3. Основные операции свободной ковки.

Основные операции ковки характеризуются тем, что при их выполнении заготовка подвергается пластическому деформированию с целью получения поковки требуемой формы и размеров. К ним относятся семь видов кузнечных операций: осадка (высадка), протяжка (вытяжка), прошивка (пробивка, проколка), рубка, гибка, кручение, кузнечная сварка. С помощью комбинации этих основных операций можно получить практически любое кованое художественное изделие.

3.1. Осадка, высадка.

При ковке осадка/высадка являются основными операциями для получения формы поковки, но могут применяться также и как промежуточные операции для устранения ли-той структуры, анизотропии свойств металла, заварки внутренних дефектов.

Осадка - это операция, при которой за счет обжатия по высоте увеличивается пло-щадь поперечных сечений заготовки, перпендикулярных деформирующей силе, а площа-ди продольных сечений (высотных), параллельных деформирующей силе уменьшаются по величине. При этом деформация охватывает всю заготовку. Осадка бывает двух видов: открытая и закрытая (рис. 2). При открытой осадке трение на контактных поверхностях: «инструмент – заготовка» приводит к затормаживанию процесса радиальной деформации и, как следствие, к образованию бочкообразной боковой поверхности.

Рис. 2. Схема осадки: а – открытая осадка; б – закрытая осадка.

1 – заготовка; 2 – поковка; 3 – матрица.

Открытую осадку обычно применяют для получения поковок с большими поперечными размерами при относительно малой высоте из-за риска потери устойчивости (продольного искривления) заготовки при прикладывании вертикального усилия. На практике осадкой не рекомендуется деформировать заготовки, у которых отношения исходной высоты заготовки к исходному диаметру заготовки больше чем 2,5. Осадку также используют как предварительную операцию перед прошивкой (см. далее) при изготовлении пустотелых поковок (кольца, втулки и т.д.).

При закрытой осадке и ходе инструмента на величину h₁ также образуется бочка, однако в дальнейшем заготовка упирается в стенки матрицы и не может свободно деформироваться как в предыдущем случае. При максимально возможном ходе инструмента на величину h₂, бочкообразность изчезает и поковка приобретает оконча-тельную цилиндрическую форму. Величину h₂ можно определить из условия постоянства объема деформируемой заготовки.

Действительно, V_заг = V_пок , т.е.:

π d²_заг h_заг = π D²_пок h_пок = π D²_пок (h_заг – h₂),

Тогда, разрешая полученное выше равенство относительно h_2, получим:

= (1 - ),

где: d_заг – диаметр заготовки;

h_заг – высота заготовки;

D_пок – диаметр поковки;

h_пок – высота поковки;

h₂ – максимально возможный ход инструмента.

Понятно, что превышение ходом инструмента величины h₂ крайне нежелательно, так как это приведет к резкому возрастанию усилия осадки за счет контакта инструмента по оснастке и возможному выходу из строя и инструмента и оснастки.

Если же осаживается по высоте только часть заготовки (деформацией охвачена не вся заготовка), то такую разновидность этой операции называют высадкой (рис. 3).

Высадка также бывает открытой и закрытой в зависимости от отсутствия или нали-чия «сдерживающих» поверхностей инструмента в деформируемой части заготовки.

Деформация при осадке и высадке (для деформируемой части заготовки) описыва-ется величиной высотного обжатия ε, определяемого по формуле:

ε = - 1,

где: h₀ - исходная высота заготовки;

h₁ – конечная высота поковки после осадки.

Деформацию при осадке или высадке также можно выразить через величину укова Y, определяемую как:

Y = ,

где: F₁ – наибольшая площадь поперечного сечения поковки;

F₀ – наименьшая площадь поперечного сечения исходной заготовки.

Чем больше величина укова, тем лучше прокован металл и тем выше его механи-ческие свойства после ковки.

Рис. 3. Схема высадки: а) - открытая; б) - закрытая;

1 – пуансон; 2 – заготовка; 3 – поковка; 4 – выталкиватель; 5 – матрица.

Высадку можно «создать» не только инструментом, но и за счет различия в уровне механических свойств по высоте заготовки, получаемого путем местного нагрева (рис. 4).

Рис. 4. Схемы операции высадки.

а) за счет подкладочного кольца (слева); б) за счет местного нагрева (справа).

В художественном исполнении осадку/высадку применяют для получения корпус-ных изделий бытового назначения (корпуса, подставки и др.), а также получения головок крепежных изделий для различного вида сувениров, подковочных гвоздей, промежуточ-ных форм для кованых цветов и т.д. На рис. 5 приведены всевозможные формы головок, служащих для крепления различных частей изделий. Естественно, что сложные по форме головки получаются путем осадки в специальном штампе.

Рис. 5. Виды головок, получаемых высадкой.

1 – сферическая; 2 – сферическая с подголовком; 3 – цилиндрическая; 4 – цилиндрическая с выточкой; 5 – цилиндрическая с уступом; 6 – коническая с гранями; 7 – подковочная;

8 – с внутренним конусом; 9 – с гранями м цилиндрическими обводками; 10 – цилиндри-ческая с подголовком.

В заключении рассмотрим процесс бочкообразования при свободной осадке. В це-лом можно отметить, что он является нежелательным, так как приводит к существенному искажению формы заготовки в процессе ее деформирования, а также к неравномерности деформаций в объеме получаемой поковки и как следствие к анизотропии механических свойств. Явление бочкообразования можно существенно уменьшить за счет уменьшения величины сил трения на контактных поверхностях. Этого можно добиться путем их смаз-ки. Известно, что графит, жидкое стекло, прокладки из полиэтилена и фторопласта (тефлона) существенно снижают коэффициент трения (материалы указаны в порядке уменьшения его величины).

Замечание. Фторопласт (тефлон) - полимерный материал, получаемый химическим пу-тём. Фторопласт содержит атомы фтора, благодаря чему имеет высокую химическую стойкость. Плохо растворяется или не растворяется во многих органических раствори-телях, не растворим в воде и не смачивается ею. У фторопласта самый низкий среди ко-нструкционных материалов коэффициент трения, а также равенство статического и динамического коэффициентов трения. Фторопласт и композиции на его основе обуслав-ливают широкое его применение в машиностроении - в узлах трения механизмов машин и приборов в качестве подшипников и опор скольжения, уплотнителей, манжет. Использо-вание фторопластов в узлах трения повышает надежность и долговечность механизмов, обеспечивает cтабильную эксплуатацию в условиях агрессивных сред глубокого вакуума и при криогенных температурах. Фторопласт эксплуатируется при температурах от

-269°С до +260°С, причем верхний придел ограничивается не потерей химической стой-кости, а снижением физико-механических свойств.

При помощи снижения сил трения и даже направления их в противоположную сторону (такого тоже можно добиться при применении фторопласта!!) возникает эффект отрицательной бочки! – «barrelling negative» (рис.6), что можно использовать и в художественных целях.

Рис. 6. Эффект отрицательного бочкообразования при осадке.

В заключении укажем, что при наличии у изделия внутренних полостей, уменьше-ния бочкообразности можно достичь применением конусной поверхности у пуансона (рис. 7). При этом должно выполняться следующее условие: tgα > f, где f – коэффициент трения на контактной поверхности «инструмент – заготовка».

Рис. 7. Схема осадки конусным пуансоном.