Ковка — это производственный процесс, включающий формовку металла с использованием локализованных сжимающих сил. Удары наносятся молотом ( часто силовым молотом ) или штампом . Ковка часто классифицируется в зависимости от температуры, при которой она выполняется: холодная ковка (тип холодной обработки ), теплая ковка или горячая ковка (тип горячей обработки ). Для последних двух металл нагревается , как правило, в кузнице . Кованые детали могут иметь вес от менее килограмма до сотен метрических тонн. [1] [2] Ковка производилась кузнецами на протяжении тысячелетий; традиционной продукцией были кухонная утварь , скобяные изделия , ручные инструменты , холодное оружие , тарелки и ювелирные изделия .
Со времен промышленной революции кованые детали широко используются в механизмах и машинах , где требуется высокая прочность компонента ; такие поковки обычно требуют дальнейшей обработки (например, механической обработки ) для получения готовой детали. Сегодня ковка является крупной мировой отраслью промышленности. [3]
Ковка — один из древнейших известных процессов металлообработки . [1] Традиционно ковка выполнялась кузнецом с помощью молота и наковальни , хотя внедрение гидроэнергии в производство и обработку железа в XII веке позволило использовать большие отбойные молоты или механические молоты, которые увеличили количество и размер железа, которое можно было производить и выковывать. Кузница или горн развивались на протяжении столетий, чтобы стать предприятием с инженерными процессами, производственным оборудованием, инструментами, сырьем и продукцией для удовлетворения потребностей современной промышленности.
В наше время промышленная ковка выполняется либо прессами , либо молотами, работающими от сжатого воздуха, электричества, гидравлики или пара. Эти молоты могут иметь возвратно-поступательный вес в тысячи фунтов. Меньшие по мощности молоты , возвратно-поступательный вес 500 фунтов (230 кг) или меньше, и гидравлические прессы также распространены в художественных кузницах. Некоторые паровые молоты по-прежнему используются, но они устарели с появлением других, более удобных источников энергии.
Существует множество различных видов процессов ковки, однако их можно сгруппировать в три основных класса: [1]
К распространенным процессам ковки относятся: прокатка, ковка , прокатка, открытая ковка, штамповка под давлением (закрытая ковка), штамповка под давлением, холодная ковка, автоматическая горячая ковка и высадка. [1] [4]
Все следующие процессы ковки могут выполняться при различных температурах; однако, они, как правило, классифицируются по тому, находится ли температура металла выше или ниже температуры рекристаллизации. [5] Если температура выше температуры рекристаллизации материала, то это считается горячей ковкой ; если температура ниже температуры рекристаллизации материала, но выше 30% от температуры рекристаллизации (по абсолютной шкале), то это считается теплой ковкой ; если ниже 30% от температуры рекристаллизации (обычно комнатной температуры), то это считается холодной ковкой . Главное преимущество горячей ковки заключается в том, что ее можно выполнять быстрее и точнее, и по мере того, как металл деформируется, эффекты упрочнения сводятся на нет процессом рекристаллизации. Холодная ковка обычно приводит к упрочнению детали. [6] [7]
Ковка в штампе — это процесс ковки, при котором молот поднимается и затем «падает» в заготовку, чтобы деформировать ее в соответствии с формой штампа. Существует два типа ковки в штампе: ковка в открытом штампе и ковка в штампе с оттиском (или в закрытом штампе). Как следует из названий, разница заключается в форме штампа: первый не полностью охватывает заготовку, а второй полностью охватывает.
Открытая ковка также известна как кузнечная ковка . [8] При открытой ковке молот ударяет и деформирует заготовку, которая помещается на неподвижную наковальню . Открытая ковка получила свое название от того факта, что штампы (поверхности, которые контактируют с заготовкой) не охватывают заготовку, позволяя ей течь, за исключением мест контакта штампов. Поэтому оператору необходимо ориентировать и позиционировать заготовку, чтобы получить желаемую форму. Штампы обычно имеют плоскую форму, но некоторые имеют поверхность специальной формы для специализированных операций. Например, штамп может иметь круглую, вогнутую или выпуклую поверхность или быть инструментом для формирования отверстий или отрезным инструментом. [9] Открытые поковки могут быть обработаны в формы, которые включают диски, ступицы, блоки, валы (включая ступенчатые валы или с фланцами), втулки, цилиндры, плоскости, шестигранники, круги, пластины и некоторые специальные формы. [10] Открытая ковка подходит для коротких тиражей и подходит для художественной ковки и индивидуальной работы. В некоторых случаях открытая ковка может использоваться для грубой обработки слитков , чтобы подготовить их к последующим операциям. Открытая ковка может также ориентировать зерно для повышения прочности в требуемом направлении. [9]
"Прокатка — это последовательная деформация прутка по всей его длине с использованием кузнечно-прессового пресса. Обычно она используется для обработки заготовки до нужной толщины. После достижения нужной толщины нужная ширина достигается с помощью «окантовки». [13 ]Обработка кромок — это процесс концентрирования материала с использованием вогнутой формы открытого штампа. Процесс называется «обработкой кромок», поскольку он обычно выполняется на концах заготовки.Фуллинг — это похожий процесс, при котором секции поковки утончаются с помощью выпуклого штампа. Эти процессы подготавливают заготовки для дальнейших процессов ковки. [14]
Штамповочная штамповка также называется «закрытой штамповкой». При штамповке штамповкой металл помещается в штамп, напоминающий форму, которая прикреплена к наковальне. Обычно также формируется штамп молота. Затем молот падает на заготовку, заставляя металл течь и заполнять полости штампа. Молот обычно контактирует с заготовкой в масштабе миллисекунд. В зависимости от размера и сложности детали молот может падать несколько раз в быстрой последовательности. Избыточный металл выдавливается из полостей штампа, образуя то, что называется « облой ». Облой остывает быстрее, чем остальной материал; этот холодный металл прочнее металла в штампе, поэтому он помогает предотвратить образование большего количества облоя. Это также заставляет металл полностью заполнять полость штампа. После ковки облой удаляется. [8] [15]
При коммерческой штамповке штампом заготовка обычно перемещается через ряд полостей в штампе, чтобы перейти от слитка к окончательной форме. Первый оттиск используется для распределения металла в грубую форму в соответствии с потребностями последующих полостей; этот оттиск называется «окантовочным», «полировальным» или «изгибочным» оттиском. Следующие полости называются «блокирующими» полостями, в которых деталь обрабатывается в форму, которая больше похожа на конечный продукт. Эти этапы обычно придают заготовке обширные изгибы и большие галтели . Окончательная форма выковывается в «окончательной» или «финишной» полости штампа. Если необходимо изготовить только небольшую партию деталей, то может быть более экономичным для штампа не иметь окончательной полости штампа и вместо этого обрабатывать окончательные элементы. [16]
В последние годы штамповка методом оттиска была усовершенствована за счет повышения автоматизации, которая включает индукционный нагрев, механическую подачу, позиционирование и манипуляцию, а также прямую термическую обработку деталей после ковки. [17] Один из вариантов штамповки методом оттиска называется «безоблочной ковкой» или «истинной закрытой ковкой». При этом типе ковки полости штампа полностью закрыты, что не позволяет заготовке образовывать облой. Главное преимущество этого процесса заключается в том, что на облой теряется меньше металла. Облой может составлять от 20 до 45% исходного материала. К недостаткам этого процесса относятся дополнительные затраты из-за более сложной конструкции штампа и необходимость лучшей смазки и размещения заготовки. [16]
Существуют и другие варианты формирования деталей, которые интегрируют штамповку с оттиском. Один из методов включает литье заготовки для ковки из жидкого металла. Отливка удаляется после того, как она затвердеет, но пока она еще горячая. Затем она обрабатывается в однополостной матрице. Облой обрезается, затем деталь подвергается закалке. Другой вариант следует тому же процессу, что описан выше, за исключением того, что заготовка изготавливается путем распыления металлических капель в формованные коллекторы (аналогично процессу Osprey ). [17]
Ковка в закрытых штампах имеет высокую начальную стоимость из-за создания штампов и необходимой проектной работы для изготовления рабочих полостей штампов. Однако она имеет низкие повторяющиеся затраты на каждую часть, поэтому поковки становятся более экономичными при большем объеме производства. Это одна из основных причин, по которой поковки в закрытых штампах часто используются в автомобильной и инструментальной промышленности. Другая причина, по которой поковки распространены в этих промышленных секторах, заключается в том, что поковки обычно имеют примерно на 20 процентов более высокое отношение прочности к весу по сравнению с литыми или обработанными деталями из того же материала. [16]
Ковочные штампы обычно изготавливаются из высоколегированной или инструментальной стали . Штампы должны быть ударопрочными и износостойкими, сохранять прочность при высоких температурах и иметь возможность выдерживать циклы быстрого нагрева и охлаждения. Для того чтобы изготовить лучший, более экономичный штамп, соблюдаются следующие стандарты: [17]
Бочкообразность возникает, когда из-за трения между заготовкой и штампом или пуансоном заготовка выпячивается в центре таким образом, что становится похожей на бочку . Это приводит к тому, что центральная часть заготовки соприкасается со стенками штампа раньше , чем если бы трения не было, что приводит к значительному увеличению давления, необходимого для завершения штамповки пуансоном.
Допуски размеров стальной детали, изготовленной методом штамповки с оттиском, приведены в таблице ниже. Размеры по плоскости разъема зависят от закрытия штампов и, следовательно, от износа штампа и толщины окончательного облоя. Размеры, которые полностью содержатся в одном сегменте штампа или половине, могут поддерживаться на значительно более высоком уровне точности. [15]
Смазка используется при ковке для уменьшения трения и износа. Она также используется в качестве теплового барьера для ограничения передачи тепла от заготовки к штампу. Наконец, смазка действует как разделительное соединение для предотвращения застревания детали в штампах. [15]
Ковка на прессе осуществляется путем медленного приложения постоянного давления или силы, что отличается от почти мгновенного воздействия ковки на молоте. Время контакта штампов с заготовкой измеряется секундами (по сравнению с миллисекундами ковки на молоте). Операция ковки на прессе может выполняться как в холодном, так и в горячем состоянии. [15]
Главным преимуществом штамповки по сравнению с ковкой на молоте является ее способность деформировать всю заготовку. Ковка на молоте обычно деформирует только поверхности заготовки, контактирующие с молотом и наковальней; внутренняя часть заготовки остается относительно недеформированной. Еще одним преимуществом процесса является знание скорости деформации новой детали. Контролируя скорость сжатия операции штамповки на молоте, можно контролировать внутреннюю деформацию.
У этого процесса есть несколько недостатков, большинство из которых вытекает из того, что заготовка находится в контакте с штампами в течение столь длительного периода времени. Операция является трудоемким процессом из-за количества и продолжительности шагов. Заготовка будет остывать быстрее, поскольку штампы находятся в контакте с заготовкой; штампы способствуют значительно большему переносу тепла, чем окружающая атмосфера. По мере охлаждения заготовки она становится прочнее и менее пластичной, что может вызвать растрескивание, если деформация продолжается. Поэтому нагретые штампы обычно используются для снижения потерь тепла, содействия поверхностному потоку и обеспечения производства более мелких деталей и более жестких допусков. Заготовку также может потребоваться повторно нагреть.
При высокой производительности ковка на прессе более экономична, чем ковка на молоте. Операция также создает более жесткие допуски. При ковке на молоте большая часть работы поглощается оборудованием; при ковке на прессе больший процент работы используется в заготовке. Еще одним преимуществом является то, что операция может использоваться для создания деталей любого размера, поскольку нет ограничений на размер машины для ковки на прессе. Новые методы ковки на прессе смогли создать более высокую степень механической и ориентационной целостности. За счет ограничения окисления на внешних слоях детали в готовой детали происходит снижение уровня микротрещин. [15]
Ковка под прессом может использоваться для выполнения всех типов ковки, включая ковку в открытом штампе и штамповку под оттиском. Ковка под оттиском обычно требует меньшего вытягивания, чем штамповка под давлением, и имеет лучшую размерную точность. Кроме того, штамповку под прессом часто можно выполнять за одно закрытие штампов, что позволяет легко автоматизировать. [18]
Ковка с высадкой увеличивает диаметр заготовки за счет сжатия ее длины. [18] Исходя из количества произведенных деталей, это наиболее широко используемый процесс ковки. [18] Несколько примеров распространенных деталей, изготовленных с использованием процесса ковки с высадкой, — это клапаны двигателя, муфты, болты, винты и другие крепежные элементы.
Высадка обычно выполняется на специальных высокоскоростных машинах, называемых кривошипными прессами . Машины обычно настраиваются для работы в горизонтальной плоскости, чтобы облегчить быструю смену заготовок с одной станции на другую, но высадка также может выполняться на вертикальном кривошипном прессе или гидравлическом прессе. Исходной заготовкой обычно является проволока или пруток, но некоторые машины могут принимать прутки диаметром до 25 см (9,8 дюйма) и грузоподъемностью более 1000 тонн. Стандартная высадка использует разъемные штампы, которые содержат несколько полостей. Штампы достаточно открыты, чтобы позволить заготовке перемещаться из одной полости в другую; затем штампы закрываются, и высадочный инструмент, или плунжер, затем перемещается продольно по прутку, высаживая его в полость. Если все полости используются в каждом цикле, то готовая деталь будет производиться с каждым циклом, что делает этот процесс выгодным для массового производства. [18]
При проектировании деталей, подлежащих ковке методом высадки, необходимо соблюдать следующие правила: [19]
Автоматический процесс горячей ковки включает подачу стальных прутков прокатной длины (обычно 7 м (23 фута)) в один конец машины при комнатной температуре, а горячекованые изделия выходят с другого конца. Все это происходит быстро; небольшие детали могут быть изготовлены со скоростью 180 деталей в минуту (ppm), а более крупные могут быть изготовлены со скоростью 90 ppm. Детали могут быть сплошными или полыми, круглыми или симметричными, весом до 6 кг (13 фунтов) и диаметром до 18 см (7,1 дюйма). Основными преимуществами этого процесса являются его высокая производительность и возможность использования недорогих материалов. Для эксплуатации оборудования требуется мало рабочей силы.
Не образуется облой, поэтому экономия материала составляет от 20 до 30% по сравнению с обычной ковкой. Конечный продукт имеет постоянную температуру 1050 °C (1920 °F), поэтому воздушное охлаждение приведет к получению детали, которая по-прежнему легко поддается обработке (преимуществом является отсутствие необходимости отжига после ковки). Допуски обычно составляют ±0,3 мм (0,012 дюйма), поверхности чистые, а углы наклона составляют от 0,5 до 1°. Срок службы инструмента почти вдвое больше, чем при обычной ковке, поскольку время контакта составляет порядка 0,06 секунды. Недостатком является то, что этот процесс осуществим только для небольших симметричных деталей и затрат; первоначальные инвестиции могут превышать 10 миллионов долларов, поэтому для оправдания этого процесса требуются большие объемы. [20]
Процесс начинается с нагрева прутка до 1200–1300 °C (2190–2370 °F) менее чем за 60 секунд с использованием мощных индукционных катушек. Затем его очищают от окалины с помощью роликов, разрезают на заготовки и передают через несколько последовательных стадий формовки, в ходе которых его осаживают, предварительно формуют, окончательно куют и прокалывают (при необходимости). Этот процесс также может быть сопряжен с высокоскоростными операциями холодной штамповки. Как правило, операция холодной штамповки будет выполнять завершающую стадию, чтобы можно было получить преимущества холодной обработки, сохраняя при этом высокую скорость автоматической горячей штамповки. [21]
Примерами деталей, изготовленных с помощью этого процесса, являются: подшипники ступицы колеса, шестерни трансмиссии, конические роликовые подшипники, соединительные фланцы из нержавеющей стали и горловые кольца для баллонов с жидким пропаном (LP). [22] Шестерни механической коробки передач являются примером автоматической горячей ковки, используемой в сочетании с холодной обработкой. [23]
Прокатка в рулонах — это процесс, при котором круглый или плоский пруток уменьшается в толщине и увеличивается в длине. Прокатка в рулонах выполняется с использованием двух цилиндрических или полуцилиндрических валков, каждый из которых содержит одну или несколько формованных канавок. Нагретый пруток вставляется в валки, и когда он попадает в точку, валки вращаются, и пруток постепенно формируется по мере того, как он прокатывается через машину. Затем деталь переносится в следующий набор канавок или переворачивается и снова вставляется в те же самые канавки. Это продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты желаемая форма и размер. Преимущество этого процесса в том, что нет заусенцев, и он придает заготовке благоприятную зернистую структуру. [24]
Примерами продукции, произведенной с использованием этого метода, являются оси , конические рычаги и листовые рессоры .
Этот процесс также известен как прецизионная ковка . Он был разработан для минимизации затрат и отходов, связанных с операциями после ковки. Поэтому конечный продукт от прецизионной ковки требует незначительной или нулевой окончательной обработки. Экономия затрат достигается за счет использования меньшего количества материала и, следовательно, меньшего количества отходов, общего снижения потребляемой энергии и сокращения или исключения механической обработки. Прецизионная ковка также требует меньшего уклона, от 1° до 0°. Недостатком этого процесса является его стоимость, поэтому он применяется только в том случае, если можно добиться значительного снижения затрат. [25]
Ковка по форме, близкой к заданной, наиболее распространена, когда детали куются без нагрева заготовки, прутка или заготовки. Алюминий — распространенный материал, который можно подвергать холодной ковке в зависимости от окончательной формы. Смазка формуемых деталей имеет решающее значение для увеличения срока службы сопрягаемых штампов.
В отличие от вышеперечисленных процессов, индукционная ковка основана на типе используемого стиля нагрева. Многие из вышеперечисленных процессов могут использоваться в сочетании с этим методом нагрева.
Многонаправленная ковка — это формовка заготовки за один шаг в нескольких направлениях. Многонаправленная формовка осуществляется посредством конструктивных мер инструмента. Вертикальное движение пресс-штампа перенаправляется с помощью клиньев, которые распределяют и перенаправляют силу ковочного пресса в горизонтальных направлениях. [26]
Изотермическая ковка — это процесс, при котором материалы и штамп нагреваются до одинаковой температуры ( iso- означает «равный»). Адиабатический нагрев используется для содействия деформации материала, что означает, что скорости деформации строго контролируются. Этот метод обычно используется для ковки алюминия, который имеет более низкую температуру ковки, чем стали. Температуры ковки для алюминия составляют около 430 °C (806 °F), в то время как для сталей и суперсплавов они могут составлять от 930 до 1260 °C (от 1710 до 2300 °F).
Преимущества:
Недостатки:
В зависимости от температуры формовки поковки стали можно разделить на: [27]
Для промышленных процессов стальные сплавы в основном куются в горячем состоянии. Латунь, бронза, медь, драгоценные металлы и их сплавы изготавливаются методом холодной ковки; для каждого металла требуется своя температура ковки.
Из-за узкого температурного диапазона и высокой теплопроводности ковка алюминия может быть реализована только в определенном технологическом окне. Для обеспечения хороших условий формовки необходимо однородное распределение температуры по всей заготовке. Поэтому контроль температуры инструмента оказывает большое влияние на процесс. Например, оптимизируя геометрию заготовки, можно влиять на локальные эффективные деформации, чтобы уменьшить локальный перегрев для более однородного распределения температуры. [29]
Высокопрочные алюминиевые сплавы имеют прочность на растяжение среднепрочных стальных сплавов, обеспечивая при этом значительные преимущества в весе. Поэтому алюминиевые кованые детали в основном используются в аэрокосмической, автомобильной промышленности и многих других областях машиностроения, особенно в тех областях, где требуются самые высокие стандарты безопасности против выхода из строя из-за неправильного обращения, ударных или вибрационных напряжений. Такими деталями являются, например, поршни, [ требуется цитата ] детали шасси, компоненты рулевого управления и детали тормозов. Обычно используемые сплавы - AlSi1MgMn ( EN AW-6082 ) и AlZnMgCu1,5 ( EN AW-7075 ). Около 80% всех алюминиевых кованых деталей изготовлены из AlSi1MgMn. Высокопрочный сплав AlZnMgCu1,5 в основном используется для аэрокосмических применений. [30]
Магниевые сплавы сложнее ковать из-за их низкой пластичности, низкой чувствительности к скоростям деформации и узкой температуры формовки. [31] Использование полуоткрытой горячей ковки штампом с трехползунным ковочным прессом (TSFP) стало новым разработанным методом ковки для сплава Mg-Al AZ31, обычно используемого при формировании кронштейнов самолетов. [32] [33] Этот метод ковки показал улучшение свойств растяжения, но не имеет однородного размера зерна. [34] [35] Несмотря на то, что применение магниевых сплавов увеличивается на 15–20% каждый год в аэрокосмической и автомобильной промышленности, ковка магниевых сплавов с помощью специализированных штампов является дорогостоящим и нецелесообразным методом для производства деталей для массового рынка. Вместо этого большинство деталей из магниевых сплавов для промышленности производятся методами литья.
Наиболее распространенным типом кузнечного оборудования является молот и наковальня. Принципы, лежащие в основе молота и наковальни, до сих пор используются в оборудовании с падающим молотом . Принцип, лежащий в основе машины, прост: поднять молот и бросить его или толкнуть его в заготовку, которая лежит на наковальне. Основные различия между падающими молотами заключаются в способе питания молота; наиболее распространенными являются воздушные и паровые молоты. Падающие молоты обычно работают в вертикальном положении. Основной причиной этого является избыточная энергия (энергия, которая не используется для деформации заготовки), которая не высвобождается, поскольку тепло или звук должны передаваться на фундамент. Кроме того, для поглощения ударов требуется большое основание машины. [9]
Чтобы преодолеть некоторые недостатки падающего молота, используется машина контрудара или ударник . В машине контрудара и молот, и наковальня движутся, а заготовка удерживается между ними. Здесь избыточная энергия превращается в отдачу. Это позволяет машине работать горизонтально и иметь меньшую базу. Другие преимущества включают меньший шум, тепло и вибрацию. Она также производит совершенно другую картину потока. Обе эти машины могут использоваться для ковки в открытых или закрытых штампах. [36]
Ковочный пресс , часто называемый просто прессом, используется для штамповки под давлением. Существует два основных типа: механические и гидравлические прессы. Механические прессы работают с использованием кулачков, кривошипов и/или коленчатых рычагов для создания заданного (заранее заданного усилия в определенном месте хода) и воспроизводимого хода. Из-за природы этого типа системы, в разных положениях хода доступны разные усилия. Механические прессы быстрее своих гидравлических аналогов (до 50 ходов в минуту). Их мощность составляет от 3 до 160 МН (от 300 до 18 000 коротких тонн-сил). Гидравлические прессы, такие как четырехштамповое устройство , используют давление жидкости и поршень для создания силы. Преимущества гидравлического пресса перед механическим прессом заключаются в его гибкости и большей производительности. Недостатки включают более медленную, большую и дорогую в эксплуатации машину. [15]
Для процессов прокатки, высадки и автоматической горячей штамповки используется специализированное оборудование.
