|
Вес, т
|
Вес отходов, кг
|
d1
|
d2
|
d3
|
d4
|
L0
|
Lсл
|
Lк
|
|
прибыль
|
дон. часть
|
|
|
|
|
|
|
|
1,2
|
255
|
10
|
325
|
455
|
140
|
409
|
1000
|
1410
|
100
|
2
|
450
|
15
|
550
|
200
|
500
|
1100
|
1640
|
120
|
3
|
650
|
25
|
500
|
630
|
200
|
580
|
1300
|
1800
|
140
|
4
|
750
|
93
|
535
|
570
|
296
|
610
|
1400
|
1925
|
145
|
5
|
1159
|
100
|
593
|
730
|
296
|
570
|
1535
|
2096
|
150
|
Исходные размеры слитка обеспечивают
требуемую величину укова уобщ при протяжке, которая определяется
выражением:
уобщ = F0/Fk,
где F0(Fk) - начальная (конечная) площадь поперечного сечения слитка;
F0 = Fк*у = 28040,9*3 = 145146,5 мм²
Fк = (П*D2п)/4 = (П*1892)/4
= 28040,9 мм²
D0 = 1.13√Fк*у = 1,13√28040,9*3 = 327,74
мм²
2.3 Расчет
технологических переходов ковки
Заготовительные операции: оттяжка
цапфы (хвостовика) слитка под клещи манипулятора и биллетировка.
Ковку слитка начинают с оттяжки его
хвостовика (цапфы), необходимого для удержания заготовки патроном или клещами
манипулятора. Его размер находится в интервале 0,3÷0,5 среднего диаметра
слитка. Оттяжку хвостовика производят из прибыльной части слитка. После этого с
целью уплотнения металла и повышения пластичности поверхностного слоя слитка
обкатываются его грани (операция биллетировки), с величиной единичного обжатия
не более 35÷50
мм за проход и подачей не более половины ширины бойка. Обжатия производятся от
донной части слитка к прибыли в вырезных бойках. При этом уничтожается
конусность слитка, который приобретает форму заготовки с круглым поперечным
сечением, диаметр которой равен размеру донной части по впадинам. Расчетные значения
показателей технологических переходов оттяжки хвостовика и биллетировки
приведены в таблице 3. По окончании биллетировки отрубают донную часть слитка
(рубка поддона).
Основные операции: многопереходная
протяжка в комбинированных бойках по схеме круг-пластина-квадрат-круг.
Для ковки длинных массивных
заготовок, таких как вал гребной, применяется «протяжка от себя», когда место
обжима отодвигается от места удержания заготовки и ковка начинается с ее
середины. В качестве варианта чередования обжатий и кантовок применяется
протяжка с кантовкой заготовки в обе стороны (рис. 2). Из возможных вариантов
схемы переходов протяжки выбрана ковка по схеме круг-пластина-квадрат-круг в
комбинированных бойках.
Рисунок 2 - Эскиз чередования
обжатий и кантовок при протяжке с кантовкой в обе стороны
Технологические ограничения на
параметры протяжки назначаются из условия соблюдения экономичности процесса,
качества прокованного материала и отсутствия дефектов в виде зажимов и трещин,
которые имеют значения:
относительная подача vi под бойки на каждом
обжиме
vi = li/Hi = 0.5÷0.7;
степень деформации εh по высоте за каждый обжим
εh = 0,05÷0,3
В случае равенства относительных
подач на проходах внутри каждого перехода i, величина укова yi за переход
рассчитывается по формуле:
yi = F0/Fi = [(1/(1 - εh))*(2 - εh(1+а))/(2 - εh(1-а))]2,
где а - отношение объема металла,
смещенного на каждом обжиме по ширине к объему металла, смещенного по высоте,
а=0,42vi. = 0,7*0,42 = 0,35.
Задаемся εh=0,19, vi.=0,7, тогда
yi = [(1/(1 - 0,19))*(2 - 0,19 (1+0,35))/(2 - 0,19 (1-0,35))]2=1,35
Количество переходов n определяется исходя из величины
общего укова уобщ по выражению
уобщ = F0/Fk = y1 y2….yn
или при равенстве величины укова на
переходах
уобщ = уn и n = log yi yобщ = log 1,35 5,17
yi пер= ³√уобщ
Величина укова при протяжке равна уобщП
= F0/Fk, где Fk - площадь поперечного квадратного сечения (338х338) мм протянутой
заготовки перед обкаткой на круг диаметром 382 мм. Тогда уобщП
== 145146,5/28040,9 = 5,17, и количество переходов n при протяжке равно n = log1.35 5.17 = 4.6 ≈5, а уточненная величина укова уi за переход имеет
значение уi = 1.36. Уточненная
величина укова уi за проход имеет значение уi пр= √1.35 = 1.16.
После протяжки квадратное сечение
(380х380) мм перековывают на круглое с диаметром Dпок = 163±2 мм и отрубают хвостовик.
Завершающие и отделочные операции:
термообработка, правка и технический контроль.
Термическая обработка
предусматривает получение оптимальной структуры металла с заданными
механическими и физико-химическими свойствами.
Для среднеуглеродистой стали с
содержанием углерода от 0,3 до 0,5%, из которой получаем поковку вала гребного,
принимают нормализацию с высоким отпуском (600…650 0С). Механические
свойства по сравнению с закалкой при этом будут несколько ниже, но процесс
нормализации более простой, дает меньшую деформацию (коробление), а также
способствует исправлению структуры.
При отпуске закаленная сталь
нагревается до температуры не выше точки АRi и производится выдержка
при этой температуре с последующим охлаждением.
После термообработки поковки
проходят технический контроль на проверку кривизны. Поковки проверяются в
призмах на разметочной плите с помощью рейсмуса и линейки. В случае превышения
кривизны 1 мм на один погонный метр поковка подвергается правке в холодном или
подогретом состоянии, а далее термообработке в виде отпуска снятия напряжений.
2.4 Определение силы
деформирования и выбор кузнечного оборудования
Силы протяжки слитка Р в
комбинированных бойках с величиной обжатия за один ход пресса рассчитывается по
формуле:
Р = σ [1+(2μ∆H/3D’0)*2√D0∆H-∆H2l,
где σ
- сопротивление деформированию, определяемое выражением
σ = kσ*σт,
где σт - напряжение текучести:
для стали 30: при t0 = 12000 - σт = 6,0 МПа, при t0 = 8000 - σт = 24 МПа, kσ - коэффициент
напряженного состояния, зависящий от степени деформации εh (εh=0,26) и скорости радиальной деформации ε = εh/tд = 0,26/1 = 0,26, где tд - время одного обжатия
при протяжке (при ковке на прессах tд = 1 с);
μ - коэффициент
контактного трения (при высоких температурах ковки μ = 0,3÷0,5);
l = 190 мм - величина абсолютной подачи;
D - диаметр заготовки перед обжатием в начале текущей протяжке;
D0 = 382 мм - исходный
диаметр (биллетированной) заготовки;
Dпок = 180 мм - размер протянутой заготовки (согласно расчетов)
перед последним обжатием.
Величина силы протяжки в начале
процесса равна:
Р = 37,5 [1+(2*0,4*190)/(3*382)]*2√382*100-1002*190*10-6
= 19,81 МН,
где σ
= kσ*σт, = 6,25*6,0 = 37,5 МПа
В процессе ковки на последнем
переходе сила протяжки имеет значение:
Р = 150 [1+(2*0,4*190)/(3*180)]*2√180*100-1002*190*10-6
= 51,58 МН.
где σ
= kσ*σт, = 6,25*24,0 = 150 МПа
Реализация разработанного
технологического процесса, при соблюдение требований техники безопасности,
требует применения гидравлического ковочного пресса силой 1250 МН.
2.5 Подбор ковочного
инструмента и средств механизации
Ковочный инструмент подразделяется
на тир группы: основной деформирующий, вспомогательный и специальный.
Номенклатура инструмента
определяется видом и количеством технологических операций ковки.
заготовительные операции: оттяжка
(хвостовика) цапфы слитка под клещи манипулятора и биллетировка.
Вспомогательные: рубка донной части
(поддона).
Основные операции: многопереходная
протяжка в комбинированных бойках по схеме круг-пластина-квадрат-круг.
Вспомогательные: рубка хвостовика
слитка (цапфы).
Завершающие и отделочные операции:
правка и технический контроль.
Для поковок гребного вала, в соответствие
с последовательностью операций, применяется инструмент, номенклатура которого
приведена в таблице 4
Таблица 4 - Номенклатура
инструмента, используемого при изготовление поковки гребного вала
№ п/п
|
Вид операции
|
Вид инструмента
|
|
|
деформирующий
|
вспомогательный
|
специальный
|
1
|
Оттяжка цапфы
|
Бойки плоские
|
|
|
2
|
Биллетировка
|
|
Бойки комбинированные
|
|
3
|
Рубка
|
|
Отрезной боек
|
|
4
|
Протяжка
|
Бойки комбинированные
|
|
|
5
|
Рубка
|
|
Отрезной боек
|
|
6
|
Правка
|
Бойки плоские
|
|
|
Плоские бойки (рис. 4) предназначены
для получения в поковке при протяжке квадратного сечения, а также круглого
сечения через промежуточную пластину или квадрат.
Рисунок 4 - Эскиз плоского бойка
Ширина бойков а имеет значение
а>(0,4÷0,5) Dmax,
где Dmax - максимальный
диаметр обкатанного или осаженного слитка, при ковке с относительной подачей vi = 0.5÷0.7 под бойки на каждом обжиме.
Тогда, с учетом, что максимальный
диаметр заготовки при ковке в данной технологии составляет Dmaxзаг = 460 мм, ширина бойка имеет значение а>225 мм. Согласно
нормализованного ряда размеров инструмента выбираем а = 400 мм. В зависимости
от силы выбранного пресса и рассчитанной ширины бойков а принимаем длину бойков
b = 900
мм.
Радиус округления рабочей кромки
бойков R принимается в зависимости от максимально допустимого обжатия ∆Нmax по выражению:
R = >0.3∆Нmax/
Тогда R = 30 мм. Размеры бойков приведены в
таблице 5.
Таблица 5 - Размеры плоских бойков
Сила пресса, МН
|
Размеры бойков, мм
|
|
Ширина а
|
Длина b
|
Радиус округления рабочей кромки R
|
1250
|
400
|
15
|
Комбинированные бойки (рис. 5)
обеспечивают повышения схемы всестороннего сжатия по сравнению с плоскими
бойками. Как правило, верхний боек плоский, нижний вырезной. Глубина выреза
характеризуется следующими геометрическими размерами: глубиной выреза hвр, углом развала φ, шириной В, радиусом закругления рабочей кромки R, радиусом закругления выреза R1. Ширину бойков выбирают из условия обеспечения в начале протяжки
величины относительной подачи vi = 0.5÷0.7.
Рисунок 5 - Эскиз нижнего вырезного
ромбического бойка в комбинации с верхним плоским бойком: 1 - верхний плоский
боек; 2 - нижний вырезной боек.
Ширина бойков а имеет значение
В>Dmaxзаг(cosφ/2÷0,1),
где Dmaxзаг - максимальный диаметр заготовки при ковке в данной технологии,
мм;
φ - угол
развала.
Для данного типа бойков для обычных
углеродистых сталей применяют углы φ: 1100, 1200 и 1350.
Принимаем угол развала φ = 1200.
Тогда В>460 (cos120/2+0.1) = 276 мм.
Принимаем ширину бойка В = 300 мм.
Глубина выреза нижнего бойка
определяется выражением:
hвр = (Dmaxзаг * соsφ/2)/(2tgφ/2).
Тогда hвр = (423* соs120/2)/(2tg120/2) = 66,39. Принимаем hвр =70 мм.
Радиус закругления выреза R1 определяется выражением:
<R1<Rп,
где Rп - радиус поковки, Rп = 100 мм.
Конструкция плоских и вырезных
бойков с элементами их крепления на столе и траверсе пресса приведена на рис.
6.
Рисунок 6 - Конструкции бойков с
элементами крепления: а - плоских, б - вырезных
Отрезные бойки (рис. 7) обеспечивают
рубку донной части и цапфы, при этом в данных операциях они заменяют топоры.
Это возможно, если в оборудовании (ковочном гидравлическом прессе) смонтированы
подвижные поперечные инструментальные столы. Рубка отдельных частей поковки производится
нажатием верхнего плоского бойка на заготовку, положенную на отрезной боек.
После рубки, примерно на две трети толщины поковки, последняя кантуется на 1800
и производится окончательная рубка.
Рисунок 7 - Эскиз отрезного бойка
Все технологические операции требуют
как перемещения заготовки в горизонтальной плоскости, так и вращения (кантовки)
ее вокруг своей продольной оси. В кузнечном производстве выполнение указанных
движений поковки массой > 200 кг требует применение средств механизации:
манипулятора, кантователя (патрона) или средств ручной зацепки заготовки или
слитка с перемещением и вращением ее с помощью мостового или ковочного кранов.
Данная технология ориентировалась на
применение манипулятора грузоподъемностью 5 т, имеющего движение тележки в
горизонтальной плоскости по двум взаимно перпендикулярным направлениям и
вращение захватывающей руки вокруг вертикальной и горизонтальной осей.
2.6 Определение
термического режима ковки
Термический режим ковки включает
совокупность параметров: режим нагрева исходной заготовки; способ и режим
охлаждения поковки; способ контроля за параметрами нагрева и охлаждения.
Режим нагрева исходной заготовки
Режим нагрева исходной заготовки
включает определение интервала ковочных температур и скорости (времени) нагрева
исходной заготовки до температур деформирования металла.
Для определения интервала ковочных
температур воспользуемся диаграммой «железо-углерод» Fe-C (рис. 8). Температура верхнего
предела tв.п., обозначенная кривой
2, должна находится ниже линии солидуса ts и иметь значение tв.п = ts - (180÷2000C), обеспечивая отсутствие потери пластичности, пережога и
перегрева металла. Величина нижнего предела tн.п в основном определяется возможностью деформации металла в
двухфазной зоне. Два доэвтектоидных сталей (содержание углерода С<0,83%)
нижний предел tн.п находится в однофазной
аустенитной области выше линии АR3. Для крупных поковок tн.п = tAR3 + (50÷1000C), что соответствует кривой абг (рис. 8). На основание выше приведенных
данных для стали 35 интервал ковочных температур составляет 1200÷8000С, что соответствует рекомендуемым режимам нагрева, приведенным в
литературных источниках.
Рисунок 8 - Температурный интервал
ковки и горячей штамповки поковок из углеродистой стали: 1 - верхний предел при
форсированном нагреве; 2 - то же при обычном нагреве слитков; 3 - то же для
прутков и болванок; а, б, г - нижний предел
Скорость (время) нагрева исходной
заготовки
Нагрев слитков до температуры ковки
производится, как правило, в одной печи. Допускается делать предварительный
нагрев до температуры 6500С в одной печи с пересадкой в другую печь,
для окончательного нагрева слитка считается температура поверхности слитка
замеренная при прикрытых горелках. Нагрев слитков под ковку должен быть
равномерным. При нагреве не допускается попадание острого факела пламени на
металл и местный нагрев металла.
Время общего нагрева холодных
слитков t (час), включая выдержку до ковочных температур, наиболее удобно
определять по формуле И.И. Доброхотова:
t = mRD√D,
где m - коэффициент, учитывающий способ
укладки заготовки по поду печи, m = 1÷4;
R - коэффициент, учитывающий содержание углерода и легированных
элементов в стали; для углеродистых сталей R = 10;
D - размер поперечного сечения
(диаметр) нагреваемой заготовки, м.
Тогда t = mRD√D = 1.2*10*0.43√0.43 = 3.38 ч =
4 ч.
Расчет числа одновременно
нагреваемых слитков n при согласованной работе печи и кузнечного оборудования
определяется выражением:
n = tN/60,
где t - время нагрева слитков, мин;
N - производительность пресса по выпуску поковок (шт./ч), N = 3600/tшт;
tшт - время на изготовление
одной поковки (с),
tшт = (t0+tв) k,
где k - коэффициент, учитывающий личные
потребности рабочих, k = 1.5;
t0 = 60/nк - основное время на производство одной поковки, (с); nк - число ходов пресса (мин-1); tв - вспомогательное время на производство одной поковки,
tв = (250÷300) t0.
Результаты подсчетов:
t0 = 60/nк = 60/32 = 1,9 с;
tв = 275*1,9 = 522,5 с;
tшт = (t0+tв) k = (1,9+522,5) 1,5 = 786,6 с;
N = 3600/tшт = 3600/786.6 = 4.6 = 5
шт./ч;
n = tN/60 = 120*5/60 = 10 шт.
Способ и режим охлаждение поковки
Способ охлаждения поковок
назначается, в зависимости от марки стали и сечения поковок. Поковки из
углеродистых сталей с содержанием углерода не более 0,6% охлаждаются на воздухе
или в колодцах. Поковки укладываются на площадку для складирования таким
образом, чтобы избежать коробления, при этом не разрешается их укладывать на
сырую землю и в условиях сквозняка.
Минимальное время охлаждения Т0
определяется по формуле:
Т0 = 0,003∆Т*D0,
где ∆Т - среднее падение
температуры по сечению поковки, 0С;
D0 - размер поперечного
сечения (диаметр) поковки, мм.
Т0 = 0,003*51*163 = 24,93
ч.
Способ контроля за параметрами нагрева
и охлаждения
Температура в печи поднимается
согласно многоступенчатого рабочего графика. Контроль за температурой
нагреваемого слитка осуществляется с помощью оптического пирометра, при этом
замеры производятся через каждый час нагрева. Температурный интервал ковки
отмечается временем и температурой ее начала и конца, что заносится в журнале
(в частности отделочные операции с малыми обжатиями разрешается проводить при
температурах до 7000С).
2.7 Составление
технологической карты изготовления поковки
По результату разработки
технологического процесса составлена технологическая схема (табл. 6) и
технологическая карта ковки.
Таблица 6 - Технологическая схема
ковки поковки вала гребного
Примерный эскиз поковки
|
№ выноса
|
Наименование операций и эскизы переходов
|
Параметры технологических переходов
|
Примечание
|
-
|
Исходный слиток
|
-
|
-
|
-
|
1
|
Ковка цапфы
|
Сечение цапфы 300х300 мм
|
Бойки плоские
|
|
1
|
Обжим ребер и граней (биллетировка), рубка поддона (донной части
слитка)
|
|
Бойки: верхний, плоский, нижний вырезной, топор
|
Уков уБ = 1,22
|
2
|
Ковка поковки по размерам чертежа поковки с учетом двух
припусков на пробы с обеих концов поковки; рубка припусков
|
Трехпереходная протяжка по схеме
«круг-пластина-квадрат-пластина-квадрат-пластина-квадрат-круг»
|
Бойки: верхний, плоский, нижний вырезной, топор
|
Уков уп = 3,56
|
|
Термообработка
|
Нормализация Высокий отпуск
|
Печь камерная
|
|
4
|
Правка
|
|
Бойки плоские
|
|
5
|
Термообработка
|
Отпуск
|
Печь камерная
|
|
5
|
Клеймение
|
|
Бойки плоские Клеймо
|
|
Список использованных
литературных источников
поковка
сечение вал гребной
1 Тарновский И.Я. Свободная ковка на прессах / И.Я. Тарновский,
В.Ф. Трубин, М.Г. Златкин. - М.: Машгиз, 1967. 328 с.
Ковка и объемная штамповка стали: справочник. Т.1; под ред. М.В.
Сторожева. М.: Машиностроение, 1967. 436 с.
ГОСТ 7062-90 «Поковки из углеродистой и легированной стали,
изготовляемые ковкой на прессах. Припуски и допуски». - М.: Издательство
стандартов, 1970. - 15 с.