Обзор методов ковки крупных поковки в стране и за рубежом 

1.Методы ковки   

В начале 60-х годов XX века японские ученые Тефено и Шикано изобрели метод JTS (назван в честь разработчиков Japan Tefeno and Shikano) с охлаждением поверхности, который в Китае часто называют методом центрального уплотнения или методом ковки в «жесткой оболочке». Особенность деформации заключается в следующем: перед ковкой поверхность нагретого до высокой температуры слитка быстро охлаждается примерно до 700°C. Благодаря поверхностному охлаждению сердцевина остается горячей, а на поверхности образуется слой «жесткой оболочки». Ковка осуществляется узким верхним плоским бойком, ширина и длина которого меньше размеров слитка. В процессе ковки эта оболочка действует подобно штампу, концентрируя усилие деформации в центральной части поковки и усиливая эффект уплотнения сердцевины. С момента появления этот метод применялся в США, СССР, Западной Германии, Чехословакии и других странах, показав хорошие результаты. Согласно статистике Шикано и других исследователей, при использовании метода JTS для изготовления валов из 250 слитков весом более 50 тонн доля годной продукции увеличилась с 35% (при использовании обычных плоских бойков) до 83,5%. Однако метод JTS требует распыления воды для охлаждения поверхности, что усложняет технологический процесс, увеличивает затраты и ухудшает условия в цехе. В то же время из-за образования жесткого поверхностного слоя возрастает сопротивление деформации, а требуемый тоннаж оборудования увеличивается примерно в 2,5–3 раза по сравнению с обычной протяжкой на плоских бойках. Это ограничивает применение метода JTS, и в настоящее время он редко используется в тяжелом машиностроении.

2.Метод ковки

В начале 1970-х годов немецкая компания Thyssen Henrich внедрила метод ковки, известный как «Thyssen-Extreme-Rechtkant» (метод предельного прямоугольника Тиссена), предназначенный для глубокой проработки заготовок и поковки валов. Данный метод предполагает использование широких плоских бойков для протяжки в одном направлении с единичной степенью обжатия более 30% (без кантовки заготовки) с применением технологии смещения бойков. При соотношении ширины к высоте ≤ 2 выполняется многократная интенсивная протяжка, после чего заготовка поворачивается на 90° для продолжения ковки. Цель метода заключается в создании максимальной деформации внутри заготовки в одном направлении для обеспечения заварки внутренних рыхлостей и поровых дефектов. Его преимущество состоит в том, что при ограниченном давлении гидравлического пресса использование широких бойков и больших обжатий позволяет устранять внутренние дефекты. Благодаря сокращению времени ковки и уменьшению количества межоперационных подогревов в печи, данный метод повышает производительность труда и снижает себестоимость ковки.

3.Метод ковки

Метод ковки SUF (Side Upset Forging) — это метод ковки, в котором используется значительное влияние отношения ширины бойка к высоте заготовки (w/h) на заварку рыхлостей и пустот. При этом методе высота слитка или заготовки существенно уменьшается, а сечение проковывается до прямоугольной формы [34]. Фактически это метод осадки широкими плоскими бойками. Использование широких плоских бойков при методе SUF позволяет увеличить ширину зоны пластического течения вблизи оси поковки, что облегчает заварку дефектов в сердцевине заготовки. Эксперименты показывают, что при использовании метода SUF значение w/h ≥ 0,52 уже позволяет достичь цели заварки дефектов.

4.Метод ковки FM

В 1970-х годах японский ученый Сёкити Каваи и другие, основываясь на результатах анализа теории линий скольжения, предложили метод FM (Free from Mannesmann effect) для протяжки с использованием верхнего плоского бойка и нижней плиты, то есть метод ковки без эффекта Маннесмана. Особенности деформации при методе FM заключаются в следующем: использование асимметричной деформации верхнего плоского бойка и нижней плиты позволяет деформации распространяться сверху вниз благодаря силе сопротивления трения нижней плиты. Это переносит растягивающие напряжения на поверхность контакта деформируемого тела с плитой и увеличивает гидростатическое сжатие в центральной части, улучшая напряженное состояние заготовки. Экспериментальные исследования показали, что при отношении ширины бойка к высоте заготовки (w/h) от 0,4 до 0,5 метод FM не создает осевых растягивающих напряжений, а его способность заваривать внутренние пустоты в сердцевине поковки примерно соответствует обычному методу ковки плоскими бойками при w/h равном 0,9. Требуемое усилие ковки в первом случае составляет лишь 2/3 от последнего, что позволяет использовать существующее оборудование и инструменты для протяжки крупных слитков. Недостатком является то, что из-за асимметричной деформации при неправильной эксплуатации могут возникнуть такие проблемы, как эксцентриситет деформации, повреждение поверхности заготовки и эксцентричная нагрузка на гидравлический пресс.

5.Метод ковки AVO

Метод ковки AVO является аббревиатурой от «Asymmetric V-shaped Octagon» (асимметричный V-образный восьмигранник). Это метод протяжки восьмигранных заготовок с использованием асимметричных верхнего и нижнего V-образных бойков. В 1984 году в Японии метод AVO был успешно применен для ковки ротора из стального слитка массой 105 тонн.

6.Метод ковки

Метод FML является развитием методов JTS и FM; в нем уменьшена длина верхнего плоского бойка метода JTS, чтобы снизить требования к тоннажу гидравлического пресса.

7.Метод ковки

Метод WHF — это метод ковки широкими бойками с большими обжатиями (Wide Die Heavy Blow Forging). В методе WHF используются верхний и нижний широкие плоские бойки и высокая степень обжатия. Для обеспечения состояния сжимающих напряжений и достаточной деформации в сердцевине заготовки требуется, чтобы отношение ширины бойка к высоте заготовки составляло 0,68–0,77, а степень обжатия за один проход была не менее 20%. Этот метод ориентирован в основном на значительную деформацию сердцевины, которая при его использовании гораздо выше, чем при обычной протяжке плоскими бойками, что крайне благоприятно для устранения внутренних дефектов стального слитка, таких как усадочные раковины и рыхлоты. В то же время, благодаря симметричной деформации заготовки и простоте в эксплуатации, метод WHF особенно подходит для ковки на крупных гидравлических прессах и в настоящее время широко применяется в тяжелом машиностроении.

8-й метод ковки

Метод ковки KD — это разработанный Первым заводом тяжелого машиностроения на основе метода WHF метод ковки с высокотемпературным диффузионным нагревом, верхним и нижним широкими V-образными бойками и большими обжатиями (K и D — первые буквы китайских слов «широкий» и «большой» в транскрипции пиньинь). Его особенности заключаются в следующем: стальной слиток обладает достаточной пластичностью при длительном воздействии высоких температур; при ковке с использованием верхнего и нижнего широких V-образных бойков (оптимальным является угол раскрытия 135°) и значении w/d=0,6 критическая величина обжатия при протяжке составляет 14,6%, что позволяет заваривать дефекты типа пустот на глубине d/5. Исследования показывают, что использование верхнего и нижнего широких V-образных бойков более эффективно для повышения пластичности металла на поверхности поковки, увеличения уровня трехосного сжимающего напряжения в сердцевине, заварки внутренних дефектов слитка и обеспечения соосности поковки по сравнению с комбинацией верхнего плоского и нижнего широкого V-образного бойков.

9-й метод ковки

Суть метода ковки LZ заключается в том, что при обычной ковке плоскими бойками, помимо контроля отношения ширины бойка к диаметру заготовки, добавляется контроль отношения ширины заготовки к ее высоте, чтобы избежать возникновения поперечных растягивающих напряжений в сердцевине поковки. При протяжке плоскими бойками заготовки прямоугольного сечения для исключения осевых растягивающих напряжений в центре заготовки отношение ширины бойка к высоте заготовки должно составлять ≥0,8–0,9; для исключения поперечных растягивающих напряжений в центре заготовки отношение ширины заготовки к ее высоте должно находиться в пределах 0,85–1,18.

10.Методов ковки

Новый метод ковки FM был предложен профессором Лю Чжубаем из Яньшаньского университета в 1990-х годах на основе оригинального метода FM. Его суть заключается в добавлении контроля отношения ширины заготовки к ее высоте, что предотвращает возникновение поперечных растягивающих напряжений в сердцевине поковки. Новый метод FM предполагает, что при обеспечении отношения ширины бойка к высоте заготовки ≥ 0,4, отношение ширины заготовки к ее высоте должно составлять ≥ 0,83–1,20. Для соблюдения этих условий необходимо контролировать размеры исходной заготовки: например, если отношение высоты к ширине исходной заготовки составляет 1,2, то при степени обжатия с двух сторон в 22% данные технологические параметры будут соблюдены.