СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКОВОК ТИПА ДИСКОВ
METHOD OF FORGING DISK-LIKE PIECES

Изобретение относится к области обработки металлов давлением - свободной ковке на гидравлических прессах, молотах и касается, в частности, способа получения поковок типа дисков - гладких дисков и дисков со ступицами, например, для газовых турбин и железнодорожных колес, из слитков и непрерывнолитых заготовок.
Оно может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности при производстве изделий с высококачественной макроструктурой из конструкционных, специальных, нержавеющих и труднодеформируемых сталей и сплавов.
Одним из известных средств устранения дефектов зоны осевой рыхлости, пористости и усадочной полости в металле слитка или непрерывнолитой заготовки является отбраковка перечисленных дефектов на стадии контроля исходных заготовок (смотри, например, патент RU №2139768, класс B2k 28, Бюл. №6, 23.03.1998). Заготовки с диаметром дефектной зоны до 10 мм подвергают разгонке на глухой (сплошной) плите, с диаметром зоны от 10 мм до 30 мм - разгоняют (осаживают) на полой плите, а с диаметром зоны свыше 30 мм - не допускают в производство железнодорожных колес. В известном способе предусмотрено также механическое удаление дефектной осевой зоны путем прошивки отверстия в ступице колеса. Однако деформационное воздействие на дефектную зону и на распространение зон осевой и внеосевой ликвации отсутствует, что не дает возможность получить высококачественную макроструктуру изделия.
Известен способ получения поковки типа диска со ступицами (смотри, например, Я.М.Охрименко, «Технология кузнечно-штамповочного производства», М.: Машиностроение, 1979, стр.238, рис.156), заключающийся в том, что цилиндрическую заготовку обжимают двумя плоскими плитами с осевым отверстием в каждой из них.
Названный способ дает возможность получить поковку типа диска со ступицами без осевого отверстия.
Однако при ковке слитков и непрерывнолитых заготовок, макростроение которых характеризуется наличием зон осевой и внеосевой ликвации, а также зоной осевой рыхлости и пористости, доходящей до размеров осевой усадочной полости, названный способ не содержит средств деформационного воздействия на закрытие, уплотнение и заварку осевой рыхлости, пористости, усадочной полости, а также на распространение зон осевой и внеосевой ликвации в полотно диска и не дает возможность получить высококачественную макроструктуру изделия.
При производстве кованых или штампованых дисков большинство технических задач связано с необходимостью нейтрализовать вредное последствие дефектов металла, расположенных в осевой зоне исходных заготовок - кузнечных слитков или непрерывнолитых заготовок.
В другом способе получения железнодорожных колес (патент DE №19522386 А1, класс B21k 1/28) предлагается штамповать железнодорожное колесо осадкой верхним штампом с выдавливанием металла в ступицу и наметкой пуансоном для последующей прошивки отверстия. При этом выдавливают только часть дефектной осевой зоны заготовки с последующим механическим удалением еще меньшей ее части при прошивке отверстия в ступице.
Однако деформационное воздействие на распространение зон осевой и внеосевой ликвации отсутствует, что не дает возможность получить высококачественную макроструктуру изделия.
Для улучшения качества изделия предложена поэтапная формовка сначала диска, а потом и ступиц железнодорожного колеса наряду с механическим удалением дефектной осевой зоны заготовки при последующей прошивке отверстия в ступице (патент RU №2030947, класс B21k 1/28, В21Н 1/04, Бюл. №8, 20.03.1995). Раздельное деформирование различных частей объема заготовки может явиться средством воздействия на разные зоны макростроения заготовки.
Однако деформационное воздействие на дефектную осевую зону заготовки предусмотрено лишь на втором этапе формовки, когда дефекты уже перераспределены в диск и даже в обод колеса, что не дает возможность получить высококачественную макроструктуру изделия.
Таким образом, ни один из существующих известных способов получения поковок типа дисков не дает возможности достичь высококачественной макроструктуры изделия при ковке слитков и непрерывнолитых заготовок по параметрам закрытия, уплотнения и заварки осевой рыхлости, пористости, усадочной полости и нераспространения зон осевой и внеосевой ликвации по всему объему диска.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения поковок типа гладких дисков, дисков со ступицами - для газовых турбин и железнодорожных колес - из слитков и непрерывнолитых заготовок с высококачественной макроструктурой изделия.
Эта задача решается тем, что в способе получения поковок типа дисков, содержащем операции осадок сплошными плитами и плитами с осевыми отверстиями и операции формовок, создают знакопеременные потоки пластического течения металла с последовательным изменением направления течения по продольной и радиальной осям заготовки путем первичной осадки плитами с осевым отверстием, а затем путем вторичной осадки сплошными плитами с вдавливанием цапф в диск до получения поковки диска с цапфами или гладкого диска.
Это обеспечивает закрытие, уплотнение и заварку осевой рыхлости, пористости, усадочной полости, позволяет сконцентрировать зону осевой ликвации в цапфах и предотвратить распространение зоны внеосевой ликвации в полотно диска, давая возможность получить высококачественную макроструктуру изделий (как с осевым отверстием, так и сплошных).
В дальнейшем патентуемый способ получения поковок типа дисков поясняется конкретными примерами его осуществления и иллюстрируется прилагаемыми чертежами, на которых схематично изображены форма заготовки, форма инструмента, направления внешних деформирующих сил и направления потоков пластического течения металла в заготовке по операциям ковки:
фиг.1 схематично изображает исходное положение заготовки в плитах с осевым отверстием, а также направления внешних деформирующих сил и направления потоков пластического течения металла в заготовке при первичной осадке согласно изобретению;
фиг.2 схематично изображает заготовку после первичной осадки плитами с осевым отверстием согласно изобретению;
фиг.3 схематично изображает исходное положение заготовки в сплошных плитах, а также направления внешних деформирующих сил и направления потоков пластического течения металла в заготовке при вторичной осадке согласно изобретению;
фиг.4 схематично изображает заготовку после вторичной осадки до поковки диска - с цапфами (а) и гладкого (б) согласно изобретению;
фиг.5 схематично изображает положение заготовки в плитах с осевым отверстием, снабженных кольцевым коническим выступом с площадкой со стороны отверстия, а также направления внешних деформирующих сил и направления потоков пластического течения металла в заготовке при первичной осадке;
фиг.6 схематично изображает заготовку после первичной осадки плитами с осевым отверстием, снабженными кольцевым коническим выступом с площадкой со стороны отверстия, согласно изобретению;
фиг.7 схематично изображает исходное положение заготовки в сплошных плитах, а также направления внешних деформирующих сил и направления потоков пластического течения металла в заготовке при вторичной осадке согласно изобретению;
фиг.8 схематично изображает заготовку после вторичной осадки до поковки диска - с цапфами (а) и гладкого (б) согласно изобретению.
о
о
o
B
о
o
o
Исходную заготовку 1 (диаметром D и высотой Н, фиг.1) устанавливают в нижней 2 и верхней 3 плитах с осевыми отверстиями 4 и 5 (диаметром d, фиг.1) и производят первичную осадку силами Р, создавая потоки пластического течения металла в направлениях продольной OO и радиальной RR осей заготовки 1. По продольной оси OO создают два противоположно направленных потока О в отверстия 4 нижней 2 и 5 верхней 3 плит. При этом по радиальной оси RR действуют две пары потоков - два потока R в направлении к оси OO заготовки 1 и два потока R в направлении от поверхности РП раздела потоков пластического течения, во внешнюю сторону заготовки 1. Совместное воздействие потоков О и R на металл осевой зоны заготовки 1 приводит к тому, что осевая рыхлость, пористость и усадочная полость сжимаются в радиальном направлении по оси RR, закрываются, уплотняются и завариваются с самого начала процесса первичной осадки, а вытеснение потоками O металла осевой зоны заготовки 1 в осевые отверстия 4 и 5 нижней 2 и верхней 3 плит предотвращает их последующее раскрытие, способствует консолидации зоны осевой ликвации и не дает возможности зоне осевой ликвации распространиться по направлению оси RR.
В результате первичной осадки плитами 2 и 3 с осевыми отверстиями 4 и 5 дефектную осевую зону заготовки 1 облагораживают - освобождают от дефектов и выдавливают в цапфы 6 и 7 (фиг.2), а зоны внеосевой ликвации не распространяются по всему объему диска 8.
С
с
B
Полученный после первичной осадки диск 8 устанавливают цапфами 6 и 7 под сплошные плиты 9 и 10 (фиг.3) и производят вторичную осадку внешними силами Р, создавая потоки пластического течения металла в направлениях продольной ОО и радиальной RR осей диска 8. По продольной оси ОО создают два встречных потока О путем вдавливания цапф 6 и 7 в диск 8. При этом по радиальной оси RR действуют противоположно направленные потоки R в направлении от оси ОО во внешнюю сторону диска 8.
а
б
В зависимости от формы поковки диска - 11 (фиг.4а) или 14 (фиг.4б) - вторичную осадку осуществляют до высоты Н, когда на диске 11 остаются цапфы 12 и 13, или до высоты Н, когда получают гладкий диск 14.
c
o
B
o
При вторичной садке потоки O пластического течения, создаваемые вдоль оси OO диска 8, направлены противоположно потокам O, создаваемым вдоль оси OO заготовки 1 при первичной осадке. Создаваемые таким образом знакопеременные макродеформации обеспечивают измельчение зерен макроструктуры в условиях, когда дефекты - осевая рыхлость, пористость и усадочная полость, надежно проработанные при первичной осадке, уже не могут раскрыться. Одновременно интенсивной проработке знакопеременными деформациями подвергается зона осевой ликвации, которая была выдавлена в цапфы 6 и 7 при первичной осадке. Цапфы 6 и 7 выполняют роль элементов деформирующего инструмента, вызывая в диске 8 действие благоприятных напряжений всестороннего сжатия. Потоки R пластического течения в диске 8 (фиг.3) также изменили свое направление по отношению к потокам R, созданным в зоне около оси OO заготовки 1 при первичной осадке (фиг.1). Таким образом, структуру металла заготовки 1 подвергают воздействию знакопеременных макродеформаций еще и в направлении оси RR на участке от продольной оси OO до поверхности РП раздела потоков пластического течения (фиг.1). Зону внеосевой ликвации, находящуюся как раз на этом участке, удается проработать со сменой знака деформаций, после чего ее перемещение по объему диска 8 уже не может ухудшить качество макроструктуры металла дисков 11 (фиг.4а) или 14 (фиг.4б).
Деформационную проработку структуры металла можно увеличить, применяя для первичной осадки заготовки 1 плиты 15 и 16 с осевыми отверстиями 17 и 18, снабженные кольцевыми коническими выступами 19 и 20 (фиг.5), получая на диске 21 кроме цапф 22 и 23 кольцевые углубления 24 и 25 (фиг.6).
После двух осадок (первичной осадки плитами с осевыми отверстиями и вторичной осадки сплошными плитами), выполненных согласно изобретению, осуществляют операции формовок, необходимые для получения окончательного изделия. Для дисков газовых турбин осуществляют штамповку за один или несколько переходов для получения окончательного изделия для механической обработки. Для железнодорожных колес осуществляют черновую и чистовую формовки, раскатку на колесопрокатном стане, а затем штамповку-выгибку диска и прошивку отверстия в ступице для получения окончательного изделия для механической обработки.
Пример
Цилиндрическую заготовку диаметром 40 мм и высотой 48 мм, составленную из 10 шайб-слоев из стали ст.3, установили в две плоские плиты с осевым отверстием диаметром 14 мм в каждой из них и обжали на 60% по высоте, выполнив первичную осадку согласно изобретению. В результате получен диск диаметром 63 мм, толщиной полотна 21 мм и с высотой цапф 5,7 мм. Диск разрезали по вертикальной плоскости симметрии и по изменению толщины слоев рассчитали местные деформации. В цапфах местные относительные деформации составили: в направлении высоты - от +8,5% до +12,5%, в полотне диска местные деформации находились в пределах от -29% до -71%, а в зоне поверхности РП раздела потоков пластического течения местные деформации составили от -1,5% -до -71%. Второй такой же диск, из такой же заготовки, полученный в результате такой же первичной осадки, не разрезая, установили в сплошные плоские плиты на цапфы и обжали на 30%, выполнив вторичную осадку согласно изобретению. В результате получили уменьшение высоты цапф до 2,5 мм, увеличение диаметра диска до 63,7 мм при незначительном увеличении толщины полотна диска в областях, примыкающих к каждой цапфе. Диск разрезали по вертикальной плоскости симметрии и по изменению толщины слоев по сравнению с теми, которые были после первичной осадки в первом диске, рассчитали местные деформации. В цапфах местные деформации составили в направлении высоты от -52% до -67%, в полотне диска местные деформации находились в пределах от -29% до -73%, а в бывшей зоне поверхности РП раздела потоков пластического течения местные деформации составили от +0,5% до -73%.
В результате первичной и вторичной осадок, выполненных согласно заявленному способу, созданы знакопеременные потоки пластического течения металла вдоль продольной оси OO заготовки 1 и диска 8 и знакопеременные потоки вдоль радиальной оси RR заготовки 1 на участке между поверхностью РП раздела пластического течения и осью OO. При этом местные деформации в цапфах 12 и 13 поменяли знак и составили по модулю в общей сложности от 60,5% до 79,5%; на участке между поверхностью РП раздела пластического течения и осью OO местные деформации также поменяли знак и составили по модулю в общей сложности от 2,0% до 144%; в полотне диска местные деформации не меняли знак и составили от 29% до 73%. Количественные параметры местных деформаций обеспечивают полное облагораживание металла осевой зоны заготовки 1 и устранение необходимости механического удаления этой зоны путем прошивки.
Заявленный способ получения поковок типа дисков дает возможность создать в заготовке знакопеременные потоки пластического течения металла, последовательно суммировать и накопить местные деформации в дефектных зонах макростроения исходной заготовки осевой рыхлости, пористости, усадочной полости и осевой ликвации, предотвратить распространение зон осевой и внеосевой ликвации в полотно диска и получить высококачественную макроструктуру изделия.
Соотношения геометрических размеров заготовки (диаметр D, высота Н), осевых отверстий (диаметр d) в плитах и степеней обжатия были выбраны исходя из известных статистических данных о геометрических размерах дефектной осевой зоны и ликвационных зон по отношению к размерам типовых заготовок из кузнечных слитков и непрерывнолитых заготовок конструкционных, углеродистых и легированных сталей.
Совершенно очевидно, что применение в заявленном способе последовательных осадок заготовки, первичной - плитами с осевыми отверстиями и вторичной - сплошными плитами, обеспечивает получение поковок дисков с цапфами и/или гладких дисков для изделий дисков газовых турбин и/или железнодорожных колес с осевым отверстием или без него при высококачественной макроструктуре изделия.
Применение заявленного способа получения поковок типа дисков из заготовок от кузнечного слитка или непрерывнолитой заготовки позволяет обойтись без сортировки отрезанных мерных заготовок по величине диаметра дефектной осевой зоны, полностью исключить отбраковку заготовок от производства, устранить необходимость механического удаления дефектной осевой зоны путем прошивки на любых стадиях технологии получения диска.
Кроме сокращения материальных затрат, связанных с отбраковкой или механическим удалением металла осевой зоны заготовок, заявленный способ обеспечивает высокое качество макроструктуры диска по параметру отсутствия в его полотне следов осевой ликвации и нераспространения внеосевой ликвации.