Zárt sajtolószerszám, nyitott kovácsolás és szénacél kovácsolás: teljes eljárási útmutató

Zárt kovácsolási eljárás: hogyan működik és hol teljesít

A zárt sajtolószerszám-kovácsolás – más néven nyomószerszám-kovácsolás – úgy formálja a fémet, hogy egy felforrósított tuskót két vagy több olyan szerszám közé présel, amelyek a végső alkatrész geometriájának megfelelő megmunkált üreget tartalmaznak. Ahogy a szerszámok prés- vagy kalapácserő hatására bezáródnak, a fém áramlik, hogy teljesen kitöltse az üreget, és egy közel háló alakú alkatrészt hoz létre, szűk mérettűréssel és egy jól meghatározott elválasztási vonallal, ahol a szerszámok találkoznak.

A zárt szerszámos kovácsolás folyamata általában a következő szakaszokat követi:

1. A tuskó elkészítése: A nyersanyagot kiszámított súlyra vágják – a felesleges anyagot (flash) a kovácsolás után levágják, de a jelentős túllépés anyagpazarlást okoz, és növeli a vágási terhelést
2. Fűtés: A tuskót indukciós vagy gáztüzelésű kemencében melegítik fel a megfelelő kovácsolási hőmérséklet-tartományra, szén- és ötvözött acélok esetében jellemzően 1100–1250 °C-ra.
3. Előalakítás (blokkolás): A többlépcsős szerszámozásnál a tuskó egy vagy több blokkoló üregen halad át, hogy a tömeget a végső alak felé újra eloszlassa, mielőtt belép a befejező üregbe.
4. Kovácsolás befejezése: A fűtött előformát a kész szerszámüregbe helyezik, és ütik vagy préselik teljesen záródásig, fémet kényszerítve a lenyomat minden mélyedésébe.
5. Vakuvágás: Az elválasztó vonalnál extrudált fémfelesleget vágóprésben távolítják el, jellemzően az alkatrész még forrón
6. Hőkezelés és kikészítés: Az alkatrészeket az anyag- és mechanikai tulajdonságoktól függően normalizálják, hűtik és temperálják, vagy lágyítják

A zárt szerszámos kovácsolás mechanikus préseken, hidraulikus préseken vagy gravitációs kalapácsokon történik. Hidraulikus prések — 500 tonnától 50 000 tonnát meghaladó méretig elterjedt — szabályozott, tartós nyomás alkalmazása nagy vagy összetett formákhoz. Mechanikus és csavaros prések nagy energiájú ütést biztosít a precíz löketszabályozást igénylő kisebb alkatrészekhez. A leejtő kalapácsokat továbbra is széles körben használják kis és közepes alkatrészek nagy gyártású sorozataihoz.

Előnyök és korlátok

A zárt szerszámos kovácsolás olyan alkatrészeket állít elő kiváló szilárdság/tömeg arány az öntvényekhez vagy a megmunkált rúdanyaghoz képest mert a kovácsolási eljárás finomítja a szemcseszerkezetet és összehangolja a szemcseáramlást az alkatrész geometriájával. Az egyenértékű öntvényekhez képest a fáradási szilárdság 20–30%-os javulását általában a repülőgép- és autóipari szerkezeti alkatrészeknél jelentették. A méretmegismételhetőség magas, ha a matricák bebizonyosodtak, így a zárt szerszámos kovácsolás kiválóan alkalmas hajtórudak, fogaskerekek, karimák, főtengelyek és gépjármű-felfüggesztési alkatrészek közepes és nagy volumenű gyártására.

A fő korlátozás a szerszámköltség. A H13 forró szerszámacélból készült zárt szerszámkészletek több tízezertől több százezer dollárig terjednek az alkatrész bonyolultságától függően, így a folyamat csak minimális gyártási mennyiség – általában az alkatrész méretétől függően 500–1000 darab vagy több – felett gazdaságos. A szerszám élettartama általában 10 000 és 100 000 ütés között van, amit a kovácsolási hőmérséklet, az anyag koptatóképessége és a kenési gyakorlat befolyásol.

Nyitott kovácsolás Folyamat: Rugalmasság a nagy és egyedi alkatrészekhez

A nyitott szerszámkovácsolás fémet formál lapos vagy egyszerűen kontúrozott szerszámok között, amelyek nem zárják be teljesen a munkadarabot. A kezelő vagy az automata manipulátor fokozatosan áthelyezi és elforgatja a forró tuskót a préslöketek között, fokozatosan alakítva az anyagot a kívánt formára egy sor deformációs lépésen keresztül. Mivel semmilyen lenyomatüreg nem korlátozza a fémet, az alkatrész geometriája a szerszám mozgásától, a préslökettől és a kezelő- vagy CNC-vezérléstől függ – nem pedig az előre kivágott üregtől.

A gyakori nyitott szerszámszerszám-konfigurációk közé tartoznak a lapos nyomólapok, a V-matricák, a vágószerszámok, az üreges alkatrészekhez való tüskegyűrűk és a kontúros profilokhoz használható nyeregszerszámok. Az eljárás az alkatrészgeometriák hatalmas skáláját alkalmazza, beleértve:

• Tengelyek, orsók és tengelyek – hosszuk mentén fokozatosan kovácsolva nagy tömbökből
• Gyűrűk és karimák – lyukasztással, felborítással és gyűrűhengerléssel kialakítva
• Tömbök, lemezek és födémek szerszámozáshoz, nyomástartó edények nyersdarabjai és sajtolóacél
• Egyedi egyedi alkatrészek nehézgépekhez, energiatermeléshez és védelemhez

Fogasítás: Az alapművelet a nyitott kovácsolásban

A legalapvetőbb nyitott szerszámművelet az fogazás – kihúzásnak is nevezik – ahol a tuskót a hossza mentén fokozatosan összenyomják, egymást átfedő harapási lépésekben a keresztmetszet csökkentése és a hossz növelése érdekében. Minden harapás egy lokalizált zónát deformál; a préskezelő az ütések között úgy mozgatja a tuskót, hogy a szomszédos harapások 30-50%-ban átfedjék egymást, biztosítva a folyamatos deformációt hidegzárások vagy harapáshatárokon történő átlapolások nélkül. A fogazás az elsődleges módszer a nagy (1 tonnától 300 tonnáig terjedő) tuskók megmunkálásához, egészen a közbenső tuskóméretig a további feldolgozáshoz vagy a végső megmunkáláshoz.

A nyitott kovácsolás 800 tonnától több mint 125 000 tonnáig terjedő hidraulikus préseken működik a legnagyobb repülőgép-ipari és energiatermelési kovácsoláshoz. A világ legnagyobb nyitott kovácsolóprései – 50 000-80 000 tonnás osztály – képesek titánból és nikkelből készült szuperötvözet alkatrészeket kovácsolni repülőgéptörzsvázak és nagy turbinatárcsák számára.

Open Die vs. Closed Die: Hogyan válasszunk

A két folyamat inkább kiegészíti egymást, semmint verseng egymással. A nyitott sajtolószerszámot előnyben részesítjük, ha az alkatrész mérete meghaladja a zárt sajtolószerszámok által gazdaságosan elviselhető mennyiséget (jellemzően 200–500 kg felett), ha a gyártási mennyiség túl alacsony ahhoz, hogy indokolja a szerszámberuházást, vagy ha a geometria túl bonyolult vagy változó egy együregű szerszámhoz. A zárt szerszámos kovácsolás akkor előnyös, ha a méretpontosság, a felületi minőség és a gyártási mennyiség kedvez a szerszámbefektetésnek. Sok nagy alkatrész nyitott préskovácsolt előformákból indul ki, amelyeket ezt követően a kritikus jellemzők érdekében kovácsolással zárnak.

Hőmérséklet kovácshegesztéshez: Fémillesztés hővel és nyomással

A kovácshegesztés az egyik legrégebbi fémmegmunkálási eljárás – két fémdarabot úgy köt össze, hogy mindkettőt műanyagra vagy félig olvadt állapotba hevítik, majd elegendő nyomóerőt alkalmaznak ahhoz, hogy atomi szinten összeragassák őket anélkül, hogy a hézagfelületek tisztítására használt töltőanyag vagy folyasztószer nélkül. A megfelelő kovácshegesztési hőmérséklet alacsony szén-dioxid-kibocsátású és lágyacél esetén általában 1260–1370 °C (2300–2500 °F) — az a pont, ahol az acélfelület jellegzetes élénksárga-fehér, szinte szikrázó megjelenést kölcsönöz, és kellően plasztikussá válik az atomdiffúziós kötéshez kalapácsütések hatására.

Hőmérséklet anyagok szerint

A kovácshegesztési hőmérséklet jelentősen változik az ötvözet összetételétől függően, mivel azt a fém szilárdtest-hőmérséklete és képlékeny alakváltozási viselkedése határozza meg:

• Alacsony széntartalmú acél (0,05–0,20% C): 1260–1370 °C – a legmegbocsátóbb tartomány, széles műanyag munkaablakkal
• Közepes széntartalmú acél (0,20–0,50% C): 1200–1315 °C – a hőmérsékleti ablak szűkül a széntartalom növekedésével, és nő a túlmelegedés kockázata
• Magas széntartalmú acél / szerszámacél (0,60–1,0% C): 1100–1260 °C – nagyon keskeny ablak; akár 30-50 °C-os túlmelegedés is égést (visszafordíthatatlan szemcsehatár-oxidációt) okoz, és a varrat tönkremegy
• Kovácsoltvas: 1315–1425 °C – a magas salaktartalom valójában megkönnyíti a hegesztést azáltal, hogy folyékony salakot képez, amely eltávolítja az oxidokat a határfelületről
• Rozsdamentes acél (304/316): 1200–1260 °C – inert atmoszférát vagy folyasztószert igényel, hogy megakadályozza a króm-oxid képződését, ami gátolja a kötést

Folyasztószer és felület előkészítés

A fémfelületen lévő vízkő és oxidok megakadályozzák az atomokkal való érintkezést, és közvetlenül a hegesztés előtt el kell távolítani. A bórax (nátrium-tetraborát) a legszélesebb körben használt kovácshegesztő folyasztószer - 900–1000 °C körüli hőmérsékleten alkalmazva, amikor az acél a hegesztési hőmérséklethez közeledik, megolvad és folyadékzáró réteget képez, amely feloldja a vas-oxid lerakódást és megakadályozza az újraoxidációt a végső hevítési fázisban. Folyasztószer nélkül a kötési felületen beszorult vízkő zárványokat hoz létre, amelyek gyengítik vagy megakadályozzák a hegesztést. Egyes kovácsok szilícium-dioxid homokot, vasreszeléket vagy szabadalmaztatott folyasztószereket használnak bizonyos ötvözetrendszerekhez.

Modern ipari kovácshegesztés

Míg a kézi kovácshegesztés túléli a kovácsolást és a művészi vasmunkát, az ipari kovácshegesztést leginkább a kovácsolásban alkalmazzák. flash tompahegesztés és indukciós nyomásos hegesztés csőgyártáshoz és síncsatlakozáshoz. A villanóhegesztés elektromos ellenállási ívvel (villogással) felmelegíti az elágazó felületeket, majd felborító (axiális kompressziós) erőt fejt ki a kötés megszilárdítására, így a kovácsolt hegesztési feltételeket szabályozottan, megismételhetően érik el. Ezt a módszert fúrócsövek, horgonyláncok és sínszakaszok hegesztésére használják, ahol teljesen kovácsolt, hőhatástól mentes, nem nemesfém mechanikai tulajdonságokkal rendelkező kötésre van szükség.

Szénacél kovácsolások: minőségek, tulajdonságok és alkalmazások

A szénacél kovácsolt acél olyan acélból készül, amelynek elsődleges erősítő mechanizmusa a széntartalom – a 0,20% C alatti alacsony széntartalmú fajtáktól a 0,60% C feletti magas széntartalmú minőségekig – az ötvözött acél kovácsolására jellemző jelentős ötvözet-adalékok (króm, nikkel, molibdén) nélkül. A szénacél kovácsolt termékek a globális kovácsolási ipar legnagyobb volumenű szegmensét képviselik , autóipari hajtáslánc-alkatrészekben, ipari gépekben, építőipari berendezésekben, olaj- és gázszerelvényekben és kéziszerszámokban használják.

A kovácsolásban általánosan használt szénacél minőségek

A széntartalom a domináns változó, amely a kovácsolt szénacélban elérhető mechanikai tulajdonságokat szabályozza:

• AISI 1020 / 1025 (alacsony szén-dioxid): Szakítószilárdság 380–480 MPa kovácsolt állapotban; kiváló hegeszthetőség és szívósság; karokhoz, csapokhoz, tengelyekhez és általános szerkezeti kovácsolásokhoz használják, ahol nincs szükség nagy szilárdságra
• AISI 1040 / 1045 (közepes szén): Szakítószilárdság 570–700 MPa normalizált, 800–950 MPa-ig hűtve és temperálva; az igásló minőség hajtórudakhoz, főtengelyekhez, fogaskerekekhez, tengelytengelyekhez és karimás kovácsolásokhoz – az ésszerű megmunkálhatóság és a jó szilárdság egyesítése
• AISI 1060 / 1080 (magas szén-dioxid): Szakítószilárdság 800-1100 MPa hőkezelt; nagy keménység és kopásállóság; vasúti kerekekhez, rugókhoz, kéziszerszámokhoz és mezőgazdasági talajművelési alkatrészekhez használják
• AISI 1095 (magas szén-dioxid): Akár 65 HRC felületi keménység érhető el; késpengék, vágószerszámok és kopólemezek, ahol az élek megtartása kritikus

Hogyan javítja a kovácsolás a szénacél tulajdonságait

A kovácsolási eljárás olyan mikroszerkezeti fejlesztéseket biztosít, amelyek megkülönböztetik a szénacél kovácsolást az azonos minőségű öntvényektől vagy melegen hengerelt rudaktól. Az átkristályosodási hőmérséklet (szénacélok esetében kb. 720-750 °C) feletti melegmunka lebontja az öntött dendrites szerkezetet , lezárja a megszilárdulási porozitást és az üregeket, és finomított, egyenletes szemcseszerkezetet hoz létre. A mechanikai megmunkálás szálas szemcseáramlást is fejleszt, amely a kész alkatrész főfeszültségének irányához igazítva jelentősen javítja a kifáradási szilárdságot és az ütőszilárdságot a szemcse mentén megmunkált rúdanyaghoz képest.

Az AISI 1045 közepes széntartalmú acél kovácsolások dokumentált tulajdonságai az egyenértékű öntvényekhez képest 20–37%-os fáradási szilárdsági javulást és 30–50%-os Charpy ütésállósági javulást tartalmaznak szobahőmérsékleten, és még nagyobb előnyökkel járnak az olaj- és gázipari, valamint az északi-sarkvidéki alkalmazásokhoz tartozó nulla alatti hőmérsékleten.

Szénacél kovácsolt anyagok hőkezelése

A kovácsolt szénacél alkatrészeket jellemzően normalizálják (levegőhűtéses az Ac3 felett), hogy enyhítsék a kovácsolási feszültségeket, és egységes perlit-ferrites mikroszerkezetet hozzanak létre, amely a későbbi megmunkálás vagy hőkezelés alapja. A végső mechanikai tulajdonságokat a következőkkel érik el:

• Kioltás és temperálás (Q&T): Ausztenitizálni 820–870 °C-on, vízzel vagy olajjal hűteni martenzitté, majd temperálni 400–650 °C-on a cél keménység/szívósság egyensúly elérése érdekében – ez a szabványos út közepes és magas széntartalmú acélkovácsolásokhoz szerkezeti és kopásos alkalmazásokban.
• Indukciós edzés: A kritikus kopási zónák (fogaskerék fogak, csapfelületek) szelektív felületkeményítése a szívós mag megtartása mellett – széles körben alkalmazható 1045 és 1050 tengelyekre és fogaskerekekre
• Lágyítás: Teljes lágyítás vagy gömbölyű lágyítás a magas széntartalmú minőségekhez a megmunkálhatóság javítása érdekében a végső megmunkálás és a végső edzés előtt

Karbonacél kovácsolás vs. ötvözött acél kovácsolás

A szénacél kovácsolás akkor kerül kiválasztásra, ha a szükséges mechanikai tulajdonságok a hőkezelt szénminőségek elérhető tartományába esnek, és ha a kovácsolt keresztmetszetben teljesíthetők az edzhetőségi követelmények. Körülbelül 50–75 mm feletti szakaszoknál az edzhetőségi korlátok jelentőssé válnak — Előfordulhat, hogy a nagy szénacél kovácsolás magja nem éri el a teljes martenzites keménységet a kioltás során, aminek következtében a mag szívóssága alacsonyabb, mint a felületé. Az ötvözött acélminőségeket (4140, 4340, 8620) akkor határozzák meg, ha a mélyedzettség, az emelt hőmérsékleti szilárdság vagy a korrózióállóság követelményei meghaladják a szénacél által kínált mennyiséget. A kompromisszum a költség: az AISI 1045-ös szénacél kovácsolás anyagköltsége 15–35%-kal alacsonyabb, mint az ezzel egyenértékű ötvözött acélkovácsoké.