Smeden: betekenis, toepassingen en processen
Na het lezen van dit artikel zul je meer te weten komen over: - 1. Inleiding tot smeden 2. Smeedvermogen 3. Verplicht materiaal 4. Temperatuur 5. Processen 6. Smering 7. Defecten in gesmede producten 8. Voordelen 9. Nadelen 10. Toepassingen.
Inleiding tot smeden:
Het smeden is een metaalvormingsproces. Het gaat om het verhitten van metaal tot de plastische toestand en vervolgens wordt de druk uitgeoefend met een handhamer of een krachtige hamer om een vooraf bepaalde vorm van het product te verkrijgen. De term smeden wordt ook gebruikt om de plastische vervorming van metalen te definiëren bij het smeden van de temperatuur in de vereiste vorm met behulp van drukkrachten die worden uitgeoefend door matrijzen door middel van een hamer, een pers of een stuikmachine.
Net als andere metaalvormende processen, smeedt smeden de microstructuur van het metaal, elimineert de verborgen gebreken zoals haarscheuren en holtes. Dit proces herschikt de vezelachtige macrostructuur om te voldoen aan de metaalstroom. Vanwege deze voordelen en voordelen ten opzichte van gieten en verspanen, is smeden erg populair in metaalvormende processen.
Door een succesvol ontwerp van de matrijzen kan de metaalstroom worden gebruikt om de uitlijning van de vezels met de geanticipeerde richting van maximale spanning te bevorderen. Fig. 5.1 toont de twee verschillende krukassen en kraanhaken die zijn geproduceerd door machinaal bewerken uit een stang en door smeden.
Zoals te zien is, is de richting van de vezels in het smeedstuk gunstiger, omdat de spanningen in de banen opgaan in de richting van vezels waar de sterkte maximaal is.
Forge Ability:
De term smeedvermogen wordt gedefinieerd als het vermogen van een materiaal om vervorming te ondergaan zonder falen of breuk. Voor het juiste smeedproces is het belangrijk om het deformatiegedrag van het te smeden metaal te kennen met betrekking tot de weerstand tegen vervorming en alle verwachte nadelige effecten, zoals kraken enz.
Het hangt van de volgende factoren af:
(i) Samenstelling van materiaal.
(ii) Zuiverheid van materiaal.
(iii) Korrelgrootte.
(iv) Werktemperatuur.
(v) Strain rate and Strain distribution.
(vi) Aantal aanwezige fasen.
De smederij neemt toe met het verhogen van de werktemperatuur tot een punt waarop de fase verandert. De zuivere metalen hebben een goed vervalvermogen.
Het fijnkorrelige materiaal heeft een beter smeedvermogen dan grofkorrelig materiaal.
Hoewel er geen algemeen geaccepteerde standaardtest is voor het vermogen om te smeden, worden enkele van de volgende tests uitgevoerd op metalen voor de kwantitatieve toewijzing van de smederij:
(i) Instortproef:
De maximale limiet van het verstoorde vermogen zonder barsten of falen wordt genomen als een maat voor de vaardigheidsindex van de smederij. Deze test omvat het verstoren van een reeks cilindrische knuppels met dezelfde afmetingen in verschillende maten van deformatie.
(ii) Test met verstoorde barstang:
Deze test is vergelijkbaar met de bovenstaande test, behalve dat longitudinale inkepingen of kartelingen worden gemaakt voorafgaand aan het stuiken. Deze test biedt een betrouwbaardere index van de valsheid.
(iii) Hot-Impact Trekproef:
In deze test wordt de treksterkte gemeten als een maat voor de vaardigheidsindex. Voor deze test wordt een impacttestmachine met spankrachtbevestiging gebruikt.
(iv) Hot Twist-test:
De test bestaat uit het draaien van een ronde, hete balk en het tellen van het aantal draaien tot het niet lukt. Hoe groter het aantal wendingen, hoe beter de smederij.
Forgeable Materialen:
Elk metaal of elke legering die door verhitting, zonder fouten, in plastische toestand kan worden gebracht, kan worden gesmeed. Het smeedvermogen van elk metaal wordt beïnvloed door het aantal factoren, zoals de samenstelling van metaal of legering, de aanwezige onzuiverheden, de korrelgrootte en het aantal aanwezige fasen.
De temperatuurverhoging verbetert ook het smedvermogen, maar tot een bepaalde limiet, waar een andere fase begint te verschijnen of waar korrelgroei buitensporig wordt. Op dit punt zal elke verdere toename in temperatuur de smederijvermindering verminderen.
Sommige metalen en legeringen in afnemende volgorde van smederij worden hieronder vermeld (dwz legering met beter geschreven eerst smederij):
1. Aluminiumlegeringen.
2. Magnesiumlegeringen.
3. Koperlegeringen.
4. Stalen-koolstofstaal.
5. Laaggelegeerde staalsoorten.
6. Martensitische roestvrije staalsoorten.
7. Austenitisch roestvast staal.
8. Nikkellegeringen.
9. Titanium-legeringen.
10. Molybdeenlegeringen,
11, Tungsten Alloys.
De keuze van een smeedmateriaal hangt af van de gewenste mechanische eigenschappen van dat onderdeel, zoals duurzaamheid, vervormbaarheid, verwerkbaarheidssterkte, etc.
Temperaturen smeden:
Er zijn verschillende soorten materialen die door smeden kunnen worden bewerkt. Elk metaal of elke legering heeft zijn eigen smeedstuk temperatuurbereik. Sommige hebben een breed temperatuurbereik, terwijl andere een smal bereik hebben. Het temperatuurbereik is afhankelijk van de bestanddelen en de chemische samenstelling.
Meestal is de smeedtemperatuur voor non-ferro metalen en legeringen veel lager dan die vereist voor ferro-materialen. De temperatuurbereiken voor veel gebruikte legeringen worden gegeven in tabel 5.1. Deze omvatten koolstofarm staal, aluminium, magnesium en koperlegeringen, evenals veel van de gelegeerde staalsoorten en roestvaste staalsoorten.
In het geval van het smeden van de hand of het open smeedstuk wordt de smeedtemperatuur beoordeeld aan de hand van de kleur van het hete metaal. Terwijl in het geval van gesloten matrijssmeedwerk of massaproductiefabrieken de smeedtemperatuur wordt bepaald door de thermokoppels en optische pyrometers.
Smeden processen:
Alle smeedprocessen vallen onder twee hoofdtypen, volgens de gebruikte methode:
(i) Open-matrijzensmeedwerk (smidsmeedwerk of vlakstansmeedstuk).
(ii) Smeden met gesloten matrijzen.
(i) Open-Die-smeden:
In open-matrijs smeden, wordt het metaal bewerkt tussen twee platte matrijzen. Het wordt handmatig gedaan door black-smith en daarom ook smid smeden. Dit kan handmatig of met kracht worden gedaan. Bij dit smeden wordt het metaal verhit tot de plastische toestandstemperatuur, op een aambeeld geplaatst en herhaaldelijk gehamerd totdat de gewenste vorm is verkregen.
Nu wordt black smith smeden tegenwoordig alleen gebruikt voor het vormgeven van een klein aantal lichte smeedstukken. Dit proces wordt voornamelijk gebruikt in reparatiewerkplaatsen. Gecompliceerde vormen met nauwe tolerantie kunnen door dit proces niet economisch worden geproduceerd.
De modemversie door zwart smeden, open matrijssmederij, omvat de door een kracht bediende hamer of pers in plaats van handhamer en aambeeld van de smid.
De kenmerken van open-die smeden zijn:
(a) Open-matrijssmeedwerk wordt gebruikt voor het produceren van zware smeedstukken met een gewicht tot 300 ton.
(b) Dit proces wordt ook gebruikt voor het produceren van kleine partijen middelgrote smeedstukken met onregelmatige vormen die niet kunnen worden geproduceerd door het moderne smeedproces met gesloten matrijzen.
(c) De bekwaamheid van de gebruiker speelt een belangrijke rol bij het produceren van de gewenste vorm van het onderdeel door verwarming en opeenvolgende werkslagen.
(d) De geproduceerde vorm is slechts een benadering van het vereiste onderdeel en de daaropvolgende bewerking van de bewerking is altijd vereist om het nauwkeurige deel te produceren volgens de blauwe afdruk die door de ontwerper is geleverd.
(ii) Closed-Die Forging:
Bij het smeden met gesloten matrijzen wordt het metaal in een gesloten afdruk van een stempelset verwerkt. Het metaal wordt verhit tot de plastische toestandstemperatuur, geplaatst in een uit twee delen bestaande holle matrijs en vervolgens geperst. Smeden met gesloten matrijzen omvat smeden van smeden, smeden van persen en smeden van machines of van streek.
Onder invloed (of samendrukking) stroomt het hete metaal plastisch om de matrijsholte te vullen. De stroom metaal wordt beperkt door de vorm van de matrijsholte. De productiecyclus voor een matrijs gesmeed onderdeel omvat een andere gerelateerde bewerking, zoals het snijden van slakken, het verwarmen van slakken, het smeden van slakken, het trimmen van de flits, het smelten van de smeedstukken, ontkalken en ten slotte inspectie en kwaliteitscontrole. Dit wordt getoond in Fig. 5.2.
Voordelen van Open-Die-smeden:
(1) Dit proces wordt gebruikt voor de productie van zware smeedstukken met een gewicht van maximaal 300 ton,
(2) Het proces is geschikt voor het produceren van kleine partijen middelgrote smeedstukken met onregelmatige vormen die niet kunnen worden geproduceerd door het moderne smeedproces met gesloten matrijzen.
(3) Het proces omvat minder dure gereedschappen en apparatuur.
(4) Het proces vereist geen extra stroombron in tegenstelling tot smeden met pers of machine.
(5) Het proces hoeft geen kostbare gesloten matrijzen te maken.
(6) Het proces kan overal op de gewenste plaats worden uitgevoerd.
Voordelen van Closed-Die Forging:
(1) Grotere consistentie van productkenmerken dan in open matrijssmeedwerk of gietwerk.
(2) Grotere sterkte bij lager eenheidsgewicht in vergelijking met gietstukken of gefabriceerde onderdelen.
(3) Gecompliceerde vormen met nauwe maattoleranties kunnen eenvoudig worden geproduceerd.
(4) Goede oppervlakteafwerking met minimaal overtollig materiaal dat door machinale bewerking moet worden verwijderd.
(5) De kosten van onderdelen die worden geproduceerd door smeden met gesloten matrijzen zijn gewoonlijk twee of drie keer minder dan de kosten van onderdelen die worden geproduceerd door machinale bewerking.
Niettemin, de hoge kosten van het smeden van sterft is de belangrijkste beperking van dit proces, vooral als ingewikkelde vormen moeten worden geproduceerd.
Daarom is het proces alleen geschikt voor massaproductie van staal en non-ferro componenten met een gewicht tot 350 kg.
Smeren in smeedproces:
De smering speelt en een belangrijke rol in het vormingsproces en kan niet worden verwaarloosd.
De functies van smering zijn:
(i) Elimineer de wrijving tussen de interfaces van de werkstapel.
(ii) Zorg voor een gemakkelijke doorstroming van mete.
(iii) Voorkomt dat het hete metaal aan de matrijs kleeft.
(iv) Voorkomt dat de oppervlaktelagen van het hete metaal worden gekoeld door de relatief koude matrijs, enz.
De volgende tabel 5.2 geeft enkele veelgebruikte smeermiddelen in het smeedproces:
Smeden van stansmateriaal:
Smeedmatrijzen worden blootgesteld aan zware omstandigheden zoals hoge temperaturen, extreem hoge drukken en slijtage. Daarom moet een matrijsmateriaal voldoende hard zijn bij hogere temperaturen, evenals een hoge taaiheid om de zware omstandigheden te weerstaan.
Speciaal gereedschapsstaal wordt gebruikt voor matrijsmateriaal. Ze zijn gelegeerd met de volgende legeringsadditieven: chroom, nikkel, molybdeen en vanadium. Eerst worden de matrijsblokken gegloeid en vervolgens bewerkt om de schachten te maken. Ten tweede, gehard en getemperd tot de schachten. Ten slotte worden afdrukruimten door gereedschapmakers onderbroken.
Defecten in gesmede producten:
Defecten kunnen worden waargenomen bij het smeden. Ze kunnen van oppervlaktefouten of lichaamsfouten zijn. Het soort defect hangt af van het aantal factoren, zoals het smeedproces, het gesmede metaal, de procestemperatuur, het gereedschapsontwerp, het matrijsontwerp, enz.
Hierna volgt een korte beschrijving van algemeen geconstateerde gebreken:
1. Kraken:
Het kraakgebrek is meestal te vinden onder hoeken en hoeken. De mogelijke oorzaken zijn niet-uniforme temperatuurverdeling, hoge mate van vervorming dan nodig, trekspanningen tijdens het smeedproces, enz.
2. Plooien:
Het vouwdefect wordt vaak waargenomen bij stuiken en koersoperaties. Er kunnen ook vouwen worden waargenomen aan de randen van onderdelen die zijn vervaardigd door Smith-Forging. De mogelijke oorzaken zijn: reductie per pas is te klein, knikken van metaal, ontwerp van smeedwerk, etc.
3. Onjuiste secties:
De onjuiste secties omvatten dode metalen zones, leidingen en onregelmatige of gewelddadige metaalstroom. Ze zijn in principe te wijten aan een slecht ontwerp van gereedschap en matrijzen.
4. Niet-gevulde secties:
De ongevulde secties bij het smeden kunnen worden veroorzaakt doordat het metaal de matrijsholte niet correct vult. De mogelijke oorzaken zijn: onvoldoende hoeveelheid metaal, verkeerd plaatsen van het metaal in de matrijs, lage verwarmingstemperatuur, slecht smeden ontwerp en poolgereedschap of matrijsontwerp.
5. Niet-overeenkomende smeedstukken:
Het niet overeenkomen van smeedstukken wordt waargenomen wanneer de bovenste en onderste delen van de matrijs tijdens het blazen niet op één lijn liggen.
6. Vinnen en woede:
Vinnen en vodden zijn kleine projecties van los metaal op het smeedoppervlak. De mogelijke oorzaken zijn: onjuist vakmanschap, slecht ontwerp van de matrijs, enz.
7. Oververhitte en verbrande metalen:
Soms raakt metaal daardoor oververhit; het metaal verliest zijn kracht. De mogelijke oorzaken zijn: Hogere temperatuur dan vereist, het gedeelte dat te lang is verwarmd, onjuiste en niet-uniforme verwarming.
8. Schaalgroeven:
De schaalputten zijn ondiepe oppervlaktedepersen. Deze worden veroorzaakt door een schaal die niet is verwijderd van de werkstaaf of het oppervlak van de matrijs vóór het smeden. Regelmatig reinigen van stempels en juiste smeedtemperatuur kunnen dit defect voorkomen.
9. Gescheurde vezelstroomlijnen:
Dit komt door het snelle vloeien van het metaal.
Redenen voor het smeden van gebreken:
Smeedfouten zijn te wijten aan een of meer van de volgende redenen:
1. Slechte kwaliteit van blokken en platen die worden gebruikt voor het produceren van de gesmede componenten.
2. Slechte mechanische sterkte van blokken.
3. Slecht ontwerp van gereedschap en matrijs.
4. Onjuiste samenstelling van materiaal dat wordt gesmeed.
5. Onjuiste verwarming en koeling van smeedstukken.
6. Bij nauwkeurige smeedbewerkingen.
7. Niet-overeenkomende uitlijning van onderste en bovenste matrijsdelen.
8. Schalen van sterven en ingots gebruikt, etc.
Voordelen van smeden:
Hieronder volgen de voordelen van het smeedproces:
1. Verfijnde korrelstructuur.
2. Betere sterkte van onderdelen.
3. Redelijke mate van nauwkeurigheid.
4. Smeedstukken kunnen gemakkelijk worden gelast.
5. Realisatie van een gladde oppervlakteafwerking.
6. Geen of verwaarloosbare bewerking vereist.
7. Het opslaan van materiaal als verspilling is minder.
8. Snellere productiesnelheid.
9. Meest geschikt voor massaproductie.
10. Gereduceerd eigengewicht van gesmede onderdelen.
Nadelen van smeden:
De nadelen van het smeedproces zijn:
1. Hoge kosten van tools.
2. Duur onderhoud van gereedschappen.
3. In sommige gevallen vereist warmtebehandeling na het smeden.
4. Beperking in vorm en grootte.
5. Onjuiste smeden ontwerp kan produceren smeden defecten zoals scheuren, bochten etc.
6. Gesloten toleranties moeilijk te onderhouden.
Toepassingen van smeden:
Gesmede onderdelen kunnen worden ingedeeld in de volgende drie categorieën:
1. Kleine smeedstukken:
Kleine smeedstukken omvatten bouten en moeren, schroevendraaier, ringen, enz. Beitels en kleine snijgereedschappen worden in deze categorie gebruikt. Kleine smeedstukken worden gesmeed uit barvoorraden.
2. Medium smeedstukken:
Medium smeedwerk omvat drijfstangen, kleine krukassen, hendels, haken, assen van spoorwegvoertuigen, flenskoppelingen, etc. Medium smeedstukken zijn gesmeed uit stangen en platen.
3. Zwaardere smeedstukken:
Zwaardere smeedstukken omvatten grote schachten van generatoren van elektriciteitscentrales, turbines en schepen, evenals kolommen van persen en rollen voor walserijen. Zwaardere delen worden bewerkt uit blokken.
