Кування та штампування металів

В основу обробки металів тисненням лягла їх пластичність, тобто здатність металів змінювати свою форму без руйнування під дією прикладених до них сил.

Обробка тисненням застосовується лише до пластичних металів, але не до крихких. Основоположником цієї теорії є вчений Д. К. Чернов.

Вплив деформації на структуру і властивості металу в холодному стані. Пластична деформація металу є наслідком зрушень, що від­буваються всередині і на границях зерен металу. При розтягненні кожне зерно розтягується, а при стисненні — сплющується. При великій деформації зерна подовжуються настільки, що набирають форми волокон, тому таку структуру металу називають волокнистою.

Кристалічна гратка в кожному уламку зерна має свою певну напрямленість, крім того, гратка сама виходить спотвореною у порівнянні з граткою зерна металу в нормальному його стані.

В процесі зміни форми заготовки в холодному стані механіч­ні та фізико-хімічні властивості металів безперервно змінюються: твердість, міцність, крихкість їх збільшується, а пластичність, корозійна стійкість і електропровідність — зменшуються. По­верхневе ущільнення металу залежно від деформації його у холод­ному стані називається наклепкою.

Звичайно на практиці обробка сталі тисненням провадиться в нагрітому стані, а в холодному стані обробці тисненням підда­ються тільки тонкі листові і штабові заготовки з м’якої сталі та кольорових металів.

При нагріванні метал з нестійкого стану наклепки поступово переходить в стійкий рівноважний стан. Тому найбільш відпові­дальні деталі і вироби звичайно виготовляють, застосовуючи гаря­чу обробку металу.

Одержання поковок у ковальських цехаx

Ковкість — це вла­стивість металів і сплавів змінювати свою форму під час обробки тисненням. Сталь, мідь, цинк, олово, свинець мають досить добру ковкість, що дає змогу обробляти їх під пресами, під вальцями про­катних станів та штампувати. Із зміною температури ковкість змі­нюється. Так, при температурі 300° у сталях з невеликим вмістом вуглецю ковкість знижується.

Кування — це спосіб обробки металу тисненням у пластичному стані з метою змінення форми ковальської заготовки. Провадиться кування за допомогою ударів молота або тиснення пресом. В ре­зультаті одержують як готові вироби, так і заготовки для механіч­ної обробки. Способом кування виготовляють багато деталей для машин та інструментів. Останнім часом широко використовується ковальсько-пресове устаткування.

Кування провадиться двома основними способами:

1) вільним куванням;

2) куванням в штампах.

При вільному куванні зміна розмірів і форми нагрітого мета­лу нічим не обмежена.

При виготовленні деталей у штампах метал набирає форми штам­па. Штамп — це інструмент для обробки різних матеріалів за до­помогою тиснення.

Штампування буває гаряче та холодне. Штампи для гарячого штампування бувають кількох типів: штампи для роботи під моло­том; штампи для висадки металів; штампи для гнуття.

Основним матеріалом для виготовлення поковок є прокат сталі та стальні злитки, які надходять до машинобудівних заводів з про­катних цехів металургійних заводів. Прокат буває листовий, сор­товий та трубний. Для поковок незначних розмірів застосовують сортовий прокат сталі круглої, прямокутної та штабової форми.

Перед тим, як кувати метал, його нагрівають до високої темпера­тури, щоб підвищити пластичність. Кожний метал має свою визна­чену початкову та кінцеву температуру кування. Ці температури визначають за спеціальною таблицею.

Таблиця початкових та кінцевих температур кування сталі

Таблиця початкових та кінцевих температур кування сталі

Таблиця початкових та кінцевих температур кування сталі

Великий вплив на якість поковки , має кінцева температура кування. Якщо кувати сталь при температурі, нижчій за кінцеву, то в поковці можуть утворитися тріщини. Коли нагріти метал до високої температури, кисень повітря сполучається з залізом на поверхні заготовки, внаслідок чого утворюється корка окисленого металу, який відокремлюється від поковки і називається окали­ною, або угаром металу.

При нагріванні металу в ковальських горнах угар доходить до 8%, а в спеціальних нагрівальних печах — не перебільшує 1%. Щоб зменшити процент угару, треба додер­жуватись встановлених температур нагріву. Пе­регрівання металу збіль­шує збитки від угару. Від перегрівання в ме­талі з’являються тріщи­ни і значно знижуються його механічні властиво­сті. Значне перевищення температури нагріву ме­талу призводить до його перепалення. Перепале­ний метал під час ку­вання руйнується. Щоб додержати точної темпе­ратури нагріву металу в нагрівальних печах, застосовують спеціальні Прилади для визначення температури.

Нагрівають метал у печах, де паливом є наф­та або газ. Великого поширення набирає нагрів металу в електро­печах. Рідше нагрівають метал у ковальських горнах, де пали­вом є кам’яне вугілля. На 100 кг поковок витрачають до 80 кг кам’яного вугілля. Крім кам’яного вугілля, як паливо застосо­вують кокс та деревне вугілля.

Схема зміни макроструктури сталевого злитка до і після кування

Схема зміни макроструктури сталевого злитка до і після кування (рис. 18)

а — структура литої сталі до прокатування чи ку­вання, б — волокниста макроструктура злитка після кування.

Заготовки нагрівають у полуменевих печах. Ці печі працюють на різному паливі. Найбільш удосконаленим способом нагрівання металу є нагрів в електричних печах. Для цього застосовують два методи:

1) індукційний метод, при якому заготовки нагрівають у високочастотному силовому магнітному полі;

2) контактний метод, який полягає в тому, що метал нагрівають, пропускаючи через нього електричний струм.

Кування сталевого злитка — це витягування його. Під час ку­вання кристали витягуються і утворюють волокна. Змінюючи будову сталевого злитка змінюють і його механічні властивості.

При куванні сталевого злитка вздовж волокон механічні властиво­сті його стають вищими, ніж при куванні злитка впоперек волокон.

На рис. 18 показана схема зміни макроструктури сталевого злитка до і після кування.

Види ковальських робіт

Ковадло

Ковадло

1 — башмак, 2 — стальна загартована поверхня, З — отвори для пробивання, 4 — площина для рубання, 5 — ріг.

Всі ковальські роботи можна поділити на такі основні види: витяжка, осадка, рубка, гнуття, пробивання отворів, зварювання ковальсіьким способом, штампування,

Витяжка дає можливість зменшити переріз заготовки та збіль­шити її довжину. Під час витяжки заготовку повертають під пря­мим кутом. Для витяжки застосовують такі ковальські інструмен­ти, як обтискачі, гладилки та інш.

Робочий інструмент для кування

Робочий інструмент для кування (рис. 20)

а — молоток-ручник, б —кувалди, в — кліщі, а — зубило, д — пробивач, в — підсічка, е — ручний обтискач, ж — машинний обтискач.

Осадка — операція кування, при якій зменшується висота заготовки за рахунок збільшення поперечних розмірів. Вона засто­совується для підвищення механічних властивостей сталі і для збільшення поперечного перерізу заготовки.

Якщо треба відокремити від заготовки частину металу або поділити заготовку на кілька частин, застосовують рубку металу. Як правило, рубають метал, нагрітий до 900—950°. Для рубки металу застосовують ковальське зубило, яке виготовляється з інструментальної сталі. Для прискорення та полегшення рубки застосовують підсічну, яка вставляється у квадратним отвір ко­вадла. Нагріта заготовка укладається на підсічку. Зверху встанов­люють зубило. По зубилу б’ють доти, доки між підсічною і зуби­лом не утвориться тонкий шар металу.

Рубка — небезпечна опера­ція, тому провадити її треба справним інструментом без найменших пошкоджень.

Способом ковальського зварювання з’єднують під ударами молота два нагрітих куски сталі, що перебувають у пластичному стані. Ковальське зварювання застосовують переважно на ремонтних роботах, а іноді при виготовленні готових виробів.

Ковальське зварювання складається з таких процесів:

1) підготовка кінців за­готовки до зварювання;

2) нагрівання;

3) зварювання,

4) проко­вування місць зварки.

Зварюють заготовки при температурі до 1350°.

Механічне кування металів

Для кування застосовують три види молотів — фрикційні, парові і пневматичні. З фрикційних молотів найширше застосовують молоти з дошкою. Сила удару їх регулюється зміною висоти підйо­му. Вага падаючих частин коливається в межах 50—3000 кг. Кіль­кість ударів бойка мо­лота на хвилину дося­гає 60.

Парові молоти від­різняються більшою точ­ністю удару бойка при штампуванні. Для по­м’якшення ударів між шаботом, що являє со­бою наковальню, і фун­даментом молота уста­новлюють дерев’яну про­кладку.

Пневматичний молот для ковальських робіт

Пневматичний молот (загальний вигляд)

Пневматичний молот (загальний вигляд) (рис. 21а)

На машинобудівних за­водах у ковальських цехах широко застосо­вують пневматичні мо­лоти (рис. 21а).

Пневматичними мо­лотами кують невеликі поковки. Найчастіше за­стосовують молоти, в яких вага падаючих частин не перевищує 1000 кг.

На цих молотах, крім вільного кування, також провадять штам­пування деталей в штампах. Баба молота приводиться в дію стисне­ним повітрям, яке подається компресором.

 

В станині молота (рис. 21б) є два циліндри — робочий 10, в якому ходить, поршень з бабою 8, і компресорний 2. Поршень ком­пресорного циліндра приводиться в рух кривошипно-шатунним ме­ханізмом 5, з’єднаним з валом б, який приводиться в дію електро­двигуном за допомогою пари зубчастих коліс 7. Поршень компре­сора 3 під час роботи стискує повітря по черзі то у верхній, то у нижній частині циліндра. За допомогою розподільних кранів 1 і 4 попарно з’єднані верхні та нижні частини обох циліндрів.

 

Схема пневматичного молота

Схема пневматичного молота (рис. 21б)

Стиснене повітря тисне на поршень робочого циліндра то знизу, то зверху і приводить таким чином бабу молота в безперервну дію.

Спеціальні пристрої (верхній кран 1, нижній кран 4 та середній кран і зворотний клапан, що знаходяться в камері 9) побудовані так, що, крім автоматичної роботи, бабу молота можна тримати на певній висоті або опустити її донизу так, щоб вона лягла на нижню частину молота і притиснула поковку. Це можна робити, не зупиняючи роботи електродвигуна,

Пневматичні молоти, вага баби яких не перевищує 150 кг, мають ножне і ручне керування і можуть обслуговуватися одним робіт­ником.

Під час кування нагріту заготовку кладуть на нижню частину молота (ковадло), закріплену в шаботі, Що являє собою стальну відливку конічної форми, вага якої в 15 раз більша, ніж вага падаю­чих частин молота.

Шабот з ковадлом встановлюють на залізобетонному фундаменті, поверх якого роблять настил з дерев’яних плиток, покладених на торець.

Гаряче штампування (кування в штампах)

Штампи являють собою стальні форми, в яких є порожнини, що називаються рівчаками. Методом штампування можна виготов­ляти різні складні деталі.

Провадиться гаряче штампування за допомогою молотів або кувальних машин. Найбільш поширеним способом гарячого штампу­вання є штампування за допомогою молотів.

Штамп складається з двох частин — верхньої і нижньої. Нижня частина кріпиться на шаботі, а верхня — на бойку самого молота. Обидві частини мають порожнини, які утворюють рівчак, що від­повідає формі поковки. Заготовка нагрівається до температури кування і кладеться в нижню порожнину штампа. Внаслідок уда­рів молота метал легко формується і. заповнює рівчак.

Зайвий метал з рівчака видавлюється в кільцеву порожнину і перешкоджає дальшому виходу металу в площину рознімання штампа.

В залежності від кількості рівчаків штампи поділяються на однорівчакові і багаторівчакові.

Однорівчакові штампи застосовують для виготовлення простих виробів, а також для штампування заготовок.

Багаторівчакові штампи мають заготовчі, штампувальні і від­різні рівчаки. Заготовчі рівчаки розташовуються по краях штампа, а штампувальні —по середині штампа. В заготовчих рівчаках від­бувається витяжка або гнуття заготовки, в штампувальних — їй надається остаточна форма. У відрізних рівчаках відбувається відокремлення штамповки від матеріалу заготовки.

Штампування на горизонтально-кувальних машинах

На відміну від молотів у кувальних машин бойок рухається в горизонталь­ній площині, тому ці машини дістали назву горизонтально-ку­вальних.

Горизонтально-кувальні машини мають перевагу перед іншими способами одержання поковок, тому що на них досягається най­більша точність виготовлення заготовок і майже нема відходів ма­теріалу.

Горизонтально-кувальні машини застосовують для виготовлен­ня невеликих поковок (болтів, заклепок, гайок, втулок та ін.).

Чеканення

Чеканення виробів є високопродуктивний метод об­робки металів тисненням. За цим методом всі штампувальні заго­товки калібруються шляхом малих деформацій металу тисненням у чеканочних штампах. При цьому досягається найбільша точність чеканення (2-го або 3-го класу).

В результаті чеканення можна одержати готові деталі, які не вимагають дальшої обробки різанням на верстатах.

Заготовки для деталей повинні бути старанно виготовлені, мати найменші припуски, бо збільшений припуск тягне за собою збільшення зусиль чеканення і зменшення його точності. Поверхню заготовки старанно очищають за допомогою піскоструминного апарата.

Операція чеканення провадиться на криво­шипних пресах з жорсткими напрямними. Схема кривошипних пресів зображена на рис. 22. При повороті кривошипа 1 шатун 2 приводить в рух повзун 3, який тисне на за­готовку.

Аналогічну будову мають ексцентрикові преси, які відрізняються від кривошипних тим, що на вал замість кривошипа наса­джується ексцентрик.

Холодне штампування

Схема кривошипного преса

Схема кривошипного преса (рис. 22)

Холодне штампування застосовують для виготовлення деталей з листової сталі, алю­мінію, міді, латуні, сплавів алюмінію і спла­вів магнію та ін.

Просте штампування здійснюється шляхом вирізання, витяжки і гнуття. Складне штам­пування складається з комбінації переліче­них окремих операцій.

Вирізання застосовують для виготовлення з листа деталей пло­скої форми. Форма контура при цьому може бути різною: квадрат­ною, овальною, круглою і т. д. Деталь може мати отвір.

Штамп для вирізання має дві основні частини: матрицю (ниж­ню частину штампа) і пуансон (верхню частину штампа).

Витягання забезпечує виготовлення з листового металу заго­товки відкритих зверху посудин. Провадиться воно у витяжних штампах.

Схема кривошипного преса  — 1—кривошип, 2—шатун, 3—повзун.

Холодне штампування виконують на ексцентрикових, криво­шипних і фрикційних пресах. Для усунення наклепки і відновлен­ня початкових механічних властивостей металу деякі вироби під­дають відпалюванню. Якщо штампування виконується за кілька прийомів з значною деформацією металу, то відпалювання прово­дять кілька разів. Однак в ряді випадків, коли наклепка не погіршує якості виро­бів, відпалювання не провадять.

Запитання для повторення

  1. В чому полягає обробка металів тисненням?
  2. Як змінюється будова металу при його деформації в холодному стані?
  3. Що таке ковкість металу?
  4. Якими способами провадиться кування деталей?
  5. В чому полягає спосіб вільного кування ?
  6. В чому полягає процес кування в штампах?
  7. Яке народногосподарське значення має розширення виробництва дета­лей у штампах?
  8. Який матеріал в основному йде на виготовлення деталей у ковальських цехах ?
  9. Що таке угар металу?
  10. Де провадять нагрів, металу?
  11. На які види поділяються ковальські роботи та який інструмент засто­совують для цього ?
  12. Які молоти застосовують для гарячого кування металу?
  13. Розкажіть про будову і роботу пневматичного молота.
  14. В чому полягає процес гарячого штампування?
  15. Для чого застосовують горизонтально-кувальні машини?
  16. Розкажіть про процес чеканення металу.
  17. Розкажіть про спосіб холодного штампування.
  18. З якого металу виготовляють деталі способом холодного штампування?
Tagged: