Kovácsolás

Süllyesztékes kovácsolás

A kovácsolás a fémek képlékeny alakításának legősibb módszere, már a bronzkorból is maradtak fenn erre utaló leletek. Kovácsoláskor a fémet általában két szerszám alakító felületei között, ütésekkel vagy nyomással formálják. Alakíthatják melegen, hidegen vagy félmeleg állapotban (ez egyébként a legtöbb képlékenyen alakító módszerre igaz). A kovácsolás az eredeti durva szövetszerkezetet finomabbá teszi, a helyesen megválasztott technológiával a szálelrendeződés a majdani igénybevételnek megfelelően alakítható úgy, hogy javuljanak a darab mechanikai tulajdonságai (kontrakció, nyúlás, fajlagos ütőmunka). A kovácsdarabok minősége az alakítás után hőkezeléssel tovább javítható. A kovácsolt darabok hossza néhány millimétertől több méterig terjedhet. A kovácsolás lehet kézi vagy gépi, utóbbi lehet szabadalakító vagy süllyesztékes.

A kovácsolás célszerű módszerét a gyártás költségei határozzák meg, ez pedig elsősorban a sorozatok nagyságától függ. A gyártási költség egyik tényezője a forgácsolási költség. Szabadalakító kovácsolásnál majdnem mindig nagyobb forgácsolási hozzáadással kell dolgozni, tehát nagyobbak a forgácsolási költségek. A süllyesztékes kovácsolásnál a süllyesztékszerszám költségeit kell figyelembe venni. Minél nagyobb a széria, annál kisebb a szerszám fajlagos költsége, tehát a süllyesztékes kovácsolás egyértelműen a tömeggyártás módszere. Számításba kell még venni a melegítés, a gépek működtetése, az élőmunka stb. költségeit is.

A kovácsolási költségek függése a darabszámtól

Kézi kovácsolás

A kézi kovácsoláson általában azt a műveletet értjük, amikor a munkadarabot kovácsüllőn vagy kovácssatuban, kézi kalapáccsal vagy egyéb segédeszközök igénybevételével alakítják. Évszázadokon át így állították elő a kéziszerszámokat, a háztartási és a gazdasági eszközöket a szegtől kezdve a kapáig, a fegyvereket és a páncélokat, valamint a dísztárgyakat. Az eljárás a gépi kovácsolás terjedése ellenére máig fennmaradt például a patkolókovácsok (lókovácsok) és a művészi termékeket előállító díszműkovácsok esetében is. A kovács szakmából fejlődött ki a lakatos és a bádogos szakma. A kézzel dolgozó kovácsok is használhatnak alakításra gépeket (általában egyszerű gépi kalapácsokat); az ilyen műveletet technológiailag a szabadalakító kovácsoláshoz is sorolhatjuk.

Szabadalakító kovácsolás

A kovácstuskó belső szerkezete

A nagy, szabadon alakított kovácsdarabok kiinduló anyaga az öntött tuskó, a kisebbeké pedig hengerelt buga vagy előkovácsolt rúd. A kovácstuskókat kokillába öntik. Alakjuk általában felfelé szélesedő csonka gúla, keresztmetszetük négy-, hat- vagy nyolcszög, a nagy tömegű tuskók még több szögűek vagy hullámos felületűek. Kör keresztmetszetű tuskókat nem használnak, mert azok felülete könnyen berepedezik.

Öntés közben gázok kerülnek az olvadékba, ezért amikor a leöntött tuskó megdermed, a magjában üregek, lyukak keletkeznek, emellett helyenként megnő benne a foszfor- és a kéntartalom (dúsulás). Emiatt a fokozott minőségi követelményeknek kitett kovácsdarabok kiinduló anyagát rendszerint ívfénnyel átolvasztják, hogy dúsulás- és gázmentes, egyenletes kémiai összetételű darabból kovácsolhassanak. A folyékony fém oxidálódását salakréteggel vagy vákuumban olvasztással küszöbölik ki.

A szabadalakító kovácsolás műveletei

A szabadalakító kovácsolás műveletei

• Nyújtás: A szabadalakító kovácsolás legalapvetőbb művelete. A nyújtóbetét általában lapos, téglalap nyomófelületű szerszám. A nyújtás annál erőteljesebb, minél keskenyebb a nyújtóbetét.
• Duzzasztás: Olyankor szükséges, ha kis keresztmetszetű kiinduló anyagból nagyobb keresztmetszetű darabot kell kovácsolni. Gyűrűk, korongok, tárcsák lyukasztásának előkészítésére is alkalmazzák.
• Lyukasztás: Tömör vagy üreges lyukasztó tüskével végzik, egy vagy két oldalról.
• Vállazás: Az éles vagy nagyobb átmenetek kialakításának segédművelete. Egyszerű nyújtással ugyanis nem lehet éles átmenetet biztosítani, mert az ütések helye mellett az anyag behúzódik.
• Áttolás: Az anyagtakarékosságot és a kedvezőbb szálelrendeződést segíti elő.
• Hajlítás: Általában a görbe kovácsdarabok alakításának utolsó művelete. Többnyire csak a darab egy kis részét kell egy görbe vonal mentén meghajlítani. Eközben ügyelni kell a húzott, külső oldal „behúzódására”: ezen a részen szükség esetén anyagtöbbletet kell biztosítani.
• Csavarás: Kényes művelet, ezért megfelelő hőmérsékleten kell végezni. A kovácsdarab egyik részét általában úgy fordítják el valamilyen szöggel a többihez képest, hogy a darabot először egy síkban lekovácsolják, és a műveletsor végén csavarják meg.
• Kovácshegesztés: A bonyolult alakú kovácsdarabokat gyakran részekre bontva kovácsolják, és a részeket hegesztéssel, igen gyakran kovácshegesztéssel egyesítik. A kis karbontartalmú (a kohászatban a szén helyett többnyire a karbon kifejezést használják) acélok (mintegy 0,15% C-tartalomig) általában jól hegeszthetők, efölött azonban a hegeszthetőség már korlátozott.

Az átkovácsolásról

Az átkovácsolás hatása a mechanikai tulajdonságokra hossz- és keresztirányban

A kovácsüzemi gyakorlatban az alakítás mértékét az átkovácsolási számmal jellemzik. Ez egy 1-nél nagyobb szám, az alakított keresztmetszetek hányadosa:

$k={\frac {A_{1}}{A_{0}}}$   vagy   $k={\frac {A_{0}}{A_{1}}}$.

Az alakítás egymás után következő fokozatainak együttes hatását az átkovácsolási számok szorzatával jellemzik.

Az átkovácsolás mértékének meghatározásához ennél célszerűbb mérőszám a fajlagos alakváltozási tényező:

$\varepsilon ={\frac {\Delta A}{A_{0}}}$ ,

amivel korrekt módon határozhatjuk meg az egymást követő alakítások hatását (ΔA=A₀–A₁ – a keresztmetszet csökkenése, A₀ és A₁ a kiinduló és a kész keresztmetszet). Ráadásul – minthogy az átkovácsolás hatása függ a száliránytól – figyelembe kell venni az egyes fázisok szálirányt alakító hatását is.

Az átkovácsolás elroncsolja és egyúttal átalakítja a durva öntési szövetet. Az anyagban maradt salak- és oxidzárványok, valamint a dúsulások az alakváltozás irányának megfelelő sorokba rendeződnek. A soros szövet miatt az eredetileg minden irányban azonos mechanikai tulajdonságok anizotróppá válnak, méghozzá úgy, hogy a szálirányú mechanikai tulajdonságok rendszerint kedvezőbbek a keresztirányúaknál. Az átkovácsolás eleinte erőteljesen javítja a mechanikai tulajdonságokat, de csak egy ideig, sőt, a keresztirányú próbák értékei előbb-utóbb romlani kezdenek. Ezért a keresztirányú igénybevételnek kitett alkatrészek átkovácsolását nem célszerű egy bizonyos értéken (k≈2) túl folytatni.

Süllyesztékes kovácsolás

Süllyesztékes kovácsolás

Süllyesztékes kovácsolással bonyolultabb kovácsdarabok állíthatók elő, a szabadalakító kovácsolásnál pontosabban és többnyire nagy sorozatban. A munkadarabot általában két félből álló szerszámmal alakítják, ezek a süllyesztékek. A süllyesztékszerszámokba a kovácsdarab két részre osztott negatívját munkálják be. A süllyesztékeket elválasztó felület az osztófelület.

A sorjacsatorna általános alakja és részei

A süllyesztékes kovácsolásnak számos módszere van (sorjával végzett, sorja nélküli, méretpontos stb.). A következőkben a „legközönségesebb” eljárásról, a sorjával végzett alakításról szólunk. Ebben a darabolási pontatlanságból származó és az egyéb szempontok miatt tervezett anyagtöbblet az üreg és az osztófelület határán kiképezett üregrészbe áramlik: ez a sorjacsatorna, a bekerülő anyag pedig a sorja. A sorjacsatorna két, jól megkülönböztethető része:

• a sorjahíd és
• a sorjazsák.

Az üregben el nem férő anyagtöbblet a sorjahídon távozik a sorjazsákba. A sorjahíd méreteit úgy kell megválasztani, hogy az anyag kiáramlását tegye lehetővé, de egyúttal gátolja is annyira, hogy az anyag előbb a süllyesztéküreg nehezebben töltődő részeit töltse ki. A sorjazsák méretét úgy kell meghatározni, hogy elférjen benne a kiáramló anyag. A sorja eltávolítása a kovácsolás végén egy külön művelet (sorjázás).

A süllyesztékes kovácsdarab tervezése

Az osztófelületek fajtái

A kovácsdarab tervezésének első lépése az osztófelület megválasztása. Az osztófelület a darabot két részre osztja, így annak egyik fele az alsó, a másik a felső süllyesztékszerszámba kerül. Az osztófelület alakja függ a kovácsdarab alakjától, és lehet sík, szimmetrikusan tört vagy aszimmetrikusan tört. A tört osztófelület általában nem előnyös, mert az alakítás közben fellépő vízszintes (pontosabban: az ütésirányra merőleges) erők kedvezőtlenül hatnak a szerszámra és az alakító gépre, de magára a kovácsdarabra is. Az osztófelület megválasztásának számos szempontja közül néhány:

• a darabot lehetőleg két egyforma részre ossza;
• lehetőleg sík legyen;
• biztosítsa az üregben az optimális anyagáramlást és a megfelelő szálelrendeződést;
• tegye felismerhetővé a két süllyesztékfél esetleges eltolódását;
• tegye lehetővé a megfelelő sorjázást;
• tegye lehetővé a szerszám gazdaságos megmunkálását stb.

A kovácsdarab tervezésének módja

A második lépés a forgácsolási ráhagyások helyének és mértékének megállapítása. Minthogy a kovácsdarabokból az adott gépalkatrészt forgácsolással készítik el, a forgácsolandó részek méretét a forgácsoláshoz szükséges anyagmennyiséggel (vastagsággal) meg kell növelni (ezt jelzik az ábrán a világoskék területek). A ráhagyások értékeit szabványok és/vagy az üzemi adottságok alapján állapítják meg.

A harmadik lépés az oldalferdeségek megállapítása. A kovácsolás alapvető követelménye, hogy a kovácsdarabot ki lehessen venni a süllyesztékszerszámból, ne ragadjon bele. Ezért az üreg az osztófelület felől nézve csak szűkülhet, nem lehet benne alámetszés. Ezt biztosítja a megfelelően megválasztott oldalferdeség. A kovácsdarab a gépészeti darabhoz viszonyított tömegét az oldalferdeségek (a rajzon a sárga területek) is növelik.

A következő lépésben a lekerekítések mértékét kell megválasztani. A lekerekítésekkel az üreg kopását, deformálódását, a szerszámüreg megrepedését kerülhetjük el. A lekerekítés megkönnyíti az anyagáramlást, a kis lekerekítések azonban gyakran becsípődéseket okoznak.

Egy-egy konkrét kovácsdarab tervezésekor a felsoroltakon kívül természetesen még számos tervezési feladatot meg kell oldani (tervezni kell a fal- és bordaméreteket, fenékvastagságokat, technológiai hozzáadásokat stb.). Ezek a módosítások mind-mind növelik a kovácsdarab tömegét. A kovácsdarab és a gépészeti darab tömegének hányadosát anyagfelhasználási együtthatónak nevezzük.

A süllyesztékes kovácsolás módszerei

Süllyesztékben kovácsolt forgattyús tengelyek

A süllyesztékesen kovácsolt darabok fokozatosan közelítik végső alakjukat (ez persze csaknem mindegyik képlékeny alakító eljárásra igaz). A fokozatok (műveletek) számát és jellegét a kovácsdarab alakja, bonyolultsága, az üzemi adottságok és gazdaságossági szempontok alapján kell meghatározni. Nagy sorozatban készített, egyszerű darabokat akár egy üregben, előkovácsolás nélkül is kovácsolhatunk, a nagyobb sorozatú, bonyolultabb darabok süllyesztékes kovácsolása azonban előkovácsolás nélkül már gazdaságtalan. Az előkovácsolás lehet például szabadalakító, bár ennek a termelékenysége kisebb, mint a süllyesztékesé. Nagy sorozatoknál már az előalakítás is több fokozatú. Ilyenkor előfordul, hogy ugyanabban a süllyesztékszerszámban alakítják ki a készüreget és az előalakító ürege(ke)t is. A több gépen, több üregben végzett kovácsolás a nagy sorozatú és a tömeggyártásban lehet indokolt – ilyenkor egy gépen általában csak egy műveletet végeznek. Ez a módszer termelékeny, de sok gép kell hozzá.

Süllyesztékek

A süllyesztékek a süllyesztékes kovácsolás szerszámai. A süllyesztékesen kovácsolt darabokat általában két félből álló szerszámban alakítják úgy, hogy ezekbe a felekbe bemunkálják a kovácsdarab – osztófelülettel elvágott – „negatívját”, az üreget. Egy szerszámban akár több üreg is lehet. A süllyesztékszerszámokat az alakító gép (kalapács vagy mechanikus sajtó) tőkéjére és medvéjére, illetve nyomóasztalára szerelik.

Sorjázás

Sorjázás

A sorjával végzett süllyesztékes kovácsolás után a darabon sorjának nevezett anyagfelesleg marad. Ezt a kovácsolás befejezése után – általában nyírással – eltávolítják. A sorjázáshoz a kovácsdarabot az alakjának megfelelő bélyeggel átnyomják egy vágólapon, és az a darab kerülete mentén lenyírja a sorját. A meleg sorjázást közvetlenül a kovácsolás befejezése után, a hideg sorjázást később, a darab lehűlése után végzik el. A meleg sorjázás előnye a sima vágási felület, a hideg sorjázás viszont termelékenyebb. A lehűlő darab felületén sajátos oxidréteg képződik. Mivel ez a kemény reve koptatja a sorjázó szerszám élét, a hideg sorjázás előtt ezt célszerű (mechanikus vagy kémiai módszerrel) eltávolítani a darabokról. Ezzel a többszörösére növelhetjük a vágólap éltartamát.

A kovácsolás gépei

Kétállványos szabadalakító gőz-légkalapács kovácsmanipulátorral (makett a Kohászati Múzeumban)

A kovácsolásra alkalmas alakító gépek három csoportja:

• Kalapácsok: Kovácsüzemi kalapácsoknál az alakítást általában egy gyorsulva mozgó tömeg (medve) mozgási energiája végzi el. A medve mozoghat a nehézségi gyorsulással, vagy annál gyorsabban. A medvét mozgathatják mechanikusan, illetve sűrített gőzzel vagy levegővel. A szabadalakító és a süllyesztékes kovácsolásra alkalmas kalapácsok egyik legalapvetőbb különbsége az alapozás: a szabadalakító kalapácsok tőkéjét és gépállványát külön alapozzák, a süllyesztékes kalapácsokat (amelyekben a tőke és az állvány egyetlen, zárt rendszer) egyetlen alaptömbön helyezik el.

• Hidraulikus sajtók: A hidraulikus sajtókban az alakítást a hidraulikus hengerben mozgó dugattyúhoz kapcsolt szerszám végzi, az alakító erőt nagynyomású víz vagy olaj közvetíti. Megkülönböztetjük a négy- és kétoszlopos, valamint a zárt keretes hidraulikus sajtókat – mindezek általában a nagyobb darabok szabadalakító kovácsolására szolgálnak.

• Mechanikus sajtók: A medvét változatos mechanikus megoldásokkal mozgatják (így például vannak forgattyús és excenteres sajtók, dörzssajtók).

A szabadalakító kovácsolás gépei

Rugós (Ajax-) kalapács makettje

A szabadalakításra alkalmas kalapácsoknak sok változata létezik. Egyik lehetséges felosztásuk:

• mechanikus kalapácsok:
  • rugós kalapácsok,
  • légpárnás kalapácsok,
• gőz-légkalapácsok:
  • egyállványos kalapácsok,
  • kétállványos kalapácsok,
  • hídállványos kalapácsok.

A rugós kalapácsokban a forgattyús hajtómű mozgását egy laprugó-köteg közvetíti a medvéhez. Ez mentesíti a hajtó mechanizmust az ütéskor keletkező dinamikus lökésektől, ráadásul a behajló rugó az ütés energiáját is növeli.

A légpárnás kalapácsokat is forgattyús hajtóműről hajtják meg, de itt a hatómű és a medve rugalmas kapcsolatát légpárna biztosítja. A kalapács medvéje egy, a forgattyús hatóműhöz kapcsolt dugattyúval és a légsűrítő hengerterével összeköttetésben álló, függőleges hengerben mozog. A hajtó főtengely és a hajtómű elrendezése szerint ferde és párhuzamos hengerű kalapácsokat különböztetünk meg.

A gőz-légkalapácsok közös jellemzője a hengerben mozgó dugattyúhoz kapcsolt medve, amit a henger alsó terébe vezetett gőz vagy levegő emel. Ütéskor a gőz-légkalapácsok hengerének felső terébe is vezethetnek gőzt vagy sűrített levegőt: ilyenkor a lefelé mozgó medve a nehézségi gyorsulásnál jobban gyorsul, így ütési energiája is nagyobb lesz. A gőzt vagy a sűrített levegőt általában tolattyús vagy szelepes vezérművel vezetik a munkahengerbe.

Fontos követelmény, hogy a szabadalakító kalapács állványzata alatt a munkavégzéshez megfelelő, tágas helyet alakítsunk ki. Vannak egy- és kétállványos, valamint hídállványos kalapácsok.

A süllyesztékes kovácsolás gépei

Süllyesztékes kovácsoláshoz az alábbi alakító gépeket használhatjuk:

• kalapácsok:
  • mechanikus ejtőkalapácsok (léces, hevederes, láncos, olajhidraulikus),
  • gőz-légkalapácsok (hosszú- és rövidlöketű, kétmedvés),
• mechanikus sajtók:
  • frikciós (csavar-) sajtók,
  • forgattyús és excentersajtók.

Az ejtőkalapácsok ütési energiáját az ejtési magasságba felemelt, majd onnan szabadeséssel gyorsuló medve mozgási energiája biztosítja. Az emelésre többféle módszert dolgoztak ki. Az emelő elemet (léc, heveder, gall-lánc, olajhidraulikus dugattyú rúdja) a medvéhez rögzítik. A különböző veszteségek miatt a lefelé haladó medve gyorsulása nem éri el a nehézségi gyorsulást.

A gőz-légkalapácsok medvéjét nagy nyomású gőzzel vagy sűrített levegővel mozgatják. A medvét a dugattyú alsó felületére ható erő emeli, ütéskor pedig általában (itt is van, vagy inkább volt ejtőkalapács!) a felső dugattyúfelületre ható gőznyomással növelik az ütési energiát. A gőzkalapácsok speciális típusa a kétmedvés vagy ellenütős kalapács. Ezek fő előnye, hogy kevésbé terhelik meg az alapozást, kisebb a talajrezgés. Az elnevezés onnan ered, hogy nem csak a medve mozog (a dugattyúval együtt), hanem vele szemben, többnyire azonos sebességgel mozog egy alsó medve is. Fő típusa a hevederes ellenütős kalapács, amelynél a felső és az alsó medvét görgőkön átvezetett acélhevederekkel mozgatják azonos sebességgel, egymással szemben.

A csavarsajtókban a függőleges csavarorsóra ékelt lendkereket két dörzstárcsával forgatják meg. A több menetbekezdéses csavarorsó a sajtó állványában elhelyezett anyában fordul el. Ha a dörzstárcsát az egyik oldalon nyomják a lendkeréknek, akkor az orsó, illetve a rá erősített medve és szerszám lefelé mozdul el, a másik oldali dörzstárcsa pedig emeli. Az ismertetett, klasszikus kéttárcsás csavarsajtón kívül elterjedtek más megoldások is (háromtárcsás, Vincent- és ütősajtó). Ezek kialakítását a nagyobb ütésszám elérése, illetve a csúszási veszteség csökkentése kívánta meg.

A mechanikus sajtók vezértípusai a forgattyús és excentersajtók. A szerszámot ezekben is egy mozgó medvére (nyomófejre) erősítik, és azt excenteres mechanizmus mozgatja egy nyomórúd közvetítésével. A sajtó munkalökete a forgattyú alsó 30°-ára esik, a legnagyobb erőt az alsó holtpontban közli. Az excenteres elvű sajtóknak is több típusa alakult ki (Maxima, könyökemelős, mozgóékes).

A süllyesztékes kovácsolás speciális módszereihez másféleképpen kialakított és működő gépeket is építettek.

További képek

• 
  Kovácsműhely
• 
  Kovácsüllő, kalapács
• 
  Japán kovács
• 
  Kétállványos gőzkalapács
• 
  Frikciós (csavar-) sajtó
• 
  Olajhidraulikus ejtőkalapács
• 
  Léces ejtőkalapács (múzeumi)
• 
  Hevederes ejtőkalapács (múzeumi)
• 
  Kézi kovácsolás
• 
  Kézi kovácsolás
• 
  Kézi kovácsolás
• 
  Kovácsolt forgattyús tengely metszete
• 
  Gyűrűkovácsolás

Források

• Szabó László: Szabadalakító kovácsolás. (Hozzáférés: 2010. augusztus 17.)
• Szabó László: Süllyesztékes kovácsolás. (Hozzáférés: 2010. augusztus 17.)
• szerk.: Dr. Kiss Ervin: Képlékeny alakítás. Tankönyvkiadó, Budapest (1987) 
• szerk.: Óvári Antal: Vaskohászati kézikönyv. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. ISBN 963-10-5972-3 (1985) 
• Dr. Kiss Ervin–Dr. Voith Márton. Kohógéptan. Budapest: Tankönyvkiadó. ISBN 963-17-2257-0 (1977) 
• Dr. Gulyás József–Dr. Mecseki István. Kohászati alapismeretek II.. Budapest: Tankönyvkiadó (1991) 
• Forging Design Handbook. Ohio: American Society for Metals (1972)