Обработка высококачественных крупногабаритных поковок

Когда говорят об обработке высококачественных крупногабаритных поковок, многие сразу представляют гигантские прессы и чистовую механическую обработку. Но ключевое звено, которое часто упускают из виду, — это подготовка исходного материала и межоперационные термообработки. Именно здесь, между ковкой и финишным точением, и закладывается то самое ?высокое качество?. Без этого даже самая точная механика не спасёт — появятся внутренние напряжения, неоднородность структуры, и деталь может просто лопнуть под нагрузкой или в процессе эксплуатации.

Отправная точка: электрошлаковый переплав и его роль

Всё начинается не с пресса, а с печи. В нашем цехе, например, стоит электропечь для электрошлакового переплава (ЭШП). Многие заказчики думают, что для поковки подойдёт обычная сталь, но для ответственных крупногабаритных деталей — роторов, валов, опорных элементов — это путь в никуда. ЭШП позволяет получить слиток с минимальным количеством неметаллических включений, газов и ликвации. Структура получается более плотной и однородной. Если этого не сделать, при ковке крупного сечения могут пойти внутренние дефекты, которые потом не выявишь даже УЗК — они проявятся только под нагрузкой. У нас на ООО Цзиюань Юйбэй на это делают упор, потому что без качественного слитка говорить о высококачественной поковке бессмысленно.

Помню случай с поковкой вала для бурового оборудования, весом под 8 тонн. Привезли слиток, вроде бы по химсоставу всё в норме, но ЭШП не делали. В процессе осадки на прессе пошла трещина из центра — классическая история с неметаллическими включениями. Весь слиток в утиль, сроки сорваны. После этого настаиваем на своём цикле: свой ЭШП, свой контроль. Да, это удорожание на первом этапе, но зато потом не приходится переделывать тонны металла.

Здесь же важно правильно рассчитать усадку и припуски на последующую обработку. Для крупногабаритных поковок припуски — это не просто ?добавить 20 мм на сторону?. Нужно учитывать возможную деформацию при отжиге, коробление. Мы обычно ведём журнал по каждой марке стали, куда записываем коэффициенты усадки после разных режимов термообработки. Эмпирика, но работает надёжнее многих расчётов.

Ковка: не просто придать форму, а создать структуру

Сам процесс ковки на гидравлическом прессе — это, конечно, зрелище. Но суть не в мощности удара, а в том, как распределяются деформации по всему объёму заготовки. Для крупногабаритных поковок критически важна многоходовая осадка с проковкой. Нельзя просто взять и протянуть слиток в один проход — сердцевина останется недообработанной, волокна металла не вытянутся. Это потом аукнется анизотропией механических свойств: вдоль волокон прочность будет одна, поперёк — другая.

Мы обычно разбиваем операцию на этапы: осадка, протяжка, подкатка. Температурный интервал нужно держать жёстко. Перегрел — пошла пережогная структура, недовёл — растут усилия деформации, могут пойти трещины. Особенно сложно с легированными сталями, типа 34ХН1М или 25Х2НМФА — у них узкий интервал ковки. Тут без опытного кузнеца-наладчика не обойтись, который на глаз по цвету свечения определяет разницу в 30-50 градусов. Автоматика датчиков в печи иногда отстаёт.

После ковки заготовка идёт не на склад, а сразу в печь для отжига. Это так называемый ?ковочный? отжиг, чтобы снять напряжения и подготовить структуру к последующей черновой механической обработке. Если пропустить этот этап и дать поковке остыть на воздухе, внутренние напряжения могут быть такими, что при токарной обработке деталь поведёт или её ?разорвёт? — буквально лопнет при снятии первого же слоя стружки.

Термический цикл: где рождается ?высокое качество?

Вот это, пожалуй, самый тонкий момент. Многие сводят термообработку к закалке и отпуску. Но для крупных сечений это не работает. После черновой механики мы всегда проводим улучшение — нормализацию с высоким отпуском. Цель — получить сорбитную структуру, однородную по всему сечению. В нашей компании для этого стоят электрические печи улучшения с точным контролем температуры и времени выдержки.

Проблема в том, что прогреть массивную поковку равномерно — задача нетривиальная. Если деталь весит 5-6 тонн, разница температур между поверхностью и сердцевиной в печи может достигать 100 и более градусов. Значит, выдержку нужно увеличивать, иногда в разы по сравнению с нормативом для данного сечения. Мы это определяем опытным путём, закладывая термопары прямо в технологические отверстия в поковках-свидетелях. Данные потом переносим на серийные детали.

Был у нас печальный опыт с фланцем из стали 35Х. Сделали всё по стандартному режиму: нагрев до 850, выдержка из расчёта 1,5 мин/мм, отпуск. После обработки деталь прошла УЗК, но при монтаже, при затяжке болтов, дала трещину. Разбирались — оказалось, в массивной части структура была не сорбит, а троостит с ферритом, прочность ниже. Режим не подошёл для такой массы. Пришлось разрабатывать свой, с более длительной выдержкой и ступенчатым нагревом. С тех пор для каждой новой номенклатуры крупногабаритных поковок мы сначала гоняем пробный режим на образцах-свидетелях.

Механическая обработка: финишная точность и остаточные напряжения

Когда поковка прошла весь термоцикл, можно приступать к чистовому точению. Казалось бы, тут всё просто: выдерживай размеры по чертежу. Но и здесь свои нюансы. Горизонтальные токарные станки, которые есть у нас в цеху, позволяют работать с большими габаритами. Но при снятии стружки снова возникает риск перераспределения внутренних напряжений.

Правильная технология обработки — это снимать припуск равномерно, за несколько проходов, чередуя стороны. Нельзя, например, сначала полностью обработать одну шеек вала, а потом приниматься за другую. Деталь может изогнуться. Мы всегда начинаем с чернового прохода по всем поверхностям, оставляя припуск 2-3 мм, затем даём детали ?отдохнуть?, иногда даже снимаем со станка, проверяем биение. Потом идёт чистовой проход. Это дольше, но гарантирует, что после сдачи деталь не поведёт в узле.

Ещё один момент — обработка мест под уплотнения, шпоночные пазы, галтели. В местах резкого изменения сечения концентрируются напряжения. Поэтому финишную обработку этих зон нужно вести острым инструментом с минимальной подачей, чтобы не создать наклёп и микротрещины. Часто именно здесь, а не на рабочих поверхностях, начинается усталостное разрушение.

Контроль: не для бумажки, а для гарантии

Вся эта история с обработкой высококачественных поковок теряет смысл без жёсткого входного, операционного и выходного контроля. У нас это не просто формальность ?для сертификата?. Каждый этап фиксируется в маршрутной карте с подписью исполнителя: температура ковки, режим отжига, результаты твёрдости после улучшения.

Обязателен 100% контроль ультразвуком после финишной обработки. Но и УЗК нужно уметь делать правильно. Для крупных поковок используют низкочастотные преобразователи, которые ?смотрят? глубже. Важно правильно настроить эталонный образец с искусственными дефектами. Мы иногда сталкивались, что дефектоскописты, привыкшие к прокату, пропускали несплошности в поковках, потому что сигнал от них более ?размытый?. Пришлось обучать своих специалистов, работать с конкретными типами поковок.

И, конечно, механические испытания. Мы обязательно отбираем образцы-свидетели, которые проходят тот же термоцикл, что и основная деталь, и испытываем их на растяжение, ударную вязкость. Если партия поковок крупная, образцы берут с разных мест — с поверхности и из сердцевины. Только так можно быть уверенным в однородности свойств по всему сечению. Это и есть итоговое подтверждение высокого качества.

Вместо заключения: это не конвейер, а штучная работа

В итоге, обработка высококачественных крупногабаритных поковок — это не потоковое производство. Это штучная, почти ювелирная работа с металлом на каждом этапе. От качества слитка с ЭШП до последнего прохода резца. Можно иметь современный пресс и станки с ЧПУ, но без понимания физики процессов, без накопленного опыта в журналах по режимам, без внимания к мелочам вроде скорости нагрева в печи или последовательности проходов при точении — высокого качества не получить.

В ООО Цзиюань Юйбэй, с нашими 5000 тонн поковок в год и ограниченным коллективом в 30 человек, мы вынуждены работать именно так — внимательно, с фокусом на каждом заказе. Потому что каждая такая поковка — это обычно ответственный узел, отказ которого стоит на порядки дороже, чем вся наша работа по её изготовлению. И этот принцип, пожалуй, и является главным в нашем понимании качества.