соответствии с ГОСТом 18970—84 кузнечные операции подразделяются на разделительные и формоизменяющие.

Р а з д е л и т е л ь н ы е о п е р а ц и и (рис. 5.2) предназначены для полного или частичного отделения одной части заготовки от другой. Применяются следующие виды разделительных операций.

Н а д р у б к а — образование углублений на заготовке за счет внедрения кузнечного инструмента на неполную толщину заготовки.

О т р у б к а — полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения инструмента.

Р а з р у б к а – разделение поковки на части путем внедрения инструмента.

В качестве накладного универсального инструмента применяются топоры различных форм и размеров.

Ф о р м о и з м е н я ю щ и е о п е р а ц и и — это операции ковки, в результате которых изменяется форма заготовки путем пластического деформирования. При ковке применяются следующие основные операции.

О с а д к а д а в л е н и е м — уменьшение высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения.

Это основная операция при ковке коротких поковок типа дисков. Во избежание потери устойчивости заготовки отношение ее высоты к наружному диаметру должно быть H₀/D₀  2,5. Осадка

Рис. 5.2. Разделительные операции:

3

2

2

1

1

а

б

Р

Р

а — отрубка, разрубка; б — надрубка;

1 — поковка; 2 — разделительный инструмент (топоры); 3 — бойки

может производиться плоскими бойками (плитами) (рис. 5.3, а) , а также кольцевыми плитами (рис. 5.3, б). Во втором случае образуются концевые участки (галтели), которые используются в качестве захватов при дальнейшей ковке. Различают также операцию высадки — осадки части заготовки (рис. 5.3, в). Величину обжатия при осадке оценивают относительным обжатием по высоте

Н/Н₀ либо коэффициентом уковки или уковом

H ⁰

У  .

 

H

1

1

2

3

H

0

H

а

б

в

Рис. 5.3. Разновидности осадки давлением:

а — осадка плоскими плитами (бойками); б — осадка кольцевыми плитами; в — высадка;

1 — плоская плита (боек); 2 — кольцевые плиты; 3 — осаженная заготовка

При осадке относительное обжатие по высоте обычно не превышает 0,5, а уков У  2.

П р о т я ж к а к у з н е ч н а я — это удлинение заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Этой операции может подвергаться сплошная либо полая заготовка (рис. 5.4), при этом для утонения стенок поковки применяется

Рис. 5.4. Протяжка кузнечная сплошной (а) и полой (б) заготовки:

оправка.

3

2

1

а

б

1

2

3

3

4

В

В

0

H

H

0

m

0

1 — верхний боек; 2 — нижний (вырезной) боек; 3 — поковка; 4 — оправка;

Н — высота после протяжки; Н₀ — исходная высота; В — ширина после протяжки; В₀ — исходная ширина; m₀ — величина подачи

Протяжка применяется для изготовления поковок удлиненной формы (валов, муфт и др.) и осуществляется путем многократных обжатий заготовки с продвижением ее на величину подачи m₀ (рис. 5.4, а) и кантовками. Величину обжатия за всю операцию оценивают уковом

F0            B0  H0                    L

У          ,

 

F     B  H L ₀

где F₀, L₀ — соответственно площадь поперечного сечения и длина исходной заготовки; F, L — то же после протяжки.

Протяжка отличается от других способов ОМД периодичностью и многократностью обжатий, что способствует хорошей проработке литого металла и повышению механических свойств кованого металла. Для достижения заданного уровня механических свойств при прессовании и прокатке необходимы коэффициенты вытяжки 7—10, а при протяжке углеродистой стали достаточен уков 1,5—2, легированной стали — 3—4, что свидетельствует о высокой эффективности этой операции.

Для протяжки поковок прямоугольного сечения применяются плоские бойки, а для протяжки по схеме «круг — круг» — вырезные ромбические, радиусные бойки, а также комбинированные ( верхний — плоский, нижний — вырезной ).

П р о ш и в к а — это операция ковки с целью образования несквозной полости в заготовке за счет свободного вытеснения металла (рис. 5.5). Эту операцию применяют обычно после операции осадки при изготовлении полых поковок типа муфт, дисков

с отверстием и колец.

3

2

1

а

б

1

2

3

4

4

5

6

Рис. 5.5. Операция прошивки сплошным (а) и пустотелым (б) прошивнем :

1 — прошивень; 2 — надставки; 3 — прошиваемая заготовка; 4 — подкладная плита; 5 — отход (выдра); 6 — нажимной боек

Прошивка может проводиться сплошным (рис. 5.5, а) или пустотелым (рис. 5.5, б) прошивнем. Во втором случае удаляется менее качественная сердцевина слитка. Прошивка высоких заготовок (D/H6, где D и H — диаметр и высота заготовки перед прошивкой) осуществляется с двух сторон, для чего заготовка (прошитая до стадии, показанной на рис. 5.5, а) переворачивается и прошивается насквозь с другой стороны, причем прошивень вводят тупым концом.

При прошивке образуется отход (выдра) в виде перемычки при применении сплошного прошивня либо центральной части, удаляемой пустотелым прошивнем. Отход составляет обычно 8—12 % массы заготовки.

Р а с к а т к а — увеличение диаметра кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины стенки путем последовательного воздействия инструмента (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Раскатка:

3

2

1

4

3

1 — верхний боек; 2 — поковка-кольцо; 3 — оправка; 4 — стойки люнета

Эта операция применяется для ковки поковок типа раскатных колец, толщина стенки которых много меньше диаметра. Операцию раскатки можно представить как протяжку заготовки, концы которой соединены между собой, причем длина заготовки равна длине средней окружности кольца, толщина — толщине его стенки. Поэтому уков при раскатке определяется так:

D ср

У  ,

D 0 ср

где D_ср и D_0ср — соответственно средние диаметры раскатанного кольца и исходной заготовки.

Для раскатки прошитую заготовку 2 (см. рис. 5.6) подвешивают с оправкой 3 на стойки 4 и обжимают между узким плоским бойком ^[16] и круглой или овальной оправкой 3, постепенно вращая заготовку для перехода к следующему недеформированному участку. Обычно поковку получают за несколько (до 9) оборотов.

О б к а т к а — придание заготовке (слитку) цилиндрической формы путем деформирования, чередующегося с поворотами заготовки вокруг своей оси.

Обкатке чаще всего подвергается многогранный слиток в начале технологического цикла (рис. 5.7). Полученная цилиндрическая заготовка для дальнейшей ковки (осадки и протяжки) обычно называется биллетом, а сама операция — биллетировкой, однако исполь-

зование этого термина запрещает ГОСТ 18970—84.

Рис. 5.7. Обкатка:

3

2

1

D

d

L

2

1

1

Рис. 5.8. Операция передачи:

1 — бойки, 2 — поковка

Реже, кроме вышеперечисленных операций, применяются операции г и б к и (образование или изменение углов между частями заготовки), р а з г о н к и (увеличение размеров в плане заготовки или ее части за счет уменьшения толщины), с к р у ч и в а н и я (поворот части заготовки вокруг продольной оси), с в а р к и.

На заключительной стадии применяют отделочные операции: с б и в к а у г л о в, п р о г л а ж и в а н и е (устранение неровностей поверхности), п р а в к а, к л е й м е н и е.

Для получения требуемой формы и качества металла поковок применяют чередование операций с промежуточным подогревом поковки. Примеры технологических переходов ковки некоторых видов поковок будут приведены ниже. Суммарный уков за несколько операций определяется, аналогично коэффициенту вытяжки при прокатке, произведением

У_ = У₁  У₂  У₃  … У_п.     (5.2)

Установлено, что с повышением укова механические свойства металла возрастают, однако имеется значительная анизотропия свойств вдоль и поперек волокна. Для уменьшения анизотропии применяют различные комбинации способов ковки осадкой и протяжкой. Например, рекомендуются следующие суммарные уковы для получения оптимальных механических свойств поковок из слитков в продольном направлении^[17]:

Масса слитка, т	1	3	5	10	30	80	200
У	2,5	2,7	2,8	3,0	3,25	3,5	3 , 75