Содержание страницы
1. Инструмент для ручной ковки
Ручную ковку главным образом применяют при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении уникальных, в том числе художественных изделий в небольших количествах. В связи с этим в настоящее время ручная ковка получает интенсивное развитие.
В зависимости от вида ковки кузнечный инструмент подразделяют на инструмент для ручной и машинной ковки.
По функциональному назначению весь кузнечный инструмент классифицируют на:
- основной технологический;
- поддерживающий;
- контрольно-измерительный.
В зависимости от характера использования инструмент может быть универсальным и специализированным.
Основным технологическим называют инструмент, непосредственно деформирующий металл и придающий ему заданные чертежом поковки формы и размеры. В свою очередь, основной технологический инструмент для ручной ковки по назначению подразделяется на опорный, ударный и подкладной.
1.1. Основной технологический инструмент для ручной ковки
Операции ручной ковки, такие как протяжка, осадка, гибка, пробивка и прошивка отверстий, разрубка, кузнечная сварка и правка, выполняют с применением опорного инструмента, к которому относят наковальни (рис. 1). Их изготавливают литьем из стали марки 45Л массой 70…350 кг. Верхнюю плоскую часть наковальни называют лицом. Иногда на лицо сверху приваривают стальную пластину толщиной до 30…40 мм, которую именуют наличником. После термической обработки твердость лица или наличника должна составлять 40…45 HRC.
По числу конических частей, называемых рогами, различают три типа наковален: безрогие (ГОСТ 11396–75), однорогие (ГОСТ 11397–75) и двурогие (ГОСТ 11398–75). Рога наковален используют, например, при выполнении операций гибки и ковки пустотелых поковок. На плоской части наковален обычно выполняют два сквозных отверстия: круглое для пробивки отверстий в заготовках и квадратное – для установки подкладного инструмента.
Рис. 1. Наковальни: а – безрогая; б – однорогая; в – двурогая
Нижняя часть наковальни – башмак имеет четыре лапы, которыми с помощью костылей или хомутов наковальня крепится к стулу. Последний представляет собой бетонную тумбу или деревянный чурбак, вкопанный в землю на глубину 1…1,5 м. При этом лицевая поверхность наковальни должна находиться на расстоянии 750…800 мм над уровнем пола.
Шперак (ГОСТ 11400–75) – небольшая наковальня (рис. 2) с двумя рогами массой до 50 кг. Изготавливают ее литьем или ковкой из стали 45. Его наличник имеет твердость 40…45 HRC. Шперак устанавливают в квадратное отверстие наковальни.
Рис. 2. Шперак
Ударным инструментом при ручной ковке являются кувалды и молотки. Последние иногда называют ручниками. Кузнец пользуется молотком как для нанесения ударов, так и для указания молотобойцу места удара кувалдой при обработке сравнительно крупных заготовок. Молотки изготовляют массой 0,5…2 кг ковкой из стали У7 или У8.
Молоток содержит два бойка, один из которых круглый или квадратный, иногда восьмигранный, имеет гладкую ударную поверхность с заваленными гранями. Другой боек, называемый также задком, или носком, может быть шарообразным, заостренным с округлым ребром или тупым. Бойки молотка подвергают закалке с последующим отпуском.
Кувалды – основной инструмент при ручной ковке. Они служат для нанесения ударов по нагретой до ковочных температур заготовке, также имеют два бойка и подразделяются на тупо- (ГОСТ 11401–75) и остроносые (ГОСТ 11402–75) (рис. 3). Масса кувалд равна 2…16 кг. Остроносые кувалды могут быть с поперечным или продольным расположением носков (задков).
Для закрепления рукоятки в кувалде предусматривается овальное насадное отверстие, которое расширяется от середины к краям. Кувалды изготовляют ковкой или штамповкой из сталей 40, 45, 50 и У7 с последующей обработкой резанием рабочих поверхностей.
Рис. 3. Кувалды: а – тупоносая; б и в – остроносые с поперечным и продольным задками соответственно
После термической обработки кувалд твердость рабочего слоя глубиной до 30 мм должна составлять 48…52 HRC.
Кузнечные зубила (ГОСТ 11418–75) производят из стали У7 и 6ХС и применяют для горячей и холодной рубки металла (рис. 4). Первые затачивают на угол ≥ 60°, вторые – на угол ≤ 50°. Лезвие зубил выполняют прямым, полукруглым или фасонным. Его твердость на длине ~30 мм от рабочей кромки равна 50…56 HRC, а твердость по ударяемой части на длине ~ 20 мм составляет 30…40 HRC .
Гладилки (рис. 5 и 6) используют для сглаживания неровностей и окончательной отделки как плоских, так и фасонных поверхностей поковок; изготавливают ковкой или штамповкой из стали У7, сталей 40 и 45 с последующей обработкой резанием. Масса 1…5 кг.
Рис. 5. Гладилка
Рис. 4. Кузнечные зубила для холодной (а) и горячей (б) рубки
Рис. 6. Гладилки (верхняя и нижняя) для ковки крестообразной заготовки (конец XIX в.)
Пробойники, или бородки (рис. 7), служат для пробивки круглых, квадратных, прямоугольных и иных отверстий; производят их ковкой из стали У7, сталей 40 и 45.Твердость рабочей части 40…45 HRC. Масса 0,7…2,0 кг.
Подсечки (рис. 8) изготавливают по ГОСТ 11420–75 из стали У7. Они являются подкладными зубилами и вставляются квадратным хвостовиком в такое же отверстие наковальни. Подсечки значительно ускоряют и облегчают процесс рубки. Лезвие подсечки может быть прямым и фасонным. Его закаливают до твердости 48…52 HRC.
Обжимки (рис. 9) применяют для подкатки и отделки боковых и иных поверхностей поковок. Они состоят из двух частей: нижней (нижника), вставляемой хвостовиком в наковальню, и верхней (вершника), насаженной на ручку. Обжимки получают ковкой из стали У7, сталей 40, 45, 50, 40Х, обрабатывают резанием и подвергают закалке с отпуском до твердости 48…52 HRC по рабочей части и 30…40 HRC – по ударяемой. Масса обжимок колеблется в диапазоне от 3 до 25…35 кг.
Рис. 7. Пробойники
Рис. 8. Подсечка
Рис. 9. Верхняя (а) и нижняя (б) обжимки
Рис. 10. Полукруглые подбойки: а – нижняя; б – верхняя
Рис. 11. Гвоздильни: а – простая; б – специальная
Подбойки (рис. 10) используют для протяжки, выполнения желобов, вогнутых поверхностей, а также для отделки некоторых участков или всей поверхности поковки. Форма рабочих участков подбоек определяется их назначением и может быть самой разнообразной: плоской, серповидной и т.п. Изготавливают подбойки ковкой из стали У7, сталей 50Г, 40Х с твердостью рабочих частей 40…45 HRС.
Гвоздильни (рис. 11) – металлические пластины, изготовленные ковкой из сталей 45 или У7. Имеют отверстия для высадки головок болтов, заклепок, гвоздей и т.д.
Рис. 12. Кузнечная форма
Кузнечная форма (рис. 12) – литая плита из стали 35Л или 40Л массой до 50 кг со сквозными отверстиями и фасонными вырезами на боковых поверхностях. Предназначена для отделки поковок, пробивки отверстий и профильно-гибочных работ.
2. Основной технологический инструмент для машинной ковки
К основному инструменту, применяемому при ковке на молотах и прессах, относят бойки, топоры с различной формой рабочей части, квадраты, пережимки, раскатки, обжимки, прошивни, надставки, оправки для протяжки и раскатки.
Бойки (рис. 13) применяют в основном для протяжки, а также осадки, прошивки, гибки и некоторых других операций ковки. В комплект входят два бойка: нижний, неподвижный, выполняющий одновременно роль опоры; верхний, подвижный, через который передается деформирующая нагрузка на заготовку от молота или пресса. Различают универсальные бойки, имеющие плоские рабочие поверхности (рис. 14, а) и вырезные (фасонные) (рис. 14, б–г), отличающиеся специальным профилем.
Рис. 13. Бойки: а – нижний и верхний вырезные; б – верхний плоский и нижний вырезной
Чем большей площадью вырез (калибр) бойков охватывает поверхность обрабатываемой заготовки, тем меньше при ковке уширение заготовки и тем интенсивнее происходит процесс протяжки. Однако необходимая сила для протяжки при этом значительно возрастает.
Рабочие поверхности плоских и соприкасающиеся поверхности вырезных и фасонных бойков выполняют строго горизонтальными и плотно, без зазоров, прилегающими друг к другу. На рабочих поверхностях бойков различных выбоин и вмятин не допускается. Во избежание перерезания волокон в поковке кромки рабочих поверхностей бойков всех типов в местах их пересечения с боковыми поверхностями скругляют по радиусу.
Для ковки в нижнем вырезном и верхнем плоском бойках нижний боек часто выполняют составным со вкладышами. Вкладыши позволяют быстро изменить размер и форму выреза на требуемые. Кроме того, по мере износа вкладышей облегчается их замена.
Цельные бойки и сменные вкладыши изготавливают ковкой в зависимости от условий работы из сталей 50, 50Г, 40ХН, 5ХНВ, 5ХГМ. После механической обработки подвергают термической обработке на твердость 40…45 HRC.
Топоры (рис. 15) применяют для осуществления операций отрубки части исходной или откованной заготовки или их разрубки на мерные заготовки. На рис. 16 приведена схема выполнения операции отрубки части заготовки кузнечным топором. В зависимости от назначения конструкции топоров, используемые в кузнечном деле, разнообразны.
Топоры изготавливают ковкой из стали 18ХНВА или стали 50, сталей 35ХМ, 5ХНВ, 7X3, 8X3, 5ХНМ, подвергают термообработке до твердости 40…45 HRC.
Рис. 14. Рабочие поверхности бойков: а – плоские у верхнего и нижнего бойков; б – плоская у верхнего и вырезная у нижнего бойков; в – вырезная у верхнего и нижнего бойков; г – фасонная у верхнего и нижнего бойков
Рис. 15. Кузнечные топоры: а –трапецеидальный топор для рубки в вырезном бойке; б – топор с цельной кованной ручкой; в – полукруглый
Ручки топоров делают из стали 20 или Ст 3. Крупные, тяжелые топоры изготавливают с быстросменными ручками или подвесными к траверсе пресса. Для облегчения работы с такими топорами часто используют манипуляторы.
Пережимки применяют для создания одно- или многосторонних углублений для последующего образования уступов или пережимов на заготовке.
Углубления на заготовке (засечки) служат для фиксации (или отметки) объема металла, который следует подвергнуть, например, протяжке, чтобы получить требуемую геометрию заготовки после ковки. Засечки обычно выполняют вдавливанием в заготовку круглого или прямоугольного прутка. Чтобы увеличить глубину засечки, например до образования уступа на заготовке, применяют пережимки различной геометрии.
Рис. 16. Отрубка части заготовки кузнечным топором: 1 – заготовка; 2 – топор; 3, 4 – бойки
На рис. 17 приведена схема выполнения операции пережима, а на рис. 18 – технологическая последовательность изготовления ступенчатой поковки протяжкой с применением пережима. Изготавливают пережимки из сталей 40, 45, 40Х.
Рис. 17. Схема пережима: а – круглой раскаткой; б – треугольной пережимкой; 1, 2 – соответственно верхний и нижние бойки; 3 – инструмент; 4 – обрабатываемая заготовка
Рис. 18. Технологическая последовательность изготовления объемной Т-образной заготовки: а – исходная заготовка; б – заготовка после пережима с четырех сторон; в – заготовка после протяжки
Рис. 19. Разгонка: 1, 2 – бойки; 3 – заготовка; 4 раскатка (прожимка)
Раскатки (прожимки) – инструмент, применяемый для выполнения местных углублений и разгонки металла. Под разгонкой (рис. 19) понимают увеличение ширины заготовки или ее диаметра локальным обжатием смежных участков заготовки с уменьшением ее толщины. Преимущественное течение металла при разгонке всегда перпендикулярно к направлению перемещения бойка. После разгонки полученную волнистую поверхность проглаживают плоским (прожимкой) бойком. Применяемый инструмент – раскатки – изготавливают различной формы (рис. 20) из сталей 50, 40, 45, 40Х и др.
Ручки раскаток выполняют из низкоуглеродистых сталей, например Ст 3 или стали 10.
Обжимки применяют для перераспределения металла вдоль оси заготовки (подкатки) или отделки поковок, а также при изготовлении поковок на молотах и прессах. По конструкции обжимки подразделяют на разъемные (рис. 21, а) и неразъемные (рис. 21, б), насаженные на одну общую рукоятку. Изготавливают их из сталей 40, 45, 50, У7, 40Х.
Рис. 20. Некоторые типы раскаток
Рис. 21. Обжимки: а – подкатная разъемная; б – подкатная пружинная
Рис. 22. Прошивни: а – цилиндрический; б – конический; в – полый; г – клиновидный
Прошивни (рис. 22) являются основным инструментом при прошивке – кузнечной операции выполнения отверстий в поковках путем вытеснения материала. Для удобства работы с прошивнями на их поверхности выполняют цилиндрические сквозные или глухие отверстия, в которые вводят транспортировочные или установочные штыри. Изготавливают прошивни из сталей 40Х, 50Х, 5ХНВ с твердостью 40…45 HRC.
3. Ручной поддерживающий инструмент для ручной ковки и ковки на молотах
Основным поддерживающим инструментом при ручной ковке и ковке на молотах являются клещи с разнообразной геометрией губок (рис. 23). Их применяют для захвата, удержания, вращения и перемещения заготовок и поковок в процессе их ковки. Практикой выработаны рациональные виды клещей применительно к габаритным размерам и профилям обрабатываемых заготовок и характеру выполняемых операций.
Рис. 23. Кузнечные клещи: с продольными губками (а – прямоугольными; б – квадратными; в – цилиндрическими; г – коническими); с поперечными губками (д – квадратными отогнутыми; е – плоскоокруглыми; ж – отогнутыми; з – плоскими; и – прямоугольными; к – острыми)
Традиционно клещи состоят из двух половин, каждая из которых имеет с одной стороны ручку, а с другой – губку. Каждая половина клещей закреплена на общей оси. Для лучшей фиксации заготовок профиль обеих губок клещей должен соответствовать форме захватываемого конца заготовки и контактировать с ним по максимальной длине губок. (При необходимости для обеспечения лучшего соприкосновения губок клещей с заготовкой их нагревают для повышения пластичности, охватывают ими холодную заготовку и обжимают губки по заготовке ударами молотка.)
Клещи должны иметь свободное, без заеданий вращение рукояток на общей оси, точное совпадение губок при сжатом состоянии клещей, а ручки клещей должны располагаться в одной плоскости. Не допускается наличия трещин, складок и надрубов. Для повышения надежности фиксации заготовки в клещах их ручки во время работы охватывают различными кольцами или С- и S-образными крючками.
Во время работы клещи периодически охлаждают в воде. Различные типы клещей изготавливают в соответствии с ГОСТ 11385–75 или по ГОСТ 11395–75 ковкой из Ст 3 и сталей 15, 20, 25, т.е. сталей, не закаливающихся при их нагреве во время работы (с содержанием углерода ≈ 0,25 %).
Для транспортирования и манипуляций как при нагреве, так и при ковке крупногабаритных, тяжелых заготовок и поковок используют различные устройства: манипуляторы, приспособления или подъемно-транспортное оборудование кузнечного цеха.
4. Некоторые правила изготовления и эксплуатации кузнечного инструмента
Кузнечные инструменты: бойки, топоры, прошивни, оправки и другие инструменты – работают при высоких температурах, частом нагреве и последующем быстром охлаждении, испытывая значительные динамические (на молотах) и статические (на прессах) нагрузки.
Кроме того, они подвержены интенсивному истиранию, в том числе и окалиной, действующей как абразив. Поэтому материал для изготовления основного технологического инструмента должен обладать стойкостью против отпуска и сохранять необходимые твердость, ударную вязкость, прочность после нагрева до температур 400…500 °С. Дополнительно он должен отличаться высокой разгароустойчивостью, т.е. не образовывать трещин при резких сменах температур.
Перед началом работы с целью уменьшения термических напряжений, возникающих при соприкосновении холодного инструмента с горячим металлом, а также для повышения ударной вязкости инструмента, в особенности испытывающего динамические нагрузки, его предварительно подогревают до температур 150…250 °С.
Для снятия напряжений инструмент для прессов и тяжелых молотов не реже раза в полугодие подвергают термической обработке. Сильно нагретые массивные бойки, осадочные плиты, оправки и т.п. охлаждают равномерно, не допуская сквозняков и исключая попадание на них влаги. Иногда их охлаждение выполняют в специально отведенных ямах. Прошивни, топоры и другие подобные им инструменты, которые в процессе работы нагреваются до высоких температур, периодически контролируют на твердость и при необходимости подвергают повторной термической обработке.
Кроме режима работы большое влияние на эксплуатационную стойкость основного технологического инструмента оказывают качество отделки его рабочих поверхностей и применяемые при ковке смазки. То и другое значительно уменьшает контактное трение и потребные силы для ковки, а следовательно, снижает износ инструмента. Своевременное удаление окалины в процессе ковки с рабочих поверхностей инструмента также минимизирует износ инструмента и увеличивает его стойкость.
Металлические ручки к переносному инструменту (топорам, раскаткам, пережимкам и т.п.) приваривать не рекомендуется. Изготовление инструмента с цельнотянутыми ручками практикуется только при ковке сравнительно небольших поковок. Во всех остальных случаях ручки и инструмент выполняют сборными. Поскольку после работы такие инструменты нередко охлаждают в воде, то ручки к ним во избежание закалки изготовляют из низкоуглеродистых сталей (стали 10 и 20). Ручки, выполненные отдельно, вставляют в гнезда, предусмотренныее в инструменте на глубину 50…100 мм и заковывают в горячем состоянии.
Применяемые при ручной ковке кувалды, молотки, зубила и другие подобные инструменты должны иметь деревянные ручки из клена, кизила, бука, рябины или молодого дуба.
Рис. 24. Форма отверстия насаживаемого на ручку кузнечного инструмента
Рис. 25. Схемы расклинивания деревянных рукояток кузнечного инструмента железными или деревянными клиньями
Изготавливать их из крупнослоистых пород дерева, например из ели или сосны, запрещается. Заготовки для рукояток должны быть выдержаны в течение некоторого времени и хорошо высушены, чтобы не было значительной усушки после насадки. Очень важны прочность и надежность насадки на рукоятки ударного инструмента – ручников (молотков) и кувалд. Для этого отверстия в них выполняют расширяющимися от середины в обе стороны, а форма отверстий должна соответствовать правильному овалу (рис. 24 и 25).
Рукоятки должны плотно вгоняться в отверстия и расклиниваться деревянными или заершенными металлическими клиньями (см. рис. 24). Длина клиньев не должна превышать 2/3 длины насадного отверстия. При ослаблении насадки замачивания ручников и кувалд не допускается, клинья необходимо подбить или заменить новыми.
Любой инструмент периодически осматривают для выявления неисправностей как рабочей части, так и ручек. При обнаружении механических повреждений (трещин, вмятин, зарубов и т.п.) инструмент ремонтируют или заменяют новым. Пользоваться неисправным инструментом запрещается.