PODSTAWY PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ

Transkrypt

1 PODSTAWY PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ Praca zbiorowa pod redakcją prof. dr hab. inò. JANA SIÑCZAKA Wydawnictwo Naukowe AKAPIT Kraków 2010

2 2 Podstawy procesów przeróbki plastycznej Recenzent naukowy Prof. dr hab. inż. Zbigniew PATER Politechnika Lubelska, Lublin Dr hab. inż. Bogusław KUKURYK, prof. PCz Politechnika Częstochowska, Częstochowa Redaktor techniczny Dr inż. Marcin Środa Celem podręcznika jest podanie niezbędnych podstaw teoretycznych i technologicznych, wymaganych przy opanowaniu zagadnień z zakresu realizacji różnych technologii procesów kształtowania objętościowego metali drogą: walcowania, kucia, tłoczenia i ciągnienia czy też wytwarzania rur stalowych. Część problematyki omawia zagadnienia zintegrowanych procesów wytwarzania stali, jej odlewania w urządzeniach COS we wlewki ciągłe, walcowania na gorąco i na zimno taśm w kręgach oraz nakładania warstw antykorozyjnych. Przeznaczony jest dla studentów kierunków: metalurgicznych, mechanicznych i inżynierii materiałowej, studiujących w krajowych uczelniach technicznych na kierunkach kształcenia: Metalurgia i Inżynieria Materiałowa oraz pozostałych, w których treści standardów zawierają podstawy kształtowania plastycznego. Istniejące podręczniki wymagają uzupełnień, ale przede wszystkim brak jest jednolitej monografii opracowania ogólnie dostępnego, które zapewniałoby odpowiedni zakres wiedzy, dotyczącej mechaniki płynięcia metali podczas ich plastycznego odkształcania technologiami tzw. głębokiego przetwórstwa stali i innych stopów. Podręcznik został opracowany przez zespół pracowników naukowych Katedry Plastycznej Przeróbki Metali na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, zajmujących się poszczególnymi technologiami procesów przeróbki plastycznej, którzy pod redakcją prof. dr hab. inż. Jana Sińczaka, usystematyzowali i opracowali merytorycznie konieczne treści nauczania: dr inż. Jerzy Kajtoch: rozdz. 1 4; 13.2; 13.3 dr inż. Zbigniew Kuźmiński: rozdz. 10.3; 13.1; 13.4 dr inż. Marek Paćko: rozdz. 9; dr inż. Maciej Rumiński: rozdz. 8; 10.1; 13.9 prof. dr hab. inż. Jan Sińczak: rozdz. 5 6; 12; 13.5; 13.6 dr inż. Andrzej Skołyszewski: rozdz. 11; dr inż. Monika Stefańska Kądziela: rozdz. 10.5; dr inż. Tomasz Śleboda: rozdz. 10.2, 10.4 dr inż. Marek Wojtaszek: rozdz. 7; 13.7; 13.8 Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. Książkę można zamówić elektronicznie kierując zamówienia na adres: wn@akapit.krakow.pl Wydanie książki dofinansowane przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego Copyright by Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków 2010 Printed in Poland ISBN Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków tel./fax (012) ; wn@akapit.krakow.pl

3 Spis treści 3 SPIS TREŚCI OD AUTORÓW WYKAZ OZNACZEŃ PODSTAWY KSZTAŁTOWANIA PLASTYCZNEGO 1. WYBRANE ELEMENTY Z TEORII ODKSZTAŁCEŃ PLASTYCZNYCH WARUNKI PRZEJŚCIA W STAN PLASTYCZNY Analityczny opis stanu plastycznego Warunki plastyczności Podstawowe równania teorii plastyczności PLASTYCZNOŚĆ I CZYNNIKI JĄ DETERMINUJĄCE Budowa metalu Warunki termomechaniczne procesu odkształcenia plastycznego Wskaźniki plastyczności MECHANIZMY ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO WYTRZYMAŁOŚĆ ROZDZIELCZA MATERIAŁU Warunki utraty stateczności materiału Zniszczenie materiału złom i przełom STAL KLASYFIKACJA I JEJ PRODUKCJA Stal i jej klasyfikacja Procesy przetwarzania stali Światowa produkcja stali Krajowa produkcja stali i wyrobów stalowych PROCESY KSZTAŁTOWANIA PLASTYCZNEGO Literatura NIERÓWNOMIERNOŚĆ TARCIA I ODKSZTAŁCENIA W PROCESACH PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ TARCIE W PROCESACH PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ Nierównomierność tarcia powierzchniowego Współczynnik tarcia czynnik tarcia Smarowanie w procesach przeróbki plastycznej DOŚWIADCZALNE METODY OKREŚLANIA WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA W WALCOWNICTWIE Metoda kąta chwytu naturalnego Metoda wyprzedzenia maksymalnego DOŚWIADCZALNE METODY OKREŚLANIA WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA W KUŹNICTWIE... 76

4 4 Podstawy procesów przeróbki plastycznej Metoda stożków Metoda klina Metoda pierścieni DOŚWIADCZALNE METODY OKREŚLANIA WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA W CIĄGARSTWIE Metoda wirującego ciągadła Metoda dzielonego ciągadła NIERÓWNOMIERNOŚĆ ODKSZTAŁCENIA W PROCESACH PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ Nierównomierność odkształcenia przy walcowaniu Nierównomierność odkształcenia przy kuciu swobodnym Nierównomierność odkształcenia przy ciągnieniu CZYNNIKI TECHNOLOGICZNE WPŁYWAJĄCE NA WSPÓŁCZYNNIK TARCIA Literatura PODSTAWY TECHNOLOGICZNYCH PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ 3. PROCESY WALCOWANIA WZDŁUŻNEGO ZASTOSOWANIE WYROBÓW WALCOWANYCH NARZĘDZIA I MASZYNY WALCOWNICZE Walce robocze, klatka walcownicza Walcarka, zespół walcowniczy, walcownia ODKSZTAŁCENIA PRZY WALCOWANIU Warunek chwytu pasma przez walce Miary odkształcenia plastycznego PARAMETRY GEOMETRYCZNE KOTLINY ODKSZTAŁCENIA Parametry geometryczne kotliny odkształcenia przy walcowaniu na gorąco Parametry geometryczne kotliny odkształcenia przy walcowaniu na zimno sprężyste spłaszczenie walców PARAMETRY KINEMATYCZNE KOTLINY ODKSZTAŁCENIA Płynięcie pionowe prędkość odkształcenia Płynięcie poprzeczne czynniki wpływające na poszerzenie Płynięcie wzdłużne strefy opóźnienia i wyprzedzenia PARAMETRY SIŁOWE PROCESU WALCOWANIA Parametry siłowe procesu walcowania prostego Parametry siłowe procesu walcowania z naciągami ZINTEGROWANE PROCESY WYTWARZANIA I GŁĘBOKIEGO PRZETWARZANIA TAŚM STALOWYCH Problematyka walcowania na zimno taśm Zintegrowane procesy wytwarzania i walcowania na gorąco taśm

5 Spis treści Problematyka walcowania taśm na zimno Zintegrowane procesy przetwarzania na zimno taśm Antykorozyjne zabezpieczanie powierzchni taśm WYBRANE PRACE INWESTYCYJNE I MODERNIZACYJNE W ZAKRESIE WYDZIAŁÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ W POLSCE Przesłanki leżące u podstaw restrukturyzacji Nowe inwestycje i prace modernizacyjne prowadzone w oddziałach koncernu Arcelor-Mittal Poland S.A Nowe inwestycje i prace modernizacyjne w hutnictwie w kraju Przedstawiciele krajowego hutnictwa notowani na Giełdzie Papierów Wartościowych w Warszawie Literatura PROCESY WALCOWANIA SKOŚNEGO TULEI RUROWYCH PROCESY WYTWARZANIA RUR STALOWYCH Procesy produkcji rur bez szwu Procesy produkcji rur ze szwem METODY WYTWARZANIA GRUBOŚCIENNYCH TULEI RUROWYCH Przebijanie tulei rurowych w prasach hydraulicznych Przebijanie tulei rurowych w prasowalcarkach Dziurowanie tulei rurowych w walcarkach skośnych TECHNOLOGIA WYTWARZANIA GRUBOŚCIENNYCH TULEI RUROWYCH W WALCARCE SKOŚNEJ Ogólna charakterystyka walcarek skośnych Laboratoryjna walcarka skośna Kalibrowanie narzędzi odkształcających MODELOWANIE ANALITYCZNE STREFY ODKSZTAŁCENIA PRZY DZIUROWANIU Warunki gniotu zadawanego na średnicy półwyrobu Parametry geometryczne strefy odkształcenia Parametry kinematyczne strefy odkształcenia Miary odkształcenia plastycznego w procesie walcowania dziurującego MODELOWANIE FIZYCZNE PARAMETRÓW PROCESU SKOŚNEGO WALCOWANIA DZIURUJĄCEGO Gniot graniczny przy walcowaniu skośnym Parametry skręcenia na powierzchni zewnętrznej tulei rurowej PARAMETRY SIŁOWE PROCESU WALCOWANIA DZIURUJĄCEGO Układ pomiarowy Obliczanie mierzonych parametrów ANALIZA WPŁYWU CZYNNIKÓW WALCOWNICZYCH NA PARAMETRY: ODKSZTAŁCENIOWE, KINEMATYCZNE I SKRĘCENIA Literatura

6 6 Podstawy procesów przeróbki plastycznej 5. PROCESY KUCIA SWOBODNEGO CHARAKTERYSTYKA I ZAKRES ZASTOSOWANIA KUCIA SWOBODNEGO MASZYNY DO KUCIA SWOBODNEGO NARZĘDZIA DO KUCIA SWOBODNEGO RODZAJE I KSZTAŁTY MATERIAŁU WSADOWEGO STOPIEŃ PRZEKUCIA PODSTAWOWE OPERACJE KUCIA SWOBODNEGO Spęczanie Wydłużanie Dziurowanie PRZYKŁAD TECHNOLOGII KUCIA SWOBODNEGO KUCIE PÓŁSWOBODNE Literatura PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO CHARAKTERYSTYKA PROCESU MASZYNY DO KUCIA MATRYCOWEGO MATRYCE MATERIAŁY I KONSTRUKCJA METODY I ETAPY WYPEŁNIANIA WYKROJU MATRYCOWEGO Wypełnianie wykroju matrycującego otwartego Wypełnianie wykroju wykańczającego w matrycach zamkniętych PROJEKTOWANIE TECHNOLOGII KUCIA MATRYCOWEGO Dobór wykrojów pomocniczych Przykłady technologii kucia odkuwki matrycowej DOBÓR WIELKOŚCI MASZYNY DO KUCIA MATRYCOWEGO PROCESY KUCIA DOKŁADNEGO Matryce składane Matryce z ruchomą wkładką Obciążenie narzędzi przy kuciu dokładnym Proces kucia korbowodu na zespole agregatów: walcarka kuźnicza prasa Proces kucia matrycowego przedkuwki, wykonanej w wykroju rolującym Proces kucia matrycowego przedkuwki, wykonanej w wykroju kształtującym Zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej w kuciu matrycowym Literatura PROCESY WYCISKANIA CHARAKTERYSTYKA PROCESU WYCISKANIA METODY WYCISKANIA STAN ODKSZTAŁCENIA W PROCESIE WYCISKANIA Etapy procesu wyciskania Nierównomierność odkształcenia przy wyciskaniu

7 Spis treści Strefy martwe przy wyciskaniu PARAMETRY STANU ODKSZTAŁCENIA PRZY WYCISKANIU Stopień odkształcenia Prędkość odkształcenia Tarcie powierzchniowe i smarowanie SIŁA WYCISKANIA PROCES TECHNOLOGICZNY Podstawowe zasady opracowania procesu wyciskania Oprzyrządowanie Wyciskanie prętów, rur i kształtowników ZŁOŻONY PROCES WYCISKANIA WYCISKANIE MATERIAŁÓW POROWATYCH METODY WYCISKANIA MATERIAŁÓW POROWATYCH Wyciskanie na gorąco wyprasek Wyciskanie na gorąco proszków lub mieszanin Wyciskanie półwyrobów wstępnie zagęszczonych na gorąco Wyciskanie wsadu z dodatkiem plastyfikatora Inne metody wyciskania porowatego wsadu PARAMETRY PROCESU WYCISKANIA MATERIAŁÓW POROWATYCH Parametry termomechaniczne procesu wyciskania materiałów porowatych Siła wyciskania materiałów porowatych Analiza zmian gęstości podczas wyciskania wyprasek ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII WYCISKANIA MATERIAŁÓW POROWATYCH Literatura PROCESY CIĄGNIENIA OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW I WYROBÓW CIĄGNIONYCH NARZĘDZIA CIĄGARSKIE Klasyfikacja ciągadeł Materiały do wyrobu ciągadeł MASZYNY CIĄGARSKIE TARCIE I SMAROWANIE W PROCESACH CIĄGNIENIA Smary i warstwy podsmarowe Ocena efektywności smarowania NIERÓWNOMIERNOŚĆ ODKSZTAŁCENIA W PROCESACH CIĄGNIENIA PROCESY CIĄGNIENIA RUR NAPRĘŻENIE CIĄGNIENIA Opis analityczny naprężenia ciągnienia Wpływ parametrów procesu ciągnienia na naprężenie ciągnienia WŁASNOŚCI MECHANICZNE WYROBÓW CIĄGNIONYCH Wpływ parametrów procesu ciągnienia

8 8 Podstawy procesów przeróbki plastycznej Wpływ obróbki cieplnej Niejednorodność własności wyrobów ciągnionych Literatura PROCESY TŁOCZENIA MATERIAŁY DO TŁOCZENIA Kryteria doboru blach do tłoczenia Nowoczesne materiały do tłoczenia Nierównomierność (anizotropia) własności blach Smary NARZĘDZIA I URZĄDZENIA DO TŁOCZENIA Narzędzia do tłoczenia Koszty wykonania wyrobów tłoczonych Prasy do tłoczenia Zasady i kryteria doboru pras do tłoczenia PARAMETRY PROCESU WYTŁACZANIA I PRZETŁACZANIA WYROBÓW STALOWYCH Zmiana parametrów siłowych w procesie wytłaczania Wpływ stopnia odkształcenia na przebieg procesu wytłaczania naczyń cylindrycznych Stadia procesu wytłaczania i przetłaczania z zastosowaniem dociskacza Zmiany grubości ścianki i składowych odkształceń logarytmicznych na przekroju osiowym miseczki cylindrycznej Zjawiska ograniczające proces wytłaczania Kryteria stosowania dociskacza w procesie wytłaczania i przetłaczania CAD-CAM-CAE W PROCESACH PROJEKTOWANIA WYROBÓW I WYTWARZANIA ICH W TECHNICE Literatura BADANIA JAKOŚCI WYROBÓW PO PRZERÓBCE PLASTYCZNEJ 10. METODY BADANIA WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA Warunki realizacji próby rozciągania Próbki do badań Wykres rozciągania punkty charakterystyczne, wykres umowny i rzeczywisty Krzywe rozciągania różnych materiałów Wpływ różnych czynników technologicznych na umowne wykresy rozciągania STATYCZNA PRÓBA ŚCISKANIA Zasady jednoosiowej próby ściskania metali

9 Spis treści Rodzaje próbek do badań Wykres ściskania punkty charakterystyczne Wpływ parametrów procesu na umowne wykresy ściskania Wytrzymałość rozdzielcza materiałów przy ściskaniu PLASTOMETRYCZNY TEST SKRĘCANIA Charakterystyki plastyczności Warunki realizacji plastometrycznego testu skręcania Próbki do badań plastometrycznych Stan naprężenia i odkształcenia, krzywe skręcania Naprężenie uplastyczniające opis analityczny Wpływ parametrów procesu przeróbki plastycznej na krzywe skręcania Odkształcalność graniczna stali PRÓBA UDARNOŚCI METALI WPŁYW DYNAMICZNYCH WARUNKÓW ODKSZTAŁCANIA NA PLASTYCZNE PŁYNIĘCIE METALI Prędkość odkształcenia jako parametr procesu przeróbki plastycznej Istota odkształcania z dużymi prędkościami Przyrost temperatury w czasie odkształcania z dużymi prędkościami Czułość naprężenia uplastyczniającego na prędkość odkształcenia Wpływ prędkości odkształcenia na niejednorodność odkształcenia Charakterystyka spęczania na młocie spadowym Wykorzystanie pomiaru twardości metodą Vickersa do oceny wpływu prędkości odkształcenia na zachowanie się materiału Literatura TECHNOLOGICZNE METODY BADAWCZE JAKOŚĆ WYROBU PO PRZERÓBCE PLASTYCZNEJ Własności użytkowe wyrobu po przeróbce plastycznej Normy odbioru i kontroli jakości wyrobów WYZNACZENIE METODĄ LANKFORDA WSPÓŁCZYNNIKA ANIZOTROPII NORMALNEJ PRÓBY TŁOCZNOŚCI TAŚM Próba tłoczności metodą Erichsena Próba tłoczności metodą Fukui GIĘCIE TAŚM Próba wielokrotnego przeginania taśm Technologiczna próba zginania taśm PRÓBY SPECJALNE Próba jednokierunkowego skręcania drutu Próba dwukierunkowego przeginania drutu Próba spłaszczania rur KONTROLA JAKOŚCI ZAWLECZKI Literatura

10 10 Podstawy procesów przeróbki plastycznej 12. FIZYCZNE MODELOWANIE PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ METODYKA BADAŃ Wybór metody pomiarowej Zasady modelowania Materiały modelowe METODY DOŚWIADCZALNEGO BADANIA PROCESÓW PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ Badania kinematyki płynięcia metalu Metoda wizjoplastyczności Pomiary elastooptyczne Zastosowanie elastooptyki POMIARY TENSOMETRYCZNE Zasady pomiaru Układy elektryczne Aparatura tensometryczna Budowa przetwornika Obliczenia konstrukcyjne przetwornika Przykłady konstrukcji przetworników Literatura ZAKRES ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH 13. WARUNKI REALIZACJI PRÓB DOŚWIADCZALNYCH Plastyczność metali i wyznaczenie naprężenia uplastyczniającego w teście skręcania Wpływ warunków tarcia na nierównomierność odkształcenia w procesach przeróbki plastycznej Parametry procesów walcowania: wzdłużnego płaskowników i skośnego tulei rurowych Parametry procesu walcowania na zimno z naciągami taśm cienkich Analiza operacji kucia swobodnego Parametry procesu kucia matrycowego Parametry procesu wyciskania przeciwbieżnego prętów pełnych Parametry procesów współbieżnego wyciskania na gorąco aluminium w stanie litym oraz wyprasek z proszku Określenie w oparciu o statyczną próbę rozciągania zmian umocnienia metali w procesie ciągnienia prętów Odkształcenia w procesach wytłaczania naczyń cylindrycznych Wpływ dynamicznych warunków odkształcania na płynięcie plastyczne Technologiczne metody badań własności i jakości wyrobów po przeróbce plastycznej

11 Spis treści 11 OD AUTORÓW Celem podręcznika jest podanie niezbędnych podstaw teoretycznych i technologicznych, wymaganych przy opanowywaniu zagadnień w zakresie realizacji różnych technologii procesów przeróbki plastycznej metali. Podręcznik przeznaczony jest dla studentów kierunków: mechanicznych, metalurgicznych i inżynierii materiałowej, studiujących w krajowych uczelniach technicznych na kierunkach kształcenia: Metalurgia, Inżynieria Materiałowa i pokrewnych. Istniejące skrypty i podręczniki wymagają uzupełnień, ale przede wszystkim brak jest jednolitej monografii opracowania ogólnie dostępnego, które zapewniłoby zakres wiedzy, dotyczącej własności fizycznych i mechanicznych materiałów, praw mechaniki płynięcia i warunków realizacji procesów podczas plastycznego odkształcania. Duże bogactwo procesów przeróbki plastycznej, dotyczy działalności stosowanej do wykonywania wszelkiego rodzaju wyrobów powszechnego użytku. Ta dziedzina wiedzy jest często utożsamiana z tzw. głębokim przetwórstwem wyrobów metalowych, które jest stosowane do wytworzenia wyrobów rynkowych codziennego użytku o ściśle określonych własnościach użytkowych (blachy, odkuwki, profile gięte, profile tłoczone na karoserie samochodów lub elementy sprzętu gospodarstwa domowego, rury itp.), na które istnieje zapotrzebowanie przez przemysł przetwórczy. W tej działalności konieczna jest znajomość szeregu praw plastycznego odkształcenia. Dotyczy to również technologów i inżynierów, bezpośrednio nie posługujących się na co dzień technologiami głębokiego przetwórstwa metali i ich stopów. Z tego względu całość opracowania jest adresowana do studentów wszystkich specjalności na obu kierunkach kształcenia na wydziałach mechanicznych uczelni technicznych. Podręcznik jest opracowany przez zespół specjalistów zajmujących się różnymi technologiami procesów przeróbki plastycznej. Podstawowa jego część zawiera wybrane elementy z zakresu zagadnień teoretycznych i technologicznych poszczególnych procesów przeróbki plastycznej, niezbędnych przy wykonywaniu ćwiczeń, dających szerokie podstawy do głębszego studiowania teorii procesów, wchodzących w zakres zainteresowań studenta. Autorzy składają serdeczne podziękowania recenzentom: prof. dr hab. inż. Janowi Kazaneckiemu, prof. dr hab. inż. Zbigniewowi Paterowi i dr hab. inż. Bogusławowi Kukurykowi za trud recenzowania i cenne uwagi, którymi podzielili się z autorami przy ostatecznej korekcie podręcznika. Autorzy żywią nadzieję, że przekazany studentom podręcznik będzie stanowił wydatną pomoc przy opanowaniu zagadnień teoretycznych, co usprawni tok nauczania w zakresie podstaw procesów przeróbki plastycznej metali i ich stopów.