Сравнение штампованных и кованых заготовок для крановых колес

Крановые колеса производятся из штампованных, кованых или литых заготовок. Штамповка и поковка — основные типы, литье применяется редко (для колес диаметром от 1000 мм при невысоких требованиях к ресурсу).

Штамповка — горячая деформация металла в полости штампа. Поковка — свободная ковка или ковка в подкладных штампах без фиксации боковых поверхностей.

Технология

Штамповка

Нагрев проката до 1100–1200°С, штамповка на КГШП (кривошипных горячештамповочных прессах) или молотах. Два-три перехода: осадка, предварительная, окончательная. Обрезка облоя.

Производительность — до 150 заготовок в смену. Стойкость штампов — 2–5 тыс. переходов.

Поковка

Нагрев слитка или проката до 1180–1220°С. Осадка, протяжка на молотах или гидравлических прессах. Припуски на механическую обработку больше, чем у штамповки.

Производительность — 3–15 заготовок крановых колес (зависит от массы).

Структура металла

Штамповка — волокна металла следуют контуру детали. При осадке в штампе волокна ориентируются вдоль направления течения металла. Это дает максимальную прочность в направлении нагрузок (от ступицы к ободу).

Поковка — волокна расположены осевым или продольным направлением в зависимости от схемы ковки. В зоне перехода от ступицы к ободу волокна обрываются.

Сравнение штамповки и поковки:

1. Направление волокон:
   • Штамповка: по контуру детали
   • Поковка: осевое/продольное
2. Концентрация напряжений:
   • Штамповка: минимальная
   • Поковка: повышенная
3. Неметаллические включения:
   • Штамповка: меньше
   • Поковка: больше (из слитка)
4. Обезуглероживание поверхности:
   • Штамповка: до 0,2 мм
   • Поковка: до 0,5 мм

Точность

Штамповка: допуски ±0,5–1,0 мм (радиальные), ±0,8–1,5 мм (осевые). Припуски на обработку 2–6 мм.

Поковка: допуски по ГОСТ 8479-70, припуски 5–12 мм. Объем механической обработки на 20–40% выше.

Дефекты

Поковки из слитков:

• Газовые раковины (в зоне прибыльной части) до 1–2 мм. УЗК выявляет в 5–8% случаев.
• Усадочная пористость в центральной части. Уков ≥ 4 устраняет, но достижим не всегда.
• Ликвационные зоны.

Штамповки из проката:

• Дефектов ликвационного происхождения практически нет.
• Возможны закаты и плены (при нарушении режима штамповки).

Механические свойства (сталь 65Г после термообработки)

Сравнение механических свойств (после термообработки):

1. σ_в, МПа:
   • Штамповка: 780–850
   • Поковка: 750–820
2. σ_т, МПа:
   • Штамповка: 500–550
   • Поковка: 480–520
3. δ, %:
   • Штамповка: 14–18
   • Поковка: 12–16
4. KCU, Дж/см²:
   • Штамповка: 60–80
   • Поковка: 45–60
5. Твердость, НВ:
   • Штамповка: 320–380
   • Поковка: 320–380
6. Контактная усталость, МПа:
   • Штамповка: 980
   • Поковка: 850–900

Испытания проводились на образцах из стали 65Г при 20°С (Zwick/Roell).

Производительность и стойкость оснастки

Производительность и стойкость штампов:

1. Диаметр до 400 мм:
   • Производительность: 120–150 шт./смену
   • Стойкость штампов: 5–8 тыс. шт.
2. Диаметр 400–630 мм:
   • Производительность: 80–120 шт./смену
   • Стойкость штампов: 3–5 тыс. шт.
3. Диаметр 630–800 мм:
   • Производительность: 50–80 шт./смену
   • Стойкость штампов: 2–3 тыс. шт.

Поковка: 3–15 шт./смену (в зависимости от массы).

Экономика (D=630 мм, сталь 65Г)

Сравнение стоимости заготовок (D=630 мм, сталь 65Г):

1. Масса заготовки, кг:
   • Штамповка: 210
   • Поковка: 280
2. Стоимость материала, руб./кг:
   • Штамповка: 80
   • Поковка: 95
3. Материальные затраты, руб.:
   • Штамповка: 16 800
   • Поковка: 26 600
4. Трудоемкость, нормо-час:
   • Штамповка: 1,5
   • Поковка: 6,0
5. Нагрев, руб.:
   • Штамповка: 2 500
   • Поковка: 4 200
6. Итого заготовка, руб.:
   • Штамповка: 19 300
   • Поковка: 30 800
7. Съем металла при обработке, %:
   • Штамповка: 8–12
   • Поковка: 18–25

Готовое колесо из штамповки дешевле на 25–35%. Окупаемость при выпуске от 200 колес в год за 2–3 года.

Ограничения

Штамповка:

• Только стандартные типоразмеры (ГОСТ 28648-90)
• Неэкономична при заказе менее 50 шт.
• Сложность изготовления колес с конусной ступицей

Поковка:

• Любые размеры и конфигурации
• Выше стоимость при серийном выпуске
• Ниже ударная вязкость (на 15–25%)

Рекомендации по выбору типа заготовки:

1. При стандартном типоразмере и серийном производстве предпочтительна штамповка.
2. При заказе до 50 штук в год экономически целесообразнее применять поковку.
3. Для колес диаметром до 630 мм рекомендуется штамповка.
4. Для колес диаметром свыше 630 мм применяется поковка (либо штамповка при наличии соответствующей оснастки).
5. Для ответственных применений с группой режима 6М требуется поковка с обязательным входным контролем качества.
6. При необходимости высокой ударной вязкости выбирается штамповка.
7. При изготовлении колес по индивидуальному чертежу заказчика применяется поковка.

Выводы

1. Штамповка дает более высокие механические свойства и ресурс (на 15–20%) за счет направления волокон по контуру.
2. Экономически штамповка эффективна при серийном производстве (от 100 шт./год) — дешевле на 25–35%.
3. Поковка незаменима для нестандартных размеров и мелких серий.
4. Выбор определяется объемом заказа, стандартностью типоразмера и требованиями к ударной вязкости.

Литература

1. ГОСТ 28648-90. Колеса крановые. Технические условия.
2. ГОСТ 14959-2016. Прокат и поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали.
3. ГОСТ 8479-70. Поковки стальные. Допуски, припуски и кузнечные напуски.
4. ВНИИМетмаш. Отчет № 3-2018. Сравнительный анализ ресурса крановых колес.