KUCIE- W procesie kucia materiał jest odkształcany trwale na gorąco lub na zimno pod działaniem uderzeń młota, nacisku prasy lub walców. W chwili uderzenia bijaka o metal (pomijając straty energii) energia kinetyczna bijaka jest zamieniana na pracę odkształcenia plastycznego. Wyrób uzyskany w wyniku kucia nazywa się odkuwką, jeżeli proces kucia jest wykonywany w kilku operacjach to odkuwka po pierwszym kuciu nazywa się przedkuwką w drugiej operacji (w kolejnych jest tak samo). Wsadem do procesów kucia mogą być wlewki, kęsiska, kęsy oraz pręty.
Odkuwki charakteryzują się: kształtem i wymiarami zbliżonymi do gotowej części, drobnoziarnistą strukturą, włóknistym rozkładem zanieczyszczeń, podwyższonymi własnościami mechanicznymi w stosunku do materiału wyjściowego.
Podstawową decyzją o zastosowaniu kucia zamiast innych technologii wykonania (np. odlewania) są wymagania dotyczące lepszych właściwości mechanicznych. Z odkuwek wykonuje się najbardziej odpowiedzialne części maszyn (np. wirniki turbinowe, wały okrętowe, wały korbowe, korbowody, elementy układu kierowniczego, haki i inne.
W zależności od kształtu narzędzi i sposobu ich oddziaływania na odkształcany metal kucie dzielimy na:
Swobodne: w kowadłach płaskich, w kowadłach kształtowych (pól swobodne), Matrycowe: w matrycach otwartych i zamkniętych.
Kucie swobodne w kowadłach płaskich charakteryzuje się odkształceniem metalu przez zgniatanie go miedzy powierzchniami kowadeł dolnego i górnego. W procesie tym płynięcie metalu na boki jest nieograniczone, przez co powstają nie-równomierne pola odkształceń powodujące w pewnych częściach odkształcanego przedmiotu naprężenia rozciągające. Taki stan naprężeń może w pewnych przypadkach spowodować przejście z trójosiowego ściskania w różnoimienny stan naprężenia, co znacznie pogarsza plastyczność metalu, co z kolei przy większych od-kształceniach może doprowadzić do rozerwania spójności cząstek i pojawienia się pęknięć.
Kucie swobodne w kowadłach kształtowych charakteryzuje się swobodnym wydłużeniem metalu , natomiast jego rozszerzanie jest częściowo ograniczone bocznym naciskiem ścianek narzędzia. W tym przypadku powstające naprężenia rozciągające są mniejsze, a plastyczność materiału większa niż w przypadku kucia w kowadłach płaskich.
Kucie w matrycach otwartych charakteryzuje się tym, że rozszerzanie materiału jest częściowo ograniczone bocznym naciskiem ścianek na narzędzia. W porównaniu z kuciem w kowadłach płaskich jednostkowy nacisk jest 1,5-3 razy większy, a plastyczność metalu znacznie lepsza. Przedkuwka ma większą objętość od gotowego wyrobu, nadmiar materiału w trakcie procesu kucia wypełnia rowek na wypływkę. W przypadku wykonywania odkuwek o złożonych kształtach rozkład odkształceń jest nierównomierny, co sprzyja wytwarzaniu się dość znacznych naprężeń rozciągających. W takich przypadkach w celu zapobieżenia powstawania pęknięć wykonuje się odkuwki z przedkuwek.
Kucie w matrycach zamkniętych charakteryzuje się tym, że rozszerza-nie materiału jest ograniczone ściankami narzędzia. Powoduje to powstawanie w całej objętości materiału trójosiowego ściskania. Jednostkowy nacisk odkształcenia jest dwukrotnie większy niż w przypadku kucia w matrycach otwartych.
Najważniejsze parametry procesu kucia:
* temperatury nagrzewania materiału,
* prędkości odkształcenia.
Temperatura nagrzewania materiału. Procesy kucia dla większości metali i stopów wykonuje się na gorąco, ma to na celu zmniejszenie nacisków potrzebnych do kształtowania dzięki zmniejszeniu naprężenia uplastyczniającego oraz zwiększeniu wartości odkształcenia granicznego (powodującego pękanie materiału).
Z uwagi na możliwość powstawania znacznych różnic temperatur, procesy nagrzewania dzieli się na procesy nagrzewania wsadu cienkiego i wsadu grubego. Wsadem cienkim nazywane są przedmioty, w których różnica temperatur powierzchni i środka jest nieznaczna i nie może spowodować powstania niebezpiecznych naprężeń cieplnych. Wsadem grubym (masywnym) nazywane są przedmioty, w których podczas szybkiego grzania występują duże naprężenia mogące spowodować pęknięcia materiału.
Jakość odkuwek, ich właściwości i struktura, w dużym stopniu zależą od prawidłowego nagrzewania materiału. Nieodpowiednie nagrzewanie materiału prowadzi do przegrzania i przepalenia oraz nadmiernego utlenienia jego powierzchni.
Prędkość odkształcania. Wpływ prędkości odkształcania na wzrost naprężenia uplastyczniającego przy obróbce na gorąco jest znacznie większy niż przy obróbce na zimno. Przy obróbce na gorąco zachodzą równocześnie dwa procesy działające przeciwnie na opór plastyczny: umocnienie i zdrowienie. Szybkość umocnienia wyznacza się szybkością odkształcania, a szybkość zdrowienia - szybkością rekrystalizacji, zależną od temperatury.
W zależności od wzajemnej szybkości obu procesów opór plastyczny przy danej temperaturze zmienia się. Jeżeli szybkość odkształcania jest zbyt duża i proces odkształcania zbyt krótki, to metal nie zdąży zrekrystalizować i będzie stawiał znaczny opór plastyczny. Zmniejszenie prędkości odkształcania, a więc przedłużenie czasu trwania procesu, powoduje zatem podobny skutek jak zwiększenie temperatury.
KUCIE SWOBODNE może być realizowane ręcznie lub maszynowo.
Do najczęściej stosowanych operacji kucia swobodnego należą: spęczanie, wydłużanie, przebijanie, poszerzanie, wgłębianie, przebijanie, rozkuwanie, odsadzanie, przesadzanie, gięcie, przecinanie, skręcanie, zgrzewanie.
Spęczanie jest operacją mającą na celu zwiększenie przekroju poprzecznego materiału kosztem zmniejszenia jego wysokości lub długości. Operacja ta może być wykonywana na całej wysokości (długości) przedmiotu lub jedynie w określonych jego miejscach (spęczanie miejscowe). Spęczanie materiału powoduje zgrzanie pęcherzy, rzadzizn i nieciągłości znajdujących się we wlewkach.
Materiał o kształcie walcowym, w wyniku spęczania swobodnego przyjmuje kształt baryłkowaty, który jest zależny w znacznej mierze od tarcia występującego miedzy narzędziem a metalem. Ze wzrostem współczynnika tarcia baryłkowatość zwiększa się. Czynnikami wpływającym na baryłkowatość są również: ochłodzenie spęczanego materiału w otoczeniu stykających się z nim chłodniejszych kowadeł, rodzaj materiału, temperatura kucia, szybkość odkształcania, rodzaj uderzenia (pojedyncze czy seryjne), smukłość wsadu (określana stosunkiem h/d ) oraz stopień gniotu.
Smukłość wsadu nie powinna przekroczyć 2,5, przy spęczaniu prostopadłościanu stosunek wysokości do mniejszego boku podstawy nie powinien przekraczać 3,5. Przy większych wartościach łatwo może nastąpić wyboczenie, którego usunięcie wymaga dodatkowych operacji. W pionowym przekroju spęczonej próbki cylindrycznej można wyodrębnić trzy obszary odkształceń. Obszar I, przylegający do płaszczyzn czołowych odkuwki, odkształca się najmniej, jest to wynikiem tarcia materiału o narzędzie. Największe odkształcenia zachodzą w obszarze II, przy czym przejście z obszaru I do II następuje w sposób ciągły, tak że brak miedzy nimi wyraźnej granicy. Obszar III jest obszarem średnich odkształceń.
Nierównomierne odkształcanie się metalu przy spęczaniu pogarsza jakość wyrobu i powoduje:
• nierównomierne umocnienie materiału przy spęczaniu na zimno,
• zróżnicowanie wielkości ziarna przy spęczaniu na gorąco w różnych częściach odkuwki,
• ograniczenie stopnia odkształcenia przy spęczaniu.
W celu obniżenia nierównomierności odkształcenia stosuje się następujące środki i metody:
• dużą gładkość pracujących części narzędzia,
• podgrzanie narzędzia do temperatury 200÷300°C,
• smarowanie pracujących płaszczyzn narzędzia.
Dla materiałów mało plastycznych zaleca się niekiedy stosowanie do spęczania kowadeł stożkowych o kącie α= arctg μ (μ -współczynnik tarcia) lub plastycznych podkładek między metalem a narzędziem.
Przy spęczaniu prostopadłościanu zniekształceniu podlegają również przekroje poprzeczne (niejednorodność materiału jest większa niż przy spęczaniu materiałów cylindrycznych).
Wielkościami charakteryzującymi stopień odkształcenia przy spęczaniu są:
• gniot bezwzględny (spęczenie bezwzględne)
• gniot rzeczywisty (spęczenie rzeczywiste)
• współczynnik gniotu (współczynnik spęczenia)
Wydłużanie jest operacją kucia swobodnego w wyniku której zmniejsza się przekrój poprzeczny materiału, a zwiększa się jego długość. W tym celu materiał podczas kucia obraca się o 90° (kantuje) po każdym uderzeniu oraz przesuwa. Jeżeli odkuwka ma otwór, wydłużenie materiału wykonuje się na trzpieniu.
Wydłużenie materiału jest operacją składającą się z kolejnych gniotów spęczających. Przy wydłużaniu występuje jednocześnie niezamierzone poszerzanie materiału w kierunku poprzecznym.
Obracanie materiału można realizować ruchem wahadłowym w lewo i w prawo lub w jedną stronę. Drugi sposób (tzw. śrubowy) stosuje się do kucia twardych gatunków stali i metali mających małą prędkość rekrystalizacji w temperaturze kucia. Można również wykonywać szereg kolejnych uderzeń na jednej stronie pręta posuwając go wzdłużnie, a następnie wykonać obrót o 90° i kontynuować kucie. Wydłużanie długich i ciężkich odkuwek przeprowadza się od środka ku jednemu końcowi, po czym po przeniesieniu uchwytu na przeciwległy koniec kuje się drugą połowę odkuwki.
Wielkościami charakteryzującymi stopień odkształcenia przy wydłużaniu są:
• wydłużenie bezwzględne
• wydłużenie względne
• wydłużenie rzeczywiste
• współczynnik wydłużenia
Oprócz normalnych sposobów wydłużania na płaskich lub kształtowych kowadłach wykonuje się wydłużanie stosując specjalne narzędzia pomocnicze.
1. Wydłużenie na trzpieniu, za pomocą którego zwiększa się długość odkuwki przy równoczesnym zmniejszeniu jej średnicy zewnętrznej.
2. Rozkuwanie pierścieni na trzpieniu, które polega na zwiększaniu średnicy zewnętrznej i wewnętrznej odkuwki przez zmniejszenie grubości ścianki
Poszerzanie jest to odkształcanie w kierunku poprzecznym do osi materiału, prowadzące do zwiększenia szerokości przedmiotu kosztem jego grubości.
Odsadzanie jest to zmniejszenie przekroju poprzecznego pręta od określonego miejsca, przez wydłużenie odsadzonej części.
Przesadzanie jest to równomierne przesunięcie jednej części materiału względem drugiej.
Wgłębianie jest operacją wykonywania otworów nieprzelotowych.
Przebijanie (dziurowanie) jest operacją w której wykonuje się otwory przelotowe przy pomocy bijaka pełnego lub drążonego.