Определение массы и размеров исходной заготовки

Исходной заготовкой при ковке средних и крупных поковок на прессах являются кузнечные слитки. Слитки подразделяются по назначению на кузнечные, прокатные и специальные, по конструкции на сплошные и полые, по конфигурации на укороченные, нормальные и удлиненные, по форме поперечного сечения на круглые, квадратные, прямоугольные, восьмигранные и многогранные (12 граней и более).

У укороченного слитка соотношение высоты тела слитка к его среднему диаметру  равно 0,8-1,2. У нормальных слитков . У удлиненных слитков .

Наибольшее распространение в кузнечно-прессовых цехах получили нормальные и удлиненные слитки с восьмигранным поперечным сечением. Масса таких слитков колеблется от 1,0 до 350 т. Сортамент и характеристики нормальных и удлиненных слитков приведены в таблицах 1 и 2.

Слиток состоит из трех основных частей. Масса донной части обозначается , масса тела слитка , масса прибыльной части . Для нормальных слитков  и  от массы всего слитка, для удлиненных слитков  и .

Масса слитка, необходимого для изготовления поковки:

,

где – масса металла на угар (окалину) при нагреве; –масса технологических отходов.

Отход металла на угар при нагреве слитков и заготовок в печах, работающих на жидком и газообразном топливе, составляет примерно 2% от массы поковки за первый нагрев (вынос) и 1,5% за каждый последующий нагрев, т.е.

,

где – число подогревов в соответствии с выбранным технологическим процессом). В электропечах отход металла на угар составляет примерно 1,0% за каждый вынос.

В технологические отходы входят концевые обрубки (излишки металла, отрубаемые от концевых ступеней поковки), обсечки, получаемые при разрубке заготовок, выдра (металл, удаляемый из заготовки при образовании в ней отверстия) и т.д. Масса технологических отходов зависит от конфигурации и размеров поковки, формы и размеров слитка и других факторов и определяется индивидуально для каждого технологического процесса.

Обычно масса обсечек  составляет , масса выдры . При ковке сплошных поковок масса выдры равна нулю, и в массу отходов входит только масса обсечек, которую определяют по специальным номограммам. Ориентировочно массу обсечек при ковке на прессах можно определить по следующим зависимостям:

при рубке поковок круглого сечения диаметром

,

при рубке поковок прямоугольного сечения с размерами

.

Зная что масса тела слитка  выбираем по таблице 3 или 4 массу исходного слитка.

При выборе кузнечного слитка следует сначала попытаться подобрать удлиненный слиток, так как от имеет меньше отходов в виде прибыльной и донной части, а значит у него больше «выход годного».

В случае, если для изготовления поковки не нашлось подходящего слитка, то необходимо из одного слитка ковать несколько поковок. Для этого количество поковок увеличивают до тех пор, пока не удастся подобрать оптимальный по массе слиток.

Затем определяется разность . Каждая половина этой разности прибавляется к массе донной и прибыльной частей слитка. Делается это для того, чтобы учесть потери металла при отрубке от поковки прибыли и низа слитка. Если эта разность больше 100-150 кг, то получающие излишки металла необходимо использовать для изготовления годного остатка, который в дальнейшем может быть применен в качестве исходной заготовки для ковки мелких поковок.

После выбора кузнечного слитка необходима его проверка по величине укова:

,

где – площадь поперечного сечения до протяжки, при ковке из слитка – среднее его сечение; – площадь поперечного сечения после протяжки; – средний диаметр тела слитка; – диаметр поковки.

Величина укова во многом зависит от структурного строения стали: для углеродистых, низко- и среднелегированных конструкционных и инструментальных сталей  (меньшее значение коэффициента принимают для удлиненных слитков); для высоколегированных и специальных сталей и сплавов .

Если получившейся в результате расчета величины  недостаточно, то ее можно увеличить, выбрав больший по сечению слиток или введя в технологический процесс промежуточную дополнительную операцию осадки заготовки.

Для полых заготовок типа втулок, колец и т.п. величина укова не подсчитывается, так как в технологическом процессе их изготовления операция осадки обязательна.

Затем составляется баланс металла кузнечного слитка:

Таблица 3: Основные параметры обычных кузнечных слитков (номенклатура НЗЛ)

Таблица 4: Основные параметры удлиненных кузнечных слитков (номенклатура НЗЛ)

Режим нагрева и охлаждения

Для нагрева слитков и заготовок перед ковкой служат кузнечные мазутные или газовые печи, которые по способу нагрева подразделяются на камерные и методические.

Методические печи имеют переменную по зонам нагрева температуру (две и более зон) и обеспечивают качественный нагрев. Однако такие печи применяются только для нагрева заготовок из проката или мелких кузнечных и прокатных слитков.

Наибольшее распространение в кузнечно-прессовых цехах при изготовлении средних и крупных поковок получили камерные печи со стационарным и подвижным подом. Камерные печи имеют постоянную температуру рабочего пространства, но отличаются значительной неравномерностью ее распределения. Большим недостатком камерных печей (несмотря на простоту их конструкции) являются огромные потери тепла, возникающие при открывании крышки для посадки или выгрузки слитков или заготовок. Особо большие потери тепла происходят при выкатывании подины в печах с выдвижным подом.

График горячей обработки слитка дом момента получения заданной по чертежу поковки состоит из нескольких этапов (рисунок 5): 1 – нагрев заготовки до критической температуры; 2 –выдержка; 3 – нагрев до температуры ковки с максимально возможной скоростью; 4 – выдержка; 5 – ковка; 6 – охлаждение поковки. Если поковка куется за несколько нагревов (выносов), то этапы 3, 4 и 5 повторяются на графике соответствующее количество раз.

Если слитки привозят к ковочному прессу нагретыми до температуры 650-700 ⁰С (из сталеплавильного цеха или нагревательных печей предварительного нагрева), этапы 1 и 2 исключаются из графика.

Рис. 5. График нагрева заготовки и охлаждения поковки

Критическая температура – это температура структурных превращений в стали .

Ковочная температура – это температура нагрева слитка (или заготовки) перед ковкой. Превышение  может привести к перегреву, сопровождающемуся ростом зерен. Это брак, исправляемый термической обработкой. Нагрев до более высокой температуры может привести к окончательному браку, называемому пережогом (оплавление границ зерен).

Температура – это температура окончания ковки. Ниже этой температуры металл плохо деформируется, так как его пластические характеристики снижаются. Ковка при температуре ниже  сопровождается упрочнением (наклепом) и появлением трещин.

Величины температур  и  зависят от химического состава обрабатываемой стали. Температурный интервал ковки выбирается по таблице 5.

При нагреве до ковочной температуры особое внимание следует обратить на два основных периода (рисунок 5).

I – нагрев до , который осуществляется с минимальной скоростью из за низкой теплопроводности и малой пластичности холодной стали. Большая скорость нагрева может привести к трещинам в теле слитка (внутри заготовки).

II – нагрев до , который производится с максимально возможной для данного нагревательного устройства скоростью.

Общее время нагрева (до ) складывается из времени нагрева первого и второго периодов. Для углеродистых и низколегированных сталей , где  наименьший диаметр или меньшая сторона сечения слитка или заготовки, м. Для средне- и высоколегированных сталей ; , т.е. .

Продолжительность выдержек при критической и ковочной температурах принимаются в пределах  в зависимости от нагреваемой стали. Наличие выдержек при температурах  и  вызвано необходимостью выравнивания разности температур по сечению слитка или заготовки. Эта разница температур всегда возникает при нагреве стали из-за ее ограниченной теплопроводности. Чем больше сечение нагреваемой заготовки, тем продолжительнее должна быть выдержка.

Важное значение для получения высококачественных поковок имеет правильный выбор режима их охлаждения. Чрезвычайно высокие термические напряжения, возникающие в поковке при неправильном охлаждении, могут привести к появлению трещин.

В зависимости от химического состава стали и размеров сечения, поковки охлаждаются на воздухе, в колодцах, в колодцах с подогревом и в термических печах. Режим охлаждения поковки следует определять по таблице 6.

Таблица 5:

Температурные интервалы ковки

Марка стали	, оС	, оС	, оС
Углеродистые стали
Ст. 2, 3, 4, 10, 15, 20, 25, 30, 35	730-735	1280	750
40, 45, 50	725-730	1250	780
55, 60	727	1220	800
65, 70, 75	727-730	1200	800
У7А, У8А, У9А, У10А, У12А	727-730	1150	800
Низколегированные стали
15Х, 20Х, 20Г, 12ХМ, 15ХМ	735	1260	800
35Х, 40Х, 45Х	720-740	1240	800
30Г, 40Г, 50Г, 50Х, 20ХФ, 20ХМА, 30ХМА, 34ХМ, 35ХМ, 40ХМ, 40ХН, 40ХФА, 50ХГ, 60ХГ	735-745	1220	800
65Г, 50С2, 55С2, 60С2, 38ХС, 50ХФ, 50ХН, 60ХН, 75ХМ	735-745	1200	800
Среднелегированные стали
12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХГС, 38ХЮА, 25Х1М1Ф, 34ХН1М, ЭИ415	715-800	1240	800
12ХН2, 12ХНЗ, 20ХНЗА, 18ХГТ, 25Х2М1Ф, 40ХНМА	715-800	1220	800
30ХГС, 30ХНВ, 35ХГС, 38ХГН	715-800	1200	800
5ХНВ, 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХГС, 5ХНТ, 5ХНМ2, 6ХНМ	715-800	1200	800
7Х3, 8Х3, 9Х, 9Х2, 9ХФ, 9ХС	715-800	1180	800
Высоколегированные стали
20ХЗМВФ, 34ХНЗМ	750-900	1240	800
12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 1Х13, 2Х13, 3Х13	750-900	1220	850
15Х11МФ, ЭИ268, ЭИ802	750-900	1220	900
З5ХН1М2Ф, 35ХНЗМФА, 36ХН1МФ, 38ХНЗМФА, 38Х2НЗМ, 45ХНФА	750-900	1200	800
Х18Н9Т, Х18Н10Т, Х18Н12М2Т, ЭИ572	750-900	1200	950

Таблица 6:

Режим охлаждения поковок после ковки