Лекция 20
Основные операции и технология ковки
1. Основные операции и технология ковки ювелирных изделий.
2. Основные формы заготовок, получаемые ковкой.
3. Технология ковки поковок для ювелирных изделий
Ковка – наиболее древний и наиболее распространенный процесс обработки металлов давлением. Процесс ковки в том или ином виде применяется практически на всех металлургических и машиностроительных заводах.
Свободная ковка заключается в деформации металла по высоте между бойками. К основным операциям ковки относят осадку, протяжку и прошивку. При осадке вся заготовка нагружается одновременно, высота заготовки уменьшается, а поперечное сечение увеличивается. При протяжке заготовка деформируется на отдельных участках при ее перемещении между бойками и кантовками, при этом увеличивается длина и уменьшается сечение. Прошивка сопровождается получением глухих или сквозных полостей в заготовке.
При деформировании между бойками металл заготовки течет свободно в направлениях, не ограниченных рабочими плоскостями инструмента. Ковку металла осуществляют, как правило, в горячем состоянии на молотах (при небольшой массе поковок) и на гидравлических ковочных прессах (крупные поковки). Кованые заготовки имеют более высокие механические свойства, чем литые, и предназначаются для изготовления деталей ответственного назначения.
Ковка как одна из завершающих операций применяется при изготовлении индивидуальных ювелирных изделий из золотых и серебряных сплавов. Металл, подвергающийся окончательной отделке ковкой, должен обладать высокой пластичностью и иметь относительное удлинение свыше 30%. Ювелирные сплавы серебра 875–й и 916–й проб и золота 585–й и 750–й проб достаточно пластичны и хорошо подвергаются ковке.
Осадка является одной из основных операций ковки. При этом процессе деформирования внешние силы действуют параллельно оси заготовки, в то время как в перпендикулярном направлении она остается ненагруженной. Такой вид нагружения наблюдается при ковке, горячей штамповке, чеканке, тиснении и т. д. Пластическая деформация при осадке охватывает не весь слиток, а определенные зоны его. Если заготовка, имеющая прямоугольное продольное сечение, находится под нагрузкой между двумя прессующими бойками, то она стремится деформироваться в стороны от этой нагрузки (рис. 2.1.7), что приводит к выпучиванию ее боковой поверхности.
Вблизи зоны контакта с бойками металл не может свободно скользить и течь в стороны вследствие противодействия трения, поэтому в области 1 он или очень немного деформируется, или совершенно не подвергается формоизменению.
Так как нагрузка действует вертикально, то она может только в незначительной степени охватить выпуклые части 3 заготовки, и эти области остаются, поэтому также слабо деформированными.
Следовательно, наибольшее формоизменение происходит между «конусами скольжения» в области 2.
В точках РР металл не деформируется. Линия соединения обеих точек и является линией раздела текучести РР, от которой металл в равной мере смещается в обе стороны.
Если слиток металла, находящийся под нагрузкой, имеет очень большую толщину, а действующая сила очень мала, то может случиться, что образующиеся у плоскостей бойков конусы скольжения, к которым примыкает сильно деформируемая область, прерываются слоем металла, на который уже не оказывает влияния сила давления.
Рис. 2.1.7. Схема образования конусов скольжения при осадке заготовки
В ювелирном производстве ковку считают первичной обработкой металла. В процессе ковки заготовке, помещенной на наковальню, под ударами молота придается требуемая форма за счет пластического деформирования металла. Если при обработке стали понятие ковка означает только обработку ее в горячем состоянии, то в производстве ювелирных изделий под ковкой подразумевают изменение поперечного сечения заготовки без снятия стружки как в горячем, так и в холодном состоянии.
Когда листовой металл подвергают волнообразным вдавливаниям и подъемам под ударами молотка, то такой вид деформации называют выколоткой.
Пластичность благородных металлов и их сплавов в холодном состоянии в большинстве случаев достаточно велика, и поэтому необходимость нагрева заготовок для кузнечной обработки возникает весьма редко. Различают предварительную и окончательную ковку.
Предварительная (черновая) ковка представляет собой кузнечную обработку слитка для подготовки его к дальнейшей деформации прокаткой, волочением и т. п.
Понятие окончательной (чистовой) ковки охватывает все методы кузнечной обработки, с помощью которых изделию придают окончательную форму.
Изменение структуры и характер деформации металла при ковке во многом сходны с процессами, рассмотренными при прокатке. При каждом ударе молота происходит смещение атомов отдельных кристаллитов по плоскостям скольжения и структура поликристаллита изменяется точно так же, как это было описано выше при разборе сущности процесса деформирования.
Однако при прокатке эти явления наблюдаются отчетливее, чем при ковке, имеющей свои характерные особенности. Механическая схема деформации металла под действием молота соответствует рассмотренному выше случаю обжатия заготовки плоскими прессующими поверхностями, образованными бойком молота и наковальней. Так как эти поверхности в большинстве случаев меньше наружной поверхности слитка, то они деформируют единовременно лишь небольшую часть обрабатываемой заготовки (например, при вытяжке металла). Формоизменение в этом месте наибольшее, но оно сдерживается окружающим очаг деформации металлом, деформирующимся в меньшей степени. Следовательно, внутри проковываемой заготовки появляются структуры с неодинаковой степенью деформации и различными по размеру зернами металла. При каждом ударе молота образуются области сильно деформированного металла между слабо продеформированными зонами конусов скольжения. Может случиться, что при ковке толстого слитка давление охватит лишь внешнюю зону, а сердцевина его останется непрокованной.
От формы бойка молотка, вида подкладного инструмента и силы удара будет зависеть, в какой степени и в каком направлении пойдет деформация заготовки.
Под предварительной ковкой понимается подготовка слитка к дальнейшей обработке давлением: прокатке или волочению. Слиток должен подвергаться предварительной ковке для достижения следующих целей:
для измельчения дендритов и грубых кристаллитов с последующим получением мелкозернистой однородной структуры в результате перекристаллизации при отжиге;
для полного сжатия пустот и пор металла с их последующей заваркой при отжиге (если стенки пустот не окислены);
для проковки сильными ударами сердцевины слитка, слабо деформируемой при прокатке и волочении;
для придания необработанной заготовке требуемой предварительной формы.
Черновая ковка имеет смысл только тогда, когда металл подвергается значительной деформации. Для этой цели используют, поэтому тяжелый молоток и массивную стационарную наковальню. Ковку плоских пластин производят поочередно с обеих сторон молотком с клиновидным умеренно–закругленным бойком, обрабатывая вторым переходом сторону слитка, лежавшую на наковальне. Затем слиток сглаживают ударами молотка с плоской рабочей поверхностью. Четырехгранный пруток сначала проковывается клиновидным бойком перпендикулярно к оси прутка. Затем таким же образом обрабатывают противолежащую сторону и две другие грани заготовки. Плоско–скругленным бойком обрабатывают сначала все четыре ребра заготовки, а затем четыре главные плоскости. Черновая проковка ребер по диагонали сечения заготовки уменьшает опасность растрескивания металла. Если круглый пруток нужно подготовить к прокатке, то достаточно придать ему квадратное сечение, используя для этой цели молоток со слегка скругленной рабочей поверхностью бойка.
Для ковки больших слитков следует применять механические молоты. Применение таких молотов облегчает труд, увеличивает производительность и силу удара по металлу. При этом гарантируется сквозная проковка до осевой зоны даже толстых слитков.
Завершающая изготовление ювелирного изделия чистовая ковка является одним из немногих методов обработки металла, который невозможно заменить никакой другой обработкой. Материал заготовки, подвергающийся окончательной отделке ковкой, должен обладать высокой пластичностью и иметь относительное удлинение свыше 40%. Из сплавов серебра для этой цели хорошо подходит сплав 925 пробы; из сплавов золота – сплавы 750 пробы. Для улучшения эксплуатационных качеств ювелирных изделий из этих сплавов после окончательной ковки не следует проводить отжиг, а если он необходим, то в готовом виде изделие следует подвергать старению.
Исходным материалом обычно является литой пруток круглого профиля (рис. 2.1.8). Для получения штабика квадратного сечения сначала проковывают пруток молотком с плоским, слегка закругленным бойком с одной стороны по всей длине на флахштоке. Затем его переворачивают и проковывают противоположную сторону. После этого таким же способом обрабатывают две другие грани (рис. 2.1.8, а). При работе необходимо следить за тем, чтобы все грани пересекались строго под прямым углом. При перекосе граней штабика его сечение получает ромбовидную форму, для устранения дефекта заготовку следует перековать на шестигранный профиль, затем до круглого прутка и далее снова начать ковку на квадратное сечение. Если один конец прутка проковать больше, чем весь пруток, то получается первая основная форма кованого полуфабриката – клиновидное уширение штабика (рис. 2.1.8, б). Постепенно, проковывая две другие грани противоположного конца штабика перпендикулярно к клину, получают заготовку в форме винта, при этом удлинение заготовки незначительно (рис. 2.1.8, в). При ковке средней части исходного четырехгранного прутка плоско–скругленным бойком получают в этом месте большую ширину и меньшую толщину заготовки (рис. 2.1.8, г).
На рис. 2.1.8, д объединены описанная выше ковка клинообразных концов и середины штабика. Середина прутка квадратного сечения при этом прокована перпендикулярно к его клиновидным концам. Если необходимо заострить конец прутка, то проковывают все его грани в той же последовательности, как и при вытяжке круглого прутка на квадратный профиль. Ковку производят молотком с клиновидным бойком.
Рис. 2.1.8. Основные формы заготовок, получаемых методом ковки.
Каждая сторона обрабатывается таким образом, чтобы удары наносились все сильнее по мере приближения к концу штабика для получения требуемого утонения заготовки (рис. 2.1.8 ,е). На рис. 2.1.8, ж показано получение заготовки треугольного профиля путем проковки прутка прямоугольного сечения клиновидным бойком молотка по ребру штабика, который при этом изгибается. Изделия разнообразных форм можно получить в том случае, если пруток квадратного сечения согнуть, а затем проковать по толщине в месте сгиба (рис. 2.1.8, з). На рис. 2.1.8, и, как и в предыдущем примере, пруток изогнут посередине и место сгиба проковано на роге наковальни. Для того чтобы у четырехгранной заготовки получить заостренный конец круглого сечения, его вначале проковывают до формы, показанной на рис. 2.1.8, к; затем это острие с квадратным профилем перековывают на шестигранное сечение и далее на круглое. На рис. 2.1.8, л показан полуфабрикат треугольного профиля с переменными по длине сечениями. Последовательность его ковки следующая: четырехгранный пруток расковывают до треугольного профиля; затем проковывают ребро на середине прутка до нужной толщины и далее ударами молотка грани снова доводят до соприкосновения. В результате такой ковки концы прутка имеют сечение равностороннего треугольника, а середина прутка – сечение равнобедренного треугольника.
На рис. 2.1.8, м изображена кованая заготовка сложной формы. Здесь концы прямоугольного штабика были прокованы до треугольного профиля, при этом подвергался деформированию только один кант штабика (как это было показано на рис. 2.1.8, ж). Средняя часть прутка была перекована на треугольный профиль путем деформирования другого его ребра. Благодаря такой ковке получился чередующийся ритм поверхностей и ребер всего изделия.
Пример технологической схемы с применением ковки покажем на примере изготовления обручального кольца. Оптимальным методом изготовления таких колец является отливка заготовок с последующей их ковкой.
Независимо от формы кольца при его изготовлении ковкой выполняют следующие переходы (рис. 2.1.9).
1. Четырехгранный штабик подготовляют по толщине и ширине до наибольшего поперечного сечения средней части кольца (рис. 2.1.9, а). Затем концы штабика прокатывают в вальцах до размеров сечения будущих частей шинки (рис. 2.1.9, б).
2. Посредством молотка на вставной наковальне (флахштоке) головке и частям шинки кольца придают предварительную форму.
3. Предварительно откованной заготовке придают форму кольца гибкой. Для этого берут стальную оправку диаметром, несколько большим внешнего диаметра кольца, вбивают ее молотком в свинцовую пластину и получают гибочный желоб. В этот желоб укладывают заготовку кольца так, чтобы средняя часть заготовки находилась посередине желоба (рис. 2.1.9, в). Стальную оправку с диаметром, несколько меньшим внутреннего диаметра кольца, накладывают на заготовку и молотком сгибают ее, вгоняя в свинцовый желоб. Тонкие концы шинки подгибаются окончательно в тисках на оправке.
4. Концы заготовки состыковывают и запаивают твердым припоем. Далее шинку рихтуют на ригеле или на роге наковальни и, согласно эскизу, производят окончательную ковку кольца.
Ниже приводится ряд примеров чистовой ковки колец.
Кольцо подвергается предварительной ковке до получения нужного прямоугольного сечения. Затем шинку делают тоньше с обеих сторон, равномерно суживая ее и по ширине. Среднюю часть кольца выковывают на роге наковальни, придавая ей в сечении форму пологой крыши, постепенно сходящей на нет. Получившиеся наклонные поверхности отделывают пуансоном (чеканом), формуя желобки (рис. 2.1.9, г).
Рис. 2.1.9. Переходы ковки обручальных колец: а – заготовка – штабик; б – провальцованная развёртка заготовки кольца; в – гибка заготовки на свинцовой плите; г –ж – различные окончательные формы колец
Для изготовления кольца, показанного на рис. 2.1.9, д, необходимо применить материал с высокой пластичностью, так как исходный штабик должен иметь ширину массивной средней части, а затем вытягиваться по концам с большими обжатиями для получения небольшого сечения шинки, кольца. Формообразование шинки вначале производится так же, как и в предыдущем случае. Далее правильно закругленное кольцо проковывают до получения полукруглого сечения по всему периметру и отделывают среднюю часть. В случае необходимости окончательную форму кольцу придают опиливанием. Толщина верхней части кольца, показанного на рис. 2.1.9, е, значительно больше, чем в шинке. После запаивания и рихтовки шинки ее насаживают на рог наковальни, делают тупоугольным зубилом надруб в верхней части и специальной оправкой формируют желобок.
Кольцо, изображенное на рис. 2.1.9, ж, по форме напоминает старинное обручальное кольцо. Оно имеет полукруглое поперечное сечение. Верхняя часть кольца более массивная, чем нижняя. При изготовлении его используются те же приемы, что и при изготовлении вышеописанных колец. Откованную полосу загибают в кольцо, спаивают, рихтуют и на однорогой наковальне и ригеле отковывают полукруглый профиль.
Изготовление кованных шинок колец осуществляют двумя способами.
1. Как и в предыдущих примерах, заготовку куют, сгибают, спаивают и рихтуют. Затем верхнюю утолщенную часть кольца разрезают лобзиком. Образуются два симметричных утолщенных конца, между которыми можно легко вставить каст. Недостаток такой шинки состоит в том, что в самом тонком месте она имеет паяный шов.
2. Во втором случае концы штабика остаются утолщенными, а средняя часть его проковывается до нужного размера. Затем заготовка сгибается. При этом варианте труднее, чем в первом случае, выдержать симметричность концов, но зато получается бесшовная шинка.
Как и в ранее описанных способах ковки колец, исходная заготовка должна иметь сечение, соответствующее утолщенной части шинки (рис.2.1.10). Среднюю часть штабика обжимают в прокатных вальцах, меняя сдавливаемые поверхности после извлечения заготовки из валков и кантуя ее перед следующим обжимом (рис.2.1.10, а)
Рис. 2.1.10. Изготовление кованных шинок колец: а – провальцованная основная форма развёртки шинки кольца; б – гибка в свинцовом жёлобе; в – д – различные виды шинок
Обработка заготовки продолжается ковкой на флахштоке. Затем в свинцовой форме производят гибку шинки (рис.2.1.10, б). На кольцевом ригеле и роге шперака заготовке придают окончательную форму.
Шинку (рис.2.1.10, в) изготавливают из полосы прямоугольного сечения. В середине заготовка проковывается с уменьшением поперечного сечения, а концы ее остаются без изменения. Кованая шинка не всегда должна быть увесистой и массивной. В следующем примере (рис.2.1.10 , г) показана более узкая шинка постоянной ширины. Высота сечения при этом уменьшается к середине шинки. Шинка, изображенная на рис.2.1.10 , д, изготавливается так же, как и в предыдущих примерах, но с полукруглым сечением. Зато в ее утолщенных частях выбивают насечку в виде желобка и отделывают ее профильной оправкой.