Объяснение процесса ковки: типы и методы

1.0Определение и основные характеристики ковки

Ковка — это производственный процесс, включающий формовку металла с помощью локальных сжимающих усилий. Удары наносятся молотом (часто механическим) или штампом. Ковка часто классифицируется по температуре, при которой она выполняется: холодная ковка (вид холодной обработки), тёплая ковка и горячая ковка (вид горячей обработки). В последних двух случаях металл нагревается, как правило, в горне. Вес кованых деталей может варьироваться от менее килограмма до сотен тонн. Кузнечные мастера занимались ковкой на протяжении тысячелетий; традиционными изделиями из них были кухонная утварь, скобяные изделия, ручные инструменты, холодное оружие, цимбалы и ювелирные изделия.

Со времён промышленной революции кованые детали широко используются в механизмах и машинах, где требуется высокая прочность; для получения готовой детали такие поковки обычно требуют дальнейшей обработки (например, механической). Сегодня ковка — важнейшая отрасль мировой промышленности.

2.0Классификация по температуре ковки

Основным основанием для классификации по температуре является температура рекристаллизации металла — критическая точка, при которой атомы перестраиваются, образуя новые зерна. В зависимости от этого ковку можно разделить на горячую, тёплую и холодную.

2.1Горячая ковка

• Диапазон температур: Для стали обычно 950–1260 °C (варьируется в зависимости от разных металлов и сплавов).
• Основные характеристики:
  • Отличная пластичность металла, хорошая формуемость и низкое усилие формования.
  • Упрочнение материала компенсируется рекристаллизацией, что приводит к снижению внутреннего напряжения.
  • Может образовывать оксидную окалину, что приводит к снижению качества поверхности и точности размеров.
• Приложения: Крупногабаритные поковки (например, валы, ступицы), грубая формовка высокопрочных сплавов. Подходит для массового производства, где не требуется высокая точность.

2.2Горячая ковка

• Диапазон температур: Ниже температуры рекристаллизации, но выше диапазона холодной ковки. Для стали обычно 650–950 °C.
• Основные характеристики:
  • Минимальное или нулевое количество окалины, лучшая чистота поверхности по сравнению с горячей ковкой.
  • Точность размеров при горячей и холодной ковке, усилие формовки ниже, чем при холодной ковке.
  • Немного сниженная формуемость по сравнению с горячей ковкой; требуется точный контроль температуры для предотвращения растрескивания.
• Приложения: Детали средней и малой точности, такие как заготовки шестерен, где требуется качество поверхности, но не требуется высокая точность холодной ковки.

3.0Классификация по ограничению штампа

Поковку также можно классифицировать по степени охвата штампа: ковку в открытых штампах и ковку в закрытых штампах.

4.0Классификация по оборудованию и эксплуатации

4.1Ковка

• Принцип: Ковка в штампе использует молот или ползун, приводимый в действие паром, гидравлическим, пневматическим или электрическим приводом, который падает на заготовку, мгновенно деформируя её. Существуют варианты ковки как в открытых, так и в закрытых штампах. Открытая ковка требует ручного перемещения заготовки, в то время как ковка в закрытых штампах позволяет излишкам материала стекать в виде облоя. Современные установки часто используют Пневматический ковочный молот для обеспечения контролируемого высокочастотного воздействия, повышения согласованности и снижения утомляемости оператора.
• Приложения: Идеально подходит для деталей среднего и малого размера, таких как валы, сельскохозяйственные орудия и механические компоненты. Свободная штамповка позволяет получать изделия больших размеров или сложной формы, где направление структуры волокон имеет решающее значение.
• Преимущества и ограничения: Быстрая деформация, сильные направленные свойства; однако точность размеров зависит от навыков оператора, а для штамповки в закрытых штампах требуется обрезка заусенцев.

4.2Кузнечно-прессовая обработка

• Принцип: Штамповка под давлением подразумевает медленное, непрерывное давление вместо удара, обеспечивая равномерную деформацию металла. Её можно выполнять в открытых или закрытых штампах на механических или гидравлических прессах.
• Приложения: Подходит для больших или сложных деталей, включая коленчатые валы, шатуны и конструктивные детали, требующие равномерного распределения деформации.
• Преимущества: Контролируемая деформация, улучшенная чистота поверхности, более высокая точность деталей за счет использования нагретых штампов.
• Ограничения: Медленнее, чем объемная штамповка, и выше первоначальная стоимость оборудования.

4.4Автоматическая горячая ковка

• Принцип: Автоматизированные линии горячей штамповки сочетают нагрев, удаление окалины, резку и ковку на нескольких станциях. Безобжиговые процессы минимизируют отходы материала и повышают эффективность.
• Приложения: Крупносерийное производство симметричных деталей малого и среднего размера, таких как автомобильные компоненты.
• Преимущества и ограничения: Высокая производительность, стабильное качество; скорость производства и допуски зависят от геометрии детали. Инвестиции в оборудование составляют многомиллионные суммы, а линии обычно предназначены для небольших симметричных деталей.

Многие современные Вальцевые ковочные машины с ЧПУ используются в автоматизированных линиях горячей ковки для контроля точности деформации и обеспечения повторяемости при производстве больших партий изделий.

4.8Индукционная ковка

• Принцип: Электромагнитная индукция быстро и локально нагревает заготовки перед ковкой, часто в сочетании с объемной ковкой или штамповкой.
• Приложения: Автомобильные и аэрокосмические компоненты, требующие локальной высокотемпературной деформации.
• Преимущества: Эффективный нагрев, уменьшение накипи, постоянный процесс, точный контроль нагретых зон.
• Ограничения: Высокие инвестиции в оборудование; ограничены размером заготовки и конструкцией катушки.

5.0Вспомогательные процессы при ковке

Конечные характеристики кованой детали зависят не только от самой операции формовки, но и от ряда вспомогательных процессов, направленных на оптимизацию качества металла. К основным вспомогательным методам относятся отжиг, отпуск и смазка штампов:

Отжиг:

• Цель: Улучшают пластичность и обрабатываемость металла, снимают внутренние напряжения, возникающие при ковке, и снижают твердость.
• Процесс: Поковка нагревается либо выше температуры рекристаллизации (послегорячая ковка), либо ниже неё (предварительная холодная ковка), выдерживается в течение определённого времени, а затем охлаждается контролируемым образом. Регулировка скорости охлаждения используется для уменьшения размера зерна, при этом мелкое зерно повышает прочность.
• Приложение:Отжиг после горячей ковки предотвращает образование трещин при последующей обработке, а сфероидизирующий отжиг перед холодной ковкой измельчает перлитную структуру, повышает пластичность и снижает нагрузки формовки.

Закалка:

• Цель:Сбалансировать твердость и вязкость поковки, снизить хрупкость после закалки и стабилизировать размерную точность.
• Процесс:Закалённую поковку повторно нагревают до температуры ниже критической (обычно 200–600 °C для сталей), выдерживают в течение определённого времени, а затем охлаждают. С повышением температуры отпуска твёрдость снижается, а вязкость увеличивается.
• Приложение:Детали, подвергающиеся ударным или циклическим нагрузкам (например, коленчатые валы, шестерни), требуют отпуска для достижения сочетания высокой прочности и высокой вязкости.

Смазка штампа:

• Функция:Уменьшают трение между металлом и матрицами, предотвращая появление дефектов поверхности или бочкообразных деформаций, одновременно продлевая срок службы матрицы и способствуя правильному потоку металла в полости деталей.
• Требования:Для горячей ковки требуются устойчивые к высоким температурам смазки (например, на основе графита), тогда как для холодной ковки требуются смазки с низким коэффициентом трения, которые легко удаляются (например, на основе металлического мыла).

6.0Выбор металлов для ковки

Практически все металлы и сплавы можно ковать, но выбор материала зависит от предполагаемого применения и эксплуатационных требований к готовому изделию. Ниже приведены распространённые промышленные металлы и их характеристики:

6.1Ковка и другие производственные процессы

Преимущества поковок обусловлены пластической деформацией в твердом состоянии и оптимизированной зеренной структурой. Их свойства существенно отличаются от свойств литых, сварных и обработанных изделий:

Поковки против литья

Поковки и сварные конструкции:

• Сила:Поковки представляют собой цельные конструкции без дефектов сварных швов (например, пористости, непровара), обеспечивающие стабильную ударную и усталостную прочность. В сварных узлах сварные швы являются «слабыми местами», склонными к образованию трещин под действием концентрации напряжений.
• Использование материалов:Поковки приобретают форму путём деформации с минимальным количеством отходов. Сварные конструкции требуют резки и сборки множества деталей, что приводит к повышенным потерям материала.
• Эффективность производства:Поковки можно в высокой степени автоматизировать для массового производства, в то время как сварные узлы требуют ручной или роботизированной сварки, а также дополнительных неразрушающих испытаний (например, рентгеновского контроля), что увеличивает сложность процесса.

Поковки и обработанные прутки:

• Структура зерна:В поковках направление зерен следует геометрии детали, повышая направленную прочность. Механическая обработка разрезает зерна, снижая усталостную прочность.
• Диапазон размеров:Поковки позволяют изготавливать детали весом от менее 1 дюйма до более 450 тонн, тогда как механическая обработка ограничена размерами имеющихся на складе деталей.
• Расходы:Поковки, близкие к заданной форме, сокращают объем последующей механической обработки, снижая затраты при массовом производстве. Отходы механической обработки могут достигать 30–50 тонн сырья.

7.0Распространенные дефекты ковки и их причины

Несмотря на то, что ковка — это зрелый и хорошо отлаженный процесс, дефекты всё ещё могут возникать из-за конструктивных недостатков, ошибок при эксплуатации или проблем с материалом. Ниже кратко изложены основные типы дефектов ковки, их проявления и основные причины:

7.1Оборудование для ковки стержней

Выбор кузнечного оборудования зависит от типа процесса и размера детали. Основные механизмы и их функции включают:

• Кузнечная печь: Обеспечивает необходимую температуру ковки. Современные системы в основном используют газовый или электрический нагрев. Индукционные печи, применяемые при автоматизированной горячей или индукционной ковке, обеспечивают быстрый и локальный нагрев.
• Мощный молот: Основное оборудование для объемной штамповки. В зависимости от источника питания различают паровые, гидравлические и электрические молоты. Вес ударных прессов варьируется от 230 кг (малые) до нескольких тонн (крупные), обеспечивая высокую ударную деформацию.
• Пресс-машина: Промышленные прессы имеют усилие от нескольких тонн до нескольких тысяч тонн; очень большие прессы могут достигать десятков тысяч тонн, но они встречаются редко.
• Осадочная машина: Специализированные горизонтальные или вертикальные прессы, предназначенные для высадки. Оснащенные многогнездными разъемными штампами, эти машины обеспечивают автоматическую подачу заготовок и непрерывную формовку.
• Кольцевой прокатный стан: Специализированное оборудование для штамповки колец, состоящее из приводного ролика, оправки и направляющих роликов. Внутренний и наружный диаметры, а также высота кольца контролируются регулировкой расстояния между роликами.
• Машина для ковочно-вальцовочной обработки: Состоит из одной или нескольких пар рифленых валков. Металл деформируется вращением валков, что делает систему пригодной для непрерывной ковки удлиненных деталей, таких как прутки или валы.

8.0Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: В чем основное различие между объемной ковкой и штамповкой под давлением?

A: При объемной штамповке удар молота наносится мгновенно, что делает этот метод подходящим для деталей малого и среднего размера с интенсивным направленным движением зерна. При штамповке применяется медленное, непрерывное давление, что обеспечивает равномерную деформацию и лучший контроль над крупными или сложными деталями.

В2: Какие станки используются для изготовления высокоточных валов?

A: Валы и удлиненные детали часто изготавливаются на вальцевых ковочных станках с ЧПУ для точного контроля размеров и равномерного распределения волокон. Для конических или ступенчатых валов машина поперечно-клиновой прокатки позволяет предварительно формовать пруток с минимальными отходами материала перед окончательной ковкой.

В3: Как производятся бесшовные кольца и какие машины для этого используются?

A: Бесшовные кольца изготавливаются путём раздачи полых заготовок между вращающимися валками. Для колец малого и среднего размера обычно используется кольцепрокатный станок с ЧПУ, а для больших колец, требующих контроля как диаметра, так и высоты, используются радиальные и осевые кольцепрокатные станки.

В4: Какие материалы подходят для этих процессов ковки?

A: К распространённым металлам относятся углеродистая и легированная сталь, нержавеющая сталь, алюминий, медь и высокопрочные сплавы, такие как титан. Выбор зависит от размера детали, требуемых механических свойств и совместимости с процессом ковки (горячей, тёплой или холодной).

В5: В чем разница между вальцовочным станком с ЧПУ и традиционной установкой вальцовочной ковки?

A: Вальцевая ковочная машина с ЧПУ обеспечивает точное управление скоростью прокатки, зазором и вращением заготовки, обеспечивая постоянную точность размеров и повторяемость распределения волокон. Традиционная вальцевая ковочная машина часто требует ручной настройки и опыта оператора, что усложняет крупносерийное высокоточное производство.

 

Ссылки

https://en.wikipedia.org/wiki/Forging

https://www.tfgusa.com/resources/metal-forging-processes-methods/

https://www.iqsdirectory.com/articles/forging.html

https://www.compass-anvil.com/forging-vs-casting