Нагрев металла при обработке давлением

Общие положения

 

К процессам горячей деформации относят процессы, протекающие при температуре выше температуры рекристаллизации, составляющей 0,65 – 0,75 абсолютной температуры плавления (для углеродистой стали эта температура составляет 900⁰ – 1150⁰С). В интервале температур горячей деформации пластичность повышается в несколько раз, а прочностные характеристики снижаются в 10 раз по сравнению с этими характеристиками при комнатной температуре (рис. 3), поэтому процессы горячей обработки являются менее трудоемкими и энергоемкими.

 

Рис.3 Изменение

d и s_в стали, содержащей 0,15% С, в зависимости от температуры

 

 

Однако изделия, полученные горячей обработкой, обладают худшим качеством поверхности (слой окисленного металла на поверхности, называемой окалиной) и меньшей точностью геометрических размеров по сравнению с изделиями, полученными методом холодной деформации.

Нагревать сталь до температур, близких к температуре плавления, нельзя, так как развиваются перегрев, состоящий в интенсивном росте зерна нагреваемого металла, и пережог, сопровождающийся окислением и оплавлением границ зерен, нарушением связей между ними и, как следствие, полной потерей пластичности. Пережог является неисправимым браком. Таким образом, с учетом требований технологии и окончательных свойств обрабатываемого металла для разных металлов и сплавов устанавливается оптимальный интервал температур нагрева (начала деформации) и окончания процесса горячей деформации.

Для уменьшения роста зерна и выгорания углерода с поверхности стальных заготовок, а также снижения отходов металла на угар (образование окалины за счет взаимодействия с кислородом атмосферы печи) необходимо осуществлять нагрев с наибольшей скоростью. Температура посадки металла в нагревательное устройство и скорость нагрева определяются его пластичностью и теплопроводностью в соответствующем температурном интервале (рис.4).

 

Рис.4 Интервалы температур нагрева при обработке давлением

 

 

В процессе нагрева из-за перепада температур между внутренними и наружными зонами заготовки возникают температурные напряжения, которые из-за недостаточной пластичности металла могут привести к образованию и развитию трещин. Выдача заготовки из печи должна производиться после нагрева заготовки по всему сечению, при этом скорость нагрева при постоянной температуре на поверхности пропорциональна квадрату толщины или диаметра слитка.

Для бесконтактного контроля температуры нагреваемой заготовки служит оптический пирометр (рис.5).

Рис.5 Оптический пирометр

1-линза, 2,7- светофильтры, 3- корпус, 4- лампа накаливания 5- линза окуляра, 6- окуляр, 8- миллиамперметр, 9- источник тока, 10- рукоятка, 11- реостат

Нагревательные устройства

 

В современных процессах обработки металлов давлением нагрев заготовок осуществляют в пламенных и электрических печах, в установках контактного и индукционного электрического нагрева.

Нагрев в пламенных печах происходит за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности металла. При этом основные виды топлива - мазут и газ. Для подачи и регулирования подачи топлива в печь используют форсунки (рис.6).

Рис.6 Форсунка

Нагрев в электропечах сопротивления осуществляется за счет лучеиспускания тепла от нагревательных элементов сопротивления. Нагревательные печи бывают камерные (рис.7) и методические (рис.8)

 

 

Рис.7 Камерная печь

1- под, 2- заготовка, 3- горелка, 4- окно, 5- дымоход

Рис.8 Методическая печь

2- заготовки, 8 - толкатель, 6 - под печи, 7 - окно, I- подогревательная зона (600^o-800^oC), II - зона максимального нагрева (1250^о- 1350^оС), III- зона выдержки.

В камерных печах заготовку сажают в нагретую до температуры посадки печь и дальнейший нагрев осуществляется вместе с печью. Поэтому так можно нагревать заготовки, допускающие в начальный момент нагрева воздействие высоких температур.

Методические печи имеют несколько зон (камер), при перемещении через которые металл постепенно нагревается до заданной температуры.

Существенным недостатком нагрева в пламенных печах с обычной атмосферой является обезуглероживание поверхности стальных заготовок и высокий угар металла (при нагреве слитков – 1,5 – 2%, сортового металла – 3-4% от общей массы нагреваемого металла, при каждом последующем нагреве составляет 50-75% от получаемого при первом нагреве). Кроме того, образующаяся окалина во избежание брака изделий и повреждений деформирующего инструмента должна перед обработкой удаляться. Обезуглероженный слой подлежит удалению зачисткой или механической обработкой готовых изделий. Обе эти операции не только трудоемки, но и связаны с большими потерями металла. Для уменьшения и предохранения металла от окисления и обезуглероживания в пламенных печах в качестве защитной атмосферы чаще всего используют оксид углерода, получаемый путем неполного сжигания топлива. Электрические печи сопротивления заполняют нейтральным газом.

Нагрев металла с применением электрической энергии осуществляется за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через нагреваемую заготовку (контактный метод) (рис.9), или за счет токов гистерезиса (индукционный метод) (рис.10). При этом обезуглероживание практически отсутствует, слой окалины уменьшается в 4 – 5 раз (0,8-1%) по сравнению с нагревом в пламенных печах, обеспечивается точность регулирования температур. К недостаткам электронагрева относятся ограничения по сортаменту нагреваемых изделий и маркам сталей, высокая стоимость установок и электроэнергии. Применение в последние годы нагревательных установок с вакуумированием печного пространства и заполнением его нейтральными газами (гелием, аргоном и др.) высокой степени очистки для безокисного нагрева дорогостоящих высокореактивных металлов и сплавов, как правило, окупаются.

 

Рис.9 Схема контактного электронагревательного устройства

1- заготовка, 2- медные контакты

 

 

Рис.10 Схема индукционного электронагревательного устройства

1- заготовки, 2- соленоид

 

 

 

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОВКИ

Молоты

Свободная машинная ковка осуществляется на молотах и прессах.

Молотами называют машины ударного действия, в которых энергия привода перед ударом преобразуется в кинетическую энергию линейного движения масс с закрепленным на них инструментом, а во время удара – в полезную работу деформирования поковки. Для привода молотов чаще всего используют пар, сжатый воздух или газ, а также жидкость под давлением, горючую смесь, взрывчатые вещества, магнитные и гравитационные поля. Существуют молоты с массой падающих частей от 160кг до 16т. Обычно операции осуществляют последовательными ударами, высокоскоростные штамповочные агрегаты рассчитывают на один удар, за который полностью осуществляется деформационная операция. По конструкции и типам привода молоты можно разделить следующим образом: паровоздушные, пневматические, механические, электромеханические, газовые и высокоскоростные.

Паровоздушные ковочные молоты, предназначенные для изготовления поковок средней массы (от 20кг до 350кг) из прокатанных заготовок, приводятся в действие паром или сжатым воздухом, подающимся от котлов или компрессоров. Поступая в рабочий цилиндр, энергоноситель разгоняет поршень и связанные с ним подвижные части молота до скоростей 6-7 м/с. Молоты по конструкции станины подразделяются на мостовые, одностоечные и арочные (рис.11).

Рис.11 Паровоздушный молот арочного типа

1- рабочий цилиндр, 2- поршень,

3- шток, 4- станина, 5- баба, 6,7- бойки, 8- шабот, 9- направляющие, 10,12- канал, 11- парораспределительное устройство.

 

Паровоздушные молоты имеют массу падающих частей от 1000 до 8000 кг, давление сжатого пара или воздуха 0,7….0,9МПА.

Парораспределительное устройство позволяет с помощью незначительных усилий управлять мощным силовым цилиндром, который и создает усилие, осуществляющее ковку (рис.12).

Рис.12. Парораспределительное устройство

 

Пневматические ковочные молоты также используют сжатый воздух, но воздух является пружиной, связывающей два поршня - рабочий и компрессорный, Компрессор приводится от коленчатого вала двигателя. Компрессор фактически встроен в молот. На пневматических молотах, имеющих массу падающих частей от 50 до 1000кг, производят мелкие поковки (до 20 кг).

В электромеханических молотах на поршень действует давление газов, возникающее в результате вспышки горючего.

 

Прессы

К механическим прессам относятся винтовые фрикционные прессы (рис.13).

В высокоскоростных молотах высокое давление создается с помощью специальных гидравлических устройств. Энергоноситель – сжиженный газ, порох и др. В этих молотах чаще используют метод встречного движения бойков. Такие молоты называются бесшабот

Рис.13 Винтовой фрикционный пресс

1- электродвигатель, 2- ременная передача, 3- вал, 4- фрикционные диски, 5- маховик. 6- гайка, 7- ходовой винт, 8- ползун, 9- заготовка, 10- рукоятка

 

ными. Преимущество данной конструкции состоит в отсутствии громоздких фундаментов или амортизационных систем.

При ударе молота (бойка) по заготовке часть энергии расходуются за тысячные доли секунды на ее пластическую деформацию, остальная поглощается нижним бойком и его основанием (шаботом). Коэффициент полезного действия молота определяется как отношение полезной работы деформации Ад ко всей энергии удара А, т.е. к.п.д. = Ад/А. Чем больше масса шабота, чем выше к.п.д..

На ковочных гидравлических прессах - машинах статического действия (рис.14), где деформирование заготовки может продолжаться десятки секунд, - перерабатывают крупные заготовки, в основном слитки. Прессы развивают усилия от 55 до 100МН.

 

Рис.14 Гидравлический пресс

1- рабочий цилиндр, 2- плунжер, 3- подвижная поперечина, 4- колонна,

5- верхний боек, 6- нижний боек, 7- верхняя поперечина, 8- плунжер, 9- возвратный цилиндр, 10- верхняя неподвижная поперечина, 11- тяга, 12- нижняя поперечина