Осадка при ковке: процесс, деформация и контроль качества

Введение в операцию осадки. Осадка является одной из наиболее распространенных операций ковки. Данная технологическая процедура заключается в уменьшении высоты заготовки с одновременным увеличением площади ее поперечного сечения. Применяют осадку для изготовления поковок, характеризующихся значительными поперечными размерами при относительно малой высоте, таких как зубчатые колеса и диски. Ключевой особенностью процесса является его неравномерность, что внешне проявляется в формировании у осаженной заготовки бочкообразной формы. Это явление напрямую связано с силами трения и распределением металла в процессе деформации.

Механизм формирования конусов скольжения. При давлении бойков на заготовку между инструментом и металлом возникает контактное трение, препятствующее свободному перемещению материала. В торцевых частях заготовки цилиндрической формы формируются области неподвижного металла, известные как конусы скольжения (рис. 4.1, а), а у граненых заготовок – пирамиды (рис. 4.1, б). Металл, находящийся в пределах этих конусов, не подвергается пластической деформации. Деформирование осуществляется за счет материала, расположенного за их пределами, причем сами конусы действуют подобно силовым клиньям, внедряющимся в массу металла и вызывающим его течение.

Рис. 4.1. Схема возникновения неравномерной деформации при осадке: а, б – в заготовках различной формы; в – в заготовке большой высоты; г, д – в заготовках из металла недостаточной пластичности

Влияние геометрии заготовки на качество осадки. Соотношение высоты и диаметра заготовки является критическим параметром, определяющим геометрическую форму и качество поковки после осадки. При большой высоте заготовки (H > 2D), когда вершины конусов скольжения находятся далеко друг от друга, деформация происходит в двух местах, что приводит к образованию двойной бочки (рис. 4.1, в). Если высота заготовки не превышает ее диаметра (H ≤ D), но пластичность металла недостаточна, может происходить взаимное внедрение конусов. Этот процесс сопровождается постепенным разрушением конусов с вершин (рис. 4.1, г) или скольжением одного конуса по другому (рис. 4.1, д), что в конечном итоге может привести к образованию трещин или полному разрушению заготовки.

Зоны неравномерной деформации при осадке. На практике зоны затрудненной деформации, расклинивающие металл, чаще всего имеют форму куполов, обозначаемых как зона I (рис. 4.2). Помимо этой, выделяются зона II и зона III. Зона II выходит на боковые поверхности заготовки, где интенсивность деформации выше, чем в зоне I, но ниже, чем в зоне III. Именно в этой области возникают значительные растягивающие напряжения, которые служат основной причиной образования трещин и лимитируют величину возможной деформации. Зона III представляет собой область наиболее интенсивной пластической деформации, располагающуюся в осевом сечении заготовки и частично выходящую на торцы и боковые поверхности.

Рис. 4.2. Неравномерность деформации при осадке

Методы снижения неравномерности деформации. Для уменьшения коэффициента трения и борьбы с бочкообразованием необходимо обеспечивать минимальную шероховатость контактных поверхностей бойков. Еще одним фактором является переохлаждение торцов нагретой заготовки при контакте с более холодным инструментом, для компенсации которого применяют предварительный подогрев бойков или осадочных плит. Широко используются специальные смазочные материалы, такие как сухие древесные опилки, графит, смешанный с машинным маслом, или водные растворы на основе коллоидного графита и жидкого стекла. Эти меры способствуют получению более равномерной осадки и улучшению качества поковки.

Влияние степени деформации на закрытие дефектов. С увеличением общей степени деформации разница между местными деформациями у торцевых поверхностей и в центральной части заготовки резко возрастает. Например, при общей степени деформации в 60% металл в зоне I (рис. 4.2) может быть деформирован лишь на 10%, в то время как в центре зоны III деформация превышает 90%. Следствием этого является неодинаковая степень закрытия внутренних дефектов по всему объему осаживаемой заготовки. Для эффективного закрытия дефектов, находящихся в малоподвижной зоне I, требуется повышенная степень деформации, достигаемая за счет правильного выбора конфигурации бойков и осадочных плит.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е.А. Астафьева, Ф.М. Носков.

Источник: Технология конструкционных материалов.

Данные публикации будут полезны студентам бакалавриата по направлению «Машиностроение», а также всем, кто изучает дисциплину «Технология конструкционных материалов» в рамках укрупненной группы специальностей «Материаловедение, металлургия и машиностроение».