Основные операции ковки и применяемый инструмент

Процесс ковки состоит из чередования в определенной после­довательности основных и вспомогательных операций. К основ­ным операциям ковки относятся: осадка, протяжка, прошивка, обрубка, гибка, скручивание.

Каждая основная кузнечная операция определяется характе­ром деформирования и применяемым инструментом.

Осадка — операция уменьшения высоты заготовки при уве­личении площади ее поперечного сечения (рис. 27, а). Осадку применяют:

-для получения поковок с большими поперечными размерами при относительно малой высоте (зубчатые колеса, диски и т. п.);

-как предварительную операцию перед прошивкой при изго­товлении пустотелых поковок (колец, барабанов);

-как предварительную операцию для уничтожения литой ден­дритной структуры слитка и улучшения механических свойств изделия.

Рис.27. Схемы осадки и высадки

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 заготовки. Оса­живают заготовки между бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является вы­садка (рис. 27,б), при которой металл осаживается лишь на части длины заготовки.

Протяжка - операция удлинения за­готовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения (рис. 28,а). Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг этой оси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличиваются ширина и длина заготовки. Общее уве­личение длины равно сумме приращений длин за каждое нажа­тие, а уширение по всей длине одинаково. Если заготовку повер­нуть на 90° вокруг горизонтальной оси и повторить протяжку, то уширение, полученное в предыдущем проходе, устраняется, а длина заготовки снова увеличивается. Чем меньше подача при каждом нажатии, тем интенсивнее удлинение. Однако при слиш­ком малой подаче могут получиться зажимы (рис. 28,б).

Протягивать можно плоскими (рис. 28,а) и вырезными (рис. 28,в) бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (особенно при протяжке круглого се­чения) значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направленные с четырех сторон к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному те­чению металла и устранению возможности образования осевых трещин.

Рис.28. Схема протяжки и её разновидностей

Величина деформации при протяжке, как и при осадке, может быть выражена уковкой. Протяжкой получают поковки с удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т. п.). Ниже приведены основные разновидности операции протяжки.

Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины (рис. 28,г).

Протяжка с оправкой - операция увеличения длины пустоте­лой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 28,д). Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3 и верхнем плоском 2) на слегка конической оправке 1. Протяги­вают в одном направлении - к расширяющемуся концу оправку что облегчает ее удаление из поковки.

Раскатка на оправке - операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 28,е). Заготовка 5 опи­рается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 6, устанавливаемую концами на подставках 7, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком 4. После каждого на­жатия заготовку проворачивают относительно оправки.

Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вначале раскаткой уничтожают бочкообразность пред­варительно осаженной и прошитой заготовки и доводят ее внут­ренний диаметр до требуемых размеров. Затем протяжкой с оправ­кой уменьшают толщину стенок и увеличивают до заданных раз­меров длину поковки.

Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла (рис. 20,а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка). Инструментом для прошивки являются прошивни (рис. 29,в) сплошные и пустотелые; последними прошивают отверстия боль­шого диаметра (400-900 мм). При сквозной прошивке сравни­тельно тонких поковок применяют подкладные кольца (рис.29,б). Более толстые поковки прошиваются с двух сто­рон без подкладного кольца (рис. 29,а). Диаметр прошивня выбирают равным 1/2-1/3 наружного диаметра заготовки; при большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается. Прошивка сопровождается отходом (выдрой).

Рис.29. Схемы прошивки и отрубки

Отрубка - операция отделения части заготовки по незамкну­тому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инст­румента - топора (рис.29,г). Отрубку применяют для полу­чения из заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления излишков металла на концах поковок и донной частей слитка и т. п. Инструмент для отрубки - топоры различной формы (рис. 20,д).

Гибка - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 30,а).

Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п. Гибка сопровож­дается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называе­мым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по на­ружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус закругления.

Рис.30. Скручивание.

Скручивание - операция, посредством которой часть заго­товки поворачивается вокруг продольной оси. Скручивание можно применять при развороте колен коленчатых валов, при изготовлении сверл и т. п. При скручивании обычно одну часть заготовки зажимают между бойками, другую развора­чивают с помощью различных приспособлений - воротков, клю­чей, лебедок.

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

Оборудование для ковки

Машинную ковку производят на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты - машины динамического ударного действия. Про­должительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их соударе­ния с заготовкой. Поэтому при выборе молотов руководствуются массой их падающих частей. Энергия, накопленная падающими частями, не вся расходуется на деформирование заготовки. Часть ее теряется на упругие деформации инструмента и колебания шабота — детали молота, на которую устанавливают нижний боек. Чем больше масса шабота, тем больше к. п. д. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей, что обес­печивает к. п. д. удара = 0,8 - 0,9.

Основными типами молотов для ковки являются приводные пневматические и паровоздушные.

Пневматический молот. Наиболее распространенная конструк­ция такого молота дана на рис. 31. В литой станине 10 распо­ложены два цилиндра - ком­прессорный 9 и рабочий 5, полости которых сообщаются через золотники 7 и 6.

Поршень 8 компрессорно­го цилиндра перемещается шатуном 14 от кривошипа 15, вращаемого электродвигате­лем 13 через шестерни 11 и 12 (редуктор). При перемеще­нии поршня в компрессорном цилиндре воздух поочередно сжимается в верхней и ниж­ней его полостях. Воздух, сжатый до 0,2-0,3 МН/м², при нажатии на педаль или рукоятку, открывающую золотники 7 или 6, поступает че­рез них в рабочий цилиндр 5. Здесь он воздействует на пор­шень 4 рабочего цилиндра. Поршень 4, выполненный за одно целое с массивным штоком, является одновременно бабой молота, к которой крепят верхний боек 3.

Рис.31. Схема пневматического молота

В результате падающие части 3 и 4 периодически перемещаются вниз - вверх и наносят удары по заготовке, уложенной на нижний боек 2, который неподвижно закреплен на массивном шаботе 1. В зависимости от положения органов управления молот может наносить единичные и автома­тические удары регулируемой энергии, работать на холостом ходу (баба свободно лежит на нижнем бойке), осуществлять силовой прижим поковки к нижнему бойку (например, для операций гибки и скручивания) и держать бабу на весу.

Пневматические молоты применяют для ковки мелких поковок (примерно до 20 кг) и изготовляют с массой падающих частей 50-1000 кг.

Паровоздушные молоты. Такие молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7-0,9 МН/м³. В зави­симости от конструкции станины паровоздушные ковочные молоты бывают арочные, мостовые и одно­стоечные. На рис.32. изображе­на схема арочного молота. На станине 4 молота 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, соединенный штоком 3 с бабой 5, к которой крепят верхний боек 6. В результате падаю­щие части 2, 3, 5 и 6 перемещаются вниз и наносят удар по заготовке, уложенной на нижний боек 7, не­подвижно закрепленный на массив­ном шаботе 8. При подаче сжатого пара по каналу 10 в нижнюю полость цилиндра 1 падающие части подни­маются в верхнее положение. Перемещения бабы 5 происходят в направляющих 9. В ковочных молотах станина 4 и шабот 8 закреплены на фундаменте по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать с заго­товками и кузнечным инстру­ментом, необходимо иметь до­ступ к бойкам со всех сторон. Молоты могут совершать уда­ры полной и неполной силы, при­жимать поковки между бойка­ми и удерживать бабу навесу. Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падаю­щих частей 1000-8000 кг. На этих молотах изготовляют по­ковки средней массы (20-350 кг) преимущественно из прокатан­ных заготовок.

Рис.32. Схема паровоздушного молота арочного типа

Гидравлические прессы. Эти машины - статического дейст­вия, продолжительность дефор­мации у них может составлять от единиц до десятков секунд. В гидравлическом прессе усилие соз­дается с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла) высокого давления (20-30 МН/м²), подаваемой в рабочий цилиндр 1 (рис. 33).

Рис.33. Принципиальная схема гидравлического пресса

Жидкость давит на плунжер 2, который передает усилие перемещающейся по колоннам 4 подвижной попе­речине 3. Верхний боек 5 крепят к подвижной поперечине, ниж­ний боек 6 устанавливают на нижней неподвижной поперечине 12. Верхняя неподвижная поперечина 10, в которой находится рабо­чий цилиндр 1, и нижняя поперечина 12 жестко соединены четы­рьмя колоннами 4. При опускании поперечины 3 жидкость из возвратных цилиндров 9 вытесняется плунжерами 8, связанными верхней поперечиной 7 и тягами 11 с поперечиной 3. Для подъема последней в исходное положение после рабочего хода жидкость под давлением подается в возвратные цилиндры 9, а из рабочего цилиндра вытесняется плунжером 2 в сливной резервуар.

Кроме указанных частей, гидравлические прессы имеют уст­ройства, питающие пресс жидкостью высокого давления, напол­няющие всю гидравлическую систему пресса жидкостью и упра­вляющие прессом (распределители).

Горячая объемная штамповка - это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента - штампа (см. рис. 14,е). Течение металла ограничивается по­верхностями полостей (а также выступов), изготовленных в от­дельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость (ручей) по конфигура­ции поковки.

В качестве заготовок для горячей штамповки в подавляющем большинстве случаев применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют и от прутка с последующим отделением поковки непо­средственно на штамповочной машине. Мерные заготовки отрезают от прутка различными способами: на кривошипных пресс-нож­ницах, механическими пилами, газовой резкой и т. д.

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ. Горячей объемной штамповкой можно получать без напусков поковки сложной конфигурации, которые ковкой изготовить без напусков нельзя. При этом допуски на штампованную поковку в 3-4 раза меньше, чем на кованую. Вследствие этого значительно сокращается объем последующей механической обработки; штам­пованные поковки обрабатывают только в местах сопряжения с другими деталями, и эта обработка может сводиться только к шлифованию.

Производительность штамповки значительно выше - соста­вляет десятки и сотни поковок в час.

В то же время штамповочный инструмент - штамп - дорого­стоящий инструмент и является пригодным только для изготовле­ния какой-то одной, конкретной поковки. В связи с этим штам­повка экономически целесообразна лишь при изготовлении доста­точно больших партий одинаковых поковок.

Кроме того, для объемной штамповки поковок требуются го­раздо 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. Но благодаря созданию мощных машин в отдельных случаях штампуют поковки массой до 3 т.

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