Кузнечные операции

18

Оглавление

Введение

1). Технология кузнечных работ

2). Основные кузнечные операции

Заключение

Литература

Введение

Испокон веков кузнечное ремесло ассоциировалось с магией. Да и как могло быть иначе, если в кузнице бесформенные куски железа превращались в вещи неописуемой красоты. Мы попробуем хотя бы кратко познакомить вас с некоторыми приемами этого магического искусства.

Прежде всего, металл надо нагреть до температуры свыше 1000 градусов. Это делается в различных нагревательных устройствах, простейшее из которых - горн. Для художественной ковки чаще всего применяются горны открытого типа. Они просты в обслуживании, удобны в работе, позволяют быстро нагревать заготовки любой длины и в любой их части.

1. Технология кузнечных работ

Большинство кузнечных работ выполняют на наковальне, являющейся основным опорным инструментом. На рис. 1 показана двурогая наковальня массой до 250 кг.

Рис. 1. Двурогая наковальня:

Рис. 2.

1 - кузнечный молоток; 2 - кувалда

На лицевой поверхности наковальни выполняют одно или два углубления диаметром 12-15 мм для пробивания отверстий в заготовках и квадратное отверстие для установки различных подкладочных приспособлений (нижников). Верхняя часть наковальни называется наличником и имеет гладкую закаленную поверхность. Устанавливается наковальня на массивную деревянную колоду так, чтобы наличник был на высоте 70-80 см от уровня пола. Ударные инструменты - это кувалды массой от 2 до 16 кг и кузнечные молотки (ручники) массой от 0,5 до 2 кг. Для обрубки металла применяют зубила.

Кузнечное зубило отличается от слесарного тем, что имеет отверстие для рукоятки (всад). Для пробивки отверстий различной формы служат пробойники с круглой, квадратной или прямоугольной рабочей частью.

Не обойтись кузнецу и без подкладного инструмента. Его подставляют под ручник или кувалду при выполнении определенных операций. В качестве парного подкладного инструмента для придания заготовкам необходимой формы (цилиндрической, призматической или другой) применяют обжимки, а для ускорения протяжки металла - подбойники. Высадку головок болтов, гвоздей и заклепок выполняют на специальных досках с отверстиями - гвозильнях. Для изготовления завитков, меандров и кривых из прутков и полос, а также деталей из листового материала применяют различные профильные и фасонные оправки, плиты с пазами, вырезами и отверстиями для штырей. При выполнении кузнечных операций изделия держат кузнечными клещами с губками различной формы.

Рис. 3. Кузнечные зубила (1 - 3) и пробойник

Еще один вид кузнечных работ - кузнечная или горновая сварка. Этот способ соединения элементов, широко применявшийся в былые времена, теперь используют очень редко, в основном, при реставрационных работах. Суть кузнечной сварки состоит в следующем. Если достаточно сильно нагреть два куска металла (до так называемого сварочного жара) и, положив один на другой, проковать, то можно соединить их в один. Во время нагрева металл покрывается окалиной. Поэтому нужно нагреть металл так, чтобы эта окалина расплавилась, а затем при проковке она частично выдавливается. Приведем еще два примера технологии кузнечных работ.

Наверное, самой традиционной работой кузнеца на протяжении столетий было изготовление подков. Что представляет собой подкова?

Это железный профиль, загнутый по форме копыта лошади. Верхняя сторона подковы, обращенная к копыту лошади, имеет отворот, нижняя, соприкасающаяся с землей, - шипы. Передний шип называется зацепным, а два задних - шпоровыми. Кроме того, у подковы есть гвоздевые отверстия, и с нижней стороны - бороздка для головок гвоздей.

Для изготовления подковы берут полосовой металл и сгибают одну ветвь, пробивают дорожку и отверстия для гвоздей. Затем после второго нагрева сгибают вторую ветвь и пробивают дорожку и отверстия. После этого отгибают задние шипы и оттягивают отворот. Пробивают отверстие под передний шип, который отковывается отдельно. Затем этот шип со штифтом вставляют в отверстие и расклепывают. Высота шипов обычно равняется толщине подковы.

Рис. 4.Подкова (а) и основные этапы ее изготовления (б); 1 - сгибание и протягивание одной ветви; 2 - продораживание; 3 - наметка гвоздевых отверстий; 4 - пробивание гвоздевых отверстий; 5 - оттягивание отворота; 6 - проверка; подковы лекалом; 7 - отковка пяточных шипов; 8 - отделка; 9 - правка

А вот как выглядит процесс изготовления самой простой решетки. Фрагмент решетки состоит из рамки, в которую вделаны две волюты.

Рис. 5. Фрагмент решетки

Для изготовления волют берут полосовой или прутковый материал, отрубают зубилом или с помощью подсечки заготовку требуемой длины, которую гнут на коническом роге наковальни или на оправке по шаблону заданной формы. Концы волют необходимо оформить шариком или «лапкой». Квадратную рамку делают, изгибая полосу под углом 90 градусов и соединяя концы заклепками или кузнечной сваркой.

После того, как рамка будет готова, в нее вставляют откованные волюты и соединяют их с рамкой с помощью заклепок, а места соединений закрывают тонкой скобой - перехватом.

Современная художественная ковка включает весь арсенал приемов ручной ковки, и в то же время условия работы современного кузнеца значительно изменились. В наши дни кузнецы используют для заготовок, практически, только сортовой прокат различных сечений из конструкционных и легированных сталей. Применяются пневматические молоты, а для соединения элементов - дуговая и газовая сварка, что дает кузнечным изделиям новое качество.

2. Основные кузнечные операции

Основные кузнечные операции при ковке заключаются в обработке нагретого металла ударами молота или давлением для получения поковок или изделий определенной формы и требуемых размеров.

Основными кузнечными операциями при ковке являются: вытяжка, осадка, загиб, отрубание, прошивка (пробивка) отверстий и сварка.

Все кузнечные операции при ручной ковке выполняют на наковальне с применением следующих инструментов: гладилки, обжимок, кувалды, ручника, кузнечных зубил, пробойников и клещей.

Предварительные действия

Предварительно заготовки нагревают на кузнечных горнах с механическим дутьем. Топливом является кузнечный спекающийся уголь с небольшим содержанием серы или древесный уголь, не содержащий серы. Для ковки сталь нужно нагревать до необходимой температуры светло-красного каления (900--1050°), для сварки ее нагревают до температуры белого каления (1250--1450°).

При нагреве металла не следует класть его непосредственно против отверстия, через которое подается воздух для дутья в горн, так как это вызовет сильный пережог (угар) металла. Отдельные кузнечные операции выполняют следующим образом.

Вытяжка или протяжка

Вытяжка или протяжка -- операция, при которой заготовка под действием ударов удлиняется и уменьшается в поперечном сечении.

Вытяжка производится на бойках. При такой вытяжке краями бойков и почти весь вытесняемый металл пойдет на удлинение заготовки. То же можно получить, если производить вытяжку на узких бойках или через раскатку, для чего между верхним бойком и металлом кладут специальную раскатку (разгонку), которая в этом случае будет действовать как узкий боек, т. е. разгонять металл по длине заготовки. Самой производительной вытяжкой считается вытяжка на узких бойках. В больших кузницах имеются молоты с узкими бойками для вытяжки и с широкими бойками для выглаживания, т. е. выравнивания поверхности заготовки после ее вытяжки на узких бойках. Вытяжку ведут постепенно по длине заготовки, начиная обычно с середины. Короткие заготовки тянутся с конца. При вытяжке слитка ковка начинается с середины, чтобы дефекты, расположенные у прибыльной и донной частей, в отходы, т. е. в отрезаемые части слитка -- прибыль и поддон. После нескольких ударов по одной стороне заготовку поворачивают на 90°, проковывают эту сторону, затем возвращают в первоначальное положение и т. д. Таким образом, заготовку можно вытянуть на необходимую длину и до требуемого поперечного сечения. Но вытяжку не всегда удается вести в таком порядке. При ковке под молотами заготовка охлаждается от нижнего бойка быстрее, чем от верхнего, так как верхний боек соприкасается с металлом только во время удара, а нижний боек в течение всего времени ковки. Неравномерное охлаждение заготовки (ее низа и верха) может привести ее к искривлению - конец заготовки изогнется. Поэтому повернуть заготовку на 90°, не нарушая равновесия, нельзя. Заготовку в этом случае поворачивают на 180°, т. е. на противоположную сторону, и продолжают вытяжку, при которой заготовка выпрямится; затем заготовку поворачивают на 90 и производят удары молотом по боковой стороне. Для полной вытяжки требуется нагреть металл до ковочной температуры по всей длине заготовки. При ковке крупных деталей полная вытяжка производится частями; нагрев частей происходит поочередно: сначала одного конца, а после его вытяжки -- другого и т. д. Когда нужна местная вытяжка, дается местный нагрев.

Вытягивать металл нужно быстрыми и сильными ударами; в этом случае удары проникают вглубь металла; зерна его измельчаются по всему сечению. Слабые удары деформируют только поверхностные слои металла, а внутренние слои будут вытягиваться меньше. В результате между внутренними и наружными слоями появятся, могут вызвать трещины в металле.

Вытяжка производится на плоских вырезных и комбинированных бойках (верхний боек - плоский, нижний - вырезной). Круглые изделия вытягиваются в вырезных бойках с более высокой скоростью, чем в плоских, так как в вырезных бойках металл меньше течет в поперечном сечении, чем при ковке в плоских бойках. Производительность вытяжки в вырезных бойках на 20--30% больше производительности вытяжки в плоских, производительность же вытяжки в комбинированных бойках больше, чем в плоских, но меньше, чем в вырезных бойках.

Осадка

Осадка - операция, при которой площадь поперечного сечения заготовки увеличивается за счет уменьшения ее высоты. При осадке происходит растяжение металла, что вызывает в нем большие напряжения. Перед осадкой заготовку нужно нагреть до высокой температуры по всему сечению и по всей длине. Осадку применяют в следующих случаях:

1) когда следует перепутать волокна в металле или придать им такое направление, которое улучшало бы качество изделия (например, при ковке шестерен);

2) когда проковывается заготовка заданного веса, но недостаточного сечения;

3) когда из имеющейся заготовки нельзя получить заданный уков.
При осадке необходимо добиваться, чтобы длина заготовки была не более 2,5 ее диаметра или стороны квадрата. При длине заготовки более 2,5 диаметра в процессе осадки может произойти искривление заготовки, и даже она может вылететь из-под бойков. При осадке вся заготовка нагревается равномерно, затем вертикально ставится на нижний боек молота, и под ударами верхнего бойка по торцу ее сечение увеличивается за счет уменьшения высоты. В процессе этой операции заготовку нужно все время поворачивать вокруг ее вертикальной осн. Для того чтобы процесс осадки шел более интенсивно, пользуются полукруглыми или овальными раскатками. Под конец осадки применяют железную полосу толщиной 3--4 мм и шириной 70--80 мм, после чего поковка проглаживается под плоскими бойками.
Высадка середины или конца у короткой заготовки производится с помощью колец. Для того чтобы облегчить извлечение невысаживаемого конца из кольца, по внутреннему диаметру кольца делается уклон 6--7%. Но можно делать кольцо и без уклона; в этом случае поковка освобождается из кольца с помощью подкладок и надставного кольца.

Высадка середины короткой заготовки производится также с помощью колец. Перед высадкой концы заготовки протягиваются на необходимый размер. Затем один конец заготовки вставляется в нижнее кольцо, установленное на боек, а на другой конец надевается верхнее кольцо. Бойком молота по заготовке и верхнему кольцу наносятся удары, и происходит высадка средней части заготовки. Для высадки средней части нужно, чтобы стенки внутреннего отверстия в одном кольце имели уклон 6--7%, в противном случае освободить поковку от колец будет очень трудно.

Подкатка

В этих же обжимках можно произвести - подкатку конца трубы. Для этого нагретый конец трубы кладется на нижнюю обжимку, и ударами кувалды по верхней обжимке, поворачивая одновременно трубу, уменьшают ее диаметр.

Штампы

В последнее время все шире распространяется свободная ковка под молотами и подкладных штампах. Применение подкладных штампов не требует больших затрат, а потому их изготовление экономически оправдывается при ковке даже небольших партий деталей. Основное преимущество подкладных штампов сводится к тому, что течение металла в них ограничивается стенками штампа и получающиеся поковки по своей точности приближаются к штампованным. Это позволяет резко уменьшить припуск на механическую обработку, что снижает расход металла и общую трудоемкость изготовления детали. Кроме того, облегчаются условия работы кузнеца, а производительность труда увеличивается в 5--6 раз.

Загиб

Загиб - операция, при которой часть заготовки загибают - под заданным углом к другой части заготовки. Загиб производят на наковальне, с которой загибаемая часть свешивается так, чтобы вершина угла изгиба совмещалась с краем наковальни. Удары кувалдой наносят по свисающей части, удерживая заготовку на наковальне клещами и ручником, а большую заготовку -- клещами и другой кувалдой, которую держит подсобный рабочий. Угол изгиба проверяют по шаблону. В месте изгиба материал вытягивается и становится тоньше. Если требуется, чтобы толщина материала в месте изгиба не уменьшалась, заготовку в месте изгиба осаживают на требуемую толщину. Тонкие полосы стали можно изгибать в тисках. Часто приходится изгибать отковываемую заготовку или деталь под разными углами. При ковке под молотом заготовку зажимают между бойками молота и, ударяя кувалдой по свободному концу заготовки, ее изгибают. В этом случае внешние слои металла вытягиваются, в внутренние слои сжимаются. Перед гибкой производится местный нагрев, т. е. нагревается только то место, в котором будет изгибаться заготовка. При свободной ковке, когда это возможно, гибку необходимо производить с помощью подкладных штампов. Для гибки в подкладных штампах требуется гораздо меньше времени, а размеры поковки получаются более точными. Подкладные штампы применяются тогда, когда необходимо отковать большое количество одинаковых изделий, чтобы оправдать затраты на изготовление подкладного штампа.

Прошивка

Прошивка отверстий круглого или прямоугольного сечения производится пробойниками такой же формы. На наковальню помещают подкладку с отверстием соответствующего размера и профиля, а на нее кладут обрабатываемый материал. Прошивка отверстия производится ударами кувалды по пробойнику. Отверстия в толстых болванках пробиваются под молотами, причем этот процесс происходит иначе, чем при ручной ковке. Вместо пробойника применяют прошивни.

Схема пробивки. Заготовку кладут на нижний боек молота без каких-либо подкладок или колец. Затем на заготовку накладывают прошивень и ударами молота по прошивню вгоняют его в металл. Так как заготовка плотно лежит на плоской поверхности бойка, то металл потечет из-под прошивня в стороны, что вызовет увеличение размеров заготовки по диаметру (как говорят, поковка «раздается»), а также ее коробление (изгибание кверху). Затем заготовку поворачивают на 180°. На обратной стороне заготовки будет проступать несколько потемневшее очертание от основания прошивня. На это место устанавливают тот же прошивень и ударами молота вгоняют его в заготовку. При пробивке отверстия с другой стороны заготовки металл из-под прошивня будет вырван. Эта вырванная часть металла называется «выдрой». Для того чтобы прошивень не застрял в металле в начале пробивки, его после проверки правильности установки и легкого удара по нему бойком 6 приподнимают и в образовавшееся углубление насыпают угольную пыль. При последующих ударах уголь сгорает, образующиеся газы стремятся вытолкнуть прошивень из отверстия заготовки и тем самым облегчают его освобождение из отверстия после пробивки. Другой способ освобождения прошивня с помощью кольца. На заготовку, в которой находится прошивень, ставят кольцо и наносят по нему легкие удары молотом. Заготовка разгибается, и прошивень освобождается. После пробивки в заготовке получается отверстие неправильной формы, так как прошивень имеет форму конуса. Отверстие поэтому доводится, или, как говорят, калибруется, до требуемых размеров и формы конусными или бочкообразными оправками (калибрами).

Отрубание материала

Отрубание материала производят кузнечным зубилом по разметке. Кузнечная сварка является операцией по соединению двух концов стали, нагретых до температуры белого каления. Для разрубки металла под молотами употребляются кузнечные топоры. Металл под молотами, как правило, рубят в горячем виде. Рубка металла производится при температуре не ниже 700°. Заготовки рубят под молотами различными способами.

Первый способ. Нагретую заготовку кладут на нижний боек, намечают место рубки и ставят на него топор. Под ударом бойка лезвие топора врезается в металл и вытесняет его в сторону меньшего сопротивления, т. е. в сторону. Топор же будет двигаться по линии. Надрубив, таким образом, заготовку до середины, поворачивают ее на 180°, ставят топор в точку, находящуюся против места рубки, и ударами молота отрезают оставшуюся часть. Часть заготовки отрежется. При этом способе рубки получается заусенец, который затем отрубается с помощью накладок или квадрата.

Второй способ. Рубят с помощью топора и квадрата. Заготовка прорубается почти насквозь, лезвие топора немного не доводится до нижнего бойка во избежание его порчи. Затем заготовку немного поднимают, подводят под надрубленную часть квадрат; топор при этом вынимается, и ударом бойка заготовка разрубается.

Третий способ. Заготовка кладется на боек и прорубается с двух противоположных сторон топором, причем между местами рубки оставляют небольшой перешеек. Затем топор заводится обухом в разрез, и ударами бойка по лезвию узкий перешеек металла прорезается. Наиболее распространенный и безопасный способ - второй. Заусенцы, образующиеся при рубке, должны обязательно удаляться отсечкой (просечкой) с помощью квадратов и накладок. Ковать заготовку с заусенцами нельзя, так как в дальнейшем это может повлечь за собой образование нажимов.

Окалина

Прочной сварке мешает образующаяся при нагревании пленка окалины. Для того чтобы окалина легко отставала, нагретые концы перед сваркой посыпают мелким чистым кварцевым песком и ударяют о наковальню.

Закалку зубил производят следующим образом. Рабочую часть зубила нагревают до температуры - 780--830° (светло-вишневое каление). Затем, держа зубило клещами за головку, замачивают нагретую часть в воде, опуская ее в вертикальном положении.

Окончательные действия

Частично охладив, зубило вынимают из воды, зачищают рабочую часть напильником от окалины и продолжают охлаждать зубило на воздухе до температуры отпуска, при которой сталь, сохраняя свою твердость, теряет полученную при закалке хрупкость. Температура отпуска для зубила составляет около 285° и определяется по фиолетовому цвету побежалости, появляющемуся на зачищенной поверхности. После появления необходимого цвета побежалости окончательно охлаждают зубило в воде.

Техника безопасности

Во избежание ожогов и ушибов при ковке необходимо выполнять следующие правила техники безопасности:

-работать в кожаных рукавицах и в брезентовых костюмах, надевать кожаные фартуки и предохранительные очки;

-применять исправный инструмент и клещи, соответствующие форме материала; прочно укладывать материал на наковальню; складывать горячие поковки в определенное место;

-не загромождать проходы в кузнице; содержать рабочее место в чистоте;

-осторожно заливать поковки, чтобы образовавшимся паром не обжечь руки и лицо.

Заключение

Современная художественная ковка включает весь арсенал приемов ручной ковки, и в то же время условия работы современного кузнеца значительно изменились. В наши дни кузнецы используют для заготовок, практически, только сортовой прокат различных сечений из конструкционных и легированных сталей. Применяются пневматические молоты, а для соединения элементов - дуговая и газовая сварка, что дает кузнечным изделиям новое качество.

Литература

1. Абковица С., Бурке Дж. и Хильца Р. «Титан в промышленности», издательство «Оборонгиз»,1957.

2. Курчмана Б. С., «Точное литье», издательство «Оборонгиз», М.: 1954.

3. «Модернизация кузнечно-штамповочного оборудования»/под редакцией А. П. Иванова и В. Д. Лисицына, 1961.

4. Хазанова И. С., Кучерука В. В. и Белянского П. П. «Эксплуатация и ремонт вентиляционных установок машиностроительных заводов», 1954.