Формовка металла: подробное руководство по 8 основным процессам ковки

Ковка — это метод формовки металлов с помощью сжатия, который повышает прочность металла, измельчает его зернистую структуру и повышает усталостную прочность, позволяя получать детали, более прочные, чем литые или обработанные на станке. Этот метод идеально подходит для отраслей, где требуются прочные и надёжные детали.

Классификация ковки по инструменту

Открытая ковка

Свободная ковка, также известная как ковка в открытых штампах, представляет собой формовку горячего металла между плоскими штампами или молотом и наковальней. При этом отсутствуют боковые стенки или цельные формы, что позволяет металлу относительно свободно течь при деформации с разных сторон.

Преимущества

• Непрерывный поток зерна: Структура зерна соответствует форме детали, что повышает прочность и устойчивость к разрушению.
• Меньше отходов: Поскольку облоя нет, это позволяет сэкономить на сырье, особенно при использовании дорогих сплавов.
• Крупные детали: Подходит для ковки крупногабаритных или нестандартных форм, которые не помещаются в формы.

Свободная ковка обычно применяется для изготовления больших валов для выработки электроэнергии, цилиндров в гидравлических прессах, а также специальных инструментов и изделий для кузнечных работ.

Ковка в закрытых штампах (штамповка)

Это процесс, при котором нагретая заготовка помещается между штампами, точно повторяющими контур детали. Металл под давлением заполняет полость штампа, а излишки материала вытекают в виде облоя, который затем обрезается.

Ресурсы: Ковка в закрытых и открытых штампах

Этот процесс часто включает три этапа:

1. Окантовка: На этом этапе металл распределяется внутри заготовки, подготавливая ее для заливки в форму.
2. Блокировка: Здесь металлу придается форма, максимально напоминающая конечную деталь.
3. Окончательное впечатление: Прессует металл в окончательную форму с жесткими допусками.

Преимущества

• Формы, близкие к чистым: Это означает, что кованая деталь получается очень близкой к своему окончательному размеру и форме.
• Высокая точность: Фасонные штампы контролируют каждую деталь, поэтому детали выходят с жесткими допусками.
• Повторяемость: После установки штампов каждая кованая деталь получается практически одинаковой. Независимо от того, изготавливаете ли вы 100 или 10 000 единиц, качество остаётся неизменным.
• Высокая прочность: Это делает металл более прочным и устойчивым к трещинам и ударам.

Поковка прокатных колец

Этот процесс начинается с круглой заготовки, в центре которой пробивают отверстие, превращая её в толстое кольцо. Затем кольцо нагревают и прокатывают между инструментами, которые его расширяют. Металл растягивается наружу, кольцо становится тоньше и шире. Зерно также движется по кругу, что делает кольцо прочным во всех направлениях.

Этот процесс используется для изготовления таких деталей, как подшипники, шестерни, фланцы ветряных турбин и компоненты реактивных двигателей.

Преимущества

• Обеспечивается равномерный поток зерен, что повышает сопротивление усталости.
• Он обеспечивает практически непрерывную структуру, что снижает необходимость в сварке.
• Поскольку кольцо выковано из цельного куска металла без швов и сварных соединений, деталь лучше держится под нагрузкой.

Ковка по температурной категории

Горячая ковка

Горячая ковка подразумевает формовку металла при температуре выше его точки рекристаллизации, которая обычно составляет от 0,3 до 0,5 его абсолютной температуры плавления (Tпл). Благодаря этому металлу гораздо легче придавать форму, особенно тем металлам, которые трудно обрабатывать в холодном состоянии.

Преимущества

• Благодаря высоким температурам сопротивление металла деформации значительно снижается, что облегчает формование сложных или крупногабаритных деталей.
• Тепло и давление могут помочь закрыть небольшие внутренние трещины, поры или пустоты в металле, что улучшает общую структуру и прочность детали.
• Поскольку горячая ковка позволяет легче деформировать металл, она идеально подходит для ковки очень больших деталей или форм с толстыми сечениями.

Недостатки

• При нагревании металла на воздухе он вступает в реакцию с кислородом и образует на поверхности слой окалины, из-за чего деталь может выглядеть шероховатой.
• Окалина не только делает поверхность шероховатой, но и может снизить точность детали, а также привести к небольшим потерям материала в ходе процесса.

Теплая ковка

Этот процесс выполняется при промежуточных температурах между горячей и холодной ковкой. Горячая ковка обеспечивает более гладкую поверхность, чем горячая, но требует больших усилий и быстрее изнашивает инструменты. Контроль температуры также имеет более важное значение.

Горячая ковка позволяет лучше контролировать размер и форму, чем горячая. Хотя она не так точна, как холодная, она обеспечивает достаточную точность для многих деталей.

Холодная ковка

Холодная ковка Для формовки металла используется сильное давление при комнатной температуре или ниже, что значительно ниже температуры рекристаллизации металла. В этом процессе используются следующие распространённые методы:

• Чеканка: Вдавливает буквы, логотипы и другие мелкие детали на поверхность металла.
• Холодная высадка: Формирует шляпки гвоздей, болтов и штифтов без резки и сварки.
• Рисунок: Протягивает металл через фильеру для уменьшения его поперечного сечения и получения длинной проволоки или трубок.
• Экструзия: Продавливает металл через фасонное отверстие штампа под высоким давлением, создавая стержни, прутки или трубки.

Преимущества

• Этот процесс обеспечивает гладкую и превосходную отделку поверхности.
• Он обеспечивает превосходную размерную точность и чистоту поверхности, хотя при проектировании штампа необходимо учитывать упругое последействие.
• Поскольку этап нагрева отсутствует, это экономит много энергии.

Специализированные методы ковки

Обжимка

Обжимка Это метод ковки или выдавливания, при котором используются радиальные или вращающиеся штампы, которые быстро воздействуют на заготовку, вращаясь или перемещаясь вперёд. Ковка может быть горячей или холодной, в зависимости от металла и детали. Её часто используют для сужения, уменьшения или расширения концов прутков или труб.

Чаще всего он используется в:

• Гильзы
• Металлические трубочки для ручек
• Производство вала или шпинделя

Кузнечно-прессовая обработка

ковка под давлением Для формовки металла используется равномерное, медленное давление вместо быстрых ударов молота. Форма может быть горячей, тёплой или холодной. Медленное движение обеспечивает глубокое заполнение металла в матрице, обеспечивая более полное заполнение и более гладкую внешнюю поверхность.

Благодаря прессованию, а не удару, штампы подвергаются меньшим ударным нагрузкам. Это продлевает срок службы инструмента и снижает риск повреждения машины.

Преимущества штамповки под давлением

• Высокая точность: Постоянная сила прессования позволяет металлу полностью заполнить матрицу. Это позволяет лучше контролировать форму и размер детали.
• Более сильный поток зерна: Постоянное давление улучшает выравнивание зерен, что повышает прочность детали.
• Гладкая поверхность: Прессование снижает турбулентность металла. В результате получается более чистая внешняя поверхность с меньшим количеством дефектов.

Зубчатое зацепление

Зубчатое зацепление (также называемая вытяжкой) — это поэтапный процесс, используемый для уменьшения размера металлического блока (слитка или блюма) до более длинной и тонкой заготовки или прутка. Плоский штамп пробивает участки заготовки, систематически перемещаясь вперёд и назад. После каждого прохода поперечное сечение уменьшается, а структура зерна становится более однородной.

Прокатка не создаёт готовую деталь. Вместо этого она подготавливает металл к другим методам ковки, например, ковки в открытых или закрытых штампах.

Ключевые роли

• Предварительное формование заготовки: Постепенное уменьшение толщины заготовки с помощью продавливания позволяет создать более однородную исходную заготовку. Это обеспечивает лучший контроль над готовой деталью и экономит материал. Кроме того, это способствует разрушению грубой литой структуры.
• Измельчение зерна: Прокатка дробит крупные зерна и закрывает пустоты и внутренние дефекты. В результате детали становятся более прочными, долговечными и лучше противостоят растрескиванию.

Индукционный нагрев (для ковки заготовок)

Индукционный нагрев Электромагнитные катушки нагревают металл без огня и контакта. Катушки создают магнитное поле, которое быстро нагревает металл, преимущественно от поверхности внутрь, благодаря скин-эффекту. Этот метод часто используется перед ковкой, чтобы быстро и чисто довести заготовку до нужной температуры.

Преимущества

• Быстрый нагрев: Целенаправленный нагрев позволяет кузнечному цеху нагревать только ту часть заготовки, которая нуждается в формовке. Заготовки могут достигать температуры ковки за секунды или минуты, в зависимости от размера.
• Энергоэффективность: Поскольку индукция нагревает металл напрямую, она потребляет гораздо меньше энергии, чем печь.
• Минимальное масштабирование: Индукционный нагрев обеспечивает узкую и узкую зону нагрева. Поверхность не подвергается длительному воздействию высоких температур, что значительно снижает образование накипи.

Как выбрать правильный метод ковки

Выбор наилучшего метода ковки зависит от различных факторов:

Размер и форма детали

• • Для изготовления крупных или длинных деталей, таких как балки или валы, используется метод открытой ковки. Открытые штампы позволяют металлу свободно растекаться.
  • Ковка в закрытых штампах для деталей малого и среднего размера, требующих точной формы или точной детализации.

Допуски и качество поверхности

• • Холодная ковка обеспечивает максимальную точность и качество отделки. Идеально подходит, когда детали должны быть плотно подогнаны.
  • Горячая ковка дает хорошие результаты, но требует более прочных инструментов и машин.
  • Горячая ковка лучше всего подходит в тех случаях, когда форма важнее отделки.
  • Ковка на прессе позволяет получать гладкие формы с меньшим количеством трещин, чем при ударах молота.

Объем производства

• • Штамповка в закрытых штампах и холодная ковка идеально подходят для массового производства. После изготовления инструментов каждая деталь изготавливается быстро и воспроизводимо.
  • Ковка в открытых штампах более медленная, но более предпочтительна для деталей, изготавливаемых по индивидуальному заказу или малыми партиями.
  • Обжимка подходит как для малых, так и для больших партий, в зависимости от настройки.

Тип материала

• • Твёрдым металлам требуется больше тепла. Используйте горячую или тёплую ковку, чтобы избежать трещин.
  • Мягкие металлы, такие как алюминий или медь, можно подвергать холодной ковке, что позволяет экономить энергию.
  • Используйте индукционный нагрев, когда требуется чистый и быстрый нагрев заготовки без использования печи.

Компромиссы по стоимости

• • Для холодной и закрытой штамповки требуются специальные штампы, которые изначально стоят дороже, но обеспечивают экономию при больших объемах производства.
  • При открытой ковке используются плоские штампы, которые дешевле, но медленнее изготавливают повторяющиеся детали.
  • Для штамповки и волочения используются простые инструменты, но требуются обученные рабочие.
  • Установка индукционного нагрева обходится дороже, но он экономит энергию и работает экологически чисто.

Примеры использования в отрасли

• Аэрокосмическая промышленность: Раскатка колец и поковки в закрытых штампах для колец реактивных двигателей, шасси и деталей, критически важных для полета.
• Автомобильная промышленность: Холодная и теплая ковка шестерен, осей и деталей трансмиссии, где точность имеет решающее значение.
• Энергия: Поковки в открытых штампах и прокатные кольца для ступиц ветряных турбин, газовых фланцев и жаропрочных деталей.
• Тяжелая техника и горнодобывающая промышленность: Штамповка и волочение для получения толстых, прочных деталей, таких как щеки дробилок, молоты и рычаги.
• Медицинский: Холодная ковка для изготовления точных мелких деталей, таких как хирургические винты и наконечники инструментов.

Вывод

Не все кованые детали одинаковы, как и методы их изготовления. Правильный процесс означает меньше отходов, лучшую посадку и более длительный срок службы. Выбор оптимального процесса ковки требует тщательного учёта перечисленных выше факторов.