Кування металу

§ 1. Сутність процесу кування

Кування - процес деформування нагрітої заготівлі між верхнім і нижнім бойками молота або преса із застосуванням універсального інструмента.

Кування буває також ручним, із застосуванням кувалди, що застосовується в ремонтній справі для дрібних робіт.

Ковані заготівлі для наступної обробки називають куваннями. Маса їх від 0,1 кг до 300 т. Більші кування (масою більше 1,5 т) можна виготовляти зі злитків тільки куванням.

Менші кування можна виготовляти також штампуванням.

Куванням досягається не тільки необхідна форма кувань, але значно поліпшуються її первісні властивості й структура. Найбільше важко навантажені деталі сучасних машин виготовляються куванням або штампуванням. Наприклад, в автомобілі кількість деталей, виготовлених куванням або штампуванням, досягає 80%.

Вихідною заготівлею при куванні великих кувань, вага яких досягають 200 т (суднові прямі й колінчаті вали, ротори генераторів) є злитки. Кування масою 2 - 3 т іноді виготовляють із прокату у вигляді блюмів. Для виготовлення кувань вагою до 1 т вихідною заготівлею служить звичайний сортовий прокат.

За способом виготовлення кувань розрізняють вільне кування й гаряче об'ємне штампування.

§ 2. Операції вільного кування

Вільне кування ділиться на ручне й машинне. Ручне кування здійснюється на ковадлі за допомогою кувалди й різного ковальського інструмента. Ручне кування застосовують головним чином при ремонтних і складальних роботах, а також при виготовленні дрібних кувань у невеликій кількості. Її продуктивність украй низька.

Машинне кування здійснюється на ковальсько-пресовому встаткуванні, є основним методом, застосовуваному в машинобудуванні, а для одержання важких кувань (від 2 до 200 т) є поки єдиним.

Технологічні процеси одержання кувань дуже різноманітні, але всі вони представляють різні сполучення основних ковальських операцій: осідання, (висадження), витяжки, прошивання, гнучкі, закручування, рубання й ковальське зварювання.

Осіданням називається операція, за допомогою якої збільшують поперечний переріз вихідної заготівлі за рахунок зменшення її висоти.

Осіданням одержують заготівлі зубчастих коліс, фланців, трубних дисків з більшим поперечним перерізом при відносно малій висоті із заготівель меншого поперечного переріза.

Осідання, як попередню операцію перед прошиванням застосовують при виготовленні пустотілих кувань (кільця, барабани), а іноді як попередню  для знищення дендритної структури злитка, підвищення його якості.

Місцеве осідання, застосовуване до частини заготівлі, наз. висадженням. Прикладом висадження служить операція одержання головки болта, коли заготівлею служить пруток діаметром, рівним діаметру болта.

Витяжкою називають операцію, за допомогою якої збільшують довжину заготівлі за рахунок зменшення її поперечного перерізу (вали прямі й з уступами). Для витяжки застосовують бойки (плоскі, вирізні), обтискачі. При витяжці круглих кувань застосовують патрони для втримання й кантування заготівлі й ін. інструмент.

Витяжку здійснюють послідовними ударами або натисканнями з подачею заготівлі уздовж осі й поворотом її навколо цієї осі. Два послідовних обтиски із проміжним кантуванням на 90º наз. переходом, за яким іде подача. Відношення площі поперечного переріза заготівлі до отриманої площі перетину кування наз. ступенем уковування.

Різновидом витяжки можуть бути: розгін, витяжка з оправленням, витяжка на оправленні.

Розгін застосовується тоді, коли необхідно метал роздати в сторони.

Витяжка з оправленням збільшує довжину пустотілої заготівлі за рахунок зменшення товщини стінок. Внутрішній діаметр визначається діаметром оправлення.

Витяжка на оправленні (роздача отвору) збільшує одночасно зовнішній і внутрішній діаметр пустотілої заготівлі за рахунок зменшення товщини її стінок.

Прошивання – операція, за допомогою якої в заготівлі одержують отвір (наскрізне прошивання) або поглиблення (глухе прошивання). Прошивання бувають циліндричної форми й фасонні. Отвори діаметром до 400 мм виконують суцільними прошиваннями, а понад 400 мм - пустотілі. При прошиванні отворів більших діаметрів в заготівлях у вигляді злитків прибуткову частину розташовують унизу.

Згинанням називають операцію, за допомогою якої міняють напрямок осі заготівлі з метою одержання продукції заданої форми.

Згинання  супроводжується перекручуванням поперечного перерізу  вихідної заготівлі й зменшенням її площі. При згинванні можливе утворення складок по внутрішньому діаметрі й тріщин по зовнішньому. Для одержання в заготівлі вигину перетину заданих розмірів заготівлі заздалегідь надають на цій ділянці збільшені поперечні розміри.

Закручування – операція, за допомогою якої одну частину заготівлі повертають стосовно іншої навколо загальної осі. Закручування застосовується при виготовленні колінчатих валів з розташуванням колін у різних площинах, спіральних свердлів. Інструментом для закручування служать качани, воротки й ін.

Рубанням – називають операцію, за допомогою якої заготівлі розділяють або тільки підрозділяють (підрубування) на частини.

Рубання іноді застосовують як заготівельну операцію при підготовці заготівель мірної довжини або при видаленні донної або прибуткової частини злитка.

До рубання прибігають при куванні кувань для видалення зайвого металу, а також при куванні фігурних кувань. Інструментом є сокири й підставки.

Ковальське зварювання – операція, за допомогою якої місцевим нагрівом й механічним впливом з'єднують в одне ціле частини або кінці поковки, що зварюється. Її застосовують тільки для одержання дрібних кувань. Ковальським зварюванням добре зварюється сталь, що містить до 0,3 % С. Домішки знижують зварюваність. Зварювання здійснюється в зоні високих температур (1275 - 1400 º).

§ 3. Устаткування для вільного кування

Ці машини підрозділяються на молоти й преси. У свою чергу молоти підрозділяються: приводні (важільні, пневматичні, фрикційні) і пароповітряні; а преси – гідравлічні й парогідравлічні.

Основною характеристикою молотів є маса падаючих частин, а пресів - найбільше зусилля, що розвиває плунжером.

Молоти забезпечують у плині робочого ходу ударний динамічний до 6,5 - 7 м/сек, а преси - відносно повільний статичний до 0,1 м/сек вплив робочого інструмента на оброблюваний матеріал.

При вільному куванні дрібних кувань застосовують пневматичні кувальні молоти, середніх й великих - пароповітряні кувальні молоти й гідравлічні преси, а для дуже великих кувань - тільки гідравлічні преси.

Гідравлічні кувальні машини розрізняють простої й подвійної дії. У молотах I типу повітря працює тільки в порожнині під поршнем робочого циліндра, а в молотах II типу - над і під поршнем. У цей час застосовують тільки молоти II типу.

Пневматичний молот подвійної дії має, станину, у верхній частині якої розташовані компресорний і робочий циліндри. Поршень компресорного циліндра служить для нагнітання повітря, що приводить у рух робочий поршень, до якого прикріплений шток з падаючою довбнею молота. Робочий і компресорний циліндри з'єднані повітророзподільним пристроєм, через яке стисливе повітря направляється в робочий циліндр поперемінно знизу й зверху. Стиснене повітря переміщає довбню молота відповідно нагору й униз. Управляючи розподілом повітря, можна регулювати переміщення падаючих частин молота й робити автоматичні й одиничні удари бойка по заготівлі, притискати кування до нижнього бойка або тримати довбню молота у висячому положенні.

Маса падаючих частин молота (поршня, штока й довбні) змінюється в межах від 50 до 1000 кг. Число ударів верхнього бойка молота становить 210 - 95 у хвилину.

Пароповітряні кувальні молоти можуть проводитися в дію паром або стисненим повітрям. Пароповітряні молоти розрізняють простої й подвійної дії. В останньому випадку пар або повітря піднімає рухливі частини молота й додатково збільшує енергію удару.

Пароповітряні молоти по конструкції розділяють на одностоїчні з падаючими частинами масою 500, 750 і 1000 кг, двохстоїчні аркового типу з падаючими частинами масою 1 - 5 т і двохстоїчні мостового типу з падаючими частинами масою 2 - 5 т.

На пароповітряному молоті можна робити одиничні й автоматичні удари бойка об кування, а також притиск кування бойками.

Тиск пару або повітря 7 - 9 атм.

До складу гідропресової установки входить гідравлічний прес, насосна установка, мережа високого тиску з акумулятором високого тиску, мережа низького тиску з акумулятором низького тиску, що живить насоси й прес на певних етапах циклу; орган керування - водорозподільник (дистрибутор); система трубопроводів з відповідними апаратурами, що з'єднує всі елементи в одну гідравлічну систему.

У сучасних пресових установках як робоча рідина застосовують водні емульсії й мінеральні масла під тиском 200 - 220 атм.

Гідравлічні кувальні преси мають номінальне зусилля 200 - 1500 т.

Парогідравлічні преси, на відміну від гідравлічних, мають привод від спеціального апарата - мультиплікатора, що може приводитися в рух паром, повітрям або електрикою.

§ 4. Технологічний процес вільного кування

При виборі тех. процесу вільного кування виходять із того, щоб одержати кування гарної якості, досягти високої продуктивності встаткування й мати мінімальна витрата металу, а також забезпечити безпеку в роботі.

Техпроцес складається з наступних операцій:

1. підготовка вихідного матеріалу;
2. нагрівання металу перед куванням;
3. кування на молотах або на пресах;
4. обробки кування.

Основними документами для виготовлення кування є креслення кування й технологічна карта.

У карті вказуються: марка сталі кування, розміри й маса заготівлі; норми витрати металу; основні й допоміжні оздоблювальні операції; основний і допоміжний інструмент і пристосування; тип і силові характеристики встаткування; режим нагрівання заготівлі; і ін.

Складання технологічної карти починається зі складання креслення кування й підбора заготівлі по ньому.

Креслення кування становлять по кресленню деталі з урахуванням припуску на механічну обробку, допуску на номінальні розміри кування (точність виготовлення) і припуску (надлишку металу) для спрощення обрисів кування.

Далі, виходячи із креслення кування, вибирають заготівлю або злиток.

Підготовка металу здійснюється в заготівельному відділенні цеху, при цьому видаляються поверхневі дефекти. Виробляється різання або ламання заготівлі на мірні довжини.

Заготівлі нагрівають у ковальських горнах, камерних або методичних печах.

Нагріту заготівлю подають до молота або до преса для кування. Порядок виконання ковальських операцій указують у технологічній карті.

Отримане кування піддають обробці, що складається у видаленні поверхневих дефектів, очищенні від окалини, термічної обробки (відпал або нормалізація).

У теперішній час вихід придатного металу при одержанні кувань зі злитків на пресах не перевищує 60%, а із прокату на молотах досягають 90%.

Коефіцієнт використання металу становить 0,4 - 0,5, а іноді 0,25 - 0,3.