Холодная ковка: станки/оборудование, оснастка, инструмент, технология

Глядя на заборы, ворота и калитки, как на рис., при домах явно не элитного класса, человек, имеющий некоторое представление об оборудовании кузницы и характере работы там, может подумать: откуда у них денег столько? У более сведущего в кузнечном ремесле такого вопроса не возникнет: эти красоты, равно как и металлический декор мебели, легких садовых строений, качелей, скамеек и т.д., созданы способом холодной ковки.

Цены на холодную художественную ковку доступны, потому что производственные расходы и начальные затраты на оборудование невелики, а производительность труда неплоха для кустарных условий. Следовательно, ИП-кузнец, специализирующийся на художественной холодной ковке, может рассчитывать на достаточно быстрый старт и хорошую рентабельность. Возможно, кто-то из владельцев образцов на рис. сделал свой себе самостоятельно: холодная ковка своими руками выполнима в гараже или сарае без опыта, а кованые детали для мелких предметов мебели, балясин, мангалов и всякой разной прочей металлической утвари, (см. напр. рис. справа), можно делать даже в домашних условиях.

Основа «холодной кузни» – станок для холодной ковки. Для полного производственного цикла, способного удовлетворить любые мыслимые фантазии свои или заказчика, станков потребуется 5-7 видов, 3-5 основных из которых можно сделать своими руками. Однако вначале, прежде чем тратиться на станок или материалы для него, весьма желательно освоить начала кузнечного дела. Поэтому далее будут рассмотрены также некоторые приемы изготовления деталей художественной ковки без станка и оснастка для них, которую можно быстро изготовить из подручных материалов.

Штамповка, ковка и гибка

Так что это такое – холодная ковка? От штамповки она отличается тем, что металл под воздействием рабочего органа почти не течет или течет слабо. Взгляните на пивную банку либо, допустим, алюминиевый или жестяной чайник. Они выдавливаются одним ударом пуансона штамповочного пресса; чайник и т.п. изделия сложной формы – составным раздвижным пуансоном. Получить необходимое для создания столь высокого давления рабочее усилие в домашних условиях невозможно, кроме одного случая, см. далее.

От горячей ковки холодная отличается, понятное дело, тем, что заготовку предварительно не нагревают. Собственно холодная ковка, которая ковка, это наклёпывание (наклёп) детали продолжительной серией регулярных ударов определенной силы. Структура металла при этом существенно изменяется: твердость поверхностного слоя увеличивается, а сердцевина обеспечивает общую вязкость и прочность на излом. Мастера-кустари – инструментальщики и оружейники – буквально охотятся за буферами и колесными бандажами жд вагонов, кусками рельсов.

Наклёпывание стали осуществляется механическим молотом. Сделать его своими руками можно, и даже проще, чем некоторые виды станков для холодной художественной ковки. Но данная публикация посвящена именно последнему предмету, а холодная художественная ковка это по сути гибка (гнутьё) металла: его структура в детали существенных изменений не претерпевает, а изменение физико-механических свойств металла для качества конечной продукции не существенно. Поэтому холодную ковку, которая ковка, оставим до подходящего случая, а займемся ковкой, которая гнутье. Для краткости назовем ее просто художественной ковкой, а где потребуется упомянуть о ковке горячей, там это будет оговорено особо.

Станки и оснастка для холодной ковки

Основное оборудование для художественной ковки своими руками представляет собой станки и приспособления нескольких типов с ручными приводом. Электропривод применяется нечасто, т.к. обусловленный им прирост производительности не всегда равноценен сложности изготовления и затратам на электричество. Впрочем, об электроприводе для домашних ковочных станков мы еще вспомним, пока займемся «ручниками». Практически все элементы изделий на рис. в начале можно сделать на станках следующих типов:

• Твистеры (закручиватели), поз. 1 на рис. – формируют плоские спирали и др. завитки с узкой сердцевиной (ядром).
• Торсионные станки, поз. 2 – позволяют получать винтовую крутку прутка и элементы из объемных спиралей, т. наз. филаменты: корзинки, фонари, луковицы.
• Инерционно-штамповочные станки, поз. 3 – на них концы прутьев расплескивают в фасонные наконечники (поз. 1 на рис. ниже), штампуют декоративные хомуты для соединения деталей узора (поз. 2 на том же рис.), выдавливают мелкую волну и рельеф на длинномерных деталях.

• Гибочные станки бывают нажимными, протяжными и комбинированными, поз. 4. Первые позволяют получать только волны и зигзаги; протяжные – кольца, завитки и спирали с широкими ядрами, а последние все эти виды изделий.

Примечание: в технической литературе, особенно англоязычной, все станки, формирующие детали методом кручения или навивки, часто называют твистерами. Изначально твистер это станок для навивки пружин. Но применительно к художественной ковке правильнее будет твистерами считать станки для навивки, а крутильные – торсионными.

Что такое гнутики?

В техническом просторечии гибочные станки называют гнутиками. Однако в любительской и частной металлообработке наименование «гнутик» утвердилось за настольным приспособлением для получения волн и зигзагов, см. рис. справа. Меняя в гнутике ролик или клин, можно в некоторых пределах варьировать шаг и высоту волны или угол зигзага.

Гнутик для прутьев/труб до 12-16 мм стоит сравнительно недорого, но сделать его самому дома сложно: нужна точная обработка спецсталей. Попробуйте-ка обычной электродрелью обычным сверлом по металлу просверлить обычный рожковый гаечный ключ. А в гнутике рабочие нагрузки много выше, чем на его губках. Поэтому гнутик лучше купить, он и помимо ковки на хозяйстве пригодится для изготовления элементов сварных металлоконструкций, как трубогиб для мелких толстостенных прочных труб и в др. случаях.

Твистеры

Издавна кузнецы вили завитки вхолодную по шаблону-оправке рожковым рычажным захватом, поз. 1 на рис. Способ это малопроизводительный и не для хлюпиков, но позволяет достаточно быстро и просто делать разнообразные гибочные оправки из обычной стальной полосы: концевой (упорный) рог рычага не дает шаблону податься под давлением заготовки. Серединный (обводной) рог желательно делать скользящим с фиксацией: работа пойдет медленнее, но, особенно в неопытных руках, точнее.

Другое простое приспособление для ручной фасонной гибки – прочная доска с опорным штырями – проставками, поз. 2; в качестве них подойдут обычные болты М8-М24. В зависимости от того, насколько вы дружны с домашним тренажером, работать можно с полосой до 4-6 мм. Выгибают полосу на-глаз, работа идет медленно, зато можно выводить узоры вплоть до Ильи Муромца на коне в полном вооружении или Будды в цветке лотоса. Последний, возможно, и совершенно ручной работы: люди, вполне освоившие хатха- и раджа-йогу, способны руками завивать в узор стальные арматурины.

Улитки

Станок-твистер – улитка наиболее популярен среди занимающихся художественной ковкой: его возможности сравнительно с простотой конструкции, доступностью для изготовления своими руками и удобством работы поразительны. Собственно, станок-улитка это немного механизированный и усовершенствованный гибочный рычаг, но такое «немного» сделало возможной работу на нем начинающим. Станки-улитки делятся, в свою очередь, на станки с воротом и поворотным лемехом и рычажные с неподвижно закрепленным шаблоном и обводным роликом.

Улитка с лемехом

Устройство гибочной улитки с лемехом показано на схеме ниже; там же описана и технология работы с таким станком.

Преимущества гибочного станка-твистера данного типа следующие:

• Работать на улитке с поворотным лемехом и воротом можно в необорудованном помещении: вертикальная компонента рабочей нагрузки пренебрежимо мала, а ее горизонтальные составляющие передаются на опору частично.
• Вследствие пред. пункта опорная конструкция может быть достаточно простой и легкой, сварной из обычных стальных профилей.
• Рабочий процесс осуществим в одиночку: поворачивая ворот одной рукой, другой поджимаем пруток или полосу к лемеху-шаблону. По мере гибки его звенья сами встанут на места.
• Холодным способом на улитке с поворотным лемехом можно вить спирали до 5 витков.

Чертежи станка-улитки для художественной ковки со спецификацией деталей даны на рис. О размерах звеньев (сегментов) раскладного лемеха поговорим далее, а пока обратите внимание на марки сталей: на лемех приходятся большие нагрузки. Если сделать его из обычной конструкционной стали, шаблон поведет на середине калитки или секции забора.

Примечание: более подробные чертежи станка-улитки сходной конструкции с описанием и деталировкой см. по ссылке: http://dwg.ucoz.net/publ/osnastka/instrument_dlja_kholodnoj_kovki/5. Там же вы найдете чертежи самодельного гнутика и приспособления для гибки колец.

Материал для складного поворотного лемеха, как и сложность его изготовления– не единственные слабые места станка-улитки с воротом. Еще серьезнее проблема сочленения звеньев лемеха (показаны красными стрелками на рис. справа). Сочленения сегментов лемеха должны:

1. 

   Конструкция складного лемеха станка-улитки для холодной ковки

   Быть достаточно точны, чтобы выдерживалась форма изготовляемых деталей;

2. При нажиме снаружи соединения сегментов должны становиться в положение мертвой точки, создавая устойчивую конфигурацию;
3. По снятии рабочей нагрузки сочленения должны саморасклиниваться;
4. Конструкция и материал сочленений поворотного лемеха должна обеспечивать многократное повторение цикла по пп. 1-3 под значительными знакопеременными рабочими нагрузками без появления существенного люфта.

Выполнить все эти условия вместе сложно и в хорошо налаженном и оборудованном промышленном производстве, поэтому ресурсы складных шаблонов для холодной ковки в общем много меньше, чем позволил бы их материал сам по себе. Плохое использование свойств материала – серьезный недостаток. Кроме того, по тем же причинам другое слабое место станка-улитки с воротом – эксцентриковый зажим детали. Поэтому у начинающих кузнецов-самодельщиков успешнее работают самодельные станки-улитки для художественной ковки, выполненные по рычажной схеме.

Улитка с рычагом

Рычажная улитка для холодной ковки устроена аналогично всем известному трубогибу. Самодельный станок-улитка рычажного типа с неподвижным шаблоном по производительности существенно уступает улитке с воротом. Рабочая нагрузка в нем полнее передается на основание, поэтому необходима прочная станина из спецстали или толстой плиты из стали обычной, надежно закрепленная на опорной поверхности. Как следствие, требуется помещение под мастерскую или производственная площадь на открытом воздухе. Работа на рычажной улитке продвигается медленно: провернув рычаг до заклинивания, нужно передвигать прижимной ролик. Завить на рычажной улитке возможно до 3-4 витков. Тем не менее, преимущества рычажного станка-улитки для домашних мастеров существенны, особенно при работе для себя:

• Все детали, кроме прижимного ролика, могут быть выполнены из обычной стали.
• В качестве прижимного ролика возможно использовать типовой роликовый подшипник.
• Использование свойств материала деталей практически полное: шаблон и станина из обычной стали выдерживают более 1000 рабочих циклов.
• Гнуть можно как по шаблону (поз. 1 на рис. ниже), так и по проставкам, поз. 2 там же.

• При гнутье по проставкам можно оперативно менять форму получаемой детали и выводить обратные изгибы, что при гнутье по лемеху в принципе невозможно.

• 

  Закрепление конца заготовки в станке-улитке для холодной ковки

  Для получения изделий того же качества точность изготовления деталей рычажной улитки может быть на порядок ниже, чем улитки с поворотным лемехом.

• Конец обрабатываемой детали можно крепить, просто вкладывая его в выемку шаблона, см. рис. справа. Уширяют закрепляемый конец наваркой или сгибанием пополам.

Кроме того, рычажный станок-улитка позволяет использовать технологический прием, считающийся прерогативой промышленных станков-твистеров: шаблон смещают вбок, а в центре ставят проставку, поз. 3 на рис. Таким образом получается мелкий обратный изгиб в ядре завитка. Деталь выглядит эффектнее и, при работе на продажу, изделие ценится дороже.

Есть у рычажной улитки еще один довольно жирненький плюсик: на таком станке можно гнуть плоские завитки с маленьким ядром из полосы, уложенной плашмя. Улитка с воротом и поворотным лемехом тут пасует полностью: заготовка пойдет вертикальной волной. Широкие завитки и кольца из полосы плашмя можно гнуть на протяжном гибочном станке с валками, в которых проточены канавки, см. рис. справа. Но скорость протяжки, чтобы заготовку не повело, для этого нужна значительная, так что узкой сердцевинки завитка не получится.

На рычажном станке-улитке эта проблема решается установкой прижимного ролика высотой в толщину полосы и с ребордой (закраиной), как у железнодорожного колеса, только шире. Гибка таким методом отнимает много времени: рычаг нужно подавать по чуть-чуть, иначе внутренний край заготовки сморщится; от этого реборда не спасает. Но получить иным способом завиток из полосы плашмя с узким ядром в кустарном производстве невозможно.

В общем, на старте кузнечно-художественной деятельности или делая кованые забор, ворота, калитку, скамейку, качели, беседку и пр. обустройство сада для себя, лучше все же воспользоваться рычажным станком-улиткой для холодной ковки. Тем более, что сделать его можно из подручных материалов без точных и подробных чертежей, см. напр. следующее видео.

Видео: станок для художественной ковки своими руками просто

Как построить завиток?

Эскизов завитков для художественной ковки в интернете достаточно, но при попытках подогнать их размеры к требуемым для себя нередко оказывается, что изделие зрелищно проигрывает из-за вроде бы незначительного нарушения пропорций. Поэтому желательно также уметь строить ковочные шаблоны завитков, заведомо обладающие эстетическими достоинствами.

Шаблоны для холодной ковки художественных завитков – волют – строятся на основе математических спиралей. Чаще всего используется логарифмическая спираль; это одна из широко распространенных естественных форм, выражающая фундаментальные законы природы. Логарифмическая спираль обнаруживается и в раковине улитки-моллюска, и в нашем слуховом аппарате, и в форме скрипичного ключа в нотной записи; в грифе самой скрипки тоже.

Принцип построения логарифмической спирали по точкам заключается в том, что при повороте образующего ее радиуса, начиная с некоего начального R0, на фиксированный угол φ, его длина умножается на показатель расхождения спирали p. Для волют p берут, как правило, не более 1,2, т.к. логарифмическая спираль расходится (раскручивается) очень быстро; на поз. В рис. для примера показана логарифмическая спираль с p = 1,25. Чтобы попроще построить спираль по точкам с достаточной для кузнечных работ точностью, принимают φ = 45 градусов.

В случае, когда требуется более плотная арифметическая спираль, при повороте образующего ее радиуса на те же 45 градусов к предыдущему радиусу прибавляется 1/8 шага спирали S, поз. Б. В том и другом случае R0 берут равным или большим поперечника d заготовки равномерного сечения, поз А. Если начальный конец заготовки заострен, R0 может быть и меньше d, вплоть до предела пластичности металла.

Осталось определиться, как уложить зрительно гармоничную спираль с заданный для нее размер проема a. Чтобы решить эту задачу аналитически, т.е. по формулам с любой заданной наперед точностью, придется решать уравнения кубические и высших степеней. Компьютерных программ для численного технического расчета волют в интернете что-то не обнаруживается, поэтому воспользуемся приближенным методом, позволяющим обойтись одним рабочим и, возможно, одним проверочным графическим построением. В его основе лежит предположение, что при небольших р суммы R2+R6 и R4+R8 сильно не различаются. Пошаговый алгоритм построения волюты для ковочного шаблона отсюда следует такой:

1. исходя из наличного материала определяем R0;
2. количество витков волюты w берем по принципу: как бог положит на душу левой задней лапы любимого кота;
3. пользуясь данными таблицы на рис., рассчитываем поперечник волюты b такой, чтобы он был немного меньше ширины проема под нее a, см. поз. Г;
4. рассчитываем рабочий начальный радиус R по формуле на поз. Г;
5. строим по точкам профиль волюты в масштабе;
6. при необходимости точно подгоняем R по той же формуле и строим профиль рабочего шаблона окончательно.

Примечание: если по таблице будете рассчитывать промежуточные значения, не забудьте – их нужно брать в геометрической пропорции!

Торсионы

Скручивать для художественной ковки прутья винтом можно вообще без станка, см. рис. справа. Чтобы заготовка не согнулась у коренного (зажатого в тисках) конца, под дальний от них конец направляющей трубы нужно подставить деревянный чурбак или что-то вроде него с V-образным вырезом вверху; трубу лучше прихватить к этой опоре хомутом, а подставку закрепить на верстаке. Труба должна быть короче заготовки и по внутри примерно в 1,5 раза шире ее наибольшего поперечника, т.к. заготовка при скручивании стягивается и раздается вширь.

Торсионный станок для холодной ковки позволяет увеличить производительность и улучшить качество получаемых деталей. Рабочее усилие в нем передается на опору в значительной степени, поэтому станина нужна прочная, в виде хребтовой рамы из двутавра от 100 мм или пары сваренных швеллеров того же размера; профтруба будет видимо деформироваться. На опорной поверхности станину нужно надежно закрепить с помощью приваренных к ее концам лап из того же профиля, поз. 1 на рис.

Заготовка – квадратный пруток – удерживается оправками-патронами с гнездами также квадратного сечения; они видны там же на поз. 1. Т.к. пруток при скручивании сокращается по длине, патроны в шпинделе и задней бабке нужно надежно фиксировать винтовыми зажимами. По той же причине задняя бабка выполняется скользящей. Для возможности скручивания отдельных участков заготовки применяется также скользящий ограничитель со вставкой с квадратным отверстием.

Если требуется сделать только забор для себя или что-то меньшее, можно на скорую руку соорудить торсионный станок из лома и подручных материалов, поз. 2. На том и другом станке в принципе можно получать и филаменты, вложив в патроны пучок из 4-х прутков вдвое меньшего размера. Но не думайте, что хороший фонарь или корзинку вам удастся сделать, просто подпихивая рычагом заднюю бабку. Получится нечто вроде того, что на врезке в поз. 1 и 2. Кузнецы называют такие казусы словом общеизвестным, но в литературной речи не употребляемым. Ветви филамента при скрутке его в простом торсионном станке нужно разводить вширь ручным инструментом, что сложно и не обеспечивает должного качества работы.

Красивые филаменты (поз. 3) скручиваются на торсионных станках с закрепляемой задней бабкой и винтовой подачей шпинделя, поз. 4. А теперь вернемся ненадолго к рис. с видами станков в начале, к поз. 2 на нем. Видите штуковину, обозначенную зеленым восклицательным знаком? Это сменный шпиндель. В комплекте их 2: гладкий для спиральной крутки по длинной оси заготовки и винтовой для скручивания филаментов. В таком исполнении станину сваривают из пары швеллеров с продольным зазором, а к задней бабке приваривают башмак с резьбовым отверстием под стопорный винт. Башмак нужен с подошвой от 100х100, т.к. фиксация задней бабки в режиме филамента фрикционная и лишь отчасти заклиниванием: стопорный винт дает только начальное прижимное усилие.

Об электроприводе торсиона

Работа на торсионном станке с ручным приводом шпинделя утомительна. Но главное – стабильного качества изделий такого, как на поз. 3 рис. с торсионными станками, добиться еще труднее. Причина – руками сложно создать равномерный по кругу вращательный момент, как и любым другим рычажным приводом. Поэтому торсионный станок для холодной ковки как раз тот случай, когда применение электропривода оправдано несмотря ни на что. Лучший вариант из подручных материалов – полуось ведущего моста заднеприводного автомобиля с зубчатой парой от дифференциала оттуда же, см. рис. справа; не забудьте только о защитном кожухе! Мотор – на 1,5-3 кВт и не более чем на 900 об/мин. Возможны и другие варианты конструкции, см. напр. ролик:

Видео: самодельный электрический станок для холодной ковки

Спираль как спираль

В некоторых случаях как элемент художественной ковки используются обычные ровные прямые восходящие спирали. Сделать для этого пружинный станок-твистер своими силами абсолютно нереально. Но вспомним: спирали в кованом узоре пружинить ни к чему и ее можно навить из обычной пластичной стали с помощью простого приспособления (см. рис. справа). Шаг (восхождение) спирали определяется рогом ворота (залит красным); отгибая рог вверх-вниз, можно получать спирали пореже и погуще. Квадратный пруток берется на заготовку или круглый, безразлично. Можно также вить спирали из закрученного на торсионе прутка.

Волна и зигзаг

Теперь у нас на очереди инструмент и оснастка для волновой и загзагообразной гибки длинномерных заготовок. Упомянутые вначале гнутик и протяжно-нажимной гибочный станок своими руками не воспроизводимы. Кроме того, первый позволяет настраивать шаг и профиль в относительно небольших пределах, а второй дорог. Однако универсальный волногибочный станок все-таки можно сделать своими руками по образцу того, что слева на рис. Заказать придется только вальцы, они должны быть из хромоникелевой или инструментальной стали; остальное – из простой конструкционной, на скобы и дугу нужен лист (полоса) от 8 мм. В дуге устанавливаются ограничители, позволяющие точно выдерживать профиль волны, но рабочие нагрузки на нее передаются в значительной степени; собственно, дуга обеспечивает поперечную жесткость конструкции.

Гнуть только плавные, но весьма разнообразные, волны можно, добавив к станку-улитке с поворотным лемехом ворот для волн, справа на рис. Рукояти используются прежние, т.к. они вворачиваются в резьбовые гнезда на головке ворота. Коренной (центральный) ролик желательно делать отдельным и крепить к станине болтами с головками впотай. В таком случае, ставя ролики разного диаметра (диаметров), возможно формировать волны переменного и несимметричного профиля. А если обводной ролик выполнить переставным (для чего в его водиле проверливается ряд отверстий), то можно в довольно широких пределах менять и шаг волны.

О соединении элементов и покраске

Кованые детали нужно собрать в единую композицию. Простейший способ – сварка и последующее заглаживание швов болгаркой с зачистным кругом: он толще отрезного (6,5 мм) и выдерживает изгибающие усилия. Но гораздо эффектнее смотрятся соединения фасонными хомутами, их штампуют из полосы от 1,5 мм на инерционном штампе; можно также достаточно быстро и без опыта отковать по-горячему, см. ниже. Заготовку хомута делают в виде П-образной скобы на оправке в размер соединяемых деталей и загибают ее крылья с тыла на месте большим слесарным молотком или кувалдой 1,5-2 кг по-холодному. Красят готовое изделие, как правило, кузнечными эмалями или акриловыми красками по металлу. Эмали с пигментом из кузнечной патины дороже, но лучше: высохшие, они цвета благородного несколько под старину, не отслаиваются, не выгорают, износо- и термостойки

Как обойти камень

Т.е. камень преткновения во всем вышеописанном: фасонные наконечники прутьев; без них забор не забор, ворота не ворота и калитка не калитка. Инерционный штамповочный пресс (поз. 3 на рис. с видами станков) дорог, но эффективен. Он работает по принципу маховика: вначале, плавно вращая коромысло (штангу с грузами), отводят винтовой боек назад до упора. Затем вкладываютт в гнездо сменный штамп, ставят заготовку. Далее быстро раскручивают коромысло в обратную сторону (это момент травмоопасный!) и оставляют его свободно вращаться – пошел рабочий ход. В конце него боек очень сильно бьет по хвостовику штампа; за счет инерции грузов развивается усилие, достаточное для штамповки.

Нагрузки, особенно ударные, в инерционном штамповочном станке велики, приходятся на малые площади, а точность изготовления его деталей нужна высокая, поэтому делать его своими силами лучше и не пытаться. Самостоятельно возможно сделать ручной прокатный стан, см. рис. справа, но лишь частично: валки из спецстали, валы и подшипниковые втулки придется заказывать, а шестерни покупать или искать б/у. Получать же на таком стане можно только наконечники гусиная лапка и лист (копье), причем по их шейкам сразу будет видно, что это машинная работа.

Между тем такие же, и некоторые другие, наконечники прутьев можно отковать горячим способом, не будучи опытным кузнецом. Хороший, явно ручной работы наконечник-лист куется просто кувалдой и молотком, а ковочный штамп (штемпель) для лапок делается из негодного напильника, в котором болгаркой выбираются канавки. Кузня для этого нужна? Для эпизодической мелкой работы совсем не обязательно; главное – разогреть металл. Пропановая горелка не годится, нагрев должен быть равномерным со всех сторон и без пережога. Итак, приходим к выводу, что холодная и горячая ковка не исключают друг друга: чтобы с помощью простых станков для холодной ковки или вовсе подручными средствами получать качественные изделия, очень даже не помешает вдобавок к ним небольшой кузнечный горн из подручных материалов.