ООО Лазоркин-Инжиниринг
Главная → Публикации → Новые разработки в четырехбойковой ковке на ковочных прессах

Новые разработки в четырехбойковой ковке на ковочных прессах

Viktor Lazorkin, Ph.D., Dmitry Lazorkin, Dipl. Eng.

FDForging Ltd., Ukraine.

Аннотация

Известны две технологии ковки слитков и заготовок четырьмя бойками. Первая, давно известная технология, основана на использовании радиально – ковочных машин (РКМ). Вторая, появившаяся относительно недавно, - на применении специальных четырехбойковых ковочных устройств (ковочных блоков) на гидравлических ковочных прессах.

За последние несколько лет был достигнут существенный прогресс в четырехбойковой ковке на гидравлических ковочных прессах в специальных четырехбойковых ковочных блоках. Произошли значительные изменения как в конструкциях четырехбойковых ковочных устройств, так и в технологиях ковки слитков и заготовок.

В данном докладе рассматриваются новые технологии ковки на гидравлических ковочных прессах с использованием новых конструкций четырехбойковых ковочных блоков при изготовлении поковок круглого, квадратного и прямоугольного сечений.

Ряд новых технических решений успешно реализован при проектировании и изготовлении ковочных блоков в 2005 – 2014 годах для предприятий Китая, России, Европы и Америки.

Введение

В настоящее время по нашим идеям и проектам изготовлено более 20 четырехбойковых ковочных блоков на пресса силой 5, 10, 12, 12,5  16,  20, 25, 30 и 45 МН для заводов в Украине, России, Китае,  Европейских странах и  Америки, а также несколько четырехбойковых ковочных блоков для радиально-ковочных машин силой 1,25 и 2,5 МН  (рис.1).

В процессе работы над каждым новым проектом мы старались сделать четырехбойковый блок лучше предыдущего, с учетом накопленного опыта. В результате этого появлялись все более совершенные конструкции и совершенствовалась технология ковки в этих устройствах. Были созданы специализированные ковочные блоки для ковки поковок прямоугольного поперечного сечения, а также для использования их в процессах прокатки.  

Рис.1

Существенная работа нами выполнена и по разработке новых технологий ковки в ковочных блоках. Все новые конструкторские и технологические решения нами были запатентованы или находятся в стадии патентования.

1. Развитие технологических и конструкторских решений при ковке четырьмя бойками.

Первоначально четырехбойковый ковочный блок для ковочных прессов был разработан в качестве альтернативы радиально-ковочным машинам, которые получили особенно широкое распространение на металлургических и машиностроительных предприятиях в 70-80 годы прошлого века. Первый опытно-промышленный ковочный блок был изготовлен по документации Лазоркина Виктора для гидравлического ковочного пресса силой 5 МН института УкрНИИспецсталь (Украина) в 1988 году. Несмотря на целый ряд конструктивных недостатков, этот ковочный блок используется и по сей день при ковке высоколегированных сталей и сплавов, в основном инструментальных и жаропрочных.  

В январе 2003 года был пущен в эксплуатацию первый промышленный ковочный блок на прессе силой 25 МН испанской фирмы Сиденор. Несмотря на ряд конструктивных недостатков, этот ковочный блок показал хорошие результаты при ковке слитков массой от 5 до 7 тонн из углеродистых, легированных, конструкционных и инструментальных сталей /1/. Основные недостатки этого блока: неправильно подобраны пары скольжения, а также то, что боковые разводящие направляющие имеют неоптимальную геометрическую форму. В тоже время, положительным моментом было то, что рабочие поверхности бойков были изготовлены в виде вставок из жаропрочного сплава. В процессе длительной непрерывной работы ковочного блока эти вставки нагревались до температуры 850- 900°С и при этом показали хорошую стойкость. Эксплуатация этого ковочного блока показала, что выбранные пары скольжения должны работать в условиях подачи смазки на эти поверхности. Поэтому, в следующих конструкциях ковочных блоков это было учтено, и в 2005 году на ОАО «Тяжпрессмаш» был пущен в эксплуатацию ковочный блок на гидравлическом ковочном прессе силой 20 МН с системой принудительной подачи смазки, а также с системой охлаждения бойков (рис. 1). В узлах скольжения (подшипниках скольжения) мы использовали пару сталь – бронза. Этот ковочный блок, а также второй ковочный блок такой же конструкции, изготовленный для второго пресса силой 25 МН в 2008 году для предприятия ОАО «Тяжпрессмаш», успешно работают и по сей день при ковке слитков массой до 10 тонн из конструкционных и инструментальных легированных сталей. Следует отметить также, что система охлаждения ковочного блока применима при ковке не всех марок сталей и сплавов из за возможности   быстрого остывания заготовки.

Многолетний опыт эксплуатации ковочных блоков с системами подачи смазки в узлы трения выявил основные недостатки этих систем. В связи с тем, что при таких тяжелых условиях работы устройства используется густая смазка, каналы, по которым она подается, иногда забиваются и требуют ремонта. Это приводит к снижению производительности и увеличивает затраты. Кроме того, смазка загрязняет окружающую среду, а ее существенная стоимость значительно увеличивает эксплуатационные расходы. В связи с этим, в последующих конструкциях ковочных блоков мы отказались от использования смазки и перешли на самосмазывающиеся системы скольжения /2/. В этих системах мы использовали пары трения сталь – WEARCOMP. WEARCOMP – это смесь высокотемпературного полимера и углеводородного волокна с добавлением графитного наполнителя. Использование нескольких ковочных блоков с самосмазывающимися системами скольжения показало их высокую надежность, простоту в эксплуатации, экономичность и экологичность при длительной эксплуатации.

Для ковки заготовок с небольшими поперечными сечениями заготовок (диаметром 300-400 мм) был спроектирован и изготовлен четырехбойковый ковочный блок с колонками и пружинами, позволяющих раскрывать ковочный блок при ходе траверсы пресса вверх (рис.2). Это позволило отказаться от крепления верхней части блока к подвижной траверсе пресса и, за счет этого, уменьшить время вывода ковочного блока из рабочего пространства блока и смены инструмента.   

Рис. 2

В процессе ковки в ковочном блоке по условиям технологии иногда необходима быстрая смена бойков. До недавнего времени эта задача не была решена. Однако, самые последние наши разработки позволили изменить ситуацию. В последних конструкциях наших ковочных блоков можно менять одновременно сразу четыре бойка за 5-10 минут. При этом используется новая конструкция крепления бойков и специальное приспособление.

Ковочные блоки, о которых говорилось выше, предназначены, в основном, для получения поковок круглого поперечного сечения в широком диапазоне размеров одним комплектом бойков.

 На некоторых металлургических и машиностроительных предприятиях производят широкий размерный ассортимент поковок квадратного и прямоугольного поперечного сечения. Поэтому, нами был разработан специальный ковочный блок для получения поковок прямоугольного поперечного сечения в широком диапазоне размеров без смены бойков. При изменении размеров поковок осуществляется регулировка положения бойков с помощью специальных моторов. Время регулировки составляет несколько минут.

По просьбе прокатчиков нами разработан комплекс оборудования и технология использования четырехбойковых ковочных блоков при пилигримовой прокатке труб. Процесс пилигримовой прокатки труб характеризуется наличием технологически неизбежных потель  металла в затравку и пильгерголовку. При этом общие потери металла в технологическую обрезь составляют 6-9% от массы исходной заготовки. Кроме потерь металла на технологическую обрезь при неустановившемся режиме прокатки имеет место также увеличение времени прокатки, которое составляет 9-15% машинного времени пильгерования. Сущность нашего способа заключается в обжатии переднего (или переднего и заднего) конца гильзы профилированными бойками специального четырехбойкового ковочного блока на дорне после его введения в гильзу на специальном прессе. Это позволит на 40-50% уменьшить технологическую обрезь и повысить производительность прокатного стана.

Основной принцип работы всех наших четырехбойковых ковочных блоков заключается в том, что верхний боек под действием верхней подвижной траверсы ковочного пресса перемещается вниз в направлении к нижнему бойку, который остается неподвижным. За счет держателей боковых бойков два боковых бойка одновременно движутся по сложным траекториям к центру заготовки и к нижнему неподвижному бойку. При этом верхний боек проходит путь в 2 раза больший, чем каждый боковой боек в радиальном направлении (рис.3). За счет такой схемы обжатия решаются сразу две задачи: создаются сжимающие напряжения на поверхности заготовки и интенсифицируются сдвиговые деформации в поперечном сечении заготовки. Кроме того, при ковке на гидравлическом ковочном прессе можно ковать как угодно с большими обжатиями, если позволяет рабочее пространство и мощность пресса. Поэтому при ковке в четырехбойковом ковочном блоке, для более интенсивной проработке литой структуры металла, слиток обжимают с такими степенями деформации, при которых часть металла вытесняется в пространство между

Рис. 3: Схема обжатия заготовки в ковочном блоке

бойками (рис.4). Вследствие таких обжатий интенсифицируются дополнительные сдвиговые деформации на участке обжимаемой заготовки. Затем, после кантовки заготовки на угол 45°, вытесненные объемы металла вдавливают в радиальном направлении заготовки, что обеспечивает проникновение сдвиговых деформаций по всему ее поперечному сечению.

Такие схемы обжатия были реализованы на большинстве ковочных прессов с четырехбойковыми ковочными блоками.

Рис. 4: Схема обжатия с вытеснением металла между бойками

Для еще большего раскрытия возможностей интенсификации процесса ковки за счет использования дополнительных деформаций сдвига, нами были разработаны новые физические модели четырехбойкового радиального обжатия с дополнительными макросдвигами как в поперечном, так и в продольном направлениях заготовки, а также четырехбойковых ковочных устройств, предназначенные для реализации процессов ковки с дополнительными макросдвигами на гидравлических ковочных прессах.

Например, у схемы обжатия, представленной на рис.5 реализованы одновременно три системы макросдвигов: тангенциально направленные сдвиговые усилия от боковых бойков; радиальные силы от всех четырех бойков, приложенные с эксцентриситетом в одном окружном направлении относительно осей симметрии заготовки; сдвиговые усилия, обусловленные наклоном рабочих поверхностей бойков. При ковке с использованием вышеназванной схемы обжатия, создаются направленные в одном окружном

Рис. 5: Схема обжатия с тремя системами макросдвигов

направлении потоки металла, что приводит к ''закручиванию'' элементов макроструктуры металла. Эффект ''закручивания'' позволяет значительно улучшить механические свойства поковок в тангенциальном направлении, что особенно важно при изготовлении, например, валов, передающих крутящий момент или режущего инструмента, такого как фрезы.

Для реализации новых схем обжатия на гидравлических ковочных прессах была разработаны модели четырехбойковых ковочных устройств принципиально новой конструкции, которые позволяют осуществлять перемещения боковых бойков одновременно в нескольких направлениях благодаря особой форме и размещению держателей боковых бойков.

 В результате выполненных экспериментов нами было установлено также, что сочетание деформаций сдвига, вызываемых в заготовке в зоне обжатия, с деформациями сдвига при кручении ее манипуляторами, с точки зрения проработки литой структуры металла поковки, приводит к наилучшим результатам. В связи с этим, нами разработан способ изготовления поковок с мелкозернистой структурой за счет интенсивных деформаций сдвига, возникающих не только от обжатия заготовки четырьмя бойками, но и от кручения участков заготовки манипуляторами /3/.

Применяя схемы ковки с дополнительными деформациями сдвига можно относительно легко поддерживать температуру металла заготовки в заданном диапазоне температур за счет деформационного разогрева. При этом предпочтительнее использовать ковочные блоки в автоматизированных ковочных комплексах. В связи с этим нами разработаны специальные схемы ковки, позволяющие, путем изменения режимов деформирования, поддерживать в течение всего процесса ковки заданную температуру металла /4/. Эти способы ковки заключаются в том, что потери тепла слитка (заготовки), при отдаче его бойкам и в окружающее пространство, компенсируют путем изменения объемов металла деформируемых в очаге деформации при каждом единичном обжатии или путем изменения частоты обжатий заготовки. При этом, в процессе ковки производят непрерывные замеры температуры металла на поверхности заготовки и, на основании полученных значений температур, корректируют величину объема металла в очаге деформации перед следующим обжатием или корректируют частоту обжатий заготовки. Это может осуществляться как при ручном управлении пресса так и в автоматическом режиме при управлении пресса с помощью компьютера. Промышленные испытания на прессах силой 5, 20 и 25 МН показали, что данные способы позволяют выполнять ковку в ковочных блоках в условиях, близких к изотермическим.

Рис. 6: Изменение температуры металла при разных схемах ковки

На рис.6 показаны графики изменения температуры металла поковки при ковке слитков массой 7 тонн из стали 40ХН на прессе силой 25 МН в четырехбойковом ковочном блоке. Слитки с максимальными размерами размерами в поперечном сечении 900 мм ковали на поковки диаметрами 300 мм. В зависимости от интенсивности процесса температура металла к концу ковки либо снижалась на 80-90°С (кривая 1 ), либо повышалась на 70-80°С (крива 3 ), либо оставалась постоянной (кривая 2 ). Все слитки ковали за один нагрев.

2. Производительность, энергозатраты, качество металла, выход годного и точность поковок

Как установлено нами ранее, производительность процессов ковки в четырехбойковых ковочных блоках зависит от схемы ковки, массы слитка и коэффициента вытяжки (укова), необходимого для получения из данного слитка поковки с требуемыми размерами /5/. Из сравнения разных процессов ковки слитков массой 5, 7 и 10 тонн на прессе силой 25 МН нами было установлено, что производительность при ковке в ковочном блоке выше в 3- 4,5 раза по сравнению с традиционной ковкой двумя бойками. При этом наибольшая производительность процесса ковки достигается при ковке в ковочном блоке с вытеснением металла в пространство между бойками, то есть с интенсивными сдвиговыми деформациями.

При оценке эффективности процессов ковки необходимо помимо производительности процесса, качества получаемых поковок и выхода годного металла учитывать расход энергии на нагрев и деформирование заготовок. Благодаря уменьшению количества проходов ковки в четырехбойковом ковочном блоке и эффекту деформационного разогрева, из нашей технологии удается исключить несколько дополнительных подогревов или полностью от них отказаться, которые применяются при ковке двумя бойками. Это позволяет  снизить расход энергии на нагрев заготовок. Для каждой конкретной технологии это снижение расхода энергии будет разным, оно зависит от многих факторов и может быть до 25-30%.

Расход энергии на деформирование заготовки зависит от количества проходов (или количества обжатий заготовки). Более приближенно расход энергии можно определить в зависимости от времени работы ковочного комплекса по следующей формуле:

Ε = t·λ·W ,

где  Ε – затраты электроэнергии, Дж;

        t – машинное время ковки,с;

        λ = 0,75 – коэффициент, учитывающий загрузку оборудования;

        W – общая установленная мощность электродвигателей, Вт.

Эксперименты проводили на автоматическом ковочном комплексе, включающем пресс силой 5 МН и манипулятор грузоподъемностью 2,5 тонны, при ковке заготовок диаметром 210 мм и длиной 1070 мм из стали 40ХН двумя бойками и в четырехбойковом ковочном блоке. Кроме того, аналогичные заготовки ковали также на РКМ усилием 3,4 МН.

Результаты экспериментов представлены в виде графиков на рис.7.

Рис. 7:  Изменение работы деформирования при разных способах ковки

Из полученных графиков следует, что минимальные затраты энергии при получении равноценных поковок обеспечивает ковка в ковочном блоке. При этом, затраты энергии при ковке в ковочном блоке в 2.4-4.0 раза меньше, чем затраты энергии при ковке двумя бойками.

Качество металла почти всегда является главным критерием при выборе технологии ковки. Сейчас уже накоплен достаточно большой объем информации о исследованиях качества металла при ковке четырьмя бойками в четырехбойковых ковочных блоках на гидравлических ковочных прессах, подтверждающий высокое качество получаемого металла из различных сталей и сплавов. На свойства металла существенное влияние оказывает схема деформирования и режимы ковки в четырехбойковом ковочном блоке. Например, при ковке инструментальных сталей, ковка в четырехбойковом ковочном блоке, по сравнению с ковкой на РКМ,  обеспечивает более равномерную проработку литой структуры металла по всему сечению заготовки, что подтверждается измельчением эвтектических карбидов не только в поверхностной, но и в центральной зоне поперечного сечения заготовки (рис.8).

Рис. 8:  Вклад карбидов разных размеров в объёмную долю карбидной фазы в зависимости от способа ковки стали Х 12 МФ

1 и 2 – РКМ и ковочное устройство

Особую актуальность приобретает использование четырехбойкового ковочного блока при ковке сталей и сплавов с карбидным, карбидно-интерметаллидным и интерметаллидным упрочнением. При ковке этих сталей и сплавов традиционным способом двумя бойками на поверхности заготовок в процессе ковки часто возникают разрывы металла, а также появляется необходимость в частых подогревах заготовки. Авторами работы /6/ были выполнены большие исследования микроструктуры и свойств сложнолегированных инструментальных сталей и сплавов, полученных с использованием четырехбойковых ковочных блоков на прессе силой 5 МН. Эти исследования показали, что при ковке двумя бойками слитков из быстрорежущей стали Р12М3К8Ф2 (сталь с карбидным упрочнением) на поковки диаметром 80-100 мм сохраняется карбидная неоднородность в пределах балла 5-6. Ковка этой же стали в четырехбойковом ковочном блоке обеспечила снижение карбидной неоднородности до балла 3-4. Кроме того, ковка этих сплавов в ковочном блоке позволила получить поковки высокого качества без поверхностных дефектов с однородным распределением мелкодисперсных интерметаллидных фаз, что невозможно было получить при ковке двумя бойками.

Очень важным, а иногда и решающим фактором, является возможность получения поковок с высоким выходом годного металла.

Четырехсторонняя схема обжатия в ковочном блоке обеспечивает сжимающие напряжения в поверхностной зоне заготовки, что позволяет выполнять ковку без поверхностных дефектов. За счет этого уменьшается съем бракованного поверхностного слоя металла при последующей механической обработке, что увеличивает выход годного металла. Кроме того, уменьшение количества дополнительных подогревов заготовки уменьшает угар металла (на 2-3% при каждом новом подогреве), что также увеличивает выход годного металла.

Калибровка поковок в четырехбойковом ковочном блоке бойками специальной конструкции позволяет уменьшить в 2-2,5 раза допуски и в 1,5 раза припуски по сравнению с традиционной ковкой двумя бойками и получать прутки с шероховатостью поверхности, приближающейся к поверхности заготовок, полученных прокаткой. По данным ОАО «Тяжпрессмаш» это позволяет экономить до 50 кг. металла на одной тонне поковок диаметром 300 – 370 мм, полученных при ковке слитков массой 10 тонн на прессах силой 20 и 25 МН в четырехбойковых ковочных блоках.

Заключение

Показаны этапы создания и совершенствования конструкций четырехбойковых ковочных блоков и технологий ковки в них.

Рассказано о новых конструкциях ковочных блоков и новых технологиях ковки в этих блоках.

Представлены результаты промышленных исследований при ковке в четырехбойковых блоках слитков и заготовок из различных сталей и сплавов, показывающие высокую эффективность новых конструкций и технологий.

Библиография

  1. Gonzales J.R., David P.F., Gordon J., Llanos J.M. Fem simulation of the new radial forging device process at Sidenor. Proc. 17th IFM 2008, November. 3-7, Santander, Spain, p. 237-243.
  2. Международная заявка PCT/UA 2011/ 000007. Четырехбойковое ковочное
  3. устройство для ковочных прессов.
  4. Патент Украины №102580. Способ изготовления поковок с мелкозернистой структурой, 2013 г.
  5. Патент РФ №2417856. Способ изотермической ковки заготовок в четырехбойковом ковочном устройстве, 2011 г.
  6. Viktor Lazorkin, Yuriy Melnykov. New Technologies of Forging of ingots and Blanks by Four Dies in Open – Die Forging Presses. Proc. 18th IFM 2011, Sept. 12 – 15, Pittsburgh, USA, p. 326-332.
  7.  Артамонов Ю. В., Бедросова Л. В., Зубкова В.Т., Мельников Ю. В. Микроструктура и свойства сложнолегированных инструментальных сталей и сплавов, полученных с использованием четырехбойкового ковочного устройства на прессе АКП-500// Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. №7. С.15-17.