Materiały stosowane do kucia matrycowego

Podstawowymi materiałami na odkuwki matrycowe do wszystkich rodzajów maszyn i urządzeń są konstrukcyjne stale węglowe i stopowe oraz metale nieżelazne i ich stopy .

Najczęściej na odkuwki matrycowe stosuje się materiały wyjściowe w postaci prętów, kęsów, kęsisk i wlewków, a rzadziej w postaci ciekłej.

Odkuwki o dużych wymiarach i dużej masie kuje się najczęściej bezpośrednio z wlewków odlanych w kształcie ostrosłupa ściętego o przekroju sześcio-, ośmio- lub dwunastoboku. Masa wlewka zależy od gatunku stali i może osiągać 5000 kg.

Odkuwki lżejsze wykonuje się przeważnie z kęsów lub prętów walcowanych. Kęsy mają przekrój poprzeczny zbliżony do kwadratu o boku 42÷140 mm. Pręty walcowane mogą mieć przekrój poprzeczny kwadratowy (o boku 6÷120 mm), okrągły (o średnicy 8 ÷ 200 mm) lub prostokątny (o wymiarach 12x 5÷150x 60 mm. Huty dostarczają kęsy o długościach handlowych 2 9 m, a pręty — 3 ÷ 9 m. Niektóre typy odkuwek matrycowych wykonuje się również z kształtowników o różnych przekrojach poprzecznych. Osiąga się przez to znaczne skrócenie czasu kucia, ponieważ odpadają wszystkie operacje pomocnicze, a wykonanie odkuwek ogranicza się tylko do matrycowania.

Pręty o zmiennym przekroju poprzecznym okresowo walcowane. Stosuje się je głównie w produkcji masowej, zwłaszcza pręty o zmiennym przekroju, odpowiednio przystosowanym do kształtu odkuwki. Pręty takie odpowiednio pocięte mogą być matrycowane bez wstępnego przekuwania.

Ciekły metal ma zastosowanie do matrycowania niektórych odkuwek z metali nieżelaznych i z niektórych gatunków stali. Umożliwia oszczędność materiału i skrócenie cyklu wytwarzania (zbyteczne stają się operacje wstępne) oraz zmniejszenie kosztu wykonania.

Kęsiska i kęsy ze stali konstrukcyjnej węglowej i stopowej dostarcza się w stanie surowym bez obróbki cieplnej. Pręty i kształtowniki walcowane na gorąco lub kute ze stali węglowej konstrukcyjnej wyższej jakości dostarcza się w stanie surowym lub normalizowanym. Pręty walcowane na gorąco lub kute ze stali konstrukcyjnej stopowej dostarcza się w stanie surowym, zmiękczonym lub znormalizowanym. Materiał wyjściowy przed nagrzewaniem jest cięty na odcinki odpowiadające masie odkuwki. Różnorodność gatunków stali poddawanych matrycowaniu oraz różnorodności ich kształtów i wymiarów, jak również liczne wymagania stawiane pociętym kawałkom są powodem stosowania różnych metod przecinania.

Wady powstałe przy obróbce cieplnej i wykańczającej

Duży rozrzut twardości.

Powodem tej wady może być niewłaściwy lub pomieszany materiał, nieprzestrzeganie technologii, niewłaściwy piec do obróbki cieplnej. Gdy skład chemiczny materiału jest właściwy, wadę można usunąć poprzez powtórną obróbkę mechaniczną wadliwych odkuwek.

Różnorodna twardość.

 Pojedyncze odkuwki wykazują w różnych punktach różne twardości. Powodem tej wady może być nierównomierne nagrzanie odkuwek lub skupiska zgorzeliny o niejednakowej grubości, która mając własności izolacyjne nie dopuszcza do szybkiego ochłodzenia się materiału.

Pęknięcia hartownicze.

Powodem powstania tej wady jest nieprzestrzeganie technologii, w wyniku, czego powstają na powierzchni odkuwek krzywoliniowe pęknięcia w miejscach przejścia od przekrojów cienkich do grubych, albo na cienkich żebrach lub obwodzie. Odkuwki wykazujące tego rodzaju wady są brakami.

Kruchość trawienia

powstaje wskutek zbyt długiego przetrzymywania odkuwek w kąpieli trawiącej, lub dużego stężenia kąpieli. Wskutek tego wodór dyfunduje w głąb materiału, powodując jego kruchość. Stwierdzenie tej wady jest trudne, ponieważ może się okazać dopiero po dłuższym okresie czasu, a nawet w eksploatacji. Wada ta jest nienaprawialna.

Zniekształcenie krawędzi

powstaje przy zbyt długim bębnowaniu odkuwek nie dostosowanych do oczyszczania w bębnach. Największemu uszkodzeniu ulegają ostre krawędzie. O ile zmiana wymiarów przekroczyła dopuszczalne odchyłki, wada ta jest nie do naprawienia

Wady powstałe przy kuciu

Wgniecenia są to pojedyncze wgłębienia o różnych wymiarach i kształtach znajdujące się na powierzchni odkuwki. Powstają one wskutek wprasowania w materiał zgorzeliny nieusuniętej z wykroju. Wgniecenie spowodować może nieusunięty zadzior powstały przy cięciu. Wgniecenie nie kwalifikuje odkuwki, jako braku, o ile mieści się w granicach odchyłek.

Zawinięcia powstają, gdy część materiału płynie w czasie kucia w niewłaściwym kierunku, tworząc wybrzuszenie, które następnie zostaje wprasowane w materiał. Wada ta jest trudna do stwierdzenia w czasie kucia, widoczna staje się dopiero po oczyszczeniu odkuwki. Jeżeli głębokość zawinięcia mieści się w granicy odchyłek, to po jego wyszlifowaniu odkuwka może być uznana za dobrą.

Podłamy są to zafałdowania materiału występujące na granicy zetknięcia się dwóch wypływek posuwających się z różnych kierunków. Podłam może sięgać nawet w głąb odkuwki. Stwierdzenie tej wady w czasie kucia jest niemożliwe, wykrywa się ją dopiero po usunięciu zgorzeliny

Zniekształcenie jest to mechaniczne uszkodzenie odkuwki, która w czasie kucia znalazła się częściowo poza wykrojem. Wada ta jest nienaprawialna.

Niewypełnienie wykroju występuje najczęściej na wysokich żebrach, w ostrych występach i na krawędziach odkuwek. Wada spowodowana jest niską temperaturą materiału, za małą ilością materiału wyjściowego lub za małą energią uderzenia młota.

Niedokucie. Wszystkie wymiary odkuwki równoległe do osi uderzenia są większe niż być powinny. Przyczynami powstania tej wady są: niska temperatura nagrzania materiału, za mała energia lub za mała liczba uderzeń młota. Niedokucie może być usunięte przez powtórne przekucie odkuwki.

Nadmierna wypływka spowodowana jest niedokładnym wykonaniem płyty okrojnikowej. Wadę można usunąć przez wyszlifowanie nadmiernej wypływki.

Skrzywienie spotyka się w odkuwkach o wydłużonych kształtach. Powodem jest nierównomierne stygnięcie odkuwek i niewłaściwy sposób ich składania po odkuciu. Wady te są naprawialne.

Przesadzenie odkuwki powstaje w razie przesunięcia się połówek matrycy. O ile przesunięcie jest większe niż odchyłki wymiarowe, odkuwki są brakiem.

Niewłaściwa wielkość ziarna spowodowana jest użyciem niewłaściwego materiału. Poza tym wielkość ziarna może ulec powiększeniu, gdy materiał o właściwym ziarnie poddany jest niewłaściwej obróbce kuźniczej, niezgodnej z technologią, co do sposobu nagrzewania i wielkości zgniotów, Wada ta jest nienaprawialna.

Niewłaściwy przebieg włókien powstaje z powodu nieprzestrzegania technologii, a mianowicie z powodu niewłaściwego kształtu wstępnej odkuwki i niewłaściwego ułożenia materiału w wykroju. Wada ta jest nienaprawialna.

Pęknięcia i rysy powstające w czasie kucia są spowodowane użyciem materiału z rysami, (które ujawniły się w czasie kucia), kuciem w zbyt niskiej temperaturze i zbyt szybkim chłodzeniem odkuwek wykonanych ze stali stopowej. Wada ta jest z reguły nienaprawialna.

Rozwarstwienie jest wynikiem użycia niewłaściwego materiału, który miał zbyt dużą jamę usadową. Wada ta ujawnia się często, dopiero w czasie obróbki cieplnej.

Krzyż kucia są to pęknięcia wewnątrz materiału, które układają się w kształcie krzyża. Powodem powstania tej wady jest niewłaściwa temperatura kucia, niewłaściwy sposób przekuwania pręta kwadratowego na okrągły i stosowanie niewłaściwych kowadeł. Odkuwka z tą wadą jest nienaprawialna.

Wykańczanie powierzchni odkuwek

Części metalowe zabezpiecza się od korozji przez nałożenie na nie lub wytworzenie na ich powierzchni odpowiedniej powłoki ochronnej. Niekiedy połączone to jest z nadaniem odpowiedniego wyglądu i estetycznej barwy. Powłoki ochronne mogą być metalowe lub niemetalowe.

Powłoki metalowe mogą być nałożone na odkuwki:

1. Przez zanurzenie w stopionym metalu. Metoda ta stosowana jest głównie do pokrywania powierzchni chronionej warstwą metalu łatwo topliwego, a więc cynku i cyny. Odkuwki, do których stosuje się tę metodę, należy uprzednio poddawać wytrawianiu w roztworze kwasu solnego.

2. Przez metalizację natryskową, czyli natryskiwanie na podgrzane przedmioty drobnych kropelek roztopionego cynku, aluminium lub mosiądzu. Czynność tę wykonuje się specjalnym pistoletem, w którym materiał chroniący stapia się w płomieniu acetylenowym i następnie wyrzucany jest za pomocą sprężonego powietrza.

Pokrywanie powłokami niemetalowymi przeprowadza się przez:

1. Natłuszczanie, polegające na smarowaniu lub zanurzaniu odkuwki w odpowiednio podgrzanym smarze (wazelinie, towocie lub tłuszczu). Warstwy takie stanowią nietrwałą ochronę powierzchni i stosowane są przeważnie, jako przejściowa forma ochrony powierzchni.

2. Malowanie farbą olejną za pomocą pędzla. Powierzchnie odkuwek przed malowaniem muszą być odpowiednio oczyszczone z brudu, rdzy, tłuszczów i wilgoci. Najlepiej malować odkuwki piaskowane lub odtłuszczane.

3. Lakierowanie zwykłe lub piecowe za pomocą pędzla lub pistoletu. W lakierowaniu piecowym przedmioty lakierowane muszą być suszone w suszarkach w temperaturze 150-250 st. C.

Oprócz podanych sposobów stosuje się również ochronę powierzchni przez tzw. powłoki wytwarzane, które uzyskuje się przez działanie chemiczne lub fizykochemiczne pewnych ciał na materiał przedmiotu i wytworzenie na jego powierzchni cienkiej warstewki chroniącego związku chemicznego.

Z metod tych najszersze zastosowanie znalazły: czernienie, oksydowanie i fosforanowanie.

Czernienie polega na podgrzaniu odkuwki do temperatury ok. 700 st. i zanurzeniu jej na krótki czas w oleju. Po wyjęciu ogrzewa się odkuwkę ponownie do temperatury 700 st., uzyskując przez to czarną, matową powierzchnię, chroniącą odkuwkę przed rdzewieniem. Metoda ta znalazła zastosowanie do ochrony powierzchni wszelkiego rodzaju odkuwek stalowych, zwłaszcza prostych odkuwek i narzędzi.

Oksydowanie polega na wytworzeniu na powierzchni stali niebieskiej lub czarnej warstewki tlenków żelaza. Sól utleniającą na niebiesko stapia się w wannach stalowych lub żeliwnych podgrzewanych węglem lub gazem do temperatury 320 - 350 C. Do tak przygotowanej soli zanurza się zawieszone na drutach lub umieszczone w koszach odkuwki (odtłuszczane i suche) na przeciąg kilku minut. Po otrzymaniu niebieskiej barwy wrzuca się przedmioty do zimnej wody, a następnie zanurza w 3-procentowym roztworze szarego mydła o temperaturze 70+80 °C. ,suszy ciepłym powietrzem i natłuszcza olejem mineralnym.

Utlenianie przedmiotów na czarno, o czystej powierzchni, metalicznej przeprowadza się w roztworze preparatu „Oksydal” w temperaturze 130 do 140 St.C.

Fosforanowanie polega na wytworzeniu na powierzchni odkuwki cienkiej warstewki fosforanu żelaza. Warstewkę tę otrzymuje się przez zanurzanie odkuwki w odpowiedniej kąpieli, sporządzonej z płynu do fosforanowania Z-2 (ciecz gęsta, żółtawa) lub soli Bondera B—20, (proszek szarej barwy). Temperatura kąpieli 90 - 95 °C.

Czas fosforanowania 20- 30 minut (60÷90 minut w razie stosowania soli Bondera).

Otrzymana warstewka jest szara, drobnokrystaliczna, mało odporna na ścieranie, ale stanowi dobry podkład pod lakierowanie.

Metoda ta stasowana jest do ochrony powierzchni różnego rodzaju narzędzi (klucze samochodowe itp.).

Kucie przy użyciu młotów mechanicznych

Ręczne kucie nie mogło zadowolić wielkich wymagań przemysłu zarówno ze względu na wydajność procesów kucia, jak również, dlatego że bardzo dużych odkuwek, praktycznie rzecz biorąc, nie można było kuć ręcznie. W tej sytuacji rozwiązanie problemu dały młoty mechaniczne.

Młoty mechaniczne, w których energia uderzenia jest dostarczana tylko przez parę, nazywamy młotami parowymi, tylko przez sprężone powietrze -młotami powietrznymi, przez parę lub powietrze sprężone-młotami parowo-powietrznymi, przez sprężynę- młotami sprężynowymi, wreszcie taki typ młotów, w których energii uderzenia dostarcza tylko swobodnie spadający ciężar, nazywamy młotami spadowymi.

Wszystkie młoty powinny być zbudowane na specjalnym podłożu, zwanym fundamentem młota. Na fundamencie spoczywa stojak młota pojedynczy, podwójny lub bramowy, stanowiący korpus młota. W górnej części stojaka lub stojaków, z wyjątkiem młotów sprężynowych i spadowych, mieści się cylinder i ruchoma część młota, zwana bijakiem, a stanowiąca jedną część z tłokiem, która uderza w kuty materiał.

Uderzenie bijaka przenosi się przez obrabiany materiał na możliwie ciężką część młota, zwaną szabotą. Szabota powinna być w zasadzie ok.20 razy cięższa od bijaka. Szabota, na której spoczywa kuty materiał, powinna być tak fundamentowana, aby jej wstrząsy były w znacznym stopniu tłumione. Dlatego szabotę wykonaną jako odlew staliwny umieszczamy na palach dębowych i specjalnie warstwowo układanych kawałkach grubego filcu. Fundament szaboty powinien być oddzielony od fundamentu stojaków i nie powinien się z nimi stykać.

Sztuka fundamentowania ciężkich młotów w różnych rodzajach podłoża ziemnego jest wielką umiejętnością, dzięki której wiele hal fabrycznych i budynków przemysłowych czy też mieszkalnych może stać bez obawy zawalenia. Oddziaływanie wstrząsów ciężkich młotów źle fundamentowanych potrafi doprowadzić do zniszczenia budynków odległych pod młota nawet wiele setek metrów.

1)       Młoty parowe, powietrzne lub parowo-powietrzne są zbudowane na tej zasadzie, że w cylindrze znajduję się tłok najczęściej odkuty w całości razem z bijakiem. Gdy czynnik (para, powietrze sprężone) zostanie skierowany pod tłok do dolnej komory, wtedy tłok podniesie się razem z bijakiem do góry. Jeżeli teraz umożliwimy swobodne wydostanie się czynnika z dolnej części cylindra na zewnątrz, wtedy tłok z bijakiem opadnie i uderzy w kuty materiał. Gdy ponownie wprowadzimy czynnik pod tłok, spowodujemy jego podniesienie. Podniesiony tłok z bijakiem jest więc znowu gotowy do wykonania uderzenia. Jeżeli uderzenie w odkuwkę następuje tylko w rezultacie spadku bijaka, wtedy taki młot nazwiemy młotem pojedynczego działania, jeżeli natomiast z chwilą gdy tłok z bijakiem znajduje się w swym górnym położeniu, doprowadzimy czynnik pod ciśnieniem do cylindra nad tłok, umożliwiając równocześnie swobodne wydostanie się tego czynnika spod tłoka na zewnątrz , wtedy ciśnienie to wzmaga siłę uderzenia bijaka i takie młoty nazywać będziemy młotami podwójnego działania.

Młoty parowe, powietrzne oraz parowo-powietrzne mają urządzenia rozrządcze, regulujące wpływ i wypływ czynnika do cylindra. Urządzenia rozrządcze uruchamiane bywają najczęściej przez system zaworów i dźwigni połączonych z pedałem.

2)       Młoty sprężarkowe. W zasadzie młoty sprężarkowe są swego rodzaju odmianą konstrukcyjną młotów powietrznych. Młot sprężarkowy ma silnik elektryczny, połączony napędem pasowym lub paskami klinowymi z przekładnią kół zębatych, z których ostatnie jest osadzone na wale wykorbionym. Czop korby jest połączony korbowodem z tłokiem w cylindrze sprężarki. Cylinder ten znajduje się obok większego cylindra głównego, którego tłok razem z drągiem tłokowym stanowi bijak młota. Między obydwoma cylindrami istnieją połączenia dwoma kanałami. Jeżeli przyjmiemy, że tłok w cylindrze sprężarki powstanie podciśnienie, które również będzie panowało nad tłokiem w cylindrze głównym, ponieważ cylindry są połączone kanałami. Podciśnienie na tłokiem w cylindrze głównym ułatwia podniesienie bijaka do góry. Tłok cylindra sprężarki spadając spręża powietrze w dolnej części cylindra, skierowuje je dolnym kanałem do cylindra głównego, powodując podnoszenie się tłoka razem z bijakiem. Kiedy tłok cylindra głównego razem z bijakiem osiągnie najwyższe położenie, tłok sprężarki rozpoczyna drogę ku górze, wytwarzając po tłokiem sprężarki oraz pod tłokiem cylindra głównego podciśnienie. Równocześnie powstałe nad tłokiem sprężarki nadciśnienie spycha tłok-bijak ku dołowi.

Młoty sprężarkowe mają uderzenia sterujące suwakowe lub zaworowe. Dzięki odpowiedniemu regulowaniu urządzeń sterowniczych możemy połączyć dolną i górną komorę w cylindrze sprężarki lub w cylindrze głównym z atmosferą, co umożliwia zatrzymanie bijaka na kutym przedmiocie lub też w górze.

Stopień otwarcia suwaków lub zaworów sterujących reguluje siłę uderzenia bijaka.

Młoty sprężarkowe są bardzo rozpowszechnione w przemyśle i służą do kucia swobodnego. Młoty takie mają ciężar bijaka od kilkuset kilogramów aż do kilku ton.

3)       Młoty sprężynowe. Coraz rzadziej spotykanym typem młota mechanicznego, przeznaczonego do kucia swobodnego małych odkuwek, jest młot sprężynowy. Składa się on ze stojaka, u którego podstawy znajduje się silnik elektryczny napędzający tarczę mimośrodową, Z tarczą tą współpracuje korbowód połączony przegubowo z nasadką zamocowaną na końcu sprężyny resorowej. W centralnej swej części sprężyna resorowa jest przegubowo zamocowana w uchwycie osadzonym w widełkach stojaka. Drugi koniec sprężyny połączony jest z bijakiem. Dzięki ruchowi obrotowemu tarczy mimośrodkowej otrzymujemy ruch posuwisto-zwrotny i zarazem wahadłowy korbowodu, którego górny koniec połączony przegubowo ze sprężyną powoduje jej wahania, a więc również podnoszenie i opadanie bijaka. Młoty tego rodzaju stosuje się najczęściej do kucia drobnych narzędzi.

4)       Młoty spadowe. Opisane dotychczas konstrukcje młotów mechanicznych nadawały się przede wszystkim do kucia swobodnego. Ryzyko użycia ich do kucia w matrycach wynikało z tego, że brak dostateczne dokładnego prowadzonego bijaka nie dawał gwarancji dokładnego zgrania konturów wykroju w dolnej i górnej części matrycy w momencie kucia.

W celu wyeliminowania opisanej wady do kucia odkuwek w matrycach stosuje się młoty spadowe, a więc młoty, w których swobodnie spadający bijak przez całą drogę spadku, aż do chwili uderzenia w kuty materiał, jest prowadzony, co eliminuje niedokładności kucia wynikłe ze zmiany wzajemnego przesunięcia dolnej i górnej matrycy względem siebie.

Fakt, że bijak jest prowadzony w prowadnicach stojaka i że matryca w nim umocowana nie powinna zmieniać swego położenia względem matrycy dolnej, zamocowanej  w poduszce na szabocie-fundamencie, powoduje, że tego rodzaju młoty mają osadzone stojaki na wspólnym fundamencie całego młota.

Młoty spadowe dzielą się w zasadzie na dwa rodzaje: na młoty deskowe i młoty pasowe.

a)       Młoty deskowe mają na końcu długiej deski umocowany bijak. Bijak wraz z deską jest podnoszony do góry dzięki tarciu, jakie powstaje, gdy dociśniemy kółkiem deskę do drugiego koła osadzonego na wale, na którym również znajduje się koło napędzane pasem lub paskami klinowymi łączącymi je z kołem osadzonym na wale silnika elektrycznego. Z chwilą gdy bijak podniesie się na największą wysokość, odchylenie dźwigu ku dołowi spowoduje ustanie nacisku kółka dociskowego, a zanik tarcia między deską a kółkiem napędzanym spowoduje, ze bijak wraz z deską, wodzony prowadnicami, swobodnie spadnie na dolną matrycę.

Młoty deskowe mimo swej bardzo prostej budowy są kłopotliwe w eksploatacji z powodu szybkiego niszczenia desek.

Wyrazem postępu technicznego w budowie młotów spadowych jest coraz częstsza rezygnacja z młotów deskowych na korzyść młotów pasowych.

b)       Istota konstrukcji młotów spadowych pasowych polega na tym, że bijak takiego młota jest przymocowany do odpowiednio wytrzymałego pasa. Bijak na całej długości drogi spadku jest wodzony w prowadnicach. Na stojakach umieszczone jest koło pasowe osadzone na wspólnym wale ze sprzęgłem ciernym, które sprzęga wał koła pasowego z wałem silnika napędzającego. Koniec pasa zwisającego swobodnie jest przymocowany do stojaka. Gdy włączymy sprzęgło cierne, wprawimy w ruch obrotowy koło pasowe. Naciskając na dźwignię spowodujemy dociśnięcie pasa koła pasowego, tarcie zapewni nam zbieranie pasa i uniesienie bijaka do góry. Ustanie nacisku koła dociskowego na pas spowoduje swobodny spadek bijaka na dolna matrycę.

W młotach pasowych zastosowanie sprzęgła ciernego nie jest konieczne, wynika ono jednak z tego, że przy zwykłych młotach, w których pas nawet bez obciążenia stale styka się z obracającym się kołem pasowym, następuje szybkie zniszczenie pasa. Swego rodzaju zabezpieczeniem przeciw zniszczeniu pasa w młotach bez sprzęgła jest jego podwieszanie za pomocą pasa posiłkowego, zapewniającego w czasie biegu luzem oddalenie pasa głównego od koła pasowego.