ковка металла какое явление

Обработка металлов методом ковки: назначение и технологии

Технологии пластического деформирования металлов и сплавов в горячем состоянии являются прогрессивным методом металлообработки, поскольку позволяют существенно повысить коэффициент использования металла и отформовать исходную заготовку быстрее любого процесса механической обработки на металлорежущих станках. Ковка – один из старейших способов, который и сейчас находит применение, особенно в условиях единичного выпуска продукции.

Суть и назначение ковки

Под собирательным термином «ковка» подразумевают совокупность процессов горячей пластической обработки, при которых формоизменение металла происходит непрофилированным инструментом, а материал получает возможность свободного течения во всех направлениях, кроме того, в котором прикладывается деформирующее усилие.

Исходным металлом для ковки являются слитки, болванки или прутковые профили. Ковка литых заготовок и болванок распространена в крупном металлоёмком машиностроении, а мелкие ковочные мастерские предпочитают ковать металл в форме прутков.

Последовательность переходов ковки заключается в следующем. Исходный металл, который поступает на участок из литейного цеха или со склада проходит очистку от прокатной окалины или ржавчины, после чего режется/рубится на мерные заготовки, передаётся на кузнечный участок, где и деформируется специализированным оборудованием – в основном, ковочными прессами или молотами. Затем заготовка проходит очистку и, при необходимости, термическую обработку. После этого полуфабрикат может быть отправлен на штамповочный или станочный участок, где с ним будут выполняться завершающие (отделочные) операции.

Таким образом, ковка редко когда является переходом, в результате которого получается изделие конечной формы и размеров.

Разделка слитков является первичной операцией ковки, которая проводится на пилах или – реже – на ковочных молотах с применением кузнечных топоров – инструмента, имеющего острую кромку. Ещё реже, при обработке особо крупноразмерных заготовок, используют ломку на холодноломах.

Для резки прутков используются пресс-ножницы. Резка на ножницах является наиболее дешёвой, производительной и распространённой операцией, которая обеспечивает повышенную точность и производительность разделки. В условиях мелкосерийного и единичного производства стараются выбирать пруток с размерами, максимально приближёнными к размерам поковки, поэтому иногда обходятся без разделочного оборудования.

В технологии машинной ковки различают подготовительные и завершающие операции. К первым, кроме рубки, относят осадку, гибку, скручивание, оттяжку, выкручивание и другие операции, которые выполняются с использованием плоских бойков. На завершающих переходах ковка металла заключается в применении подкладного формоизменяющего инструмента, при помощи которого выполняются переходы пережима и протяжки. После этих переходов заготовка приобретает примерную форму поковки по длине и размерам поперечного сечения.

Разновидности ковки

Классификация процессов ковки металла может быть произведена по следующим параметрам:

Выбор технологии определяется размерами готовой поковки, серийностью производства и точностью размеров готовой продукции.

Горячая

Поскольку в нагретом состоянии металл обладает наилучшей пластичностью, то горячая ковка – преобладающий вид рассматриваемого процесса. Выбор ковочной температуры зависит от марки металла. Например, для обычных углеродистых сталей исходным пунктом выбора всегда является диаграмма «железо-углерод». Для доэвтектоидных сталей температура нагрева металла выше, чем для заэвтектоидных, причём с уменьшением количества углерода температура начала ковки выше.

Средний диапазон ковочных температур – от 1200 0 С до 800 0 С, однако мастера кузнечного дела никогда не оперируют понятием «температура нагрева», а вместо него используют два показателя – температура начала и конца ковки. Дело в том, что при выгрузке из печи металл начинает остывать; в зависимости от поперечного сечения болванки или слитка падение температуры может составлять до 100 0 С/10 мм поперечного сечения, поэтому металл нагревают до температур, которые примерно на 30 0 С превышают верхнюю границу ковки.

При превышении температуры неопытными нагревальщиками могут произойти два неприятных явления – перегрев и пережог металла. В первом случае структура нагретого металла становится крупнозернистой, что повышает опасность растрескивания заготовки, особенно при интенсивном формоизменении. Перегрев устраняется медленным охлаждением исходной заготовки и её повторным нагревом до необходимых температур. Если же ещё больше перегреть заготовку, наступает пережог металла, сопровождающийся необратимыми изменениями в его микроструктуре. В частности, происходит расплав неметаллических включений (например, серы), и исправить такой брак уже невозможно.

Конец ковки обычно соответствует условиям образования крупных зёрен в структуре, когда сопротивление металла пластическому деформированию резко возрастает (особенно – для сталей с повышенным содержанием углерода). Это приводит к возрастанию потребного деформирующего усилия и снижает стойкость инструмента.

Ручная

Используется в мелких ремонтных мастерских, а также на предприятиях, которые занимаются технологическими процессами художественной ковки. Здесь процессы металлообработки максимально приближены к условиям работы кузнецов прошлого: для нагрева исходного металла используются открытые печи – горны, в качестве рабочего инструмента применяют ручной молот и наковальню, а для подачи воздуха – кузечные меха с механизированным приводом.

Специфической операцией ручной ковки является кузнечная сварка встык нескольких фрагментов исходной заготовки, при которой обжим соединяемых участков происходит за счёт комбинированного термо-силового воздействия на металл. Поскольку термические напряжения, присущие традиционным видам сварки, здесь отсутствуют, то работоспособность и долговечность сваренного стыка заметно выше.

Холодная

Процесс ковки металла, при котором температура исходной заготовки составляет не более 25 % от температуры плавления металла, из которого она изготовлена, называют холодной ковкой. Не слудет путать понятие холодной ковки с понятием ковки металла при комнатной температуре: например, пластическая обработка свинца в большинстве случаев будет отвечать условиям горячей ковки, а деформирование вольфрама при температуре 650…700 0 С – условиям холодной деформации.

Холодная ковка распространена в небольших мастерских, которые занимаются изготовлением малых форм из металла – статуэток, навесов, перил, баллюстрад и т.п. Исходным видом металлопроката служит здесь профилированный металл – прутки, полосы, а преобладающим видом пластического деформирования – гибка, скручивание, чеканка. Холодной ковке подвергают преимущественно цветной металлопрокат, окалинообразование на поверхности которого практически отсутствует.

Оборудование и инструменты

Самыми распространёнными видами кузнечного оборудования в условиях промышленного производства являются паровоздушные (или пневматические) кузнечные молоты и прессы. Первые деформируют энергией удара, вторые прикладываемым усилием. Поскольку запасаемая мощность единичного удара молота сильно зависит от массы его падающих частей, то ради повышения производительности практикуют несколько ударов подвижной части молота – бабы по проковываемому металлу. Масса падающих частей ковочного молота обычно не превышает 25 тонн; при необходимости развить повышенную энергию пластической деформации применяют гидравлические ковочные прессы, номинальное усилие которых достигает 150…200 тыс. тонн.

Значительно реже используют специализированное кузнечное оборудование, например, выкрутные или горизонтально-ковочные машины.

Для перемещения крупных поковок во время обработки применяются ковочные манипуляторы рельсового или безрельсового типов. Перемещение поковок, средних по своим размерам, ведут при помощи кантователей.

Ассортимент ковочного инструмента представлен ковочными топорами, протяжками, накладками и прошивками. Инструмент размещается на заготовке сверху, после чего приводится в движение баба молота или ползун пресса, выполняя формоизменение.

Приемы обработки металла (кузнечные операции)

Технология ковки включает в себя ряд основных переходов, выбор которых определяется конечной формой поковки и возможностями формоизменяющего оборудования

Осадка

Заключается в увеличении поперечного сечения поковки за счёт уменьшения её высоты. Подразделяется на свободную и закрытую. Свободная осадка практически всегда является первичной операцией ковки, позволяющей предварительно перераспределить металл по длине поковки.

Высадка

Представляет собой осадку части заготовки, при этом основная её часть помещается вне зоны действия бойка молота или ползуна пресса. Высадкой получают поковки со значительным перераспределением металла вдоль оси.

Протяжка (вытяжка)

Операция, которая используется для существенного удлинения поковки. Выполняется всегда за несколько ударов бойка или нажатий ползуна с соответствующим перемещением заготовки по плите оборудования. Протяжку особо крупных заготовок часто ведут с нескольких последовательных нагревов в печи.

Раскатка и протяжка с обкаткой

Так называется операция, при выполнении которой одновременно производят нажатие на заготовку бойком или ползуном при одновременном повороте полуфабриката на специальной оправке. Используется при пластическом деформировании трубчатых или кольцеобразных заготовок.

Прошивка

Операция предназначена для получения в поковке сквозных или глухих отверстий. Выполняется при помощи прошивня, силовое воздействие на который оказывает боёк молота или ползун пресса.

Рубка

Первичная операция ковки, которая заключается в отделении заготовок от первичного прокатного профиля или разделении нескольких однотипных поковок друг от друга. Выполняется при помощи кузнечных топоров.

Гибка

Переход состоит в изменении направления отдельных частей заготовки. Для объёмного металлопроката используется редко, зато незаменима при холодной ковке листовых изделий.

Закручивание

Используется при ковке небольших художественных элементов, которые часто используются в конструкциях ворот, навесов, спиралей и других кузнечной продукции. Заключается в относительном повороте некоторых частей поковки друг относительно друга при одновременном удлинении проката.

Источник

Способы обработки металлов при помощи ковки

Начнем с дефиниций. Ковка – это способ обработки металла с целью его изменить. Это не сварка, хотя металл обрабатывается в основном с помощью высокой температуры.

Ковка – это нагревание металла до его ковочной температуры, чтобы он стал пластичным для придания заготовкам новых форм. У каждого металла свои характеристики, которые включают в себя уровень ковочной температуры.

Алюминий и его сплавы поддаются ковке при температуре 400°С, медь – при 1000°С, а для ковки железа придется подогреть его до 1250°С.

Разновидности обработки

Поковка – это продукты, получаемые в результате ковки, в том числе полуфабрикаты.

Свободная ковка – это альтернатива штамповке: деталь деформируется свободно, без помещения ее в форму штампа. Дополнительно этот способ используется для повышения качества и структуры вещества, тогда это называется проковкой.

После проковки сплав значительно меняется в лучшую сторону, он становится прочнее и более мелкозернистым за счет разрушения крупных кристаллов.

Здесь не обойтись без мощных подъемных кранов и специальных манипуляторов разного калибра. Данный способ обработки – самый экономичный из всех существующих. Если говорить о массовом промышленном производстве, то первое место по популярности у штамповки.

Свободная ковка – удел единичного или мелкосерийного кузнечного производства.

Ковочные операции и инструменты

Таких операций много, это некоторые виды ковки металла, названия говорят сами за себя:

Вот чем должен запастись уважающий себя мастер кузнечного дела перед работой:

Физика процесса

Рассмотрим подробнее обработку при помощи ковки.

Нагрев заготовки

Судьбоносный этап: как нагреете, так процесс ковки пойдет дальше. Берется металлическая заготовка, которую необходимо нагреть. Делается это в горнах или нагревательных печах – это зависит от размера заготовки.

Первым делом разогревают печь, критерий готовности – темно-красный цвет. Следующий этап – размещение заготовки в раскаленной печи. Заготовка обязательно должна быть горячей, в противном случае вы получите трещины во внутренних слоях сплава.

Температура предварительного подогрева будет вполне достаточна на уровне 300°С: проверить можно по появившемуся дыму и легкому зажиганию масла на поверхности детали.

Когда детали или несколько деталей внутри печи, нагрев постепенно нагнетают до необходимого уровня. Зависимость здесь прямая: чем выше температура, тем мягче и пластичнее деталь. Но и перегревать заготовки категорически нельзя.

Чем выше нагрев стали, чем выше риск образования отдельных кристаллов со слабыми связями, что делает сплав после ковки хрупким, с надрывами и трещинами. Такое нежелательное явление называется перегревом стали.

Для ковки не подходит и недостаточная высокая температура. С недогретыми заготовками практически невозможно работать. Да и в этом случае внутри металла происходят надрывы и трещины.

Важно понимать, что для эффективной и качественной ковки важны две вещи в равной степени: правильный уровень температуры и постепенность нагревания.

Обжим металлической заготовки

Это только кажется, что металл – вещество однородное и плотное. На самом деле внутри можно найти различные пустоты и так называемые раковины. Поэтому заготовку, вынутую из печи нужно немедленно уплотнить: от середины к концам бьют по ней молотком.

Действия, производимые молотом, делятся на два этапа: подготовку и окончательную отделку.

Подготовка

Главное в подготовке – «привести в порядок» сплав заготовки: уплотнить его и придать «в черновую» нужную форму и размеры. Этап подготовки тоже подразделяется на виды с точки зрения формы: цилиндры сплошные или пустотелые, плоские вещи, кольца, вытягивание и т.д.

Способ ковки на этом этапе также может различаться, названия у них такие же смешные.

У подготовки сплошных цилиндров свои правила с четкой последовательностью шагов. Она производится на нижнем бойке наковальни. Заготовку бьют молотком, и после каждых нескольких ударов поворачивают по оси ровно на 1/8 оборота.

В итоге должен образоваться восьмигранник. Его обжимают снова – удары молотком с поворотом на 1/8, после чего формируется уже форма с шестнадцатью гранями. Дальше все проходит по такому же сценарию, чтобы получить цилиндр со значительно уменьшенным диаметром.

Заготовка становится длиннее, металл перемещается по оси. Такая обработка называется вытягиванием.

Во время работы нужно следить за состоянием металла. Если, например, на поверхности обнаружатся трещины, ковку нужно остановить, а трещины вырубить с помощью кузнечного зубила.

Если металлическая деталь для ковки слишком больших размеров, обработку делают в два этапа: сначала обжимают и подготавливают нижнюю часть, затем греют и обрабатывают оставшуюся часть.

Финиш данного этапа –это «отрубка прибыли», которая заключается в удалении верхней «прибыльной» части заготовки из-за содержания в ней пустот.

Для формирования детали в виде кольца кусок заготовки нужно всего ничего: обжать, вытянуть, очистить от окалины, отрубить прибыль и… разрубить на куски. Эти куски хорошенько греем второй раз и занимаемся чудесным делом – формируем из них лепешки.

Отверстия в этих лепешках пробивают с двух сторон, чтобы получились уже реальные кольца. Дальше производится обработка под названием «разводка» в специальной наковальне стойчатого вида.

Одна из самых распространенных форм заготовок – это детали с прямоугольным поперечным сечением. Их ковка проводится по своим правилам. Во-первых, работать нужно на специальных плоских наковальнях. Сначала делают обжим, а затем их сплющивают «наплоско».

Следующий этап – поворот заготовки по оси на 90°С и сплющивание «на ребро». Под ударами и сплющиванием деталь становится длиннее по оси.

Для того, чтобы она не превратилась в тонкую ленту, одновременно производят «раскатку» для расширения размеров, а все образующиеся неровности выглаживаются с помощью молотка. Таким образом куются плиты из брони.

Вариантов заготовок по форме и природе металла огромное количество. Так же много и способов ковки. Нужно уметь выбирать самый оптимальный из них, планировать последовательность операций свободной ковки.

От правильности такого выбора будет зависеть качество ковки и расход ресурсов в виде энергии на неоднократные нагревы и другие расходные материалы.

Окончательная отделка

В результате этапа обработки у заготовки вид совсем нетоварный – это больше похоже на металлический черновик. Она неровная, с грубой поверхностью и не всегда совпадает с нужными размерами. Приведение ее в полный порядок – содержание данного этапа ковки.

Деталь чистят зубилом для удаления трещин и волосовин. Затем проходятся по всей поверхности молотком. Следующий шаг – проверка специальными линейками размеров и неровностей с выправлением любых несоответствий.

Существуют специальные гладилки и штампы для финишной «полировки» металлических поверхностей. Все эти действия по выглаживанию производятся только при остывании деталей, которые находятся на стадии буро-красного каления. Поэтому они называются наклепкой или холодной ковкой.

Следующее состояние металла заготовки – снижение его тягучести и общее отвердевание. Это чрезвычайно ответственный момент, так как на этом этапе существует риск образования трещин из-за малой подвижности металла как такового и нарушения связей между частицами после ковки.

Чем больше размеры произведенной металлической заготовки, тем сложнее проходит процесс остывания с различными проявлениями внутренних натяжений, которые могут вызвать нежелательную деформацию металла. Чтобы избежать таких неприятностей, деталь после ковки зарывают в горячий мусор.

Главное – успеть, пока она еще красного цвета. Такой способ годится при условии, что деталь не бог весть какая большая и сложная. Если же заготовка сложной конструкции, производят дополнительный отжиг – подогрев до уровня температуры примерно в 700°С с последующим медленным остыванием в печи с замазанными щелями.

В последнее время появились и используются все чаще гидравлические прессы, которые выполняют роль классического кузнечного молота. Они называются жомами или пресс-молотами.

С экономической точки зрения пресс-молот намного выгоднее молота: ковка происходит быстрее в несколько раз. Но и к нему нужно относиться с осторожностью, потому что появляется риск образования на поверхности складок или наплывов.

Одним словом, свободная ковка – это искусство компромисса, нужно знать основные операции ковки, чтобы определить способ, форму и вид применяемых инструментов. Для этого нужны опыт и мастерство. Дело того стоит.

Источник

Ковка

Ковка — это высокотемпературная обработка различных металлов (железо, медь и её сплавы, титан, алюминий и его сплавы), нагретых до ковочной температуры. Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических (температура плавления, кристаллизация) и химических (наличия легирующих элементов) свойств. Для железа температурный интервал 1250–800 °С, для меди 1000–650 °С, для титана 1600—900 °С, для алюминиевых сплавов 480–400 °С.

Изделия и полуфабрикаты, получаемые ковкой, называют поковкой.

При ковке в штампах металл ограничен со всех сторон стенками штампа. При деформации он приобретает форму этой полости (см. Штампование, Ротационная ковка).

При свободной ковке (ручной и машинной) металл не ограничен совсем или же ограничен с одной стороны. При ручной ковке непосредственно на металл или на инструмент воздействуют кувалдой или молотом.

Свободную ковку применяют также для улучшения качества и структуры металла. При проковке металл упрочняется, завариваются так называемые несплошности и размельчаются крупные кристаллы, в результате чего структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение.

Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании — молотах с массой падающих частей от 40 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2–200 МН (200–20000 тс), а также на ковочных машинах. Изготовляют поковки массой 100 т и более. Для манипулирования тяжёлыми заготовками при ковке используют подъёмные краны грузоподъёмностью до 350 т, кантователи и специальные манипуляторы.

Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном — свободная ковка.

При ковке используют набор кузнечного инструмента, с помощью которого заготовкам придают требуемую форму и размеры.

Содержание

Основные операции ковки

Ковка железа и стали по технологии конца XIX в

Ковка применяется для разных целей, и из-за этого способы обработки металла могут быть различными:

В зависимости от величины обрабатываемых изделий, ковка разделяется на ручную и на механическую.

Инструменты

Процесс ковки

Нагрев болванки

Для изготовления предметов путём ковки берётся отлитая стальная болванка. Её необходимо сперва нагреть. Для этого вблизи молота устраиваются нагревательные печи или горны. Их размер, форма и количество зависит от производства и размера болванок. Для мелких вещей применяются обыкновенные кузнечные горны. Для крупных — пользуются сварочными печами, нагреваемыми дровами, или каменным углем, а для нагревания больших болванок устраивают газовые печи.

Печь сперва разогревают до тёмно-красного каления. Затем в неё помещают горячую болванку. (В холодных болванках внутренние слои всегда находятся в более или менее напряжённом состоянии из-за условий, в которых они после отливки затвердевают. Если в горячую печь положить холодную болванку, то наружные слои, нагреваясь и удлиняясь, вызовут возникновение трещин в малоподатливых внутренних слоях). Такая болванка должна оставаться горячей после отливки, ей не надо давать остыть ниже тёмно-красного каления и сразу же после вынимания из формы для отливки её следует поместить в печь. Если это не удалось, и болванка начала остывать, то прежде чем поместить её в печь, её надо зарыть в горячий мусор для более медленного остывания. Если она остынет сильно, то надо её подогреть на полу мастерской. Даже после подогрева на полу в болванке могут возникнуть внутренние трещины. Чтобы избежать такой порчи болванки, её надо сначала подогревать только с концов. Тогда нагрев будет идти по направлению оси болванки, от её концов к середине, и расширение всех концентрических слоев будет равномерней. Предварительный подогрев — достаточно до 300°, что легко узнать по дыму и зажиганию масла, налитого на поверхность болванки.

Болванки кладут в печь по одной или несколько, в зависимости от их величины. Вначале жар держат небольшой. Затем его постепенно увеличивают и доводят до требуемой степени. Чем сильнее нагрев, тем сталь делается мягче, легче её обрабатывать под молотом и тем успешнее идёт ковка. Однако этим опасно злоупотреблять — чем выше нагрета сталь, тем она больше стремится кристаллизоваться при остывании, из-за чего может уменьшиться связь между отдельными кристаллами (зёрнами), и они могут разъединиться даже от одного или нескольких ударов молота. Таким образом — болванка при ковке получит надрыв, трещину, а иногда даже отваливается целыми кусками. Это называется перегревом стали. Перегрев стали не следует путать с пережогом стали. Пережог влияет не на кристаллическую структуру металла, а уже на его химический состав, заставляя его изменяться: когда сталь долго находится под воздействием печных газов, сварочного жара, она мало-помалу теряет свой углерод и приближается к железу. Пережжённая сталь ни на что не годится, тогда как перегретую ещё можно поправить.

Чем твёрже сталь, тем больше она стремится к кристаллизации и тем ниже температура, при которой она кристаллизуется. Поэтому степень нагрева надо сообразовать с твёрдостью стали:

Низкая температура тоже не годится для ковки. Во-первых, она сильно затрудняет обработку. Во-вторых — при перемещении малоподвижных частиц во время ковки образуются сильные натяжения, которые иногда вызывают внутренние надрывы и трещины. Надо вести нагрев так, чтобы внутренняя часть болванки успела прогреться надлежащим образом. И хотя наружные слои всегда прогреваются сильнее, но это уравновешивается быстро вследствие их охлаждения во время ковки.

Вообще, для успешной ковки надо принять за необходимое правило, что кроме степени нагрева имеет очень важное значение и равномерность нагрева. Для этого после посадки болванки в печь, надо температуру поднимать очень медленно, наблюдая, чтобы болванка нагревалась одинаково со всех сторон.

Время нагрева зависит главным образом от величины болванки и от жаровой способности печи. На Обуховском заводе для нагрева 1800-пудовой болванки требуется около 27 часов, для 900-пудовой около 12 часов, для 300-пудовой около 8 часов.

Обжимка болванки

Заготовка

Обработку стальной болванки под молотом можно разделить на две части: на заготовку и на окончательную отделку.

Заготовка предназначена для того, чтобы уплотнить болванку, и придать ей в грубом виде необходимые размеры и формы. Формы и размеры заготовок и способы ковки зависят от вида изделий. Заготовки по виду разделяются: на заготовку сплошных цилиндров, пустотелых цилиндров, колец, заготовку плоских вещей, и т. п. Способы ковки при этом также имеют разные названия.

При такой заготовке обжимка болванки производится на вырезном нижнем бойке, где после каждых нескольких ударов молота её поворачивают на 1 /₈ оборота и, после образования восьмигранника, подвигают на ширину верхнего бойка и продолжают ковку. Когда, таким образом, обожмут всю болванку, её опять подвигают на старое место и, ударяя молотом по граням, образуют шестнадцатигранник. Сообразно диаметру цилиндра продолжают ковку, пока болванка не примет надлежащих размеров. При такой обработке она уменьшается в диаметре, а металл при обжимке перемещается по направлению оси, и вследствие этого болванка удлиняется, вытягивается, отчего и самую обработку называют вытягиванием.

В случае, если при таком вытягивании заметят на поверхности болванки трещины, или другие пороки, тогда останавливают ковку, пока их не вырубят кузнечными зубилами. Верхний конец, так называемый прибыльный, заключающий в себе всегда пустоты, считается негодным для употребления и потому 1/4 по весу болванки отрубается, что носит название отрубки прибыли. Для рубки употребляется стальной топор, который накладывается на верх болванки и вдавливается молотом в её тело. Потом на верх топора накладываются бруски квадратного сечения и продолжают нажимать молотом, пока топор не углубится до половины тела болванки; наконец, её поворачивают на 180° и таким же образом продолжают рубку с противоположной стороны. Подобным образом разрубается на части заготовленная болванка, когда она предназначается для изготовления нескольких предметов.

При заготовке больших изделий молот за один нагрев не успеет обжать и заготовить всей болванки, поэтому сперва обжимают и заготовляют нижнюю половину болванки, потом переносят державку на отделанный уже конец, подогревают остальную часть болванки, обрабатывают её таким же самым образом, и, наконец, отрубают прибыль.

Если цилиндр должен иметь на конце уступы, или фланцы, диаметр которых больше, чем поперечник болванки, тогда после обжимки болванки и отрубки прибыли нижний боек удаляется прочь, а на его место устанавливается болванка стоймя (на попа) и ударами молота осаживается, причём диаметр её, в особенности на концах, увеличивается. Для выковки вала меньших размеров, или такой длины, что он не помещается стоймя под молотом, пользуются услугами так называемой балды, подвешенной на цепи, посредством ударов которой осаживают конец вала. Для заготовки изделий кольцеобразной формы, как, например бандажей, скрепляющих орудийных колец и проч., сперва, как было сказано выше, болванку обжимают, вытягивают, очищают от окалины и трещин, отрубают прибыль и разрубают на куски; после вторичного нагрева каждый кусок немного осаживают, или сплющивают в виде лепёшки. Потом пробивают отверстие посредством пробоя или прошивня, вдавливая его сперва с одной стороны до половины, потом, повернув болванку — с другой. Дальнейшая обработка кольца, то есть разводка, производится уже на оправке в особой стойчатой наковальне. Разводку бандажных шин производят на особой наковальне с рогом, где, кроме того, посредством раскатки а, делают выступ, называемый ребордой.

Для изготовления более длинных пустотелых цилиндров, как, например, скрепляющих орудийных оболочек, сперва отрезают на токарном станке прибыльную часть болванки, потом высверливают вдоль оси насквозь отверстие около 30 см в диаметре и, после нагрева болванки, просовывают в отверстие железный пустотелый стержень и на нём её обжимают. Такая обработка носит название К. на штревеле. Чтобы стержень не нагревался и не сжимался вместе с болванкой, внутри него постоянно циркулирует вода. Когда К. окончена, вынимают штревель из цилиндра посредством особого прибора, представляющего собой гидравлический пресс, или домкрат. Он состоит из пустотелого цилиндра А с двойными стенками а и а ₁, между которыми пускается вода для выдвигания второго цилиндра В, который упирается в гайку С, навинченную на конец штревеля. На другом конце цилиндра А укреплена муфта D, упирающаяся в откованную оболочку. Вода выдавливает цилиндр В, который тянет за собой штревель. Заготовка для вещей прямоугольного поперечного сечения производится на плоских наковальнях, где, после предварительной обжимки, болванку сплющивают сперва наплоско, потом поворачивают на 90° и куют на ребро. Надо заметить, что вообще при ударе молота удлинение совершается по направлению её оси, по перпендикулярному же направлению перемещению частиц мешает трение о поверхность бойка и наковальни. Чтобы К. расширить размеры болванки по этому последнему направлению, раздают металл посредством раскатки. Для этого на поверхность болванки, по направлению её оси, накладывают полуцилиндрический валик, называемый раскаткой (фиг. 15), и ударом молота вдавливают его в тело. После такой раскатки по всей поверхности болванки металл расползается по направлению стрелки (фиг. 16), а причинённые неровности выглаживаются потом ударами молота. Такой обработке подвергаются броневые плиты. Для изготовления коленчатого вала, заготовляется сперва прямоугольный брус, в котором, посредством топора, делают два надреза (фиг. 17). Потом молотом отгибают оба конца (фиг. 18), отрубают топором (как показано пунктиром) образовавшиеся выступы и, наконец, обжимают, закругляют и отделывают шейки (фиг. 19). Эта сложная работа требует много времени, частых нагревов, ловкости и опытности кузнеца. Вырез, показанный на чертеже пунктиром, производится на долбёжном станке. Цапфельное кольцо (с шейками) для орудий заготовляется следующим образом. Отрезанный диск от болванки сплющивают, после нагрева, под молотом в продолговатый брус и пробивают в нём продольную щель (фиг. 20) посредством клинообразного прошивня. Потом коническими оправками расширяют постепенно эту щель (фиг. 21), пока отверстие не примет круглой формы, и, наконец, на горизонтальной оправке разводят до надлежащих размеров (фиг. 22).

Вообще для разных предметов требуются разные заготовки. От умелости выбора приёмов, от рациональной последовательности переходов из одной формы в другую, в особенности при более сложных конструкциях, зависит успешность К. и уменьшение расходов на лишний нагрев и угар металла.

Окончательная отделка

После заготовки предмет имеет довольно грубую и неровную поверхность, для выравнивания которой оставлен некоторый запас против требуемых размеров. Для этого предмет очищают ещё раз зубилом от всех трещин, волосовин и лёгкими и частыми ударами молотка проходят кругом всю его поверхность. Наконец, окончательно проверяют предмет посредством кронциркулей, линеек, или шаблонов и, если окажется надобность, его выправляют и т. п.

Для придания более чистого и гладкого вида употребляются разного рода гладилки и штампы, а иногда во время ударов молота поливают поверхность водой, вследствие чего приставшая окалина лучше отскакивает и предмет выходит чище. Такое выглаживание производится всегда в самом конце, когда изделие уже остыло до буро-красного каления и поэтому носит название холодной К. или наклепки.

После наклепки замечаются всегда такие же явления, как и при закалке, то есть металл делается твёрже и менее тягуч и образуются внутренние натяжения. Вследствие малой подвижности металла, при сильной наклёпке, нарушается связь между частицами и даже иногда получаются внутренние трещины. Если отполированный разрез сильно наклёпанного бруска подвергнуть действию слабой кислоты, то образовавшийся при этом рисунок прямо показывает на внутреннее изменение металла. Вначале предполагали, что наклёпка увеличивает абсолютную плотность стали однако, дальнейшие опыты показали обратное. Так, например, при волочении проволоки, после первого прохода через волочильную доску, плотность её уменьшилась с 7,839 до 7,836; после второго до 7,791, после третьего до 7,781. Кстати заметить, что при наклёпке меди или серебра получаем результаты совершенно противоположные.

Так как влияние наклёпки аналогично закалке, то, чтобы придать металлу желаемую твёрдость и упругость, очень часто прибегают к наклёпке. При изготовлении таких изделий, как, например резцы, инструменты, клинки и пр., этот способ оказывает большую услугу, но что касается более крупных вещей, при которых получается только поверхностная наклёпка, вызывающая внутренние натяжения, этот способ, вместо пользы, приносит изделию только вред. Лучшим доказательством служит пример изготовления локомотивных или вагонных осей, у которых шейки отделаны штамповкой. При пробе на изгиб таких осей часто случается, что при ударе груза посередине оси отламывается её конец, как раз в том месте, где была отштампована шейка. Хотя все эти вредные натяжения можно уничтожить, или, по крайней мере, уменьшить отжигом (см. Отжиг стали), однако никто не может поручиться, что во время самой наклёпки не образовались уже трещины, которых отжиг исправить не в состоянии. При изготовлении более сложных поковок, где неизбежно применять штамповку, гораздо лучше совершать это при высоком нагреве, тем более, что сталь в раскалённом состоянии хорошо выдерживает штампование и отчётливо воспроизводит форму штампы; чтобы воспрепятствовать образованию натяжения, надо делать её в несколько приёмов, каждый раз подогревая сталь до надлежащей температуры.

После обработки болванки под молотом, не прибегая даже к наклёпке, всегда появляются внутренние натяжения, происшедшие вследствие неравномерного остывания концентрических слоев, и вследствие того, что разные части болванки приходится ковать при разных температурах. Чем больше диаметр откованной болванки и чем резче переход от одной формы к другой, тем неравномернее происходит остывание и тем резче будут проявляться внутренние натяжения. Для избежания трещин и искривления откованных изделий, зарывают их сейчас же после К. в горячий мусор. Подобное зарывание может принести пользу, когда вещь довольно простой формы и когда она ещё красная. В противном случае надо непременно подвергать изделие отжигу, то есть осторожно его подогреть до температуры около 700°, затем, замазав печь, дать ему медленно остыть до полного охлаждения.

Выше было упомянуто, что назначение ковки, кроме сообщения требуемой формы, заключается ещё в уплотнении металла вследствие пороков, встречаемых внутри болванки. Газовые пузыри, образующиеся при затвердевании стали, размещаются, главным образом, снаружи. Большинство из этих пузырей, имея сообщение с окружающей атмосферой, окисляется под действием печных газов и покрывается внутри слоем окалины, которая не дозволяет им свариваться при обжимке болванки под молотом, а потому они только сплющиваются в виде прослоек и вытягиваются в виде волосовин. Толщина рыхлого слоя откованного предмета зависит от величины пузырей, глубины их размещения в болванке и от большей или меньшей обработки под молотом. Поэтому всякое откованное изделие, подвергающееся окончательной отделке на токарных или строгательных станках, должно иметь соответствующий запас металла, для удаления рыхлого слоя.

Чтобы получить чистую и гладкую поверхность, достаточно оставить, для удаления рыхлого слоя запас на обточку толщиной в ½» для больших и от ¼» до ⅛» для мелких предметов. Кроме уплотнения пороков в болванке, ковка изменяет и свойства самого металла. Если сравнить изломы кусков стали, взятых от одной и той же болванки до и после её проковки, то они представляют большую разницу. Первый из них крупнокристаллический с блестящими и сильно развитыми плоскостями отдельных зёрен, второй же мелкозернистый, матовый и как бы аморфного сложения. Испытывая на разрыв эти бруски, оказывается, что как упругость и прочное сопротивление, так и удлинение кованного бруска гораздо больше. Так, например, механические испытания бессемеровской стали от одной и той же болванки дали следующие результаты:

Поэтому долгое время полагали, да ещё и до сих пор многие такого убеждения, что К., вследствие своего сильного давления, производит сближение частиц между собой, их сжатие, а тем самым и уплотнение самого металла, и благодаря только такому действию, сталь приобретает другие свойства. Придавая К. такое значение, старались подвергать болванку как можно большей обработке и давать по возможности большее отношение площади поперечного сечения болванки к площади изделия. Однако, более тщательные исследования не оправдали этого взгляда. Во-первых, опыт показал, что удельный вес кованной стали меньше, чем литой. Ещё в 60-х годах Н. В. Калакуцкий доказал, что удельный вес литой стали, при отсутствии пороков, есть предел её уплотнения и что К., увеличивая гравиметрическую плотность болванки, уменьшает её абсолютную плотность. Из его опытов видим, что удельный вес куска стали от литой болванки равен 7,852; удельный же вес куска от этой болванки после нагрева его до светло-красного каления и хорошей проковки равнялся 7,846. Во-вторых, что повторительные нагревы и проковка не влияют уже на увеличение сопротивления и вязкости. В-третьих, что простым нагревом до известной температуры и соответственным охлаждением можно достигнуть таких же результатов относительно структуры, повышения упругости и вязкости металла. Это последнее явление было впервые замечено Д. К. Черновым и опубликовано в «З. И. Т. Общества», 1868 г.

Этот факт объясняется тем, что сталь при нагревании, начиная с некоторой температуры, принимает воскообразное состояние, то есть что отдельные зерна её размягчаются и слипаются между собой в виде тестообразной несжимаемой массы. Если станем охлаждать эту массу, тогда частицы опять собираются в отдельные зерна или кристаллы и эта группировка продолжается до тех пор, пока сталь не остынет до некоторой определенной температуры около 700°, ниже которой кристаллизация совершаться уже не может (см. Критические точки стали). Чем более нагрета сталь, то есть чем больше размягчена, и чем медленнее и спокойнее она остывала, тем более свободы и времени имели частицы для этой группировки. Если же во время этого охлаждения воспрепятствуем частицам свободно собираться в отдельные зерна ударами молота или вальцовкой, или посредством быстрого охлаждения не дадим времени к подобной группировке, или, наконец, если сталь нагреем только до температуры и позволим ей медленно остывать от этой температуры, ниже которой кристаллизация невозможна, то во всех этих случаях получим более или менее мелкозернистое сложение. Если остановить ковку при температуре выше 700°, то группировка частиц опять возможна и структура стали будет зависеть от этой температуры. Если же, наконец, нагреем болванку до очень высокой температуры и позволим болванке некоторое время остывать без ковки, то кристаллизация может принять такие размеры, что сталь теряет свойства ковкости и носит название перегретой стали.

Надо заметить, что эти замечательные исследования были сделаны г. Черновым ещё в 1860-х гг., и что они послужили исходной точкой для всех дальнейших исследований и теперешних теорий стали. Таким образом, на перемену структуры, от которой зависит вязкость и прочность стали, имеет влияние главным образом степень нагревания и условия остывания. Ковка препятствует кристаллизации и уплотняет пороки в болванке. Для успешности ковки надо стараться ковать быстро, чтобы не оставлять какого-нибудь места болванки долгое время без ударов молота. Поэтому при обжимке и вытягивании больших болванок, лучше довольствоваться зараз меньшей степенью обжимки и обрабатывать их в несколько приемов, проходя ударами молота каждый раз всю нагретую часть. Кроме того, нельзя допускать, чтобы болванка, нагретая до высокой температуры, дожидалась долго ковки или остывала в печке. При таких благоприятных условиях кристаллизация совершается очень быстро и болванка получает свойства перегретой стали. Лучше тогда дать болванке спокойно остыть, снова её нагреть до надлежащей температуры и затем ковать.

При обработке стальных болванок имеет очень важное значение, как с экономической стороны, так и относительно влияния ковки на качество изделия, сила молота, то есть отношение веса бьющей части к весу обрабатываемой болванки. Если принять вес бабы G и вес болванки g, то общепринятое отношение G/g = 2 доходит до 1. Однако, это отношение очень условное и зависит от многих причин, главным образом от формы изделия, приёмов ковки, сорта стали, допускающей более или менее сильный нагрев и, наконец, от приспособлений, имеющихся при молоте. Для обжимки болванок или для изготовления цилиндрических валов отношение G/g = 1 может быть допускаемо только в крайних случаях; вообще, для успешности действия куют при отношении 2. Так, например, под 5-тонным молотом можно свободно отковать орудийную трубу из болванки в 3 тонны, но для изготовления такого же веса коленчатого вала, следует употребить, по крайней мере, 15-тонный молот. Чем тяжелее молот в сравнении с весом болванки, тем энергичнее идёт ковка и тем глубже передаётся давление внутренним слоям болванки. Слабые удары передаются только поверхностным слоям, которые поэтому уплотняются и вытягиваются больше внутренних и откованная болванка при этих условиях имеет вогнутые концы (фиг. 25). Подобного рода явления замечаются чаще всего на ковке больших болванок. Поэтому для их успешной ковки приходится иметь громадных размеров молоты или же прибегать к частым подогревам.

Виды ковки

Ковка лошадей

Ковка лошади — прикрепление к её копытам подков, защищающих копыта от повреждений. Ковку лошади выполняет коваль — кузнец, имеющий познания в ветеринарной ортопедии и обладающий навыками обращения с лошадью.

Художественная ковка

Источник