Kucie metali: kucie swobodne i matrycowe

Kucie to metoda obróbki plastycznej, w której metal kształtuje się przez uderzenia młota lub nacisk prasy. Materiał, najczęściej nagrzany do wysokiej temperatury, płynie pod działaniem siły i przyjmuje kształt określony przez narzędzia. Mowa tu o kuciu przemysłowym, czyli o wytwarzaniu odkuwek ze stali, aluminium, miedzi czy tytanu, a nie o pracy kowala przy podkuwaniu koni. Odkuwka to półfabrykat lub gotowy element po kuciu, zwykle poddawany jeszcze obróbce skrawaniem.

Na czym polega kucie

Wsad, czyli odcięty odcinek pręta lub kęs, nagrzewa się w piecu lub indukcyjnie do temperatury kucia. W przypadku stali jest to zakres, w którym materiał ma dużą plastyczność i niewielki opór odkształcenia. Rozgrzany wsad przenosi się pod młot lub prasę, gdzie odkształca się go w jednym lub kilku uderzeniach. Po kuciu odkuwkę studzi się w kontrolowany sposób, a często poddaje obróbce cieplnej.

Odkształcenie wyrównuje i zagęszcza strukturę metalu, zamyka drobne pory i układa włókna materiału zgodnie z kształtem części. Dzięki temu odkuwka ma zwykle lepszą wytrzymałość zmęczeniową i udarność niż element o tym samym kształcie wycięty z pręta lub odlany.

Kucie swobodne

W kuciu swobodnym materiał jest odkształcany między płaskimi lub prostymi kowadłami i nie jest zamknięty w formie. Kowal-operator obraca i przesuwa wsad, a kształt powstaje przez kolejne operacje: spęczanie, wydłużanie, przebijanie, rozkuwanie i cięcie. Metoda nie wymaga kosztownych narzędzi, więc nadaje się do pojedynczych sztuk i małych serii, a także do bardzo dużych elementów, jak wały okrętowe czy tarcze turbin.

Ceną jest mniejsza dokładność. Odkuwka swobodna ma duże naddatki i wymaga obszernej obróbki wykończeniowej, a jakość zależy od umiejętności zespołu. Dlatego metodę stosuje się tam, gdzie liczy się wytrzymałość i rozmiar, a nie ekonomia materiału.

Kucie matrycowe

W kuciu matrycowym materiał wypełnia wnękę wykonaną w dwóch połówkach matrycy, a jej kształt odwzorowuje gotowa odkuwka. Nadmiar metalu wypływa w szczelinę jako wypływka, którą po kuciu obcina się obcinarką. Odkuwki są dokładniejsze, mają mniejsze naddatki i powtarzalne wymiary, ale każdy kształt wymaga osobnej matrycy, co przy małych seriach się nie opłaca.

Kucie na gorąco i na zimno

Kucie na gorąco odbywa się powyżej temperatury rekrystalizacji, więc metal łatwo się odkształca, a jego struktura odnawia się w trakcie procesu. Powierzchnia pokrywa się zgorzeliną, a odkuwka kurczy się przy stygnięciu, co obniża dokładność. Kucie na zimno wykonuje się bez nagrzewania, zwykle na prasach, w tym przy wyrobach małych i prostych, takich jak śruby i nakrętki. Daje dokładne wymiary i dobrą powierzchnię, wymaga jednak dużych sił i materiałów plastycznych. Szersze porównanie znajdziesz w tekście o obróbce plastycznej metali.

Etapy procesu kucia matrycowego

Odkuwka matrycowa rzadko powstaje w jednym uderzeniu. Najpierw wsad dostaje kształt wstępny w tak zwanych wykrojach wstępnych: jest wydłużany, rozpłaszczany lub rozdzielany, tak aby objętość metalu rozłożyła się zgodnie z kształtem części. Dopiero potem trafia do wykroju kształtującego, a na końcu do obcinania wypływki i ewentualnego przebijania otworów. Dobrze zaprojektowany ciąg wykrojów zmniejsza zużycie matryc i ryzyko niedokuć w narożnikach.

Po kuciu odkuwkę oczyszcza się ze zgorzeliny, na przykład przez śrutowanie, kontroluje wymiary i sprawdza, czy nie ma pęknięć lub zakuć, czyli miejsc, gdzie metal zakrył własną powierzchnię. Ważne jest też pochylenie ścianek odkuwki, zwykle kilka stopni, bo bez niego element nie dałby się wyjąć z matrycy.

Maszyny do kucia

• Młoty: uderzają szybko i z dużą energią, wykorzystuje się je w kuciu swobodnym i matrycowym.
• Prasy hydrauliczne: działają stałym, kontrolowanym naciskiem i nadają się do dużych odkuwek swobodnych.
• Prasy mechaniczne i korbowe: wydajne, zwykle do kucia matrycowego w seriach.
• Walcarki kuźnicze i kuźniarki: do operacji pomocniczych i produkcji małych elementów.

Zalety i ograniczenia kucia

• Korzystny układ włókien i brak porowatości, które poprawiają wytrzymałość i odporność na uderzenia.
• Niewielkie straty materiału w kuciu matrycowym w porównaniu ze skrawaniem z pręta.
• Powtarzalność przy dużych seriach i krótki czas wykonania jednej sztuki.
• Wysoki koszt matryc i pieców oraz konieczność kucia w dużych seriach, aby koszt się zwrócił.
• Gorsza dokładność niż przy skrawaniu, więc pewne powierzchnie i tak trzeba obrobić.

Zastosowania odkuwek

Odkuwki trafiają tam, gdzie część jest mocno obciążona i musi być pewna: do wałów korbowych i korbowodów, kół zębatych, haków dźwigowych, elementów zawieszenia i armatury wysokiego ciśnienia. Zanim element trafi do montażu, zwykle przechodzi obróbkę cieplną, a następnie wykańczające skrawanie powierzchni współpracujących, o czym piszemy w artykule o obróbce skrawaniem.

Kucie jest jedną z kilku technologii kształtowania metali, a ich zestawienie znajdziesz w przeglądzie metod obróbki metali.