Tváření kovů za tepla

TL;DR: Stručné shrnutí tváření kovů za tepla Tváření kovů za tepla je klíčová metoda zpracování materiálů, která umožňuje měnit jejich tvar působením sil bez porušení celistvosti. Probíhá při vysokých teplotách (např. v austenitickém stavu oceli), což snižuje tvrdost, zvyšuje tvárnost a usnadňuje deformaci. Mezi hlavní procesy patří kování (volné, zápustkové, ruční, strojní) a válcování (plechů, tyčí, trubek). Článek podrobně rozebírá tyto metody, používané stroje, nástroje a specifické kovářské operace, a je ideální pro studenty připravující se na zkoušky.

Úvod do tváření kovů za tepla

Tváření je metoda zpracování materiálu, při níž se působením vnějších sil mění jeho tvar, aniž by došlo k porušení jeho celistvosti. Materiál, který je schopen měnit svůj tvar, se nazývá plastický.

Při tváření dochází k namáhání a deformaci materiálu dle zatížení. Rozlišujeme dva základní typy deformace:

• Pružná deformace: Materiál mění svůj tvar při působení síly, ale po jejím odstranění se vrací do původního stavu (oblast Hookova zákona).
• Trvalá deformace: Vzniká tehdy, je-li materiál namáhán nad mez kluzu, a zůstane trvale deformován.

Tváření dle teploty dělíme na tváření za tepla a tváření za studena. V tomto článku se podrobně zaměříme na tváření kovů za tepla.

Tváření kovů za tepla: Principy a procesy

Tváření za tepla probíhá buď působením klidných sil, nebo rázy. Klíčové je ohřát materiál na konkrétní teplotu, která zásadně ovlivňuje jeho vlastnosti.

Proč tvářet za tepla?

Ohřevem na specifickou teplotu se snižuje tvrdost a pevnost materiálu, zatímco se výrazně zlepšuje jeho tvárnost. Přesto se snažíme tvářet na co nejmenší počet ohřátí, protože při opakovaném ohřevu vznikají opaly a odpadávají okuje, což negativně ovlivňuje kvalitu materiálu a zvyšuje ztráty.

Význam austenitického stavu

Kovy tváříme za tepla nejčastěji v austenitickém stavu. Austenit je stabilní nad teplotou 727 °C (nad křivkou A₃) a vykazuje výbornou tvárnost při vysokých teplotách (kolem 900 °C).

Výhody tváření v austenitickém stavu:

• Je dobře tvárný při vysokých teplotách.
• Snadno se deformuje bez praskání.
• Vykazuje malý odpor proti tváření.
• Umožňuje rekrystalizační procesy, které zjemňují zrno a zlepšují mechanické vlastnosti materiálu po chlazení.

Při nižších teplotách než 727 °C by mohlo docházet k přeměně na ferit nebo perlit, což by tváření komplikovalo.

Teploty tváření

Materiál zahříváme na teplotu 250–300 °C pod solidem (teplotou tavení). Spodní teplota kování je u:

• Podeutektoidních ocelí: Teplota nad A₃ o 30–50 °C.
• Nadeutektoidních ocelí: Teplota nad A₁ o 30–50 °C.

Pece pro ohřev

K ohřevu kovů na tvářecí teploty používáme různé typy pecí:

• Hlubinné
• Kontinuální
• Elektrické
• Karusové
• Muflové

Kování: Tradiční i moderní metoda tváření

Kování je jedna z nejstarších metod tváření za tepla. Rozdělujeme jej na volné a zápustkové, a také na ruční a strojní.

Ruční kování: Historie a základy

Provádí se ručně na kovadlině, obvykle v kovárně, a je vhodné pro menší výkovky za použití jednoduchých nástrojů (kladivo apod.).

• Volné ruční kování: Tvaruje se pomocí kladiva a kovadliny, zcela bez forem. Působící síla je kolmá na výkovek. Výsledný povrch je velmi nepřesný a nerovnoměrný. Vyrábí se tak například háky, klíny, podkovy.
• Zápustkové ruční kování: Používá jednoduché formy (zápustky). Je vhodné pro menší série stejných výkovků, kde se tolik nedbá na výslednou přesnost.

Strojní kování: Přesnost a sériová výroba

Provádí se pomocí strojů, jako jsou lisy a buchary. Umožňuje přesnější tvary, výrobu větších výkovků a sériovou výrobu.

• Volné strojní kování: Podobné jako u ručního, ale za použití strojů.
• Zápustkové strojní kování: Využívá se pro sériovou výrobu, kdy je materiál tvářen v uzavřené zápustce.
• Válcovací kování: Materiál je proháněn mezi dvěma válci, čímž se vyrábí pruty, tyče a plechy. Tento proces se podrobněji rozebírá v sekci o válcování.

Kovací stroje a nástroje

Kováři používají různé stroje a nástroje pro efektivní tváření.

• Buchary: Jejich hlavní části jsou stojan, buchar a šabota. Tváří materiál pomocí rázů. Rázy neprokují celý průřez materiálu a způsobují odpadávání okují.
• Lisy: Působí klidnou, postupně se zvyšující silou, která proková celý průřez materiálu a zalisuje okuje.

Mezi základní kovářské nástroje patří:

• Kovadlo: Používá babku k upevnění. Na materiál se působí rázy, okuje odpadávají. Rozděluje se na horní a spodní, upínané pomocí rybinové části. Pracovní části jsou kalené a umožňují natáčení o 35–45° pro kování v příčném i podélném směru.
• Odsazovací podložky: K vytváření záseků různých tvarů.
• Průbojníky: K prorážení otvorů.
• Kleště, sekáče.

Kování v zápustce: Detaily a výhody

Kování v zápustce je proces, při kterém se ohřátý materiál tváří v dutině zápustky, jejíž tvar se shoduje s tvarem výsledného výkovku.

Co je zápustka?

Zápustka je nástroj pro kování přesnějších výkovků, skládající se z horního a dolního dílu. Rozměry dutiny jsou zvětšeny o hodnotu smrštění materiálu po jeho vychladnutí.

Výhody a nevýhody zápustkového kování

Výhody:

• Přesnější tvar
• Lepší jakost povrchu
• Vysoký stupeň prokování
• Dobrý průběh vláken
• Vysoká výkonnost, jednoduchá obsluha

Nevýhody:

• Omezené rozměry a hmotnost výkovků, dané rozměry a silou tvářecího stroje.

Postup zápustkového kování

Polotovar musí mít větší objem než dutina zápustky, aby ji mohl plně vyplnit. Musí být zahřátý na tvářecí teplotu. Zahřátý materiál se vloží do zápustkové dutiny a působí se na něj tvářecí silou. Materiál se deformuje a vyplňuje zápustku.

• U lisu se vyplnění zápustky děje během jednoho zdvihu.
• U bucharu se vyplnění děje více zdvihy během úderů.

Přebytečný materiál je vytlačen do zvláštní dutiny a vytváří tzv. výronek, který se dodatečně odstraňuje odstřiháváním.

Rozdělení zápustek

Zápustky se dělí podle několika kritérií:

Dle kovacího stroje:

• Na bucharech: Vhodné pro prokování plochých výkovků o menších hmotnostech. Částice se pohybují rychleji proti beranu a snadněji vyplňují dutiny.
• Na lisech: Pro výkovky s velkými hmotnostmi a větších průřezů. Částice se pohybují rychleji ve směru beranu.

Dle dutiny:

• Otevřená dutina zápustky: Používá se pro kování polotovaru s větším objemem než zápustka.
• Uzavřená dutina zápustky: Nemá dutinu pro výronek. Používá se pro přesnější výkovky a pro sériovou výrobu.

Dle operace:

• Předkovací: Pro složitější výkovky.
• Dokončovací: Pro složitější výkovky, které byly předem předkovány.
• Postupová: Kde není možnost vykovat celý výkovek najednou.
• Kalibrovací: Pro výkovky s odstřihnutým výronkem, zajišťuje větší přesnost.
• Ostřihovací: K oddělení výronku.

Základní kovářské operace

Kovářské operace jsou specifické techniky pro úpravu tvaru materiálu.

• Protahování: Zvětšuje délku a zmenšuje tloušťku nebo průřez. Využívá se při výrobě tyčí, hřídelí, čepů.
• Rozkování: Hrubé zvětšení délky a zmenšení průřezu celého kusu. Často se provádí jako první operace.
• Zpěchování (utlačování): Zkracování a zesilování materiálu, například při kování hlav šroubů, nýtů, hřídelí.
• Rozšiřování: Zvětšování šířky výkovku údery shora, pro výrobu lopatek a ploch.
• Ohrnování: Tvarování okrajů výkovku směrem ven nebo dovnitř, typické pro tvarování okrajů disků nebo přírub.
• Ohýbání: Změna tvaru ohnutím kolem čelistí nebo trnu, pro výrobu háků, závěsů.
• Dělení: Usekávání nebo přetínání materiálu pomocí sekáče nebo nože k oddělení přebytečného materiálu po kování.
• Probíjení: Výroba otvorů pomocí průbojníku, nejčastěji při výrobě závěsných prvků nebo ok.

Kovadlina: Neodmyslitelný pomocník kováře

Kovadlina je základní nástroj používaný při kování, sloužící jako pevná opěrná plocha. Je vyrobena z houževnaté kalené oceli, aby odolávala rázům a vysokým teplotám.

Části kovadliny:

• Plocha: Tvrdá, hladká část, aby se materiál nedeformoval.
• Roh: Zakulacená část pro výrobu ohybů, oblouků a zakulacení hran.
• Hrot: Pro kování kroužků, háků a jiných tvarů s otvory.
• Děrovací otvor: K děrování materiálu.
• Tělo: Masivní část mezi základnou a pracovní plochou.
• Základna: Zajišťuje stabilní postavení kovadliny.

Válcování: Od ingotů k finálním produktům

Válcování je proces, při kterém se ocelové ingoty prohřejí v hlubinných pecích na tvářecí teplotu a poté se tváří na předvalky. Z nich se následně vyrábí konečné výrobky jako plechy, tyče a trubky.

Typy válcování dle uložení os válců

• Podélné: Materiál se pohybuje ve směru podélném.
• Příčné: Materiál se pohybuje ve směru radiálním.
• Kosé: Materiál je válcován mezi dvěma válci s mimoběžnými osami.

Válcování plechů

Provádí se podélným způsobem. Používají se válcové stoly s hladkými válci, mezi které se vtahuje materiál, který se stlačuje a prodlužuje. Nejprve se válcuje jedním směrem a poté se materiál otočí o 90° a válcuje se znovu, čímž se dosahuje stejné tloušťky a rovnoměrné struktury. Válcovou trať tvoří válcové stolice uspořádané za sebou, které se dělí dle počtu válců na dua, tria nebo univerzály.

Válcování tyčí

Provádí se příčným způsobem. Používají se kalibrované válce, které se k sobě přibližují. Poslední kalibr mívá finální tvar tyče. Vyrábí se průřezy kruhové, čtvercové, šestihranné, tyče tvaru I, T a kolejnice.

Válcování trubek

Provádí se kosým zpracováním. Trubky mohou být vyráběny za tepla i za studena (např. bezešvé nebo švové). Bezešvé trubky se používají tam, kde by pevnost švových trubek nestačila.

Bezešvé trubky se vyrábí dvěma způsoby:

• Mannesmannův způsob: Pomocí kosého válcování vzniká ve středu vývalku tlakové pnutí, které porušuje celistvost materiálu a tvoří dutinu. Pomocí hladícího trnu se uhlazuje vnitřní průměr trubky. Vhodné pro krátké tenkostěnné trubky.
• Stiefelův způsob: Je založen na stejném principu, ale pracovní válce mají tvar kotoučů. Používá se pro trubky menších průměrů.

Vytlačování: Moderní technologie pro speciální tvary

Vytlačování je tlakový tvářecí proces, při kterém se plná tyč protlačuje tvářecím nástrojem. V kontextu výroby trubek se materiál táhne nebo protlačuje skrze matrici pomocí trnu, který uvnitř vytváří dutinu. V jednom z popisu v materiálech je uvedeno, že při tomto procesu u trubek dochází k plastické deformaci za nízkých teplot, což vede k velmi dobrým rozměrům a mechanickým vlastnostem.

Druhy vytlačování

• Přímé: Píst tlačí materiál ve směru pohybu přes matrici. Vyžaduje větší síly kvůli vysokému tření a je vhodné pro delší trubky.
• Nepřímé: Matrice se pohybuje vůči stojícímu polotovaru. Vyžaduje nižší sílu kvůli výrazně slabšímu tření a produkuje velmi přesné trubky s rovnoměrnou tloušťkou.
• Radiální: Méně časté. Vytváří dutinu pomocí válců a následného protahování za tepla.

FAQ: Často kladené otázky k tváření kovů za tepla

Jaké jsou hlavní výhody tváření kovů za tepla?

Hlavními výhodami tváření za tepla jsou snížení tvrdosti a pevnosti materiálu, což zlepšuje jeho tvárnost a usnadňuje deformaci bez praskání. Dále dochází k rekrystalizačním procesům, které zjemňují zrno a zlepšují mechanické vlastnosti finálního výrobku.

Co je to austenitický stav a proč je důležitý pro tváření za tepla?

Austenitický stav je krystalografická fáze oceli stabilní při vysokých teplotách (nad 727 °C). Je důležitý pro tváření za tepla, protože v tomto stavu je ocel velmi tvárná, má malý odpor proti deformaci a snadno se tváří bez vzniku prasklin. To umožňuje efektivní a kvalitní tvarování.

Jaký je rozdíl mezi volným a zápustkovým kováním?

Volné kování probíhá bez použití forem, materiál se tvaruje pouze údery kladiva na kovadlinu. Je vhodné pro kusovou výrobu a má menší přesnost. Zápustkové kování využívá formy (zápustky), které určují přesný tvar výkovku. Je vhodné pro sériovou výrobu a dosahuje výrazně vyšší přesnosti a lepší kvality povrchu.

Jak se vyrábí bezešvé trubky při válcování za tepla?

Bezešvé trubky se při válcování za tepla vyrábí dvěma hlavními způsoby: Mannesmannovým a Stiefelovým. Oba způsoby využívají kosé válcování, při kterém vzniká tlakové pnutí vytvářející dutinu ve středu vývalku. Vnitřní průměr trubky se následně uhlazuje pomocí hladícího trnu.

Které kovářské operace jsou nejpoužívanější?

Mezi nejpoužívanější kovářské operace patří protahování (zvětšování délky), zpěchování (zkracování a zesilování), rozkování (hrubé zvětšení délky), ohýbání (změna tvaru) a probíjení (vytváření otvorů). Tyto operace umožňují kovářům dosáhnout široké škály tvarů a rozměrů výrobků.