При подготовке производства заготовки основным документом является чертеж поковки, размеры и масса заготовки. При составлении чертежа поковки сначала вычерчивают тонкими линиями габаритный контур детали. Размеры и форма поковки и детали отличаются на величину припусков и напусков.
Припуском называют толщину слоя материала поковки сверх номинального размера детали, удаляемого при механической обработке. Номинальный размер поковки (Dп) определяют по формуле:
,
где Dд – номинальный размер детали; Нном – номинальный припуск (+ для наружных, – для внутренних поверхностей).
При выборе молота или пресса учитывают влияние скорости и степени пластической деформации на пластичность материала. Высоколегированные, жаропрочные и многие цветные сплавы нельзя деформировать при больших скоростях – их деформируют на прессах. Крупные поковки массой свыше 2000…3000 кг также куют на прессах. Пресс подбирают по необходимому усилию:
,
где р* – относительное среднее давление, вычисляемое по аналитическим формулам; ss – сопротивление деформации с учетом температуры, степени и скорости деформации; S – площадь контакта с инструментом.
Молот подбирают по необходимой массе (m) падающих частей. Считая приближенно, что усилие ковки постоянно в течение обжатия, массу падающей части определяют по формуле:
,
где Dh – величина абсолютного обжатия; h = 0,8…0,85 – доля потенциальной энергии падающей части, расходуемой на деформацию заготовки; u – скорость падающей части молота перед ударом.
Если запас потенциальной энергии падающей части молота меньше работы деформации заготовки, то рассчитывают необходимое число ударов молота:
.
Процесс ковки состоит из следующих элементарных операций: осадки, вытяжки, прошивки, рубки, гибки и закручивания.
Осадка – операция обжатия по высоте с целью увеличения поперечных размеров (рис. 1). Если высота заготовки превышает поперечный размер в 2,5…3,0 раза, то осадка невозможна из-за изгиба поковки.
Степень деформации при осадке определяется по формуле:
,
где h0 – высота исходной заготовки; h1 – высота поковки после осадки.
Средний по высоте диаметр заготовки круглого сечения после осадки находится из условия постоянства объема и составляет:
,
где d0 – диаметр исходной заготовки.
Выпуклость боковых граней зависит от исходного соотношения h0/d0, степени деформации и трения об инструмент.
Среднее давление при осадке цилиндрической поковки определяется по формуле:
,
где ss – сопротивление деформации; f – коэффициент трения.
При осадке заготовки, которая имеет форму параллелепипеда высотой Н, шириной В и длиной L >> B, среднее давление осадки определяется по формуле:
,
Для коротких прямоугольных заготовок, у которых длина L » B, среднее давление осадки рассчитывается по формуле:
.
Прошивка применяется для получения сквозных и глухих отверстий в заготовке (рис. 2). Сравнительно высокие заготовки прошиваются непосредственно на бойке с помощью прошивня и надставок. Обычно диаметр прошивня не превышает половины
диаметра заготовки, так как в противном случае имеет место сильное искажение формы заготовки.
Среднее давление на прошивень можно определить по формуле
,
где d – диаметр заготовки; dпр – диаметр прошивня.
Относительно низкие заготовки прошиваются в один проход на подкладном кольце. При вдавливании прошивень вырезает кружок диаметром dпр. Усилие среза рассчитывают в этом случае по формуле
,
где tср – предел прочности материала на срез; h – толщина заготовки.
Кузнечная вытяжка или протяжка – основная по затратам времени операция свободной ковки, которая заключается в последовательном обжатии заготовки по толщине в разных направлениях в результате чего обеспечивается ее удлинение. Вытяжка складывается из элементарных осадочных переходов.
Гибку применяют для изготовления угольников, скоб, крюков, кронштейнов и других деталей подобной формы. В месте изгиба форма сечения искажается: на выпуклой стороне происходит утяжка, а на вогнутой – утолщение (возможно образование складок). Лучшее качество обеспечивает гибка между фигурными бойками.
Закручивание применяется при изготовлении коленчатых валов, крупных сверл и т.п. Одну часть поковки зажимают между бойками, а другую закручивают с помощью приспособления типа гаечного ключа.