Оборудование свободной ковки. Операции свободной ковки.

Ковка металла, наряду с литьем, самая древняя технология по обработке материалов. Причем производить изделия таким способом человечество начало еще задолго до появления железа и стали. Первые кузнецы работали около 5-6 тысяч лет назад. Со временем технология лишь совершенствовалась и дополнялась новыми приемами. Сегодня ни одно производство не обходиться без обработки металла ковкой.

Что в себя включает технология ковки, какое оборудование и приемы используются в самом старом виде металлообработки?

Понятие ковки металла

Говоря простым языком, ковка — обработка металла, нагретого до ковочной температуры. Принцип технологии построен на физических свойствах любого материала, имеющего температуру плавления. Но прежде, чем будет достигнут этот порог, структура вещества станет более мягкой.

Каждый металл имеет свою температуру, при достижении которой он становиться более мягким, а, значит, и более податливым для обработки путем ковки.

Однако, существует также технология металлообработки, когда заготовку не нагревают, а куют холодной. Такой прием позволяет получить не менее прочные изделия, без нагревания заготовка прессуется и изгибается.В таблице указаны пределы температур, при которых тот или иной металл можно ковать.

Виды кузнечной обработки

Существуют основные виды ковки металла:

• Свободная.
• Машинная.
• Штамповка.

Свободная ковка подразумевает то, что заготовки не ограничены никакими формами. Или же материал будет закреплен с одной стороны на наковальне. К этому технологическому приему относиться и ручная ковка металла, когда изделию придают форму, используя кувалду или молоток. Свободная ковка применяется как для производства отдельных продуктов, так и просто для улучшения качества материала.

При проковке поверхности заготовки улучшается свойство металла. Крупные кристаллы материала размельчаются, структура станет более мелкозернистой и однородной. К тому же, при поковке завариваются внутренние раковины, упрочняя тело заготовки.

Машинная ковка — более современный вариант обработки. Такая технология используется в массовой, тяжелой промышленности. При этом используют механизированные молоты (с массой от 40 килограмм до 5 тонн), ковочные машины или прессы. Вес заготовок и конечных поковок порой может достигать нескольких десятков тонн.

ПОСМОТРЕТЬ Индукционный нагреватель на AliExpress →

Штамповка. Такой технологический прием позволил сделать производство массовым. При изготовлении изделий металл ограничивается штампами и при деформации получает нужную форму.

Штамповка используется в массовом производстве, где важно получить большое количество продукции. Свободная ковка, как правило, используется в мелкосерийном и единичном производстве.

Оборудование и инструменты

Многовековое развитие такого вида металлообработки привело к появлению огромного количества инструментов и приспособлений. Но горячая ковка металла сохранила ту же технологическую линию, как и тысячи лет назад: нагревание, закрепление, деформация, закалка.
При изготовлении кованых изделий ручным способом используют практически те же наборы инструментов и оборудования, которые применяли мастера с зарождения этой технологии. Список следующий.

• Кузнечный очаг → ПОСМОТРЕТЬ на AliExpress
• Наковальня → ПОСМОТРЕТЬ на AliExpress
• Клещи.
• Молот → ПОСМОТРЕТЬ на AliExpress

Кузнечный очаг или горн используется для нагревания материала до нужной температуры. Существует множество различных видов этого оборудования.

• Стационарные и переносные.
• Закрытые и открытые очаги.
• Топливные или электрические.
• Жидкостные, газо- или твердотопливные.
• С боковыми соплами подачи воздуха или центральной фурмой.

Наковальни — это массивные металлические столы, где собственно и происходит формирование заготовки. Состоят из основания, рога и наличника с отверстиями для гибки. Существует несколько разновидностей этого кузнечного приспособления, однако обязательно наличие стальной опоры с весом от 30 килограмм.

Клещи в ручной ковке мастер использует для оперирования заготовкой в процессе работы.

Молоты — основной инструмент, использующийся в кузнечном деле, могут иметь различную массу для работы с разными по габаритам заготовками.

Зачем применяют холодную ковку и какие изделия производят

С помощью горячей ковки можно выковать изделие практически любой формы — от корабельного якоря и тележной оси до металлической розы и лозы винограда.

Холодная ковка применяется для производства ограниченного числа элементов, из которых талантливый дизайнер может скомпоновать авторское изделие.

Методом холодной ковки делают самые разнообразные изделия. Это, прежде всего элементы решеток и оград — как сами прутья, так и поперечины, навершия, украшения. С расстояния в несколько метров ее трудно отличить от кованой решетки. Любую решетку оживят завитки и спирали, складывающиеся в замысловатые узоры и орнаменты. Обычный забор, таким образом, кроме утилитарного назначения приобретает еще и художественную ценность. Для этого потребуются гнутик, улитка и торсион.

Кованая скамейка со столом и фонарными столбами оплетенные виноградной лозой

Отлично смотрятся на придомовой территории кованые стойки для фонарей, перила для мостиков через водоемы, навесы и крылечки, столики и скамейки. Да и саму беседку неплохо сделать из кованого прутка. Неожиданную для сурового металла легкость и воздушность придадут ей завитки и спирали, а витые опоры подчеркнут стремление ввысь.

Широко распространены сегодня и кованые мангалы, также дополняющие хозяйственное назначение эстетическим впечатлением. Собственно мангал теряется среди навеса, узорчатых стенок и опор, украшенной завитками крыши.

Также весьма популярны детали балюстрад, ограждений лестниц и балконов. Здесь также широко применяются завитки и спирали, причем не только как украшение, но и как конструкционный элемент. Весьма уместно выглядит скрученная вдоль продольной оси балясина, а угловые опоры часто выполняют из нескольких прутков, скрученных вместе. Также на торсионном станке делают т.н. «фонарик»- несколько изогнутых спиралью прутков, соединенных концами методом сварки.

Следующая область применения холодной ковки – детали декора помещений и мебели. Дверные ручки и шпингалеты, каминные инструменты и вешалки, стойки для зонтов и карнизы для гардин и портьер-здесь широко используются малые завитки и закрученные прутки. Мебель делают как садовую, не боящуюся осадков и смены сезонов, так и домашнюю, комбинируя металл с деревом и тканью.

Кузнечные приемы

Основные кузнечные операции, использующиеся в технологии ковки металла:

• Осадочные.
• Высадочные.
• Протяжные.
• Обкатки.
• Раскатки.
• Прошивки.
• Разгонки.

Осадочные кузнечные работы подразумевают уменьшение высоты заготовки и увеличение ее поперечной площади сечения.

Высадка, по сути, частичная осадка заготовки. Применяется, когда на поверхности металла нужно сделать некоторые утолщения. Добиваются этого за счет уменьшения длины заготовки.

Протяжка — еще один технологический прием обработки металла кузнечным способом. Такая операция подразумевает удлинение заготовки. При этом уменьшается поперечная площадь сечения.

Раскатка на станке

Обкатка в кузнечном деле подразумевает собой придание заготовке формы цилиндра. В процессе деформации металла заготовка проворачивается вокруг своей оси.

Раскатка — обработка кольцевой заготовки. Когда нужно увеличить ее внутренний и наружный диаметры, металл раскатывают на оправке за счет уменьшения толщины стенок.

Прошивку в кузнечном деле применяют для получения сквозного отверстия за счет использования пробойника.

Разгонка — это операция получения более широкой заготовки. По сути, металл для ковки расплющивают на поверхности наковальни молотом, двигаясь поперек оси изделия.

Существует также множество других приемов, с помощью которых получают требуемые формы изделия.

Осадка

Осадкой называют технологическую операцию, позволяющую уменьшить высоту исходной заготовки с одновременным увеличением площади ее поперечного сечения. Осадку применяют, например, для решения следующих задач:

• увеличения диаметра поперечного сечения исходной заготовки, у которой достаточен объем, но мал диаметр;
• раздробления, измельчения исходной крупнозернистой структуры металла заготовки, в том числе в сталях карбидного класса (например, инструментальных) снижения балла карбидной неоднородности (измельчения карбидов, обеспечив более равномерное их распределение в объеме поковки);
• получения текстуры деформации (волокна определенного направления) для повышения служебных характеристик изготавливаемой детали;
• выравнивания механических свойств вдоль и поперек оси поковки;
• заваривания имеющихся в металле флокенов;
• выполнения параллельными друг другу торцев поковки, например перед последующим образованием в поковке отверстия;
• удаления окалины перед дальнейшим деформированием заготовки. Цилиндрические заготовки в результате осадки принимают бочкообразную форму (рис. 1), квадратные получают искажение поперечных сечений, которые из квадрата стремятся трансформироваться в круг.

Рис. 1. Схема осадки: а – исходное положение заготовки перед осадкой; б – процесс осадки; Н и D – высота и диаметр исходной заготовки соответственно; Н1 и D1 – соответственно высота и средний диаметр заготовки после осадки; D1 max – максимальный диаметр заготовки; τ – силы трения на контактных поверхностях; Р – сила осадки

Рис. 2. Зоны деформации в осаживаемой цилиндрической заготовке

Основной причиной искажения формы являются силы трения, возникающие в зонах контакта торцев заготовки с жесткими поверхностями машины – орудия (пресса, молота). Этому способствует также подхолаживание торцев заготовки при их контакте, например, с холодными бойками.

В осаженной заготовке можно выделить три характерные зоны (рис. 2): I – зону интенсивной деформации; II – зону «затрудненной деформации», состоящую из двух областей, примыкающих к торцам заготовки и находящихся в условиях неравномерного всестороннего сжатия. Эти области как бы расклинивают зону I в осевом и радиальном направлениях.

Зона III выходит на боковые поверхности заготовки. Интенсивность деформации в этой зоне больше, чем в первой, и меньше, чем во второй зоне. В зоне III возникают растягивающие напряжения, которые ограничивают максимальную степень деформации заготовки при осадке и являются инициаторами образования трещин на ее боковой, бочкообразной поверхности при увеличении деформации сверх предельной.

Степень деформации определяют по выражению ε = ΔН / Н , которая может изменяться от 0 до 1. Допустимая степень деформации определяется свойствами материала заготовки при температуре осадки.

Диаметр поковки D1 определяют без учета бочкообразности по выражению

(1)

где Vз – объем исходной цилиндрической заготовки.

В зависимости от интенсивности нанесения ударов по заготовке, например молотом, степени деформации осаживаемой заготовки, величины трения, действующего по торцам заготовки, последняя приобретает различную бочкообразность, как показано на рис. 3.

«Нормальная» бочка (рис. 3, а) образуется при осадке цилиндрической заготовки, имеющей соотношение Н/D ≤ 2,5, при выполнении осадки «тяжелыми», мощными ударами молота или в случае медленного давления пресса. Вогнутая («рюмкообразная») бочка (рис. 3, б) получается при коротких и легких ударах молота, наблюдается при осадке высоких заготовок (Н > 2D) на высокоскоростных молотах, а также на молотах с недостаточной массой падающих частей, когда деформация не успевает распространиться в глубину заготовки, а происходит «расклепывание» торцевых участков заготовки.

Двойная бочка с цилиндрической частью (рис. 3, в) образуется при малой степени осадки. В ходе дальнейшей осадки диаметр цилиндрической части возрастает и заготовка принимает форму цилиндра, к которому примыкают концевые участки в виде усеченных конусов (рис. 3, г).

Рис. 3. Формы бочкообразования при осадке: а – «нормальная» бочка; б – вогнутая; в – двойная с цилиндрической частью; г – конусообразная; д – двойная

При увеличении деформации (s = 40…50 %) диаметр среднего сечения растет более интенсивно и заготовка принимает «нормальную» бочкообразную форму (рис. 3, а). При больших отношениях D/H (< 0,5) можно получить «двойную» бочку (рис. 3, д), которая при дальнейшей осадке переходит в одинарную (рис. 3, а).

Бочкообразование особенно нежелательно при ковке высоколегированных, труднодеформируемых сплавов (жаропрочных и др.), так как кроме искажения формы поковки бочкообразование приводит к неравномерности распределения деформаций в объеме поковки и, следовательно, неравномерности механических свойств металла.

Для уменьшения бочкообразования, успешного выполнения осадки (исключения брака в виде закованных складок, трещин и т.п.) и снижения требуемых деформирующих нагрузок необходимо выполнять ряд правил, рассматриваемых далее.

1. Успешно осадить можно такую заготовку, высота Н которой не превышает трех диаметров D. Обычно высоту выбирают равной 2,5D. Бóльшие отношения могут привести к продольному изгибу заготовки и необходимости ее выравнивания.
2. Торцы осаживаемой заготовки должны быть по возможности гладкими, параллельными друг другу и перпендикулярными к ее оси (чем выше заготовка, тем важнее это условие). Выравнивание торцев проводят легкими ударами молота или несильными нажатиями пресса.
3. Для снижения степени бочкообразования поковки применяют подогрев осадочных плит (бойков), в отдельных случаях между торцами заготовки и осадочными плитами (бойками) помещают прокладки из пластичной стали или цветных металлов, используют различные смазки (рис. 4).
4. Заготовка перед осадкой должна быть равномерно прогрета до максимально допустимых температур (верхняя граница температурного интервала ковки).
5. При осадке на молоте необходимо учитывать, что чем длиннее заготовка, тем меньше будет рабочий ход молота, а следовательно, и меньше энергия удара. Поэтому необходимо, чтобы перед ударом оставалось не менее 1/4 полного хода бабы молота.
6. При осадке следует избегать критических степеней деформации, учитывать диаграмму рекристаллизации обрабатываемого материала.

Рис. 4. Схемы осадки, снижающие или устраняющие образование бочки при осадке: а – осадка заготовки 1 с применением высокопластичных сплошных прокладок 2; б – то же, с использованием кольцевых прокладок; в – технологическая последовательность осадки двух заготовок с поворотом и сменой взаимного положения

1.1. Разновидности осадки

Высадка – осадка части заготовки (рис. 5). Высадкой получают утолщение концевой или срединной зоны заготовки. Перед высадкой торцевой части заготовки нагревают только зону высадки, а при высадке срединной части – срединную часть заготовки, подвергаемую высадке.

Рис. 5. Высадка верхнего участка заготовки: 1 – боек молота; 2 – заготовка после высадки; 4 – матрица (подкладное кольцо)

Холодные зоны заготовок обеспечивают передачу деформирующей силы нагретым участкам заготовок.

При высадке утолщений (фланцев) на длинных и тяжелых поковках валов выполняют местный нагрев зоны будущего утолщения. Высадку осуществляют с помощью подвешенной на цепи крана стальной штанги с утолщением 4 на конце, называемой «соколом» (рис. 6). (В некоторых источниках штангу именуют «романом», а процесс высадки – «романением».) Нанося удары «соколом», высаживают нагретый участок.

В настоящее время выпускают гидравлические прессы, оснащенные устройствами, заменяющими функцию стальной раскачиваемой штанги.

Рис. 6. Высадка нагретого конца длинной заготовки: 1 – упор; 2, 3 – бойки; 4 – подвешенная болванка («роман», «сокол»)

Рис. 7. Осадка в подкладных кольцах с затеканием металла в полости колец: 1, 2 – бойки; 3, 4 – подкладные кольца; 5 – осаженная заготовка

Осадку в подкладных кольцах применяют для изготовления заготовок – поковок при производстве крупногабаритных зубчатых колес, турбинных дисков с бобышками с двух сторон и тому подобных деталей. При этом заготовки осаживают или с предварительной ковкой хвостовиков, которые помещают в отверстия колец, или с затеканием металла в отверстия колец (рис. 7).