Обзор процесса

Формование металлических деталей с применением высоких сжимающих и растягивающих усилий широко распространено в промышленном производстве. При штамповке металлу, чаще всего в виде листов, полос или рулонов, придают определенную форму при температуре окружающей среды путем резки, прессования и растяжения между штампами, обычно в виде серии из одного или нескольких дискретных ударных этапов. Холоднокатаная сталь является исходным материалом для многих операций штамповки при создании деталей из листового металла в автомобильной, бытовой и других отраслях промышленности. Примерно 15% рабочих автомобильной промышленности работают на штамповочных предприятиях или заводах.

При ковке усилие сжатия прикладывается к предварительно сформированным блокам (заготовкам) металла, обычно нагретым до высоких температур, также в один или несколько дискретных этапов прессования. Форма конечной детали определяется формой полостей в металлическом штампе или используемых штампах. При открытых штампах, как при ковке с помощью молота, заготовка сжимается между одним штампом, прикрепленным к нижней наковальне, и вертикальным ползунком. В закрытых штампах, как при ковке на прессах, заготовка сжимается между нижним штампом и верхним штампом, прикрепленным к ползунку.

Кузницы с падающим молотом используют паровой или воздушный цилиндр для подъема молота, который затем падает под действием силы тяжести или приводится в движение паром или воздухом. Количество и сила ударов молота регулируются оператором вручную. Оператор часто держит холодный конец ложи при работе с отбойным молотком. Ковка с помощью молота когда-то составляла около двух третей всей ковки, производимой в Соединенных Штатах, но сегодня она менее распространена.

В кузнечных прессах используется механический или гидравлический поршень для придания формы заготовке одним медленным контролируемым ходом (см. рис. 1). Ковка на прессе обычно управляется автоматически. Это может быть сделано горячим или при нормальной температуре (холодная ковка, прессование). Разновидностью обычной ковки является прокатка, при которой используется непрерывное приложение силы, и оператор поворачивает деталь.

Рисунок 1. Ковка на прессе

Смазочные материалы для штампов распыляются или иным образом наносятся на поверхности штампов и заготовок до и между ударами молота или пресса.

Высокопрочные детали машин, такие как валы, зубчатые венцы, болты и компоненты подвески транспортных средств, являются обычными изделиями из стали. Высокопрочные компоненты самолетов, такие как лонжероны крыла, диски турбин и шасси, выкованы из алюминиевых, титановых или никелевых и стальных сплавов. Примерно 3% рабочих автомобильной промышленности работают на кузнечных предприятиях или заводах.

Рабочие условия

Многие опасности, характерные для тяжелой промышленности, присутствуют при штамповке и ковке. К ним относятся повторяющиеся растяжения (RSI) в результате многократного обращения с деталями и их обработки, а также работы органов управления машиной, таких как кнопки на ладони. Тяжелые детали подвергают рабочих риску возникновения проблем со спиной и плечами, а также нарушений опорно-двигательного аппарата верхних конечностей. Операторы прессов на автомобильных штамповочных заводах имеют показатели RSI, которые сопоставимы с показателями рабочих сборочных заводов на работах с высоким уровнем риска. Высокоимпульсная вибрация и шум присутствуют в большинстве операций штамповки и некоторых операций ковки (например, паровым или пневматическим молотом), вызывая потерю слуха и возможное сердечно-сосудистое заболевание; это одна из самых шумных промышленных сред (более 100 дБА). Как и в других формах автоматизированных систем, энергетические нагрузки на рабочих могут быть высокими, в зависимости от обрабатываемых деталей и частоты циклов машин.

Катастрофические повреждения в результате непредвиденных движений машины распространены при штамповке и ковке. Это может произойти из-за: (1) механического отказа систем управления машиной, таких как механизмы сцепления, в ситуациях, когда рабочие обычно должны находиться в пределах рабочего диапазона машины (неприемлемая схема процесса); (2) недостатки конструкции или производительности машины, которые вызывают незапрограммированное вмешательство работников, например, перемещение застрявших или смещенных деталей; или (3) ненадлежащие, сопряженные с высоким риском процедуры технического обслуживания, выполняемые без надлежащей блокировки всей задействованной сети машин, включая автоматизацию перемещения деталей и функции других подключенных машин. Большинство сетей автоматизированных машин не настроены на быструю, эффективную и действенную блокировку или безопасное устранение неполадок.

Туманы от машинных смазочных масел, образующиеся во время нормальной работы, представляют собой еще одну общую опасность для здоровья при штамповочных и кузнечно-прессовых операциях, работающих на сжатом воздухе, и потенциально подвергают рабочих риску респираторных, дерматологических и пищеварительных заболеваний.

Проблемы со здоровьем и безопасностью

чеканка

Операции штамповки сопряжены с высоким риском серьезных порезов из-за необходимости обработки деталей с острыми кромками. Возможно, хуже обстоит дело с ломом, полученным в результате обрезания периметров и вырубки участков деталей. Лом, как правило, собирается с помощью самотечных желобов и конвейеров. Устранение случайных замятий — занятие с высоким риском.

Химические опасности, характерные для штамповки, обычно возникают из двух основных источников: составы для волочения (т. е. смазочные материалы для штампов) в реальных операциях прессования и сварочные выбросы при сборке штампованных деталей. Составы для волочения (DC) требуются для большинства штамповок. Материал распыляется или накатывается на листовой металл, а в процессе штамповки образуются дополнительные туманы. Как и другие жидкости для металлообработки, составы для волочения могут представлять собой чистые масла или масляные эмульсии (растворимые масла). Компоненты включают фракции нефтяного масла, специальные смазывающие вещества (например, производные животных и растительных жирных кислот, хлорированные масла и воски), алканоламины, нефтяные сульфонаты, бораты, загустители на основе целлюлозы, ингибиторы коррозии и биоциды. Концентрация тумана в воздухе при операциях штамповки может достигать концентрации при типичных операциях механической обработки, хотя в среднем эти уровни, как правило, ниже (0.05–2.0 мг/мXNUMX).³). Однако часто присутствует видимый туман и скопившаяся масляная пленка на поверхностях зданий, а контакт с кожей может быть выше из-за интенсивного обращения с деталями. Воздействия, наиболее вероятно представляющие опасность, - это хлорированные масла (возможный рак, заболевания печени, кожные заболевания), канифоль или производные жирных кислот таллового масла (сенсибилизаторы), нефтяные фракции (рак пищеварительного тракта) и, возможно, формальдегид (из биоцидов) и нитрозамины (из алканоламины и нитрит натрия либо в качестве ингредиентов DC, либо в поверхностных покрытиях поступающей стали). Повышенный уровень рака пищеварительного тракта наблюдался на двух автомобильных штамповочных заводах. Микробиологическое загрязнение в системах, в которых DC наносится путем накатывания его на листовой металл из открытого резервуара, может представлять для рабочих риск возникновения респираторных и дерматологических проблем, аналогичных тем, которые возникают при механической обработке.

Сварку штампованных деталей часто производят на штамповочных заводах, как правило, без промежуточной промывки. При этом образуются выбросы, включающие в себя пары металлов и продукты пиролиза и горения от волочильного компаунда и других остатков на поверхности. Типичные операции контактной сварки на штамповочных заводах генерируют общую концентрацию твердых частиц в воздухе в диапазоне от 0.05 до 4.0 мг/мXNUMX.³. Содержание металлов (в виде паров и оксидов) обычно составляет менее половины этих твердых частиц, что указывает на то, что до 2.0 мг/м³ представляет собой плохо охарактеризованный химический мусор. В результате на многих участках сварки штамповочных заводов появляется дымка. Присутствие производных хлора и других органических ингредиентов вызывает серьезную озабоченность по поводу состава сварочного дыма в этих условиях и является убедительным доводом в пользу необходимости контроля вентиляции. Нанесение других материалов перед сваркой (таких как грунтовка, краска и эпоксидные клеи), некоторые из которых затем навариваются, вызывает дополнительные опасения. Ремонтные работы сварочного производства, обычно выполняемые вручную, часто связаны с более высоким воздействием этих же загрязнителей воздуха. Повышенный уровень заболеваемости раком легких наблюдался среди сварщиков на автомобильном штамповочном заводе.

Ковка

Как и штамповка, операции ковки могут представлять высокий риск порезов, когда рабочие работают с коваными деталями или обрезают заусенцы или нежелательные края деталей. Ударопрочная ковка также может выбрасывать осколки, окалину или инструменты, вызывая травмы. В некоторых кузнечных операциях рабочий захватывает заготовку клещами во время операций прессования или удара, что увеличивает риск травм опорно-двигательного аппарата. При ковке, в отличие от штамповки, обычно рядом находятся печи для нагрева деталей (для ковки и отжига), а также бункеры горячих поковок. Это создает потенциал для условий высокого теплового стресса. Дополнительными факторами теплового стресса являются метаболическая нагрузка рабочего при ручном обращении с материалами и, в некоторых случаях, тепло от продуктов сгорания смазок для штампов на масляной основе.

Смазка штампа требуется в большинстве поковок и имеет дополнительную особенность, заключающуюся в том, что смазка контактирует с высокотемпературными деталями. Это вызывает немедленный пиролиз и аэрозолизацию не только в головках, но и впоследствии из коптильных деталей в охлаждающих бункерах. Ингредиенты смазки для кузнечных штампов могут включать графитовые суспензии, полимерные загустители, сульфонатные эмульгаторы, нефтяные фракции, нитрат натрия, нитрит натрия, карбонат натрия, силикат натрия, силиконовые масла и биоциды. Они применяются в виде спреев или, в некоторых случаях, тампоном. Печи, используемые для нагревания металла для ковки, обычно работают на жидком топливе или газе или являются индукционными печами. Выбросы могут происходить из печей, работающих на топливе, с недостаточной тягой, а также из невентилируемых индукционных печей, когда поступающая металлическая заготовка имеет поверхностные загрязнения, такие как масло или ингибиторы коррозии, или если перед ковкой она была смазана для резки или пиления (как в в случае с барной стойкой). В США общая концентрация твердых частиц в воздухе при кузнечных операциях обычно колеблется от 0.1 до 5.0 мг/мXNUMX.³ и сильно различаются в пределах операций ковки из-за тепловых конвекционных потоков. Повышенный уровень заболеваемости раком легких наблюдался среди рабочих, занимающихся ковкой и термообработкой на двух заводах по производству шарикоподшипников.

Практика охраны здоровья и безопасности

В нескольких исследованиях оценивались фактические последствия для здоровья рабочих, подвергшихся воздействию штамповки или ковки. Всесторонняя характеристика потенциальной токсичности большинства рутинных операций, включая идентификацию и измерение приоритетных токсических агентов, не проводилась. Оценка долгосрочного воздействия на здоровье технологии смазки штампов, разработанной в 1960-х и 1970-х годах, стала возможной только недавно. В результате регулирование этих воздействий по умолчанию соответствует общим стандартам пыли или общего содержания твердых частиц, таким как 5.0 мг / м .³ в США. Хотя этот стандарт, вероятно, подходит в некоторых обстоятельствах, он явно не подходит для многих применений штамповки и ковки.

Некоторое снижение концентрации тумана смазки штампа возможно при тщательном управлении процедурой нанесения как при штамповке, так и при ковке. Нанесение валиком при штамповке предпочтительнее, когда это возможно, и использование минимального давления воздуха в распылителях является выгодным. Необходимо изучить возможность устранения приоритетных опасных ингредиентов. Корпуса с отрицательным давлением и коллекторами тумана могут быть очень эффективными, но могут быть несовместимы с транспортировкой деталей. Фильтрация воздуха, выпускаемого из воздушных систем высокого давления в прессах, уменьшит масляный туман пресса (и шум). Контакт с кожей при штамповке может быть уменьшен с помощью автоматизации и средств индивидуальной защиты, обеспечивающих защиту как от порезов, так и от насыщения жидкостью. При сварке на штамповочном заводе промывка деталей перед сваркой очень желательна, а частичное ограждение с LEV значительно снизит уровень дыма.

Меры по снижению тепловой нагрузки при штамповке и горячей ковке включают в себя минимизацию количества ручных операций с материалами в зонах с высокой температурой, экранирование печей для уменьшения теплового излучения, минимизацию высоты дверей и щелей печей и использование охлаждающих вентиляторов. Расположение охлаждающих вентиляторов должно быть неотъемлемой частью конструкции движения воздуха для контроля воздействия тумана и теплового стресса; в противном случае охлаждение может быть получено только за счет более высоких выдержек.

Механизация погрузочно-разгрузочных работ, переход от ковки на кузнечном станке, когда это возможно, и корректировка скорости работы до эргономически практичного уровня могут снизить количество травм опорно-двигательного аппарата.

Уровни шума могут быть снижены за счет сочетания переключения с молота на кузнечные прессы, когда это возможно, хорошо спроектированных корпусов и снижения шума воздуходувок печи, пневматических муфт, воздуховодов и обработки деталей. Необходимо разработать программу сохранения слуха.

Необходимые средства индивидуальной защиты включают защиту головы, защиту ног, защитные очки, средства защиты органов слуха (вокруг, как при чрезмерном шуме), жаро- и маслонепроницаемые фартуки и леггинсы (при интенсивном использовании масляных смазок для пресс-форм) и инфракрасную защиту для глаз и лица (приблизительно печи).

Опасности для здоровья из окружающей среды

Опасности для окружающей среды, создаваемые штамповочными установками, относительно невелики по сравнению с опасностями некоторых других типов установок и включают удаление отходов волочильного состава и моющих растворов, а также выброс сварочного дыма без надлежащей очистки. Некоторые кузнечные заводы исторически вызывали резкое ухудшение качества местного воздуха из-за кузнечного дыма и пыли окалины. Однако при соответствующей мощности очистки воздуха этого не должно происходить. Еще одной потенциальной проблемой является утилизация штамповочного лома и ковочной окалины, содержащих смазочные материалы для штампов.

Назад