5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ С КОНСТРУКТИВНЫМИ НЕДОСТАТКАМИ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ УСИЛЕНИИ НАПРЯЖЕННЫХ УЧАСТКОВ
Вертикальный четырехколонный пресс усилием 10 000 т. Пресс используется для горячей штамповки сложных объемных деталей из алюминиевых сплавов. Следует отметить, что прессование алюминиевых сплавов дает наиболее жесткое нагружение прессов. Так, например, два одинаковых пресса одного года выпуска работали с одинаковыми нагрузками и интенсивностью. Один из них использовался на прессовании стальных слитков и никаких признаков разрушений не имеет; у второго пресса, работавшего на горячем прессовании алюминиевых сплавов, после десятилетней эксплуатации оказались разрушенными нижнее основание, подвижная траверса и три цилиндра. Разрушение нижнего основания и подвижной траверсы были обнаружены во время очередного ремонта.
Нижнее основание пресса представляет собой литую жесткую конструкцию коробчатого типа с внутренними перегородками. Нижняя плита основания испытывает во время работы растягивающие напряжения, а верхняя — сжимающие. Химический состав стали: 0,31% С; 0,50% Мп; 0,30% Si; 0,01% S и 0,03% Р. Размеры основания — длина 6070 мм, ширина 4115 мм, высота 2260 мм. Толщина стенок: нижней плиты 170—180 мм, верхней плиты 210—230 мм, вертикальных поясов 155—160 мм, внутренних перегородок 95—115 мм. Вес основания 120 т.
Отливка основания была произведена так, что нижняя плита оказалась расположенной в зоне литников, где обнаружены четыре крупные литейные раковины объемом 45—50 дм3 каждая, а также значительное количество мелких раковин и шлаковых включений. Такие дефекты особенно опасны для плиты, работающей на растяжение.
Разрушение основания произошло по среднему, наиболее напряженному сечению (рис. 29). Полностью разрушены нижняя плита основания и стенки отверстия выталкивателя. В верхней шлите трещина пересекала всю плоскость плиты и оканчивалась у вертикальных поясов. В нижней части вертикальных поясов трещины оканчивались у литейных контрольных отверстий.
Общая длина излома составляла 9120 мм при площади сечения излома 192,4. Из общей рабочей площади в данном сечении было разрушено более 75%. Оставшаяся неразрушенная часть вертикальных стенок не могла выдерживать существенных нагрузок.
В подвижной траверсе была обнаружена трещина длиной 880 мм на нижней рабочей плите между двумя литейными отверстиями. Эта трещина уходила во внутреннюю полость траверсы, пересекая под углом 45° внутреннее ребро, и оканчивалась на верхней плите между литейными отверстиями упорной части пуансона первого цилиндра. Длина трещины на верхней плите 280 мм (рис. 30).
Подвижная траверса весом 145 т изготовлена из лигой стали состава: 0,37% С, 0,69%
Мп, 0,33% Si, 0,022% S, 0,20% Р. Предел прочности стали 54,9 кГ1мм2, предел текучести 25,7 кГ/мм2, относительное удлинение 13,8%.
Возможными причинами разрушения деталей явились:
1. Остаточные литейные напряжения, возникшие в металле при изготовлении пресса.
2. Недостаточная прочность нижнего основания по среднему сечению, а также дефекты изготовления. Нижняя плита, работающая на растяжение, имеет меньшую толщину (185 мм) по сравнению с верхней (230 мм)\ кроме того, в ней сконцентрированы все литейные пороки.
3. Значительные усталостные напряжения, возникшие в процессе десятилетней эксплуатации; за это время пресс выдержал около 5-106 циклов нагружений при полном прессовом усилии.
Замеры показали, что максимальное раскрытие трещин составляло: в стенках отверстия выталкивателя — 7 мм, в нижней плите — 4 мм, в верхней плите — 2,5 мм. В верхней плоскости основание имеет прогиб, достигающий в центре сечения 2 мм. Разрушение подвижней траверсы произошло в результате воздействия скалывающих напряжений. Расчетные данные показывают, что напряжения среза в данном узле достигают 1070 кГ!см2 (по принятым в машиностроении нормам для стального литья эти напряжения должны составлять 300—500 кГ/см2). Характерным для скалывающих напряжений является косой срез под углом 45° от нижней плиты к верхней.
Восстановительные работы и технология сварки. Одним из основных требований, предъявлявшихся к восстанавливаемым деталям,— сохранение точных размеров по осям колонн. Эти размеры определяются условиями сборки трех основных частей пресса: нижнего и верхнего оснований, подвижной траверсы с зазорами между отверстиями и колонной, не превышающими 0,5 мм.
Все разрушенные элементы были восстановлены дуговой сваркой с полным проваром трещин по всему сечению. Сварочные работы выполнялись с предварительным равномерным нагревом деталей до 350—450° С. Для снятия напряжений; возникших при эксплуатации и в процессе сварки, детали подвергались промежуточному и окончательному высокотемпературному отпуску при 650—670° С с четырехчасовой выдержкой при этой температуре и охлаждением вместе с печью.
До начала сварки был произведен демонтаж пресса, а также спроектирована и построена электрическая печь мощностью 680 ква для термообработки и подогрева деталей в процессе сварки. Печь состояла из металлического каркаса, заполненного теплостойким кирпичом. Торцовая часть печи изготовлена в виде отдельного щита, который снимается и устанавливается при помощи крана. В продольных стенах во время кладки были оставлены горизонтальные углубления размером 60 X Х60 мм, в которые закладывались подогревающие спирали диаметром 60 мм из проволоки марки ЭХН80 диаметром 5 мм; допускаемый нагрев спирали 1100 °C. Спирали разбили на четыре секции, включаемые независимо одна от другой. Печь снабдили устройством для автоматической регулировки температуры. В боковых стенках печи оставили вырезы, обеспечивающие возможность' вести сварку нагретой детали без извлечения ее из печи. Эти отверстия во время перерывов в сварке закрывались щитами-дверцами.
Трещины под сварку разделывались резаками для выплавки пороков и обычным резаком для разделительной резки. Кислородная резка позволила сократить время подготовки к сварке и получить удобную форму разделки с минимальным объемом наплавленного металла. При толщине стенок 230—280 мм раскрытие разделки в верхней ее части составляло всего 60—80 мм.
Нижнее основание восстанавливали в такой последовательности. Сначала основание устанавливали на боковое ребро и газовым резаком разделывали трещину по стенке отверстия выталкивателя. Также выполняли разделку трещин в верхней и нижней плитах основания. В верхней плите перед началом резки были просверлены два отверстия диаметром по 60 мм с каждой стороны трещины для ограничения ее дальнейшего распространения. По окончании разделки поверхность реза тщательно очищали от окалины и шлака до металлического блеска. Окончательная разделка имела сечение в виде трапеции с верхним основанием 60—80 мм и нижним — 10—15 мм. С нижней стороны разделки были установлены и прихвачены технологические подкладки, изготовленные из листовой стали (Ст. 3) толщиной 8 и 10 мм и шириной 50—70 мм. Общий вид основания, подготовленного к сварке со стороны верхней плиты, показан на рис. 31.
Учитывая, что нижняя плита основания имеет недостаточную толщину и напряжения, воспринимаемые ею, превышают расчетные, было решено усилить нижнее основание постановкой четырех стяжных болтов 2 (рис. 32). Для крепления болтов были запроектированы упорные плиты 3, привариваемые к нижней плите. Два болта имели диаметр по 180 мм и два — по 220 мм. Стяжные болты были поставлены после окончания всех сварочных работ. Для создания нужного натяжения болты устанавливали с подогревом до 120° С и полной затяжки гаек при этой температуре. Такая затяжка позволила создать в нижнем основании предварительные напряжения с обратным знаком по отношению к рабочим напряжниям. Жесткость и работоспособность основания при этом значительно увеличились. Прогиб основания при максимальном прессовом усилии, приложенном в центре, по паспортным данным допускался до 2,5 мм. После ремонта основания и усиления его стяжными болтами фактически замеренный максимальный прогиб составил 1,5 мм.
Сварку выполняли электродами УОНИ-13/55 диаметром 5 и 6 мм; для ускорения процесса сварки применяли также пучки из двух и трех электродов диаметром по 5 мм. Для электродов диаметром 5 мм применяли ток 240—260 а, для электродов диаметром 6 мм 270—320 а, для кучка из двух электродов 320—360 а, для пучка из трех электродов 500—600 а.
Сварка производилась от сварочного преобразователя постоянного тока ПСМ-1000 дугой с обратной полярностью. Каждый сварочный пост питался через три параллельно включенных балластных реостата РБ-200.
Сварочные работы велись в следующей последовательности;
1. Подготовленное под сварку основание устанавливали в печь. Сначала заваривали внутреннюю разделку по стенке отверстия выталкивателя, начиная от середины сечения, одновременно в две дуги. По центру сечения устанавливали разделяющий стальной клин толщиной 20 мм, на который с обеих сторон наплавляли «горку» металла, расположенную под углом 45° (рис. 33). На эту «горку» производили последующую наплавку с проковкой каждого слоя. Работы выполнялись без нагрева детали в две дуги (одновременно двумя сварщиками) непрерывно до заполнения всей разделки шва. После того как шов был заварен на длине 1500 мм, включали печь и деталь (одновременно с выполнением сварки) подвергалась постепенному нагреву до 400°C; при этой температуре заканчивалась заварка внутренней трещины, после чего температура нагрева была повышена до 640 °C.
2. Трещины в нижней и верхней плитах основания заваривались одновременно четырьмя сварщиками, для этого были сделаны специальные рабочие площадки. С каждой стороны печи работали два сварщика — один заваривал трещину снизу до отверстия выталкивателя, а другой — от отверстия выталкивателя к верхней части боковой грани. Сварка начиналась на стальных подкладках, установленных в разделке под углом 30°.
Постепенным наращиванием шва снизу вверх заполнялось все сечение разделки. Для уменьшения деформаций каждый слой наплавленного металла подвергался проковке. Сварка выполнялась с тремя промежуточными отпусками при 550—600° С.
Для облегчения условий труда сварщики были снабжены специальными щитками, охлаждаемыми водой. Эти щитки предохраняли сварщика от действия тепла печи. Схема выполнения работ дана на рис. 34,
3. После заварки трещин на нижней и вертикальной плитах основание было подвергнуто высокотемпературному отпуску при 670° С и охлаждению вместе с печью. Затем основание было извлечено из печи и установлено нижней плитой вверх для приварки опорных усиливающих плит под болты.
4. Основание устанавливали на противоположное вертикальное ребро, и в этом положении производили разделку вторых половин трещин в стенках отверстия выталкивателя и в вертикальной стенке от края до литейного отверстия.
5. Подготовленное к сварке основание вновь помещали в печь для проведения сварочных работ второй очереди, которые выполнялись в той же последовательности, что и заварка первой половины трещины. Сварка велась непрерывно в течение нескольких смен до заполнения всей разделки. Последней операцией была заварка разделки в вертикальной стенке, которая была выполнена также в один прием с общим нагревом до 350-—400 °C. Полностью заваренное основание было подвергнуто последнему общему отпуску при 650—670 °C с выдержкой в течение 4 ч и последующим охлаждением вместе с печью.
Восстановление подвижной траверсы. Внутреннее вертикальное ребро недоступно для выполнения работ, поэтому для его заварки з торцовой стенке траверсы было вырезано отверстие размером 600X450 мм. Сложность заварки ребра обусловливалась также большой жесткостью в этом сечении, невозможностью осуществить предварительный нагрев и применить проковку тяжелым пневматическим молотком, а также неудобством работы сварщика вследствие тесноты. Сварочные работы выполнялись в такой последовательности. Траверсу устанавливали в печь на боковом ребре. В торцовой части печи имелась выемка для прохода во внутреннюю полость траверсы. К верхнему литейному отверстию был подключен отсасывающий вентилятор для удаления сварочных газов. Разделку внутреннего ребра и наружных трещин выполняли газовым резаком. Для усиления
рабочего сечения на верхней и нижней плитах траверсы были заварены четыре литейных отверстия, в которые предварительно вставляли стальные пробки (см. рис. 34). После выполнения всех подготовительных работ сварка внутреннего ребра выполнялась непрерывно в течение пяти рабочих дней.
Схема сварки приведена на рис. 35. Печь включалась немедленно по окончании сварки внутреннего ребра, и вся траверса нагревалась до 650° С с выдержкой в течение 4 ч, после чего температуру снижали до 450 СС. Трешины между литейными отверстиями на верхней и нижней плитах заваривались двумя сварщиками одновременно. Все работы вы поднялись при общем нагреве траверсы до 360—450‘'С.-После выполнения сварочных работ траверса была подвергнута отпуску при 650 °C с выдержкой 4 ч.
Последняя операция — заварка отверстия, вырезанного в торцовой стенке, производилась при нагреве траверсы до 200 °C через отвер стие в боковой стенке печи. Сварка выполнялась обратноступенчатыми каскадными швами непрерывно до заполнения разделки. Окончательно заваренная траверса еще раз была подвергнута отпуску при 650°C. Проверка основных размеров и рабочих плоскостей заваренных деталей показала отсутствие деформаций и полное совпадение по осям колонн.
Работы по восстановлению разрушенных деталей были выполнены в течение трех месяцев без учета времени на демонтаж и монтаж пресса. Применение сварки позволило сэкономить 150 тыс. руб. и на полтора года сократить простой уникального прессового агрегата. На выполнение сварочных работ было израсходовано около 4 т качественных электродов. Кислородная резка для разделки трещин позволила значительно сократить время и затраты на производство подготовительных работ, а также получить удобную форму разделки с минимальным объемом наплавленного металла. Внесенные при помощи сварки конструктивные изменения сущсствено уменьшили и перераспределили напряжения, а также увеличили работоспособность деталей. Упрочнение нижнего основания было достигнуто постановкой четырех стяжных болтов на нижнюю плиту, а упрочнение подвижной траверсы — заваркой четырех отверстий на нижней и верхней плитах, что усилило эти плиты и перераспределило напряжение в вертикальных стенках траверсы.
Горизонтальный пресс «Эймуко» усилием 5000 т. Передняя траверса горизонтального пресса представляет собой пространственную жесткую систему, литую из стали следующего состава: 0,34% С; 0,32—0,37% Si; 0,66—0,68% Мп; 0,04% S и 0,025% Р. Механические свойства стали: предел прочности 48,8 кГ/мм2, предел текучести 25,5 кГ/мм-.
Передняя траверса связана тремя горизонтальными колоннами с задней траверсой пресса, в которой установлен главный цилиндр. Плунжер главного цилиндра передает развиваемое усилие в 5000 т на прессуемый металл и прессформу, расположенную в центральном отверстии передней траверсы. Наиболее нагруженной является центральная часть траверсы.
При очередном плановом осмотре на внутренней поверхности центральной втулки были обнаружены четыре трещины длиной по 350—590 мм при толщине стенки: в начале —430 и в конце— 105 мм. Трещины возникли в углах прямоугольных отверстий размером 410X310 мм, диаметрально расположенных во втулке в горизонтальной плоскости. Назначение отверстий технологическое — они служили для удаления литейной земли и стержней. Для эксплуатации пресса эти отверстия не нужны.
Устройство отверстий явилось конструктивной ошибкой, так как в прямых углах следовало ожидать концентрации напряжений и появления разрывов. Общий вид траверсы с указанием расположения трещин показан на рис. 36.
Попытки завода заварить трещины дуговой сваркой электродами УОНИ-13/55 с местным подогревом и применением послойной проковки швов не дали положительных результатов. После остывания шва трещины возникли вновь с расхождением в 0,5—1,5 мм и распространением их на целое место. Единственно возможным способом ремонта являлась заварка этих дефектов при общем нагреве до 650° С для снятия напряжений. Выполнение этих работ крайне затруднительно, так как места сварки находятся внутри траверсы и при общем нагреве ее до 450° С сварщик в обычных условиях работать не может.
Учитывая большой вес траверсы, равный 44 т, сложность и длительность ее изготовления и большую стоимость, приняли решение о постройке специальной электрической печи для нагрева, сварки и термообработки траверсы. Конструкцией печи предусматривалось расположение траверсы в нормальном рабочем положении. В вертикальных стенках печи, против центрального отверстия траверсы, были оставлены два отверстия диаметром, равным отверстию траверсы. Печь была возведена вокруг траверсы, установленной на огнеупорный щит на полу цеха. Конструкция печи состояла из металлического каркаса, заполненного
огнеупорным кирпичом. Толщина стенки печи 500 мм. Нагревательные спирали были размещены в специальных горизонтальных пазах, сделанных на вертикальных стенках печи. Для создания внутри нагретой траверсы нормальных условий работы были предусмотрены следующие устройства:
1) сделан специальный полый двухстенный экран из алюминия, охлаждаемый проточной водой. В экране были оставлены вырезы, соответствующие тем местам, где должна производиться сварка. Экран мог свободно вставляться и выниматься через центральное отверстие;
2) с наружной стороны был установлен вентилятор, который всасывал воздух через центральное отверстие и отсасывал газы дуги, создавая подачу холодного воздуха через рабочее помещение в траверсу. Общий вид печи со стороны установки вентилятора показан на рис. 37, а общий вид отверстия в момент работы с охлаждаемыми экранами и дополнительной изоляцией асбестом — на рис. 38.
Сварка производилась в следующем порядке. Для устранения конструктивного недостатка траверсы было решено усилить ее центральную часть вваркой в прямоугольные отверстия кованых вставок, изготовленных из стали 35Л. Толщина вставок была равна толщине тела втулки, т. е. 135 мм. Разделка трещин под сварку и снятие фасок для заварки вставок производились резаками для разделительной резки и резаками для выплавки пороков РВП-47. Резка выполнялась при общем нагреве траверсы до 150 °C. Поверхности реза были зачищены наждачным камнем на гибком валу до металлического блеска. После зачистки произведен тщательный контроль с применением местного намагничивания и нанесения на поверхность мелкого железного порошка. Это обеспечило возможность полного удаления дефектов до начала сварки.
В подготовленную для сварки разделку были установлены на подкладках и закреплены прихватками кованые вставки. Затем печь была включена на нагрев до 450° С, скорость нагрева 12—15 град!ч. Сначала заваривали разделанные трещины, а затем вставки.
В процессе сварки производилась тщательная послойная проковка шва пневматическим зубилом с бойком, закругленным по радиусу в 2 мм.
После заварки трещин в правой и левой половинах траверсы она была подвергнута промежуточному отпуску при 650° С с выдержкой в течение 3 ч. Промежуточная термообработка позволила снять внутренние напряжения, полученные от наплавки большого количества металла (до 120 кг) в каждой трещине, и исключила появление разрывов в новых местах. После термообработки температура траверсы снижалась до 450—420° С; при этой температуре вваривали стальные вставки в отверстия. Вварка вставок производилась каскадным способом с применением проковки. Схема заварки отверстий приведена на рис. 39. После заварки каждой заплаты с трех сторон был произведен второй промежуточный отпуск при 650° С. Заварка последних (замыкающих) швов вставок производилась при температуре подогрева 420—450° С.
Окончательно заваренная траверса была подвергнута последнему отпуску при 650° С с последующим остыванием с печью в течение четырех суток. При тщательном осмотре траверсы не было обнаружено каких-либо видимых дефектов. Электрическую печь демонтировали, и после этого проверили основные осевые размеры и главные плоскости. Каких-либо деформаций и изменений размеров, выходящих за пределы допускаемых норм, не было.