Секреты кузницы: освоение современных технологий ковки

Как современные ковочные предприятия манипулируют металлом в кованые детали?

Что такое ковка?

Ковка — производственный процесс, включающий формовку металла через молоткование, прессование или прокатку. Эти компрессивные силы доставляются с молотком или прессом. Ковка часто категоризируется согласно температуре, при которой она выполняется — холодная, теплая или горячая ковка.

Широкий спектр металлов может быть кованы. Типичные металлы, используемые в ковке, включают углеродистую сталь, легированную сталь и нержавеющую сталь. Очень мягкие металлы, такие как алюминий, латунь и медь, также могут быть кованы. Ковочный процесс может производить детали с отличными механическими свойствами с минимальными отходами. Базовая концепция в том, что исходный металл пластически деформируется в желаемую геометрическую форму — давая ему более высокое усталостное сопротивление и прочность. Процесс экономически обоснован с способностью массово производить детали и достигать конкретных механических свойств в готовом продукте.

История ковки

Ковку практиковали кузнецы тысячелетиями. Сначала бронза и медь были самыми распространенными коваными металлами в Бронзовом веке: позже, когда была открыта способность контролировать температуру и процесс выплавки железа, железо стало основным кованым металлом. Традиционные продукты включают кухонную утварь, фурнитуру, ручные инструменты и холодное оружие. Промышленная революция позволила ковке стать более эффективным процессом массового производства. С тех пор ковка эволюционировала вместе с прогрессом в оборудовании, робототехнике, электронном управлении и автоматизации. Ковка теперь всемирная индустрия с современными ковочными предприятиями, производящими высококачественные металлические детали в огромном массиве размеров, форм, материалов и финишей.

Методы ковки

Существует несколько методов ковки с разными возможностями и преимуществами. Более распространенные методы ковки включают методы молотковой ковки, а также прокатную ковку.

Молотковая ковка (Drop forging)

Молотковая ковка получает свое имя от процесса падения молотка на металл для формовки его в форму прессы. Пресса относится к поверхностям, которые приходят в контакт с металлом. Существует два типа молотковой ковки — открытая пресса и закрытая пресса ковка. Прессы обычно плоские по форме с некоторыми, имеющими đặcтивно оформленные поверхности для специализированных операций.

Открытая пресса ковка (smith forging)

Открытая пресса ковка также известна как кузнечная ковка. Молоток ударяет и деформирует металл на стационарной наковальне. В этом типе ковки металл никогда не полностью заключен в прессы — позволяя ему течь, кроме областей, где он в контакте с прессами. Ответственность оператора — ориентировать и позиционировать металл для достижения желаемой конечной формы. Плоские прессы используются, с некоторыми, имеющими специально оформленные поверхности для специализированных операций.

Преимущества открытой прессы ковки:

• Лучшее усталостное сопротивление и прочность
• Снижает вероятность ошибки и/или дыр
• Улучшает микроструктуру
• Непрерывный волокнистый поток
• Более мелкий размер зерна

Закрытая пресса ковка (impression-die)

Закрытая пресса ковка также известна как ковка в прессовом впечатлении. Металл помещают в прессу и прикрепляют к наковальне. Молоток падает на металл, заставляя его течь и заполнять полости прессы. Молоток синхронизирован для прихода в контакт с металлом в быстрой последовательности на масштабе миллисекунд. Излишки металла выталкиваются из полостей прессы, образуя заусенец. Заусенец остывает быстрее остального материала, делая его прочнее металла в прессе. После ковки заусенец удаляют.

Для того чтобы металл достиг финальной стадии, он проходит через серию полостей в прессе:

1. Оборотная пресса (также известная как фуллеринг или изгиб)
   Первая пресса, используемая для формовки металла в грубую форму.

2. Блокирующие полости
   Металл обрабатывается в форму, более близко напоминающую конечный продукт. Металл формируется с щедрыми изгибами и фасками.

3. Финальная пресса полости
   Финальная стадия доводки и детализации металла в желаемую форму.

Преимущества закрытой прессы ковки:

• Производит детали до 25 тонн
• Производит близкие к точным формы, требующие только небольшое количество доводки
• Экономично для тяжелого производства

Прокатная ковка (Roll forging)

Прокатная ковка состоит из двух цилиндрических или полуцилиндрических горизонтальных валиков, деформирующих круглый или плоский заготовочный брусок. Это работает для уменьшения его толщины и увеличения его длины. Этот нагретый брусок вставляют и проходят между двумя валиками — каждый содержащий один или более оформленных желобов — и прогрессивно формируется по мере прокатки через машину. Этот процесс продолжается до достижения желаемой формы и размера.

Преимущества автоматической прокатной ковки:

• Производит мало или никакого материального отхода
• Создает благоприятную зернистую структуру в металле
• Уменьшает площадь поперечного сечения металла
• Производит конические концы

Прессовая ковка (Press forging)

Прессовая ковка использует медленное, непрерывное давление или силу вместо удара, используемого в молотковой ковке. Более медленное перемещение тара означает, что деформация достигает глубже, так что весь объем металла единообразно затронут. Напротив, в молотковой ковке деформация часто только на уровне поверхности, пока интерьер металла остается немного недеформированным. Контролируя скорость компрессии в прессовой ковке, внутреннее напряжение также может быть контролировано.

Преимущества прессовой ковки:

• Экономично для тяжелого производства
• Большая точность в допусках в пределах 0,01–0,02 дюйма
• Прессовые формы имеют меньше уклона, позволяя лучшую размерную точность
• Скорость, давление и перемещение прессы автоматически контролируются
• Автоматизация процесса возможна
• Мощность прессов варьируется от 500–9000 тонн

Апсетная ковка (Upset forging)

Апсетная ковка — производственный процесс, увеличивающий диаметр металла за счет сжатия его длины. Коленчатые прессы, специальные высокоскоростные машины, используются в апсетных ковочных процессах. Коленчатые прессы обычно устанавливают на горизонтальной плоскости для улучшения эффективности и быстрого обмена металлом от одной станции к следующей. Вертикальные коленчатые прессы или гидравлические прессы также варианты.

Преимущества апсетной ковки:

• Высокая производственная скорость до 4500 деталей в час
• Полная автоматизация возможна
• Исключение ковочного уклона и заусенца
• Производит мало или никакого отхода

Автоматическая горячая ковка (Automatic hot forging)

В автоматической горячей ковке заводские стальные бруски вставляют в один конец ковочной машины при комнатной температуре, и горячие кованые продукты выходят из другого конца. Брусок нагревают высокомощными индукционными катушками до температуры 1200–1300 °C (2190–2370 °F) за менее 60 секунд. Брусок очищают от шлака валиками и делят на заготовки. В этот момент металл переносят через несколько формовочных стадий, которые могут быть сцеплены с высокоскоростными холодными формовочными операциями. Обычно холодная формовочная операция оставляют для финальной стадии. Делая так, можно получить преимущества холодной обработки, сохраняя высокую скорость автоматической горячей ковки.

Преимущества автоматической горячей ковки:

• Высокая выходная скорость
• Принятие низкозатратных материалов
• Минимальный труд для эксплуатации машин
• Производит мало или никакого материального отхода (экономия материала 20–30% по сравнению с конвенциональной ковкой)

Точная ковка (нетто-форма или близко к нетто-форме ковка)

Точная ковка требует мало или никакой финальной механической обработки. Это ковочный метод, разработанный для минимизации затрат и отходов, связанных с пост-ковковыми операциями. Экономия затрат достигается от уменьшения материала и энергии, а также уменьшения механической обработки.

Изотермическая ковка (Isothermal forging)

Изотермическая ковка — ковочный процесс, где металл и пресса нагреваются до одинаковой температуры. Адиабатический нагрев используется — нет чистого переноса массы или теплового обмена между системой и внешней средой. Изменения все вызваны внутренними изменениями, приводящими к высококонтролируемым скоростям деформации. Из-за меньших тепловых потерь для этого ковочного процесса могут использоваться более мелкие машины.