Операция предназначена для расширения площади поперечного сечения изделия посредством уменьшения его длины. По идее осадка – обратная операция от высадки. Осадку разделяют на: полную и частичную, последнюю принято считать высадкой(о которой пойдет речь в следующей статье).
Если вам поставлена задача выполнить полную осадку, то стоит начинать с нагрева заготовки в горне, после заготовку кладут на наличник наковальни, но обязательно уделите внимание строго вертикальному расположению изделия на наличнике наковальни!
Так же важным условием для заготовки есть длина, которая не должна превышать диаметр больше чем в 2 раза.
Предварительно срежьте концы заготовки под прямым углом к осевой вертикали, а в случае, если длина заготовки мешает вертикальной установке, то её придется разрубить на части с нужной длиной. Эти действия предупреждают возможное изгибание заготовки.
Первыми легкими ударами выполняют разгонку металла и здесь немаловажно контролировать ритмичность ударов с равномерным распределением силы. Как и в предыдущих приемах для достижения равномерности обработки металла, заготовку поворачивают во время ковки вокруг вертикальной оси. Все изъяны, которые получились в результате осадки, в обязательном порядке исправляют сразу же на наковальне иначе после изделие не исправить с той е легкостью. Поверхность можно выровнять используя гладилки, сама плоскость заготовки достигается при помощи молотка с шарообразным бойком.
Осадкой называют операцию свободной ковки (и объемной штамповки), в результате которой происходит увеличение поперечного сечения заготовки за счет уменьшения ее высоты (рис. 22).
Как видно из рисунка, после осадки заготовка принимает бочкообразный вид. Объясняется это наличием внешнего трения между бойками и заготовкой,
которое препятствует течению металла в радиальном направлении как непосредственно на торцах заготовки, так и вблизи их. По мере удаления от торцов вглубь металла влияние внешнего трения уменьшается, чем и объясняется бочкообразность боковых поверхностей осаженной заготовки.
Исходя из условия постоянства объема исходной и осаженной заготовок, средний диаметр последней в любой момент осадки может быть определен зависимостью:
. [5]
Операцию осадки применяют: для повышения степени уковки в случаях, когда исходная площадь поперечного сечения слитка не обеспечивает необходимой степени укова при вытяжке; для получения поковок большего поперечного сечения из заготовок с меньшим сечением; как предварительная операция перед прошивкой при изготовлении пустотелых поковок; как предварительную операцию перед протяжкой с целью наибольшего разрушения дендритной структуры и получения одинаковых механических свойств в продольном и поперечном направлениях поковки; вместе с вытяжкой для равномерного распределения и измельчения карбидов в поковках из стали карбидного класса (быстрорежущих, высокохромистых, инструментальных).
Для качественного выполнения операции осадки необходимо соблюдение следующих условий:
– размеры исходной заготовки должны находиться в пределах – в противном случае возможно искривление заготовки (рис. 23);
– торцы исходной заготовки должны быть перпендикулярны к ее продольной оси, – иначе образуется искривленная бочка (рис. 24);
– необходим равномерный нагрев металла перед осадкой до ковочной температуры как вдоль, так и поперек заготовки, – иначе поковка может получить грибообразную форму (рис. 25), или форму с явно выраженной односторонней бочкообразностью (рис. 26);
– заготовки квадратного или прямоугольного поперечного сечения (рис. 27а) перед осадкой должны быть подкатаны до цилиндрической формы (рис. 27б), затем осажены до заданной высоты (рис. 27в) и только после этого прокованы на большее квадратное или прямоугольное сечение (рис. 27г), – в противном случае (при непосредственной осадке квадратного или прямоугольного сечения) из-за неравномерности деформации металла, существенно искажается квадратное сечение заготовки, и появляются диагональные трещины в теле осаженной заготовки (рис. 28а, б).
Помимо осадки на плоских бойках в практике кузнечной обработки используются и другие способы осадки.
Осадка слитков с хвостовиками (рис. 29) выполняется в подкладных сферических плитах (рис. 19ю), причем нижняя плита имеет цилиндрическое отверстие, куда вставляется предварительно оттянутый из прибыльной части слитка хвостовик, с помощью которого слиток удерживается в патроне кантователя при выполнении последующей протяжки.
Осадка на плоских плитах (рис. 19ы) или на подкладных кольцах (текущий рисунок) выполняется тогда, когда получение хвостовиков, выступов, ступиц, цапф затруднено из-за малой длины последних (рис. 30). При этом происходит вдавливание части металла заготовки в отверстия плит (колец). Обычно используют кольца с высотой и диаметрами отверстий равными размерам выступов поковок и с наружными диаметрами равными диаметрам дисков (фланцев) поковок. После осадки бочкообразность боковых поверхностей устраняется обкаткой по фланцу поковок не снимая колец и, тем самым, обеспечивается получение точных заданных размеров поковок.
Осадка (высадка) в нижняке (сподке) осуществляется в высоком подкладном кольце на части длины исходной заготовки (рис. 31). Часть заготовки, подлежащая высадке, должна удовлетворять условию , причем нагреву до
ковочной температуры подлежит только высаживаемая часть заготовки. Наружный диаметр сподка принимают равным диаметру высаживаемой части поковки; это дает возможность после высадки утолщение поковки обкатать по ее диаметру не вынимая из сподка. В некоторых случаях верхняя часть полости в сподке может быть изготовлена по форме и размерам высаживаемой головки поковки (рис. 32).
Осадка раскаткой (разгонкой)с помощью раскаток различного поперечного сечения (рис. 19ж,з,и,к). В результате осуществления этого вида осадки за каждую установку раскатки деформируется молотом или прессом не вся торцевая поверхность осаживаемой заготовки, а лишь часть ее, находящаяся под раскаткой (рис. 33). Затем раскатку переставляют на соседний участок заготовки, подвергая и его осадке и т.д. При осадке этим способом уменьшается бочкообразность боковых поверхностей осаживаемой заготовки и значительно уменьшается усилие осадки, необходимое для деформации всей заготовки сразу.
Осадка романением (рис. 34а) выполняется в том случае, когда из-за большой длины заготовки высадка ее в сподке невозможна; тогда заготовку зажимают между бойками молота или пресса, а по выступающему нагретому концу ее наносят удары «соколом» (тараном), подвешенным к подъемному крану. В зависимости от нагретого участка заготовки ее высадку (набор металла) можно осуществить на концах (рис. 34б) или в середине заготовки (рис. 34в), а если при этом осадку осуществлять легкими ударами молота, то вместо бочкообразной формы осадки можно получить коническую форму утолщения (рис. 34г). Высадку утолщений можно выполнять и, так называемой, «машинкой» (рис. 34д), при этом в качестве деформирующего уси
лия используется усилие пресса или энергия удара молота.
Расчетное усилие пресса, необходимое для выполнения операции осадки заготовки круглого сечения, можно определить по формуле [5]:
[т] или [МН] (6)
где Р – усилие осадки, МН; — масштабный коэффициент, зависящий от массы осаживаемых заготовок (слитков) в пределах от 1 кг до 100 тн соответственно; D и Н – диаметр и высота поковки, мм (рис. 22); F – площадь поперечного сечения поковки (после осадки), мм 2 ; s » sВ – напряжение текучести металла при температуре осадки, приближенно равное пределу прочности при той же температуре, МПа.
По расчетному усилию осадки выбирают ближайший наибольший гидравлический пресс из нормального ряда (ГОСТ 7284-80).
Расчетную массу падающих частей молота, необходимую для выполнения операции осадки заготовок круглого поперечного сечения, можно определить по формуле [5]:
, (7)
Число ударов молота n, необходимое для осадки, находят по формуле [7]: ,
где – коэффициент неравномерности ударов молота; – полная работа молота при операции осадки, КДж; – энергия одного полного удара молота, КДж;
Осадкой в целях увеличения уковки, уменьшения анизотропии механических свойств следует пользоваться с учетом того, что уковка положительно влияет до известного предела и что улучшение механических свойств в поперечных направлениях приводит к снижению их в осевом направлении.
Неравномерность нагрева способствует в процессе осадки искривлению продольной оси и смещению ликвационных зон.
Слитки с подкорковыми дефектами надо предварительно обжимать для заварки последних, чтобы предотвратить их вскрытие в процессе осадки.
Степень деформации при осадке выражается в процентах:
В обычных условиях осадки в результате неравномерности деформации заготовка приобретает бочкообразную форму. Повышению равномерности осадки способствуют:
В качестве смазок используют сухие древесные опилки, стеклосмазки, графит с машинным маслом, водный раствор коллоидного графита (5-10%) и жидкого стекла (15-20%) и др. Определение величины бочкообразное поковки приведено в литературе.
Во избежание продольного изгиба (искривления) не рекомендуется осадка заготовок с отношением высоты к диаметру или к меньшей стороне сечения больше 2,5.
Рис. 7. Исправление изгиба при осадке
На рис. 8 приведена диаграмма для выбора веса падающих частей молота при ковке с осадкой поковок шестерен (без помощи манипулятора).
Рис. 8. Диаграмма для выбора веса падающих частей молота для ковки поковок типа шестерен. (Поковки с размерами D
Остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.
1. Средний диаметр после осадки
2. Площадь поперечного сечения поковки после осадки
Осадка металла – операция обработки металлов давлением, в результате которой уменьшается высота и одновременно увеличиваются поперечные размеры заготовок (рисунок, позиция а). Осадку применяют для получения формы поковки, с целью уменьшения глубины прошивки, для обеспечения соответствующего расположения волокон в будущей детали (при изготовлении шестерней обеспечивается повышенная прочность зубьев в результате радиального расположения волокон), как контрольную операцию (из-за значительной деформации по периметру на боковой поверхности вскрываются дефекты).
При выполнении осадки требуется, чтобы инструмент перекрывал заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, это характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.
Схемы осадки металла и ее разновидностей
Средний диаметр заготовки определяется по формуле:
Осадке подвергают заготовки, для которых высота не превышает 2,5…3 диаметра. В противном случае возможен или продольный изгиб заготовки, или образование седлообразности.
Разновидностями осадки являются высадка и осадка разгонкой торца.
Высадка металла
Высадка металла – кузнечная операция, заключающаяся в деформировании части заготовки (концевой части или середины). Для проведения операции используют местный нагрев, например, в середине заготовки (рисунок, позиция б), или ограничивают деформацию на части заготовки кольцевым инструментом (рисунок, позиция в).
Осадка разгонкой торца позволяет уменьшить высоту и увеличить площадь ранее осаженной заготовки (рисунок, позиция г). Локализация деформации позволяет уменьшить усилие осадки.
Осадкой называют технологическую операцию, позволяющую уменьшить высоту исходной заготовки с одновременным увеличением площади ее поперечного сечения. Осадку применяют, например, для решения следующих задач:
Рис. 1. Схема осадки:а – исходное положение заготовки перед осадкой; б – процесс осадки; Н и D – высота и диаметр исходной заготовки соответственно; Н1 и D1 – соответственно высота и средний диаметр заготовки после осадки;D1 max – максимальный диаметр заготовки; τ – силы трения на контактных поверхностях; Р – сила осадки
Рис. 2. Зоны деформации в осаживаемой цилиндрической заготовке
Основной причиной искажения формы являются силы трения, возникающие в зонах контакта торцев заготовки с жесткими поверхностями машины – орудия (пресса, молота). Этому способствует также подхолаживание торцев заготовки при их контакте, например, с холодными бойками.
В осаженной заготовке можно выделить три характерные зоны (рис. 2): I – зону интенсивной деформации; II – зону «затрудненной деформации», состоящую из двух областей, примыкающих к торцам заготовки и находящихся в условиях неравномерного всестороннего сжатия. Эти области как бы расклинивают зону I в осевом и радиальном направлениях.
Зона III выходит на боковые поверхности заготовки. Интенсивность деформации в этой зоне больше, чем в первой, и меньше, чем во второй зоне. В зоне III возникают растягивающие напряжения, которые ограничивают максимальную степень деформации заготовки при осадке и являются инициаторами образования трещин на ее боковой, бочкообразной поверхности при увеличении деформации сверх предельной.
Диаметр поковки D1 определяют без учета бочкообразности по выражению
(1)
где Vз – объем исходной цилиндрической заготовки.
В зависимости от интенсивности нанесения ударов по заготовке, например молотом, степени деформации осаживаемой заготовки, величины трения, действующего по торцам заготовки, последняя приобретает различную бочкообразность, как показано на рис. 3.
«Нормальная» бочка (рис. 3, а) образуется при осадке цилиндрической заготовки, имеющей соотношение Н/D ≤ 2,5, при выполнении осадки «тяжелыми», мощными ударами молота или в случае медленного давления пресса. Вогнутая («рюмкообразная») бочка (рис. 3, б) получается при коротких и легких ударах молота, наблюдается при осадке высоких заготовок (Н > 2D) на высокоскоростных молотах, а также на молотах с недостаточной массой падающих частей, когда деформация не успевает распространиться в глубину заготовки, а происходит «расклепывание» торцевых участков заготовки.
Двойная бочка с цилиндрической частью (рис. 3, в) образуется при малой степени осадки. В ходе дальнейшей осадки диаметр цилиндрической части возрастает и заготовка принимает форму цилиндра, к которому примыкают концевые участки в виде усеченных конусов (рис. 3, г).
Рис. 3. Формы бочкообразования при осадке:а – «нормальная» бочка; б – вогнутая; в – двойная с цилиндрической частью;г – конусообразная; д – двойная
При увеличении деформации (s = 40…50 %) диаметр среднего сечения растет более интенсивно и заготовка принимает «нормальную» бочкообразную форму (рис. 3, а). При больших отношениях D/H ( 1.1. Разновидности осадки
Высадка – осадка части заготовки (рис. 5). Высадкой получают утолщение концевой или срединной зоны заготовки. Перед высадкой торцевой части заготовки нагревают только зону высадки, а при высадке срединной части – срединную часть заготовки, подвергаемую высадке.
Рис. 5. Высадка верхнего участка заготовки:1 – боек молота;2 – заготовка после высадки; 4 – матрица (подкладное кольцо)
Холодные зоны заготовок обеспечивают передачу деформирующей силы нагретым участкам заготовок.
При высадке утолщений (фланцев) на длинных и тяжелых поковках валов выполняют местный нагрев зоны будущего утолщения. Высадку осуществляют с помощью подвешенной на цепи крана стальной штанги с утолщением 4 на конце, называемой «соколом» (рис. 6). (В некоторых источниках штангу именуют «романом», а процесс высадки – «романением».) Нанося удары «соколом», высаживают нагретый участок.
В настоящее время выпускают гидравлические прессы, оснащенные устройствами, заменяющими функцию стальной раскачиваемой штанги.
Рис. 7. Осадка в подкладных кольцах с затеканием металла в полости колец:1, 2 – бойки; 3, 4 – подкладные кольца; 5 – осаженная заготовка
Осадку в подкладных кольцах применяют для изготовления заготовок – поковок при производстве крупногабаритных зубчатых колес, турбинных дисков с бобышками с двух сторон и тому подобных деталей. При этом заготовки осаживают или с предварительной ковкой хвостовиков, которые помещают в отверстия колец, или с затеканием металла в отверстия колец (рис. 7).
2. Протяжка
Протяжка – операция ковки, предназначенная для удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения (рис. 8). Протяжку осуществляют путем хода бойка молота или пресса перпендикулярно к оси заготовки (обжимами) с ее подачей вдоль оси.
При протяжке различают переходы и проходы. Переход состоит из обжатия и подачи. Смежные переходы на длине протягиваемой заготовки составляют проход. Протяжка может быть одно-, двухпроходной и т.д., но по исполнению всегда многопереходная. Для выравнивания деформации в объеме заготовки применяют протяжку: с кантовкой заготовки после прохода на всю длину протяжки; протяжку с кантовкой в обе стороны; протяжку по винтовой линии. Последний способ более трудоемок, и его применяют в основном для ковки труднодеформируемых материалов, например инструментальных сталей.
К основным характеристикам протяжки относят относительное обжатие и относительное уширение.
Относительное обжатие – степень деформации по высоте заготовки (рис. 8)
Относительное уширение – степень деформации по ширине заготовки:
(9.3)
Допустимая величина обжатия зависит от пластических свойств деформируемого металла. Малыми подачами обычно пользуются для повышения интенсивности протяжки, уменьшения уширения или увеличения максимальных обжатий. От протяжки с большими подачами возрастает неравномерность деформации, она сопровождается значительным уширением, требует повышенных энергозатрат и приводит к уменьшению относительного обжатия.
В зависимости от массы, длины протягиваемой заготовки и способа ее удержания в производстве применяют различные способы протяжки. Последнюю начинают с конца заготовки или с ее середины. При протяжке короткой заготовки ковку осуществляют с дальнего ее конца от кузнеца. Этот способ протяжки называют «на себя». Если протяжку ведут от середины или с ближнего торца заготовки к ее дальнему торцу, то этот способ протяжки именуют «от себя».
При протяжке круглых заготовок (протяжке «на круг») плоскими бойками круглые заготовки вначале превращают в квадратные со стороной квадрата, равной 0,6…0,7 диаметра исходной заготовки, затем сбивают углы и придают заготовке примерную форму тела вращения. Высоколегированные стали, склонные к трещинообразованию, проковывают на пластину, а затем перековывают на требуемый профиль, например круг.
Ковку с круга на круг проводят в вырезных бойках. При этом используют комбинированные бойки: верхний – плоский, нижний – вырезной (фасонный). За счет того, что уширение в таких бойках ограничено, интенсивность вытяжки заготовки увеличивается на 20…40 %.
При протяжке заготовок прямоугольного сечения для предотвращения изгиба осаживаемой зоны заготовки в вертикальном направлении отношение высоты сечения заготовки к его ширине не должно превышать 2…2,5.
2.1. Протяжка на оправке
Эта операция является частным случаем, разновидностью операции протяжки. Протяжку на оправке применяют для увеличения длины прошитой или просверленной заготовки за счет уменьшения ее наружного диаметра и толщины стенки заготовки. Внутренний диаметр заготовки при этом изменяется незначительно. Конструкция оправки показана на рис. 9.
Рабочую часть оправки выполняют конусной с уклоном 5…12 мм на 1 м длины с буртом в зоне большего основания конуса. Бурт является упором для металла заготовки при ее обработке, а также облегчает удаление оправки из полости заготовки после завершения операции. Иногда для облегчения съема обработанной заготовки с оправки между буртом и торцем заготовки помещают кольцо, называемое муфтой. Применяют оправки сплошные и с осевым сквозным отверстием, служащим для охлаждения оправки проточной водой. Материал оправок – стали 35, 40, 40ХН, 5ХГМ и др.
При протяжке кольцевой заготовки оправку вставляют с небольшим зазором в отверстие нагретой до ковочных температур заготовки и удерживают при ковке с одного или двух концов на цепях крана.
Протяжку на оправке применяют для изготовления сосудов высокого давления, корпусов химических реакторов, котлов и других ответственных деталей различных устройств.
3. Раскатка
Раскатка – кузнечная операция, с помощью которой увеличивают диаметр исходной заготовки с отверстием, например после операции прошивки, уменьшая ее толщину посредством бойка и оправки (рис. 10). Эту операцию применяют при изготовлении поковок типа колец, зубчатых венцов, бандажей, различных обечаек и других деталей, имеющих сравнительно тонкие стенки и отверстия достаточно большого диаметра.
Иногда операцию раскатки представляют как протяжку заготовки, предварительно изогнутой по окружности. При этом длина заготовки будет равна длине средней окружности кольцевой заготовки, ширина кольца – соответственно ширине, а толщина – высоте заготовки.
При раскатке на оправке роль нижнего бойка играет оправка, опирающаяся на две подставки (стойки). Обработку нагретой до ковочных температур кольцевой заготовки выполняют с ее вращением после каждого обжатия. Вращают часто вручную с помощью клещей, крупные кольца поворачивают цепями с использованием мостовых ковочных кранов. Иногда вращение заготовке передают путем вращения оправки, которая, в свою очередь, передает вращающий момент заготовке благодаря силам трения.
Обычно требуемые размеры заготовки получают раскаткой за несколько оборотов заготовки. При этом много значат квалификация и опыт кузнеца, так как в процессе раскатки одновременно изменяются три параметра: диаметр, ширина и толщина раскатываемой кольцевой заготовки.
4. Скручивание
Скручивание является кузнечной операцией, при выполнении которой осуществляют поворот части заготовки вокруг продольной оси на определенный угол. Часто ее применяют при изготовлении заготовок деталей, имеющих форму коленчатого или кривошипного вала, поковок с уступами и выступами. Эта операция упрощает ковку сложных поковок, позволяя обрабатывать все части поковки в одной плоскости.
Для предотвращения образования трещин и разрывов закручиваемая часть поковки не должна иметь резких переходов между сечениями, но должна быть равномерно прогрета до ковочных температур. Нагрев перед скручиванием проводят как всей поковки, так и части, подлежащей закручиванию. При кручении уменьшается длина поковки. Это обстоятельство учитывают, добавляя соответствующие припуски при проектировании поковки.
Операцию кручения выполняют с помощью рычага-вилки, который надевается на закручиваемую часть поковки (рис. 11), при этом базовая часть поковки зажимается между бойками. Поворот рычага на заданный угол осуществляют как вручную (для мелких поковок), так и посредством, например, мостовых кранов кузнечного цеха.
Силу закручивания можно определить по выражению
(4)
где Р – сила, Н; d – диаметр поковки в зоне скручивания, м; σв – предел прочности материала поковки при температуре закручивания, Па; l– длина рычага, м; α – угол скручивания, град.
Прошивка – основная операция ковки, предназначенная для получения осевых сквозных полостей в заготовке путем вытеснения материала (сквозная прошивка) или углублений (несквозная прошивка).
Основным инструментом при прошивке является конический сплошной или цилиндрический полый прошивень диаметром Dп (рис. 12). В общем случае форма поперечного сечения прошивня должна соответствовать форме сечения отверстия или углубления, выполняемого в поковке. Внедрение сплошного прошивня в заготовку сопровождается изменением ее формы (см. рис. 12), связанным с вытеснением металла из-под торца внедряемого в заготовку прошивня. При этом цилиндрическая поверхность заготовки диаметром D приобретает бочкообразную форму с одновременным уменьшением своей высоты c Н0 до Н.
При прошивке на сплошной опоре внедрение прошивня в металл (Н0 — h) допустимо не более чем на 80…90 % от высоты заготовки Н0.
В общем виде операция прошивки сплошным прошивнем изображена на рис. 13, а на рис. 14 – схема прошивки полым прошивнем.
Рис. 12. Искажение формы заготовки при прошивке:1, 2 – соответственно исходная и прошиваемая заготовки; 3 – прошивень
Рис. 13. Технологическая последовательность выполнения осевого отверстия в поковке прошивкой сплошным прошивнем:а – исходная заготовка, равномерно нагретая до ковочных температур; б – внедрение конусного прошивня 1 в заготовку 2 ударами молота; в – удаление конусного прошивня и переворачивание заготовки; г – пробивка отверстия прорезным прошивнем с образованием отхода 3 (выдры); д – поковка с выполненным отверстием и отход (выдра)
Рис. 14. Промежуточный этап выполнения отверстия в поковке 1 полым прошивнем 2
Для уменьшения трения между поверхностями прошивня и заготовки, а также снижения вероятности перегрева прошивня применяют смазки в виде графита, толченого угля или кокса. При этом первоначально вдавливают прошивень на небольшую глубину, затем извлекают, в образовавшееся углубление закладывают смазку и вновь продолжают прошивку.