§ 62. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ВЫБОР ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПОКОВКИ

Всякая поковка, изготовляемая в кузнечном цехе, должна удовлетворять определённым требованиям, т. е. техническим условиям. Технические условия на поковку, как правило, указываются в технологической карте, а если (как исключение) поковка изготовляется без технологической карты, то технические условия приводятся на поковочном чертеже.

В технических условиях указываются: 1) марка и химический анализ стали, из которой должна быть изготовлена поковка; 2) метод и режим ковки (в необходимых случаях, при изготовлении ответственных деталей); 3) объём механических испытаний, количество необходимых для этого образцов, их размеры и места вырезки; 4) необходимые нормы на механические испытания; 5) требования, предъявляемые к внешнему виду поковок (чистота поверхности), причём оговариваются предельные глубины поверхностных дефектов (трещины, плены, волосовины, заковы и т. д.); 6) условия на маркировку поковки.

Имея чертёж поковки, можно определить вес металла, необходимый для её изготовления.

Вес металла, необходимый для изготовления заданной поковки из слитка, будет равен:

G_исх = G_пок + G_пр + G_дн + G_уг + G_об,

где G_исх — вес исходного материала в кг; G_пок — вес поковки; G_пр — вес отходов с прибыльной части слитка; G_дн — вес отходов с донной части слитка; G_уг — вес отходов на угар; G_об — вес отходов на обсечки.

Вес металла, необходимый для изготовления поковки из проката, будет равен:

G_исх = G_пок + G_отх + G_уг кг,

где G_отх — вес отходов на обсечку и выдру.

Определение объёма и веса поковки (G_пок)

Объём и вес поковки определяются по поковочному чертежу. Объёмы металла мелких и средних поковок, изготовляемых под молотами, обычно вычисляются в кубических сантиметрах, а крупных поковок, изготовляемых под прессами, — в кубических дециметрах. Вес, соответственно, получается в граммах и килограммах.

Вес поковки равен её объёму, умноженному на удельный вес металла, из которого она изготовляется. Когда поковка имеет разные размеры и сложную конфигурацию, для вычисления объёма поковку подразделяют на отдельные части, причём выбирают их с таким расчётом, чтобы каждая из частей представляла простую геометрическую форму: цилиндр, шар, конус и т. д.

При определении объёма (веса) крупных поковок, преимущественно ступенчатых валов, необходимо обязательно учитывать металл, требующийся на переходы с одного диаметра на другой. На фиг. 144 приведена номограмма для подсчёта металла, необходимого на переходы к цилиндрическим сечениям. Вес металла, необходимый на переходы, определённый по номограмме, прибавляется к весу поковки. Номограммой пользуются следующим образом:

1. вычисляют полусумму смежных диаметров на правой шкале: (D + d) / 2 мм, полученную величину отмечают;
2. вычисляют полуразность тех же смежных диаметров: (D – d) / 2 мм, полученную величину отмечают на левой шкале.

Получаемые точки на правой и левой шкале соединяются прямой линией, эта линия пересечёт среднюю шкалу G. Точка пересечения прямой линии со средней шкалой указывает вес металла в килограммах, необходимый на переходах от диаметра вала D к меньшему диаметру d.

Допустим, что необходимо определить вес металла на переходах сечений, если D = 1000 мм и d = 500 мм. Определяем полусумму: (1000 + 500) / 2 = 750 мм. Определяем полуразность: (1000 – 500) / 2 = 250 мм. На шкале (D + d) / 2 отмечаем точку 750, а на шкале (D – d) / 2 точку 250; соединяем эти точки прямой линией, которая пересечёт среднюю шкалу в точке 100. Следовательно, металла на переход с диаметра D = 1000 мм на диаметр d = 500 мм необходимо 10 кг.

Пример 1. Нужно определить вес поковки шестерни, показанной на фиг. 140 (материал для поковки — сталь марки Ст. 3).

Объём поковки будет равен:

V_пок = (π/4) × (D² – d²) × H = (3,14 / 4) × (36,6² – 10²) × 12,3 = 11968,0 см³,

где D — наружный диаметр поковки, равный 36,6 см; H — высота поковки (шестерни), равная 12,3 см; d — диаметр отверстия шестерни, равный 10,0 см.

Вес поковки будет:

G_пок = V_пок × g = 11968,0 × 7,85 / 1000 ≈ 94 кг,

где g — удельный вес металла (g = 7,85 г/см³).

Пример 2. Определить вес поковки вала, изображённого на фиг. 143 (материал для поковки — сталь марки Ст. 3).

Подразделяем поковку на четыре части:

1 — цилиндр длиной l₁ = 11,8 см, диаметром D₁ = 12,6 см;
2 — цилиндр длиной l₂ = 59,5 см, диаметром D₂ = 20,5 см;
3 — цилиндр длиной l₃ = 12,2 см, диаметром D₃ = 16,6 см;
4 — цилиндр длиной l₄ = 9,0 см, диаметром D₄ = 10,8 см.

Объём поковки V_пок будет равен сумме объёмов четырёх её частей:

V₁ = (πD₁² / 4) × l₁ = (3,14 × 12,6²/ 4) × 11,8 = 1471,5 см³;
V₂ = (πD₂² / 4) × l₂ = (3,14 × 20,5² / 4) × 59,5 = 19641 см³;
V₃ = (πD₃² / 4) × l₃ = (3,14 × 16,6² / 4) × 12,2 = 2640 см³;
V₄ = (πD₄² / 4) × l₄ = (3,14 × 10,8² / 4) × 9,0 = 824,5 см³.

Объём всей поковки: V_пок = V₁ + V₂ + V₃ + V₄ = 1471,5 + 19641 + 2640 + 824,5 = 24577 см³.

Вес поковки: G_пок = V_пок × g = 24577 × 7,85 / 1000 = 193 кг.

Объём металла на переходы с одного диаметра на другой в данном случае не учитывается, так как разница в размерах диаметров небольшая и объём металла, необходимый на переходы, тоже незначителен.

Определение отходов при свободной ковке

При свободной ковке получаются отходы металла: прибыльная и поддонная части при ковке из слитка, угар (потери с окалиной) при нагреве и ковке, выдра (при ковке пустотелых поковок), обрубки и остатки.

При изготовлении поковки из слитка потери металла с поддонной и прибыльной частей неизбежны. Вес отходов G_пр с прибыльной части слитка обычно принимается при изготовлении поковок из конструкционных углеродистых сталей от 14 до 25 %, а из легированных сталей — до 35 % от веса слитка.

Вес отходов с донной части G_дн слитка принимается: для углеродистых конструкционных сталей от 5 до 7 %, а для легированных — от 7 до 10 % от веса слитка. При этом необходимо иметь в виду, что наименьшие потери металла принимаются для пустотелых поковок, а наибольшие — для сплошных поковок.

Потери металла с окалиной (угар) в кузнечном производстве — тоже неизбежное явление. При определении веса исходной заготовки угар металла обычно принимается от 2 до 3 % от веса заготовки или слитка на полный нагрев и от 1,5 до 2 % на каждый подогрев. При нагреве в горнах, где топливо непосредственно соприкасается с нагреваемым металлом, угар достигает до 4–5 % за каждый полный нагрев.

Меньшие потери металла с угаром принимаются при нагреве легированных сталей, а большие — при нагреве углеродистых конструкционных сталей.

Выдра — это отход металла, который образуется при пробивке отверстий в поковке. Величина отходов с выдры определяется расчётом. Обычно принимают высоту выдры равной ¹⁄₃ от полной высоты поковки H, в которой пробивается отверстие.

После определения веса металла, необходимого для изготовления поковки, подбирается слиток или прокатанная заготовка. На каждом заводе слитки, отливаемые на месте или поступающие со стороны, имеют определённый вес. Часто случается, что слитка необходимого веса не находят. В этом случае подбирается слиток, наиболее приближающийся по объёму к назначенному весу. При этом вес слитка должен быть обязательно больше, чем требуется по расчёту.

Разница в весе наличного слитка и слитка, назначенного для поковки, составляет отход — остаток. При изготовлении поковок из сортового прокатанного металла остаток получается тогда, когда штангу нельзя разделить на части, равные заготовкам. Эти остатки могут быть использованы для изготовления других поковок.

Обрубки — неизбежный отход при любом технологическом процессе ковки. Они, как правило, получаются с концов поковки, и величина их зависит от формы и размера сечения.

Объём обрубков можно определить по следующим формулам. При ковке под прессами: для цилиндрических сечений с диаметром D — V_обр = 0,21D³; для прямоугольных сечений с размерами B (ширина) и H (высота) — V_обр = 0,28B²H. При ковке под молотом: для цилиндрических сечений с диаметром d — V_обр = 0,23d³; для прямоугольных сечений — V_обр = 0,3B²H.

Отходы с обрубков можно принимать в процентах от веса поковки (табл. 6).

Таблица 6. Таблица отходов металла с обрубками

Характеристика поковок	Отходы в %
Поковки простой формы (валы, диски)	5–10
Валы с выступами и буртами	10–20
Тяги разной формы	15–20
Рычаги	14–25
Коленчатые валы небольших размеров с фланцами	25–30
Дышла паровозов	20–30

Выбор исходной заготовки

После определения исходного веса металла (G_исх), необходимого для изготовления данной поковки, решается вопрос о выборе профиля и размеров прокатанной заготовки или слитка. Если поковка будет изготовляться из прокатанной заготовки, то профиль и размеры её определяются с учётом следующих требований:

1. При изготовлении поковки методом вытяжки (без осадки) размер сечения прокатанной заготовки должен быть таким, чтобы уков был не менее 1,3–1,5 для блюмса и 1,1–1,3 для обычного проката.

2. Если поковка изготовляется методом осадки, то заготовка должна подбираться с таким расчётом, чтобы отношение длины заготовки к диаметру (а для квадратной заготовки к стороне квадрата) было не более 2–2,5. Если отношение длины заготовки к диаметру или стороне квадрата будет более 2,5, то не исключено её искривление при осадке.

При изготовлении поковки из слитка прежде всего решают вопрос: сколько поковок будет изготовляться из одного слитка. Это будет зависеть от веса поковки и её назначения. Если поковка предназначена для ответственной детали, то, как правило, её нужно изготовлять из отдельного слитка, учитывая, что чем меньше вес слитка, тем лучше качество металла. Для менее ответственных поковок и при наличии соответствующего оборудования необходимо брать слиток, из которого можно получить несколько поковок, так как в этом случае достигается экономия металла и сокращается время на изготовление поковок. Кроме того, при изготовлении поковки из слитка методом вытяжки надо брать такой слиток, сечение которого обеспечит уков не менее 3, или ковку необходимо вести с торцовой осадкой.

Вес слитка для изготовления заданной поковки определяется следующим образом:

1. определяется вес заготовки;
2. определяется вес в отдельности: угара, обрубков, выдры, прибыльной и поддонной частей слитка и др.;
3. из веса слитка, который принимается за 100 %, вычитается (также в процентах) сумма потерь с отходами: угаром, поддонной и прибыльной частями слитка. Полученный остаток будет тем количеством металла, которое требуется для изготовления поковки вместе с обрубками.

Теоретический вес слитка определяется по следующей формуле:

G_слит = (G_пок + G_о) × 100 / η кг,

где G_слит — теоретический вес слитка в кг; G_пок — вес поковки в кг; G_о — сумма отходов (угар + прибыльная часть + поддонная часть слитка):

G_о = G_уг + G_пр + G_под;

η — допустимый процент использования металла слитка: η = 100 – (G_уг + G_пр + G_под) %.

Пример. Допустим, что необходимо подобрать слиток для изготовления гладкого вала, имеющего поковочные размеры: диаметр D = 800 мм, длину l = 5 м. Поковка изготовляется в два нагрева.

Решение. Объём поковки (расчёт ведётся в дм):

V_пок = (πD² / 4) × l = (3,14 × 8,0² / 4) × 50,0 = 2512 дм³.

Вес поковки: G_пок = V_пок × g = 2512 × 7,85 = 20500 кг,

где g — удельный вес металла, равный 7,85 кг/дм³.

Угар металла от двух нагревов будет: G_уг = 2 × 1,75 = 3,75 %.

Потери с поддонной и прибыльной частями слитка принимаются: G_пр = 20 %, G_под = 5 %.

Потери с обрубками по табл. 6 принимаются: G_обр = 5 % от веса поковки, или G_обр = 20500 × 0,05 = 1025 кг.

Отходы с прибылью, поддоном и с угаром составят: G_отх = G_пр + G_под + G_уг = 20 + 5 + 3,75 = 28,75 %.

Вес металла в процентах на поковку вместе с обрубками: η = 100 – 28,75 = 71,25 %.

Теоретический вес слитка будет: G_слит = (G_пок + G_обр) × 100 / η = (20500 + 1025) × 100 / 71,25 = 30310 кг.

По таблице (см. приложение 1) подбираем слиток. Так как слитка такого развеса не имеется, то берём слиток, более приближающийся к установленному весу; вес слитка 32368 кг.

Приведём несколько примеров подбора заготовок.

Пример 1. Подобрать заготовку для изготовления поковки шестерни, изображённой на фиг. 140.

Решение. Вес исходной заготовки для изготовления поковки шестерни будет: G_исх = G_пок + G_уг + G_отх кг.

Выше было подсчитано, что поковочный вес шестерни G_пок = 94 кг, а объём V_пок = 11968,0 см³. Поковка небольшого веса, поэтому она будет изготовляться из сортового проката методом осадки. Потери металла на отходы будут только в виде выдры при пробивке отверстия для вала. Диаметр выдры принимается по диаметру отверстия. Высота выдры равна ¹⁄₃ от высоты поковки. Имеем диаметр выдры d_выд = 100 мм.

Высота выдры: h = (1/3) × H = (1/3) × 123 = 41 мм.

Объём выдры будет равен: V_выд = V_отх = (πd_выд² / 4) × h = (3,14 × 10² / 4) × 4,1 = 322 см³.

Поковка изготовляется за один нагрев, поэтому потери с угаром достигнут в среднем V_уг = 2 % (угар от объёма заготовки). Объём металла, теряемого на угар, будет составлять:

V_уг = (V_пок + V_выд) × 2 / (100 – 2) = (11968 + 322) × 2 / 98 = 251 см³.

Объём исходного металла заготовки будет равен:

V_исх = V_пок + V_уг + V_выд = 11968 + 251 + 322 = 12541 см³.

Размеры заготовки для изготовления поковки шестерни определяются с учётом следующих условий (поковка изготовляется методом осадки):

1. Удобство осадки. Чем короче заготовка, тем удобнее производить осадку.
2. Возможность точнее по объёму или весу отрубить или отрезать заготовку от штанги.
3. Наличие выбранного диаметра или квадрата в ГОСТ на сортовой прокат.
4. Длина заготовки не более 2–2,5 диаметра или стороны квадрата, так как поковка изготовляется методом осадки.

Учитывая сказанное, выбираем в нашем случае квадратную заготовку сечением 200 × 200 мм. Требуемая длина заготовки будет равна:

L = V_исх / F_заг = 12541 / (20 × 20) = 12541 / 400 = 31,0 см = 310 мм.

Проверим, удовлетворяет ли выбранная заготовка четвёртому условию: L / d = 310 / 200 = 1,55. Таким образом, заготовка размерами D = 200 × 200 мм, L = 310 мм выбрана удачно.

Пример 2. Необходимо подобрать заготовку для изготовления поковки ступенчатого вала, показанного на фиг. 143.

Решение. Объём исходной заготовки будет равен: V_исх = V_пок + V_уг + V_отх см³.

Объём и вес поковки подсчитаны выше и будут равны: V_пок = 24577 см³; G_пок = 193 кг.

При ковке вала отходы будут получаться при отрубании концов. Принимаем в нашем случае, что вал куётся из заготовки, отрубленной на один вал.

Объём металла, теряемого с отрубаемыми концами вала, определим по формуле (поковка изготовляется под молотом): V_обр = 0,23d³.

Для данной поковки объём металла с отрубаемыми концами будет равен: с левого конца вала — V_обр′ = 0,23 × 12,6³ = 460 см³; с правого конца вала — V_обр″ = 0,23 × 10,8³ = 290 см³.

Объём металла, теряемого с обрубками: V_обр = V_обр′ + V_обр″ = 460 + 290 = 750 см³.

По данным практики принимаем, что вал будет коваться за один нагрев. Потери металла с угаром принимаем в количестве 2 % от объёма заготовки.

Объём металла, теряемого на угар: V_уг = (V_пок + V_обр) × 2 / (100 – 2) = (24577 + 750) × 2 / 98 = 517 см³.

Объём исходной заготовки будет равен: V_исх = V_пок + V_уг + V_отх = 24577 + 517 + 750 = 25844 см³.

Вес заготовки, соответственно, будет равен: G_исх = 25844 × 7,85 / 1000 = 203 кг.

Размеры заготовки для изготовления описываемой поковки должны определяться с учётом материала, из которого будет коваться вал (прокат, слиток), а также способа изготовления поковки. Вес поковки небольшой, поэтому её выгоднее изготовлять из сортового проката. Если вал будет изготовляться способом вытяжки, то для того, чтобы обеспечить высокое качество поковки, уков должен быть равен 1,3–1,5.

Принимаем в нашем случае уков 1,4. Наибольший диаметр вала D = 250 мм (см. фиг. 143). Наибольшая площадь поперечного сечения вала: F_вал = (πD² / 4) = (3,14 × 20,5²) / 4 = 330 см².

При укове 1,4 площадь поперечного сечения заготовки должна быть: F_заг = F_вал × 1,4 = 330 × 1,4 = 462 см².

Такой площади сечения соответствует квадратная заготовка размером 215 × 215 мм. По ГОСТ 4692 этого размера обжатой заготовки (блюма) не предусматривается. Поэтому выбирается ближайшая по размерам заготовка сечением 220 × 220 мм. Длина заготовки будет равна:

L = V_исх / F_заг = 25844 / 484 = 53,6 см = 535 мм.

Таким образом, для изготовления поковки вала нужна заготовка (блюм) сечением 220 × 220 мм, длиной L = 535 мм.

Пример 3. Требуется составить чертёж поковки ступенчатого вала, изображённого на фиг. 145.

Решение. Для составления поковочного чертежа тонкими линиями в масштабе вычерчивается наружный контур вала и проставляются основные размеры.

Поковка типа 2 (см. фиг. 138), т. е. круглого сечения с уступами, большого габарита и подлежит изготовлению на прессе. Припуски на механическую обработку и допуски на ковку устанавливаются по таблицам приложения 3 (ГОСТ 7062—54) на размеры сечений в зависимости от величины каждого из них и общей длины детали. При этом необходимо учитывать, что для валов с выемками припуски на диаметры выемок и уступов D₁, D₂ и D₃ увеличиваются против припусков на поковки круглого сечения на величину x, равную 0,07 от величины уступа h₁, h₂ и h₃, т. е. для диаметра D₁ на 0,07h₁, для D₂ на 0,07h₂, для D₃ на 0,07h₃.

При увеличении припусков на x отклонения по сравнению с табличными не изменяются.

Припуски на длины поковки принимаются на сторону равными 0,75а — для длины выступа и 1,5а — для концов поковки, где а — припуск на размер рассматриваемого диаметра.

На выемку припуски и отклонения не назначаются. При длине вала L = 2300 мм и диаметре I участка D₁ = 200 мм припуск на диаметр составляет а = 20 мм.

После назначения припусков и допусков вокруг конструктивного контура вала (тонких линий) жирными линиями наносится поковочный чертёж и проставляются поковочные размеры с указанием допусков на ковку (см. фиг. 145).

Вопросы для повторения

1. Что называется припуском на механическую обработку?
2. Что называют допуском на ковку?
3. Что такое напуск и когда он применяется?
4. Какие поковки называются «чистыми»?
5. Какие поковки называются «черными»?
6. Как составляется чертёж на поковку?
7. Как определить вес металла, необходимый для изготовления поковок из слитка?
8. Как определить вес металла, необходимый для изготовления поковки из прокатанной заготовки?
9. Чему равен вес поковки?
10. Как определяется вес металла, необходимый на переходы с одного диаметра на другой?
11. Как определяются вес и объём металла поковки для ступенчатого вала, т. е. вала, имеющего различные диаметры по длине?
12. Чему равны отходы с прибыльной и поддонной частями слитка?
13. Чему равны потери металла с окалиной (при нагреве и подогреве)?
14. Как определяются потери металла с обрубками при изготовлении валов?
15. Как подбирается слиток по весу при изготовлении заданной поковки?