Современные методы и технологии в обработке металла

Ковка вообще, а художественная тем более, не терпит дилетантства ни по отношению к материалу, ни к самому ковочному инструменту. Слишком велик престиж уже созданных произведений из металла в технике ковки, исполненной талантливыми художниками по металлу разных стран и времен. Это несомненно должно вдохновлять современных мастеров на создание новых шедевров.

Ковщик — человек, имеющий власть над металлом. Это не просто кузнец, который, не умаляя его достоинств и способностей, умеет мастерски выковать из куска металла необходимые в хозяйстве предметы. Ковщик — это кузнец-художник, могущий из прутка или проволоки создать архитектурное украшение, а то и скульптурное произведение.

Но вначале даже самый известный покоритель металла все-таки прошел через овладение кузнечно-слесарным искусством. И от этого никуда не деться: другого пути нет [1, с.27].

Способы деформирования ковкого металла. Основной способ, с помощью которого достигается деформация ковких или пластичных металлов, это ковка. Ковка бывает ручной и машинной. Меня интересует именно первый способ, т.к. художественная ковка в основном производится вручную. Нужная форма придается заготовке последовательным механическим воздействием на нее ударными инструментами. Различают свободную и штампованную ковку. Первая осуществляется произвольными ударами молота на усмотрение ковщика. Вторая — ударами по штампу, вдавливанием в заготовленную форму мягкого металла ударами кувалды.

Ручная ковка требует от ковщика не только художественного вкуса, сноровки и кропотливой работы, но и определенных физических данных и выносливости. Поскольку ручник не так уж тяжел, придется нанести в процессе изготовления кованого изделия несчетное количество ударов. А чтобы 8-10-килограммовой кувалдой махать — нужно иметь недюжинную силу. Раньше кузнецы работали в паре — старший (основной) мастер и подручный (молотобоец): старший ручником указывал помощнику место удара кувалдой, направлял весь процесс ковки. В индивидуальной кузнице приходится все ковочные процессы выполнять одному, то есть быть универсалом, как, впрочем, и в других видах художественной обработки металла.

Поскольку многие ковочные операции приходится выполнять с разогретым металлом, очень важно правильно осуществлять его нагрев, который производится в условиях мастерской горелкой или в горне — в зависимости от величины детали и температурных качеств материала. Наиболее благоприятный температурный интервал ковки — в пределах 800-900°С.

Воздух, необходимый для процесса горения топлива, в горн подается электровентилятором. Огонь в горне необходимо поддерживать ровным, не допускать высокого пламени, поливая, если нужно, водой, чтобы сбить длинные языки пламени в горне и чтобы самый сильный жар концентрировался внутри шахты горна — в горновом гнезде. Золу выгребают кочергой, не раскалывая. Уголь подкладывают не сверху, а по краям. Заготовку помещают под верхний слой углей — там наибольший жар (в нижней части гнезда жар слабее из-за потока поступающего воздуха).

Нагрев металла осуществляют медленно, чтобы он прогрелся равномерно и достаточно, но не перегревался, особенно это касается инструментальной стали, перегрев которой чреват трещинами в заготовке и разрушением при ковке.

Если все-таки перегрев какой-то части случится, то ее нужно отрубить. При оптимальном для ковки температурном режиме (800-900 °С) максимально возрастает пластичность стали и в 20 раз снижается ее прочность.

Протяжка. Протяжка нагретой заготовки в личной мастерской осуществляется на кромке наковальни под углом 40-45° ударами ручника по противоположной грани заготовки. После протяжки заготовку выравнивают с учетом заданных размеров, а неровности устраняют гладилкой (рис. 2).

Высадка — операция, в результате которой из тонкой заготовки получают более объемную в определенной части (в середине, на конце) за счет утолщения сферической формы. Если высаживаемая часть должна стать более объемной, заготовку холодным концом ставят на наковальню, а удары кувалдой наносят с обратного нагретого конца. Если высаживаемая часть нужна тоньше, а значит, и длиннее, на наковальню ставят горячую часть и бьют по холодной. Слишком длинную (тонкую) высадку производят на пятке наковальни; клещи, которыми удерживают заготовку, опирают на зеркало наковальни. Чтобы добиться высадки в средней части заготовки, нагревают (горелкой) только середину прутка (стержня). С помощью высадки изготавливают крепежные костыли: заготовка должна быть квадратной, поэтому заготовки цилиндрической формы получают именно квадратный профиль; не прокованной оставляют только часть, из которой выковывают головку костыля на гвоздильной плите.

Осадка — операция по увеличению поперечного сечения поковки за счет ее укорочения. Эта операция применяется при изготовлении инструмента (например, ударного, фасонного) и создании элементов декора с переменным поперечным сечением. Нагретую заготовку, удерживая щипцами, ставят на наковальню вертикально и осаживают. Если осадить нужно не всю заготовку, т.е. по всей длине равномерно, а какую-то ее часть, то разогревают именно эту часть и работают таким же образом. Эта операция именуется высадкой.

Просечка и продевание. При изготовлении решеток, ворот, калиток используют операцию продевания прутков одного в другой. Чтобы ее осуществить, в прутьях нужно сделать просечки. Режим — горячий. Зубило для просекания прута должно быть круглого сечения, длинное и острое. Получив отверстие, зубило замачивают для охлаждения. Прутья квадратного сечения просекают квадратной же оправкой с направляющей рукояткой для ее удержания. Полученные отверстия доводят соответствующими оправками до размера сечения продеваемого прута. Комбинации различны: круглые — в квадратные, квадратные — в круглые и т.д.

Рубка. В процессе рубки холодного металла в нем возникает структурное напряжение, в результате чего в заготовке могут появиться трещины. Чтобы избежать этого, ее предварительно отжигают. При рубке горячей поковки зубило время от времени нужно охлаждать, причем желательно в масляной эмульсии, которая обволакивает лезвие зубила и препятствует его пригару к горячему металлу. Рубка производится по предварительной разметке керном по холодной заготовке. Прорубив на 2/3, поковку переворачивают (разруб должен совпадать с краем наковальни) и перерубывают полностью. Эту операцию можно осуществить и на подсечке, и в комбинации зубило-подсечка (рис. 3).

При рубке на подсечке нужно быть предельно внимательным, чтобы при очередном ударе молотка по заготовке не произошло полной разрубки, поскольку есть опасность повредить боек ручника и острие подсечки.

Рубку листовой заготовки до 3 мм производят в холодном режиме, более толстой — в горячем. Вырубку отверстий нестандартных форм осуществляют фасонными зубилами в горячем режиме.

Различают и некоторые разновидности рубки:

1) заготовку надрубывают, вытягивают, закручивают, изгибают в узор;

2) разделяют поковку по оси;

3) отделяют металл по наружному контуру.

Пробивка. Раскаленное место поковки устанавливается против отверстия наковальни и пробивается бородком в несколько приемов. Бородком металл выдавливается с обратной стороны заготовки. Не вынимая пробойника, поковку перемешают на зеркало наковальни и продолжают наносить удары до тех пор, пока не обозначатся контуры будущего отверстия в виде темного пятна. Затем поковку переворачивают и вновь переносят на отверстие в наковальне, где встречной пробивкой завершают операцию. Образуется отверстие, называемое выдрой. Это отверстие обрабатывается оправкой с целью придания правильной и аккуратной формы. Для увеличения отверстия деталь проковывают на роге наковальни. Зубила, применяемые для прорубки отверстий в разрезе, имеют форму конусов, соединенных основаниями. От массивности зубила и угла заточки его рабочей части зависит внешний вид вырубленной детали.

Вытяжка. Вытяжка производится с целью удлинения заготовки, изменения ее длины за счет уменьшения поперечного сечения. Например, из толстой поковки в горячем режиме кувалдой отковывается полоса. Сначала ковка производится с одной стороны раскаленной поковки, затем с другой. Завершается ковка ручником. Неровности устраняются гладилкой. Вытяжку малоразмерной заготовки производят ручником на углу наковальни, повторяя операцию до получения заданного размера. Заготовку круглого сечения вытягивают, придавая ей квадратное сечение, после чего грани сбивают на восьмигранник и окончательно формируют пруток до круглого сечения в обжимках, а затем проходят гладилкой. Такую же операцию осуществляют и при необходимости получения прутка с разными формами сечения и толщины. Операция разгонки производится с целью увеличения площади поковки или ее фрагмента, благодаря ее утончению. Расплющивают заготовку ручником, а ее часть наставкой. Применяются и специальные кузнечные инструменты — разгонки.

Для вытягивания пустотелых поковок используют конусные справки и шпераки — в зависимости от диаметра. Операции производятся соответственно с обжимками или свободной ковкой. К вытяжке относится еще одна операция — раздача неразъемных колец. В зависимости от диаметра ее производят ручником на роге наковальни, на шпераке или оправке, которые закрепляют в отверстии наковальни или в тисках. При раздаче колец увеличивается их внешний и внутренний диаметр, но уменьшается поперечное сечение, т.е. кольца становятся шире, но тоньше.

Итак, ковочная операция вытяжка имеет три основные разновидности: собственно вытягивание (удлинение), разгонка (увеличение) и раздача (расширение), и сопряжена с привлечением множества основных и вспомогательных кузнечных инструментов. Практически без этой ключевой операции в ковке не обойтись при создании самых разных видов художественных изделий из металла.

Гибка — эта операция позволяет придать заготовке или ее части изогнутую под различными углами форму. Режим процесса — холодный или горячий в зависимости от толщины и профиля поковки. Гибка производится на наковальне, в тисках и других фиксирующих деталь приспособлениях. В месте изгиба происходит утончение поперечного сечения детали. Чтобы этого избежать, в месте изгиба производят предварительную высадку. Изгиб для декора наоборот производится с подсеканием металла. При необходимости получения нескольких или многих одинаковых изогнутых фрагментов изделия используют гибочную плиту. Различают гибку на угол и гибку по радиусу. Первая осуществляется на острой кромке наковальни, вторая — на ее круглом роге; радиус гибки регулируется изменением расстояния от вершины рога.

Скрутка (торсировка) — при этой операции части заготовки проворачиваются по оси относительно друг друга. Стержни толщиной до 15 мм скручивают в холодном режиме, но перед скруткой поковку отжигают. Выполняется эта операция следующим образом: производится разметка (в каком именно месте произвести скручивание), затем один конец прутка, стержня фиксируют в тисках, а другой закрепляют на воротке и проворачивают нужное число раз. Для фиксации линейных контуров скручиваемый пруток вставляют в трубу соответствующего диаметра и длины (рис. 4).

Толстые стержни скручивают в горячем режиме. При нагреве части закрутки при поворотах воротка с холодной стороны заготовки получается завиток горячего края стержня, зажатого в тисках, который постепенно раскручивается и сходит на нет. Комбинациями таких приемов получают оригинальные детали. Скрутку можно произвести и во встречном направлении.

Особенно красивы скрученные стержни, у которых перед торсировкой вдоль всех граней выдавлены глубокие канавки. Эффектны и скрученные плоские прутки (рис. 5).

Волюты-спирали — распространенные декоративно-художественные элементы кованых изделий, а именно — ионических колонн, спиралей, решеток и т.д. Ковка волюты производится свободным способом, и ее правильность и красота зависят от мастерства ковщика-художника. Если спиральных элементов, например, в перилах или ограде, требуется много, используют шаблоны, изготовленные по эталонному образцу и дающие равноразмерные детали. А волюты именно куются. Размер заготовки (ее длину) легко определить, применив свитую проволоку по фигуре будущей волюты. Распрямив мерку, получают длину поковки под волюту, отрубают такой длины поковку, нагревают с одного конца и делают ее законцовку. На роге или ребре наковальни оформляют основной, наиболее крутой завиток волюты. Затем нагревают ее по длине и с помощью спиральной оправки куют спираль. Окончания волют можно украсить орнаментом. По форме волюты бывают односторонними, двусторонними, с обратной закруткой, с разветвлением от прутка.

Рассекание — получение элементов изделия, выходящих из одной металлической поковки. Под рассекаемый металл подкладывают толстый лист для предохранения от порчи зубил и наковальни при рассекании заготовки. Элементы определенного рисунка отгибают, оттягивают один от другого, чтобы их можно было проковывать, скруглять и доводить каждый в отдельности. Отсекание ответвления от разогретого прутка производят зубилом по предварительной разметке поковки. Если требуется скругление рассеченных ветвей, то поковку рассекают до начала радиуса закругления, рассеченные ветви разводят, укладывают на круглую поверхность рога наковальни и кувалдой отгибают ветвь, а ударами по ее концу получают заданный рисунок по размеру закругления. Если от поковки нужно отсечь ветвь значительно тоньше основы, то отсекание (рубку) производят в тисках в вертикальном положении поковки (ее как бы обтесывают, получая металлические стружки, которые в основании не отсечены от стержня).

Выглажка — отделка фрагментов и в целом изделия художественной ковки. Производится после завершения всех формообразующих операций. Перед выглаживанием изделие нагревается до темно-вишневого цвета. Более сильный нагрев может привести к деформации кованого изделия Выглаживание производится обычными плоскими гладилками, а выпуклости или вогнутости ликвидируются специальными гладилками. Выглажка производится путем перемещения по поверхности металла гладилки и сопровождается нанесением ударов ручника по ней. Декоративные элементы кованого изделия выглажке не подвергаются — они могут утратить тот неповторимый шарм, созданный художником по металлу.

Вывод: в первой главе приведен экскурс в историю, исходя из которого можно утверждать, что искусство художественной ковки за последнее время претерпело незначительные изменения. Спустя века остались все те же ковочные инструменты, те же металлы, предназначенные для ковки, в принципе, и те же методики, пусть и с какими-то индивидуальными стилями. Мы ознакомились с физическими и химическими свойствами металлов, а также с технологией изготовления кованых изделий. Металл пластичен и легко поддается механической обработке. А при изменении температурного режима меняет свою кристаллическую структуру, что сопровождается изменением физических характеристик металла. Кузнец должен уметь выбрать сталь, которая по своим качествам будет соответствовать задуманному изделию.