Ковка — процесс, классификация и методы

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.

Ковка — это производственный процесс, в котором металлам придают форму с помощью молота, прессования или прокатки. Его происхождение можно проследить в Месопотамии еще в 4000 году до нашей эры. Этот процесс естественным образом развился из простого удара молотом, так как первые люди обнаружили, что нагрев металла облегчает его обработку. Кузнецы использовали печи для нагрева металлов, что позволяло им изготавливать оружие и инструменты, такие как мечи и сельскохозяйственные орудия.

На протяжении веков ковка претерпела значительные изменения, чтобы соответствовать требованиям современной промышленности. Давайте разберемся в этом.

Что такое ковка?

Ковка — это производственный процесс, в котором используются тепло и высокое давление для придания металлу нужной формы. При нагревании до высоких температур необработанный металл становится податливым. Производители могут использовать ручную силу, гидравлические прессы и другое специализированное оборудование, чтобы придать металлу нужную форму с относительной легкостью.

Большинство кованых изделий сегодня изготавливается с помощью прессов с электрическим приводом. Однако некоторые специальные изделия, такие как ножи из дамасской стали, по-прежнему изготавливаются традиционными ручными методами.

Некоторые из популярных металлов, используемых в ковке, включают легированную сталь, алюминий, латунь, углеродистую сталь, медь, дуплексную сталь, никель, нержавеющую сталь, титан и инструментальную сталь. Как правило, ковке поддаются металлы, не обладающие высокой хрупкостью. С другой стороны, такие материалы, как чугун, некоторые высокоуглеродистые стали и другие хрупкие сплавы, не подходят для ковки из-за их неспособности выдерживать ударные нагрузки.

Кованые детали обладают многочисленными преимуществами, в том числе изысканной зернистой структурой, повышенной усталостной прочностью и износостойкостью. Кроме того, в готовом изделии отсутствуют такие дефекты, как пористость, трещины и отверстия.

Ковка может быть использована для массового производства деталей без использования избыточного металла. Она широко используется в отраслях, ориентированных на безопасность и производительность, включая аэрокосмическую, автомобильную и нефтегазовую промышленность, для изготовления таких важных компонентов, как коленчатые валы, клапаны высокого давления, шаровые шарниры, кулачки и шестерни.

Этапы процесса ковки

Тепло и высокое давление размягчают большинство металлов, что позволяет использовать ковку для работы с широким спектром материалов. Однако, поскольку свойства различных металлов отличаются, процесс ковки должен быть адаптирован соответствующим образом. Давайте рассмотрим типичный процесс ковки, чтобы понять его основные этапы:

Проектирование и изготовление штампа

В современных процессах ковки используются штампы для повышения точности, прецизионности и скорости изготовления деталей. Проектирование и изготовление штампа — это первый шаг в процессе ковки. Хороший штамп может обеспечить такие преимущества, как лучшая подача зерна, хорошая обработка поверхности, меньшее количество отходов, повышенная точность размеров и стабильное качество продукции.

Подготовка заготовок/ингот

Заготовки или слитки различного сечения служат сырьем для процесса ковки. В зависимости от технических характеристик изделия, заготовки нужной длины соответствующего сечения отрезаются и включаются в производственную линию ковки.

Нагрев

Нет смысла бить по холодному металлу. На этом этапе металл нагревается, обычно в печи, до температуры ковки.[температура ковки для стали колеблется от 850 до 1150 градусов Цельсия, в то время как идеальная температура ковки для алюминия составляет до 500 градусов Цельсия. Конкретные температуры нагрева и выдержки для процесса ковки определяются в зависимости от типа используемого металла.

Ковка

Нагретый металл перемещается в штамп, где ему придается нужная форма. Для получения окончательной формы может потребоваться несколько проходов через различные штампы. Кроме того, между прессованиями может потребоваться повторный нагрев детали.

Термообработка

Большинство деталей после ковки подвергаются термической обработке для повышения определенных механических свойств, включая прочность и твердость. Обычно используются такие процессы термообработки, как отжиг, отпуск, закалка, нормализация, обработка раствором и закалка в корпусе.

Охлаждение

Охлаждение дает прекрасную возможность улучшить такие свойства, как прочность и структура зерна. Применяя различные механизмы и скорости охлаждения, можно способствовать развитию желаемых характеристик в кованых деталях.

Финишная обработка

Перед тем как компонент будет пригоден к использованию, он может потребовать финишной обработки, например, механической обработки, обрезки и обработки поверхности. Кроме того, такие свойства, как коррозионная стойкость и эстетическая привлекательность, могут быть улучшены путем нанесения специальных покрытий на этом этапе.

Как классифицировать процессы ковки

Постоянные исследования и достижения в области металлургии привели к разработке нескольких вариантов процесса ковки. Сегодня для достижения различных сочетаний свойств в конечном продукте используется широкий спектр методов ковки. Чтобы лучше понять различные типы процессов ковки, мы будем использовать два основных метода классификации. Процессы ковки можно классифицировать по следующим признакам —

Классификация по температуре

Существует три основных типа процессов ковки, классифицируемых по температуре: холодная ковка, теплая ковка или горячая ковка.

Горячая ковка

Горячая ковка — это оригинальная процедура ковки, при которой металл нагревается до температуры, превышающей температуру его рекристаллизации. Эта температура обычно в 0,3-0,4 раза превышает температуру плавления чистых металлов, в то время как для сплавов она составляет примерно половину. При такой повышенной температуре в микроструктуре металла снимаются внутренние напряжения и образуются новые зерна, что повышает механические свойства, такие как прочность и пластичность.

Как только металл достигает этой температуры, к нему прикладывается сжимающее усилие для придания нужной формы. Для горячей ковки требуется меньшее усилие сжатия, так как при более высокой температуре материал легче деформируется.

Однако горячая ковка имеет ряд недостатков. Она предлагает более низкая точность, и окончательный шероховатая поверхность по сравнению с другими процессами. Кроме того, заготовка подвержена дефектам , таким как окисление, обезуглероживание и повреждения от прожогов.

Теплая ковка

При теплой ковке металл нагревается выше комнатной температуры, но при этом остается значительно ниже температуры рекристаллизации. Тепло делает металл более податливым. По сравнению с горячей ковкой, теплая ковка приводит к тому, что более гладкую поверхность и большую точность, но при этом обладает более высокой устойчивостью к деформации. Следовательно, большие сжимающие усилия для придания металлу формы при теплой ковке необходимо большее усилие, чем при горячей ковке.

Холодная ковка

Процесс ковки, осуществляемый при комнатной температуре, называется холодной ковкой. В этом процессе металл не нагревается, а для придания материалу нужной формы применяются сжимающие усилия. Эта техника позволяет получить превосходная отделка поверхности, высокая точность измерений, и детали, готовые к немедленному использованию. Кроме того, холодная ковка является одним из простейших процессов, которые можно автоматизировать.

Однако процесс требует высокотоннажных прессов, так как необходимы значительные сжимающие усилия. Кроме того, деталь склонна к образованию трещин из-за низкой пластичности при низких температурах.

Используемые инструменты и оборудование

Мы также можем использовать инструменты и оборудование для классификации процессов ковки. Традиционно для ковки металлов кузнецы использовали примитивное оборудование, такое как молоты и наковальни. Со временем водяные колеса привели в движение большие мехи, что позволило цветочные заводы для достижения более высоких температур в печи.

Затем, во время промышленной революции, появились механические и гидравлические прессы и выбивные машины, использующие штампы для получения более сложных форм посредством ковки. Кроме того, в этот период была разработана механизация валковой ковки, в которой использовались прочные валки для создания удлиненных деталей с различным сечением.

Типы методов ковки

Процесс ковки подразделяется на различные методы в зависимости от таких факторов, как схема процесса, типы производимых деталей, уровень автоматизации и тип используемого оборудования. В этом разделе мы объединим эти факторы, чтобы представить обзор некоторых из наиболее популярных процессов ковки, используемых сегодня. Мы рассмотрим следующие методы:

Каплевидная ковка

Каплевидная ковка — это производственный процесс, при котором молот сбрасывается на заготовку с определенной высоты. Заготовка располагается на неподвижной наковальне. Усилия, возникающие при многочисленных ударах, постепенно сжимают заготовку до нужной формы.

Каплевидная ковка может быть классифицирована на два типа: ковка в открытом штампе и ковка в закрытом штампе. При ковке в открытом штампе штамп не располагается над заготовкой; вместо этого молот непосредственно контактирует с поверхностью заготовки. Разновидность процесса ковки в открытом штампе известна как зубчатая ковка , где материал фиксируется на месте с помощью металлических когтей, а манипуляторы (металлические штампы) приближаются с двух или четырех сторон, изменяя его форму.

Напротив, при ковке в закрытом штампе заготовка помещается внутрь штампа. Закрытая штамповка также известна как штамповка по оттиску. Желаемая конечная форма может быть залита в один или оба штампа (верхний и нижний). Когда молот ударяет по верхнему штампу, он заставляет кованый металл заполнить полость штампа.

Процесс контрдутья является разновидностью метода каплевидной ковки. В отличие от процесса каплевидной ковки, в котором используется сила тяжести, в процессе контрпродувки воздух или масло под высоким давлением ускоряют движение полостей штампа навстречу друг другу. Металлическая заготовка, расположенная между штампами, поглощает интенсивные ударные силы, создаваемые ускоряющимися штампами, что позволяет ей принять форму штампов.

Прессовая ковка

Прессовая ковка использует принцип, похожий на ковку с падением; однако вместо удара используется непрерывное усилие, которое действует дольше. Это контролируемое сжатие, а не внезапный удар.

Удар при каплевидной ковке не деформирует сердцевину металлической заготовки; воздействие ограничивается поверхностным слоем. В отличие от этого, непрерывное давление, применяемое при ковке на прессе, приводит к пластической деформации по всему объему детали. Кузнечные прессы могут использовать процесс холодной или горячей ковки.

Ковка с разгрузкой

Ковка с разворотом, также известная как правка, использует серию штампов для деформации или разворота одного конца заготовки. Этот процесс обычно используется для увеличения поперечного сечения круглых прутков с одного конца для формирования таких изделий, как гвозди, болты и винты.

Круглый пруток закрепляется с помощью захватных штампов, в то время как другой штамп продвигается к открытому концу, сжимает его и изменяет его форму.

Автоматическая горячая ковка

Метод автоматической горячей ковки обеспечивает быстрое и эффективное средство массового производства заготовок или готовых изделий из стальных прутков. С одной стороны автоматического стана горячей ковки в машину подаются стальные прутки заданной длины. В течение нескольких секунд эти прутки подвергаются индукционному нагреву, очищаются от окалины, разрезаются и превращаются в готовые изделия в ковочной машине.

Детали могут проходить несколько стадий формовки в машине. Выходные данные с ковочного станка иногда отправляются на холодную или точную ковку, чтобы получить преимущества готового изделия.

Ковка валков

Ковка валков, подобно автоматической ковке, представляет собой специализированный процесс ковки, который может производить детали с уникальным поперечным сечением в больших масштабах.

Валковая ковка включает в себя два противоположных валка, на которые подаются длинные прутки с плоским или круглым сечением. Когда пруток проходит через зазор между валками, он сжимается, что приводит к уменьшению толщины и увеличению длины материала.

После прохождения деталь может быть перевернута и снова пропущена через тот же или другой набор валков, если конечный продукт требует нескольких стадий.

Ковка валков может быть горячей или холодной. Горячая ковка требует меньших сжимающих усилий. Процесс ковки валков позволяет получить отличную зернистую структуру заготовки.

Ковка прокатных колец

Процесс ковки прокатных колец позволяет получить бесшовные металлические кольца в результате процесса ковки. Процесс начинается с прокалывания цилиндрической заготовки по центру, чтобы создать форму пончика. В этот полый центр помещается опорный ролик. Затем заготовка вращается и манипулируется с помощью двух различных наборов роликов.

Ведущий ролик сжимает заготовку между собой и ведомым роликом, постепенно увеличивая размер отверстия в пончике. Осевые ролики, расположенные сверху и снизу, сжимают поверхности пончика, чтобы уменьшить его толщину (или высоту цилиндра).

Конечный продукт представляет собой кольцеобразный компонент, не имеющий швов и обладающий отличной зернистой структурой, полученной из исходной заготовки. Кольцевая штамповка обычно используется для изготовления критических компонентов, таких как шестерни, муфты и подшипники, для которых требуются бесшовные детали как в функциональных, так и в защитных целях.

Прецизионная ковка

Прецизионная ковка, также известная как ковка в форме сетки или близкой к ней форме, представляет собой процесс ковки , проводимый при значительно более низких температурах , чем при горячей ковке, что позволяет повысить точность. Для стали диапазон температур при точной ковке составляет от 750 до 950 градусов Цельсия (от 1380 до 1740 градусов по Фаренгейту).

Прецизионная ковка — это в первую очередь отделочный процесс, а не самостоятельная операция. Компоненты, изготовленные другими методами ковки, отправляются на прецизионную ковку, прежде чем их используют или подвергают дополнительным производственным процессам.

Холодная ковка

Точная ковка также может быть выполнена на температуры, близкие к температуре окружающей среды, процесс, обычно называемый холодной ковкой. Этот метод обеспечивает высокую точность конечных размеров и, как правило, исключает необходимость в дополнительных финишных операциях. Однако он подходит не для всех типов металлов, и смазка играет решающую роль в сохранении сопрягаемых поверхностей штампов. Холодная ковка часто применяется для мягких металлов, таких как алюминий.

Изотермическая ковка

Как следует из названия, изотермическая ковка проводится при фиксированной температуре. И заготовка, и штамп поддерживаются при одинаковой температуре в течение всего процесса ковки.

Эти специфические условия позволяют полностью использовать пластичность металла при заданной температуре. Изотермическая ковка обычно используется для ковки алюминия, который имеет относительно более низкую температуру ковки 430 °C (806 °F) по сравнению с другими металлами.

Изотермическая ковка обладает рядом преимуществ, включая повышенную точность, снижение количества дефектов, меньшие сжимающие усилия и повышенную пластичность материала.

Индукционная ковка

Индукционная ковка — это не является отдельным процессом ковки металла, а скорее методом нагрева , используемый для достижения температуры ковки. Мощные индукционные катушки способствуют быстрому повышению температуры и используются в условиях массового производства для сокращения времени цикла.

Мы можем использовать ее в различных процессах, регулируя нагревательную установку в соответствии с технологическим процессом.

Скручивание

Штамповка — это специализированный процесс ковки металла используется для создания конусов или заостренных кромок на полых поперечных сечениях, таких как трубы. Наплавка используется для уплотнения открытых концов или для увеличения окружности конца трубы, что облегчает соединение с другими секциями трубы.

В этом процессе материал сначала нагревают до температуры ковки, а затем прижимают к штампу, чтобы изменить форму конца трубы. Представьте себе, что вы натягиваете гибкий садовый шланг на патрубок для отвода воды. Скручивание визуально похоже на это, за исключением того, что металлическая труба сохраняет свою форму после отделения от штампа. Это лишь один конкретный пример. Параметрами процесса можно манипулировать для получения самых разных результатов.

Заключение

Ковка дает неоспоримые преимущества в металлообработке. Это экономически эффективный и универсальный метод производства высокопрочных и надежных изделий, пригодных для критически важных применений. Утонченная зернистая структура, получаемая в результате ковки, придает исключительную направленную прочность и структурную целостность.

В результате этот процесс используется для изготовления таких важных компонентов, как коленчатые валы, железнодорожные колеса и рельсы, автомобильные оси, шатуны, подвески, шестерни, валы и подшипники.

Ковка была неуклонно набирает популярность, особенно при работе с такими металлами, как титан и сверхпрочные сплавы. Ожидается, что в ближайшие десятилетия этот процесс станет более распространенным, поскольку он становится все более точным и совершенным благодаря использованию передовых материалов и методов моделирования.

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.