Poszukiwanie sposobu na głębokie formowanie metalu
Jak w każdym zawodzie, a szczególnie w rzemiośle, którego dawne techniki stopniowo zanikają, wiedza praktyczna staje się coraz bardziej niszowa. Wiele sposobów obróbki, które dawniej były codziennością warsztatową, przetrwało przede wszystkim w doświadczeniu pojedynczych rzemieślników. Część z nich nigdy nie została szerzej opisana, ponieważ przez lata stanowiła indywidualny warsztatowy dorobek mistrza.
Pochylając się nad kolejnym zagadnieniem, chcę więc uchylić rąbka tajemnicy i opisać jedną z technik kuźniczo-metaloplastycznych, która od wielu lat funkcjonuje w mojej pracowni.
Zacznę od pytania skierowanego właściwie do osób zajmujących się przestrzenną metaloplastyką organiczną.
Dlaczego wykonywane z pełnych profili stalowych przestrzenne formy przypominające korzenie, pnie drzew, gałęzie czy pnącza winorośli często noszą znamiona jedynie powierzchniowego kucia? Dlaczego faktura kory, liści czy innych elementów organicznych pozostaje stosunkowo płytka, a uzyskane przetłoczenie nie oddaje rzeczywistej przestrzenności pierwowzoru?
To pytanie ma charakter retoryczny, ponieważ odpowiedź jest mi znana również z własnej praktyki.
W początkowych latach pracy sam wykonywałem formy, których powierzchnia miała znacznie słabszą wyrazistość. Wynikało to nie z braku chęci uzyskania głębszego reliefu, lecz z ograniczeń materiału.
Pełnego profilu stalowego nie można tłoczyć tak jak cienkiej blachy. Można go przede wszystkim kształtować poprzez kucie, a możliwości głębokiego odwzorowania formy organicznej są przez to ograniczone.
Można oczywiście nadać powierzchni ciekawą fakturę, pozostawić ślady młotka, wykonać dekoracyjne zagłębienia czy celowo postarzyć materiał. Jest to pełnoprawny język tradycyjnego rzemiosła i nie mam zamiaru go kwestionować.
Sam zacząłem jednak szukać sposobu, który pozwoliłby przenieść formę organiczną znacznie głębiej.
Rozwiązania zacząłem poszukiwać poza typowym schematem pracy z pełnym profilem kowalskim.
Dlaczego cienkościenna rura daje większe możliwości?
Moja uwaga skierowała się w stronę stalowych rur cienkościennych stosowanych między innymi w instalacjach hydraulicznych.
Wybór cienkościennej rury nie jest przypadkowy. Rura grubościenna, choć nadal lżejsza od pełnego profilu, zbliża się już swoją masą do materiału pełnego, a jej konstrukcja również posiada określone ograniczenia podczas intensywnego kucia.
W przypadku rur posiadających szew należy dodatkowo brać pod uwagę zachowanie tego połączenia podczas silnego odkształcania. Szew przebiegający wzdłuż całej rury może stać się miejscem osłabienia konstrukcji i przy niewłaściwie prowadzonej obróbce może dojść do jego rozszczelnienia.
Rura cienkościenna zachowuje się pod tym względem zupełnie inaczej. Jej niewielka grubość pozwala na stosunkowo równomierne nagrzewanie i chłodzenie, a przede wszystkim daje możliwość kontrolowanego spęczania ścianki rury ku jej osi.
I właśnie ten sposób przemieszczania materiału jest tutaj kluczowy.
Podczas kucia ścianka rury zostaje przemieszczona w kierunku osi, a materiał znajdujący się w obrabianym odcinku zaczyna się kumulować. W efekcie zewnętrzna struktura rury pogrubia się, jednocześnie zmniejszając jej średnicę.
Daje to możliwości, których nie zapewnia w taki sam sposób pełny profil stalowy.
Podsadzka – najważniejsze narzędzie tej techniki
Do wykonania tej operacji potrzebujemy odpowiednio przygotowanej podsadzki.
Jej geometria ma tutaj ogromne znaczenie.
Kąt rozwarcia nie powinien być większy niż 90 stopni. Zbyt szeroka geometria powodowałaby nadmierne rozchodzenie się materiału na boki i zbyt szybkie spłaszczanie przekroju rury.
Sama podsadzka również nie powinna mieć bardzo ostrego dna. Korzystniejszy jest kształt lekko nieckowaty, który podczas końcowego etapu pracy pozwala przejąć mocno spęczoną rurę i ponownie nadawać jej bardziej okrągły przekrój.
Rura podczas kucia będzie miała naturalną tendencję do spłaszczania. Nie da się tego całkowicie wyeliminować, dlatego proces wymaga ciągłej kontroli.
Jeżeli okrągły przekrój zaczyna przechodzić w owal, materiał należy delikatnie obrócić i kontynuować kucie.
Bardzo ważne jest również, aby szerokość robocza młotka i podsadzki była do siebie dopasowana.
Zbyt szeroki młotek w stosunku do szerokości roboczej podsadzki może spowodować niepożądaną deformację materiału. Powstałe w ten sposób odsadzenie po obróceniu rury może zacząć zahaczać o boczną część podsadzki, utrudniając jej dalszy obrót i prawidłowe prowadzenie.
Dlatego szerokość robocza młotka i podsadzki powinna być odpowiednio dobrana, a oba narzędzia powinny pracować w jednej pionowej osi.
Dobór młotka i precyzja uderzeń
W tej technice nie potrzebujemy bardzo ciężkiego młota.
Osobiście preferuję narzędzie o masie około 0,5 kg, chociaż nie należy traktować tej wartości jako bezwzględnej recepty.
Dobór młotka zależy również od indywidualnych predyspozycji oraz od materiału.
Zbyt ciężki młotek może jednak szybko odebrać operatorowi precyzję. Szczególnie w początkowej fazie obróbki zbyt mocne uderzenie może spowodować niekontrolowane zapadnięcie cienkiej ścianki, zanim materiał zostanie prawidłowo spęczony.
Pierwsze uderzenia powinny być więc prowadzone z wyczuciem.
Dopiero kiedy materiał zacznie prawidłowo reagować na pracę młotka i podsadzki, można zwiększać siłę uderzeń.
Ruch obrotowy – jeden z najważniejszych elementów procesu
Samo uderzanie młotkiem nie wystarczy.
Niezwykle istotny jest ruch obrotowy rury, który musi być skoordynowany z liczbą uderzeń.
W mojej praktyce przyjmuję bardzo regularny rytm przesuwania materiału względem osi. W przybliżeniu jedno uderzenie odpowiada niewielkiemu, około półcentymetrowemu przesunięciu obrabianego odcinka.
Nie należy traktować tego jako uniwersalnej recepty dla każdej rury i każdego narzędzia. Jest to sposób prowadzenia pracy wynikający z praktyki i wymagający dostosowania do konkretnego materiału.
Cała operacja polega więc na powtarzalnym cyklu:
kucie – obrót – przesunięcie – kontrola przekroju – ponowne kucie.
W miarę postępu pracy zewnętrzna średnica rury zmniejsza się, natomiast jej ścianka ulega pogrubieniu.
Przykładowo rura posiadająca początkowo ściankę około 2 mm może po zakończeniu określonego etapu posiadać w miejscu obróbki około 4 mm lub więcej. Ostateczna grubość zależy od tego, jak daleko prowadzimy proces spęczania.
Temperatura i miejscowe nagrzewanie rury
Temperatura jest jednym z podstawowych parametrów decydujących o prawidłowym przebiegu całej operacji.
W zależności od etapu kucia pracuję w zakresie temperatur około 750–850°C na początku procesu, a następnie temperatura może wzrastać, miejscami dochodząc do około 1100–1200°C.
Dla osób, które nie posługują się jeszcze wykresem temperatury materiału, początkowy zakres można orientacyjnie kojarzyć z barwami od wiśniowej do czerwonej. Barwa rozgrzanego materiału jest jednak jedynie orientacyjną wskazówką i nie zastępuje właściwej oceny temperatury roboczej.
Istotne jest również to, że nie nagrzewamy jednorazowo bardzo długiego fragmentu rury.
W mojej metodzie ogrzewany jest odcinek mniej więcej 3–5 cm, po czym wykonywanych jest kilka pełnych obrotów materiału i cykl zostaje powtórzony na kolejnym odcinku.
Takie miejscowe nagrzewanie ma ogromne znaczenie.
Poza strefą roboczą pozostają chłodniejsze fragmenty, które zachowują większą sztywność i stabilizują konstrukcję rury. Dzięki temu cienka ścianka nie ma możliwości niekontrolowanego przemieszczania się na znacznej długości.
Zbyt długi odcinek poddany wysokiej temperaturze pozbawiłby nas tej kontroli i mógłby prowadzić do nadmiernego, trudnego do opanowania odkształcenia.
Stopniowe budowanie stożka
Nie próbuję od razu wykonać całego szpica.
Każdy kolejny odcinek pozostawiam nieco większy od poprzedniego, dzięki czemu stopniowo powstaje forma stożkowa.
Kuty koniec może zostać pozostawiony z odpowiednią grubością materiału, przykładowo około 1–1,5 cm, po czym przechodzimy do kolejnego odcinka.
W ten sposób kolejne cykle obróbki tworzą stopniowo zwężającą się konstrukcję.
Dopiero w końcowym etapie stożek można wyrównać i nadać mu jedną, symetryczną linię szpicy.
To właśnie jest istota tej techniki: nie próbujemy od razu wykonać gotowego detalu, lecz stopniowo przemieszczamy materiał i budujemy jego formę.
Zamknięcie rury i właściwe ściąganie w szpic
Tytułowe „ściąganie rury w szpic” rozpoczyna się od zamknięcia jej pustego przekroju.
Ścianki rury podczas kolejnych etapów spęczania są przemieszczane ku osi, aż w końcowej fazie zaczynają się ze sobą stykać. W ten sposób zamykamy osiową pustkę stalowego profilu rurowego.
Nie należy jednak rozpoczynać tej operacji dokładnie na samym końcu rury.
Warto pozostawić początkowy fragment — około kilku centymetrów — który pełni funkcję stabilizującego kołnierza.
W mojej praktyce dobrze sprawdza się wcześniejsze schłodzenie tego fragmentu, przynajmniej do momentu rozpoczęcia właściwego odsadzenia i zwężania ścianki w kierunku osi rury.
Dopiero później ten nieprzekuty fragment można odciąć i poddać dalszej obróbce.
Pierwsze przejście wymaga szczególnej ostrożności
Pierwszych kilka obrotów wykonuję umiarkowaną siłą.
To ważne szczególnie dla osób rozpoczynających pracę tą metodą. Początkowe uderzenia mają przede wszystkim prawidłowo rozpocząć przemieszczanie materiału, a nie maksymalnie szybko zmniejszyć jego średnicę.
Dopiero kiedy materiał zaczyna prawidłowo pracować na podsadzce, można zwiększać siłę kucia.
Właśnie dlatego w tej metodzie bardziej liczy się precyzja i powtarzalność niż brutalna siła.
Od detalu rurowego do kowalskiego szpica
Po uformowaniu początkowej, najcieńszej części można odciąć pozostawiony wcześniej kołnierz stabilizujący.
Następnie początek detalu można ponownie rozgrzać — palnikiem lub w palenisku — i poddać dalszej obróbce tradycyjnymi metodami kowalskimi.
Dopiero wtedy z uzyskanego wcześniej zwężenia można wykonać właściwy szpic.
Tak powstały detal nie jest więc końcem procesu, lecz półproduktem przeznaczonym do dalszego formowania.
Przykład zastosowania – monumentalny żyrandol w stylu średniowiecznym
Jednym z przykładów zastosowania tej techniki jest centralnie umieszczony szpic monumentalnego żyrandola wykonanego w stylistyce średniowiecznej.
Co istotne, metodą ściągania i spęczania cienkościennej rury wykonałem nie tylko centralny szpic tej realizacji. Tą samą techniką powstały również wszystkie rękojeści – trzony pochodni umieszczonych na żyrandolu.
Jest to informacja istotna dla właściwej oceny zakresu zastosowania tej metody, ponieważ pokazuje, że nie była ona wykorzystana do wykonania jednego efektownego detalu, lecz została powtórzona wielokrotnie w obrębie jednej dużej realizacji.
W przypadku monumentalnego żyrandola oznaczało to wykonanie całego zespołu rurowych elementów, które następnie zostały włączone w rozbudowaną konstrukcję oprawy.
Żyrandol Wiking – monumentalna oprawa średniowieczna
Sam wykonany z rury element można zobaczyć tutaj:
Centralny szpic żyrandola średniowiecznego – kute mijanki i odsadzenie
To dobry przykład pokazujący, że element wykonany z cienkościennej rury może po odpowiednim przekształceniu uzyskać formę, która wizualnie przestaje zdradzać swoje pierwotne rurowe pochodzenie.
Rura jako materiał do dalszego formowania organicznego
Zastosowanie w większych konstrukcjach
Technika ta nie musi być ograniczona do niewielkich detali. Możliwość wykonywania smukłych elementów rurowych ma również znaczenie konstrukcyjne.
Zastąpienie ciężkich, pełnych profili odpowiednio uformowanymi rurami pozwala zmniejszyć masę własną wykonywanego elementu, zachowując jednocześnie możliwość uzyskania wymaganej geometrii i odpowiedniej sztywności konstrukcji.
Może mieć to znaczenie szczególnie w przypadku elementów wspornikowych, balkonów, lekkich zadaszeń oraz innych konstrukcji, których obciążenie przekazywane jest punktowo na istniejące podłoże lub starszą konstrukcję.
W takich sytuacjach ograniczenie masy własnej może mieć istotne znaczenie dla całego układu.
Nie oznacza to oczywiście, że każdą ciężką konstrukcję można bezpośrednio zastąpić rurą. Dobór przekroju, grubości ścianki, sposobu podparcia oraz rzeczywistych obciążeń musi wynikać z konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego.
W mojej technice chodzi przede wszystkim o uzyskanie możliwości wykonania przestrzennego, lekkiego detalu bez konieczności stosowania pełnego materiału wszędzie tam, gdzie jego masa nie jest potrzebna do osiągnięcia zakładanej funkcji.
Przykładem większych realizacji, w których podobne rozwiązania znajdują swoje miejsce w konstrukcji organicznej, są między innymi:
Balustrada art déco premium – barierki secesyjne
oraz:
Balustrada tarasowa winorośl – Retro premium
W tego rodzaju konstrukcjach możliwość uzyskania smukłych, przestr.zennych elementów o zmiennej średnicy pozwala znacznie swobodniej budować formy przypominające gałęzie, pnącza czy inne elementy świata organicznego
Technika przydatna również w rekonstrukcji historycznej
Nie jest to technika historyczna, ponieważ opisane rozwiązanie jest wynikiem moich własnych poszukiwań warsztatowych. Może jednak znaleźć zastosowanie podczas rekonstrukcji i odtwarzania dawnych elementów metalowych.
Szczególnie interesujące może być to tam, gdzie konieczne jest odtworzenie zniszczonej szpicy, zakończenia lub innego przestrzennego elementu, a zastosowanie pełnego materiału byłoby niekorzystne ze względu na jego masę.
W przypadku starej, osłabionej konstrukcji dodatkowe obciążenie może mieć znaczenie zarówno dla samego rekonstruowanego elementu, jak i dla jego sąsiedztwa.
Odpowiednio zaprojektowany element rurowy może być więc rozwiązaniem konstrukcyjnie lżejszym, a jednocześnie pozwalającym zachować historyzujący charakter odtwarzanego detalu.
Nie oznacza to oczywiście, że sama metoda staje się przez to techniką historyczną. Jest współczesnym rozwiązaniem, które może zostać wykorzystane do uzyskania efektu wizualnie i konstrukcyjnie nawiązującego do dawnego rzemiosła.
Przykłady dalszego wykorzystania uformowanego materiału
Wykonanie szpica czy zwężonego zakończenia rury jest często dopiero początkiem dalszej pracy. Uzyskany detal można następnie poddawać kolejnym operacjom kowalskim i metaloplastycznym, wykorzystując jego zmienną grubość oraz zgromadzony podczas spęczania materiał.
Właśnie możliwość późniejszego formowania sprawia, że metoda ta znajduje zastosowanie również w elementach o bardziej rozbudowanej geometrii.
Nie chodzi więc wyłącznie o wykonanie ostrego zakończenia rury, lecz o przygotowanie materiału do kolejnych etapów kształtowania.
Wiedza warsztatowa nie mieści się w jednej recepturze
Opisywana metoda jest silnie związana z moimi własnymi doświadczeniami warsztatowymi.
Dlatego nie traktuję przedstawionych parametrów jako jednej uniwersalnej recepty, którą można bezpośrednio przenieść na każdy materiał.
Na końcowy rezultat wpływa wiele czynników: średnica i grubość ścianki rury, rodzaj stali, temperatura, długość nagrzewanego odcinka, geometria podsadzki, szerokość młotka, siła uderzeń, rytm obrotów oraz sposób prowadzenia materiału.
Tych zależności nie da się w pełni zamknąć w tabeli.
Moje opracowanie może być więc bramą prowadzącą do tej techniki, ale przejście przez nią wymaga już własnej praktyki.
Każdy, kto podejmuje pracę z gorącym metalem, musi wypracować własne wyczucie materiału.
Rzemiosło wymaga również ceny włożonej w doświadczenie
Droga do takich umiejętności nie zawsze jest wygodna.
Praktyka warsztatowa oznacza nie tylko satysfakcję z gotowego przedmiotu, lecz również długie godziny pracy w wymuszonej pozycji, odciski dłoni, zmęczenie, poparzenia, przypadkowe przytrzaśnięcia młotkiem czy ciągłą walkę z materiałem, który nie zawsze zachowuje się dokładnie tak, jak sobie zaplanowaliśmy.
Dochodzi do tego praca w pobliżu wysokiej temperatury, żaru paleniska oraz rozgrzanej stali.
To właśnie dlatego praca kowalska wymaga odpowiedniego zabezpieczenia, doświadczenia i nieustannej koncentracji.
Własną drogę przez te doświadczenia przechodziłem wielokrotnie. Bywała ciężka, czasami bolesna i wymagająca, ale jednocześnie właśnie te doświadczenia pozwoliły mi z czasem lepiej rozumieć zachowanie materiału.
A kiedy po zakończeniu wielogodzinnej pracy widzę przed sobą gotowy detal, wszystkie wcześniejsze niedogodności tracą znaczenie.
Od rury do materiału o zupełnie nowym charakterze
Największą wartością tej techniki jest dla mnie nie samo wykonanie szpica.
Istotniejsze jest to, że zwykła stalowa rura hydrauliczna, która na początku jest jedynie przemysłowym półproduktem o określonej średnicy i grubości ścianki, może zostać poprzez odpowiednio prowadzoną pracę kowalską przemieniona w detal o zupełnie innym charakterze.
Po stopniowym spęczaniu, zwężaniu, zamykaniu przekroju i dalszym formowaniu materiał zaczyna zachowywać się jak element przygotowany specjalnie do wykonania określonej konstrukcji.
To właśnie takie rozwiązania pozwalają mi przekraczać ograniczenia, które pojawiają się podczas tradycyjnego kształtowania pełnych profili stalowych.
Nie chodzi przy tym o zastąpienie tradycyjnego kowalstwa.
Chodzi o znalezienie kolejnej drogi, dzięki której stal może otrzymać formę trudną albo niemożliwą do uzyskania przy zastosowaniu wyłącznie klasycznych sposobów obróbki pełnego materiału.
I właśnie w tym miejscu zaczyna się dla mnie metaloplastyka oparta nie tylko na technice, ale również na poszukiwaniu własnych rozwiązań warsztatowych.