Kucie – proces, klasyfikacja i metody

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Kucie jest procesem produkcyjnym, który kształtuje metale poprzez młotkowanie, prasowanie lub walcowanie. Jego początki sięgają Mezopotamii już 4000 lat przed naszą erą. Proces ten naturalnie ewoluował od zwykłego młotkowania, gdy pierwsi ludzie odkryli, że podgrzewanie metalu ułatwia jego kształtowanie. Kowale używali pieców do podgrzewania metali, umożliwiając im wytwarzanie broni i narzędzi, takich jak miecze i narzędzia rolnicze.

Na przestrzeni wieków kucie przeszło znaczny postęp, aby sprostać wymaganiom nowoczesnych gałęzi przemysłu. Proszę przejść do rzeczy.

Czym jest kucie?

Kucie to proces produkcyjny wykorzystujący ciepło i wysokie ciśnienie do kształtowania metalu do pożądanej formy. Po podgrzaniu do podwyższonej temperatury surowy metal staje się plastyczny. Producenci mogą wykorzystywać siłę ręczną, prasy hydrauliczne i inny specjalistyczny sprzęt do kształtowania metalu ze względną łatwością.

Większość kutych produktów jest obecnie wytwarzana przy użyciu pras zasilanych elektrycznie. Jednak niektóre specjalistyczne przedmioty, takie jak noże ze stali damasceńskiej, są nadal wytwarzane przy użyciu tradycyjnych metod ręcznych.

Niektóre z popularnych metali stosowanych w kuciu obejmują stal stopową, aluminium, mosiądz, stal węglową, miedź, stal duplex, nikiel, stal nierdzewną, tytan i stal narzędziową. Ogólnie rzecz biorąc, metale, które nie są bardzo kruche, mogą być poddawane procesom kucia. Z drugiej strony, materiały takie jak żeliwo, niektóre stale wysokowęglowe i inne kruche stopy nie nadają się do kucia, ponieważ nie są w stanie wytrzymać obciążeń udarowych.

Części kute zapewniają liczne korzyści, w tym wyrafinowaną strukturę ziarna, wyższą odporność na zmęczenie i wytrzymałość. Ponadto produkt końcowy jest wolny od wad, takich jak porowatość, pęknięcia i otwory.

Kucie może być zaprojektowane do masowej produkcji części bez użycia nadmiaru metalu. Jest szeroko stosowane w branżach zorientowanych na bezpieczeństwo i wydajność, w tym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym oraz naftowym i gazowym, w przypadku krytycznych komponentów, takich jak wały korbowe, zawory wysokociśnieniowe, przeguby kulowe, krzywki i koła zębate.

Etapy procesu kucia

Ciepło i wysokie ciśnienie zmiękczają większość metali, dzięki czemu kucie jest skuteczne w przypadku szerokiej gamy materiałów. Ponieważ jednak właściwości różnych metali różnią się, proces kucia musi być odpowiednio dostosowany. Przeanalizujmy typowy proces kucia, aby zrozumieć jego główne etapy:

Projektowanie i produkcja matryc

Nowoczesne procesy kucia wykorzystują matryce w celu zwiększenia dokładności, precyzji i szybkości produkowanych części. Projektowanie i produkcja matryc to pierwszy krok w procesie kucia. Dobra matryca może zapewnić korzyści, takie jak lepszy przepływ ziarna, dobre wykończenie powierzchni, mniejsze straty, lepszą dokładność wymiarową i stałą jakość produkcji.

Przygotowanie kęsów/wlewków

Kęsy lub wlewki o różnych przekrojach służą jako surowce do procesu kucia. W zależności od specyfikacji produktu, wymagane długości odpowiednich przekrojów są cięte i włączane do linii produkcyjnej kucia.

Ogrzewanie

Nie ma sensu bić metalu, który jest zimny. Na tym etapie metal jest podgrzewany, zazwyczaj w piecu, do temperatury kucia. Temperatura Temperatura kucia stali wynosi od 850 do 1150 stopni Celsjusza., podczas gdy idealna temperatura kucia dla aluminium wynosi do 500 stopni Celsjusza. Konkretne temperatury nagrzewania i wygrzewania dla procesu kucia są określane na podstawie rodzaju używanego metalu.

Kucie

Rozgrzany metal jest przenoszony do matrycy, gdzie jest dociskany do kształtu. Aby uzyskać ostateczny kształt, konieczne może być wielokrotne przejście przez różne matryce. Dodatkowo, część może wymagać ponownego podgrzania między prasami.

Obróbka cieplna

Większość komponentów jest poddawana obróbce cieplnej po kuciu w celu poprawy określonych właściwości mechanicznych, w tym wytrzymałości i twardości. Zazwyczaj stosowane procesy obróbki cieplnej to wyżarzanie, odpuszczanie, hartowanie, normalizowanie, obróbka roztworowa i utwardzanie powierzchniowe.

Chłodzenie

Chłodzenie stanowi doskonałą okazję do poprawy właściwości, takich jak wytrzymałość i struktura ziarna. Stosując różne mechanizmy chłodzenia i szybkości, można promować rozwój pożądanych właściwości w kutych komponentach.

Wykańczanie

Komponent może wymagać operacji wykończeniowych, takich jak obróbka skrawaniem, przycinanie i obróbka powierzchni, zanim będzie nadawał się do użytku. Dodatkowo, właściwości takie jak odporność na korozję i estetyka mogą zostać poprawione poprzez zastosowanie określonych powłok na tym etapie.

Jak klasyfikować procesy kucia?

Ciągłe badania i postępy w metalurgii doprowadziły do opracowania kilku odmian procesu kucia. Obecnie stosuje się szeroką gamę technik kucia w celu uzyskania różnych kombinacji właściwości produktu końcowego. Aby lepiej zrozumieć różne rodzaje procesów kucia, zastosujemy dwie podstawowe metody klasyfikacji. Procesy kucia można sklasyfikować według –

Klasyfikacja według temperatury

Istnieją trzy podstawowe rodzaje procesów kucia sklasyfikowane według temperatury: kucie na zimno, kucie na ciepło, kucie na gorąco. lub kucie na gorąco.

Kucie na gorąco

Kucie na gorąco to oryginalna procedura kucia, w której metal jest podgrzewany do temperatury przekraczającej jego temperaturę rekrystalizacji. Temperatura ta wynosi zazwyczaj od 0,3 do 0,4 razy więcej niż temperatura topnienia czystych metali, podczas gdy w przypadku stopów jest ona w przybliżeniu o połowę niższa. W tej podwyższonej temperaturze mikrostruktura metalu łagodzi wszelkie wewnętrzne naprężenia i tworzy nowe ziarna, zwiększając w ten sposób właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość i plastyczność.

Gdy metal osiągnie tę temperaturę, przykładana jest siła ściskająca w celu nadania mu pożądanego kształtu. Produkty kute na gorąco wymagają niższych poziomów siły ściskającej, ponieważ materiał łatwiej odkształca się w wyższych temperaturach.

Kucie na gorąco ma jednak kilka wad. Oferuje niższą precyzjęi ostateczny wykończenie powierzchni jest bardziej szorstkie w porównaniu do innych procesów. Dodatkowo, obrabiany przedmiot jest podatny na wady takie jak utlenianie, odwęglanie i uszkodzenia spowodowane spalaniem.

Kucie na ciepło

Podczas kucia na ciepło metal jest podgrzewany powyżej temperatury pokojowej, pozostając jednocześnie znacznie poniżej temperatury rekrystalizacji. Ciepło sprawia, że metal jest bardziej giętki. W porównaniu do kucia na gorąco, kucie na ciepło skutkuje gładszą powierzchnię i większą precyzję, ale wykazuje również wyższą odporność na odkształcenia. W konsekwencji, większe siły ściskające są niezbędne do kształtowania metalu w kuciu na ciepło niż w kuciu na gorąco.

Kucie na zimno

Proces kucia przeprowadzany w temperaturze pokojowej nazywany jest kuciem na zimno. W tym procesie metal nie jest podgrzewany; zamiast tego siły ściskające są stosowane do bezpośredniego kształtowania materiału. Technika ta pozwala uzyskać doskonałe wykończenie powierzchni, wysoka dokładność wymiarowai części, które są gotowe do natychmiastowego użycia. Dodatkowo, kucie na zimno jest jednym z najprostszych do zautomatyzowania procesów.

Jednak proces wymaga pras o wysokim tonażu, ponieważ konieczne są znaczne siły ściskające. Część jest również podatna na pękanie ze względu na niską plastyczność w niskich temperaturach.

Według używanego oprzyrządowania i sprzętu

Możemy również użyć narzędzi i sprzętu do klasyfikacji procesów kucia. Tradycyjnie kowale używali podstawowego sprzętu, takiego jak młoty i kowadła do kucia metali. Z biegiem czasu koła wodne napędzały duże miechy, umożliwiając bloomeries aby osiągnąć wyższe temperatury pieca.

Następnie, wraz z rewolucją przemysłową, wprowadzono mechaniczne i hydrauliczne prasy i spęczarki, wykorzystujące matryce do produkcji bardziej złożonych kształtów poprzez kucie. Dodatkowo, w tym okresie opracowano mechanizację kucia walcowego, wykorzystującą wytrzymałe walce do tworzenia wydłużonych elementów o różnych przekrojach.

Rodzaje metod kucia

Proces kucia dzieli się na różne metody w zależności od czynników, takich jak układ procesu, rodzaje produkowanych części, poziom automatyzacji i rodzaj używanego sprzętu. W tej sekcji zintegrujemy te czynniki, aby przedstawić przegląd niektórych z najpopularniejszych obecnie stosowanych procesów kucia. Metody, które omówimy, obejmują następujące:

Kucie matrycowe

Kucie matrycowe to proces produkcyjny, w którym młot spadowy jest wypuszczany na obrabiany przedmiot z określonej wysokości. Obrabiany przedmiot jest umieszczony na nieruchomym kowadle. Siły generowane przez wielokrotne uderzenia stopniowo ściskają obrabiany przedmiot do pożądanego kształtu.

Kucie matrycowe można podzielić na dwa rodzaje: kucie w matrycy otwartej i kucie w matrycy zamkniętej. W przypadku kucia z otwartą matrycą nie ma matrycy umieszczonej nad przedmiotem obrabianym; zamiast tego młotek ma bezpośredni kontakt z powierzchnią przedmiotu obrabianego. Odmiana procesu kucia z otwartą matrycą jest znana jako cogging gdzie materiał jest mocowany w miejscu za pomocą metalowych pazurów, podczas gdy manipulatory (metalowe matryce) zbliżają się z dwóch lub czterech kierunków, aby zmienić jego kształt.

W przeciwieństwie do tego, kucie w matrycy zamkniętej zamyka obrabiany przedmiot w matrycy. Kucie w matrycy zamkniętej jest również znane jako kucie w matrycy wyciskowej. Pożądany kształt końcowy można odlać w jednej lub obu matrycach (górnej i dolnej). Gdy młotek uderza w górną matrycę, zmusza kuty metal do wypełnienia wnęki matrycy.

Proces przeciwuderzenia jest odmianą techniki kucia matrycowego. W przeciwieństwie do procesu kucia matrycowego, który opiera się na grawitacji, proces przeciwuderzeniowy wykorzystuje powietrze lub olej pod wysokim ciśnieniem do przyspieszania kucia matryc względem siebie. Metalowy materiał umieszczony między matrycami pochłania intensywne siły uderzenia generowane przez przyspieszające matryce, umożliwiając mu dostosowanie się do kształtu matryc.

Kucie matrycowe

Kucie matrycowe wykorzystuje zasadę podobną do kucia matrycowego; jednak zamiast polegać na uderzeniu, wykorzystuje ciągłą siłę, która trwa dłużej. Jest to raczej kontrolowane ściskanie niż nagłe uderzenie.

Uderzenie podczas kucia matrycowego nie deformuje rdzenia metalowego przedmiotu obrabianego; efekty są ograniczone do warstwy powierzchniowej. W przeciwieństwie do tego, ciągły nacisk wywierany podczas kucia w prasie powoduje odkształcenie plastyczne w całej objętości części. Prasy kuźnicze mogą wykorzystywać proces kucia na zimno lub na gorąco.

Kucie na gorąco

Kucie matrycowe, znane również jako kucie matrycowe, wykorzystuje serię matryc do odkształcania lub spęczania jednego końca przedmiotu obrabianego. Proces ten jest powszechnie stosowany do zwiększania przekroju okrągłych prętów na jednym końcu w celu tworzenia artykułów takich jak gwoździe, śruby i wkręty.

Okrągły pręt jest mocowany za pomocą matryc chwytających, podczas gdy inna matryca przesuwa się w kierunku odsłoniętego końca, ściska go i zmienia jego kształt.

Automatyczne kucie na gorąco

Metoda automatycznego kucia na gorąco zapewnia szybki i wydajny sposób masowej produkcji półwyrobów lub gotowych produktów z prętów stalowych. Po jednej stronie automatycznej kuźni na gorąco, pręty stalowe o określonej długości są podawane do maszyny. Pręty te są podgrzewane indukcyjnie, odkamieniane, cięte i kute w gotowe produkty w ciągu kilku sekund w maszynie kuźniczej.

Części mogą być poddawane kilku etapom formowania wewnątrz maszyny. Wyjście z maszyny kuźniczej jest czasami wysyłane do kucia na zimno lub kucia precyzyjnego, aby uzyskać korzyści w gotowym produkcie.

Kucie rolkowe

Kucie walcowe, podobne do kucia automatycznego, jest wyspecjalizowanym procesem kucia, który może wytwarzać części o unikalnym przekroju na dużą skalę.

Kucie walcowe obejmuje dwa przeciwległe walce, które odbierają długie pręty o płaskim lub okrągłym przekroju. Gdy pręt przechodzi przez szczelinę między walcami, jest ściskany, co powoduje zmniejszenie grubości i zwiększenie długości materiału.

Po przejściu część może zostać odwrócona i ponownie przepuszczona przez ten sam lub inny zestaw rolek, jeśli produkt końcowy wymaga wielu etapów.

Kucie rolkowe może odbywać się na gorąco lub na zimno. Kucie na gorąco wymaga mniejszych sił ściskających. Proces kucia walcowego zapewnia doskonałą strukturę ziarna obrabianego przedmiotu.

Kucie pierścieni walcowanych

Proces kucia pierścieni walcowanych wytwarza bezszwowe pierścienie metalowe z procesu kucia. Proces rozpoczyna się od przebicia cylindrycznego materiału od środka, aby utworzyć kształt pączka. W tym wydrążonym środku umieszczana jest rolka prowadząca. Obrabiany przedmiot jest następnie obracany i manipulowany za pomocą dwóch różnych zestawów rolek.

Rolka napędowa dociska obrabiany przedmiot między sobą a rolką prowadzącą, stopniowo zwiększając rozmiar otworu pączka. Rolki osiowe, umieszczone na górze i na dole, ściskają powierzchnie pączka, aby zmniejszyć jego grubość (lub wysokość cylindryczną).

Produktem końcowym jest element w kształcie pierścienia, który nie ma szwów i ma doskonałą strukturę ziarna pochodzącą z oryginalnego przedmiotu obrabianego. Kucie pierścieni walcowanych jest zwykle stosowane w przypadku krytycznych komponentów, takich jak koła zębate, sprzęgła i łożyska, które wymagają bezszwowych części zarówno ze względów funkcjonalnych, jak i bezpieczeństwa.

Kucie precyzyjne

Kucie precyzyjne, znane również jako kucie w kształcie siatki lub kucie w kształcie zbliżonym do siatki, to proces kucia prowadzony w znacznie niższych temperaturach niż te stosowane w kuciu na gorąco, co pozwala na zwiększenie precyzji. W przypadku stali zakres temperatur kucia precyzyjnego wynosi od 750 do 950 stopni Celsjusza (1380 do 1740 stopni Fahrenheita).

Kucie precyzyjne jest przede wszystkim procesem wykończeniowym, a nie samodzielną operacją. Komponenty wyprodukowane innymi metodami kucia są wysyłane do kucia precyzyjnego przed ich użyciem lub poddaniem dodatkowym procesom produkcyjnym.

Kucie na zimno

Kucie precyzyjne może być również wykonywane w temperatury zbliżone do temperatury otoczenia, proces powszechnie określany jako kucie na zimno. Metoda ta zapewnia bardzo dokładne wymiary końcowe i zazwyczaj eliminuje potrzebę dodatkowych operacji wykończeniowych. Nie jest ona jednak odpowiednia dla wszystkich rodzajów metali, a smarowanie odgrywa kluczową rolę w ochronie współpracujących powierzchni matryc. Kucie na zimno jest często stosowane w przypadku miękkich metali, takich jak aluminium.

Kucie izotermiczne

Jak sama nazwa wskazuje, kucie izotermiczne odbywa się w stałej temperaturze. Zarówno półwyrób, jak i matryca są utrzymywane w jednolitej temperaturze podczas całego procesu kucia.

Te specyficzne warunki pozwalają w pełni wykorzystać plastyczność metalu w określonej temperaturze. Kucie izotermiczne jest powszechnie stosowane do kucia aluminium, które ma stosunkowo niższą temperaturę kucia 430 °C (806 °F) w porównaniu do innych metali.

Kucie izotermiczne oferuje kilka zalet, w tym zwiększoną precyzję, zmniejszoną liczbę defektów, niższe siły ściskające i zwiększoną plastyczność materiału.

Kucie indukcyjne

Kucie indukcyjne to nie jest odrębnym procesem kucia metalu, ale raczej metodą ogrzewania używana do osiągnięcia temperatury kucia. Cewki indukcyjne o dużej mocy ułatwiają szybki wzrost temperatury i są stosowane w środowiskach produkcji masowej w celu skrócenia czasu cyklu.

Możemy go używać w różnych procesach, dostosowując konfigurację ogrzewania do danego procesu.

Kształtowanie

Swaging to specjalistyczny proces kucia metalu stosowany do tworzenia stożków lub spiczastych krawędzi na wydrążonych przekrojach., takich jak rury. Kształtowanie jest stosowane do uszczelniania otwartych końców lub powiększania obwodu końca rury, ułatwiając połączenie z innymi odcinkami rur.

W tym procesie materiał jest najpierw podgrzewany do temperatury kucia, a następnie dociskany do matrycy w celu zmiany kształtu końca rury. Proszę sobie wyobrazić wciskanie elastycznego węża ogrodowego w połączenie wylotu wody. Kształtowanie matrycowe wygląda podobnie, z tą różnicą, że metalowa rura zachowuje swój kształt po oddzieleniu od matrycy. To tylko jeden konkretny przykład. Parametrami procesu można manipulować w celu uzyskania szeregu wyników.

Wnioski

Kucie oferuje wyraźne korzyści w obróbce metali. Jest to opłacalna i wszechstronna metoda wytwarzania niezawodnych produktów o wysokiej wytrzymałości, odpowiednich do krytycznych zastosowań. Wyrafinowana struktura ziarna wynikająca z kucia nadaje wyjątkową wytrzymałość kierunkową i integralność strukturalną.

W rezultacie proces ten jest wykorzystywany do produkcji kluczowych komponentów, takich jak wały korbowe, koła i gąsienice kolejowe, osie pojazdów, korbowody, zawieszenia, koła zębate, wały i łożyska.

Kucie zostało stale zyskuje na popularności, szczególnie w przypadku metali takich jak tytan i superstopy. Przewiduje się, że proces ten stanie się bardziej powszechny w nadchodzących dziesięcioleciach, ponieważ stanie się coraz bardziej dokładny i wyrafinowany dzięki zastosowaniu zaawansowanych materiałów i technik symulacji.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.