Технология и организация производства изделий ковкой в непроизводственных условиях

История  ковки

История кованых изделий насчитывает тысячелетия. Уже во времена Киевской Руси городские кузнецы искусно ковали из железа и стали предметы быта, сельскохозяйственные орудия, инструменты ремесленников, оружие и доспехи, конскую сбрую.

В полную силу художественные особенности железа в русском искусстве раскрылись в XVIII веке. Этому способствовало достаточное количество металла, специализация в области художественного ремесла и большой опыт, накопленный мастерами. Появились кузнечные мастерские, где крестьяне, обученные ковать металл, начали зарождать производство российское. Крупные поселения могли назвать себя селом, а не деревней только в случае если на их земле была построена церковь и работала кузница (рис.1).

В XVIII веке ковка широко используется для выполнения оград городских усадеб, особняков, церковных дворов. В Петербурге с ней соперничает техника чугунного литья, вытесняя ковку как дорогостоящую работу. Но своеобразие художественных решений, которое достигается ковкой, сохраняет интерес к ней и в XIX веке. Художественную ковку можно назвать последним «живым» ремеслом двадцать первого века, так как большинство изделий производится массовым тиражом. Художественная ковка объединила в себе тысячелетние традиции мастеров-кузнецов и оригинальные направления в дизайне и планировке ландшафтов и домашних интерьеров.

Виды ковки

Ко́вка — как правило, высокотемпературная обработка давлением различных металлов, нагретых до ковочной температуры. Особым видом ковки является холодная ковка, осуществляемая без нагрева деформируемого металла.

Свободной ковкой называют технологический процесс, при котором металл заготовки деформируется с помощью ударов кузнечного молота. При этом улучшаются механические свойства металла – при проковке металл упрочняется, завариваются так называемые несплошности и размельчаются крупные кристаллы, в результате чего структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение.

Ковка в штампах – технологический процесс, при котором нужную форму получают вдавливанием материалов в металлическую форму, называемую штампом.

В массовом и крупносерийном производстве преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном — свободная ковка.

В зависимости от способа работы ковка может быть ручной или машинной. Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании — молотах с массой падающих частей от 40 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2–200 МН, а также на ковочных машинах. Для манипулирования тяжёлыми заготовками при ковке используют подъёмные краны грузоподъёмностью до 350 т, кантователи и специальные манипуляторы.

Преимущества ковки:

• возможность изготовления поковок различного веса, формы и размеров;
• отсутствие дорогостоящей оснастки по сравнению с получением заготовок методом литья;
• использование относительно простого и универсального инструмента.

Недостатки ковки:

• сравнительно низкая производительность труда,
• невысокая точность получаемых поковок,
• большие припуски на последующую механическую обработку (в несколько раз больше чем при литье), приводящие к потерям металла в стружку.

Особенности горячей ковки:

• Металл более пластичный, можно придать любую форму
• Необходимо оборудование: кузнечный горн, наковальня, топливо для жара и др.
• Высокая пожароопасность

Особенности холодной ковки:

• Не требует нагревания детали
• Процесс требует лишь станков (рис.2), на которых происходит изгибание, опрессовывание. Готовые детали сваривают и получают изделие.
• Безопасность

Технология ковки

Нагрев

Заготовки нагревают в специальных печах или кузнечных горнах до высокой температуры. Каждая марка стали имеет свою температуру начала и конца ковки. Например, у углеродистой стали начальная температура ковки 1150-1200°, а конечная 800-850°, у легированной стали соответственно 1100-1150° и 825-875° и т. д. Если ковку заканчивают при пониженной температуре, образуется наклеп и появляются трещины. При высокой температуре нагрева происходят окисление и большой угар металла. Нагревать заготовку необходимо равномерно со всех сторон с определенной скоростью. Температура нагрева металла при ручной ковке определяется по цветам каления, а более точно - при помощи оптических пирометров. 

На протяжении многих веков горн отапливается древесным, каменным углем и коксом. В небольших кузницах пользуются древесным углем из-за его доступности и высокого качества, но он быстро прогорает, т.е. расход намного больше, чем, например, каменного угля.

Лучше всего использовать кокс. Цена этого топлива выше, но расход почти в 5 раз меньше. Копоти при сгорании кокса нет, а количество шлака небольшое и кузнечный горн будет работать с большим кпд.

Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических (температура плавления, кристаллизация) и химических (наличия легирующих элементов) свойств.

Для железа температурный интервал 800-1250 °С,

для меди 650-1000 °С,

для титана 900-1600 °С,

для алюминиевых сплавов 400–480 °С.

Нельзя допускать перегрева стали, особенно инструментальной, во избежание образования трещин и разрушения при ковке.  Перегретую часть заготовки обычно отрубают. Наиболее благоприятный температурный интервал ковки 800-900°. Прочность стали при этих температурах уменьшается примерно в 20 раз, а пластичность существенно увеличивается. Ковать при меньших температурах не следует. Например, при температуре синего каления (примерно 400°С), сталь становится очень хрупкой и легко разрушается. 

Основные технологические операции

Все многообразие технологии ковки можно свести к нескольким группам основных технологических операций (таблица 1).

Таблица - 1

Основные технологические операции
Разделительные	Соединительные	Формообразующие	Отделочные
Рубка Просечка Отрубка Вырубка Надрубка	Кузнечная сварка	Осадка Высадка Протяжка Прошивка Гибка Скручивание Передача Раскатка	Выглаживание   Насекание рисунка   Набивка рельефа и фактуры

Разделительные операции

Отрубка – это полное отделение, какой либо части заготовки из металла по наружному контуру;

Вырубка – это полное отделение по замкнутому внутреннему контуру части заготовки;

Надрубка (надрезка) – это неполное отделение, какой либо части заготовки;

Просечка – это образование в листовой заготовке сквозных узоров, выполняется также как и вырубка по внутреннему контуру, только по листу из тонкого, холодного металла.

Соединительные операции

Основная соединительная операция - кузнечная или горновая, сварка. Части железных заготовок в месте будущей сварки нагревают до высоких температур, добиваясь тестообразного состояния поверхности. Затем создают давление ударами молота (рис.3). Кроме кузнечной сварки существуют клепаное соединение и соединение обоймой, или хомутом.

Формообразующие операции

Формообразующие операции - это такие операции, в результате которых происходит изменение формы обрабатываемой заготовки (рис.4). 

Осадка – операция увеличения площади поперечного сечения заготовки за счет уменьшения высоты (рис. 1, а).

Высадка – осадка части заготовки (рис. 1, б).

Протяжка, вытяжка – увеличение длины заготовки за счет уменьшения толщины (рис. 1, в).

Рубка – разделение заготовки на части (рис. 1, г).

Прошивка – операция получения отверстия в заготовке (рис. 1, д). Различают глухую прошивку и сквозную.

Раскатка – увеличение диаметра кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины кольца (рис. 1, е).

Передача – смещение одной части заготовки относительно другой (рис. 1, ж).

Гибка - операция придания заготовке или ее части изогнутой формы по заданному контуру. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры (рис. 5). Радиус в месте изгиба не должен быть меньше полутора толщин заготовки. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны.

Имеются два вида гибки заготовок: гибка на угол и гибка по радиусу. Гибку на угол выполняют на острой кромке наковальни последовательными ударами ручника по заготовке сверху и сбоку до тех пор, пока не получится нужный угол. Гибку по радиусу выполняют на круглом роге наковальни. Радиус гибки регулируют изменением расстояния от вершины рога.

Дополнительные операции

Скругление граней

Квадратную заготовку кладут ребром на плоскость наковальни в продольном направлении, и ударами кувалды перековывают квадратное сечение на восьмигранное (рис. 6). Удары должны быть равномерными, чтобы не искривить заготовку.

Оформление уступов

Уступ – утолщение или шейка меньшего попереченого сечения. Обычно ковку уступов выполняют на остром ребре наковальни (рис. 7). Заготовку укладывают поперек наковальни, ребро которой ограничивает длину оттягиваемого участка. Ударами кувалды по противоположной грани заготовки оформляют уступ. В одиночку кузнец может делать только односторонние уступы.

Продевание

Для решеток и ворот характерна конструкция, представляющая собой продетые друг в друга стержни. В стержне, через который продевают, нельзя сразу просекать отверстие. В месте, где должно быть отверстие, стержень слегка пережимают, а затем с двух сторон просекают (рис. 9). Кузнец изготавливает длинное острое зубило круглого сечения с широким скругленным острием и просекает отверстие только в горячем прутке. В этом случае нагревается и острие зубила. Как только после просечки отверстия зубило извлекают из прутка, его немедленно надо замачивать и затачивать. При просечке образуется удлиненная узкая прорезь, которую в дальнейшем протягивают с помощью круглой оправки подходящего диаметра.

Скручивание-торсирование

Скручиванием осуществляют поворот части заготовки вокруг продольной оси (рис. 10). Поковки спиральной формы получают из плоских заготовок, например спиральные сверла (рис. 8). Скручивание как кузнечная операция нередко выполняется после операции передачи. Скручивание на большой угол (до нескольких оборотов) сопровождается заметным уменьшением длины заготовки и увеличением сечения ее в зоне скручивания. Участок, подвергаемый скручиванию, должен иметь одинаковые поперечные сечения на всей длине. Поверхность этого участка должна быть гладкой, без складок, трещин, глубоких царапин. Для деталей ответственного назначения скручиваемый участок даже предварительно обрабатывают на токарном станке.

Скручивают, как правило, в холодном состоянии, т.к. при нагреве неравномерно нагретый стержень приводит к неравномерному скручиванию.
Кузнец зажимает стержень по нижней риске в тисках, надевает сверху трубку на стержень, при помощи двухплечего ворота выполняет скручивание.

Шишки

В художественной ковке распространенным элементом украшения являются различной формы шишки. Их делают свертыванием проволоки в спираль из одной нитки либо из трех-шести ниток, связанных в пучок. Шишки кузнецы делали из целого прутка квадратного сечения, рассекая его в продольном направлении на несколько ветвей также четырехгранного сечения, а затем его скручивали (рис.11).

Свертка колец

Кольца небольших размеров выполняют в холодном состоянии с помощью кузнечных тисков. Зажим происходит перпендикулярно губам тисков и последовательными ударами загибают заготовку в кольцо, каждый раз прикладывая специально изготовленный шаблон.

Волюты-спирали

Элементы в форме завитка изготавливают по шаблону. На наковальне производят законцовку волюты и потом на ребре или роге наковальни оформляют ее основной наиболее крутой завиток (рис.12). После этого снова нагревают заготовку на возможно большую длину и с помощью спиральной оправки куют спираль. Закрутка по шаблону выполняется с помощью специально изготовленного для этой цели хомута.
По форме волюты могут быть односторонними, двусторонними, с обратной закруткой и с разветвлением от одного прутка. Заготовки, предназначенные для изготовления волют, можно украсить продольными желобками или орнаментами, выполненными с помощью чеканов или рельефных пуансонов.

Организация технологического процесса в непроизводственных условиях

Кузнечный горн

К горну должен быть доступ с трех сторон, что необходимо особенно при изготовлении крупных изделий, при их укладке и выносе после нагрева. Это основное кузнечное устройство должно быть оборудовано хорошей вытяжкой (рис. 13). При разведении огня, особенно в летние месяцы, следует достаточно долго, дольше, чем в обычной дымовой трубе, поддерживать так называемую тягу для того, чтобы мастерская не была задымлена. Для этих случаев необходим вспомогательный вентилятор.

Основой кузнечного горна является постамент, который обычно изготавливают из металла или из шамотного кирпича. Стенки внутри изготавливают из огнеупорного кирпича(2), в связи с высокой температурой.

Для обеспечения процесса горения и требуемой температуры в очаге на дне оставляют специальное отверстие. В это отверстие через фурму(1) принудительно нагнетают воздух при помощи компрессоров(6) или вентиляторов. Требуемый вид пламени достигается специальными решетками - колосниками(3), которые закрывают отверстие в горновом очаге. Зольник(8) служит для сбора золы и шлаков, образовавшихся в результате сгорания топлива, а удаляют золу через отверстие(9). Для сбора летучих продуктов горения используют конструкцию, которую называют зонт(11). Обычно его изготавливают из металла.

Наковальня

Основной опорный инструмент для ковки, на котором производятся все ковочные операции. Наиболее распространен однорогий тип с коническим круглым рогом, который служит для загибания поковок по радиусу (рис. 14). Противоположный рогу край наковальни, называемый хвостом, служит для загибания под прямым углом. На поверхности хвоста имеются два отверстия; одно из них - круглое служит для пробивания отверстий, другое - квадратное для установки различных подкладных приспособлений (нижников). У основания рога имеется незакаленная площадка для рубки металла. Верхняя часть наковальни называется наличником; она гладко обработана и закалена.

Чтобы наковальня при ударах не шаталась, под нее устанавливают деревянную подушку и железную бочку, заполненную песком или глиной. Для шумоизоляции дополнительно стелят прокладку из твердой резины.

Инструменты, используемые при свободной ковке

Кувалда и ручник. Это — ударные инструменты, применяемые при ручной ковке (рис. 15). Они изготовляются ковкой из углеродистой стали с содержанием углерода 0,6—0,7%. После ковки необходимо произвести отжиг, что предохраняет инструмент от разрушения при ударах. Кувалды бывают весом от 2 до 10 кг, ручники — от 0,5 до 2 кг. Рукоятки для кувалды — длиной от 700 до 900 мм, для ручника — 350—500 мм. Кувалдой работает молотобоец, а ручником — кузнец. Ручником производится ковка, когда требуются удары небольшой силы, а при ковке кувалдой кузнец ручником указывает место удара.

Клещи. В основном клещи применяются для удержания заготовки при ручной и молотовой ковке. Они отковываются из углеродистой стали, содержащей 0,3—0,4% С. Концы клещей — губки, которыми захватывается заготовка, бывают различной формы в зависимости от формы и размеров удерживаемой заготовки. Клещи должны пружинить, чтобы уменьшить отдачу на кузнеца от ударов молота. Длинные клещи лучше пружинят, чем короткие (рис. 16).

Воротяжки. Назначение воротяжек — удерживание и поворачивание крупных заготовок квадратного профиля (рис. 17). Заготовка подвешивается на цепи, а на конец ее надеваются воротяжки в виде хомута с рукоятками. Хомут состоит из двух скоб, стягиваемых болтами. Это позволяет применять воротяжки для заготовок различных размеров.

Измерительный инструмент служит для проверки размеров поковки в процессе изготовления и после окончательной отковки (рис. 18).

Кронциркуль. Применяется для измерения длин и диаметров. Он состоит из двух ножек, скрепленных шарнирно. Когда нужно замерить внутренний диаметр, ножки разворачиваются так, чтобы их загнутые концы были обращены наружу. Замер, сделанный кронциркулем, переносится на металлическую линейку с делениями и этим устанавливается размер в мм. Применяются двойные и тройные циркули, которые позволяют одновременно снять два или три размера.

Размеры горячих поковок проверяются с помощью усадочного метра. Это стальная линейка, которая больше обычного метра на 1,5%; соответственно все деления на ней больше на 1,5%. Такая линейка сразу показывает размеры, которые будет иметь поковка после остывания, когда произойдет тепловая усадка с уменьшением размеров примерно на 1,5%.

Калибр - это стальная пластинка с прямоугольными калиброванными вырезами. Калибр применяется для измерения толщины полос и листов, а также при изготовлении мелких стандартных поковок — болтов, гаек и т. п.

Угольники. Замеры углов при ковке производятся с помощью стальных угольников, которые изготовляются со стандартными углами 90, 60, 45 и 30°.

Шаблоны служат для проверки контуров поковок, имеющих сложную форму. Шаблоны вырезаются из листовой стали толщиной 1—3 мм. Проверка формы и размеров поковки производится непосредственным прикладыванием к ней шаблона.

Мастерская художественной ковки должна быть оборудована не только полным набором традиционных инструментов, но и полным набором современных инструментов и станков, которые облегчают эту трудоемкую работу. 

Заключение

В наше время ковка металла не утратила своего значения. Современный кузнец - это все тот же ремесленник, вооруженный современными технологиями и знаниями. Его труд тяжел, но востребован и почитаем, как в далеком прошлом. Ручная работа всегда высоко ценится, а работа с металлом еще и приносит много радости и удовлетворения. У современных кузнецов больше возможностей, они могут нагревать металл до более высоких температур, а к работе приступают после обучения в школах и университетах, где им подробно рассказывают о химии и физике.

Ковка металла - это отличный способ самовыражения, заработка и снискания уважения и восхищения людей.