Ковка металла: особенности процесса, способы и виды обработки
Обработка металла при помощи ковки применялась людьми еще задолго до начала использования железа и появления стали. По данным археологических исследований люди механически обрабатывали металл, размягченный длительным нагреванием, придавая ему требуемую форму еще 5-6 тысяч лет назад. Технологически ковка в наши дни представляет тот же самый процесс. Только с развитием металлургии и техники в кузнечном ремесле появились новые приемы, способы и механизмы для обработки металла. Сегодня ковка металла применяется на многих промышленных предприятиях.
Технология
Как и тысячи лет назад, для того чтобы металл поддавался обработке при помощи ковки, его требуется нагреть до определенной температуры. Если постепенно нагревать заготовку, не доводя до температуры плавления, то в определенный момент металл становится мягким и пластичным. Для каждого металла эта температура разная. После придания необходимой формы и доведения ее до определенной структуры с особыми свойствами, полученное изделие подвергается закалке.
Традиционно закалка заключается в резком охлаждении в различных жидкостях. Иногда закалка подразумевает цикл нагрева и охлаждения до определенной температуры.
Также существует технология холодной ковки. Характеристики изделий полученных прессованием и изгибанием холодной металлической заготовки, по ряду параметров не уступают изделиям, полученным традиционным способом.
Способы механической обработки
Основными видами механической обработки при ковке изделий являются:
- Свободная ковка;
- Машинная ковка;
- Штамповка.
При свободном способе заготовка располагается на наковальне без применения дополнительных удерживающих приспособлений. К этому способу относится традиционная ручная ковка.
Машинный способ используется на промышленных предприятиях. Процесс ковки производится механическими молотами, вес которых может достигать 5 тонн. Этим методом обрабатываются изделия весом в десятки тонн.
Применение штамповки позволило сделать данную технологию массовой.
Изделие нужной формы получается путем размещения заготовки в специализированном штампе. После удара механического пресса заготовка приобретает форму отверстия в матрице штампа.
Инструменты и оборудование
По набору оборудования и инструментов современная кузница не сильно отличается от древних кузниц, использовавшихся всеми народами мира. Она оснащена горном, мехами и наковальней, для обработки деталей применяются различные молоты и клещи.
Кузнечный горн представляет собой очаг или печь для нагревания заготовок. Для увеличения температуры в печи в нее при помощи мехов подается воздух. Современные кузнечные горны могут быть топливными или электрическими с принудительной подачей воздуха через сопла, расположенные в разных его точках. Наковальня представляет собой массивный стол с ровной поверхностью.
Виды механической обработки
Для придания металлу требуемой формы и устранения всех наружных и скрытых дефектов заготовки применяются следующие виды обработки:
- Осадка – уменьшение высоты изделия за счет увеличения площади поперечного сечения;
- Высадка – создание утолщений на определенных участках детали;
- Протяжка – длину заготовки увеличивают, а ширину и высоту уменьшают;
- Раскатка – придание заготовке цилиндрической формы;
- Прошивка – пробивание сквозных отверстий в заготовке;
- Разгонка – деталь расплющивают по наковальне, уменьшая ее высоту.
Особенности процесса
Для качественной ковки стальных изделий необходимо соблюдение ряда условий:
- Легированные стали нельзя нагревать свыше 1000 ºС, а мягкие – более 1300 ºС;
- Нагрев заготовки проводится поэтапно, на первом этапе нагревание производится до 300 ºС, затем постепенно достигается температура ковки;
- Стальная заготовка должна нагреваться равномерно со всех сторон.
Использование в промышленности
На сегодняшний день использование ковки применяется и в традиционном кузнечном деле, и в промышленных масштабах. Появление тяжелых механических молотов, технологии штамповки и современных инструментов сделало возможным массовое изготовление кованных изделий, но индивидуальная художественная ковка сохраняет свою популярность и в наши дни.
Ковка :: Технология металлов
Ковкой называют пластическую
деформацию металла, при которой изменение его профиля происходит в том
направлении, где металл встречает наименьшее сопротивление.
Выполняют ковку
последовательными ударами инструмента по обрабатываемой заготовке, лежащей на
опорной площадке.
Ковку называют свободной, так как изменение формы металлов при этом виде обработки не ограничивается стенками особых форм (штампов), как это происходит при штамповке, и металл изменяет форму («течет») свободно.
Изделия, получаемые ковкой, называются поковками.
Поковки имеют различную форму и размеры. Вес поковок весьма разнообразен: от нескольких килограммов до многих десятков и сотен тонн.
Ковку можно выполнять вручную. На современных предприятиях ковка производится с помощью машин. Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных работах и для штучного изготовления мелких поковок. Машинная ковка позволяет изготовлять поковки очень большого веса и в большом количестве, а также более высокой точности, чем при ручной ковке.
Ручная ковка. Операциями ковки являются: вытяжка, осадка,
высадка, гибка, прошивка, рубка, закручивание, подкатка обжимкой,
выглаживание.
Некоторые операции ковки показаны на рис. 1.
Рис. 1. Схемы операций
ковки:
а-вытяжка, б — осадка, в — отрубание, г — прошивка отверстий, д— закручивание, е— подкатка обжимкой
Вытяжка (рис. 1, а) является операцией, при которой заготовка, уменьшаясь в толщине, увеличивается в длине. Для вытяжки металла на заготовке сначала делают узким бойком молота канавки в поперечном направлении заготовки, а затем выступы осаживают широким бойком. При этих приемах металл получает продольное течение.
Осадка (рис. 1, б) состоит в увеличении поперечного сечения заготовки за счет уменьшения ее длины, т. е. является операцией, обратной вытяжке.
Высадка отличается от осадки тем, что
поперечное сечение заготовки увеличивается не по всей длине полосы, а в
какой-либо определенной ее части.
Гибку применяют очень широко для изготовления как деталей машин, так и предметов широкого потребления (подковы, рукоятки и т. п.).
Прошивка (рис. 1, г) или пробивание отверстий выполняется пробойником, или бородком. Бородки изготовляют с небольшим заострением, если необходимо пробить отверстие в тонком металле. При прошивке заготовок большого сечения вначале наносят’ удар пробойником с одной стороны заготовки, затем ее переворачивают и ударяют с противоположной стороны.
После прошивки отверстие доводят пробойником соответствующего диаметра до требуемых размеров.
Рубку применяют главным образом для того, чтобы подготовить для обработки куски металла нужного размера или удалить лишнюю часть заготовки после ковки.
Закручивание (рис. 1, д) производят вращением одного
конца заготовки вокруг ее оси относительно другого конца, закрепленного в
тисках.
Подкатка обжимкой (рис. 1, е) позволяет придать заготовке такую форму, которую имеет обжимка.
Выглаживание
придает изделию ровную и гладкую поверхность.Инструментами для ручной ковки (рис. 2) служат наковальни, молоты различного веса, гладилки, обжимки, кузнечные зубила, пробойники, клещи.
Наковальни для ручной ковки изготовляют из стали, обладающей большим сопротивлением ударам. Наковальня имеет выступающий рог для гибки металла, например, при ковке колец.
Отверстия в верхней плоскости наковальни используют для укрепления приспособлений и пробивания отверстий в заготовках.
Кузнечные молотки весом до 1,5 кГ [15н], применяемые для ковки мелких изделий, называются ручниками, а тяжелые молоты весом от 2 до 10 кГ [20—100 н], употребляемые для ковки крупных изделий, — кувалдами.
Рис. 2.
Инструменты для ручной
ковки.
а-гладилка, б-обжимки, в-зубила,г — пробойник,д — наковальня, е — клещи
Гладилки с широким бойком служат для
выравнивания плоских поверхностей.
Обжимки придают заготовкам круглую, квадратную или иную форму поперечного сечения.
Зубилами разрубают металл.
Пробойниками прошивают в поковках отверстия.
Клещами удерживают и повертывают нагретые заготовки.
Машинная ковка. Машинная ковка позволяет изготовлять поковки очень большого веса, в любом количестве и с более высокой точностью, чем при ручной ковке. Машинная ковка производится посредством молотов различного устройства и ковочных машин.
Наиболее распространенными являются паровоздушные, пневматические и фрикционные молоты, а также молоты более простого устройства — рычажные и пружинные.
Паровоздушные молоты (рис. 3), приводимые в действие паром, имеют вес падающих частей до 10 Т [~100 кн].
На рис. 3 показано устройство паровоздушного молота, а на рис. 4 дан общий вид пневматического молота.
Рис. 3. Паровоздушный молот:
1-рабочий цилиндр, 2-станина, 3-боек, 4- шабот, 5- рычаг управления
Рис.
4. Пневматический молот:
1-баба, 2-верхний боек, 3-нижний боек, 4-шабот
Объяснение методов ковки металла | Trenton Forging
Назад к новостям/блогам
Содержание
Ковка — это производственный процесс, на который опираются многие отрасли промышленности. Фактически, сотни кованых компонентов можно найти в самолетах, транспортных средствах, сельскохозяйственном оборудовании, поездах, горнодобывающей технике и многом другом. По сравнению с другими процессами, такими как литье и сварка, поковки прочнее и надежнее. Кроме того, поскольку процесс ковки металла может эффективно производить сложные геометрические формы, он может быть более рентабельным производственным процессом.
Одно из распространенных заблуждений состоит в том, что ковка является универсальным методом; на самом деле существует несколько методов, которые может использовать производитель поковок. В целом поковку можно классифицировать двумя способами: по оснастке и по температуре.
В этой статье мы расскажем о каждом методе ковки, а также выделим основные виды оборудования, используемого при ковке.
Начнем с первой классификации: ковка с помощью оснастки
Ковка с помощью оснастки
Слова «штамп» и «инструмент» часто используются как синонимы в кузнечной промышленности. Они относятся к устройству, которое используется для формирования (обычно предварительно нагретой) заготовки, слитка, преформы или прутка. При сравнении ковки с помощью используемой оснастки существует три основных метода: тиснение штампом, открытый штамп и прокатное кольцо.
Ковка штампов
При штамповке штампов металл сжимается/сжимается между двумя специальными штампами, каждый из которых имеет предварительно вырезанные профили/полости (или оттиски) окончательной формы детали.
Затем с помощью различного оборудования, например, механического пресса или отбойного молотка, заготовку или заготовку прессуют, подвергая пластической деформации.
При каждом оттиске заготовка вдавливается в полость по мере того, как заусенец (избыток металла) вытекает в матрицу. По мере остывания вспышки в оттиске нарастает давление, что помогает обеспечить более однородный компонент. Затем вспышка удаляется либо вручную, либо с помощью обрезных штампов.
Ковка методом штамповки в основном используется для изготовления сложных симметричных и асимметричных кованых компонентов. Этот метод также может обеспечить более узкие допуски по сравнению с ковкой в открытых штампах.
Ковка в открытых штампах
В кузнечных штампах в открытых штампах заготовка (слиток, пруток, заготовка или заготовка) деформируется между верхним и нижним штампом с плоской поверхностью, и движение самой заготовки в значительной степени помогает придать конечную форму часть.
Помимо плоских штампов и молотков (или прессов) существуют другие инструменты, которые можно использовать при свободной штамповке, включая седла, блоки, кольца, оправки и пуансоны.
Детали, изготовленные методом свободной штамповки, обычно имеют простую форму (длинные и прямоугольные, плоские и круглые и т. д.) и могут подвергаться дальнейшей механической обработке после процесса ковки.
Ковка в открытых штампах используется для изготовления компонентов всех размеров, но, когда дело доходит до сложности, ковка в штампах обычно предпочтительнее, чем ковка в открытых штампах.
Ковка вальцевых колец
Последним методом обработки является ковка вальцевых колец. В отличие от тиснения и открытого штампа, в методе ковки не используются штампы, и он используется для изготовления очень специфических форм: колец.
Этот процесс ковки можно использовать для изготовления бесшовных колец всех типов и размеров. Прокатная ковка предпочтительнее механической обработки, резки и литья, поскольку она позволяет производить компоненты с жесткими допусками. Кроме того, ковка устраняет внутреннюю пористость, в отличие от литья, что снижает ползучесть, усталость и другие проблемы.
При вальцевании заготовка обычно подвергается предварительному формованию. Техника изготовления заготовок, используемая в валковой ковке, называется штамповкой. Как следует из названия, в ложе пробито отверстие, придающее ему форму пончика. Затем преформа проходит через прокатный стан до тех пор, пока не будет получен окончательный компонент.
Все типы компонентов могут быть созданы путем ковки, включая подшипники двигателя, ступичные подшипники, фланцы и шестерни.
Процессы ковки по температуре
Процессы ковки металлов также можно классифицировать по фактической температуре заготовки. Различные температуры влияют на пластичность металла, конечное качество детали и могут определять многие конечные механические свойства компонента, включая прочность, пластичность и устойчивость к ударам или усталости.
При классификации ковки по температуре различают три основных метода: горячую, теплую и холодную.
Горячая ковка
При горячей ковке штампы/инструмент обычно предварительно нагревают до определенной температуры, а затем нагревают до заданной температуры саму заготовку.
Температура, используемая при горячей ковке, варьируется в зависимости от используемого сырья, производимого компонента и любых конкретных требований к применению.
При горячей ковке тепло делает металл более пластичным, а постоянное давление штампов, сжимающих горячий металл, приводит к более мелкозернистой структуре и, следовательно, к более прочным и пластичным компонентам.
Горячая ковка
При теплой ковке заготовка нагревается в определенном диапазоне: выше температуры наклепа, но ниже температуры окалины.
Горячая ковка охватывает ряд кованых изделий, которые не требуют затрат и жестких допусков холодной ковки или более высокого предела прочности горячей ковки. Горячая ковка металла обычно используется для деталей, которые уже близки к своей окончательной форме, таких как валы и шестерни.
Холодная ковка
Как следует из названия, процесс холодной ковки выполняется при более низких температурах (от комнатной до нескольких сотен градусов).
Холодная ковка также использует другие процессы, включая гибку, чеканку, прокатку и выдавливание, в зависимости от типа производимого компонента. Металл, используемый в этом процессе, также обычно отжигается или размягчается в процессе ковки, и во время этого процесса требуется непрерывная смазка для предотвращения нагрева от трения.
Несмотря на то, что холодная ковка является чрезвычайно точной и часто практически не требует отделочных работ, горячая ковка по-прежнему является предпочтительным методом для сложных поковок по индивидуальному заказу. Кроме того, компоненты холодной штамповки с большей вероятностью будут содержать остаточные напряжения, которые в конечном итоге могут привести к растрескиванию, деформации и другим проблемам.
Оборудование, используемое при ковке
Если вы когда-нибудь видели или слышали такие термины, как ковка на прессе или ковка на молоте , то это относится к типу оборудования, используемого во время определенного процесса ковки.
Прессы
При свободной ковке или штамповке производители могут использовать пресс, который позволяет контролировать деформацию заготовки под высоким давлением. Прессы бывают нескольких типов: винтовые, гидравлические и механические.
Винтовой пресс приводит в движение силовой цилиндр вверх или вниз по винтовому валу для штамповки металла. Гидравлический пресс использует цилиндр под давлением гидравлического масла, а механический пресс приводится в действие шестерней, рычагом или другим механическим оператором, соединенным с двигателем и коленчатым валом.
Отбойные молотки
Далее, отбойный молоток, как следует из названия, использует силу тяжелого металлического молота, который при падении с высоты (под действием силы тяжести) или при помощи привода ударяет по заготовке. Мощный удар высвобождает кинетическую энергию для деформации металла, и обычно около трех ударов на каждом этапе достаточно для придания формы расплавленному металлу, хотя это количество может варьироваться.
Молотки с встречным ударом
Для очень крупных металлических деталей молоток с встречным ударом передает на матрицу энергию удара большого тоннажа. Молоток движется в противоположных направлениях с каждым ударом и обеспечивает более точное формование крупных поковок. Молоты с контрударом могут иметь гидравлический или пневматический привод.
Кольцевые ролики/прокатные станы
Кольцевой ролик, прокатный стан или редукционный стан в основном используются при ковке бесшовных прокатных колец, но также могут использоваться для предварительной формовки заготовки во время ковки в открытых штампах или штамповочных штампах. В прокатном стане преформа проходит через валки станка, который затем формирует конечный компонент (может потребоваться дополнительная обработка компонента после его прохождения через прокатный стан). Некоторые прокатные станы даже включают манипулятор, который используется для пробивки заготовки.
Один метод ковки лучше другого?
Не существует конкретного метода ковки, который по своей сути был бы «лучше», чем другой.
Каждый будет иметь уникальные преимущества в зависимости от размера, формы и количества компонентов, сложности кованых деталей или любых требований к прочности или механическим свойствам.
Некоторые геометрические формы деталей лучше подходят для определенных процессов и оборудования. В одной из наших предыдущих статей мы выделили некоторые из многих преимуществ каждого процесса ковки. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о преимуществах каждого процесса.
Есть вопросы? Свяжитесь с Trenton Forging Today
Trenton Forging — американский производитель поковок, специализирующийся как на горячей штамповке, так и на штамповке штамповкой. Мы можем производить как симметричные, так и асимметричные компоненты на заказ из стали, нержавеющей стали и стальных сплавов. Некоторые из наших других возможностей включают прототипирование и обратный инжиниринг, индивидуальную оснастку и механическую обработку.
Если у вас есть общие вопросы о нашем процессе ковки металла или вы хотите запросить расценки, заполните нашу онлайн-форму сегодня.
Обучение ковке | Образовательная информация о ковке
Обучение ковке
Благодаря нашему членству в Ассоциации кузнечной промышленности ELLWOOD City Forge Group может предложить учебные материалы по процессу ковки. Вся информация, разработанная Ассоциацией кузнечной промышленности , перепечатывается с разрешения.
Что такое ковка?
Ковка — это производственный процесс, при котором металл прессуется, растирается или сжимается под большим давлением в высокопрочные детали, известные как поковки. Процесс обычно (но не всегда) выполняется горячим путем предварительного нагрева металла до желаемой температуры перед его обработкой. Важно отметить, что процесс ковки полностью отличается от процесса литья (или литейного производства), поскольку металл, используемый для изготовления кованых деталей, никогда не плавится и не разливается (как в процессе литья).
Зачем нужны поковки и где они применяются?
В процессе ковки можно создавать детали, которые прочнее, чем детали, изготовленные с помощью любого другого процесса металлообработки.
Вот почему поковки почти всегда используются там, где важны надежность и безопасность человека. Но вы редко увидите поковки, так как обычно это составные части, содержащиеся внутри собранных предметов, таких как самолеты, автомобили, тракторы, корабли, оборудование для бурения нефтяных скважин, двигатели, ракеты и все виды капитального оборудования — и это лишь некоторые из них.
Типы процессов ковки
- Штамповка
- Открытая штамповка (ссылка на открытую штамповку)
- Поковка катаных колец
Поковки прочнее . Литье
не может получить упрочняющий эффект горячей и холодной обработки. Ковка превосходит литье по предсказуемым прочностным характеристикам, обеспечивая превосходную прочность, которая гарантирована от детали к детали.
Ковка устраняет дефекты литых слитков или непрерывнолитых прутков .
Отливка не имеет ни текучести зерен, ни направленной прочности, и процесс не может предотвратить образование определенных металлургических дефектов. Предварительная кузнечная заготовка создает поток зерен, ориентированный в направлениях, требующих максимальной прочности. Дендритные структуры, сегрегации сплава и подобные дефекты очищаются при ковке.
Поковки более надежны, менее затратны .
Дефекты литья встречаются в различных формах. Поскольку горячая обработка улучшает рисунок зерна и придает высокие свойства прочности, пластичности и сопротивления, кованые изделия более надежны. И они производятся без дополнительных затрат на более строгий контроль процесса и проверки, которые необходимы для литья.
Поковки лучше реагируют на термообработку .
Отливки требуют тщательного контроля процессов плавления и охлаждения, поскольку может произойти сегрегация сплава. Это приводит к неравномерному отклику на термообработку, что может повлиять на прямолинейность готовых деталей.
Поковки более предсказуемо реагируют на термообработку и обеспечивают лучшую размерную стабильность.
Гибкое и экономичное производство поковок адаптируется к спросу.
Для некоторых отливок, таких как отливки со специальными характеристиками, требуются дорогие материалы и средства управления технологическим процессом, а также более длительные сроки изготовления. Открытая штамповка и прокатка колец являются примерами процессов ковки, которые адаптируются к различной длине производственного цикла и позволяют сократить время выполнения заказов.
Поковки обеспечивают экономию производства и материалов.
Сварные изделия являются более дорогостоящими при больших объемах производства. Фактически, готовые детали являются традиционным источником ковки по мере увеличения объема производства. Первоначальные затраты на инструменты для ковки могут быть покрыты за счет объема производства и экономии материалов, а также внутренней экономики производства поковок, более низких затрат на рабочую силу, сокращения брака и переделок, а также снижения затрат на контроль.
Поковки прочнее.
Сварные конструкции обычно не свободны от пористости. Любой выигрыш в прочности, полученный от сварки или крепления стандартных прокатных изделий, может быть потерян из-за плохой сварки или соединения. Ориентация зерен, достигнутая при ковке, делает детали более прочными.
Поковки предлагают экономичный дизайн/контроль .
Многокомпонентный сварной узел не может сравниться с экономией затрат, полученной от правильно спроектированной цельной поковки. Такое объединение деталей может привести к значительной экономии средств. Кроме того, сварные детали требуют дорогостоящих процедур контроля, особенно компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам. Поковок нет.
Поковки обладают более стабильными металлургическими свойствами .
Избирательный нагрев и неравномерное охлаждение, возникающие при сварке, могут приводить к таким нежелательным металлургическим свойствам, как непостоянная зернистая структура.
В процессе эксплуатации сварной шов может действовать как металлургический надрез, который может привести к выходу детали из строя. Поковки не имеют внутренних пустот, которые могут привести к неожиданному выходу из строя под нагрузкой или ударом.
Поковки предлагают упрощенное производство .
Сварка и механическое крепление требуют тщательного выбора соединительных материалов, типов и размеров креплений, а также тщательного контроля за процессом затяжки, что увеличивает производственные затраты. Ковка упрощает производство и обеспечивает лучшее качество и постоянство деталей.
Поковки прочнее.
Низкие стандартные механические свойства (например, прочность на растяжение) типичны для деталей P/M. Поток зерен поковки обеспечивает прочность в критических точках напряжения.
Поковки обеспечивают более высокую целостность .
Для предотвращения дефектов P/M требуется дорогостоящая модификация плотности деталей или инфильтрация. Оба процесса увеличивают затраты. Измельчение зерна кованых деталей обеспечивает прочность металла и отсутствие дефектов.
Поковки требуют меньше вторичных операций .
Особые формы P/M, резьба и отверстия, а также точные допуски могут потребовать сложной механической обработки. Операции вторичной ковки часто можно свести к чистовой обработке, сверлению отверстий и другим простым операциям. Присущая поковкам прочность обеспечивает стабильное и превосходное качество обработанной поверхности.
Поковки обеспечивают большую гибкость дизайна . Формы
P/M ограничены теми, которые можно вытолкнуть в направлении прессования. Ковка позволяет создавать конструкции деталей, которые не ограничиваются формами в этом направлении.
В поковках используются менее дорогие материалы .
Исходными материалами для высококачественных деталей P/M обычно являются распыленные водой, предварительно легированные и отожженные порошки, которые стоят значительно больше за фунт, чем прутковые стали.
Поковки обеспечивают большую производительность .
Новые усовершенствованные конструкции деталей из композитных материалов часто требуют длительного времени подготовки и значительных затрат на разработку. Высокая производительность, возможная при ковке, еще не может быть достигнута в армированных пластмассах и композитах.
Поковки имеют установленную документацию . Данные о физических свойствах
RP/C скудны, а данные от поставщиков материалов непоследовательны. Даже передовые поковки для аэрокосмической отрасли являются хорошо зарекомендовавшими себя продуктами с хорошо задокументированными физическими, механическими и эксплуатационными данными.
Рабочие температуры RP/C ограничены, и влияние температуры часто бывает комплексным.