PROCESY KUCIA SWOBODNEGO

Transkrypt

1 PROCESY KUCIA SWOBODNEGO Opracowanie: prof. dr hab. inż. Jan Sińczak Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Materiały pochodzą z książki Podstawy procesów przeróbki plastycznej opracowanej pod redakcją prof. dr hab. Inż. Jana Sińczaka - Wydawnictwo naukowe AKAPIT, Kraków 2010.

2 PROCESY KUCIA SWOBODNEGO 5.1. Charakterystyka i zakres zastosowania kucia swobodnego Kucie swobodne polega na odkształcaniu metalu między narzędziami, umożliwiającymi płynięcie w kilku dowolnych kierunkach (rys. 5.1a). Jeśli płynięcie metalu jest częściowo ograniczone narzędziami, wtedy kucie nazywamy półswobodnym (rys. 5.1b). Do tego sposobu kucia stosuje się specjalne kowadła kształtowe i różnego rodzaju narzędzia i 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 [9]. 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. Rys Schemat kucia [18]: a swobodnego, b półswobodnego W szczególności kucie swobodne stosuje się w następujących przypadkach: podczas produkcji jednostkowej, gdzie wykonanie matryc jest nieopłacalne, podczas wykonywania odkuwek, których ciężar i wymiary przekraczają możliwości produkcyjne najcięższych dysponowanych zespołów matrycowych,

3 234 Podstawy procesów kształtowania plastycznego podczas wstępnej obróbki plastycznej wlewków ze stali stopowych lub stopów o specjalnych własnościach na kęsiska i kęsy kute, podczas 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, podczas szeroko pojętej regeneracji narzędzi i sprzętu warsztatowego, podczas wykonywania części zamiennych i do celów remontowych. Odkuwki o masie do kilkunastu kg kuje się ręcznie lub na młotach sprężarkowych o masie części spadających od 50 kg do 1 Mg. Kucie swobodne średnich odkuwek wykonuje się na młotach parowo-powietrznych o masie części spadających od 500 kg do 5 Mg. Średnia masa odkuwek na tych młotach wynosi od 8 do 200 kg, a maksymalna do 1,5 Mg. Odkuwki swobodnie kute ciężkie wykonuje się na prasach hydraulicznych o nacisku od 6 do 200 MN. Średnia masa odkuwek wykonywanych na tych prasach wynosi od 1 do 160 Mg, maksymalna do 300 Mg Maszyny do kucia swobodnego Do kucia swobodnego, prócz młotów i pras hydraulicznych, stosuje się kowarki (poziome i pionowe) oraz elektrospęczarki [2]. Młoty do kucia swobodnego (rys.5.2), których charakterystyczną cechą jest brak sztywnego połączenia szaboty 1 ze stojakami 2. Dlatego cięższe młoty mają nawet oddzielne fundamenty dla stojaków i szaboty. Energia uderzenia młota wywołuje drgania, które przenoszą się przez szabotę na podłoże, przemieszczając się w nim na duże odległości. Fundamenty młotów powinny więc być masywne, aby pochłonąć większą część energii tych drgań i je wytłumić. Istnieje wiele odmian młotów do kucia swobodnego: parowo-powietrzne jednostojakowe, dwustojakowe, mostowe (bramowe) i sprężarkowe. Ze względu na łatwość wytwarzania dużych energii młoty są najtańszymi maszynami do kształtowania materiału na gorąco. Na młotach można wykonywać odkuwki o różnych wymiarach i kształtach. Charakterystyczną cechą młotów jest to, że nie mogą być nigdy przeciążone. Ze względu na zalety są one najbardziej rozpowszechnione wśród maszyn kuźniczych. Do ich wad można zaliczyć małą sprawność i wysoki koszt fundamentów.

4 5. Procesy kucia swobodnego 235 Rys Młot parowo-powietrzny dwu stojakowy do kucia swobodnego [15]: 1 szabota, 2 stojaki, 3 cylinder, 4 bijak, 5 dźwignie, 6 kowadło górne, 7 kowadło dolne Rys Schemat prasy hydraulicznej górnocylindrowej [18]: 1 nurnik główny, 2 cylinder główny, 3 nurnik powrotny, 4 cylinder powrotny, 5 poprzeczka, 6 kolumna prasy, 7 podstawa, 8 kowadło dolne, 9 kowadło górne, 10 dławnica Prasy hydrauliczne charakteryzują się stosunkowo wolnym przesuwem narzędzi roboczych i dużą przestrzenią roboczą. Schemat typowej prasy hydraulicznej przedstawiono na rysunku 5.3. Prasa ma następujące zasadnicze elementy: nurnik główny 1 pracujący w cylindrze głównym 2, dwa różnicowe nurniki powrotne 3, pracujące w oddzielnych cylindrach powrotnych 4. Wszystkie nurniki (główny i dwa powrotne) są złączone z ruchomą poprzeczką 5 prasy. Cylindry: główny i dwa powrotne są nieruchomo umocowane na kolumnach 6, osadzonych w podstawie 7. Kowadło dolne 8 (lub obsada matrycy) jest przymocowane do nieruchomej podstawy, kowadło zaś górne 9 do ruchomej poprzeczki 5. Poprzeczka ruchoma łącznie z nurnikami może wykonywać ruch posuwisto-zwrotny w kierunku pionowym, przy czym poprzeczka jest prowa-

5 236 Podstawy procesów kształtowania plastycznego dzona po kolumnach prasy, nurniki zaś w swoich cylindrach w tulejach prowadzących. Nurniki są uszczelnione w dławnicach 10. Urządzenia mechanizujące proces kucia dzielą się na: transportowe, załadowcze, wyładowcze, podające. Do uniwersalnych urządzeń zaliczane są suwnice. Stosuje się również żurawie obrotowe, oraz urządzenia obsługujące proces kucia - manipulatory (szynowe, bezszynowe). Transport odbywa się często przy pomocy szyn podwieszonych i przenośników taśmowych. Kuźnie zmechanizowane są wyposażone w automaty i półautomaty roboty kuźnicze. Transport kolejowy jest stosowany do dużych wlewków i odkuwek między oddziałami kuźni Narzędzia do kucia swobodnego Proces technologiczny kucia swobodnego polega na wzajemnym łączeniu dowolnej liczby i w dowolnej kolejności podstawowych operacji kuźniczych, do których zalicza się: spęczanie, wydłużanie, przebijanie, gięcie, przecinanie, skręcanie, zgrzewanie. Narzędzia kuźnicze, podstawowe do kucia ręcznego (odkuwek o masie do 0,01 Mg) stosuje się kleszcze, przecinaki, przebijaki oraz specjalistyczne narzędzia do kształtowania półswobodnego, zaś narzędzia do kucia maszynowego dużych odkuwek (rys. 5.4) zależą od kształtu odkuwki i jej wielkości. Spęczanie i wydłużanie odbywa się w kowadłach płaskich i kształtowych [4]. Kowadła płaskie, zaokrąglone i z wykrojami przedstawiono na rysunku 5.5. Zależnie od rodzaju wykonywanej operacji używa się kowadeł o odpowiednim kształcie. W czasie kucia na gorąco kowadła nagrzewają się do 300 o C, a przy powierzchni do o C. Z tego względu wykonuje się je ze stali narzędziowej do pracy na gorąco. Część roboczą pokrywa się specjalnymi materiałami podwyższają-cymi ich trwałość. Narzędzia pomocnicze: a) Odsadzki służą do nadcinania materiału w celu wykonania przejścia z grubszego przekroju do cieńszego. Odsadzki mogą być prawe i lewe. W celu przyśpieszenia wydłużania materiału lub wykonania lokalnego wgłębienia używa się odsadzek półokrągłych. Odsadzki wykonuje się z trzonkami stałymi lub wymiennymi, jednostronnymi lub dwustronnymi. Odsadzki dwustronne służą do kształtowania i wygładzania przedmiotów o różnych kształtach przekrojów. Obie części połączone są sprężynującym kabłąkiem.

6 5. Procesy kucia swobodnego 237 Rys Przebieg cyklu technologicznego kucia swobodnego [18]: 1 wsad zimny, 2 wsad gorący, 3 piec grzewczy, 4 prasa, 5 manipulator, 6 wagon, 7 piec do obróbki cieplnej Rys Kowadła stosowane do kucia swobodnego [18]: a płaskie, b kombinowane, c kształtowe, d zaokrąglone (wypukłe)

7 238 Podstawy procesów kształtowania plastycznego b) Przecinaki (siekiery) służą do przecinania i nadcinania gorących rygli o większych przekrojach. Przecinaki mogą być proste lub kształtowe. Mają trzonki stałe lub wymienne. c) Przebijaki maszynowe służą do przebijania otworów o różnych kształtach. Mogą mieć kształt walcowy, klinowy, a dla większych otworów kształt pierścienia. Podczas wykonywania głębokich otworów za pomocą przebijaka pierścieniowego w miarę wbijania go w materiał nakłada się następne przebijaki. Do wyrównywania przebitego otworu używa się przebijaków beczkowych, które wygładzają ściany otworu. d) Trzpienie pierścienie lub tuleje po odkuciu wstępnym rozkuwa się na właściwy wymiar na grubych trzpieniach, opartych na podstawie umocowanej do szaboty młota. Trzpienie mogą mieć kształt walcowy, stożkowy lub złożony Rodzaje i kształty materiału wsadowego Podstawowymi materiałami na odkuwki swobodnie kute i matrycowane do wszystkich rodzajów maszyn i urządzeń są konstrukcyjne stale węglowe i stopowe oraz metale nieżelazne i ich stopy. Najczęściej na odkuwki zarówno swobodnie kute, jak też matrycowane, stosuje się materiały wyjściowe (rys. 5.6) w postaci wlewków, półwyrobów kutych, prętów i rzadziej w postaci ciekłej i proszków metali. Wlewki (rys. 5.6a). Odkuwki o znacznych wymiarach i masie kuje się najczęściej bezpośrednio z wlewków odpowiedniej wielkości odlanych w kształcie ostrosłupa ściętego o przekroju sześcio-, ośmio- lub dwunastoboku. Półwyroby kute lub walcowane (rys. 5.6b) mają przekrój kwadratowy o bokach wklęsłych i zaokrąglonych krawędziach. Wymiary ich wynoszą: bok kwadratu a mm, długość 6 m. Ten rodzaj materiału wyjściowego stosuje się do wykonywania ciężkich odkuwek. Pręty walcowane (rys. 5.6c) są używane na lżejsze odkuwki. Pręty mają przekrój poprzeczny zbliżony do kwadratu o boku mm. Pręty walcowane mogą mieć przekrój poprzeczny kwadratowy (o boku mm), okrągły (o średnicy mm) lub prostokątny (o wymiarach 12 x x 60 mm). Półwyroby dostarczane przez huty mają długość handlową 2 9 m, a pręty 3 9 m [17]. Pręty kształtowe (rys. 5.6d) i o okresowo zmiennym przekroju (rys. 5.6e) niektóre typy odkuwek matrycowanych wykonuje się z prętów kształtowych dzięki czemu stają się zbędne wszelkie operacje pomocnicze i wykonanie odkuwek ogranicza się jedynie do matrycowania lub 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.

8 5. Procesy kucia swobodnego 239 Rys Rodzaje materiałów wyjściowych stosowanych na odkuwki [18]: a wlewek, b półwyrób, c pręty proste, d pręty kształtowe, e pręty o okresowo zmiennym przekroju W ostatnich latach odkuwki matrycuje się również bezpośrednio z ciekłego metalu lub z proszku metali. Stosowanie tej metody umożliwia zmniejszenie do minimum zużycia metali i skrócenie cyklu produkcyjnego (zbyteczne są operacje wstępne). Materiały walcowane ze stali węglowej są zwykle dostarczane przez huty w stanie normalizowanym, a ze stali stopowej w stanie wyżarzonym lub odpuszczonym Stopień przekucia Podstawowym wskaźnikiem określającym zmianę kształtu wyrobu i własności przekuwanego materiału, jest stopień przekucia określany w podstawowych operacjach kucia swobodnego. W najogólniejszym przypadku, gdy proces kucia polega tylko na wydłużeniu materiału, stopniem przekucia nazywamy stosunek powierzchni przekroju początkowego S 0 do przekroju końcowego S (rys. 5.7a), tj. czyli jest to współczynnik wydłużenia. S 0 l lub (5.1) S l0 Rys Wyznaczenie stopnia przekucia przy: a wydłużaniu, b spęczaniu

9 240 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Podobnie, jeżeli odkuwkę wykonuje się tylko przez spęczanie, stopień przekucia wyznacza się jako stosunek wysokości materiału wsadowego h 0 do wysokości spęczonej odkuwki h (rys. 5.7b) h 0 (5.2) h Miarami odkształcenia plastycznego są również odkształcenie względne oraz odkształcenie logarytmiczne, wyrażane za pomocą wzorów odkształcenie względne, którym może być wydłużenie względne lub względna zmiana pola przekroju odkształcenie logarytmiczne l l 0 l (5.3) l0 S S 0 S (5.4) S0 l rz ln lub l 0 S rz ln 0 S (5.5) gdzie: symbole z indeksem 0 oznaczają początkowe wymiary, a bez indeksu końcowe wymiary odkształcanego materiału. Przytoczone odkształcenia są podane w jednostkach względnych, po pomnożeniu ich przez 100 otrzymamy te wielkości w procentach. Odkształcenie logarytmiczne znacznie dogodniejsze w stosowaniu niż względne, jest addytywne, co umożliwia sumowanie poszczególnych odkształceń. 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. Na podstawie przeprowadzonych prób stwierdzono, że gdy stopień przekucia wynosi: a) 1 3, w rdzeniu wlewka odpowiadającym strefie wolnych kryształów występują już wyraźnie włókna, a w strefie kryształów słupkowych osie dendrytów w niewielkim stopniu zmieniają swój pierwotny kierunek, b) 4 6, dendryty wyraźnie zmieniają swoją orientację; dopiero przy wyższym stopniu przekucia w przekrojach całej odkuwki można zaobserwować wyraźną strukturę włóknistą.

10 5. Procesy kucia swobodnego 241 Kierunek przebiegu włókien zależy od obranej metody kucia [106]. Przy kuciu swobodnym wskutek nierównomiernych odkształceń kierunek włókien może się znacznie odchylać od kierunku płynięcia materiału. Małe stopnie przekucia powodują zwykle poprawę własności stali we wszystkich kierunkach. 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 [8]. W praktyce stosuje się stopień przekucia: a) 3 4,5 w kuciu swobodnym odkuwek; przy tym stopniu przekucia własności mechaniczne w kierunku wzdłużnym i poprzecznym są dość dobre i wystarczające pod względem wymagań wytrzymałościowo-konstrukcyjnych [1]; b) 3 6 w kuciu matrycowym; c) równy i większy od 10 przy wykonywaniu wyrobów, które powinny się odznaczać zupełną jednorodnością budowy, bardzo dobrymi jednokierunkowymi własnościami mechanicznymi oraz wysoką granicą zmęczeniową; d) 1,1 1,5 stosuje się do odkuwek z materiału wyjściowego walcowanego lub uprzednio kutego [7]. Odkuwki przeznaczone na odpowiedzialne części, jak np. korbowody, wały korbowe, muszą mieć strukturę drobnoziarnistą o ściśle określonej wielkości ziarna. Czynnikami sprzyjającymi powstawaniu struktury drobnoziarnistej są: duża wartość stopnia odkształcenia i duża prędkość grzania. Na wielkość ziaren ma również wpływ stan materiału przed odkształceniem plastycznym. Drobna struktura tego materiału sprzyja otrzymaniu małych wymiarów ziaren po rekrystalizacji. Wyjątkowo gruboziarnistą strukturę otrzymuje się w materiale zrekrystalizowanym, którego odkształcenie było równe gniotowi krytycznemu. Gniot krytyczny zależy od rodzaju materiału i przeważnie mieści się w przedziale 2 10% (ε wh = 0,02 0,10). Procesy kucia i prasowania należy tak prowadzić, żeby stopień odkształcenia w każdym zabiegu był większy od krytycznego. Jeżeli odkształcenia są mniejsze od gniotu krytycznego, to pomimo grzania materiału do temperatury rekrystalizacji pierwotnej rekrystalizacja nie nastąpi. W materiale zachodzi natomiast zdrowienie. Ponieważ następuje rozrost tylko w części istniejących już ziaren kosztem sąsiednich, w rezultacie otrzymuje się niepożądaną strukturę gruboziarnistą, która pogarsza jakość odkuwek Podstawowe operacje kucia swobodnego W zależności od kształtu narzędzi i sposobu ich oddziaływania na odkształcany metal kucie i prasowanie dzieli się na: swobodne, półswobodne i matrycowe. Kucie półswobodne jest analizowane wraz z kuciem swobodnym. Proces technologiczny

11 242 Podstawy procesów kształtowania plastycznego kucia swobodnego polega na wzajemnym łączeniu dowolnej ilości i w dowolnej kolejności podstawowych operacji kuźniczych, do których zaliczamy: spęczanie, wydłużanie, przebijanie, gięcie, przecinanie, skręcanie i zgrzewanie Spęczanie Zwiększenie przekroju poprzecznego kosztem wysokości lub długości materiału pod wpływem odpowiedniego nacisku prasy lub uderzenia młota (rys. 5.8) nazywamy spęczaniem. Stosuje się je wówczas, gdy: przekrój gotowej odkuwki lub jej części jest większy od przekroju materiału wyjściowego, żądany stopień przekucia wymaga wstępnego zwiększenia przekroju przed dalszymi operacjami (przeważnie przed wydłużeniem), wlewek lub kęs przygotowuje się do przebicia otworu, kuje się odkuwki w kształcie kostek, krążków, pierścieni itd., jest wymagane polepszenie własności mechanicznych odkuwki. Materiał o kształcie walcowym otrzymuje w procesie spęczania kształt baryłkowy. Średnią średnicę materiału w dowolnym momencie spęczania wyznacza się z warunku stałej objętości gdzie: d o, h o średnica i wysokość materiału przed spęczeniem, d, h średnica i wysokość materiału po spęczeniu. h 0 d d 0 (5.6) h Rys Zmiany poprzecznego przekroju materiału przy spęczaniu

12 5. Procesy kucia swobodnego 243 Odkształcenie względne ε wh przy spęczeniu wyznacza się ze wzoru h 0 h h wh (5.7) h h 0 0 lub G h h 0 h h ,% (5.8) h h 0 0 Siłę nacisku prasy potrzebną do spęczenia nagrzanego materiału lub wlewka można wyznaczyć ze wzoru F p S, (5.9) w którym: S pole poprzecznego przekroju materiału po spęczeniu, p śr średni nacisk wywierany na jednostkę powierzchni odkuwki. Średni nacisk jednostkowy wyznacza się ze wzoru p śr śr wzk (5.10) w którym: w współczynnik uwzględniający wpływ prędkości odkształcenia (w = 1 prasy hydrauliczne, w = 4 młoty szybkobieżne), z współczynnik zależny od kształtu narzędzia (z = 1 kowadła płaskie, z = 1,25 kowadła półokrągłe), k współczynnik wzrostu oporu odkształcenia na skutek tarcia materiału o powierzchnię narzędzi, wyznacza się dla: walca prostopadłościanu o podstawie kwadratu a a k o k k p d 1 (5.11) 3h a 1 (5.12) 3 h prostopadłościanu o podstawie a b (przy założeniu, że a < b) k p 3a b b 1 (5.13) 6 a h

13 244 Podstawy procesów kształtowania plastycznego przy czym wysokość h i średnicę d przyjmuje się po odkształceniu. σ p wytrzymałość na rozciąganie materiału w temperaturze kucia. Praca odkształcenia jednego uderzenia młota przy spęczaniu płaskimi kowadłami wyraża się wzorem [16] gdzie: wh stopień odkształcenia przy jednym uderzeniu, V objętość spęczanego materiału. Wielkość energii jednego uderzenia W wk h V (5.14) p L W (5.15) - sprawność uderzenia; dla młota przyjmuje się 0,8 0,9. Mając obliczoną energię uderzenia, można wyznaczyć masę części spadających młota. Ponieważ stąd 2 mv L (5.16) 2 2L m 2 (5.17) v Po podstawieniu za L z równania (5.15), otrzyma się 2W m (5.18) 2 v gdzie: m masa części spadających młota, v prędkość bijaka podczas uderzenia (średnio 6,5 m/s). Zasady spęczania podczas spęczania należy się kierować następującymi zaleceniami: stosunek wysokości spęczanego materiału do jego średnicy nie powinien przekraczać 2,5 (h 0 /d 0 2,5);

14 5. Procesy kucia swobodnego 245 przy spęczaniu prostopadłościanu stosunek wysokości do mniejszego boku podstawy nie powinien być większy od 3,5; po przekroczeniu tej wartości może nastąpić wyboczenie (rys. 5.9), którego usunięcie wymaga dodatkowych operacji; 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. Rys Wyboczenie odkuwki powstałe podczas spęczania przy h 0 /d 0 > 3 Spęczanie należy wykonywać silnymi uderzeniami młota lub naciskami prasy. Wklęsły kształt odkuwki spęczanej otrzymuje się wtedy, kiedy energia uderzenia jest za mała lub nacisk wywierany przez suwak prasy za słaby. Spęczanie na hydraulicznych prasach kuźniczych odbywa się za pomocą płaskich kowadeł lub specjalnych płyt (rys. 5.5a) stosowanych do spęczania wlewków. Jeżeli wlewek po spęczeniu ma być wydłużony, to dolna płyta ma otwór na czop (rys. 5.10). Płyty wklęsłe zapewniają korzystny rozkład naprężeń w spęczanym wlewku. Do kucia krążków przeznaczonych na koła zębate, kołnierze i tarcze z występami stosuje się spęczanie z podkładkami pierścieniowymi. W tej meto-dzie jednocześnie ze spęczaniem następuje płynięcie materiału w kierunku uderzenia, dzięki czemu zostają odkute czopy.

15 246 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys Spęczanie wlewka z czopem: a początek procesu, b koniec procesu Rys Kształty odkuwki w kolejnych etapach spęczania [18]: a wsad, b początek procesu spęczania, c spęczanie z dużym odkształceniem Podczas spęczania ulegają zniekształceniu boczne powierzchnie elementu. Kształt powierzchni bocznej i charakter odkształcenia wewnątrz materiału zależy również od współczynnika tarcia i stosunku h 0 /d 0. Podczas spęczania w płaskich kowadłach (o współczynniku μ = 0) elementów walcowych o stosunku h 0 /d 0 > 2 (rys. 5.11a) na początku spęczania u podstaw odkuwki wytwarzają się wypukłości w kształcie baryłki połączone ze środkową częścią walcową (rys. 5.11b). Podczas dalszego spęczania średnica części walcowej stopniowo powiększa się i odkuwka przybiera kształt beczki. Gdy odkuwka jest niska (h 0 /d 0 < 2), materiał przybiera kształt baryłkowy (rys. 5.11c). Baryłkowość powstaje w wyniku nierównomiernego odkształcenia metalu. W podłużnym przekroju spęczanej próbki cylindrycznej można wyodrębnić trzy strefy odkształceń (rys. 5.12a). Strefy I przylegające do płaszczyzn czołowych próbki, od-

16 5. Procesy kucia swobodnego 247 kształcają 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 strefy II następuje w sposób ciągły, tak że brak między nimi wyraźnie zaznaczającej się granicy. Strefa III jest obszarem średnich odkształceń. Na rysunku 5.12b pokazano rozkład odkształceń linii siatek, naniesionych w przekroju osiowym spęczanego materiału, zaś na rysunku 5.12c rozkład intensywności odkształcenia. Rys Obszary nierównomiernych odkształceń podczas spęczania w odkuwce walcowej (a) oraz dla odkuwki o podstawie kwadratu: linie siatek prostokątnych (b) i intensywność odkształcenia (c) Na rysunku 5.13 pokazano kształt materiału po spęczaniu walca, prostopadłościanu o podstawie kwadratu i prostokąta. Podczas spęczania prostopadłościanu oprócz baryłkowatości bocznych ścian zniekształceniu ulegają również poprzeczne przekroje. W tym przypadku niejednorodność odkształcenia jest znacznie większa niż przy spęczaniu materiałów cylindrycznych. Przy spęczaniu dużych powierzchni, np. kołnierzy wałów głównych siłowni wiatrowych (rys. 5.14) wymagana jest bardzo duża siła nacisku, niekiedy wielokrotnie wyższa od nominalnego nacisku dostępnej prasy [3]. W takim przypadku stosuje się spęczanie segmentowe (rys b-g). Nierównomierność odkształcania się metalu podczas spęczania pogarsza znacznie jakość wyrobu. Podczas spęczania 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 plastycz-ności i ograniczenie stopnia spęczania dla wielu metali. Dlatego duże znaczenie mają w praktyce środki zmierzające do zmniejszenia nierówno-

17 248 Podstawy procesów kształtowania plastycznego mierności odkształcenia zarówno podczas spęczania, jak też podczas pozostałych operacji kuźniczych. Do takich czynników wpływających na obniżenie niejednorodności odkształcenia zaliczamy: dużą gładkość pracujących płaszczyzn narzędzia, podgrzewanie narzędzia do temperatury C, smarowanie pracujących płaszczyzn narzędzia. Rys Kształt materiału po spęczaniu: a walca, b i c prostopadłościanu o podstawie kwadratu i prostokąta Rys Spęczanie segmentowe kołnierza [12]: a odkuwka, b-g kolejne etapy spęczania Wydłużanie Operację, w której następuje wydłużanie się przedmiotu w kierunku jednej jego osi, kosztem zmniejszania przekroju prostopadłego do tej osi, nazywamy wydłużaniem. Wykonuje się ją w ten sposób, że nagrzany materiał układa się na dolnym kowadle i naciska lub uderza kowadłem górnym (rys. 5.15). Następnie materiał obraca się o 90 i ponownie uderza w miejsce poszerzone. Dwa kolejno po sobie następujące gnioty (naciski prasy lub uderzenia młota) z jednoczesnym obracaniem materiału

18 5. Procesy kucia swobodnego 249 o 90 nazywamy przejściem. Po każdym przejściu materiał zostaje przesunięty na kowadle i ponownie następuje gniot. Materiał w miejscu uderzonym zmniejsza swoją wysokość o wartość h = h o h, poszerza się o b = b b o i wydłuża o l = l l o. Do parametrów każdego oddzielnego gniotu zaliczamy: gniot jednostkowy (względny) bieżący stopień przekucia (współczynnik wydłużenia) h o h h wh (5.19) h h l l S o (5.20) S całkowity stopień przekucia jest równy iloczynowi stopnia przekucia poszczególnych gniotów S S S o S o o 1 k1 k (5.21) Sk S1 S2 Sk gdzie: S k pole powierzchni przekroju poprzecznego materiału po wydłużaniu. Rys Wydłużanie [18]: a schemat operacji, b zmiana poprzecznego przekroju podczas wydłużania

19 250 Podstawy procesów kształtowania plastycznego poszerzenie względne współczynnik kształtu b b o b b 1 1 b h b o o b 1 1 o 1 1; 1 2 (5.22) o (5.23) h Rozkład naprężeń i odkształceń występujących w równomiernie nagrzanym metalu podczas wydłużania zależy głównie od następujących czynników: wielkości posuwu względnego l p l w lub h 0 l p l w (5.24) D gdzie: h o wysokość początkowa wydłużanego materiału, D średnica początkowa wydłużanego materiału, l p posuw bezwzględny, czyli przesunięcie wzdłużne materiału po kowadle dolnym przed każdym uderzeniem kowadła górnego, najczęściej l p < s, gdzie s jest szerokością stosowanego kowadła (rys. 5.15). kształtu kowadła, kształtu wydłużonego materiału. Stosunek posuwu do wysokości lub średnicy wydłużonego materiału, tzw. posuw względny, wpływa na kierunek działania naprężeń wzdłużnych. Na rysunku 5.16 pokazano schematycznie jak zmienia się stan naprężenia w materiale w zależności od posuwu względnego. Część odkuwki, która uległa w danej chwili odkształceniu została na rysunku zakreskowana. Jej kształt zależy od stosunku l p / h o. Jeżeli l p / h o < 0,5 (rys. 5.16a), to będzie ona wklęsła, analogicznie jak podczas spęczania materiałów wysokich. Natomiast przy l p / h o > 0,6, będzie miała kształt baryłkowaty (rys. 5.16b). W wyniku wzajemnego oddziaływania stref odkształconych i nieodkształconych powstają na wklęsłej części konturu wzdłużne naprężenia rozciągające, a na wypukłej części konturu - naprężenia ściskające. Przy małym stosunku l p / h o naprężenia rozciągające są znacznie większe niż przy l p / h o dużym. Poza tym przy małym l p /H naprężenia rozciągające powstają w środku wlewka, tj. w strefie mało plastycznej, a przy du-

20 5. Procesy kucia swobodnego 251 żym stosunku l p /h o występują w warstwach zewnętrznych, mających wysoką plastyczność. Rys Wzajemne oddziaływanie stref odkształconych i nie odkształconych przy małym (a) i dużym (b) posuwie względnym Rys Kowadła kształtowe (profilowe) [18]: a kombinowane, b rombowe, c okrągłe, d półokrągłe Teoretycznie i doświadczalnie stwierdzono, że podczas wydłużania między kowadłami płaskimi materiałów o przekroju kwadratowym najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy stosunek l p / h o = 0,4 0,6. Gdy l p / h o < 0,4, występuje niedostateczne przekucie rdzenia w stosunku do pozostałego przekroju. Boczne ściany takiej odkuwki są wklęsłe. Gdy l p / h o > 0,6, materiał zostaje przekuty w całym przekroju, a boczne ścianki odkuwki otrzymują kształt baryłkowaty. Podczas wydłużania między kowadłami płaskimi materiałów o przekroju okrągłym nierównomierność odkształcenia jest znacznie większa niż podczas wydłużania materiałów o przekroju kwadratowym. Materiały okrągłe najkorzystniej jest wydłużać w kowadłach kształtowych (rys. 5.17). Kształt powierzchni bocznej podczas wydłużania w kowadłach płaskich materiału o przekroju poprzecznym kwadratowym w dwóch kolejnych uderzeniach pokazano na rysunku 5.18 a i b. Podczas wydłużania takimi samymi kowadłami, lecz materiału o przekroju poprzecznym okrągłym na rysunku 5.18 c. Kształt przekroju poprzecznego podczas wydłużania materiału okrągłego w kowadłach kombinowanych pokazano na rysunku 5.18d.

21 252 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys Kształt materiału po wydłużaniu w kowadłach płaskich a i b przekrój poprzeczny kwadratowy, c okrągły, d okrągły w kowadłach kombinowanych Ogólne zasady wydłużania materiał można obracać ruchem wahadłowym w lewo i w prawo (rys. 5.19a) lub w jedną stronę tzw. ruchem śrubowym (rys. 5.19b). Drugi sposób stosuje się przy kuciu twardych gatunków stali (np. narzędziowych) i metali mających małą prędkość rekrystalizacji w temperaturze kucia. Można również wykonywać szereg kolejnych uderzeń na jednej stronie pręta, posuwając go wzdłużnie i dopiero później obrócić o 90, przy czym odkształcenia siatek prostokątnych w kilku kolejnych przesunięciach pokazano na rysunku 5.19c-e. Gniot jednostkowy nie może być za duży i należy go tak dobierać, aby współczynnik kształtu wynosił 2 2,5. Przy dużym gniocie jednostkowym w wydłużonym materiale powstają zafałdowania. Rys Kolejność uderzeń podczas wydłużania przy obracaniu materiału ruchem wahadłowym (a) lub ruchem śrubowym (b) oraz odkształcenia siatek przy kilku kolejnych naciskach (c, d, e) [18]

22 5. Procesy kucia swobodnego 253 Wydłużanie przeprowadza się zawsze przez przekuwanie prętów na kwadrat. Jeżeli chcemy wydłużyć pręt okrągły, to najpierw przekuwamy go na kwadrat o boku równym średnicy pręta okrągłego. Następnie przekuwamy pręt na ośmiokąt, po czym w kształtowych kowadłach wyrównujemy powierzchnię pręta na okrągło. Kowadła przeznaczone do wydłużania powinny mieć powierzchnie czołowe wzajemnie równoległe. Oba kowadła (górne i dolne) muszą mieć jednakową szerokość i jednakowe promienie zaokrąglenia krawędzi. Przy niejednakowej szerokości kowadeł oś odkuwki ulega skrzywieniu, co stwarza bardzo niekorzystne i niebezpieczne warunki pracy kowala. Podczas kantowania należy uważać, aby płaszczyzny boczne odkuwki były prostopadłe do powierzchni czołowych kowadeł, a nie pochyłe, gdyż w takim przypadku wytwarza się para sił, która może spowodować wyśliźnięcie się materiału z kowadeł. Wydłużanie powinno się przeprowadzać na odpowiednio dużych młotach i prasach, przy czym materiał wydłużany powinien być nagrzany do właściwej temperatury. Przy właściwym nagrzewaniu materiału i silnych uderzeniach, powodujących przekucie części środkowej przekroju materiału, otrzymujemy rdzeń drobnoziarnisty, pręt zaś ma zakończenie wypukłe. Przy zbyt niskich temperaturach kucia lub słabych uderzeniach zostaje przekuta tylko powierzchniowa warstwa materiału, w wyniku czego otrzymujemy materiał z nie przekutym rdzeniem o zakończeniu wklęsłym. 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. Rozkuwanie pierścienia na trzpieniu należy do procesu wydłużania (rys. 5.20). Obliczenie liczby przejść. Podstawą do obliczania liczby przejść w procesie wydłużania są wymiary wsadu (rys. 5.21). Następnie przyjmuje się odkształcenie. W oparciu o te wielkości oblicza się wydłużenie, korzystając z wzoru 1 (5.25) 1 1 Współczynnik f n zależy od stosunku posuwu (bezwzględnego) l p do szerokości materiału przed zadaniem gniotu b n-1. Współczynnik f n wyznacza się z tabeli 5.1. f n

23 254 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys Rozkuwanie pierścienia na trzpieniu [14]: 1 kowadło, 2 trzpień Tabela 5.1. Wartość współczynnika f n l p /b 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 f n 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,27 0,32 0,37 0,4 0,43 0,5 0,56 0,63 0,7 S Mając dane wh i wyznacza się przekrój S 0 1 i długość l = λl 0 odkuwki po S gniocie oraz jej średnią szerokość b 1, gdzie h wysokość po gniocie h h h 0 1 (5.26) Stąd liczba nacisków prasy lub uderzeń młota n dla jednego przejścia gdzie: l n-1 długość pręta przed przejściem, l p posuw bezwzględny. n l l n1 (5.27) p

24 5. Procesy kucia swobodnego 255 Rys Zmiany wymiarów wsadu podczas wydłużania Nacisk prasy do wydłużania wyznacza się ze wzoru F zks (5.28) gdzie: z współczynnik zależny od kształtu kowadeł (z = 1 dla kowadeł płaskich, z = 1,25 dla kształtowych), k współczynnik uwzględniający wpływ kształtu i tarcia metalu o powierzchnię narzędzia, wyrażany wzorem p 3b a a k 1 (5.29) 6 b h gdzie: µ współczynnik tarcia, h wysokość odkuwki, b i a szerokość i długość kotliny odkształcenia pod koniec ruchu górnego kowadła (b > a), przy czym powyższa zależność nie różni się od podanej dla spęczania prostopadłościanu o podstawie prostokąta. S pole powierzchni odkuwki znajdującej się pod kowadłami, przy czym S = φ ψ. Siła nacisku prasy przy wydłużaniu w kowadłach półokrągłych (rys. 5.22) l p F 1,251,1 dl p sin p 180 d (5.30) 2 gdzie: kąt styku metalu z kowadłem, d średnica odkuwki. Pozostałe oznaczenia jak w poprzednich wzorach.

25 256 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys Wydłużanie pręta w kowadłach okrągłych Dziurowanie Operację kuźniczą, za pomocą której wykonuje się w odkuwkach otwory lub wgłębienia nazywa się dziurowaniem. Stosuje się dwie zasadnicze metody dziurowania: bez podkładanego pierścienia i z podkładanym pierścieniem. Dziurowanie bez podkładanego pierścienia można przeprowadzić dwoma sposobami: przebijakiem pełnym (rys. 5.23) lub drążonym (rys. 5.24). Proces ten można nazywać przebijaniem. Dziurowanie pełnym przebijakiem wykonuje się w następujący sposób. Po dokładnym ustawieniu spęczanego materiału w osi prasy ustawia się również dokładnie przebijak mniejszą średnicą ku dołowi (rys. 5.23a). Zbieżność przebijaka zmniejsza wartość nacisku podczas wgłębiania. Po lekkim wgłębieniu przebijak wyjmuje się, wsypuje do wgłębienia tłuczony miał węglowy, ponownie ustawia się i wgłębia przebijak na całą wysokość. Następnie podkłada się nadstawki (rys. 5.23b), których liczba zależna jest od głębokości otworu i powięk-sza się wgłębienia aż do chwili, gdy denko pod przebijakiem osiągnie grubość odpowiadającą 1015% wysokości odkuwki. Następnie obraca się ją i w środku śladu wyznaczonego dość wyraźnie przez przebijak wgłębiający ustawia się przebijak wycinający, służący do wycięcia denka i wypchnięcia przebijaka wgłębiającego (rys. 5.23c). Przebijak wycinający powinien mieć średnicę nieco mniejszą od wgłębia-jącego, co ułatwia jego przejście przez otwór. Wady tej metody przebijania to: duże zniekształcenie odkuwki, niska jakość odkuwki (przy przebijaniu pełnym przebijakiem materiał wlewka z wadami rozsuwa się na boki), konieczność stosowania dużych nacisków.

26 5. Procesy kucia swobodnego 257 Rys Dziurowanie odkuwki przebijakiem pełnym [18]: a początek procesu, b koniec procesu, c wycinanie denka. Oznaczenia: 1 pierwszy przebijak, 2 pierwsza nadstawka, 3 druga nadstawka, 4 drugi przebijak Dziurowanie przebijakiem drążonym (rys. 5.24) stosuje się do wykonywania w spęcza-nych wlewkach otworów o średnicy powyżej 450 mm. Stosując przebijak i nadstawki wykonuje się otwór we wlewku ustawionym na dolnym kowadle na głębokość 2/3 grubości materiału. Następnie wlewek ustawia się na pierścieniu i przebija otwór na wylot. Wstępne uderzenia podczas wgłębiania powinny być lekkie, aby można było poprawić ustawienie przebijaka w razie jego zejścia z osi otworu. W celu uniknięcia zakleszczenia się przebijaka w odkuwce należy oprócz zbieżności stosować podsypywanie miałem węglowym (miał spalając się wydziela gazy, tworzące warstwę izolacyjną między materiałem a przebijakiem). a) b) c) d) Rys Dziurowanie odkuwki przebijakiem drążonym [18]: a początek procesu, b zagłębianie przebijaka, c zagłębianie przebijaka z nadstawką, d wycinanie denka. Oznaczenia: 1 odkuwka, 2 przebijak wydrążony, 3 nadstawki, 4 - pierścień, 5 odpad wewnętrzny odkuwki

27 258 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Przebijanie przebijakiem wydrążonym ma następujące zalety: umożliwia wycięcie rdzenia, w którym przeważnie są skupione wady materiałowe, i uzyskanie odkuwek dobrej jakości, nie powoduje dużych zmian w kształcie odkuwki, wymaga mniejszej siły nacisku niż przebijanie przebijakiem pełnym, skraca czas i zmniejsza koszty wykonania. Wady tej metody to: trudność zdejmowania przebijaka z wyciętego rdzenia, duże odpady. Kształt odkuwki wyznaczony numerycznie programem QForm w procesie dziurowania przebijakiem pełnym i drążonym przedstawiono na rysunku Przebijak, zwłaszcza gdy otwory są długie, nagrzewa się i ulega odkształceniu, a zadziory powstające w ostatniej fazie przebijania powodują częste jego zakleszczenie na rdzeniu. Aby temu zapobiec, należy przebijać bardzo szybko, nie dopuszczając do nadmiernego nagrzania się narzędzi, a przebijaki wykonywać z materiałów stosowanych na narzędzia do pracy na gorąco. Rys Obliczony numerycznie kształt odkuwki w procesie dziurowania przebijakiem: a pełnym, b drążonym Siłę potrzebną do dziurowania można wyznaczyć wg wzoru F d 2 d 0 2 1,1ln p (5.31) 4 d p w którym: d p średnica przebijaka, d 0 średnica odkuwki przed dziurowaniem, σ p wytrzymałość materiału na rozciąganie w temperaturze dziurowania.

28 5. Procesy kucia swobodnego 259 Dziurowanie z podkładanym pierścieniem (rys. 5.26), zwane również wycinaniem, stosuje się przy nieznacznej grubości materiału, mniejszej od wysokości przebijaka. W celu wykonania otworu nagrzany materiał kładzie się na pierścień spoczywający na dolnym kowadle. Na odkuwce stawia się przebijak większą średnicą ku dołowi współosiowo z otworem pierścienia. Za pomocą górnego kowadła wciska się przebijak w materiał aż do chwili jego wejścia do pierścienia. Siłę wyciskania można w przybliżeniu wyznaczyć wg wzoru 0,7 0,8 dh w którym: H wysokość odkuwki, d i σ p oznaczenia jak we wzorze poprzednim. F p (5.32) Rys Dziurowanie z podkładanym pierścieniem [18]: a przed przebiciem, b po przebiciu. Oznaczenia: 1 kowadło górne, 2 przebijak, 3 odkuwka, 4 pierścień, 5 denko Odkształcenia powstające przy przebijaniu przebijakiem pełnym należy uwzględniać przy obliczaniu wymiarów wyjściowych krążka, który ma być przebity. Zmiany kształtu przebijanego krążka pokazano na rysunku 5.27a. Przy znanym stosunku d/d 0 i h/h 0 można określić stosunek H/H 0 i stąd wyznaczyć H na podstawie wykresu, podanego na rysunku 5.27b.

29 260 Podstawy procesów kształtowania plastycznego a) b) Rys Zmiany wymiarów krążka (a) i wykres do wyznaczania wysokości krążka (b) przebijanego przebijakiem pełnym [4] Rys Przebijanie półswobodne w narzędziach cylindrycznych: a-d kolejne etapy procesu przebijania W celu uzyskania wymaganego kształtu powierzchni bocznej przebijanego materiału bez koniecznosci dokonywania korekty w kolejnych zabiegach kucia, stosuje się przebijanie półswobodne w narzędziach przedstawionych na rysunkach 5.28 i Przykład technologii kucia swobodnego Opracowanie procesu technologicznego kucia swobodnego rozpoczyna się od wykonania rysunku odkuwki. Rysunek odkuwki (rys. 5.30) opracowuje się na podstawie rysunku gotowej części przez ustalenie: naddatków technologicznych, naddatków na obróbkę skrawaniem oraz dopuszczalnych odchyłek wymiarowych dla typowych kształtów odkuwek podzielonych według trudności wykonania. W tym celu