Co trzeba wiedzieć o odkuwkach swobodnych?

Jedną z największych zalet stosowania wyrobów metalowych obok znakomitych parametrów wytrzymałościowych jest możliwość ich różnorodnej obróbki pozwalającej na nadawanie rozmaitych kształtów, a także poprawa kluczowych właściwości użytkowych.

Metale łatwo poddają się obróbce termicznej, która ułatwia zmianę ich formy przestrzennej, chemicznej i termiczno-chemicznej wpływającej na cechy ich struktury wewnętrznej, jak również obróbce ubytkowej, dzięki której można z nich uzyskiwać elementy o ściśle określonych wymiarach wykonane z dużą dokładnością. Niezwykle przydatna i oferująca szerokie możliwości jest obróbka plastyczna, będąc podobnie jak obróbka termiczna jedną z najstarszych, stosowanych od początków metalurgii metodą, znaną już w epoce brązu. U swego zarania metody obróbki plastycznej dawały możliwość wykonywania ze znajdywanych stopów miedzi i cyny pierwszych prostych narzędzi. Dziś, po znacznym udoskonaleniu wszystkich procesów różne odmiany obróbki plastycznej pozwalają na produkcję wszelkiego typu wyrobów metalowych od odkuwek swobodnych, przez elementy gięte, tłoczone, wykrawane, wyciskane i walcowane. Przyjrzyjmy się bliżej temu, na czym polega obróbka plastyczna, sprawdźmy, z czym wiąże się wykonywanie jednej z jej ciekawszych odmian – prowadzenie kucia swobodnego – oraz zobaczmy, co można otrzymać w jej efekcie.

Obróbka plastyczna metalu oraz jej rodzaje

Metody wykorzystywane w ramach obróbki plastycznej metali pozwalają na wykorzystanie jednej z ważniejszych właściwości ich struktury wewnętrznej, a mianowicie zdolności do ulegania przekształceniom w wyniku oddziaływania znacznych sił mechanicznych. Metal dzięki swej krystalicznej budowie może zmieniać kształt w wyniku przesunięć poszczególnych warstw atomów bez utraty ich spójności albo skręcaniu się jednej warstwy względem innych o określony kąt. Warunkiem takich zmian jest przekroczenie tzw. granicy plastyczności, czyli zastosowanie siły o takiej wielkości, która sprawi, że metal ulegnie odwracalnemu odkształceniu sprężystemu, a następnie osiągnie fazę płynięcia plastycznego, kiedy to dojdzie do przemieszczenia w obrębie struktury i wszelkie zmiany staną się trwałymi. Dalsze zwiększanie oddziałującej siły może doprowadzić do takiego wzrostu naprężeń, który spowoduje pękanie metalu, a zatem przerwanie wiązań międzyatomowych i rozdzielenie struktury. Podczas obróbki plastycznej w grę wchodzi, w zależności od potrzeb, osiągnięcie jednego z tych dwóch stanów – trwałej zmiany struktury i kształtu albo rozdzielenia elementu.

Istnieje wiele odmian obróbki plastycznej, która może być prowadzona zarówno na zimno, jak i na gorąco, czyli wraz z obróbką termiczną. Metody obróbki na zimno pozwalają na uzyskanie zmiany kształtu, a jednocześnie prowadzą do tzw. umocnienia się metalu. Wynika to z faktu, że fragmenty materiału poddane działaniu dużych sił, a zatem te, gdzie struktura krystaliczna uległa różnym przesunięciom, nagromadziły sporą ilość energii. Oznacza to, że ich granica plastyczności wzrosła, a do zmiany ich położenia konieczne będzie użycie znacznie większego nacisku. Warto też pamiętać, że procesy prowadzone na zimno są tańsze ze względu na to, że nie zachodzi potrzeba dostarczania energii cieplnej do podgrzania metalu.

Obróbka plastyczna na gorąco wiąże się z rozgrzaniem metalu, co powoduje znaczne obniżenie granicy jego plastyczności. Oznacza to wprawdzie koszty związane z wygenerowaniem dostatecznej ilości ciepła bez wpływania na skład metalu i doprowadzania w ten sposób do zmiany jego właściwości, pociąga jednak ze sobą konieczność użycia o wiele mniejszych sił niezbędnych do uzyskania trwałych odkształceń. Stosowanie obróbki plastycznej na gorąco ogranicza także ryzyko pojawiania się naprężeń i występowania pęknięć. Jest to możliwe, ponieważ obróbka na gorąco jest prowadzona w temperaturze przekraczającej tzw. temperaturę rekrystalizacji umożliwiającą w efekcie powstanie struktury wewnętrznej o takiej samej budowie jak przed obróbką, a zatem jej uporządkowania.

Obróbka metalu za pomocą kucia swobodnego

W ramach obróbki prowadzonej na gorąco wykonuje się procesy walcowania, wyciskania oraz kucia. Walcowanie metalu umożliwia osiągniecie pożądanego kształtu, dzięki wywieraniu na rozgrzany metal nacisku przez zespół obracających się walców. Różne sposoby ich ustawienia oraz specjalnie ukształtowana powierzchnia pozwala na nadawanie formy – od płaskiej blachy po rozmaite profile o często bardzo złożonym przekroju. Wyciskanie metalu wiąże się z wywieraniem nacisku na upłynniony częściowo metal za pomocą mechanicznego tłoka albo ciśnienia cieczy. W wyniku takiego działania metal przechodzi przez otwór nadający mu oczekiwany kształt, co pozwala na produkcję prętów, rur i kształtowników, ale również detali o bardziej złożonej formie. Kucie metalu jest natomiast techniką, która pozwala na różnorodne kształtowanie i uzyskiwanie odkuwek wszelkich typu.

Podczas kucia rozgrzany metal jest poddawany naciskowi statycznemu lub dynamicznemu. W pierwszym przypadku jest zazwyczaj stosowania prasa hydrauliczna, która ściska metal, w drugim używa się młota kuźniczego, a metal jest ułożony na kowadle, w które z określoną siłą i częstotliwością uderza odpowiednio dobrany bijak. Metoda ta pod względem samego procesu jest identyczna jak technologie stosowane dawniej w kuźniach, jednak o wiele bardziej wydajna i zapewniająca większą kontrolę nad poszczególnymi parametrami.

Kucie metalu może być prowadzone na dwa sposoby – jako kucie matrycowe lub swobodne. Przy kuciu matrycowym uplastyczniony za sprawą obróbki termicznej metal jest umieszczany na formie, której kształt ma przybrać, a następnie wskutek działania tłoka zbliżającego sukcesywnie drugą część matrycy zostaje poddany naciskowi, dzięki któremu dochodzi do jego płynięcia aż do momentu, w którym uzyska odpowiednią strukturę przestrzenną. Kucie matrycowe jest zwykle wykonywane przy wykorzystaniu pras hydraulicznych, choć możliwe również przy użyciu młotów, zwłaszcza w przypadku form otwartych, jednak z uwagi na hałas i powstające wibracje jest stosowane sporadycznie.

Kucie swobodne pozwala na zmianę kształtu obrabianego metalu, przez jego płyniecie w dowolnym kierunku, choć może ono być ograniczane przez używanie odpowiednich przyrządów. W przypadku kucia swobodnego najczęściej wykorzystywane są młoty – zwykle zasilane sprężonym powietrzem, niekiedy parą lub wykorzystujące działanie dźwigni i sprężyn. Korzyścią z używania kucia swobodnego jest możliwość działania na metal bardzo dużymi siłami. Za pomocą kucia swobodnego można uzyskiwać odkuwki o różnych rozmiarach i charakterystyce.

Procesy wykorzystywane przy produkcji odkuwek swobodnych i ich rodzaje

Kucie swobodne oznacza możliwość wytwarzania odkuwek o rozmaitych kształtach. W tym celu korzysta się z kilku podstawowych metod formowania struktury metalu. Przy kuciu swobodnym można uzyskiwać spęczanie materiału polegające na zmianie przekroju poprzecznego przez zmniejszenie długości używane do kształtowania, ale także uzyskanie drobnoziarnistej struktury oraz poprawę jej jakości. Procesem przeciwnym będzie wydłużanie metalu, które może być związanie nie tylko ze zmniejszaniem przekroju, ale również formowaniem stożków czy rozkuwaniem pierścieni albo rozszerzaniem, kiedy to przekrój zmienia się w kierunku poprzecznym do długości i w jednej płaszczyźnie. Stosowane jest również obsadzanie obejmujące zmianę wymiarów jedynie części formowanego wyrobu. Kolejną możliwością zmiany kształtu odkuwek swobodnych jest dziurowanie, pozwalające na wykonanie wgłębień o określonej charakterystyce albo otworów. Jednymi z częściej wykonywanych operacji kucia swobodnego jest gięcie, które zwykle nie wiąże się ze znaczącą zmianą przekroju odkuwki oraz cięcie umożliwiające pozbycie się zbędnych fragmentów materiału. Przy wielu wyrobach o bardziej złożonej strukturze przestrzennej konieczne może być wykorzystanie skręcania wiążącego się z przemieszczeniem części odkuwki o określony kąt. W niektórych przypadkach – np. przy odkuwkach wielkogabarytowych stosowane jest zgrzewanie materiału.

 W wyniku kucia swobodnego mogą powstawać odkuwki o różnych właściwościach. Podstawowy podział obejmuje odkuwki przeznaczone do dalszej obróbki, będące półproduktami, takimi jak kęsy czy pręty oraz odkuwki gotowe. W tej kategorii znajdują się wyroby, które można określić jako kształtowe, przeznaczone często do obróbki wykańczającej, jednak ostatecznie uformowane. Wśród odkuwek kształtowych najczęściej znajdziemy rozmaite wyroby symetryczne – wałki, pierścienie, tarcze, bloki o kształcie rozmaitych graniastosłupów, tuleje i kołnierze. Drugą grupę stanowią wyroby o nieregularnych kształtach, w tym wielkogabarytowe – kotwice, wały korbowe, tarcze, dźwignie czy ramiona.

 Wielką zaletą kucia swobodnego jest możliwość wytwarzania wyrobów krótkoseryjnych lub jednostkowych – zwłaszcza o bardzo znacznych rozmiarach i masie. Do często wykonywanych w ten sposób wyrobów należy zaliczyć m.in. wały korbowe do bardzo dużych silników, osie, tarcze oraz inne elementy turbin czy wałki rozrządu. Bardzo często metody kucia swobodnego stosuje się przy regeneracji i dorabianiu rozmaitych części i podzespołów przeprowadzanych podczas remontu unikalnych maszyn i urządzeń.