Kucie swobodne

Jeśli płynięcie metalu jest częściowo ograniczone narzędziami, wtedy kucie nazywamy półswobodnym. Do tego sposobu kucia stosuje się specjalne kowadła kształtowe i różnego rodzaju narzędzia oraz przyrządy kształtujące fragmenty odkuwki (np. wykorbienia, wały korbowe).

Powyższe sposoby kucia należy odróżnić od kucia matrycowego, gdzie materiał przybiera kształt wykroju w wyniku całkowitego ograniczenia płynięcia ścianami bocznymi narzędzia.
Kucie swobodne stosuje się przy niedużych seriach (lub przy wykonywaniu odkuwek ciężkich). Metodą tą można wykonywać odkuwki o dowolnej masie. Małe odkuwki wykonuje się z wsadu uprzednio walcowanego, duże z wlewków. Maksymalna masa wlewków na odkuwki kute swobodnie wynosi 500 Mg.

Kucie swobodne stosuje się w następujących przypadkach:

• przy produkcji jednostkowej, gdzie wykonanie matryc jest nieopłacalne,
• przy wykonywaniu odkuwek, których ciężar i wymiary przekraczają możliwości produkcyjne najcięższych dysponowanych zespołów matrycowych,
• przy wstępnej obróbce plastycznej wlewków ze stali stopowych lub stopów o specjalnych własnościach na kęsiska i kęsy kute,
• przy produkcji prętów kutych ze stali stopowych lub stopów o specjalnych własnościach, jak również ze stali z gatunków normalnych w tych przypadkach, gdy przekrój danego pręta nie jest objęty programem walcowania,
• przy regeneracji narzędzi i sprzętu warsztatowego,
• przy wykonywaniu części zamiennych i do celów remontowych.

Odkuwki o masie do kilkunastu kg kuje się ręcznie lub na młotach sprężarkowych Kucie swobodne średnich odkuwek wykonuje się na młotach parowo-powietrznych. Odkuwki swobodnie kute ciężkie wykonuje się na prasach hydraulicznych.

Materiały wsadowe:

Wlewki – odkuwki o znacznych wymiarach i masie kuje się najczęściej bezpośrednio z wlewków o odpowiedniej wielkości odlanych w kształcie ostrosłupa ściętego o przekroju sześcio-, ośmio- lub dwunastoboku.

Kęsiska kute lub walcowane – mają przekrój kwadratowy o bokach wklęsłych i zaokrąglonych krawędziach. Ten rodzaj materiału wyjściowego stosuje się do wykonywania ciężkich odkuwek. Kęsy lub pręty walcowane są używane na lżejsze odkuwki. Kęsy mają przekrój poprzeczny zbliżony do kwadratu. Pręty walcowane mogą mieć przekrój poprzeczny kwadratowy, okrągły lub prostokątny.

W produkcji masowej stosuje się pręty o okresowo zmiennym przekroju przystosowanym do kształtu odkuwki. Pręty takie, odpowiednio pocięte, mogą być matrycowane bez dodatkowego wstępnego przekuwania.

Stopień przekucia:

Podobnie, jeżeli odkuwkę wykonuje się tylko przez spęczanie, stopień przekucia wyznacza się jako stosunek wysokości materiału wsadowego h0 do wysokości spęczonej odkuwki h.

Przekucie powoduje zmianę własności mechanicznych i struktury metalu. Nawet gdy stopień przekucia jest niewielki, struktura i własności mechaniczne metali zmieniają się znacznie. Im stopień przekucia jest większy, tym zmiany są poważniejsze.
Szczególnie wyraźnie zjawisko to występuje przy przekuwaniu wlewka.

Kierunek przebiegu włókien zależy od obranej metody kucia:

• Przy kuciu swobodnym wskutek nierównomiernych odkształceń kierunek włókien może się znacznie odchylać od kierunku płynięcia materiału.
• Podczas kucia w matrycach zamkniętych kierunek włókien przebiega zgodnie z geometrycznym kształtem wyrobu.

Natomiast przy większych stopniach przekucia dalsza poprawa własności następuje jedynie w kierunku największego odkształcenia z jednoczesnym pogorszeniem się własności w kierunku poprzecznym. Ma to szczególnie wyraźny wpływ na wydłużenie, przewężenie i udarność. W praktyce stosuje się:

• stopień przekucia 3–4,5 w kuciu swobodnym odkuwek,
• stopień przekucia 3–6 w kuciu matrycowym,
• stopień przekucia 10 przy wykonywaniu wyrobów, które powinny się odznaczać zupełną jednorodnością budowy, bardzo dobrymi jednokierunkowymi własnościami mechanicznymi oraz wysoką granicą zmęczeniową.

Do odkuwek z materiału wyjściowego walcowanego lub uprzednio kutego stosuje się stopień przekucia 1,1–1,5.

Podstawowe operacje kucia swobodnego:

Stosuje się je gdy:

• przekrój gotowej odkuwki lub jej części jest większy od przekroju materiału wyjściowego,
• żądany stopień przekucia wymaga wstępnego zwiększenia przekroju przed dalszymi operacjami,
• wlewek lub kęs przygotowuje się do przebicia otworu,
• kuje się odkuwki w kształcie kostek, krążków, pierścieni itd.,
• jest wymagane polepszenie własności mechanicznych odkuwki.

Średnią średnicę materiału w dowolnym momencie spęczania wyznacza się z warunku objętości

Zasady spęczania:

• stosunek wysokości spęczanego materiału do jego średnicy nie powinien przekraczać 2,5
• przy spęczaniu prostopadłościanu stosunek wysokości do mniejszego boku podstawy nie powinien być większy od 3,5 – po przekroczeniu tej wartości może nastąpić wyboczenie,
• spęczany materiał powinien być równomiernie nagrzany w całej swej masie do największej temperatury kucia,
• wlewek przed spęczeniem należy przekuć na okrągło,
• stopnie odkształcenia podczas każdego uderzenia młota lub nacisku wywieranego przez suwak prasy należy tak dobierać, żeby przekraczały wartości gniotów krytycznych,
• na powierzchni wsadu są niedopuszczalne wady zewnętrzne, powierzchnie czołowe materiału, stykające się z kowadłami, powinny być prostopadłe do osi.

Spęczanie należy wykonywać silnymi uderzeniami młota lub naciskami prasy. Przy spęczaniu ulegają zniekształceniu boczne powierzchnie elementu. Kształt powierzchni bocznej i charakter odkształcenia wewnątrz materiału zależy również od współczynnika tarcia.

W podłużnym przekroju spęczonej próbki cylindrycznej można wyodrębnić trzy strefy odkształceń:

Strefa I przylegająca do płaszczyzn czołowych próbki, odkształca się najmniej, co jest wynikiem działania sił tarcia na powierzchniach czołowych. Największe odkształcenia zarówno w kierunku osiowym jak i promieniowym występują w strefie II, przy czym przejście ze strefy I do II następuje w sposób ciągły, tak że brak między nimi wyraźnie zaznaczającej się granicy.

Strefa III jest obszarem średnich odkształceń. Nierównomierność odkształcania się metalu podczas spęczania pogarsza znacznie jakość wyrobu. Przy spęczaniu na zimno metal umacnia się nierównomiernie, a przy spęczaniu na gorąco zrekrystalizowane ziarna mają w różnych miejscach odkuwki różną wielkość. Nierównomierność odkształcenia wpływa także na obniżenie wskaźników plastyczności i ograniczenie stopnia spęczania dla wielu metali.

Podczas kucia mniej plastycznych gatunków stali nie należy dopuszczać. do wielokrotnego uderzania materiału w tym samym miejscu – zwłaszcza przy pracach na młotach o małej energii uderzenia – gdyż bardzo często powstają wady powierzchniowe wynikające z lokalnego umocnienia materiału, pogłębiającego się łatwo w miarę powtarzania lekkich uderzeń. Kucie odkuwek dużych wałów korbowych przy minimalnych naddatkach technologicznych i niewielkich naddatkach na obróbkę skrawaniem oraz idealnym przebiegu włókien odbywa się w specjalnym przyrządzie TR opracowanym przez T. Ruta.