Ковка: определение, процесс и виды

Что такое ковка?

Ковка — производственный процесс формовки металла путем молоткования, прессования или прокатки. Эти сжимающие силы наносятся молотком или матрицей. Ковку часто классифицируют по температуре: холодная, теплая или горячая ковка.

Широкий спектр металлов можно ковать. Типичные металлы: углеродистая, легированная и нержавеющая сталь. Очень мягкие металлы — алюминий, латунь, медь — также куются. Ковка дает детали с отличными механическими свойствами и минимальными отходами.

Основная идея: исходный металл пластически деформируется до нужной геометрической формы, получая более высокое усталостное пределение и прочность. Процесс экономичен, позволяет массово производить детали и достигать заданных механических свойств готового изделия.

Ковку кузнецы практикуют тысячелетиями; традиционные изделия — посуда, Beschläge, ручной инструмент, холодное оружие, тарелки, ювелирные изделия.

С индустриальной революции кованые детали широко применяются в механизмах и машинах, где компоненту требуется высокая прочность; такие ковки обычно требуют дальнейшей обработки (например, механической) для получения почти готовой детали. Сегодня ковка — крупная мирововая отрасль.

История ковки

Ковку практикуют тысячелетия. Сначала бронза и медь были основными коваными металлами в бронзовом веке; позже, с открытием контроля температуры и плавки железа, железо стало основным металлом.

Традиционные изделия: посуда, Beschläge, ручной инструмент, холодное оружие. Индустриальная революция сделала ковку более эффективным массовым процессом. С тех пор ковка эволюционировала вместе с прогрессом оборудования, робототехники, электронного управления и автоматизации.

Сейчас ковка — мировая отрасль с современными заводами, производящими качественные металлические детали огромного разнообразия размеров, форм, материалов и покрытий.

Виды ковочных процессов

Существует несколько методов ковки с разными возможностями и преимуществами.

• Молоточная ковка (Drop forging)
• Прокатная ковка (Roll forging)
• Прессовая ковка (Press forging)
• Упсеттинг (Upset forging)
• Холодная ковка (Cold Forging)
• Точная ковка (Precision forging)
• Изотермическая ковка (Isothermal forging)

1. Молоточная ковка

Название от процесса: молоток падает на металл, формовка его в форму матрицы. Матрица — поверхности, контактирующие с металлом.

Два типа: открытая и закрытая матрица. Матрицы обычно плоские, некоторые с профилем для специальных операций.

Ковка в открытой матрице (кузнечная ковка)

Также известна как кузнечная ковка. Молоток ударяет и деформирует металл на неподвижной наковальне. Металл никогда полностью не заключен в матрицах — может течь, кроме зон контакта с матрицами.

Оператор отвечает за ориентацию и позиционирование металла для получения желаемой формы. Используются плоские матрицы, иногда с профилем для специальных операций. Подходит для простых и крупных деталей, а также индивидуальных компонентов.

Преимущества:

• Лучшая усталостная прочность и прочность
• Снижает риск ошибок и пустот
• Улучшает микроструктуру
• Непрерывное волокнистое направление
• Мелкозернистая структура

Ковка в закрытой матрице (матричная ковка)

Также — ковка в матрице с впечатлением. Металл помещается в матрицу, закрепленную на наковальне. Молоток падает на металл, заставляя его течь и заполнять полости матрицы.

Молоток действует в быстрой последовательности, контактируя с металлом в миллисекундах. Излишки металла выдавливаются из полостей, образуя бейвку (flash). Бейвка остывает быстрее остального материала, становясь прочнее металла в матрице. После ковки бейвку удаляют.

Для достижения финальной стадии металл проходит серию полостей в матрице:

• Ограничивающее впечатление (fullering или bending): первое впечатление для придания грубой формы.
• Блокирующие полости: металл придается форме, более близкой к итоговой, с генеральными изгибами и скруглениями.
• Финальная впечатляющая полость: финальная стадия доводки и детализации до желаемой формы.

Преимущества:

• Детали до 25 тонн
• Близкие к чистовику формы, требующие минимальной доводки
• Экономично при массовом производстве

2. Прокатная ковка

Состоит из двух цилиндрических или полуцилиндрических горизонтальных вальцов, деформирующих круглый или плоский брусок. Уменьшает толщину, увеличивает длину.

Нагретой брусок проходит между двумя вальцами, каждый с одной или несколькими профилированными канавками, и постепенно формируется при прокатке. Процесс продолжается до достижения нужной формы и размера.

Преимущества автоматической прокатной ковки:

• Почти нулевые материальные отходы
• Создает благоприятную зернистую структуру
• Уменьшает площадь поперечного сечения
• Образует конические концы

3. Прессовая ковка

Использует медленное, непрерывное давление вместо удара молоточной ковки. Более медленный ход поршня означает, что деформация проникает глубже, равномерно затрагивая весь объем металла.

В отличие от молоточной ковки, где деформация часто только на поверхности, а внутренность остается не деформированной. Контролируя скорость сжатия в прессовой ковке, можно контролировать внутренние напряжения.

Преимущества:

• Экономично для массового производства
• Большая точность допусков 0,01–0,02 дюйма
• Матрицы с меньшим уклоном для лучшей размерной точности
• Скорость, давление и ход матрицы автоматически контролируются
• Автоматизация процесса возможна
• Мощность прессов 500–9000 тонн

4. Упсеттинг (Upset forging)

Процесс увеличения диаметра металла за счет сжатия его длины. Используются кривошиповые прессы — специальные высокоскоростные станки.

Кривошиповые прессы обычно установлены горизонтально для эффективности и быстрой смены металла между станциями. Вертикальные кривошиповые прессы или гидравлические прессы также возможны.

Преимущества:

• Высокая производительность до 4500 деталей в час
• Полная автоматизация возможна
• Исключение ковочного уклона и бейвки
• Минимальные отходы

5. Автоматическая горячая ковка

Бруски проката длиной в метр загружаются в один конец станка при комнатной температуре, а горячие кованые изделия выходят из другого. Брусок нагревается высокочастотными индукционными катушками до 1200–1300 °C (2190–2370 °F) за 60 секунд.

Брусок очищается от закаливания вальцами и рассекается на заготовки. Затем металл проходит через несколько формовочных стадий, которые могут сочетаться с высокоскоростными холодными операциями. Обычно холодная формовка оставляется для финишной стадии. Так получают преимущества холодной деформации, сохраняя высокую скорость автоматической горячей ковки.

Преимущества:

• Высокая выходная производительность
• Прием дешевых материалов
• Минимальный труд для обслуживания
• Почти нулевые отходы (экономия материала 20–30% по сравнению с обычной ковкой)

6. Точная ковка (чистовиковая или близкая к чистовику)

Требует минимальной или нулевой финальной механической обработки. Метод разработан для минимизации затрат и отходов на послековковые операции. Экономия за счет снижения расхода материала, энергии и механической обработки.

7. Изотермическая ковка

Процесс, где металл и матрица нагреваются до одной температуры. Используется адиабатическое нагревание — нет чистого переноса массы или теплообмена с внешней средой.

Изменения только за счет внутренних процессов, давая высококонтролируемые скорости деформации. Благодаря меньшим тепловым потерям можно использовать станки меньшей мощности.

Применение ковки

Помимо деталей двигателя и трансмиссии, ковки используются для широкого спектра шестерен, звездочек, рычагов, валов, шпинделей, шарниров, ступиц, роликов, вилок, балок мостов, держателей подшипников, тяг.

• В основном кованые изделия используются во всех машиностроительных отраслях.
• Турбинные и генераторные роторы — кованые изделия.
• Дает высокую усталостную прочность, поэтому большинство движущихся деталей — коленчатые валы, распределительные валы, шестерни — изготавливаются ковкой.
• Холодная ковка для изготовления долот, болтов и т.д.
• В основном для ручного инструмента и Beschläge.
• В судостроении для различных конструкций.

Преимущества ковки

Ковка дает лучшие механические свойства, вязкость, усталостную и ударную прочность, так как процесс уточняет и направляет волокнистое направление по форме детали. Почти все металлы, черные и цветные, можно ковать.

• Кованые детали прочнее
• Более надежно и дешевле
• Лучше реагируют на тепловую обработку
• Более согласованные и лучшие металлургические свойства
• Широкий диапазон размеров изделий
• Меньше вторичных операций
• Большая гибкость проектирования

Недостатки ковки

• В горячей ковке сложно выполнять вторичные операции
• Капитальные затраты высоки
• Требуются строгие меры безопасности для персонала и материалов