§ 87. ПРИМЕРЫ КОВКИ ИЗДЕЛИЙ НА КОВОЧНЫХ ПРЕССАХ

Ковка под прессами в отличие от ковки под молотами имеет некоторые особенности.

Рассмотрим примеры ковки под ковочными прессами наиболее распространённых изделий.

Ковка валов. Пример 1. Пусть требуется отковать вал, изображённый на фиг. 245. На фиг. 245, а показан поковочный эскиз вала, в скобках указаны чистовые размеры вала после механической обработки. Вес заготовки — 5120 кг (слиток на одну поковку); материал — сталь марки 40Н.

Прежде всего определяем объём и вес поковки вала. Вал разделяем на пять частей:

1) объём первой части: V₁ = π·D₁²/4 · l₁ = 3,14·27,5²/4 · 121 = 71 846 см³;

2) объём второй части: V₂ = π·D₂²/4 · l₂ = 3,14·36,0²/4 · 244,5 = 248 744 см³;

3) объём третьей части: V₃ = π·D₃²/4 · l₃ = 3,14·33²/4 · 68,0 = 58 131 см³;

4) объём четвёртой части: V₄ = π·D₄²/4 · l₄ = 3,14·25²/4 · 41,0 = 20 127 см³;

5) объём пятой части: V₅ = π·D₅²/4 · l₅ = 3,14·18,5²/4 · 86 = 23 091 см³.

Таким образом, объём поковки вала равен:

V_пок = 71 846 + 248 744 + 58 131 + 20 127 + 23 091 = 421 939 см³.

Вес поковки вала будет равен: G_пок = V_пок · g / 1000 = 421 939 · 7,85 / 1000 = 3312 кг.

Зная вес и объём поковки вала, можно определить объём и вес заготовки. Исходя из размеров поковки вала, принимаем, что в качестве заготовки будет слиток, причём из слитка откуётся одна поковка. Объём слитка будет равен:

V_слит = V_пок + V_приб + V_обр + V_под + V_уг см³.

Принимаем отходы с прибылью в размере 20%, с поддоном 5%, с угаром 3,5% (за два нагрева). В этом случае отходы с прибылью, поддоном и угаром составят 20 + 5 + 3,5 = 28,5%; допустимый процент металла на поковку с обрубками будет 100 − 28,5 = 71,5%.

Концевые обрубки определяем по формуле:

V_обр = 0,21·D³ см³,

где D — диаметр отрубаемого конца. В нашем случае имеем:

обрубок с левого конца (часть I), D = 275 мм: V'_обр = 0,21·27,5³ = 4368 см³;

обрубок с правого конца (часть V), D = 185 мм: V''_обр = 0,21·18,5³ = 1330 см³.

Следовательно, объём обрубков будет: V_обр = 4368 + 1330 = 5698 см³; вес обрубков: G_обр = 5698·7,85/1000 = 46 кг.

Расчётный вес слитка будет:

G_слит = (G_пок + G_обр) · 100 / 71,5 = (3312 + 46) · 100 / 71,5 = 4696 кг.

Слитки такого веса не отливаются. Поэтому по таблице (см. приложение 1) принимаем слиток весом G_слит = 5120 кг. Выход годного: 3312/5120 · 100 = 64,7%.

Затем назначаем операции ковки и определяем промежуточные размеры поковки:

Первая операция — заделка цапфы под патрон на прессе 1200 т. Затем на цапфу слитка надевается патрон, и грани слитка обжимаются на диаметр 630 мм.
Вторая операция — отрубается на том же прессе поддонная часть слитка (фиг. 245, б).
Третья операция — в вырезных бойках заготовка проковывается на наибольший диаметр вала 630 мм и размечается на части I—II—III—IV—V (фиг. 245, в).

Определим длину наметок для каждой части вала. Площадь поперечного сечения заготовки диаметром D = 360 мм:

F_заг = π·36²/4 = 1018 см².

Длина засечки для части I: l₁ = (V₁ + V'_обр) / F_заг = (71 846 + 4368) / 1018 = 74,8 см.
Длина засечки для части II: l₂ = V₂ / F_заг = 248 744 / 1018 = 244,3 см.
Длина засечки для частей III + IV + V + V''_обр: V = 58 131 + 20 127 + 23 091 + 1330 = 102 679 см³; l = 102 679 / 1018 = 100,8 см.

Четвёртая операция — отковка и отделка вала до поковочных размеров (фиг. 245, а) и обрубка концов. Температурный интервал ковки при 1–3-й операциях 1220–700°.

Пример 2. Требуется отковать ступенчатый вал, изображённый на фиг. 246. На фиг. 246, а приведён поковочный чертёж вала. Вес заготовки 5120 кг (слиток на одну поковку). Материал — сталь марки 40Н.

Как и в первом примере, вначале определяем вес и объём поковки вала. Разделяем вал на восемь частей:

1) V₁ = π·28²/4 · 45 = 27 675 см³;   2) V₂ = π·30²/4 · 10 = 7 068 см³;
3) V₃ = π·28²/4 · 68 = 41 820 см³;   4) V₄ = π·41,5²/4 · 24 = 32 457 см³;
5) V₅ = π·37,5²/4 · 142,5 = 157 386 см³;   6) V₆ = π·31,5²/4 · 40,5 = 31 590 см³;
7) V₇ = π·26²/4 · 94,0 = 49 820 см³;   8) V₈ = π·22²/4 · 42,5 = 16 150 см³.

Объём поковки вала: V_пок = 27 675 + 7 068 + 41 820 + 32 457 + 157 386 + 31 590 + 49 820 + 16 150 = 363 966 см³.
Вес поковки: G_пок = 363 966 · 7,85 / 1000 = 2857 кг.

Вес слитка для изготовления поковки:

G_слит = G_пок + G_пр + G_под + G_уг + G_обр кг.

Принимаем отходы: G_пр = 20%; G_под = 10%; G_уг = 5%. Поковка изготовляется за три нагрева. Отходы с прибыльной и донной частями, а также с угаром составят 20 + 10 + 5 = 35%; допустимый процент металла на поковку с обрубками: 100 − 35 = 65%.

Объём концевых обрубков (V_обр = 0,21·D³):
с левого конца (D₁ = 280 мм): V'_обр = 0,21·28³ = 4610 см³;
с правого конца (D₈ = 220 мм): V''_обр = 0,21·22³ = 2240 см³;
V_обр = 4610 + 2240 = 6850 см³; G_обр = 6850 · 7,85 / 1000 = 54 кг.

Расчётный вес слитка: G_слит = (2857 + 54) · 100 / 65 = 4478 кг.
Слитки такого веса не отливаются. По таблице принимаем слиток весом 5120 кг. Выход годного: 2857 / 5120 · 100 = 56%.

После произведённых вычислений назначаем операции ковки и определяем промежуточные размеры поковки.

Первая операция — ковка цапфы под патрон (фиг. 246, б). По диаграмме (см. фиг. 244) определяем диаметр цапфы: d_цапф = 300÷350 мм. Принимаем d_цапф = 300 мм. Затем цапфа куётся под патрон. На слиток надевается патрон, грани слитка обжимаются на диаметр 605 мм, обрубается донная часть (ковка производится в вырезных бойках).
Вторая операция (фиг. 246, в) — осадка слитка и протяжка его в вырезных бойках. Принимаем уков 3,5. Максимальный диаметр поковки вала D₄ = 415 мм, что соответствует площади F₄ = π·41,5²/4 = 1352 см². Для обеспечения укова 3,5 площадь заготовки должна быть не менее: F_заг = 1352 · 3,5 = 4732 см², что соответствует диаметру: D_заг = √(4·4732/π) = 780 мм. Имеющийся диаметр заготовки 605 мм недостаточен, поэтому производится осадка слитка до диаметра 800 мм и протяжка на вырезных бойках до диаметра 450–460 мм.
Третья операция — разметка на части: I + II + III; IV; V + VI + VII + VIII (фиг. 246, г).
Четвёртая операция — ковка и отделка частей вала (фиг. 246, д, е).

Ковка бандажей (колец). При определении технологии ковки бандажей решаются три основных вопроса: 1) определяется высота осадки слитка или заготовки перед прошивкой отверстия; 2) устанавливается диаметр оправки, на которой будет раскатываться бандаж; 3) определяется диаметр отверстия перед раскаткой и выбирается способ изготовления отверстия.

Определение высоты осадки перед прошивкой — наиболее сложное и ответственное дело. При раздаче (раскатке) бандажа на оправке металл течёт не только по окружности, но и по ширине. По данным Б. А. Морозевича и Н. Н. Дорохова, при раскатке бандажей диаметром более 1000 мм на бойках шириной 100–150 мм высоту заготовки перед пробивкой отверстий для раздачи можно определить по формуле:

h₁ = H_o · B мм,

где h₁ — высота заготовки в мм; H_o — высота поковки в мм; B — коэффициент, определяемый по табл. 10.

Таблица 10. Значения коэффициента B

Наружный диаметр поковки в мм	Высота поковки Ho в мм
	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
До 1500	0,79	0,82	0,90	0,93	0,95	0,95	0,95	—	—	—	—
1501–2000	0,60	0,70	0,80	0,85	0,88	0,90	0,92	0,93	0,94	—	—
2001–3000	—	—	—	0,70	0,80	0,85	0,90	0,92	0,93	0,93	0,95

Диаметр оправки должен быть таким, чтобы оправка в процессе раздачи бандажа не погнулась. Чем меньше диаметр оправки, тем быстрее идёт процесс раздачи бандажа по окружности. На фиг. 247 приведена диаграмма, пользуясь которой можно выбрать диаметр оправки в зависимости от длины заготовки и толщины стенки. На диаграмме имеются две кривые: кривая I — для толстостенных и кривая II — для тонкостенных поковок.

Диаметр прошиваемого отверстия после осадки заготовки предопределяется: а) диаметром оправки; б) условиями удаления сердцевины слитка; в) наличием прошивней в цехе. Обычно диаметр прошиваемого отверстия перед раздачей должен быть, как минимум, в два раза больше диаметра оправки. На практике отверстия диаметром до 350–400 мм прошиваются сплошными прошивнями, а более 400 мм — пустотелыми прошивнями.

Пример. Пусть нужно отковать бандаж (кольцо), изображённый на фиг. 248, а. Заготовка — слиток. Материал — сталь марки 45. Вес поковки 14780 кг.

Составляем поковочный чертёж бандажа. Тонкими линиями в масштабе наносим чертёж бандажа после механической обработки. Пользуясь таблицами в приложении 3 и др., назначаем припуски на механическую обработку и допуски на ковку. Затем толстыми линиями вокруг чистового контура бандажа наносим поковочный контур (фиг. 248, а).

Определяем объём и вес поковки. Объём поковки:

V_пок = (π·D²/4 − π·d²/4) · H = (3,14·250²/4 − 3,14·136²/4) · 60 = (49 087 − 14 530) · 60 = 2 073 600 см³;

вес поковки: G_пок = 2 073 600 · 7,85 / 1000 = 16 273 кг.

Выбираем слиток для изготовления поковки. Принимаем отходы: G_пр = 20%; G_под = 5%; G_уг = 3,5%. Вес отходов: 20 + 5 + 3,5 = 28,5%; процент использования металла слитка: 100 − 28,5 = 71,5%.

Отходы металла с выдрой. Прежде чем определить отходы металла с выдрой, находим: а) высоту осадки заготовки перед прошивкой; б) диаметр оправки; в) диаметр прошиваемого отверстия и способ прошивки. Ширину бойка принимаем 150 мм. Высота поковки H_o = 600 мм. Коэффициент B при наружном диаметре бандажа D = 2500 мм и H_o = 600 мм по табл. 10 равен B = 0,8. Высота заготовки перед прошивкой:

h₁ = H_o · B = 600 · 0,8 = 480 мм.

Диаметр оправки по диаграмме (фиг. 247) для толстостенного бандажа высотой 600 мм: d_опр = 250 мм. Минимальный диаметр прошиваемого отверстия:

D_отв = 2·d_опр = 2 · 250 = 500 мм.

Принимаем: h₁ = 480 мм; D_отв = 500 мм. Отверстие прошивается пустотелым прошивнем с наружным диаметром d_нар = 500 мм и внутренним d_вн = 250 мм. Размеры выдры (см. фиг. 242):

d = 250 мм (внутренний диаметр прошивня); D = 500 мм (наружный диаметр прошивня);
h₁ = 150 мм (высота непрошитой части заготовки);
h₂ = 1,1·(H₁ − h₁) = 1,1·(480 − 150) = 360 мм.

Объём выдры:

V_выд = π·d²/4 · h₂ + π·(D² − d²)/4 · h₁ ≈ 16 648 + 29 445 = 46 093 см³;

вес выдры: G_выд = 46 093 · 7,85 / 1000 = 360 кг.

Расчётный вес слитка: G_слит = (G_пок + G_выд) · 100 / 71,5 = (16 273 + 360) · 100 / 71,5 = 23 262 кг.
Слитки такого веса не изготовляются. Принимаем по таблице слиток весом 26 328 кг.

После этого назначаем операции ковки и определяем промежуточные размеры заготовки:

Первая операция — принятие слитка, заделка цапфы под патрон и обжим граней до диаметра 1050 мм (фиг. 248, б). Диаметр цапфы по диаграмме (фиг. 244) для слитка 26 т: d_цапф = 600÷750 мм; принимаем d_цапф = 650 мм.
Вторая операция — обрубка донной части и рубка заготовки (фиг. 248, в). Площадь сечения заготовки при D = 1050 мм: F_заг = π·105²/4 = 8660 см². Вес металла на поковку, выдру и угар: G_уг = (16 273 + 360) · 0,035 = 582 кг; итого: G = 16 273 + 360 + 582 = 17 215 кг. Длина отрубаемой части: l = G · 1000 / (g · F_заг) = 17 215 · 1000 / (7,85 · 8660) = 250 см. Отношение высоты к диаметру: 2500/1050 = 2,38 — осадка будет без изгиба заготовки.
Третья операция — осадка заготовки до высоты 480 мм и прошивка отверстия диаметром 500 мм пустотелым прошивнем (фиг. 248, г).
Четвёртая операция — раскатка (раздача) заготовки на оправке диаметром 250 мм до поковочных размеров (фиг. 248, д).

Операции производятся на прессе 2000 т. Температурный интервал ковки 1200–750°.

Ковка пустотелых поковок. В отличие от ковки бандажей ковка пустотелых изделий производится способом вытяжки на оправке. На фиг. 249, а показан технологический процесс ковки пустотелого кольца.

Вес заготовки 3000 кг (слиток на одну поковку), вес поковки 1700 кг. Материал — сталь марки 40Х. Ковка производится на прессе 2000 т. Применяются инструменты: рабочий — для 1-й и 4-й операций — бойки: верхний плоский, нижний плоский; осадочные плиты; для 5-й — бойки: верхний плоский, нижний вырезной, а также клеймо; вспомогательный: для 1-й и 4-й — топоры, прошивень диаметром 350 мм; для 5-й — пустотелая оправка диаметром 320 мм, кувалда. Температурный интервал ковки для 1-й и 4-й операций 1220–800°, для 5-й — 1220–750°.

Основной и наиболее ответственной операцией ковки является вытяжка (фиг. 249, е). Заготовка вытягивается на оправке: она удлиняется вследствие уменьшения наружного диаметра и толщины стенки.

Вытяжка на оправке производится на верхнем плоском и нижнем вырезном бойках или в вырезных бойках. После осадки заготовки отверстия прошиваются для оправки (фиг. 249, д). Диаметр прошиваемого отверстия принимается обычно на 30–50 мм больше внутреннего диаметра поковочного размера изделия.

Для вытяжки пустотелых поковок применяются пустотелые оправки с конусной рабочей частью, облегчающие освобождение оправки из поковки после вытяжки. Во внутреннее отверстие оправки во время ковки для охлаждения беспрерывно подаётся вода. Диаметр оправки равен внутреннему диаметру пустотелой поковки. На фиг. 250 изображена конусная оправка.

С целью получения качественной пустотелой поковки нужно во время операции вытяжки на оправке соблюдать следующие основные правила:

1) металл перед вытяжкой должен быть хорошо и равномерно прогрет до необходимой температуры;
2) вытяжку на оправке нужно вести в следующей последовательности. Заготовку надевают на оправку так, чтобы между заготовкой и буртом оправки был зазор A (см. фиг. 249, е). Затем обжимается (вытягивается) левый конец. Ковка ведётся всё время в одном направлении — справа налево, т. е. к бурту оправки (металл будет упираться в бурт оправки). Затем вытягиваются правый конус и средняя часть заготовки. Такая последовательность ковки даёт возможность снимать поковку с оправки и получать поковки высокого качества.

Ковка коленчатого вала. Коленчатые валы относятся к сложным и ответственным поковкам. Способ изготовления коленчатых валов зависит от их конструкции: от величины колен, их количества и взаимного расположения, наличия фланцев, качества материала и т. д. На фиг. 251 показан примерный технологический процесс ковки коленчатого вала. Поковочный эскиз изображён на фиг. 251, а.

Технологией предусматриваются следующие операции:

1) изготовление цапфы под патрон, обжатие граней слитка на диаметр 820 мм, обрубка поддона (фиг. 251, б);
2) осадка слитка до диаметра 1350 мм (фиг. 251, в);
3) ковка на пластину 1200×600 мм (фиг. 251, г);
4) ковка на пластину 1200×550 мм, разметка на части по эскизу (фиг. 251, д);
5) проковка металла на пластину 1200×350 мм на части IV; присечка металла на частях V—VI—VII (фиг. 251, е);
6) присечка на частях I—II—III, отковка части IV, присечка части V, оформление частей V, VI, VII (фиг. 251, ж);
7) присечка металла на части III, отковка и отделка частей III, II, I, правка поковки, обрубка излишков металла (фиг. 251, ж).

Вес заготовки 10 300 кг, поковки 5200 кг. Материал — сталь марки 35. Операции производятся на прессе 3000 т. Инструмент: рабочий — для всех операций — бойки: верхний плоский, нижний плоский, нижний вырезной и, кроме того, для 3–5-й операций — нижняя плита; вспомогательный: для 1–2-й — осадочные плиты, топоры; для 3–7-й — уголки, топоры, квадраты. Температурный интервал ковки: 1–2-й операций 1220–800°; 3–5-й операций 1220–750°; 6–7-й операций 950–730°.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

1. Когда лучше деформируется металл по сечению заготовки: при ковке под прессом или при ковке под молотом?
2. Расскажите, как работает гидравлический пресс.
3. Расскажите, как работает парогидравлический пресс.
4. Какие правила ухода необходимо соблюдать при работе на гидравлических и парогидравлических прессах?
5. Какие основные правила техники безопасности нужно соблюдать при работе на ковочных прессах?
6. Как определяется необходимое для изготовления заданной поковки давление пресса?
7. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы хвост поковки был правильно оттянут для патрона?
8. Как производится биллетировка слитка?
9. В каких случаях при биллетировке слитка могут появиться нажимы?
10. Какие способы рубки под прессами вы знаете?
11. Как осаживается слиток под прессом?
12. Как прошиваются отверстия в толстых поковках сплошными прошивнями?
13. Как прошивается отверстие в поковке пустотелым прошивнем?
14. В каких случаях производится прошивка сплошным прошивнем?
15. Для чего при ковке под прессами применяется патрон?
16. Для чего при ковке под прессами применяются кантователи?
17. Как определяется диаметр цапфы под патрон?
18. Как определить диаметр оправки?
19. Как установить минимальный диаметр отверстия перед операцией раскатки на оправке?
20. Какую форму имеет выдра при прошивке отверстий пустотелым прошивнем?
21. Какими бойками производится раздача бандажей и почему?
22. Как определяются размеры и объём (вес) выдры при прошивке отверстий пустотелым прошивнем?
23. Определите объём и вес бандажа, имеющего: наружный диаметр D = 1500 мм; внутренний диаметр d = 900 мм; высоту (длину) бандажа H₁ = 500 мм.
24. В какой последовательности нужно производить вытяжку пустотелой поковки на оправке?