Kovanie predstavuje tvárniace postupy, pri ktorých sa mení polovýrobok na výkovok, a to zvyčajne medzi dvomi proti sebe sa pohybujúcimi kovacími nástrojmi. Ide o metódu spracovania, ktorá využíva kovacie stroje na vyvíjanie tlaku na kovové polotovary na výrobu plastickej deformácie na získanie výkovkov s určitými mechanickými vlastnosťami, určitými tvarmi a veľkosťami. Kovanie (kovanie a lisovanie) je jednou z dvoch hlavných súčastí.
Základné princípy kovania
Kovať možno iba tvárne kovy, ktoré znesú v tuhom stave pomerne veľké presuny častíc bez prerušenie súvislosti. Kovať možno bez ohrevu - takto spracúvame materiály, ktoré sú dobre tvárne za studena. Najčastejšie spracovaným materiálom je ale oceľ, kde presun častíc pri tvárnení sa zvyčajne uľahčuje ohrevom kovu. Teplota spracovania (kovania) polotovaru sa potom pohybuje v intervale hornej tvárniacej a dolnej tvárniacej teploty.
Kovanie je metóda spracovania, ktorá využíva kovacie stroje na vyvíjanie tlaku na kovové polotovary, čím sa vytvára plastická deformácia na získanie určitých mechanických vlastností, tvarov a veľkostí. Kovanie môže eliminovať chyby, ako napríklad uvoľnenie odliatku pri tavení kovov, a optimalizovať mikroštruktúru. Zároveň sú z dôvodu zachovania kompletných kovových prúdových potrubí mechanické vlastnosti výkovkov všeobecne lepšie ako vlastnosti odliatkov z rovnakého materiálu.
Proces kovania vytvára jemnú štruktúru zrna a zlepšuje fyzikálne vlastnosti kovu. Pri skutočnom použití dielov môže správna konštrukcia spôsobiť, že častice budú prúdiť v smere hlavného tlaku.
Klasifikácia kovania
Kovanie sa rozdeľuje podľa rôznych kritérií, vrátane teploty spracovania a mechanizmu tvarovania.
Typy kovania podľa teploty
Podľa teploty kovania sa rozlišuje kovanie za tepla, kovanie za tepla a kovanie za studena. Teplé kovanie a kovanie za studena sa používajú hlavne na kovanie častí, ako sú automobily a všeobecné stroje. Tepelné kovanie a kovanie za studena môžu účinne šetriť materiály.
Typy kovania podľa tvarovacieho mechanizmu
Podľa tvarovacieho mechanizmu možno kovanie rozdeliť na voľné kovanie, zápustkové kovanie, valcovanie krúžkov a špeciálne kovanie.
Voľné kovanie
Voľné kovanie je pracovný postup výroby výkovkov, pri ktorom sa získa tvar výrobku približne podobný hotovej súčiastky. Vzťahuje sa na metódu spracovania výkovkov, ktoré používajú jednoduché nástroje na všeobecné použitie alebo priamo pôsobia vonkajšou silou na polotovar medzi hornými a dolnými nákovami kovacieho zariadenia a deformujú tak polotovar tak, aby sa získal požadovaný geometrický tvar a vnútorná kvalita. Pri voľnom kovaní kovový polotovar okrem kontaktu kovu medzi hornou a dolnou nákovou nepodlieha vonkajším obmedzeniam a môže sa voľne deformovať vo všetkých ostatných smeroch, takže vývoj deformácie nie je možné kontrolovať.
Voľné kovanie je dobré na výrobu výkovkov s malými dávkami. Používa sa na výrobu a spracovanie veľkých výkovkov a skúšobnú výrobu nových výrobkov, ako aj na výrobu a opravy kusových a malosériových výkovkov. Aj keď je voľné kovanie všeobecne uznávané ako zastaraný a nehospodárny spôsob kovania pre sériovú alebo hromadnú výrobu malých a stredných výkovkov, stále je to použiteľný a ekonomický spôsob výroby pre malosériovú alebo kusovú výrobu, najmä veľké výkovky.
Metódy a nástroje voľného kovania
Voľné kovanie rozdeľujeme na ručné a strojné kovanie.
- Ručné kovanie: Ručné kovanie sa realizuje na nákove pomocou kováčskeho náradia. Vo všeobecnosti sa ručným kovaním dajú vyrobiť iba malé výkovky, produktivita je nízka. Materiál sa ohrieva vo vyhni alebo v menších ohrievacích peciach.
- Strojové kovanie: Strojové kovanie sa robí na bucharoch alebo lisoch. Strojové kovanie je hlavnou metódou voľného kovania s vysokou účinnosťou spracovania a dobrou kvalitou spracovania. Pre voľné kovanie sa používajú buchary o hmotnosti barana až 5 tón. Pre kovanie výkovkov, kde sa požaduje väčšia hmotnosť barana, sa používajú hydraulické lisy o kovacej sile až 150 000 MN.
Základné operácie voľného kovania
Zložité výkovky sa zvyčajne vyrábajú kombináciou jednoduchých kováčskych prác. Medzi základné postupy voľného kovania patria:
- ubíjanie
- vyťahovanie
- sekanie
- osadzovanie a presadzovanie
- ohýbanie
- skrucovaním
- kováčske zváranie
Kovacie nástroje majú jednoduchý tvar. Obvykle sú nimi kovadlá rovinné, tvarové, alebo kombinované. Výkovky sú často zhotovené na viacero úderov so zmenou polohy, aby bol dosiahnutý požadovaný tvar.
Výhody a nevýhody voľného kovania
Voľné kovanie dokáže spracovať výkovky hriadeľov a tyčí, výkovky krúžkov, výkovky valcov, ohýbané výkovky, výkovky špeciálnych tvarov a iné typy výkovkov s jednoduchými nástrojmi, vysokou všestrannosťou a krátkou dobou prípravy výroby. Voľným kovaním je možné kovať od jedného kilogramu do dvesto alebo tristo ton výkovky, ako napríklad vreteno hydraulickej turbíny, kľukový hriadeľ, výkovky ozubených kolies, veľké ojnice a iné voľne kované výkovky pri veľkom zaťažení pri práci, s vysokými mechanickými vlastnosťami. Metóda voľného kovania sa môže použiť na výrobu voľne kovaných polotovarov.
Na druhej strane, tvar a prevodový stupeň voľných výkovkov je možné ovládať manuálne, s nízkou presnosťou, veľkým prídavkom na spracovanie a náročnou výrobou a nedostatkami pri spracovaní, takže prah kovania je vyšší.
Kování hlavní hřídele pro Siemag Tecberg #2
Zápustkové kovanie
Zápustkové kovanie je tvárniaci proces, pri ktorom sa mení polovýrobok na výkovok v jednej alebo viacerých dutinách tvárniaceho nástroja - zápustky. Je mladším spôsobom kovania. Tok materiálu je riadený tvarom zápustiek, a tak je v porovnaní s voľným kovaním presnejšie a lepšie uplatniteľné v sériovej výrobe. Zápustkové kovanie je hlavnou metódou kovania pre sériovú alebo hromadnú výrobu výkovkov.
Nástrojom je dvojdielna oceľová forma, ktorá tvarom zodpovedá požadovanému výkovku. Materiál je úderom vtlačený do zápustkovej formy a tým prevezme jej tvar. Zápustka je dvojdielna kovová forma s dutinou, ktorá má tvar budúceho výkovku. Jeden diel zápustky je pevný (na nákove) druhý sa priloží na výkovok a úderom naň sa forma spojí. Niekedy je zápustka priamo súčasťou kovacieho stroja. V porovnaní s voľným kovaním sú dosahované rozmery výrobku presnejšie a povrch je kvalitnejší, s menšou drsnosťou. Akosť výkovkov zhotovených zápustkový kovaním je teda proti voľnému kovaniu lepšia, ale nie vždy vyhovuje požiadavkám kladeným na výsledný produkt a povrch je treba ďalej opracovať. S ohľadom na ďalšie takéto spracovanie tvaru sú k rozmerom pridávané prídavky na obrábanie. Kovanie v zápustkách je použiteľné pre polotovary až do hmotností v stovkách kilogramov.
Typy zápustkového kovania
Zápustkové kovanie sa delí na otvorené zápustkové kovanie a uzavreté zápustkové kovanie. Kovový polotovar je stlačený a deformovaný v kovacej matrici určitého tvaru, aby sa získali výkovky. Zápustkové kovanie sa všeobecne používa na výrobu dielov s malou hmotnosťou a veľkou dávkou.
Uzavreté zápustkové kovanie a uzavreté razenie sú dva pokročilé procesy zápustkového kovania. Pretože nedochádza k blesku, je miera využitia materiálu vyššia. Dokončenie zložitých výkovkov je možné dokončiť jedným procesom alebo niekoľkými procesmi. Pretože nedochádza k blesku, zmenší sa silová plocha kovania a tiež sa zníži potrebné zaťaženie. Je však potrebné poznamenať, že polotovary nemožno úplne obmedziť. Z tohto dôvodu musí byť prísne kontrolovaný objem polotovarov, musí byť kontrolovaná relatívna poloha kovacích lisovníc a meranie výkovkov, aby sa znížilo opotrebenie kovacích lisovacích nástrojov. Uzavreté zápustkové kovanie je skvelé na výrobu veľkoobjemových zložitých dielov s úzkymi toleranciami. Dokáže vytvárať diely s veľmi detailnými vlastnosťami, ako sú ozubené kolesá a lopatky turbíny.
Lisové kovanie je podobné ako uzavreté zápustkové kovanie, ale na pôsobenie sily používa lis namiesto kladiva. Lisovacie kovanie je možné použiť pre malé aj veľké diely. Často sa používa v odvetviach, kde je rozhodujúca presnosť a opakovateľnosť, ako je automobilový a letecký priemysel.
Pri menších hmotnostiach a jednoduchých tvaroch výkovku z dobre tvárnych materiálov je možné kuť aj bez predohrevu. Zápustkové kovanie možno rozdeliť na kovanie za tepla, kovanie za tepla a kovanie za studena. Teplé kovanie a kovanie za studena sú smerom budúceho vývoja zápustkového kovania a tiež predstavujú úroveň technológie kovania.
Ďalšie typy kovania
Okrem voľného a zápustkového kovania existujú aj špecializované metódy:
- Valcovanie krúžkov: Prstencové valcovanie sa týka výroby dielcov v tvare prstenca s rôznymi priemermi prostredníctvom špeciálneho valcovacieho stroja. Používa sa tiež na výrobu dielov v tvare kolesa, ako sú náboje automobilov a kolesá vlakov.
- Špeciálne kovanie: Špeciálne kovanie zahŕňa valcovanie za tepla, priečne klinové valcovanie, radiálne kovanie, kovanie za mokra a ďalšie spôsoby kovania. Tieto metódy sú vhodnejšie na výrobu dielov so špeciálnymi tvarmi. Napríklad kovanie vo valci sa môže použiť ako efektívny proces predformovania na výrazné zníženie následného formovacieho tlaku; valcovanie s priečnym klinom môže vyrábať oceľové guľky, hnacie hriadele a ďalšie časti; radiálne kovanie môže produkovať veľké sudy, stupňovité hriadele a iné výkovky.
- Upchaté kovanie: Je o zväčšení plochy prierezu kovového kusu na konkrétnom mieste. V tomto procese sa koniec kovovej tyče alebo tyče zahreje a potom sa umiestni do matrice. Upchaté kovanie sa bežne používa na výrobu dielov, ako sú skrutky, skrutky a nity. Je to veľmi efektívny spôsob vytvorenia hlavy na spojovacom prvku.
- Nárazové kovanie: Využíva náhly náraz na tvarovanie kovu. Tento typ kovania je skvelý na vytváranie dielov s vysokým pomerom pevnosti k hmotnosti. Môže sa použiť na výrobu dielov, ako sú nástroje, poľnohospodárske zariadenia a niektoré automobilové komponenty.
- Izotermické kovanie: Je špecializovaný typ kovania, ktorý sa vykonáva pri konštantnej teplote. Táto metóda sa často používa pre materiály, ktoré sa ťažko kutia, ako je titán a niektoré vysokopevnostné zliatiny. Dokáže vyrábať diely s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami a veľmi tesnými toleranciami.
Materiály pre kovanie
Kovacími materiálmi sú hlavne uhlíková oceľ a legovaná oceľ rôzneho zloženia, ďalej hliník, horčík, meď, titán atď. a ich zliatiny. Okrem obvyklých materiálov na kovanie, ako je uhlíková oceľ a legovaná oceľ rôzneho zloženia, nasledujú hliník, horčík, meď, titán atď. a ich zliatiny, superzliatiny na báze železa, superzliatiny na báze niklu a kobaltu superzliatiny. Deformované zliatiny sa tiež dokončujú kovaním alebo valcovaním, ale tieto zliatiny sa kujú pomerne ťažko kvôli svojej relatívne úzkej zóne plastu. Teplota ohrevu, teplota otvoreného kovania a konečná teplota kovania rôznych materiálov majú prísne požiadavky.
Pôvodný stav materiálu zahŕňa tyčový materiál, ingot, kovový prášok a tekutý kov. Pomer plochy prierezu kovu pred deformáciou k ploche prierezu po deformácii sa nazýva kovací pomer.
- Tyčový materiál: Malé a stredné výkovky spravidla používajú ako polotovary okrúhle alebo štvorcové tyče. Štruktúra zrna a mechanické vlastnosti tyče sú rovnomerné a dobré, tvar a veľkosť sú presné a kvalita povrchu je dobrá, čo je vhodné pre hromadnú výrobu. Pokiaľ sú teplota ohrevu a deformačné podmienky primerane kontrolované, je možné kovať výkovky s vynikajúcimi vlastnosťami bez veľkej deformácie kovania.
- Ingoty: Ingoty sa používajú iba na veľké výkovky. Ingot je odlievaná štruktúra s veľkými stĺpcovými kryštálmi a voľným stredom. Preto je potrebné rozdeliť stĺpovité kryštály na jemné kryštalické zrná pomocou veľkej plastickej deformácie a stlačiť ich voľnosť, aby sa získala vynikajúca kovová štruktúra a mechanické vlastnosti.
- Kovový prášok: Z predliskov z lisovanej a spekanej práškovej metalurgie je možné vyrobiť výkovky z prášku pomocou zápustkového kovania bez horúceho stavu. Kovací prášok je blízky hustote bežných zápustkových výkovkov, má dobré mechanické vlastnosti a vysokú presnosť, ktorá môže znížiť následné spracovanie rezaním. Kovanie na prášok má jednotnú vnútornú štruktúru bez segregácie a je možné ho použiť na výrobu malých ozubených kolies a iných obrobkov. Cena prášku je však oveľa vyššia ako cena bežných tyčiniek a jeho použitie vo výrobe podlieha určitým obmedzeniam.
- Tekutý kov: Na tekutý kov nalievaný do dutiny formy sa aplikuje statický tlak, aby stuhol, kryštalizoval, stekal, plasticky sa deformoval a formoval pod tlakom, a potom je možné získať kovanie formy s požadovaným tvarom a výkonom. Kovanie z tekutého kovu je formovacia metóda medzi tlakovým liatím a kovaním, vhodná najmä pre zložité tenkostenné časti, ktoré sa ťažko formujú bežným zápustkovým kovaním.
Priebeh procesu kovania
Rôzne spôsoby kovania majú rôzne procesy. Spomedzi nich má kovanie za tepla najdlhší proces. Všeobecná postupnosť je:
- Blank blanking (orezanie výkovku)
- Ohrev prázdneho miesta (ohrev výkovku)
- Príprava polotovaru na kovanie valcovaním
- Tvárnenie v zápustke
- Orezávanie (rezná hrana)
- Dierovanie
- Narovnávanie (korekcia)
- Priebežná kontrola, kontrola rozmerov a povrchových chýb výkovkov
- Tepelné spracovanie výkovkov s cieľom eliminovať napätie pri kovaní a zlepšiť výkonnosť pri rezaní kovov
- Čistenie, hlavne na odstránenie povrchových oxidov
- Korekcia
- Kontrola (všeobecné výkovky musia prejsť kontrolami vzhľadu a tvrdosti a dôležité výkovky musia prejsť analýzou chemického zloženia, mechanickými vlastnosťami, zvyškovým napätím a ďalšími kontrolami a nedeštruktívnym skúšaním).
Výhody a význam kovania
Kovárenská výroba je jednou z hlavných metód spracovania polotovarov mechanických častí v strojárenskom priemysle. Kovaním sa dá získať nielen tvar mechanických častí, ale tiež sa môže zlepšiť vnútorná štruktúra kovu a môžu sa zlepšiť mechanické a fyzikálne vlastnosti kovu.
V porovnaní s odliatkami môže kov po kovaní vylepšiť svoju štruktúru a mechanické vlastnosti. Po deformácii odlievacej konštrukcie metódou kovania v dôsledku deformácie a rekryštalizácie kovu sa pôvodné hrubé dendrity a stĺpovité zrná stávajú rovnomerne rekryštalizovanou štruktúrou s jemnejšími zrnami a rovnomernou veľkosťou, čo spôsobuje pôvodnú segregáciu v oceľovom ingote. Zhuťovanie a zváranie voľnosti, pórov, troskových inklúzií atď. robí štruktúru kompaktnejšou a zlepšuje plastické a mechanické vlastnosti kovu. Mechanické vlastnosti odliatkov sú nižšie ako mechanické vlastnosti výkovkov z rovnakého materiálu.
Okrem toho môže proces kovania zaistiť kontinuitu konštrukcie z kovových vlákien, udržiavať vláknovú štruktúru kovania v súlade s tvarom kovania a úplné dokončenie kovového vedenia, ktoré môže zabezpečiť, že diely majú dobré mechanické vlastnosti a dlhú životnosť. Výkovky vyrobené procesmi ako je presné kovanie v zápustke a extrúzia za studena, sa odliatkom nedajú porovnávať.
Najdôležitejšie mechanické časti s vysokým namáhaním a vysokými požiadavkami sa spravidla vyrábajú metódami kovania. Dôležité časti, ako sú hriadele turbogenerátora, rotory, obežné kolesá, lopatky, ochranné krúžky, veľké hydraulické lisovacie stĺpy, vysokotlakové valce, valce valcovní, kľukové hriadele spaľovacích motorov, ojnice, ozubené kolesá, ložiská a delostrelectvo v obrannom priemysle, sú všetky kované výrobky.
Preto je kovárenská výroba široko používaná v metalurgii, baníctve, automobiloch, traktoroch, ťažobných strojoch, naftách, chemikáliách, letectve, kozmickom priemysle, zbraniach a ďalších priemyselných odvetviach.
Bežné chyby a problémy pri kovaní
Počas procesu kovania môžu vzniknúť rôzne chyby, ktoré ovplyvňujú kvalitu a vlastnosti výkovkov:
- Veľké zrná: Zvyčajne sú spôsobené príliš vysokou počiatočnou teplotou kovania a nedostatočnou deformáciou, alebo príliš vysokou konečnou teplotou kovania alebo deformáciou spadajúcou do kritickej deformačnej zóny. Zliatiny hliníka sa príliš deformujú na vytvorenie textúr; vysokoteplotné zliatiny sa deformujú príliš nízko, aby vytvorili zmiešané deformačné štruktúry, čo môže tiež spôsobiť hrubé zrná.
- Nerovnomerné zrná: Znamenajú, že zrná v niektorých častiach výkovku sú obzvlášť hrubé, zatiaľ čo niektoré časti sú menšie. Hlavnou príčinou nerovnomerných zŕn je, že nerovnomerná deformácia predvalku spôsobuje rôzny stupeň lomu zŕn, alebo stupeň deformácie lokálnej oblasti spadá do kritickej deformačnej zóny, alebo lokálne deformačné spevnenie vysokoteplotnej zliatiny, resp. miestne zrná sú počas kalenia a zahrievania hrubé. Na nerovnomerné zrná sú obzvlášť citlivé žiaruvzdorné ocele a vysokoteplotné zliatiny.
- Štruktúra deformácie za studena: Počas deformácie v dôsledku nízkej teploty alebo príliš vysokej rýchlosti deformácie, ako aj príliš rýchleho ochladzovania po kovaní nemusí zmäkčenie spôsobené rekryštalizáciou držať krok s vytvrdzovaním spôsobeným deformáciou, takže štruktúra deformácie za studena je stále čiastočne zadržaná vo vnútri kovanie po kovaní za tepla. Existencia tejto štruktúry zlepšuje pevnosť a tvrdosť výkovku, ale znižuje plasticitu a húževnatosť.
- Trhliny: Sú zvyčajne spôsobené veľkým ťahovým napätím, šmykovým napätím alebo dodatočným ťahovým napätím pri kovaní. Miesto výskytu trhlín je zvyčajne tam, kde je napätie predvalku najväčšie a hrúbka je najtenšia. Ak sú na povrchu a vo vnútri polotovaru mikrotrhlinky, alebo sú v polotovare štrukturálne chyby, alebo ak je pracovná teplota za horúca nevhodná na zníženie plasticity materiálu, alebo ak je rýchlosť deformácie príliš vysoká, stupeň deformácie je príliš vysoký.
tags: #osadzovanie #volne #kovanie