WYWIJANIE OBRZEśY OTWORÓW W BLACHACH GRUBYCH

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali Nr 4, 2005 Procesy cięcia i kształtowania blach, prętów i rur mgr inŝ. Waldemar Matysiak Politechnika Poznańska, Poznań WYWIJANIE OBRZEśY OTWORÓW W BLACHACH GRUBYCH Streszczenie W artykule przedstawiono: przebieg i wyniki badań procesu wywijania obrzeŝy otworów w blachach grubych. Badania procesu wywijania realizowane były w Laboratorium Zakładu Obróbki Plastycznej Instytutu Technologii ów Politechniki Poznańskiej. Badania podjęto w związku z moŝliwością zastosowania lasera do wycinania otworów w blachach grubych. W wyniku przeprowadzonych badań wykonano serię prób przy uŝyciu stempli: walcowego, kulistego i stoŝkowego oraz krąŝków z blach Bw11, 34GXA i 15HGMV o róŝnych średnicach otworów. Otwory uzyskano poprzez wiercenie i wycinanie laserem. Stwierdzono wpływ sposobu uzyskania na moŝliwości wywijania i jakość wywiniętych obrzeŝy. Słowa kluczowe: obróbka plastyczna, kształtowanie obrzeŝy, wywijanie 1. Wprowadzenie Wywijanie jest procesem, w którym występuje powiększenie uprzednio wyciętych otworów i wywinięcie dookoła tych otworów ścianek, najczęściej walcowych lub stoŝkowych. W czasie procesu wywijania występują znaczne wydłuŝenia obwodowe. Największą wartość osiągają one na brzegu i tu właśnie powstają pierwsze pęknięcia. Moment powstania pęknięć, dla określonego i sposobu wywijania, zaleŝy od wartości odkształcenia i sposobu wykonania [1]. W czasie wywijania następuje wzrost średnicy obrzeŝa kosztem zmniejszenia grubości ścianki, zgodnie z rysunkiem 1. Wywijanie przeprowadza się dwoma metodami: wyoblania lub tłoczenia. Wymaganą wysokość wywiniętego moŝna uzyskać po odpowiednim dobraniu średnicy d wykonanego uprzednio w blasze o grubości g 0. nie moŝe być dobrana dowolnie, bowiem jeśli przekroczona zostanie pewna wartość graniczna, to mogą się pojawić pęknięcia na krawędzi. Rys. 1. Schemat wywijania Stopień odkształcenia przy wywijaniu obrze- Ŝy otworów określa się stosunkiem średnicy w półfabrykacie do średnicy obrzeŝa, czyli tzw. współczynnikiem wywijania [1]. k w d d = > gr. (1) D D gdzie: d średnica przed wywijaniem, D średnica wywijania (średnica obrzeŝa), wg warstwy środkowej, gr. wartość graniczna.

2 Wartość granicznego współczynnika wywijania k w zaleŝy od [1]: chropowatości powierzchni obrzeŝa, im większa chropowatość, tym większe ryzyko pęknięcia obrzeŝą, względnej grubości półfabrykatu, wyra- Ŝonej stosunkiem g 0 /D 0, cieńszy materiał wyjściowy szybciej pęka z uwagi na dalsze pocienienie przy wywijaniu, gatunku i jego własności, kształtu roboczej części stempla i promienia r. Im większy promień r, tym materiał jest mniej podatny na pękanie. obrzeŝa jest obliczana według zaleŝności [1]: ( D d) ) + 0,43r 0,72 0 H = 0,5 + g [mm] (2) gdzie: r promień zaokrąglenia matrycy, g 0 grubość wyjściowego. krąŝków wynosiła 8 mm (rys. 2), szczelina między stemplem i matrycą z = g 0. Wymienione stale były wykonane na specjalne zamówienie Politechniki Poznańskiej, stal gatunku Bw 11 w Hucie Częstochowa a 34GXA i 15HGMV w Hucie Batory. Rys. 2. KrąŜek wyjściowy do badań Przed przystąpieniem do badań zaprojektowano geometrię narzędzi i przygotowano stanowisko do wywijania obrzeŝy otworów (rys. 3). Najmniejsza grubość g 1 na krawędzi obrzeŝa wynosi [1]: g1 = g 0 k w [mm] (3) gdzie: g 1 grubość na krawędzi obrzeŝa. wywijania stemplem walcowym w przybliŝeniu obliczana jest wg wzoru [1]: ( D )) P = 1,1 π gre d [N] (4) gdzie: R e granica plastyczności. Celem prowadzonych badań była ocena przydatności otworów wycinanych laserowo do wywijania, porównanie wysokości i grubości ścianek wywiniętych obrzeŝy otworów wierconych i wycinanych laserowo. Rys. 3. Przyrząd do wywijania obrzeŝy otworów zamontowany na prasie PYE 250 Do prób zastosowano trzy rodzaje stempli: o kształcie walcowym, kulistym oraz stoŝkowym (rys. 4). 2., metodyka i wyniki badań doświadczalnych Do badań uŝyto w postaci krąŝków o średnicy 160 mm, które zostały wytoczone z kwadratów o boku 170 mm oraz wycięte laserowo z pasów blach następujących gatunków: Bw11, 34GXA, 15HGMV. Rys. 4. Stemple uŝyte do prób wywijania Skład chemiczny wywijanych blach przedstawiono w tablicy 1.

3 Skład chemiczny stali uŝytych do wywijania Tablica 1 Znak gatunku stali C Mn Si P S Skład chemiczny, % Cr Ni Cu Al Mo V Ca 34GXA 0,280 1,080 0,190 0,008 0,002 0,150 0,221 0,060 0, Bw11 0,09 0,13 0,30 0,5 0,13 0,025 0,025 0,20 0,2-0,03 0, HGMV 0,12 0,18 0,80 1,0 0,2 0,020 0,015 1,25 1,5 0,4 0,10 0,01 0,03 0,80 1,00 0,20 0,30 ~0,002 KrąŜki zostały wycięte na maszynie do cięcia laserowego Behrens CB2500, wyposaŝonej w laser Triagon 2500 o nominalnej mocy lasera 2700W. Parametry cięcia laserowego podano w tablicy 2. Tablica 2 Parametry cięcia laserowego Proces wywijania przeprowadzono na prasie PYE 250. Charakterystykę prasy podano w tablicy 3. Tablica 3 Dane charakterystyczne prasy PYE 250 Nacisk nominalny 2500 kn Moc lasera w [%} [W} 45% / 1215W Ciśnienie gazu [mbar] 330 Posuw startu w [mm/min.] 800 Posuw cięcia w [mm/min.] 1300 Wielkość dyszy tnącej śred. otw. w [mm] Chłodzenie dyszy Odległość dyszy tnącej od 1 tak 0,5 Maksymalna siła powrotu suwaka Maksymalna prędkość suwaka przy ruchu w dół Maksymalna prędkość suwaka przy ruchu w górę Maksymalny skok suwaka Nominalne ciśnienie w układzie hydraulicznym Wymiary stołu 800 kn 20 mm/s 63 mm/s 500 mm 20 MPa 900x700 mm Rodzaj gazu wspomagającego cięcie tlen Soczewka ogniskująca 5 W tablicy 2 wymieniono parametry, które były optymalnymi parametrami cięcia dla danej maszyny. Pozwoliły one uzyskać największą prędkość cięcia i najmniejszą chropowatość ciętej powierzchni. Próby rozpoczęto od zamocowania krąŝka w przyrządzie oraz dociśnięciu go dociskaczem. Jako pierwsze wywijano próbki z otworami wyciętymi laserowo. UŜyto środka smarnego Rotanor CZU. Wyniki tych prób przedstawiono w tablicach 4 9.

4 Wyniki wywijania obrzeŝy otworów wyciętych laserowo, stempel walcowy Tablica 4 wywiniętego ,6 30,4 400 Bw ,4 31, ,0 32, ,2 30, GXA 8 21 próbka pęknięta ,2 28, HGMV ,8 29, próbka pęknięta - - Wyniki wywijania obrzeŝy otworów wyciętych laserowo, stempel kulisty Tablica 5 wywiniętego ,1 31,1 320 Bw ,6 29, ,4 28, ,5 27, GXA 8 21 próbka pęknięta ,1 27, HGMV 8 21 próbka pęknięta - - Wyniki wywijania obrzeŝy otworów wyciętych laserowo, stempel stoŝkowy Tablica 6 wywiniętego ] ,5 26,8 340 Bw ,1 27, ,8 28, ,5 26, GXA 8 21 próbka pęknięta ,8 26, HGMV 8 21 próbka pęknięta - -

5 Wyniki wywijania obrzeŝy otworów wierconych, stempel walcowy Tablica 7 wywiniętego , Bw ,1 32, ,9 31, ,3 30, GXA ,9 31, , ,2 29, HGMV , próbka pęknięta - - Wyniki wywijania obrzeŝy otworów wierconych, stempel kulisty Tablica 8 wywiniętego ,9 28,3 280 Bw ,5 29, ,2 30, ,9 28, GXA ,6 30, ,2 31, ,5 28, HGMV 8 21 próbka pęknięta - - Wyniki wywijania obrzeŝy otworów wierconych, stempel stoŝkowy Tablica 9 wywiniętego ,5 26,7 320 Bw ,1 27, ,4 28, ,4 27, GXA ,1 28, próbka pęknięta ,5 27, HGMV ,2 27, próbka pęknięta - -

6 Jak wynika z danych podanych w tablicach 4 9 największą wysokość wywijanych obrzeŝy uzyskano dla otworów wierconych z blachy Bw11. Zastosowanie róŝnych stempli pozwoliło zredukować wartości sił, ale nie miało istotnego wpływu na grubość wywiniętych ścianek i wysokości obrzeŝy. Wywijanie obrzeŝy otworów wycinanych laserowo w wielu przypadkach nie powiodło się na skutek występowania strefy wpływu ciepła na obrzeŝu wywijanym, o odmiennej twardości w porównaniu do osnowy. Po przeprowadzeniu badań dokonano pomiarów grubości ścianki g 1. ścianki g 1 i wysokość H wywiniętego obrzeŝa mierzono w czterech punktach próbki co 90 o. Nie stwierdzono istotnego wpływu kształtu stempla na grubość ścianki i wysokość. Przeprowadzone badania dowodzą, Ŝe wywijanie nie wszystkich obrzeŝy zakończyło się powodzeniem. pękał juŝ na początku procesu. Próbki z pękniętym obrzeŝem przedstawiają rysunki 5a i b. a) Przyczyną pękania obrzeŝy jest wpływ cięcia laserowego (oddziaływania temperatury) na wywijane obrzeŝe [1, 2, 3]. Warstwa będąca pod wpływem lasera jest utwardzona (Strefa Wpływu Ciepła - SWC), co potwierdziły badania twardości. Pomiaru twardości dokonano metodą Vickersa pod kątem 30 0 do krawędzi próbki (rys. 6a). Schemat rozkładu twardości w próbkach przedstawiono na rys. 6b. a) Twardość [HV] ,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 Odległość od krawędzi [mm] Rys. 6. a) Schemat pomiaru twardości; rozkład twardości w próbkach O występowaniu strefy SWC świadczą takŝe róŝne struktury metali przy powierzchni cięcia i w osnowie. Struktura strefy SWC tuŝ przy powierzchni cięcia jest martenzytyczna (rys. 7a), podczas gdy struktura osnowy stali Bw11 jest ferrytyczna z niewielkim udziałem perlitu ze skoagulowanymi cząstkami cementytu (rys. 7. Rys. 5. Próbki z pękniętym obrzeŝem

7 a) Rys. 8. a) Struktura martenzytyczna strefy SWC cięcia laserowego dla stali 15HGMV; struktura bainityczna osnowy występująca w krąŝku ze stali 15HGMV Z pomiaru grubości strefy wpływu ciepła SWC cięcia laserowego wynika, Ŝe jest ona róŝna dla krąŝków wykonanych z róŝnych gatunków stali. Rozkład wielkości strefy wpływu ciepła - SWC dla stali 15HGMV przedstawiono na rys. 9. Rys. 7. a) Struktura martenzytyczna strefy SWC cięcia laserowego; struktura ferrytyczna z niewielkim udziałem perlitu ze skoagulowanymi cząstkami cementytu osnowy charakterystyczna dla stali Bw11 W krąŝku ze stali 15HGMV struktura SWC przy powierzchni cięcia jest martenzytyczna (rys. 8a), podczas gdy struktura stali poza strefą jest bainityczna (rys. 8. a) Rys. 9. Rozkład wielkości strefy wpływu ciepła cięcia laserowego na grubości krąŝka, na przykładzie krąŝka ze stali 15HGMV Aby zapobiec pękaniu nie zwiększano średnic otworów, poniewaŝ wysokość obrzeŝy wywiniętych byłaby mała a ich przydatność znikoma. Istotny wpływ na pękanie ma równieŝ chropowatość powierzchni wokół otworów (rys. 10).

8 a) Rys. 10. Powierzchnie wokół otworów: a) wyciętego laserem; wierconego Pomiarów chropowatości dokonano profilometrem firmy Hommel Werke. Średnie wartości parametru R a otworów wyciętych laserem wynosiły: - dla Bw11 R a = 4,79, - 34GXA R a = 4,58, - 15HGMV R a = 6,16. Średnie wartości parametru R a otworów wierconych wynosiły: - dla Bw11 R a = 2,65, - 34GXA R a = 2,45, - 15HGMV R a = 3,02. Wnioski Z przeprowadzonych badań parametrów technologicznych wywijania obrzeŝy otworów z róŝnych materiałów, uzyskanych róŝnymi metodami i przy róŝnych kształtach stempli moŝna wyciągnąć następujące wnioski: 1. Największą wysokość wywijanych obrzeŝy uzyskano dla otworów wierconych z blachy Bw Wywijanie obrzeŝy otworów wycinanych laserowo w wielu przypadkach nie powiodło się na skutek występowania strefy wpływu ciepła - SWC na obrzeŝu wywijanym, o odmiennej twardości w porównaniu do osnowy. 3. Pękanie obrzeŝy jest równieŝ wynikiem róŝnej chropowatości powierzchni wokół otworów uzyskanych róŝnymi metodami. 4. Przy przeprowadzaniu prób stwierdzono wpływ sposobu uzyskania na moŝliwość wywijania i jakość wywiniętych obrzeŝy. 5. Zastosowanie róŝnych stempli pozwoliło zredukować wartości sił, ale nie miało istotnego wpływu na grubość wywiniętych ścianek i wysokości obrzeŝy. 6. Aby moŝliwe było stosowanie cięcia laserowego do wycinania otworów, których obrzeŝa będą wywijane, naleŝy otwór wycinany laserowo dodatkowo poddać obróbce skrawaniem, tak, aby usunąć strefę wpływu ciepła SWC. 7. NaleŜy stwierdzić, Ŝe wycinanie laserowe otworów moŝe zastąpić proces wycinania otworów na prasach, ale naleŝy stosować dodatkowo obróbkę skrawaniem lub obróbkę cieplną obrze- Ŝy, chyba Ŝe nie są potrzebne wysokie wywinięte obrzeŝa. 8. Dalsze próby powinny być ukierunkowane na: wprowadzenie obróbki cieplnej obrzeŝy, wprowadzenie skrawania cienkiej warstwy utwardzonej wokół. Literatura 1. Romanowski W. P., Poradnik obróbki plastycznej na zimno, WNT, Warszawa Marciniak Z., Konstrukcja tłoczników, Warszawa Ivanom Ju. L., Otbortovka flance v stenke trubnoj zagotovki, Kuzn. štampov. Proiz t. 41 nr 1 s

9 FORMATION ROUND OPENING FAT SHEET METAL Abstract This article presents investigations as well results thick blanks burring. Investigations has made at Division of Plastic Working Institute Materials Technology Poznan University of Technology. An investigation has started because using laser events for thick discs cutting. In result of investigations some experiments has made using punches; cylindrical, spherical, conical, using disc blanks made of BW11, 34GXA and 15HGMV with different holes dimensions. Holes made conventional drilling and laser technique. Influence using holes made technique for specimen s quality has observed. Key words: plastic processing, formation edges, burring