ВИДЫ РАЗДЕЛКИ МЕТАЛЛА НА ЗАГОТОВКИ

Способы разделки на заготовки слитков и проката различаются. Слитки разделывают в процессе самой ковки, обрубая донную и прибыльную части специальным инструментом — топором. Слитки для ковки из инструментальной и высоколегированной стали обычно режут с помощью пил.

Для разделки катаного металла применяют такие способы, как резка на пресс-ножницах и кривошипных прессах, резка пилами и абразивами, ломка на хладноломах, газовая резка и другие виды.

Резка на пресс-ножницах и кривошипных прессах. Резка на пресс- ножницах и в штампах на кривошипных прессах является основным способом разделки исходного металла на заготовки в кузнечных цехах с крупно- и среднесерийным характером производства. Пресс- ножницы представляют собой эксцентриковые прессы различной конструкции, с помощью которых режут прутки диаметром от 15 до 150 мм. Схема резки прутка на пресс-ножницах представлена на рис. 5.

Соответственно, подвижный 3 и неподвижный 5 ножи пресс- ножниц закреплены в гнездах ползуна и станины пресса. Длину заготовки, отрезаемой от штанги, которая подается к ножам по рольгангу, регулируют упором 5, а затем фиксируют прижимом 2. Между ножами устанавливают зазор А, величина которого в зависимости от вида разрезаемого материала составляет 2+4% от диаметра или толщины штанги.

Рис. 5. Схема резки прутка на пресс-ножницах:

• 1 — заготовка; 2 — прижим; 3 — подвижный нож;
• 4 — регулируемый упор; 5 — неподвижный нож; 6 — рольганг

Ножи (рис. 6), применяемые при отрезке на ножницах, можно подразделить на одноручьевые и многоручьевые. Одноручьевые ножи, в свою очередь, бывают цельными (рис. 6, а), со сменными вставками (рис. 6, б) и составными (рис. 6, в). Составные ножи применяют для отрезки заготовок от прутков квадратного профиля по диагонали; стойкость их намного выше стойкости цельных; крепят такие ножи обычно в специальных державках. Ножи со сменными рабочими вставками применяют для экономии инструментальной стали, заменяя новой только изношенную вставку.

Рис. 6. Ножи, применяемые для резки сортового проката на ножницах: а, б — одноручьевые цельные; в — одноручьевые составные; г, д, е — многоручьевые

Многоручьевые ножи могут иметь одинаковые (рис. 6, г) и разные по размерам (рис. 6, д) и форме (рис. 6, ё) ручьи. Применение многоручьевых ножей позволяет повысить производительность благодаря одновременной отрезке заготовок от нескольких прутков, а также от прутков различных сечений без перестановки ножей. Ножи изготовляют из инструментальных сталей 5ХГТ, 5ХГМ, 4ХС, 8X3, У10, закаливают и отпускают (твердость после термообработки НВ 444—514).

Процесс резки условно можно разбить на три стадии. На первой стадии, называемой упругой, при вдавливании ножей в металл возникают упругие деформации, а в зонах, прилегающих к режущим кромкам ножей, наблюдается смятие и последующая утяжка металла. Отжимаемая часть штанги отгибается вниз, а ее оставшаяся часть (если прижим не обладает большой жесткостью) поднимается.

На второй стадии (пластической) ножи внедряются в металл и начинают перерезать его волокна. При этом в месте реза, соответственно в верхней части штанги и в нижней части отрезаемой заготовки, образуются блестящие поверхности в виде поясков. Внедрение в металл ножей сопровождается утяжкой соседних участков металла. Затем около режущих кромок ножей возникает растяжение и последующий разрыв волокон с образованием трещин, являющихся результатом исчерпания ресурса пластичности металла. Образующиеся трещины направлены наклонно в глубь металла.

На третьей стадии (разрушения) трещины движутся навстречу друг другу, встречаются и при оптимальном зазоре происходит полное отделение заготовки (скалывание).

После резки на торцевой поверхности заготовки видны характерные зоны, которые соответствуют трем стадиям резки (рис. 7).

Рис. 7. Схемы торцевой поверхности отрезанной заготовки диаметром D при нормальном (а) и увеличенном (б) зазорах:

1 — зона смятия металла; 2 — зона утяжки металла; 3 — зона внедрения ножей и среза металла; 4 — зона скола металла; 5 — торцевые трещины; 6 — заусенец; 7 — скол; z — увеличенное смятие; х — косина среза сверх установленной нормы; /— увеличенная утяжка

Считают нормальным, чтобы после отрезки торцевая плоскость заготовки была наклонена к ее оси под углом 2-^3°. Если зазор между ножами меньше номинального, то трещины скола заходят друг за друга, образуя новый срез и второй блестящий поясок. Это принято считать дефектом резки, который может приводить при ковке и штамповке к образованию зажимов на поверхности поковок. При зазоре, превышающем оптимальную величину, на срезе образуются рваные заусенцы, которые также приводят к браку при ковочноштамповочных операциях. Следует заметить, что аналогичная картина наблюдается и при затуплении ножей. Существуют специальные методики для расчета размеров и конфигурации ножей, а также по их установке в ножевом пространстве пресс-ножниц или штампа.

Резку прутков могут осуществлять в холодном состоянии или с подогревом. Например, стальные прутки из низкоуглеродистой или низколегированной стали, имеющей временное сопротивление разрыву <5_в < 600 МПа и диаметр меньше 150 мм, режут в холодном состоянии. Среднеуглеродистые и легированные стали из-за их пониженной пластичности режут с подогревом перед резкой до температуры 450-^550 °С. Это позволяет избежать появления трещин на торцевой поверхности заготовок. Также с нагревом рекомендуется производить резку прутков из низкоуглеродистых сталей диаметром свыше 80 мм, если усилие используемых пресс-ножниц недостаточно.

Иногда, чтобы получить более чистый срез, низкоуглеродистые стали нагревают перед резкой до температуры 250^-300 °С. Этот интервал, соответствующий зоне синеломкости стали, позволяет увеличивать ее прочность с одновременным снижением пластичности, тем самым обеспечивая более чистый срез.

С целью снижения усилия среза и уменьшения трещинообразо- вания высокоуглеродистые и легированные стали перед резкой нагревают до температуры 700 °С. Нагрев да более высоких температур нежелателен, так как приводит к образованию окалины, сильно искажая поверхности среза и приводя к большим вмятинам на ней.

Процесс резки характеризуется большой производительностью. Например, при холодной резке прутка производительность колеблется от 200 до 1000 шт./ч. Применение нагрева перед резкой снижает ее производительность приблизительно на 30%.

Существуют специальные приемы для повышения качества заготовок при резке. К ним относится резка с одновременным скручиванием и др.

Важную роль играет точность резки заготовок, предназначенных для штамповки в закрытых штампах. В этом случае используют прокат точных размеров и применяют пресс-ножницы с дозирующими устройствами разной конструкции.

Усилие резки Р , необходимое для резки ножами, соответствующими профилю проката, определяют по формуле^[1]

где / — коэффициент, равный для стали 0,6-^0,9; К_з — коэффициент затупления режущих кромок ножей, возрастающий по мере их износа от 1 до 1,3; о — временное сопротивление разрыву разрезаемого металла при температуре резки, МПа; F — площадь сечения разрезаемого металла.

Резку прутков диаметром или толщиной менее 60 мм, производимую в штампах, установленных на кривошипных прессах, проводят в холодном состоянии. Такие прессы быстроходнее пресс- ножниц в 3-^5 раза, поэтому производительность резки на них повышается.

Резка на пилах и абразивах. Резку на пилах заготовок для ковки и штамповки обычно применяют тогда, когда первой операцией является осадка в торец, который должен быть ровным и перпендикулярным оси заготовки. Этому виду разделки на заготовки подвергают в основном цветные металлы и их сплавы, которые нельзя резать на пресс-ножницах из-за возникновения большого смятия и трещин на поверхностях раздела. Резка на пилах применяется также для разделки прутков из высокоуглеродистой или легированной стали, а также для крупных профилей проката из конструкционной стали.

Пилы бывают дисковые и ленточные. Дисковые пилы имеют диаметр от 200 до 800 мм. Например, на пиле с диаметром диска 800 мм можно резать прутки диаметром 30СН-350 мм. На ленточных пилах можно резать сразу несколько прутков, что увеличивает производительность. Резку на пилах проводят в холодном состоянии, используя для охлаждения эмульсию. Качество разделки на пилах по сравнению с другими видами резки является самым высоким, за исключением электроискровой резки. Основным недостатком резки на пилах является отход металла на пропил, толщина которого составляет от 3 до 8 мм, что соответствует толщине диска.

Кроме пил с режущими зубьями, иногда применяют дисковые пилы трения, имеющие тупые зубья или совсем не имеющие их. Резка металла такими дисками происходит за счет того, что при нажатии на заготовку диска, вращающегося с большой скоростью, происходит разогрев, а затем и оплавление металла в месте контакта. За счет этого и происходит прорезание заготовки. Основной недостаток пил трения — это резкий шум.

При разделке высоколегированных сталей и сплавов пониженной пластичности применяют резку тонкими абразивными дисками.

Ломка на хладноломок. Ломку на хладноломах применяют для разделки крупных профилей диаметром или толщиной 70-^250 мм из углеродистой и легированной стали. В качестве оборудования для ломки применяют кривошипные или гидравлические прессы, на которые устанавливают штампы-хладноломы (рис. 8).

Рис. 8. Схема ломки на хладноломах:

1 — рольганг; 2 — заготовка; 3 — сухари; 4 — упор; 5 — нож

Перед ломкой с одной стороны разделываемой заготовки с помощью газового резака выполняют надрез шириной 5-^-8 мм и глубиной КН15 мм. Затем надрезанная штанга 2 подается по рольгангу 1 на стол пресса до упора 4. Надрез располагают с противоположной стороны над неподвижным ножом 5. При нажатии на штангу сухарями 3 в зоне надреза возникает концентрация напряжений, приводящая сначала к образованию трещины, а затем и к разрушению с отделением одной части штанги от другой. Торцевая поверхность заготовки при ломке получается достаточно ровной, иногда с наклоном. Однако обычно на торце заготовки остается ступенька от надреза, которая усложняет установку заготовки в штампе в случае штамповки осадкой в торец. По виду излома производят контроль качества металла. При ломке можно получать относительно короткие заготовки с отношением длины заготовки к ее толщине до 0,8. Ломка на хладноломах отличается высокой производительностью, сопоставимой с производительностью при резке на пресс-ножницах.

Усилие для ломки в штампах-хладноломах подсчитывают в зависимости от сечения по следующим формулам.

Для круглого сечения

для квадратного сечения при ломке по диагонали

и наконец, для квадратного сечения при ломке в направлении стороны

где К_д = 0,7-ь 1,1 — коэффициент, учитывающий при ломке характер приложения разрушающих усилий, форму проката и другие факторы; D_3az — диаметр заготовки круглого сечения; А_заг — сторона квадратного сечения заготовки; С_х — расстояние между опорами, <5_в — временное сопротивление разрыву.

Газоплазменная резка. Газоплазменнную резку применяют для разделения прокатанных штанг практически любого сечения и слитков диаметром до 1000 мм из низкоуглеродистой и низколегированной стали. Схема газоплазменной резки представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема газоплазменной резки:

• 1 — граница раздела; 2 — подогревательное пламя;
• 3 — подогревательный мундштук; 4 — режущий мундштук;
• 5 — подача кислорода; 6 — разрезаемая заготовка;
• 7 — шлак; 8 — подкладка

Смесь кислорода и ацетилена подается через подогревательный мундштук 3, поджигается и направляется в исходную точку реза. Пламя, направляемое на поверхность заготовки 6, быстро нагревает металл. Затем через центральное отверстие горелки подают кислород и металл, воспламеняясь, сгорает. Образующиеся оксиды металла в виде шлака

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали подвергают кислородно-флюсовой резке, которая отличается от предыдущего способа тем, что в зону раздела кроме кислорода вводят флюс, обычно в виде железного порошка. Благодаря этому температура в области раздела повышается. При этом продукты горения флюса переходят в шлаки и снижают температуру их плавления. Затем жидкие шлаки легко удаляются кислородной струей. Кроме ацетилена, для резки можно применять бензин, керосин и другие горючие газы с высокой теплотой сгорания топлива. Недостатком газоплазменной резки является низкая производительность и большие потери металла на рез. Кроме ручных резаков, для газоплазменной резки применяют полуавтоматы и автоматы, которые значительно повышают производительность труда при резке.

Более эффективным способом разделки заготовок является плазменная резка, которая позволяет повысить точность разделки и качество поверхности металла, а также снизить толщину реза и увеличить скорость процесса в 2-^3 раза по сравнению с газовой резкой. Принцип действия этого способа состоит в том (рис. 10), что в плазмотроне между электродом 2 и заготовкой 5 создается электрическая дуга 1. Газ, вытекающий через сопло 4, охлаждаемое водой и изолированное от электрода керамической прокладкой 3 канала, под действием высокой температуры столба дуги превращается в струю высокотемпературной плазмы, представляющую собой поток ионизированных частиц газа, имеющих температуру 10 000-^20 000 К.

Рис. 10. Схема устройства плазмотрона:

1 — электрическая дуга; 2 — электрод; 3 — керамическая прокладка; 4 — сопло; 5 — заготовка

С помощью этой струи происходит резка металла. В качестве плазмообразующих газов применяют аргоно- или азотно-водородную смесь, сжатый воздух и др. Преимуществом плазменной резки по сравнению с газоплазменной является повышение производительности (примерно в 10 раз), получение чистого и ровного реза правильной формы, а также почти полное отсутствие шлака. Этот способ особенно перспективен для разделки нержавеющих и высоколегированных сталей.

Другие способы резки. К этой группе резки можно отнести резку на установках взрывного действия, представляющих собой копры различных конструкций, работающих от энергии взрыва пороховых зарядов, например метана.

Резку металлов из прочных и пластичных сплавов, например никелевых, производят анодно-механической резкой (рис. 11, а). Генератор 1 постоянного тока низкого напряжения включен в общую цепь с разрезаемой заготовкой 4 и вращающимся диском-электродом 2. Разрезаемый пруток, подключенный к положительному полюсу генератора, является анодом, диск-инструмент служит катодом. В пространство между анодом и катодом подают по трубке 3 рабочую жидкость, проводящую электрический ток (обычно жидкое стекло). В процессе резки между диском и прутком возникает электрическая дуга, которая наблюдается в виде красноватой полосы. Температура, достигающая в зоне электрического разряда 4000-^5000 °С, достаточна для расплавления металла, удаляемого из зоны разреза вращающимся диском и потоком рабочей жидкости.

Толщина стальных дисков составляет 0,5-^2 мм. Производительность анодно-механической резки невысока (стальной пруток диаметром 100 мм разрезают за 5,5 мин). Наибольшая толщина разрезаемого металла составляет 300 мм, ширина пропила доходит до 4 мм.

Существует также электроискровая резка металла. При этом способе резки, как и при анодно-механической, разрезаемый материал (заготовка) 4 (рис. 11, б) подсоединен к генератору постоянного тока 1 и является анодом. Инструмент 2, являющийся катодом, и заготовка находятся в ванне 5, заполненной диэлектриком, например керосином. Генератор низкого напряжения через резистор R заряжает конденсатор С, который периодически (сотни раз в секунду) разряжается через промежуток между прутком и инструментом- катодом (диском) 2. При разряжении конденсатора между анодом и катодом образуется искра.

Действие разряда при электроискровой резке распространяется на малую площадь. Температура порядка 10 000 °С вызывает плавление и испарение металла в зоне разреза. Инструмент для резки выполняют из меди, латуни, графита. Максимальная толщина разрезаемых заготовок равна 120 мм. К преимуществам этого вида резки относятся высокие точность и качество разреза, а также возможность обработки металлов любой прочности; к недостаткам относятся низкая производительность, приблизительно равная производительности анодно-механической резки, значительный расход электроэнергии и небольшая стойкость электродов.

Анодно-механическая резка и электроискровая резка металла позволяют отрезать заготовки точных размеров с малым отношением длины заготовки к ее диаметру.

Рис. 11. Схемы анодно-механической (а) и электроискровой резки (б):

• 1 — генератор; 2 — стальной диск; 3 — сопло;
• 4 — заготовка; 5 — опора; 6 — емкость

Лазерная резка. Этот способ находит все большее применение и заключается в том, что мощный луч когерентного монохроматического света расплавляет, испаряет металл и разрезает его в условиях протекания экзотермической реакции с использованием кислорода в качестве режущего газа.

Для металлов, которые поглощают (адсорбируют) лазерное излучение и имеют относительно невысокую теплопроводность (стали, титановые сплавы и др.), применяют резку лазером, который работает на углекислом газе. Скорость лазерной резки прямо пропорциональна мощности лазера и обратно пропорциональна толщине материала. Применение лазерной резки наиболее эффективно для получения плоских заготовок сложного контура из труднодеформируемых металлов и сплавов при толщине исходного материала до 10 мм. Поэтому данный вид ограниченно используется для объемной штамповки.

• [1] Здесь и далее формулы даны в авторской редакции.