Текст книги "Художественная обработка металла. Ковка"

Художественная обработка металла
Ковка

Художественная ковка – один из древнейших способов обработки металлов.

Его истоки на Руси были связаны с производством орудий труда славянскими племенами в 6-8 веках.

В Древнерусском государстве кузнечное ремесло достигло высокого уровня.

Во времена Киевской Руси кузнецы искусно ковали из железа и стали сельскохозяйственные орудия, предметы быта, инструменты, оружие и доспехи, конскую сбрую.

Все эти изделия предназначались для практического использования, а поэтому делались добротно. Специалисты насчитывают более 150 видов предметов, которые выполнялись кузнечной техникой. Каждый из этих предметов имел различные формы и размеры. Древнерусские кузнецы владели всеми приемами свободной ковки, сварки, термической обработки, горновой пайки медью.

При том уровне техники это требовало от мастера большого опыта и навыка, так как различить, например, сорта стали малоуглеродистой и высокоуглеродистой можно только по цвету и характеру искры или излому, а степень нагрева при ковке, закалке и сварке – по цвету каления, т.е. на глаз. О температуре отпуска стали мастер судил по цветам побежалости и т.д.

Кузнечный мастер был не только исполнителем, создающим изделия и владеющим всем комплексном технологических и производственных знаний и навыков, но и творцом, изобретателем конструкции и форм изделий, включая и их художественно-декоративные качества.

Изделия русских кузнецов служили украшением костюма. Это перстни, пряжки, застежки, браслеты, цепочки, подвески и т.п. Они украшали и сбрую коня. Кроме того это были и петли на ларцы и сундуки, а также дверные замки, мечи, путы, шлемы, боевые топоры, бытовая утварь и множество других железных кованых изделий, которые по своих художественным качествам относятся ныне к области прикладного искусства и рассматриваются как художественное произведение.

Мастера-универсалы ковали все, начиная с подков, гвоздей, кос, топоров и кончая художественными ювелирными изделиями.

Кузнецы узких специальностей совершенствовали технологию каждый в своей области.

При производстве ювелирных и декоративных изделий появились и получили дальнейшее развитие подкладные штампы. Замочники стали изготовлять отдельные детали замков холодным способом.

Появились такие инструменты как напильники, тиски, зубила. Развивалась техника пайки и мало-помалу замочники отделились от кузнецов, дав начало новой отрасли производства слесарной, которая получила свое название в 18 веке от немецкого слова schlisen – замок. Но основные приемы свободной ковки, известные с глубокой древности, сохранились до наших дней – это вытяжка, осадка, рубка, пробивка отверстий, изгибание, скручивание, сварка, насекание рисунка.

Каждый мастер знал особенности обработки различных сортов стали, многие тонкости, секреты и хитрости, известные только ему.

В русском искусстве художественные особенности железа с полной силой раскрылись в 18 веке, чему способствовало достаточное количество металла, специализация в области художественного ремесла и большой опыт, накопленный мастерами.

Многие кованные из железа работы предназначались для включения их в архитектуру. Оконные проемы закрывались ажурными решетками, от пожаров делали сплошные железные двери и ставни.

Богато оформленные железные двери украшали каменные храмы. Двери зачастую соединяли несколько видов декоративного оформления. Кованые и просечные полосы, розетки, сложные по силуэту накладки чередовались с росписью по железу, с литыми ручками, декоративными заклепками.

Такие работы можно увидеть в памятниках архитектуры Москвы, Ярославля, Казани, Петербурга и других городов.

В убранстве зданий применяли просечную отделку, в деталях крыши, завершающих спуск кровли, верхушки шатровых покрытий украшали флюгерами, которые представляли сложные сооружения из металла, часто раскрашивались, а на царских теремах золотились для усиления декоративности и для предохранения железа от окисления.

Широко использовалась ковка для выполнения оград городских усадеб, особняков, церковных дворов.

В Петербурге с ковкой соперничала техника чугунного литья, которая вытесняла ковку как дорогостоящую работу. Однако своеобразие художественных решений, которое достигается ковкой, сохраняет к ней интерес и в последующих 19 и 20-х веках. Легкость ажурного узора, вариации унифицированных деталей характеризуют кованные решетки мастеров Петербурга и Москвы.

От умения мастеров зависело многое. Если для литья рисунок и разработку всей декорации давал архитектор, то ковка всегда рассчитывалась на творческую доработку деталей кузнецом. Некоторые ограды имеют единую схему основной конструкции, которая определялась рядом вертикально поставленных прутьев, перехваченных по горизонтали узким прутком, закрепленным на месте перехвата фигурной заклепкой или розеткой. Завершье прутков является главным декоративным элементом ограды. Эта часть ограды предстает всегда изящно очерченной и напоминающей легкое растение, которое завершается цветком.

К разработке этих деталей обращена фантазия и мастерство кузнеца, а в этих деталях раскрывается красота ажурных кованых решеток.

Во многих губернских городах России строились общественные и частные дома, улучшалась планировка, создавались торговые ряды, площади. Во всем этом отражается влияние классицизма – нового художественного стиля, для которого характерны строгость, ясность, рациональность.

Под воздействием классицизма в работах по металлу начинают преобладать упрощенные приемы ковки, которые все чаще сводятся к использованию гнутья.

Умеренность классицизма заставляет мастеров искать красоту в гармонии несложных элементов геометрического орнамента. Соединение ковки с приемами гнутья и просечки можно наблюдать во многих работах городских и деревенских мастеров. Особое место среди них занимают осветительные приборы.

Для деревни – это светцы, для города – подсвечники. Светцы держали лучину и представляли собой высокую до полутора метров конструкцию, состоящую из стержня, основания и разветвленной верхушки с несколькими зажимами – держателями лучин.

Даже самая несложная конструкция светца вызывает интерес виртуозностью обработки железа в верхушке, где металл всегда рассечен, закручен и превращен в орнаментальную форму.

Часто железный стержень-стояк обрастает завитками – ответвлениями, которые образованы отсеченными полосками металла. Глядя на такую вещь, не вериться, что сделана она из тяжелого железа.

Виртуозны по исполнению и кованые подсвечники. Односвечник часто сделан с оригинальным механизмом, поднимающим свечу по мере ее сгорания, трехсвечовые подсвечники напоминают цветущий куст, на ветках которого укреплены цветы-розетки, подвешены цепочки и т.д.

Для изготовления дверей кузнечных дел мастера выполняли целые наборы: скобы, угольники, специальные гвозди. Но самое интересное – это замки и петли. Навесные замки из железа ковали тоже как художественные изделия. По их корпусу, имеющему в поперечном разрезе форму овала, шли узоры геометрического орнамента, оригинальные кованые сечки были с кружевными завитками и плотными спиралями, вдоль стержня, идущего к рукоятке. Завитки нередко заканчивались головками коней – оберегов, охраняющих дом.

Для оковки сундуков, ларцев, укладок и т.д. применялось просечное железо.

В сундуках хранили одежду, – шкафов тогда еще не знали, в ларцах – ценные вещи и украшения.

Подголовники – ларцы со скошенной крышкой брали в дорогу. В них хранились деньги, важные документы.

Сработаны ларцы были надежно из прочной древесины, почти сплошь покрытой железными полосами и замками с секретом. Оковка – отделка деревянного предмета полосами просечного железа была разнообразной и определялась расположением металла, направлением движения лент, плотностью укладки. От этого зависел характер узора, образуемый просечным металлом.

Ларцы и коробочки с железной оковкой всегда были привлекательны и приятны своими пропорциями, оригинальным сочетанием дерева и металла, решением ручек и замков.

Ковка, как один из способов обработки железа, получает современную трактовку в работах многих современных мастеров, которые на выставках декоративно-прикладного искусства демонстрируют светильники, вазы, кубки и другие изделия, в которых демонстрируется сложные приемы художественной ковки и новые решения вещей современного характера.

Ковка является способом обработки металлов давлением от ударов молота по заготовке, которая может быть предварительно нагрета – горячая ковка или без нагрева – холодная ковка.

Под ударами молота заготовка деформируется и приобретает желаемую форму. Однако такая деформация без разрывов и трещин свойственна не всем металлам, а металлам, которые обладают определенной степенью вязкости, пластичности, тягучести.

Совокупность этих свойств обусловливает способность коваться и называется ковкостью металла. Это свойство непостоянно и зависит от степени нагрева металла. Чем выше температура, тем мягче становится металл и тем легче он куется.

Без предварительного нагрева можно ковать драгоценные металлы (золото, серебро), а также цветные – медь, алюминий и их сплавы.

При холодной ковке металл, деформируясь под действием ударов, быстро теряет пластичность и тягучесть, начинает растрескиваться, разрываться. Чтобы избежать этого, нужно вовремя произвести отжиг заготовки, после чего металл снова приобретает свои первоначальные качества. По мере изготовления изделия отжиг выполняют неоднократно. Основное применение холодная ковка находит в ювелирном деле.

Горячая ковка используется при обработке малоуглеродистых сталей (ковочного железа) для производства различных художественных изделий – светильников, фонарей, решеток, башенных часов, кованой пластики, скульптур, различного инструмента и т.д. Для изготовления художественных кованых изделий применяется углеродистая сталь обыкновенного качества.

Лучшей является с наименьшим содержанием углерода: СО (углерода до 0,23), С1 (углерода 0,07 – 0,12) и С2 (углерода 0,09 – 0,15). Может также использоваться углеродистая качественная конструкционная сталь марки 10 (углерода 0,1) и 15 (углерода 0,15), хотя она в экономическом отношении обходится дороже.

Для изготовления кузнечных, чеканных, слесарных инструментов применяют инструментальную углеродистую сталь с содержанием углерода от 0,6 до 1,4 и некоторые марки легированной инструментальной стали.

Куют изделия из стали в нагретом состоянии, когда металл становится пластичным и лучше поддается деформации. У каждого сорта стали существует определенный интервал температур начала и конца ковки, зависящий от химического состава и структуры обрабатываемого металла. В среднем температура начала ковки 1100 – 1300, конца – 800 900°С.

Устройство для нагрева металла называется кузнечным горном. Кузнечный горн на один или два огня под одним дымоходом является важнейшим оборудованием кузницы. Помещение для нее должно быть достаточно просторным и светлым. Полезная площадь – около 40 квадратных метров при высоте 3 м. Стены кузницы могут быть кирпичными или деревянными, оштукатуренными с внутренней стороны. Гладкий пол должен легко убираться.

Горн в художественной ковке применяется для нагрева металлических заготовок массой до 20 кг.

Существует несколько видов кузнечных горнов: переносные, стационарные, открытого и закрытого типа, одноочковые и двухочковые (в зависимости от количества очагов горения), кирпичные, клепаные, сварные.

Состоит горн из кирпичной кладки, вытяжной трубы с вытяжным зонтом (колпаком). На поверхности кладки сделано углубление для горнового гнезда и второе – для ванны с водой. В нижней части предусмотрена ниша для хранения угля. Через сопло воздух от меха, который приводится в действие неравноплечим рычагом, подается в горновое гнездо. Высота кирпичной кладки 700 – 800 мм, ширина и глубина 1000 – 1100 мм. Для большей прочности горн связывается каркасом из угловой стали. Горновое гнездо облицовано огнеупорным шамотным кирпичом. Длина кирпича – 200 мм, ширина – 400 мм, глубина – 100 – 150 мм.

Горны могут быть с боковым дутьем (рис. 20) и с нижним дутьем.

Сжигаемое в горнах топливо (кокс, антрацит и древесный уголь), должны содержать минимальное количество серы, а при горении спекаться и образовывать сверху твердую корку, способствующую развитию высокой температуры в очаге. Наилучшим топливом является древесный уголь, который при сгорании не выделяет серы и имеет малое количество золы.

Для того, чтобы правильно разжечь и обслужить горн необходимо очистить горновое гнездо от остатков топлива, шлака, кусков кирпича, золы, а сопло очистить от шлака и продуть воздухом. Затем необходимо проверить газоплотность воздухопровода и его заслонки. Разжигать горн можно промасленными тряпками, дровами, деревянной стружкой, горячими углями, взятыми из работающего горна. Далее нужно открыть заслонку воздухопровода, постепенно подавать топливо и добавлять воздух, добиваясь при этом яркого, слегка коптящего пламени и следить, чтобы сопло во время работы всегда было покрыто слоем угля, дутье осуществлялось равномерно и вдуваемый воздух не соприкасался с нагретым металлом, а верхние слои угля, предварительно смоченные водой, спекались и образовывали корку.

Заготовку или ее конец зарыть в горячие угли и засыпать свежим углем. Между соплом и заготовкой оставить слой горячих углей. Для обеспечения равномерного нагрева заготовку необходимо время от времени поворачивать, а дутье регулировать, чтобы избежать местных перегревов. При нагреве заготовок недопустимо и вредно высокое дутье, так как избыточный кислород вдуваемого воздуха вступает в соединение с металлом и образует окалину. В результате возникают потери металла, затрудняется его обработка.

Перегрев заготовок также отрицательно сказывается на их качестве: чрезмерный рост зерен, ухудшение механических свойств металла. Опытные мастера определяют температуру нагретого металла на глаз – по цвету каления. Так, темно-красному цвету каления соответствует температура 650°С, вишнево-красному 700°С, светло-красному 800°С, густо-оранжевому 900°С, оранжево-желтому 1000°С, светло-желтому 1100°С, соломенно-желтому 1150°С, белому различной яркости – 1200 1400°С.

В некоторых кузницах на расстоянии 1,5 – 2 м от горна устанавливают наковальню, на некотором расстоянии от нее стуловые тиски. Баки для воды монтируют вместе с конструкцией горна или возле нее.

В старых кузницах использовали деревянную бочку, которую на две трети зарывали в землю. Это давало возможность держать воду холодной, что необходимо при закалке инструмента или его охлаждении. Кузнечный инструмент развешивают на стене, на колпаке дымохода или в специальной стойке, что практиковалось у русских мастеров.

Ящики для песка, передвижные козлы из стали, сверлильные станки, пневматический молот, рычажные ножницы, автогенный сварной аппарат в качестве передвижного горна – все это поможет мастеру полнее и качественнее воплощать свои идеи в материале. Поэтому нужно помнить, что все инструменты и приспособления должны всегда находится на определенном месте, в строгом порядке. То, что требуется чаще, нужно положить ближе. Инструмент, который берут правой рукой, должен находиться справа; то, что берут левой, – слева. Под рукой должен находиться инструмент, необходимый для данной технологической операции.

Оборудование и инструмент для ковки.

Все кузнечные инструменты делятся на опорные, ударные, вспомогательные и измерительные.

К основному оборудованию при свободной ковке относятся горн, наковальня, ковочный молот, бак с водой, вспомогательный вытяжной вентилятор, вертикально-сверлильный станок, рычажные ножницы, установка для газовой сварки, электросварочный аппарат, высокооборотная бормашина, точильный и шлифовальные станки и др.

Опорный инструмент

Основной опорой, на которой производят ковку, является наковальня.

Наковальни подразделяется на безрогие, однорогие и двурогие. Масса наковальни колеблется от 150 до 350 кг. Наибольшее распространение получили двурогие наковальни массой до 200 кг.

Изготовляется наковальня из углеродистой стали. Ее масса колеблется между 80 – 300 кг.

Наковальня состоит из следующих составных частей. В верхней части наковальни находится гладкая пластина – наличник толщиной 10 – 20 мм, изготовленная из стали У8. Наличник является непосредственной опорой для обрабатываемых заготовок. Конусообразный рог служит для выполнения различных гибочных работ и раздачи колец. Квадратный хвост служит для загибания поковок под углом 90 градусов. Отверстие служит для пробивки отверстий (круглое) и закрепления вспомогательного инструмента (квадратное), лапы – основание наковальни служат для крепления наковальни к стулу.

Так как наковальня является инструментом, на рабочую часть которой действуют большие нагрузки, то при выборе наковальни нужно быть очень внимательным.

При легком ударе молотком хорошая наковальня издает чистый звук. Наличник наковальни должен быть закаленным, что проверяют напильником, который оставляет едва заметный след.

Наковальня устанавливается строго горизонтально и крепится к деревянному, из крепких пород, чурбану (стулу) со стальным обручем на верхней части на высоте согнутого большого пальца опущенной руки кузнеца – это примерно – 750 – 800 мм от пола.

Шпераки. Небольшие двурогие наковальни массой 4 – 20 кг называются шпераками. Применяются в основном для сложных художественных работ, для гибочных работ из полосовой и листовой стали, для выколотки и правки всевозможных орнаментальных элементов. Их можно вставлять в квадратное отверстие наковальни или в кузнечные тиски.

Шпераки можно прикреплять к деревянному чурбану.

Ударный инструмент. Ручной молоток (ручник) – это кузнечный молоток массой 1 – 2,5 кг. Его применение очень обширно, практически нет ни одной технологической операции, где бы не применялся ручник. Он служит для обработки мелких заготовок, им указывают место, по которому нужно бить кувалдой.

Траектория удара ручником должна быть не прямой, а закругленной. При изготовлении этого инструмента нужно быть особенно внимательным к форме, массе и его термической обработке.

Кувалдой называется большой молот массой 3 – 10 кг. Предназначен он для обработки крупных заготовок, нанесения сильных ударов.

По своему характеру удары делятся на локтевой, плечевой и размашистый.

Локтевой удар применяется при вытяжке, и других операциях, где необходимы частые, но не сильные удары.

Плечевой, средний по силе, применяется при рубке, пробивании отверстий и т.д. Сила плечевого удара должна быть соразмерна с величиной заготовки и характером работы.

Во время рубки металла удары должны быть направлены вертикально и точно на отрубающий инструмент.

Последний удар должен быть слабым. Максимально возможный удар – размашистый, когда кувалда описывает в воздухе полный круг. Такой удар применяется при рубке толстых заготовок и других работах.

При работе с кувалдой особенно при размашистых ударах молотобойцу необходимо стоять под углом 90 градусов по отношению к кузнецу.

Кувалда имеет два бойка – оба плоские или один плоский, а другой – клиновидный.

Фасонные молотки применяются в основном в художественных работах при загибе сложных заготовок, отгибке листьев на шпераках при выколотке на металлической форме (нижнике).

При работе с проволокой необходимо иметь деревянные молотки. Фасонные молотки, так же как и шпераки, могут изготовляться мастером по необходимости и быть весьма разнообразными.

Разнообразие и количество вспомогательных инструментов очень велико. Их можно разделить на инструменты, с помощью которых видоизменяется заготовка (рубка, скручивание и т.д.), крепящиеся к деревянной ручке и имеющие свои подобия, называемые нижниками; их вставляют в квадратные отверстия наковальни и на удерживающие инструменты – разные формы горновых клещей.

Зубила и подсечка являются инструментами для рубки металла. Рубку производят между подсечкой и зубилом. Кузнечное зубило имеет отверстие для рукоятки.

Подсечка вставляется в отверстие наковальни четырехгранным хвостом. Иногда заготовку кладут на специальную незакаленную площадку у основания рога наковальни и рубят одним зубилом.

Зубило применяется для рубки металла в холодном и горячем состоянии. По форме зубила могут быть прямыми, полукруглыми, фасонными и односторонними. Зубила для рубки по холодному металлу затачиваются под углом 45 градусов, для рубки по горячему – под углом 60 градусов.

Пробойником (бородком) называется инструмент для пробивания отверстий.

Пробойник бывает круглым, овальным, квадратным и фигурным. Применяется для пробивания нетолстых заготовок при просечных работах. Как и зубило, имеет рукоятку.

Подбойка применяется для ускорения протяжки металла, выделки в поковке желобков, углублений и т.п.

Применяется как с нижником, так и без него. Рабочая часть имеет разный радиус кривизны.

Для перехвата поковки, когда нужно от большого сечения перейти к меньшему, по всему периметру толщины заготовки применяют односторонние подбойки с вырезом разного размера, в этом случае применяется нижник.

Обжимка придает заготовке граненую, цилиндрическую или иную форму. Верхник обжимки крепится на деревянной ручке, нижник вставляется в квадратное отверстие наковальни. Формы обжимки могут быть разнообразными.

Раскатка – инструмент, который служит для ускорения вытяжки (раскатки) заготовки в длину.

Гладилка служит для выглаживания поверхности изделия. По форме гладилки могут быть квадратными, полукруглыми; рабочая часть гладилки должна быть хорошо отшлифована.

Гвоздильня предназначена для высадки различных головок заклепок, болтов, гвоздей. Представляет собой металлическую пластину размером 300х40х25 мм с отверстиями разной величины, которые имеют незначительный конус, т.е. в верхней части отверстие меньше на 2 – 4 мм.

Подсечка вставляется в квадратное отверстие наковальни. Применяется при рубке мелких заготовок без зубила, при рубке толстых заготовок применяется с верхником.

Нижник служит для загибки спирали.

Скоба – согнутый отрезок металла круглого профиля, применяется при гибке.

Вилка применяется при гибке, вставляется в квадртаное отверстие наковальни.

Формовая плита – массивная плита с отверстиями и ручьями различных профилей. Раскаленная заготовка накладывается на соответствующий ручей и под ударами молота приобретает нужную форму.

К удерживающим инструментам относятся горновые клещи, которые бывают нескольких разновидностей.

Каждому профилю и размеру обрабатываемой заготовки должен соответствовать нужный профиль и размер клещей. Клещами заготовку вынимают из горна, удерживают и поворачивают ее в процессе ковки. Клещи имеют различные формы губок:

1. клещи с плоскими губками применяют для захвата полосового металла и квадрата;

2. клещи с вогнутыми губками – для металла круглого сечения;

3. клещи с плоскими губками и поперечиной – для захвата материала различной ширины;

4. клещи для уголка;

5. клещи для заклепок; клещи с подвижной губкой, позволяющей захватывать заготовку различной толщины.

Если нет клещей требуемого размера, нужно отковать конец заготовки так, чтобы он подошел к клещам ближайшего размера. Можно подгонять губки клещей под заготовку путем их нагревания, чтобы они по всей длине прилегали к поверхности заготовки и прочно ее удерживали, но при частом повторении такой подгонки клещи приходят в негодность.

Работая над изделием, иногда возникает необходимость проверки только что выполненной операции (контроль, соотношение с другой, аналогичной деталью). В таких случаях применяют измерительные и контрольные инструменты, к которым относят двойной кронциркуль, служащий для проверки размеров во время ковки и кузнечный треугольник, служащий для выверки правильности углов. Кроме того, используют шаблоны и калибры – гребенки, представляющие собой стальную удлиненную пластинку с вырезами по сторонам, причем каждый вырез делается несколько шире указанного на нем размера, примерно на один процент с учетом теплового расширения стали.

Кроме перечисленных инструментов, при художественной ковке применяются различные оправки, которые можно изготовить, исходя из рисунка или модели.

Процесс изготовления оправок состоит в следующем. Сначала из тонкого листового железа вырезается шаблон, который представляет точную копию в натуральную величину того или иного элемента рисунка или орнамента.

В шаблоне точно указываются радиусы закруглений, параметры лекальных кривых и другие данные. Затем по шаблону из железа загибают небольшой участок дуги требуемого радиуса, часть дуги эллипса. Рабочая поверхность оправки тщательно опиливается или выглаживается.

При загибе завитков и других кривых из прутков или полос применяют стальную плиту с рядами отверстий, в которые плотно вставляют штыри.

Подобрав по шаблону соответствующие отверстия в плите и забив в них штыри, полосу огибают вокруг или между ними, получая каждый раз аналогичную по изгибам кривую. Этим приемом удобно выгибать рапортные элементы. Применяют и другие приспособления, например, штампы, пуансоны.