Основы ковки: понимание этих аспектов — фундамент создания важнейшего государственного оборудования! 

Ковка — это метод обработки, при котором к металлическим заготовкам прикладывается давление с помощью ковочного оборудования для создания пластической деформации с целью получения поковки с определенными механическими свойствами, формой и размерами. Она является одной из составляющих обработки металлов давлением (ковка и штамповка). С помощью ковки можно устранить такие дефекты, как рыхлость литого металла, возникающая в процессе плавки, и оптимизировать микроструктуру. В то же время, благодаря сохранению непрерывности линий тока металла, механические свойства поковок обычно превосходят свойства отливок из того же материала. Для важных деталей машин, работающих в условиях высоких нагрузок и суровых условий эксплуатации, чаще всего используются поковки, за исключением простых по форме деталей, которые могут быть изготовлены из катанного листа, профилей или сварных конструкций.

01 Температура деформации

Температура начала рекристаллизации стали составляет около 727°C, однако в качестве разделительной линии обычно принимается значение 800°C. Ковка при температуре выше 800°C называется горячей ковкой; в диапазоне от 300 до 800°C она называется теплой или полугорячей ковкой, а ковка при комнатной температуре называется холодной ковкой. В большинстве отраслей промышленности используется горячая ковка. Теплая и холодная ковка в основном применяются для изготовления деталей в автомобилестроении и общем машиностроении, так как эти методы позволяют эффективно экономить материал.

02 Категории ковки

Как упоминалось выше, в зависимости от температуры ковки ее можно разделить на горячую, теплую и холодную. По механизму формообразования ковка делится на свободную ковку, объемную штамповку, раскатку колец и специальные виды ковки.

1) Свободная ковка

Относится к методу обработки, при котором внешняя сила прикладывается к заготовке с помощью простых универсальных инструментов или непосредственно между верхним и нижним бойками ковочного оборудования, вызывая деформацию заготовки для получения необходимой геометрической формы и внутреннего качества. Поковки, изготовленные методом свободной ковки, называются свободными поковками. Свободная ковка в основном используется для производства поковок небольшими партиями, при этом для формовки заготовок и получения качественных изделий применяется такое оборудование, как ковочные молоты и гидравлические прессы. Основные операции свободной ковки включают осадку, протяжку, прошивку, рубку, гибку, закручивание, сдвиг и кузнечную сварку. Свободная ковка всегда выполняется методом горячей ковки.

2) Штамповка

Штамповка подразделяется на штамповку в открытых штампах и штамповку в закрытых штампах. Металлическая заготовка деформируется под давлением внутри полости штампа определенной формы для получения поковки. Штамповка обычно используется для производства деталей небольшого веса и большими партиями. Штамповку можно разделить на горячую, полугорячую и холодную. Полугорячая и холодная штамповка являются перспективными направлениями развития и показателями высокого уровня технологий ковки.

По типу материалов штамповка также делится на штамповку черных металлов, штамповку цветных металлов и формование изделий из порошков. Как следует из названий, в качестве материалов используются черные металлы (например, углеродистая сталь), цветные металлы (например, медь и алюминий) и материалы порошковой металлургии соответственно.

Экструзия также относится к категории штамповки и может быть разделена на экструзию тяжелых металлов и экструзию легких металлов.

Закрытая штамповка и закрытая высадка относятся к двум передовым процессам штамповки, которые обеспечивают высокий коэффициент использования материала благодаря отсутствию облоя. Чистовая обработка сложных поковок может быть выполнена за один или несколько переходов. Поскольку облой отсутствует, площадь приложения усилия к поковке уменьшается, что также снижает требуемую нагрузку. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы не допустить полного ограничения заготовки; для этого необходимо строго контролировать объем заготовки, относительное положение штампов и проводить измерения поковок, стремясь минимизировать износ штампа.

3) Раскатка колец

Под раскаткой колец понимается производство кольцевых деталей различного диаметра на специальном оборудовании — кольцераскатных машинах. Этот метод также используется для изготовления колесных деталей, таких как ступицы автомобилей и железнодорожные колеса.

4) Специальные методы ковки

Специальные виды ковки включают вальцовку, поперечно-клиновую прокатку, радиальную ковку, жидкую штамповку и другие методы, которые подходят для производства деталей определенных сложных форм. Например, вальцовка может использоваться как эффективный процесс предварительного формования, значительно снижая последующее давление штамповки; поперечно-клиновая прокатка позволяет производить стальные шары, приводные валы и другие детали; радиальная ковка применяется для изготовления крупных орудийных стволов, ступенчатых валов и других поковок.

5) Ковочные штампы

В зависимости от способа движения штампа ковку можно разделить на вальцовку, орбитальную ковку, ротационную ковку, поперечно-клиновую прокатку, раскатку колец и косую прокатку. Орбитальная ковка, ротационная ковка и раскатка колец также могут применяться для точной объемной штамповки. Для повышения коэффициента использования материала вальцовка и поперечная прокатка могут использоваться в качестве предварительных этапов обработки длинных и тонких заготовок. Ротационная ковка, как и свободная ковка, относится к методам локального формообразования; ее преимущество заключается в том, что формовка может быть достигнута при относительно небольшом усилии ковки по сравнению с размерами поковки. При таких методах ковки, включая свободную ковку, материал во время обработки расширяется от поверхности штампа к свободным поверхностям, поэтому точность гарантировать трудно. Однако, используя компьютерное управление направлением движения штампа и процессом ротационной ковки, можно при низком усилии ковки получать изделия сложной формы и высокой точности, такие как крупногабаритные лопатки паровых турбин широкой номенклатуры.

Движение штампов и степени свободы ковочного оборудования различаются и могут быть разделены на следующие четыре формы:

Форма с ограничением усилия ковки

Гидравлический пресс с прямым гидравлическим приводом ползуна.

Метод ограничения по заданному ходу

Гидравлический пресс с гидравлическим приводом кривошипно-шатунного механизма.

Метод ограничения хода

Механические прессы, в которых ползун приводится в движение с помощью кривошипно-шатунного и клинового механизмов.

Способ ограничения энергии

Винтовые и фрикционные прессы, использующие винтовой механизм.

Для достижения высокой точности следует уделять внимание предотвращению перегрузок в нижней мертвой точке, контролю скорости и положения штампа. Все эти факторы влияют на допуски поковки, точность формы и срок службы штампа. Кроме того, для поддержания точности следует принимать такие меры, как регулировка зазора в направляющих ползуна, обеспечение жесткости, регулировка нижней мертвой точки и использование вспомогательных приводных устройств.

Также существуют различия в способах вертикального и горизонтального перемещения ползуна (используется для ковки удлиненных деталей, ковки с использованием смазочного охлаждения и высокоскоростного производства деталей), а использование компенсационных устройств позволяет добавить движение в других направлениях. В зависимости от вышеуказанных способов различаются требуемое усилие ковки, технологический процесс, коэффициент использования материала, объем выпуска, размерные допуски и методы смазочного охлаждения; эти факторы также влияют на уровень автоматизации.

03Материалы для ковки

Основными материалами для ковки являются углеродистая и легированная сталь различных составов, за которыми следуют алюминий, магний, медь, титан и их сплавы. Исходное состояние материалов включает прутки, слитки, металлические порошки и жидкий металл. Отношение площади поперечного сечения металла до деформации к площади поперечного сечения после деформации называется коэффициентом ковки (уковкой). Правильный выбор коэффициента ковки, рациональная температура нагрева и время выдержки, обоснованные температуры начала и окончания ковки, а также надлежащая величина и скорость деформации имеют большое значение для повышения качества продукции и снижения себестоимости.

Для обычных средних и малых поковок в качестве заготовок обычно используются круглые или квадратные прутки. Зернистая структура и механические свойства пруткового материала однородны и высоки, форма и размеры точны, а качество поверхности хорошее, что удобно для организации серийного производства. При условии разумного контроля температуры нагрева и условий деформации можно получить поковки с отличными эксплуатационными характеристиками без необходимости значительной деформации при ковке.

Слитки используются только для изготовления крупных поковок. Слиток имеет литую структуру с крупными столбчатыми кристаллами и рыхлой сердцевиной. Поэтому необходимо посредством значительной пластической деформации измельчить столбчатые кристаллы в мелкие зерна и уплотнить рыхлоты, чтобы получить превосходную структуру металла и высокие механические свойства.

Порошковые поковки могут быть изготовлены путем горячей безоблойной штамповки из заготовок, полученных методом порошковой металлургии (прессования и спекания). Плотность порошковых поковок близка к плотности обычных штампованных поковок, они обладают хорошими механическими свойствами и высокой точностью, что позволяет сократить последующую механическую обработку. Внутренняя структура порошковых поковок однородна и не имеет ликвации, они могут использоваться для изготовления небольших шестерен и других деталей. Однако цена порошка намного выше цены обычного прутка, что накладывает определенные ограничения на его применение в производстве.

Прикладывая статическое давление к жидкому металлу, залитому в полость штампа, и заставляя его затвердевать, кристаллизоваться, течь, пластически деформироваться и формоваться под давлением, можно получить штампованную поковку требуемой формы и свойств. Штамповка жидкого металла — это метод формообразования, промежуточный между литьем под давлением и объемной штамповкой, который особенно подходит для сложных тонкостенных деталей, трудно поддающихся обычной штамповке.

Помимо обычных материалов и алюминия, магния, меди, титана и их сплавов, деформируемые сплавы на основе железа, никеля и кобальта также подвергаются ковке или прокатке. Однако из-за относительно узкого температурного интервала пластичности этих сплавов сложность их ковки выше, и существуют строгие требования к температуре нагрева, температуре начала и окончания ковки для различных материалов.

04Технологический процесс

Различные методы ковки имеют разные технологические процессы, среди которых процесс горячей объемной штамповки является самым продолжительным. Типичная последовательность включает: резку заготовки → нагрев заготовки → вальцовку для подготовки заготовки → штамповку → обрезку облоя → пробивку отверстий → правку → промежуточный контроль (проверка размеров поковки и дефектов поверхности) → термическую обработку поковки (для снятия ковочных напряжений и улучшения обрабатываемости металла резанием) → очистку (в основном удаление окалины с поверхности) → правку → окончательный контроль (обычно поковки проходят проверку внешнего вида и твердости, а ответственные детали также подвергаются анализу химического состава, испытаниям механических свойств, измерению остаточных напряжений и неразрушающему контролю).

05 Особенности поковки

По сравнению с отливками, металл после ковки приобретает улучшенную структуру и механические свойства. В результате горячей деформации литая структура благодаря процессам деформации и рекристаллизации преобразуется: исходные крупные дендриты и столбчатые зерна превращаются в равноосную рекристаллизованную структуру с более мелкими и однородными зернами. Это способствует уплотнению и заварке исходных ликваций, рыхлостей, пор и шлаковых включений внутри слитка, делая структуру более плотной и повышая пластичность и механические свойства металла.

Механические свойства отливок ниже, чем у поковок из того же материала. Кроме того, ковка обеспечивает непрерывность волокнистой структуры металла, благодаря чему направление волокон соответствует форме поковки, а линии тока металла остаются цельными. Это гарантирует высокие механические характеристики и длительный срок службы деталей. Поковки, изготовленные методами точной объемной штамповки, холодной или теплой экструзии, обладают характеристиками, с которыми отливки не могут сравниться.

Поковка — это изделие, форма или необходимые прочностные характеристики которого достигаются путем приложения давления к металлу для его пластической деформации. Эта сила обычно прикладывается с помощью молота или пресса. Процесс ковки создает мелкозернистую структуру и улучшает физические свойства металла. При практическом использовании деталей правильное проектирование позволяет направить ток зерен вдоль направления основного напряжения. Отливки же представляют собой металлические изделия, полученные различными методами литья, то есть путем заливки, впрыска, всасывания или других способов подачи расплавленного металла в заранее подготовленную форму с последующим охлаждением, выбивкой, очисткой и финишной обработкой для получения объекта заданной формы, размера и свойств.