ООО Лазоркин-Инжиниринг
Главная → Публикации → Технологические возможности процессов ковки четырьмя бойками на гидравлических ковочных прессах с FDFD

Технологические возможности процессов ковки четырьмя бойками на гидравлических ковочных прессах с FDFD

Получение поковок с удлиненной осью традиционно осуществляется протяжкой слитков или предварительно деформированных заготовок на гидравлических ковочных прессах или радиально-ковочных машинах (РКМ). Протяжка на четырехбойковой РКМ является более прогрессивным процессом по сравнению с протяжкой двумя бойками на ковочном прессе. Однако, существенным недостатком использования РКМ является  большая стоимость такого оборудования, а также его узкая специализация – в основном для выполнения операции протяжки. Напротив, ковочный пресс относится к универсальному оборудованию, на котором  кроме протяжки можно выполнять многие другие технологические операции: осадку, рубку, раскатку и др.

Учитывая эти и другие преимущества ковочных прессов, в конце 20-го, начале 21-го столетия были разработаны промышленные четырехбойковые ковочные устройства (FDFD)  для гидравлических ковочных прессов /1,2/. К настоящему времени изготовлено уже более 20 ковочных блоков, которые работают на ковочных прессах усилием от 5 до 45 МН в Украине, России, Китае, Испании, Германии, Италии и Бразилии.

FDFD – это уникальный ковочный инструмент, который совмещает в себе преимущества радиальной ковки и традиционной ковки двумя бойками на ковочных прессах (рис.1)

FDFD состоит из нижнего 1 и верхнего 2 корпусов, ползунов 3, 4, бойков 5-8, боковых направляющих 9-12. Нижний корпус жестко закреплен на столе пресса. Перед началом работы верхний корпус обычно крепится к подвижной траверсе пресса. Боек 8 закреплен на нижнем корпусе и остается неподвижным в процессе ковки. Боек 6 закреплен на верхнем корпусе и в процессе работы пресса перемещается вместе с ним. Бойки 5, 7 закреплены на ползунах 3, 4. При движении подвижной траверсы вверх верхний корпус перемещается вместе с ней и с помощью восьми боковых направляющих 9-12 разводит в стороны ползуны 3, 4 с боковыми бойками 5, 7, открывая рабочее пространство блока. Слиток или заготовку с помощью манипулятора подают в раскрытое рабочее пространство ковочного блока на нижний боек 8

Рис.1 Четырехбойковое ковочное устройство

При ходе подвижной траверсы вниз верхний корпус также перемещается вниз и с помощью наклонных поверхностей, имеющихся в верхнем и нижнем корпусах, перемещает ползуны 3, 4 вместе с бойками 5, 7. При этом бойки 5, 7 совершают движения не только навстречу друг другу, но и одновременно опускаются вниз в направлении бойка 8, создавая в обрабатываемой заготовке дополнительные сдвиговые деформации. Работа такого устройства обеспечивает одновременное обжатие заготовки с четырех сторон. Для удобства работы с использованием штатного инструмента пресса без снятия верхнего бойка и без крепления к подвижной траверсе разработана и освоена конструкция FDFD с пружинным подъемом верхнего корпуса, а соответственно и разведением бойков.

1. Деформируемые материалы, заготовки и поковки.

FDFD используют для ковки всех черных металлов, включая углеродистые стали, среднелегированные стали, инструментальные стали(в том числе подшипниковые, штамповые и быстрорежущие), высоколегированные стали и сплавы ( в том числе нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, прецизионные и др.). FDFD используют также для ковки цветных металлов и сплавов, включая алюминиевые сплавы, титановые сплавы, сплавы на основе меди и никеля, тугоплавкие металлы и сплавы ( в том числе молибден и его сплавы, сплавы ниобия, сплавы вольфрама), а также сплавы серебра и золота.

Для ковки используют слитки и предварительно деформированные заготовки круглого, квадратного и многогранного поперечного сечения. Слитки и заготовки круглого поперечного сечения могут быть сплошные и полые. Используют слитки, полученные открытой дуговой выплавкой, электрошлаковым переплавом, вакуумно-дуговой плавкой, на установках непрерывного литья заготовок и другими способами.

Ковкой в FDFD получают поковки и изделия различной формы, в том числе круглого, квадратного, прямоугольного и полигонального поперечного сечения, а также для получения специальных сложных поперечных сечений изделий с удлиненной осью. Однако, наибольшее распространение FDFD получили для изготовления поковок круглого поперечного сечения. FDFD используют также для получения ступенчатых валов, а также полых поковок.

2. Совместимость FDFD с гидравлическими ковочными прессам.

Ковочные пресса и технологические процессы могут существенно отличаться на каждом предприятии.

Ковочные пресса могут быть:

- четырехколонные или двухколонные;

- с верхним или нижним приводом;

- с инструментальным столом или без инструментального стола;

- с разными системами крепления верхнего и нижнего бойков;

- иметь или не иметь фиксатор для нижнего бойка;

-  с разными системами  механизации и автоматизации при ковке и смене бойков.

Могут быть разные варианты и в технологии производства поковок, зависящие от:

- формы, размеров и массы применяемых слитков;

- использования специального инструмента, например, пружинных ковочных блоков (пар вырезных бойков) для калибровки поковок;

- использования разных способов раскроя поковок ( рубка в прессе, газовая резка или абразивная резка вне зоны пресса и др.);

- использования разных способов нагрева слитков и заготовок, удаленности нагревательных устройств от пресса, а также способов доставки слитков и заготовок к прессу.

В связи с большим многообразием конструкций ковочных прессов и технологических процессов для каждого конкретного случая разрабатывается своя технология ковки и проектируется своя конструкция FDFD. Такой подход позволяет получить максимальную экономическую выгоду от использования FDFD.        

Наш многолетний опыт показывает, что не существует принципиальных ограничений на установку FDFD. Они могут быть установлены на любые гидравлические ковочные пресса. Нами разработаны различные варианты конструкций FDFD и способы их установки в рабочем пространстве ковочных прессов:

1. Нижний корпус FDFD жестко закрепляется на рабочем или инструментальном столе ковочного пресса, а верхний корпус  жестко крепиться к плите подвижной траверсы пресса (рис. 2). Способы крепления корпусов FDFD могут быть самые разные, в том числе ручным методом или автоматическим, управляемым с пульта 

Рис. 2 Четырехбойковое ковочное устройство на прессе усилием 45 МН

2. Нижний корпус FDFD жестко закрепляется на рабочем или инструментальном столе ковочного пресса, а верхний корпус FDFD остается не закрепленным (рис.3). Разведение бойков FDFD осуществляется с помощью пружин, имеющихся в ковочном устройстве.

Рис. 3 Конструкция FDFD с пружинами

3. Нижний корпус FDFD жестко закрепляется  на рабочем или инструментальном столе ковочного пресса, а верхний корпус не  жестко крепиться к верхнему плоскому бойку ковочного пресса.

Существуют и другие конструкции FDFD и способы их установки в рабочее пространство ковочного пресса, которые выбираются в зависимости от реальных условий производства, конструкции ковочного пресса и его технического состояния.

3. Исследования процессов ковки методом конечных элементов

Исследования проводилось с помощью компьютерной программы DEFORF 3D, которая была специально доработана для ковки на РКМ и ковочном прессе с FDFD, для различных технологий ковки слитков и заготовок 2-мя и 4-мя бойками.

Технология №1. Ковка слитка диаметром 600 мм двумя бойками на гидравлическом ковочном прессе усилием 30 МН за 25 проходов по схеме:

Слиток Ø600 мм (1, 0°) → 530х630 мм (2, 90°) → 530х550 мм (3, 90°) → 470х550 мм (4, 90°) → 470х490 мм (5, 90°) → 400х490 мм (6, 90°) → 400х420 мм (7, 90°) → 350х420 мм (8, 90°) → 350х370 мм (9, 90°) → 300х370 мм (10, 90°) → 300х320 мм (11, 90°) → 260х320 мм (12, 90°) → 260х280 мм (13, 90°) → 255Х280 мм (14, 90°) → 255х265 мм (15, 90°) → 255х335 мм (16, 45°) → 290х335 (17, 90°) → 290х300 мм (18, 90°) → 255х300 мм (19, 90°) → 255х255 мм (20, 90°) → 255х255 мм (21, 45°) → 255х255 мм (22, 90°) → Ø250 мм (23, 45°) → Ø250 мм (24, 40°) → Ø250 мм (25, 35°) → Ø250 мм.

Это традиционная технология ковки слитков двумя бойками, которая широко используется во всем мире. После размера слитка (заготовки) в скобках указан номер прохода и угол поворота заготовки вокруг ее продольной оси. До 19-го прохода, включительно, ковку выполняют двумя плоскими бойками. При этом, после 9-го прохода осуществляют дополнительный подогрев заготовки. На 16 – 19 –х проходах выполняют обжатия заготовки по ребрам, чтобы придать ей форму многогранника перед последующей калибровкой. Начиная с 20-го прохода  выполняют калибровку поковки двумя вырезными бойками. С 1-го по 22-ой проходы кантовку заготовки производят после прохода на угол, указанный в скобках после размера заготовки, а на 23 – 25 –х проходах заготовку поворачивают на угол 45°, 40° или 35° после каждого единичного обжатия и подачи заготовки. Подачи заготовки составляют 200 – 260 мм.

Технология №2. Ковка слитка диаметром 600 мм на четырехбойковой РКМ усилием 16 МН за 9 проходов по схеме:

Слиток Ø600 мм (1) → Ø560 мм (2) →  …  → Ø250 мм (9) → Ø250 мм.

На 1 – 6 проходах частота обжатий составляет 90 х/мин, а на 7 - 9 проходах - 180 х/мин. После каждой подачи заготовку поворачивают на определенный угол.

Технологии №3.1 – 3.4. Ковка слитков в FDFD устройстве на гидравлическом ковочном прессе усилием 30 МН. Подача заготовки составляет на всех проходах, кроме последнего – 200 – 250 мм. На последнем проходе осуществляют калибровку поковки. Поперечное сечение слитка с размерами 532х532 мм соответствует по площади поперечному сечению слитка диаметром Ø600 мм.

Технология №3.1. Ковка слитка диаметром 600 мм в FDFD устройстве на ковочном прессе усилием 30 МН за 10 проходов (без вытеснения металла между бойками) по схеме:

Слиток Ø600 мм (1, 45°) → 560 мм (2, 45°) →  …  → 250 мм (10, 20°) → Ø250 мм, (рис. 4).

Рис. 4 Ковка слитка в FDFD по способу №1

Технология №3.2. Ковка слитка диаметром 600 мм в FDFD устройстве на ковочном прессе усилием 30 МН за 6 проходов (с вытеснением металла между бойками) по схеме:

Слиток Ø600 мм (1, 45°) → 480 мм (2, 45°) →  …  250 мм (6, 20°) → Ø250 мм.

Технология №3.3. Ковка слитка с поперечным сечением 532х532 мм в FDFD устройстве на ковочном прессе усилием 30 МН за 9 проходов (без вытеснения металла между бойками) по схеме:

Слиток 532х532 мм (1, 45°) → 500 мм (2, 45°) → …  → 250 мм (9, 20°) → Ø250 мм.

Технология №3.4. Ковка слитка с поперечным сечением 532х532 мм в FDFD устройстве на ковочном прессе усилием 30 МН за 5 проходов (с вытеснением металла между бойками) по схеме:

Слиток 532х532 мм (1, 45°) → 400 мм (2, 45°) → …  → 250 мм (5, 20°) → Ø250 мм, (рис. 5).

Рис. 5 Ковка слитка в FDFD по способу №3.4

Технология №4. Ковка слитка диаметром 600 мм в FDFD устройстве на ковочном прессе усилием 30 МН за 8 проходов с предварительной ковкой по винтовым траекториям (1-3 проходы) по схеме:

Слиток Ø600 мм (1, 15°) → Ø560 мм (2, 15°) → … → Ø250 мм (8) → Ø250 мм.

Технология №5. Комбинированная технология ковки слитка диаметром 600 мм на ковочном прессе за 10 проходов.  Вначале слиток куют двумя плоскими бойками на гидравлическом ковочном прессе усилием 30 МН, а затем четырьмя бойками на этом же прессе в FDFD устройстве по схеме:

Слиток Ø600 мм (1, 0°) → 530х630 мм (2, 90°) → …  → 250 мм (10, 20°) → Ø250 мм.

Во всех восьми технологиях при ковке используют слитки одинаковой длины и с одинаковой площадью поперечного сечения из стали 9Cr1Mo  нагретые до температуры 1260°С. Перед ковкой бойки нагревают до температуры 250°С.

Важными переменными для моделирования ковочного процесса являются напряжения пластического течения (свойство материала) и коэффициент трения (граничное условие). Напряжение пластического течения материала заготовки является функцией степени деформации (Ɛ), скорости деформации (έ) и температуры (Τᵒ). При моделировании использованы реальные значения степени и скорости деформации, а также реальные значения температуры заготовки в процессах ковки.  Для описания условий трения в области контакта материала и бойка использовали закон трения Анри Треска.

На рис. 6 - 8 показаны зависимости продольных и поперечных напряжений в заготовке при ковке 2-мя бойками по традиционной технологии (технология №1, рис.6) и 4- мя бойками при ковке на FDFD (технология №3.1, без вытеснения металла между бойками, рис.7), а также на РКМ (технология №2, рис.8), от  размера поперечного сечения поковки (степени деформации).


а)


б)

Рис. 6 Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №1.

Из полученных графиков следует, что при ковке четырьмя бойками на FDFD и РКМ преобладают сжимающие напряжения по сравнению с ковкой двумя бойками. Особенно большими растягивающими напряжениями являются продольные напряжения при ковке двумя бойками, которые возникают на поверхности заготовки в местах максимального ее уширения (точка Р5) (Рис. 6, а). При ковке двумя бойками на поверхности заготовки и в других зонах появляются продольные растягивающие напряжения (точки Р3, Р7).

Это особенно опасно на первых проходах, когда литой металл слитка еще недостаточно прокован и поэтому обладает низкой пластичностью. Ковка такого литого металла с большой степенью деформации может привести к разрывам в заготовке.

При ковке на FDFD и на РКМ также возникают продольные растягивающие напряжения в местах уширения заготовки (точка Р7), но значительно меньше, чем при ковке двумя бойками(рис. 6 - 8). При этом, продольные растягивающие напряжения в местах уширения заготовки при ковке на FDFD меньше, чем при ковке  на РКМ (рис. 7, а; рис. 8, а).


а)


б)

Рис. 7 Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №3.1.


а)


б)

Рис. 8  Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №2.

Во всех исследуемых точках заготовки поперечные напряжения при ковке на FDFD и РКМ являются сжимающими, величина которых увеличивается с увеличением степени деформации заготовки (Рис.7,б;8,б). При этом максимальные значения сжимающих поперечных напряжений достигаются на участках заготовки, расположенных под боковыми бойками (точки Р5, Р4), а минимальные значения – на участках поверхности заготовки, расположенных между верхним бойком и боковым бойком (точка Р7).

Максимальные сжимающие напряжения в точках Р5 и Р4 можно объяснить тем, что в этих зонах боковые бойки за счет своего сложного движения (одновременное движение к оси заготовки и в направлении к нижнему бойку) создают дополнительные сдвиговые деформации. Значительно меньшие сжимающие напряжения в точке Р7 можно объяснить тем, что объемы металла в этих зонах не подвергается непосредственному воздействию со стороны бойков, а смещаются за счет перемещения соседних зон.

Рис. 9  Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №3.2.

Рис. 10 Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №3.3

Ковка на FDFD по технологиям №3.1, №3.3 осуществляется без вытеснения металла между бойками с относительно небольшими обжатиями на каждом проходе. Такие технологии обычно используется, когда усилия пресса недостаточно для ковки с большими степенями деформации или при ковке сплавов с низкой пластичностью. Когда же этих ограничений не существует, используют технологии ковки №3.2 и №3.4 с большими обжатиями, приводящими к значительным вытеснениям металла между бойками. При сравнении данных процессов ковки по технологиям FDFD равноценных по площади заготовок установили, что при ковке заготовок квадратного поперечного сечения, по сравнению с ковкой заготовок круглого поперечного сечения, требуется на один проход меньше для получения одинаковых  поковок.

На рис. 7, 9 - 11 показаны зависимости продольных и поперечных напряжений в заготовке при ковке заготовок круглого и квадратного поперечного сечения на FDFD без вытеснения и с вытеснением металла между бойками, от номера прохода и степени деформации на каждом проходе. Были выполнены сравнительные исследования разных  процессов ковки на FDFD по напряжениям в точках Р1 (осевая зона), Р2 (середина радиуса поперечного сечения заготовки) и Р3 (зона, примыкающая к поверхности заготовки). При ковке на FDFD заготовок круглого сечения с большими обжатиями с вытеснением металла между бойками (технология №3.2, рис.9) максимальные продольные и поперечные сжимающие напряжения в осевой зоне заготовки (точки Р1 и Р2) существенно превышают максимальные сжимающие напряжения при ковке не только двумя бойками, но и при ковке на FDFD таких же заготовок без вытеснения металла между бойками (технология №3.1) примерно в 2 – 2,8 раза.  Максимальные сжимающие напряжения (-108 и -144 МРа) достигаются на 3-ем и 4-ом проходах при ковке с максимальными обжатиями за проход 170 – 220 мм (технология №3.2). Чем больше степень деформации при ковке на FDFD, тем больше сжимающие напряжения в осевой зоне заготовки.

Рис. 11 Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №3.4.

Совсем другая картина наблюдается при ковке заготовок квадратного поперечного сечения с обжатиями по ребрам заготовок. Максимальные продольные и поперечные сжимающие напряжения при ковке на FDFD с большими обжатиями (с вытеснением металла между бойками) (технология №3.4, рис. 11) превышают максимальные сжимающие напряжения в осевой зоне заготовки при ковке без вытеснения металла между бойками (технология №3.3, рис. 10) всего на 8-15%. Кроме того, при ковке заготовок круглого сечения и квадратного сечения (при обжатиях по ребрам квадрата) получены следующие результаты:

- при ковке заготовок квадратного сечения без вытеснения металла в пространство между бойками (технология №3.3) максимальные сжимающие напряжения существенно (в 1,8 – 2,4 раза) больше, чем при ковке равноценных по площади заготовок круглого поперечного сечения без вытеснения металла в пространство между бойками (технология №3.1);

- при ковке заготовок квадратного сечения с вытеснением металла в пространство между бойками (технология №3.4) максимальные сжимающие напряжения примерно равны максимальным сжимающим напряжениям при ковке равноценных по площади заготовок круглого поперечного сечения с вытеснением металла в пространство между бойками (технология №3.2).

При ковке на FDFD по технологии №4 (по винтовым траекториям) картина распределения напряжений в заготовке имеет отличия и от ковки на РКМ и от традиционной ковки на FDFD (рис.12). На первых двух проходах в осевой зоне заготовки возникают небольшие продольные растягивающие напряжения (рис.12,а), которые уже на третьем проходе переходят в сжимающие. Поперечные напряжения при ковке на FDFD по винтовым траекториям остаются на протяжении всего процесса сжимающими (рис.12,в).

Для оценки поврежденности металла в процессе ковки использовали методику Cockroft & Latham /3/, которая установлена в программном комплексе DEFORM 3D по умолчанию, как основная методика разрушения металла при большой пластической деформации. Поврежденность металла не должна превышать некоторого критического значения, так как при его превышении происходит потеря прочностных характеристик заготовки. При достижении значения поврежденности, равного единице, возникает большая вероятность появления макроскопической трещины. Чем меньше значение коэффициента Cockroft & Latham, тем в меньшей степени использован запас пластичности материала, и, соответственно, меньше вероятность появления трещин.


а)


б)

Рис. 12 Зависимости продольных (σх) и поперечных (σy) напряжений в заготовке от ее размеров поперечного сечения (степени деформации) при ковке по способу №4.

На рис. 13 показаны зависимости показателя поврежденности «С» в осевой зоне и у поверхности заготовки от  степени деформации для разных технологий ковки. Из полученных результатов следует, что показатель поврежденности «С» в осевой зоне заготовки для всех технологий ковки находится примерно на одном уровне в исследуемом диапазоне размеров поковок (степени деформации). Однако,  показатель «С» в точке Р5 (у поверхности заготовки) при ковке двумя бойками превышает аналогичный показатель при ковке в FDFD по самой жесткой схеме при ковке четырьмя бойками  (технология №3.4), начиная с размера 400    (степень деформации ≥30%). Этот показатель для технологии №1 даже превышает 1, что указывает на возможность разрушения металла при ковке двумя бойками.

Рис. 13 Зависимости показателя поврежденности заготовки (“C”) от ее размеров поперечного сечения (степени деформации).

Исследуемые в данной работе технологии оценивали также по величине местных деформаций в заготовке в зависимости от размера поперечного сечения (степени деформации) заготовки на каждом проходе. На рис. 14 показаны графики максимальных главных деформаций в осевой зоне заготовки в зависимости от номера прохода и степени деформации на каждом проходе при ковке двумя бойками, на РКМ, а также на FDFD с вытеснением и без вытеснения металла между бойками. Наибольшие значения главные деформации в осевой зоне заготовки достигают при ковке на FDFD с вытеснением металла между бойками, а минимальные значения – при ковке двумя бойками. При ковке на РКМ максимальные главные деформации в осевой зоне заготовки также превышают максимальные главные деформации при ковке двумя бойками, но не превышают значения главных деформаций при ковке на FDFD. Таким образом, процесс ковки на FDFD позволяет создать лучшие условия для деформационной проработки металла, по сравнению с ковкой двумя бойками.  Большие деформации в осевой зоне заготовки в сочетании с дополнительными сдвиговыми деформациями при ковке на FDFD способствуют лучшему закрытию пор, а также интенсивному дроблению неметаллических включений и крупных карбидов и их скоплений в литом металле.

Рис. 14 Зависимости максимальных главных деформаций в осевой зоне заготовки и у поверхности заготовки от размеров ее поперечного сечения (степени деформации).

Температурный режим ковки исследовали на одинаковых слитках, нагретых до температуры 1260°С. На рис.15 показаны графики изменения температуры заготовки в осевой зоне и у поверхности поперечного сечения заготовки в зависимости от размера поперечного сечения (степени деформации) заготовки. Температурный режим ковки исследовали при ковке двумя бойками (технология ковки №1) и при ковке на FDFD (технология №3.1). При ковке двумя бойками, после 9-го прохода заготовку (размер поперечного сечения 300х370 мм) отправили на дополнительный подогрев.   Из полученных данных следует, что при ковке двумя бойками, даже с учетом дополнительного ее подогрева, поверхность заготовки остывает значительно быстрее, чем при ковке на FDFD. В осевой зоне температура металла при ковке по обеим технологиям остается на уровне первоначальной температуры металла. На конечном этапе ковки (при калибровке поковки) температура металла на поверхности поковки при ковке двумя бойками значительно ниже температуры металла при ковке на  FDFD. Это является доказательством того, что при ковке в FDFD происходит значительный деформационный разогрев металла, а сам процесс осуществляется значительно быстрее, чем при ковке двумя бойками. 

С помощью программы DEFORM 3D были сделаны расчеты усилий при ковке на каждом проходе по всем технологиям. В расчетах учитывались: величина подачи, время обжатия, пауза между обжатиями, фактическая температура металла заготовки в момент обжатия заготовки, степень и скорость деформации, а также температура бойков.

Рис. 15 Зависимости температуры на поверхности и в осевой зоне заготовки от размеров ее поперечного сечения (степени деформации).

На рис. 16 показаны графики максимальных усилий  для технологий ковки двумя бойками на прессе и четырьмя бойками на FDFD, а также четырьмя бойками на РКМ. При этом усилие при ковке на прессе двумя или четырьмя бойками, представленное на графиках, соответствует усилию на верхней траверсе пресса, а при ковке на РКМ – на каждом бойке. Поэтому, графики усилий при ковке на прессе двумя бойками и при ковке на РКМ нельзя сравнивать между собой.   Из полученных данных следует, что при таких обжатиях за проход и подачах 200 – 250 мм  усилия при ковке на FDFD существенно (в 2 – 3 раза) превышают усилия при ковке двумя бойками с такими же подачами. И, как показал опыт использования FDFD, в некоторых случаях мощности используемого пресса при таких режимах ковки может оказаться недостаточно. В связи с этим используют разные технологические приемы ковки с использованием FDFD.

Рис. 16 Зависимости максимальных усилий при ковке слитков (заготовок) от размеров поперечного сечения (степени деформации) заготовки.

Так, например, можно использовать следующий прием. На первых проходах, когда заготовка еще имеет большие размеры в поперечном сечении, но малую длину, ковку осуществляют с минимальными подачами, не изменяя при этом обжатия и не изменяя количество проходов. За счет уменьшения величины подачи и частоты обжатия на первых проходах можно существенно уменьшить  усилие при ковке (технология №4, рис.16), приблизив его к усилиям при ковке двумя бойками. Это, конечно же, приведет к некоторому снижению производительности процесса при ковке на FDFD. Но не намного, так как заготовка вначале ковки имеет небольшую длину. Уменьшив таким способом поперечное сечение заготовки на первых проходах, при дальнейшей ковке на FDFD  увеличивают подачи и частоту обжатия заготовки.

Другой технологический прием, уменьшающий усилие при ковке, заключается в том, что вначале ковку выполняют двумя бойками, а затем, без дополнительного подогрева, заготовку доковывают в FDFD (технология №5).

Существуют и другие эффективные технологические приемы, позволяющие снизить усилия при ковке на FDFD.

Рис. 17 Зависимости производительности разных процессов ковки от размеров получаемой заготовки (степени деформации).

Все исследуемые технологии ковки сравнивали между собой по производительности (рис. 17). Из полученных данных следует, что для данного конкретного случая производительность процесса ковки в FDFD в 1,6 – 3,0 раза выше по сравнению с ковкой двумя бойками, а также выше, чем при ковке на РКМ. Даже при использовании технологии ковки на FDFD  с малыми подачами (технология №4, подача заготовки после каждого обжатия 60 мм), производительность процесса превышает производительность при ковке двумя бойками по традиционной технологии в 1,3 – 2,2 раза.

4. Опыт использования FDFD на предприятиях производящих поковки на гидравлических ковочных прессах.

Работе по проектированию FDFD всегда предшествует разработка технологического процесса изготовления поковок. Мы всегда предлагаем нашим заказчикам комплексное решение этой проблемы, включающее анализ существующей технологии изготовления поковок у заказчика, разработку оптимальной схемы производства поковок, главным звеном которой является технология ковки четырьмя бойками в FDFD. В результате этой работы некоторые заказчики существенно меняют технологическую схему производства, а именно: используют для ковки слитки с другими размерами и формами, применяют другое оборудование для раскроя поковок, проводят дополнительную модернизацию ковочного пресса, а также используют наши новые методики для  расчета режимов ковки.

Следует также особо подчеркнуть очень важную особенность ковки четырьмя бойками в FDFD, которую мы установили не только с помощью расчетов, но и в процессе многочисленных промышленных экспериментов. Оказалось, что при ковке в FDFD можно в несколько раз увеличить степень деформации при каждом единичном обжатии, по сравнению с традиционной ковкой двумя бойками, не разрушив при этом заготовку. Поэтому обычно, даже при ковке слитков из высоколегированных сталей и сплавов, стремятся выполнять ковку в FDFD  с максимальными обжатиями, которые позволяет усилие данного пресса. С увеличением степени деформации улучшается и качество металла, что является хорошей рекламой для продукции предприятия, производящего поковки или изделия из этих поковок с помощью FDFD.

В мире существует много разных конструкций ковочных прессов. Поэтому, работе с каждым заказчиком предшествует тщательное изучение конструкции пресса, анализ существующей технологии ковки, используемых слитков и марок сталей. Затем следует предложение наиболее оптимальной конструкции ковочного устройства и технологии ковки применительно к условиям заказчика и целям, которые заказчик собирается достичь. Благодаря такому индивидуальному подходу к каждому заказчику мы всегда добиваемся положительных результатов.

В зависимости от технического состояния, степени механизации, автоматизации и конструкции ковочного пресса, а также принятых на данном производстве приемов работы, разрабатывается общая схема получения поковок с использованием ковочного устройства той конструкции, которая оптимально подходит для данного пресса.

Первое опытно-промышленное устройство,  разработанное Виктором Лазоркиным, установлено на ковочный пресс усилием 5 МН на опытном предприятии института «УкрНИИспецсталь» в 1990 году (табл.1).

Таблица 1. Перечень предприятий, на которых установлены  FDFD.

Усилие пресса (РКМ),МН Год изготовле- ния Компания (страна) Кол-во устройств, ед. Наличие системы смазки Наличие системы охлаждения Наличие самосмазывающихся подшип-ов скольжения
1 2 3 4 5 6 7
5 1990 «УкрНИИспецсталь» (Украина) 1 нет нет нет
1,25 (РКМ) 2000 НПП «РУБИН» (Украина) 2 нет нет нет
25 2003 «SIDENOR» (Испания) 1 нет нет нет
20 2005 ОАО «ТЯЖПРЕССМАШ» (Россия) 1 да да нет
25 2008 1 да да Нет  
20 2006,2008 ОАО «ВСМПО-АВИСМА» (Россия) 2 нет да да
25 2013 1 нет нет Да  
25 2006 ОАО «БУММАШ» (Россия) 1 да да нет
20 2008 ООО«ССМ ТЯЖМАШ» (Россия) 1 да да нет
12 2010 ОАО «ЧМЗ» (Россия) 1 нет нет нет
120 2010 « TONGYU  HEAVY  INDUSTRY Co., Ltd.»( Китай) 1 да да нет
12,5 2013 1 да да нет
16 2010 « QILU  SPECIAL  STEEL Co., Ltd   (Китай) 1 да да нет
20,30 2010 « BAOTOU IRON & STEEL (Group) Co., Ltd » (Китай) 2 да да нет
45 2010 « SERI MACHINERY EQUIPMENT Co., Ltd »(Китай) 1 да да нет
12 2011 Металлургическая компания, г. Чжуншань (Китай) 1 да да нет
25 2012 « CHONGQING INSTRUMENT MATERIALS RESEARCH INSTITUTE» (Китай) 1 да да нет
10 2011 «KIND&Co.EDELSTAНLWERK» ( Германия) 1 да да нет
30 2014 « VILLARES METALS S.A.» (Бразилия) 1 нет нет да
30 2014 «ACCIAIERIE VALBRUNA S.P.A.» (Италия) 1 нет да да

Несмотря на то, что это устройство имело ряд конструктивных недостатков, оно используется и по сей день для ковки слитков диаметром 140-170 мм из инструментальных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов/4/. 

В 2003 году испанская компания  «SIDENOR»  изготовила по нашим чертежам первое промышленное FDFD для ковочного пресса усилием 25 МН  /5/.

Устройство имело подшипники скольжения (пара «Сталь – Сталь») и работало без системы принудительной подачи смазки. Смазка осуществлялась периодически, вручную. Бойки были сделаны составными: корпус бойка из инструментальной стали, а рабочая поверхность в виде вставок из жаропрочного сплава.

Разработанная нами технология ковки слитков массой 5-7 тонн из инструментальных сталей включала два этапа:

- ковка слитка в  FDFD до получения промежуточной заготовки;

- калибровка полученной заготовки двумя вырезными бойками.

Весь процесс ковки осуществлялся за один нагрев слитка. Замена ковочного устройства на вырезные бойки осуществлялась не более 90 с. за счет поперечного инструментального стола пресса и системы быстрого зажима бойков. Предприятие «SIDENOR»   положительно отзывается о работе ковочного устройства /5/.

С 2005 года российское предприятие ОАО «Тяжпрессмаш» начало выпускать FDFD по лицензионному договору, заключенному с В. Лазоркиным. На сегодняшний день ОАО «Тяжпрессмаш» изготовило для себя два устройства на пресса усилием 20 и 25 МН, а также поставило на другие предприятия России 6 ковочных устройств, на предприятия Китая 8 ковочных устройств и одно – на предприятие в Германию (табл.1).

Ковочные устройства, работающие на ОАО «Тяжпрессмаш» имеют подшипники скольжения (пара «Сталь – Бронза»), а также систему принудительной подачи смазки на подшипники скольжения, работающую по определенной программе и водяную систему охлаждения бойков.

Технология ковки слитков массой до 10 т. с размерами в поперечном сечении до 1000 мм  на ОАО «Тяжпрессмаш» заключается в следующем. Вначале слиток куют в ковочном устройстве с максимальными обжатиями до получения многогранной заготовки, близкой к конечным размерам поковки. Затем эту заготовку калибруют в этом же ковочном устройстве четырьмя бойками с плоскими рабочими поверхностями до получения готовой поковки. Весь процесс ковки осуществляется за один нагрев слитка.

За время работы ковочных устройств на ОАО «Тяжпрессмаш» были существенно улучшены экономические показатели производства поковок /6/:

- производительность процесса ковки выросла в 1,5-3 раза по сравнению с ковкой на прессе двумя бойками в зависимости от размеров слитка и поковки;

- выход годного увеличился на 12-15%;

- уменьшились в 2-2,5 раза допуски и в 1,7-2,0 раза припуски на механическую обработку поковок, что позволило сэкономить на одном вале примерно 50-60 кг/т металла;

- уменьшился на 25-30% расход газа в нагревательных печах в результате исключения дополнительных подогревов заготовки;

- улучшилось качество металла по структуре и по физико-механическим свойствам.

Кроме того, удалось разгрузить парк токарных станков, которые были заняты обточкой валов, поставляемых на экспорт.

Все FDFD, изготовленные на ОАО «Тяжпрессмаш» для заводов Китая, имели примерно такую же конструкцию, как и устройства, работающие на ОАО «Тяжпрессмаш» (рис.18).

Рис. 18 Четырехбойковое ковочное устройство на прессе ус. 25 МН (Россия)

Экономические показатели процессов производства поковок из различных сталей и сплавов улучшились примерно в тех же пропорциях, как и при использовании FDFD на ОАО «Тяжпрессмаш» при высоком качестве металла /6/.  На заводах Китая FDFD установлены и работают на прессах усилием 12; 12,5; 16; 20; 25; 30; 45 и 120 МН (табл.1)

На прессах, оснащенных FDFD, куют слитки из конструкционных, инструментальных, нержавеющих, жаропрочных и специальных сталей и сплавов массой до 25 т и размерами в поперечном сечении до 1300 мм. Масса FDFD, для указанных выше ковочных прессов составляет от 12 до 40 тонн. По нашим данным стоимость изготовленных FDFD для прессов усилием 20, 30 и 45 МН составляла 2-3% от стоимости  РКМ  SXP 85, RF100  и  SMX 1100/22,  а с учетом затрат на установку    РКМ –  1-1,5%.

Для ковки заготовок из инструментальных сталей с небольшими поперечными сечениями (диаметром 350-400 мм) было изготовлено в ОАО «Тяжпрессмаш» для предприятия «KIND & Со» (Германия) оригинальное FDFD с колонками и пружинами, позволяющих раскрывать устройство при ходе траверсы пресса вверх .

Это позволило отказаться от крепления верхней части устройства к подвижной траверсе пресса и, за счет этого, уменьшить время вывода устройства из рабочего пространства пресса и смены инструмента. Устройство также имело систему принудительной подачи смазки на поверхность подшипников скольжения. Оригинальная конструкция направляющих в этом устройстве имела существенные отличия от предыдущих конструкций.

Многолетний опыт эксплуатации FDFD с системами подачи смазки на подшипники скольжения показал, что эффективнее использовать ковочные устройства без системы подачи жидкой смазки, а перейти на самосмазывающиеся подшипники скольжения.

В  тяжелых условиях работы устройства, каналы, по которым подается густая смазка, часто забиваются и требуют ремонта. Это приводит к снижению производительности и увеличению затрат. Кроме того, смазка загрязняет окружающую среду, а ее большая стоимость значительно увеличивает эксплуатационные расходы. В связи с этим, мы отказались от использования системы подачи густой смазки и перешли на твердые самосмазывающиеся системы скольжения. В этих системах мы использовали пары трения «Сталь – WEARCOMP». WEARCOMP – это смесь высокотемпературного полимера и углеводородного волокна с добавлением графитного наполнителя.

Первые такие устройства были  изготовлены на ОАО «Тяжпрессмаш» для «ВСМПО – АВИСМА» в 2006, 2008 и 2013 г. По данным «ВСМПО - АВИСМА» все 3 ковочных устройства работают успешно на ковочных прессах усилием 20 и 25 МН при ковке слитков и заготовок из титановых сплавов (рис.19). Были достигнуты необходимые показатели по производительности /6/ .

Для слитков и заготовок на «ВСМПО - АВИСМА» были реализованы следующие технологические схемы ковки за один нагрев:

1.750 мм → 690 мм → 615 мм → 530 мм → 470 мм → 420 → 385 мм

2.520 мм → 495 мм → 460 мм → 410 мм → 370 мм → 335 мм → 305 мм → 280 мм → 260 мм.

По первой схеме ковку производят в (β) области с уковом 3,39.

По второй схеме – в (α+β) области с уковом 4,39.

Качество металла полученного ковкой в FDFD соответствует самым высоким требованиям, предъявляемым к металлу для авиационной промышленности.

Рис. 19 Четырехбойковое ковочное устройство на прессе ус. 25 МН

(«ВСМПО - АВИСМА», Россия)

В 2014 году на предприятии «ACCIAIERIE VALBRUNA S.P.A.»  (Италия) было изготовлено на гидравлический ковочный пресс усилием 30 МН  FDFD для ковки слитков и заготовок массой от 2т до 5 т из нержавеющих и жаропрочных сталей и специальных сплавов

В этом устройстве мы также использовали подшипники скольжения с парами трения «Сталь – WEARCOMP».

В 2014 году бразильская компания  «VILLARES METALS S.A.» изготовила по нашей документации FDFD самой последней модели для            ковочного пресса усилием 30 МН и запустила его в эксплуатацию

(рис.20) /7,8/. Устройство также имеет подшипники скольжения с парами трения «Сталь – WEARCOMP».

Рис. 20 Четырехбойковое ковочное устройство на прессе ус. 30 МН (Бразилия)

В этом ковочном устройстве куют слитки из нержавеющих марок сталей с максимальным поперечным сечением 1100 мм. Технология ковки предусматривает периодическую замену устройства на традиционные бойки. Для этого пресс оснащен специальными системами быстрого крепления и замены устройства и бойков.

Замена FDFD на два  бойка обычно происходит за 120 с

В процессе ковки в FDFD по условиям технологии иногда необходима смена комплекта бойков.  В последних конструкциях наших ковочных устройств можно менять одновременно сразу четыре бойка за 5-10 минут. При этом используется новая конструкция крепления бойков и специальное приспособление.

Нами разработана также технология ковки полых поковок в FDFD.  Однако, эта тема достаточно обширная и ей должна быть посвящена отдельная работа.

Таким образом, с помощью расчетов методом конечных элементов и проведенных промышленных экспериментов установлено, что использование FDFD при ковке на гидравлических ковочных прессах позволяет положительно воздействовать на распределение напряжений, деформаций и температуры в заготовке, улучшить качество и выход годного металла, уменьшить энергозатраты а также повысить производительность процесса, по сравнению с традиционной ковкой двумя бойками и на РКМ.

Сейчас во всем мире установлено уже более 20 FDFD на ковочные пресса различной конструкции. Для каждого ковочного пресса проектируется FDFD по индивидуальному проекту. По желанию заказчика может быть разработана  оптимальная технология ковки для всего производимого сортамента поковок.

Ссылки

1.Лазоркин В. А. Способ ковки заготовок в четырехбойковом ковочном устройстве. Патент Украины №21366,  В 21 J 1/04. 1994. 

2.Лазоркин В. А. Способ ковки заготовок в четырехбойковом ковочном устройстве. Патент Украины №32729,  В 21 J 1/04. 1998.

3.Cockcroft M. G., Latham D. J. Ductility and Workability of metals // J. Inst. Metals. 1968. V. 96. P. 33-39. 

4. Artamonov Yu.V., Bedrosova L.V., Zubkova V.T., Melnikov Yu.V. Microstructure and properties of complex-alloyed tool steels and alloys produced with employment of a four-die forging device on АКП-500 press// Metal Science and Heat Treatment of Metals. 2008. Vol.7. p.15-17. 

5. 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.

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. Four-die forging device for forging presses. Patent No 95431 (UA) dd. 16.12.2010, IPC В21 J 13/02, В 21 J 7/16.

8. Four-die forging device for forging presses. International patent application WO 2012082085 А1.

ООО «Лазоркин-Инжиниринг»