Технология производства основных видов проката.

Исходной заготовкой при прокатке служат слитки: стальные массой до 60 т, из цветных металлов и их сплавов обычно массой до 10 т. При производстве сортовых профилей стальной слиток массой до 15 т в горячем состоянии прокатывают на блюминге, получая заготовки квадратного сечения, называемые блюмами. Затем блюмы поступают на заготовочные станы для прокатки заготовок требуемых размеров или сразу на крупносортные станы для прокатки крупных профилей сортовой стали. На заготовочных и сортовых станах заготовка последовательно проходит через ряд калибров.

Разработку системы последовательных калибров, необходимых для получения того или иного профиля, называют калибровкой. В качестве примера на рис.11 показана система из девяти калибров для получения рельсов.

Рис.11. Калибры для прокатки рельсов

 

Число калибров может быть различным. Чем больше разность в размерах поперечных сечений исходной заготовки и конечного изделия и чем сложнее профиль последнего, тем больше число калибров требуется для его получения.

При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка – образование отверстия в слиткеили круглой заготовке. Эту операцию выполняют в горячем состояниина прошивных станах. Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметров и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространённом методе трубу прокатывают на короткой оправке 2 в так называемом автоматическом двухвалковом стане, рис.12.

 

 

Рис.12. Схема прокатки труб на автоматическом стане

 

Валки 1 образуют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закреплённой на длинном стержне оправкой 2 и ручьями валков определяет толщину стенки трубы.

Рис.13. Агрегат с непрерывным станом для прокатки труб

Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки – ленты (называемой штрипсом ) или из листов, ширина которых соответстует длине (или половине длины) окружности трубы. Процесс изотовления сварной трубы включает следующие основные операции: формовка плоской заготовки в трубу (рис.14.); сварка кромок; уменьшение (редуцирование) диаметра полученой трубы. Для сварки чаще применяют следующие способы: печную сварку, сварку сопоротивлением и дуговую под слоем флюса.

 Рис. 14. Последовательность процесса свёртывания полосы в трубу в шести клетях непрерывного стана.

 

Процессы получения специальных видов проката отличаются большим разнообразием. Особенно большое значение имеет прокатка периодических профилей, которые применяют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку. Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станах поперечно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, о и заготовки шаров и сверических роликов подшипников качения (рис.15.).

 

 

Рис. 15. Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки

 

Валки 2 и 4 вращаются в одну и туже сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 1 при прокатке получает вращательное и поступательное движения; от вылета из валков она предохраняется центрирующими упорами 3.

 

Ковка.

       Сущность процесса. Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента (в качестве которого применяют плоские или фигурные, вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.

 

Ковкой получают заготовки для последующей механической обработки. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковки.

 

Ковка является единственно возможным способом изготовления тяжёлых поковок (до 250 т).

 

  Исходными заготовками для ковки тяжёлых крупных поковок служат слитки массой до 320 т. Поковки средней и малой массы изготовляют из блюмов и сортового проката квадратного, круглого или прямоугольного сечений.

Основные операции ковки и применяемый инструмент. Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом. К основным операциям ковки относятся   осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка.

Осадка – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади её поперечного сечения. Разновидностью осадки является высадка (рис.16,а). Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки, у которых отношение высоты h_заг к диаметру d_заг больше 2,5, так как в этом случае может произойти продольное искривление заготовок.

Разновидность осадки является высадка (рис.16, б), при которой металл, осаживают лишь на часть длинны заготовки.

Рис. 16. Схемы осадки (а) и высадки (б)

Протяжка – операция удлинение заготовки или её части за счёт уменьшения площади поперечного сечения. Деформация при протяжке может быть выражена величиной уковки:

                           У = F _н / F _к,

где F_н – начальная площадь поперечного сечения; F_к – конечная площадь поперечного сечения после протяжки.

Очевидно, чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше механические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поковок с удлинённой осью (валы, рычаги, тяги и т.п.), но и в чередовании с осадкой – для большей уковки металла заготовки.

 

Протяжка  имеет ряд разновидностей: разгонка, протяжка с оправкой, раскатка на оправке рис.17.

Разгонка – операция увеличение ширины части заготовки за счёт уменьшения её толщины (Рис.17,г). Протяжка с оправкой – операция увеличения длины пустотелой заготовки за счёт уменьшения её стенок (рис.17., д). Раскатка на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счёт уменьшения толщины её стенок (рис.17., е).

Прошивка – операция получения полостей в заготовке за счёт вытеснения металла. Прошивка сопровождается отходом (выдрой) (рис.18, а).

Отрубка – операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путём внедрения в заготовку деформирующего инструмента – топора (рис. 18, г).

Гибка – операцияпридание заготовке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 18, е).

 

Перечисленными операциями ковки трудно изготовить поковки с относительно сложной конфигурацией. Поэтому при изготовлении небольшой партии таких поковок применяют так называемую штамповку в подкладных штампах.

 

 

Рис. 17. Схема протяжки и её разновидности:

1 – оправка; 2 – верхний плоский боёк; 3 – нижний вырезной боёк; 4 – узкий длинный боёк; 5 – кольцевая заготовка; 6 – цилиндрическая оправка

Рис.18. Схема операций ковки:

а – двусторонняя прошивка; б – сквозная прошивка; в – прошивни; г – отрубка; д – топоры; ж – штамповка в подклодных штампах

Оборудование для ковки.

 

Ковку выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты – машины динамического, ударного действия. Одним из основных типов молотов для ковки являются паровоздушные молоты (рис. 19). КПД молота зависит от массы шабота и массы падающих частей (масса шабота в 15 раз больше массы падающих частей).

Рис. 19. Схема паровоздушного молота арочного типа

 

В зависимости от конструкции станины паровоздушные ковочные молоты бывают арочные, мостовые и одностоечные.

 

На станине 4 арочного молота (рис.19) смонтирован рабочий цилиндр 1 с парораспределительным устройством 11. При нажатии педали или рукоятки управления сжатый пар или воздух по каналу 12 поступает в верхнюю полость цилиндра 1 и давит на поршень 2, соединённый штоком 3 с бабой 5, к которой прикреплён верхний боёк 6. В результате падающей части 2, 3, 5 и 6 перемещаются вниз и наносят удар по заготовке, уложенной на нижний боёк 7, неподвижно закреплённый на массивном шаботе 8. При подаче сжатого пара по каналу 10 в нижнюю полость цилиндра 1 падающие части поднимаются в верхнее положение. Перемещение бабы 5 происходит в направляющих 9. В ковочных молотах станина4 и шабот 8 закреплены на фундаменте по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать заготовками и кузнечным инструментом, необходимо иметь доступ к бойкам со всех сторон (рис.20)

Рис.20. Паровоздушный молот арочного типа

 

Гидравлические прессы – машины статического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением усилия, создаваемого с помощью жидкости (водной эмульсией или минерального масла), подаваемого в рабочий цилиндр пресса Рис.21.

Рис.21. Гидравлический пресс статического действия

 

Технологическая разработка процесса – это составление чертежа поковки, на основании разработанного конструктором чертежа готовой детали с учётом припусков, допусков и напусков (рис.22.). 

 

 

Припуск 2 – поверхностный слой металла поковки, подлежащий удалению обработкой резанием для получения требуемых размеров и качества поверхности готовой детали 1. Размеры детали увеличивают на величину припусков в местах, которые подлежат обработке резанием. Припуск 2 зависит от размеров поковки, её конфигурации, типа оборудования, применяемого для изготовления поковки и других факторов. Чем больше размеры поковки, тем больше припуск.

Допуск 4 – допустимое отклонение от номинального размера поковки, проставленного на её чертеже, т.е. разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами поковки.

Конфигурацию поковки иногда упрощают за счёт напусков 3 – объёма металла, добавляемого к поковке сверху припуска для упрощения её формы и, следовательно, процесса ковки.

Напуск 3 удаляют последующей обработкой резанием. Припуски, допуски и напуски назначают в строгом соответствии с ГОСТом.

Рис. 22.   Схема размеров поковки с напуском, припуском и допуском

Выбор оборудования для ковки устанавливают в зависимости от конфигурации поковки и технологических требований на неё, вида заготовки (слиток или прокат).

Последовательность операций ковки устанавливают в зависимости от конфигурации поковки и технологических требований на неё, вида заготовки (слиток или прокат).

В качестве примера на рис.23. приведена последовательность ковки полого массивного цилиндра из слитка на гидравлическом прессе. Цилиндр куют из стального слитка (сталь 40) массой 18 т с пяти нагревов. После первого нагрева протягивают прибыльную часть под патрон и сам слиток на диаметр 1000 мм, отрубают донную и прибыльную части слитка (рис.23, а). После второго нагрева выполняют осадку, прошивку отверстия и раскатку на оправке (рис.23, б). После третьего нагрева – посадку на оправку и протяжку на длину 1100 мм (рис.23., в). После четвёртого – посадку на оправку и протяжку средней части на диаметр 900 мм (рис.23, г). После пятого нагрева (нагревают только конец А) заковывают конец А.

 

 

Рис. 23. Последовательность операций ковки полого цилиндра из слитка

 

Технологические требования к деталям, получаемых из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны быть наиболее простыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями (рис.24, 1 – 4). В поковках следует избегать конических (рис.24, 5) и клиновых (рис.24, 6) форм. Необходимо учитывать трудность выполнения ковкой участков пересечений цилиндрических поверхностей между собой (рис24, 7) и с призматическими поверхностями (рис24, 8). В поковках следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и и т.п., учитывая, что эти элементы в большинстве случаев изготовить ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится прибегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Кроме того следует стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.

 

 

Рис. 24. Правильные и нежелательные формы поковок

Технологические особенности ковки высоколегированных сталей и цветных металлов обусловлены их технологическими свойствами.

 

Высоколегированные стали склонны к интенсивному упрочнению, поэтому для их ковки целесообразнее использовать пресс, а не молот. Особенно осторожно следует ковать литую заготовку, так как литая структура менее пластична, чем деформированная.

Последнее относится и ко всем алюминиевым сплавам. Например, АК5, АК6, АЛ1.

Медные сплавы (латунь и бронза) имеют не высокий запас пластичности, поэтому процесс ковки необходимо вести с минимальными растягивающими напряжениями.

Титан и титановые сплавы имеют достаточно высокую пластичность и обрабатываются всеми применяемыми способами ковки.

 

Горячая объёмная штамповка.

 

Горячая объёмная штамповка – это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента – штампа.

 

В качестве заготовок для горячей штамповки в подавляющем большинстве случаев применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический.

 

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ:

· можно получать поковки сложной конфигурации без напусков;

· допуски на штампованную поковку в 3 – 4 раза меньше, чем на кованную, вследствие этого сокращается объём последующей обработки резанием;

· производительность штамповки выше.

 

В тоже время имеется ряд недостатков:

· штамп – дорогостоящий инструмент и пригоден только для изготовления какой-то одной, конкретной поковки;

· для объёмной штамповки поковок требуется большие усилия деформирования, чем для ковки таких же поковок.

 

Поковки массой в несколько сот килограммов для штамповки считаются крупными. В основном штампуют поковки массой 20 – 30 кг и только в отдельных случаях - массой до 3 т.

Горячей объёмной штамповкой изготовляют заготовки для ответственных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, самолётов, железнодорожных вагонов, станков и т. д.

Конфигурация поковок чрезвычайно разнообразна, в зависимости от неё поковки обычно подразделяют на группы и подгруппы (рис.25).

Для примера, штампованные поковки, показанные на рис.26, можно разделить на две группы: удлинённой формы, характеризующиеся большим отношением длины к ширине (рис.26, а), и короткие круглого и квадратного сечения (рис.26, б).

 

 

Рис. 25. Деление конфигураций поковок на группы и подгруппы

 

 

Рис. 26. Штампованные поковки

Способы горячей объёмной штамповки. Наличие большого разнообразия форм и размеров штампованных поковок, а также сплавов, из которых их штампуют, обуславливает существования различных способов штамповки.

Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно считать основным для классификации способов штамповки.

В зависимости от типа штампа выделяют:

· штамповка в открытых штампах (предусмотрено заусенечная канавка, облой) рис.27, а.

· штамповка в закрытых штампах рис.27, б, в.

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объёмов заготовки и поковки. Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах – уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в заусенец. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную макроструктуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в заусенец.

Рис. 27. Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах:

1 – заусенечная канавка

 

Проектирование поковки. Схема технологического процесса штамповки в основном определяется конфигурацией и размером детали, которую нужно получить. По чертежу детали составляют чертёж поковки.

Прежде всего, необходимо правильно выбрать поверхность разъёма. Плоскость разъёма должна быть выбрана такой, чтобы поковка свободно вынималась из штампа. При штамповке возможен сдвиг одной половины штампа относительно другой. Чтобы такой сдвиг можно было легко контролировать, плоскость разъёма должна пересекать вертикальную поверхность поковки (рис.28).

Припуски на механическую обработку назначают главным образом на сопрягаемые поверхности детали. Припуск зависит от габаритных размеров и массы поковки, от вида оборудования штамповки, шероховатости обрабатываемой поверхности детали; припуск выбирают по ГОСТу.

Для облегчения заполнения полости штампа и извлечения из неё поковки поверхности последней должны иметь штамповочные уклоны и радиусы скругления (рис.29).

 

При проектировании детали следует стремиться к возможно меньшей разности в площадях поперечных сечений на различных участках длины детали, избегать тонких стенок, высоких рёбер, длинных отростков и тонких приливов, примыкающих к плоскости разъёма.

  Способы получения заготовки. Поковки простой конфигурации, не имеющие большой разности сечений по длине (высоте), обычно штампуют в штампах с однойполостью, т. е. в одноручьевых штампах. Поковки сложной конфигурации с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью штамповать в одноручьевом штампе из прокатанных заготовок постоянного профиля невозможно (или штамповка сопровождается недопустимо большим отходом в заусенец).

В этом случае форму заготовки следует приблизить к форме поковки, прежде чем производить окончательное формообразование в штамповочном ручье, т.е. необходимо получить профилированную или фасонную заготовку.

 

Рис.28. Выбор плоскости разъёма штампа:

а – неправильно; б – правильно

 

 

Рис.29. Примеры составления чертежа поковки:

а – деталь; б – поковка при штамповке в открытом штампе; в – то же, в закрытом штампе с одной плоскостью разъёма; г – то же, в закрытом штампе с двумя плоскостью разъёма.

 

 

Чаще всего в настоящее время фасонную заготовку получают в заготовительных

ручьях штампов. Этот способ в зависимости от характера производства осуществляют либо в одном многоручьевом штампе, либо в нескольких одноручьевых, установленных на отдельных штамповочных машинах. В первом случаи в одном блоке расположены полости (ручьи) для получения фасонной заготовки и окончательного формообразования поковки (рис. 30.).

Ручьи в многоручьевых штампах подразделяют на заготовительные и штамповочные. К заготовительным ручьям, служащим для получения фасонной заготовки, относятся протяжной, подкатный, гибочный, площадка для осадки и др.

Протяжной ручей 2 (рис.30.) служит для увеличения длины отдельных участков заготовки за счёт уменьшения площади их поперечного сечения.

Подкатный ручей 1 служит для местного увеличения сечения заготовки (набора металла) за счёт уменьшения сечения рядом лежащих участков.

Гибочный ручей 5 применяют только при штамповке поковок, имеющих изогнутую ось.

Черновой ручей 4 применяют в основном для снижения износа чистового.

Чистовой ручей 3 расположен в центре штампа, так как при штамповке наибольшее усилие возникает в нём. По краям штампа располагают ручьи, в которых усилия штамповки наименьшее, чтобы уменьшить эксцентрично приложенную на штамповочное оборудование нагрузку.

 

Рис.30. Многоручьевой штамп

 

При штамповке осадкой заготовки в торец размеры её подсчитывают из условия

1,25 < l _заг / d _заг < 2,5,

где l_заг – длина заготовки; d_заг – диаметр заготовки (или сторона квадрата).

 

При меньшем отношении длины к диаметру затрудняется отрезка заготовки, при большем – возможен продольный изгиб при осадке.