Способ изготовления поковок и ковочный комплекс для его осуществления

Способ изготовления поковок и ковочный комплекс для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам получения поковок из слитков на ковочных комплексах, состоящих из гидравлических ковочных прессов с одним или двумя манипуляторами и оснащенных четырехбойковыми ковочными устройствами.

Изобретение может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности при производстве поковок различных поперечных сечений из углеродистых и легированных сталей, а также из сплавов черных и цветных металлов.

Известен способ изготовления поковок, включающий нагрев слитка и последующую ковку его на прессе с двумя манипуляторами в несколько проходов путем четырехстороннего обжатия в четырехбойковых ковочных устройствах с дополнительными макросдвигами металла в поперечной плоскости заготовки при каждом единичном обжатии, подачи и кантовки заготовки [1].

Использование четырехбойковых ковочных устройств позволяет значительно повысить производительность процесса, точность получаемых поковок и выход годного металла по сравнению с традиционными процессами изготовления поковок на молотах и прессах. Однако данный способ не обеспечивает достаточно высокую производительность процесса и выход годного металла.

Известен также способ изготовления поковок, включающий ковку слитка на прессе с одним или двумя манипуляторами в несколько проходов путем протяжки в четырехбойковых ковочных устройствах с дополнительными макросдвигами металла в поперечной плоскости заготовки при каждом единичном четырехстороннем обжатии и калибровки заготовки, подачи и кантовки, рубку поковки [2]. Использование четырехбойковых ковочных устройств позволяет получать поковки высокой точности.

Однако известный способ не позволяет ковать слитки больших поперечных сечений в четырехбойковых ковочных устройствах. Поэтому первоначальную ковку слитков осуществляют двумя бойками, что снижает производительность процесса.

Известен ковочный комплекс, содержащий ковочный пресс с верхней и нижней плитами для крепления ковочного инструмента, снабженного замками для удержания инструмента, подвижным инструментальным столом, имеющим несколько позиций смены ковочного инструмента, ковочным инструментом, состоящим из двух или более четырехбойковых ковочных устройств с бойками, расположенных на позициях инструментального стола, и два манипулятора [1].

Этот ковочный комплекс обеспечивает значительно более высокую производительность процесса по сравнению с использованием автоматизированных ковочных комплексов с традиционно применяемым инструментом - плоскими и вырезными бойками.

Недостатками этого ковочного комплекса является низкая производительность процесса, а также невысокая точность и качество поверхности поковок круглого сечения.

Известен также ковочный комплекс для изготовления поковок преимущественно из металлов и сплавов подгруппы титана, содержащий ковочный пресс, подвижный инструментальный стол, имеющий несколько позиций смены ковочного инструмента, ковочный инструмент, состоящий из двух или более четырехбойковых ковочных устройств, расположенных на позициях инструментального стола, каждое из которых состоит из держателей верхнего и нижнего бойков с наклонными поверхностями, кинематически связанных с ними двух держателей боковых бойков с наклонными поверхностями, соответствующими наклонным поверхностям держателей верхнего и нижнего бойков, прикрепленных к держателям бойков, и один или два манипулятора [2].

Известный ковочный комплекс обеспечивает высокий выход годного металла, точность поковок, а также качество поверхности поковок крупного сечения при изготовлении их преимущественно из металлов и сплавов подгруппы титана.

Недостатками известного ковочного комплекса являются низкая производительность процесса при ковке крупных слитков, а также невозможность ковки слитков больших поперечных сечений без предварительной биллетировки их двумя бойками.

Задача изобретения заключается в разработке способа получения поковок и ковочного комплекса со специальными четырехбойковыми ковочными устройствами для его осуществления, обеспечивающих возможность ковки слитков больших поперечных сечений в четырехбойковых ковочных устройствах и повышение производительности процесса.

Решение задачи достигается тем, что в способе изготовления поковок, включающем биллетировку слитка и последующую ковку на прессе с одним или двумя манипуляторами в несколько проходов путем протяжки в четырехбойковых ковочных устройствах и калибровки заготовки, подачи и кантовки, рубку поковки, новым является то, что биллетировку слитка осуществляют в четырехбойковом ковочном устройстве для биллетировки слитков, при этом слиток, при каждом единичном обжатии, обжимают в вертикальной плоскости с большей степенью деформации, чем в горизонтальной плоскости.

Решение задачи изобретения достигается также тем, что обжатия слитка в вертикальной плоскости осуществляют со степенью деформации в 1,3-3,0 раза больше, чем в горизонтальной плоскости слитка.

Решение задачи изобретения достигается также тем, что после биллетировки слитка осуществляют протяжку и калибровку заготовки во втором ковочном устройстве в одном комплекте универсальных вырезных бойков.

Решение задачи изобретения достигается также тем, что рубку калиброванной заготовки производят в четырехбойковом ковочном устройстве для биллетировки слитков.

Кроме того, решение задачи достигается также тем, что в ковочном комплексе, содержащем ковочный пресс, с подвижным инструментальным столом, имеющим несколько позиций смены ковочного инструмента, а также ковочный инструмент, состоящий из двух или более четырехбойковых ковочных устройств, расположенных на позициях инструментального стола, каждое из которых состоит из держателей верхнего и нижнего бойков с наклонными поверхностями, кинематически связанных с ними двух держателей боковых бойков с наклонными поверхностями, соответствующими наклонным поверхностям держателей верхнего и нижнего бойков, и четырех бойков, прикрепленных к держателям бойков, и один или два манипулятора, новым является то, что на первой позиции инструментального стола расположено четырехбойковое ковочное устройство для биллетировки слитков, при этом угол между наклонными поверхностями в каждом держателе бокового бойка этого устройства составляет 95-160°, а рабочие поверхности верхнего и нижнего бойков длиннее рабочих поверхностей боковых бойков и образуют в поперечном сечении, при сомкнутом положении всех бойков, прямоугольник с отношением смежных сторон 1,1-3,0.

И, наконец, решение задачи достигается также тем, что на второй позиции инструментального стола расположено четырехбойковое ковочное устройство с комплектом универсальных вырезных бойков для протяжки и калибровки заготовок круглого поперечного сечения, рабочая поверхность каждого из которых состоит из центрального участка с вогнутой поверхностью, примыкающих к нему с двух сторон участков с выпуклыми поверхностями и двух боковых участков с плоскими наклонными поверхностями, при этом выдерживается соотношение

R/r=3-10,

где R - радиус вогнутой поверхности центрального участка; r - радиус выпуклых поверхностей участков, примыкающих к центральному участку.

Патентуемый способ изготовления поковок и ковочный комплекс для его осуществления поясняются фиг.1-7.

На фиг.1 представлена схема ковочного комплекса с двумя манипуляторами, вид сверху;

на фиг.2 - вид спереди на ковочный пресс с тремя четырехбойковыми ковочными устройствами;

на фиг.3 - вид спереди на ковочный пресс в положении, при котором четырехбойковое ковочное устройство для биллетировки слитков установлено в рабочей зоне пресса;

на фиг.4 - вид спереди на ковочный пресс с четырехбойковым ковочным устройством с комплектом универсальных вырезных бойков;

на фиг.5 - вид спереди на ковочный пресс с четырехбойковым ковочным устройством для биллетировки слитков в момент обжатия слитка;

на фиг.6 - вид спереди на ковочный пресс с четырехбойковым ковочным устройством в момент обжатия слитка вырезными бойками;

на фиг.7 - вид спереди на ковочный пресс с четырехбойковым ковочным устройством для биллетировки слитков в момент рубки поковки топором.

Ковочный комплекс состоит из ковочного пресса 1, манипуляторов 2, 3, подвижного инструментального стола 4 с несколькими (показано 3) позициями смены ковочного инструмента, ковочного инструмента (четырехбойковых ковочных устройств) 5-7, пульта управления 8 (фиг.1). Четырехбойковое ковочное устройство 5 крепится к верхней 9 и нижней 10 плитам пресса и инструментального стола с помощью специальных замков (не показаны) (фиг.2). Количество четырехбойковых ковочных устройств, располагаемых на позициях инструментального стола перед началом ковки, определяется в зависимости от принятого технологического процесса. Для осуществления патентуемого способа на первой позиции инструментального стола 4 расположено четырехбойковое ковочное устройство 5 для биллетировки слитков (фиг.2). Четырехбойковое ковочное устройство для биллетировки слитков состоит из держателя 11 верхнего бойка 12, держателя 13 нижнего бойка 14, держателей 15, 16 боковых бойков 17, 18 (фиг.3). При этом угол между наклонными поверхностями (угол α) в каждом держателе бокового бойка этого ковочного блока составляет 95-160°, а рабочие поверхности верхнего 12 и нижнего 14 бойков ("nm", "kf") длиннее рабочих поверхностей боковых бойков 17, 18 ("nk", "mf"). Рабочие поверхности бойков 12, 14, 17, 18 образуют в поперечном сечении, при сомкнутом положении, прямоугольник "nmfk" с отношением смежных сторон 1,1-3,0. На второй или на второй и третьей позициях инструментального стола устанавливают ковочные устройства для протяжки и калибровки заготовки по известному способу [2].

Кроме того, для осуществления патентуемого способа на второй позиции инструментального стола 4 может быть расположено четырехбойковое ковочное устройство 6 с комплектом бойков (плоских или вырезных) для протяжки заготовок (фиг.1, 2). На этой же позиции инструментального стола может быть расположено ковочное устройство 6 с комплектом универсальных вырезных бойков 19-22 (фиг.1, 2, 4). Эти бойки предназначены для протяжки и калибровки заготовок круглого поперечного сечения. Рабочая поверхность каждого вырезного бойка состоит из центрального участка с вогнутой поверхностью, примыкающих к нему с двух сторон участков с выпуклыми поверхностями и двух боковых участков с плоскими наклонными поверхностями, при этом выдерживается соотношение

R/r-3-10,

где R - радиус вогнутой поверхности центрального участка;

r - радиус выпуклых поверхностей участков, примыкающих к центральному участку (фиг.4).

На третьей позиции инструментального стола 4 может быть расположено еще одно четырехбойковое ковочное устройство 7 для формирования какого-либо специального поперечного сечения поковки по всей ее длине, или на отдельных участках, или только для калибровки поковок (фиг.1).

Способ ковки в ковочном комплексе осуществляют следующим образом. Вначале подготавливают к работе ковочный комплекс. Для этого перед ковкой на первой позиции инструментального стола 4 устанавливают четырехбойковое ковочное устройство 5 для биллетировки слитков, а на второй - четырехбойковое ковочное устройство для протяжки заготовки на требуемые размеры поковок (фиг.1). При необходимости на третьей позиции устанавливают третье ковочное устройство для калибровки заготовок. Непосредственно перед выдачей нагретого до ковочной температуры слитка из печи с помощью инструментального стола 4 подают в рабочую зону пресса 1 ковочное устройство 5 для биллетировки слитка (фиг.2). С пульта управления пресса 8 оператор подает команду на закрепление верхней подвижной части ковочного устройства к верхней плите 9 подвижной траверсы пресса с помощью специальных замков (фиг.1 и 2). После выполнения этих операций ковочный комплекс готов к работе.

Нагретый до ковочной температуры слиток достают из нагревательной печи и с помощью манипулятора 2 подают в рабочую зону пресса 1, где производят его биллетировку в четырехбойковом ковочном устройстве 5 для биллетировки слитков (фиг.1). В процессе биллетировки слиток, при каждом единичном обжатии, обжимают в вертикальной плоскости с большей степенью деформации, чем в горизонтальной плоскости (фиг.5). После каждого единичного обжатия осуществляют подачу и кантовку слитка вокруг его продольной оси. За счет разных степеней деформации слитка (на фиг.5 обжатая часть в поперечном сечении слитка заштрихована) в вертикальной и горизонтальной плоскостях происходят дополнительные макросдвиговые деформации и обеспечивается более интенсивная проработка литой структуры металла. Сочетание способа ковки слитка с увеличенными обжатиями в вертикальной плоскости и специальной конструкции четырехбойкового ковочного устройства для биллетировки слитков позволяет выполнить ковку слитков большого поперечного сечения без изменения размеров устройства и рабочего пространства пресса. Обжатия слитка в вертикальной плоскости осуществляют со степенью деформации в 1,3-3,0 раза большей, чем обжатия в горизонтальной плоскости слитка, т.е. выполняют соотношение ε₁/ε₂=1,3-3,0, где ε₁ - степень деформации слитка в вертикальной плоскости, ε₂ - степень деформации в горизонтальной плоскости слитка. При соотношении ε₁/ε₂<1,3 не обеспечивается интенсивная деформационная проработка литой структуры металла и высокое качество металла поковок.

При соотношении ε₁/ε₂>3,0 существенно снижается производительность процесса ковки, что также нерационально. После окончания биллетировки слитка в этом ковочном устройстве заготовку выводят из рабочей зоны пресса, отсоединяют подвижную часть ковочного устройства 5 от верхней плиты пресса 1 и выводят это устройство из рабочей зоны пресса (фиг.1, 2). Затем заводят в рабочую зону пресса 1 четырехбойковое ковочное устройство 6 для протяжки полученной после биллетировки слитка заготовки, закрепляют это устройство в верхней плите 9 пресса 1. После этого продолжают ковку заготовки в ковочном устройстве 6. Последнюю, заключительную, операцию - калибровку поковки - выполняют в четырехбойковом ковочном устройстве 7 для калибрующей ковки, после установки его в рабочую зону пресса (фиг.2).

Протяжку заготовки после биллетировки в ковочном блоке 5 для биллетировки слитков по заявляемому способу можно также осуществлять в ковочном устройстве 6 универсальными вырезными бойками 19-22 (фиг.4, 6). На заключительной стадии протяжки заготовку 23 (заштриховано ее поперечное сечение) калибруют теми же универсальными вырезными бойками 19-22 в ковочном устройстве 6 (фиг.6).

Полученная калиброванная поковка готова для выполнения следующей операции - рубки, при которой отделяют металл донной и прибыльной частей слитка и, при необходимости, разрубают поковку на части требуемой длины.

По патентуемому способу и устройству рубку можно производить в четырехбойковом ковочном устройстве для биллетировки слитков 5 (фиг.1, 7). При этом после установки в рабочую зону пресса ковочного устройства для биллетировки слитков 5 и его раскрытия калиброванную поковку 24 устанавливают в нужном положении на нижнем бойке 14 (фиг.7). Затем сверху на поковку 24 ставят топор 25 и внедряют его в тело поковки с помощью верхнего бойка 12, осуществляя рубку. Боковые бойки этого устройства не доходят до поковки и поэтому не мешают осуществлять процессу рубки.

В патентуемом ковочном комплексе на первой позиции инструментального стола расположено четырехбойковое ковочное устройство для биллетировки слитков (фиг.1, 2). В этом устройстве угол между наклонными поверхностями в держателях боковых бойков 15, 16 (угол α) составляет 95-160° (фиг.3). Кроме того, рабочие поверхности верхнего и нижнего бойков длиннее рабочих поверхностей боковых бойков и образуют в поперечном сечении, при сомкнутом положении всех бойков, прямоугольник с отношением смежных сторон

l₁/l₂=1,1-3,0,

где l₁=nm=kf; l₂=nk=mf (фиг.3).

Такая конструкция ковочного устройства позволяет ковать слитки больших поперечных сечений и получать поковки высокого качества.

При угле α<95° не обеспечивается высокое качество металла поковок и не возможно осуществить биллетировку слитка большого поперечного сечения.

При угле α>160° не обеспечивается высокая производительность процесса ковки.

При соотношении смежных сторон прямоугольника l₁/l₂<1,1 не обеспечивается высокое качество металла и не всегда возможно проковать слиток большого поперечного сечения.

При l₁/l₂>3,0 не обеспечивается высокая производительность процесса.

Расположение на второй позиции инструментального стола четырехбойкового ковочного устройства с комплектом универсальных вырезных бойков и использование этого устройства для протяжки и калибровки заготовок существенно повышает производительность процесса ковки за счет интенсивной осевой вытяжки заготовки при протяжке и быстрого перехода к ее калибровке, без потери времени на смену бойков. При R/r<3 возможны зажимы на поверхности поковки при ее протяжке вырезными бойками.

При R/r>10 не обеспечивается высокая точность поковок при калибровке.

Пример. Слиток массой 10 т с максимальным размером поперечного сечения 905 мм из стали 5ХНМ нагрели в газовой камерной печи до температуры 1180°С и проковали на автоматизированном ковочном комплексе, содержащем гидравлический ковочный пресс усилием 18 MH, два синхронно работающих между собой и с прессом ковочных манипулятора, и оснащенного двумя четырехбойковыми ковочными устройствами.

При этом на первой позиции инструментального стола располагалось четырехбойковое ковочное устройство для биллетировки слитков, а на второй - четырехбойковое ковочное устройство с комплектом универсальных вырезных бойков для протяжки и калибровки заготовок.

Угол между наклонными поверхностями в каждом держателе бокового бойка четырехбойкового ковочного устройства для биллетировки слитков составлял 125°, а рабочие поверхности верхнего и нижнего бойков были длиннее рабочих поверхностей боковых бойков в 1,5 раза.

В четырехбойковом ковочном устройстве, содержащем комплект универсальных вырезных бойков, выдерживалось соотношение

R/r=5,

где R - радиус вогнутой поверхности центрального участка;

r - радиус выпуклых поверхностей участков, примыкающих к центральному участку.

Слиток биллетировали в четырехбойковом ковочном устройстве для биллетировки слитков до размера поперечного сечения 680 мм. При биллетировки слитка обжатия слитка в вертикальной плоскости осуществляли со степенью деформации в 2 раза больше, чем обжатия в горизонтальной плоскости. Затем вывели ковочное устройство для биллетировки слитков из рабочей зоны пресса, установили с помощью инструментального стола ковочное устройство с универсальными вырезными бойками и продолжили ковку в этом устройстве. При этом вначале осуществили протяжку заготовки вырезными бойками до диаметра 310 мм с кантовками после каждого прохода на угол 45° и степенью деформации при каждом единичном обжатии 18-35%. Полученную заготовку диаметром 310 мм калибровали в этих же бойках за два прохода до получения диаметра 300±1 мм. В процессе калибровки заготовку подавали после каждого единичного обжатия на величину 80-120 мм и кантовали на угол 10-15°. После калибрующей ковки произвели замену ковочных устройств. Ковочное устройство с универсальными вырезными бойками вывели из рабочей зоны пресса, а на его место установили ковочное устройство для биллетировки слитков. Используя это устройство, произвели рубку поковок путем нажатия на топор верхним бойком.

Производительность процесса ковки составила 12300 кг/ч (по готовым поковкам). Качество поковок соответствовало требованиям ГОСТа.

Для сравнения за базовый объект приняли способ изготовления поковок и ковочный комплекс для его осуществления, являющийся прототипом патентуемого способа.

По этой технологии нагретый до ковочной температуры слиток массой 10 т из стали 5 ХНМ вначале проковывали на прессе усилием 18 МН двумя плоскими бойками (биллетировка), затем в четырехбойковом ковочном устройстве для черновой ковки четырьмя плоскими бойками, а после этого калибровали в четырехбойковом ковочном устройстве для калибрующей ковки в вырезных бойках. Полученную поковку разрубили на этом же прессе с использованием двух плоских бойков.

Производительность процесса ковки составила 10120 кг/ч.

Таким образом, производительность процесса ковки в сравнении со способом и ковочным устройством, принятыми за базовый объект, увеличилась на 21,5%.

В табл.1 и 2 приведены опытные данные, которые подтверждают эффективность заявляемых в изобретении параметров (способа и ковочного комплекса).

Таким образом, способ изготовления поковок и ковочный комплекс для его осуществления, которые заявляются, обеспечивают повышение производительности процесса на 7,2-21,5% с получением поковок высокого качества, а также возможность ковки слитков больших поперечных сечений в четырехбойковых ковочных устройствах.

Таблица 1
№ опыта	Отношение ε1/ε2	Производительность, кг/ч	Примечание
1	1,2	-	Не обеспечивается требуемое по ГОСТу качество металла
2	1,3	12200
3	2,0	12300
4	3,0	11600
5	3,2	9800
6 прототип	-	10120

Таблица 2
№ опыта	α, градусов	l1/l2, единиц	R/r, единиц	Производительность, кг/ч	Примечание
1	93	1,5	5	-	Не обеспечивается требуемое по ГОСТ качество металла
2	95	1,5	5	12000
3	125	1,5	5	12300
4	160	1,5	5	10850
5	165	1.5	5	10080
6	125	1,05	5	-	Не возможно проковать
7	125	1,1	5	12100
8	125	3,0	5	10900
9	125	3,1	5	10100
10	125	1,5	2,9	-	Зажимы на поверхности поковки
11	125	1,5	10	11400
12	125	1,5	11	-	Поковка имела допуски ±5 мм
13 прототип	-	-	-	10120

Источники информации

1. Лазоркин В.А., Скорняков Ю.Н., Тюрин В.А., Залужный Ю.Г., Куликов В.А., Дегтярева Т.В. Повышение эффективности кузнечной протяжки заготовок из специальных сталей и сплавов на прессах. / Кузнечно-штамповочное производство, 1994, №2, с.3-5/.

2. Патент РФ №2220020, МКИ B 21 J 1/04, 9/02, 5/02, 2003 г.

1. Способ изготовления поковок, включающий биллетировку слитка и последующую ковку на прессе с одним или двумя манипуляторами в несколько проходов путем протяжки в четырехбойковых ковочных устройствах и калибровки заготовки, подачи, кантовки и рубку поковки, отличающийся тем, что биллетировку слитка осуществляют в четырехбойковом ковочном устройстве для биллетировки слитков, при этом слиток при каждом единичном обжатии обжимают в вертикальной плоскости с большей степенью деформации, чем в горизонтальной плоскости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжатие слитка в вертикальной плоскости осуществляют со степенью деформации, в 1,3-3,0 раза превышающей степень деформации при обжатии в горизонтальной плоскости слитка.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после биллетировки слитка осуществляют протяжку и калибровку заготовки во втором ковочном устройстве в одном комплекте универсальных вырезных бойков.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что рубку калиброванной заготовки производят в четырехбойковом ковочном устройстве для биллетировки слитков.

5. Ковочный комплекс, содержащий ковочный пресс с подвижным инструментальным столом, имеющим несколько позиций смены ковочного инструмента, а также ковочный инструмент, состоящий из двух или более четырехбойковых ковочных устройств, расположенных на позициях инструментального стола, каждое из которых состоит из держателей верхнего и нижнего бойков с наклонными поверхностями, кинематически связанных с ними двух держателей боковых бойков с наклонными поверхностями, соответствующими наклонным поверхностям держателей верхнего и нижнего бойков, и четырех бойков, прикрепленных к держателям бойков, и один или два манипулятора, отличающийся тем, что на первой позиции инструментального стола расположено четырехбойковое ковочное устройство для биллетировки слитков, при этом угол между наклонными поверхностями в каждом держателе бокового бойка этого устройства составляет 95-160°, а рабочие поверхности верхнего и нижнего бойков длиннее рабочих поверхностей боковых бойков и образуют в поперечном сечении при сомкнутом положении всех бойков прямоугольник с отношением смежных сторон 1,1-3,0.

6. Комплекс по п.5, отличающийся тем, что на второй позиции инструментального стола расположено четырехбойковое ковочное устройство с комплектом универсальных вырезных бойков для протяжки и калибровки заготовок круглого поперечного сечения, рабочая поверхность каждого из которых состоит из центрального участка с вогнутой поверхностью, примыкающих к нему с двух сторон участков с выпуклыми поверхностями и двух боковых участков с плоскими наклонными поверхностями, при этом выдержано соотношение:

R/r=3-10,

где R - радиус вогнутой поверхности центрального участка;

r - радиус выпуклых поверхностей участков, примыкающих к центральному участку.