LABORATORIUM MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII

Transkrypt

1 Materiały pomocnicze dla studentów II roku studiów Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT o kierunku Inżynieria materiałowa, do realizacji ćwiczenia laboratoryjnego z przedmiotu: LABORATORIUM MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII pt. Procesy przeróbki plastycznej materiałów metalowych Zagadnienia: 1. Ogólna charakterystyka OP. 2. Mechanizmy odkształcenia plastycznego. 3. OP na zimno i gorąco. 4. Charakterystyka procesów OP: a) walcowanie, b) wyciskanie, c) kucie i prasowanie, d) ciągnienie, e) tłoczenie, f) cięcie i wykrawanie, g) pozostałe. Literatura: 1) W. Przetakiewicz i in. Ćwiczenia laboratoryjne z ogólnej technologii metali, WAT, S ; 2) M. Morawiec Przeróbka plastyczna podstawy teoretyczne, Wyd. Śląsk, Katowice, 1986; 3) J. Erbel Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa Walcowanie Parametry procesu walcowania W procesie walcowania żądany kształt przedmiotu otrzymuje się za pomocą odkształcenia plastycznego materiału, wywołanego przez obracające się walce. Rys. 1. Schemat walcowania wzdłużnego. Rozróżniamy trzy zasadnicze rodzaje walcowania: walcowanie wzdłużne, poprzeczne i skośne. Przy walcowaniu wzdłużnym odkształcenie dokonuje się między dwoma walcami o osiach równoległych, obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Na skutek tarcia, jakie występuje między walcami a metalem, zostaje on wciągnięty między walce i odkształcony.

2 Początkowa wysokość walcowanego metalu h 0 zmniejsza się do wysokości h 1 natomiast długość i szerokość powiększają się, przy czym zwykle długość powiększa się znacznie więcej niż szerokość i z tego powodu poszerzenie często się pomija. Metal walcowany otrzymuje ruch prostoliniowy, prostopadły do osi walców, w tym samym kierunku następuje jego największe wydłużenie. Obszar zawarty między walcami nazywa się kotliną walcowniczą. Materiał wchodzący do walców ma grubość h 0, szerokość b 0, długość l 0 i powierzchnie przekroju poprzecznego F 0. Po przejściu między walcami, czyli po jednym przepuście, jego wymiary zmieniają się odpowiednio na h 1, b 1, l 1, F 1. Do głównych parametrów wpływających na technologię walcowania należą: gniot, poszerzenie, wydłużenie i wyprzedzenie, gdzie: h 0 - wysokość (grubość) pasma przed walcowaniem (przepustem), b 0 - szerokość pasma przed walcowaniem, l 0 - długość pasma przed walcowaniem, h 1 - wysokość pasma po walcowaniu, b 1 - szerokość pasma po walcowaniu, l 1 - długość pasma po walcowaniu, F 0 - powierzchnia przekroju pasma przed walcowaniem, F 1 - powierzchnia przekroju pasma po walcowaniu. F 0 = h 0 b 0, F 1 = h 1 b 1 Przyjmuje się, że objętość metalu w czasie walcowania nie ulega zmianie, czyli V 0 = V 1 Jest to tzw. zasada stałej objętości materiału. Wyrażając objętość za pomocą jego wymiarów, otrzymamy: V 0 = V 1 = h 0 b 0 l 0 = h 1 b 1 l 1 co można zapisać: Po logarytmowaniu, otrzymuje się zasadę stałej objętości w odkształceniach rzeczywistych: φ h +φ b +ϕ l = 0 Wynika z tego, że z trzech głównych odkształceń rzeczywistych tylko dwa są niezależne. Znając wartości dwóch odkształceń, trzecie można obliczyć z powyższego związku. Zmiany wymiarów liniowych materiału nazywamy współczynnikami odkształcenia: gniot - jest to liniowe zmniejszenie wymiarów przedmiotu odkształconego pod działaniem siły ściskającej w kierunku jej działania, poszerzenie - jest to przyrost szerokości przedmiotu, wydłużenie - jest to przyrost długości przerabianego plastycznie przedmiotu. Tabela 1. Wskaźniki odkształcenia przy walcowaniu. Rodzaj wskaźnika odkształcenia Odkształcenie bezwzględne Odkształcenie względne Współczynniki odkształcenia Odkształcenie rzeczywiste Gniot h Poszerzenie b Wydłużenie l Ubytek przekroju F h = h 0 - h l b = b 0 - b l l = l 0 - l l F = F 0 - F l

3 Współczynnik wydłużenia w dowolnym przepuście można wyrazić jako gdzie: 0 - prędkość wejściowa metalu, h - prędkość wyjściowa metalu. Stopień odkształcenia w całym cyklu walcowania wyraża się za pomocą współczynnika całkowitego wydłużenia gdzie: śr - średni współczynnik wydłużenia, n - ilość przepustów. Wielkości współczynnika wydłużenia dla poszczególnych rodzajów procesów walcowania są różne i zależne od kształtu wykroju, konstrukcji walcarek i mocy napędu. Jego wartość zazwyczaj zawiera się w przedziale 1,12-1,6. W celu określenia ilości przepustów dla danego rodzaju walcowania, znając śr, n wylicza się ze wzoru Prostopadłościenną próbkę o wymiarach h 0, b 0, l 0 należy przewalcować w kilku przepustach na walcarce. Wcześniej należy zmierzyć jej grubość, szerokość i długość. Po każdym przepuście mierzyć jej grubość i szerokość, a długość wyznaczać z zasady stałej objętości. Podczas walcowania należy zwracać uwagę, aby próbkę podawać między walce prostopadle do płaszczyzny przechodzącej przez osie walców. Wyniki zestawić w tabeli. Na podstawie uzyskanych wyników należy sporządzić graficznie następujące zależności: wydłużenie względne, poszerzenie względne i względny ubytek przekroju w funkcji gniotu względnego; wydłużenie rzeczywiste i wydłużenie względne w funkcji gniotu względnego. Pomiar parametrów walcowania Lp. Wymiary próbki h mm b mm l mm Odkształcenie względne Odkształcenie rzeczywiste Współczynnik odkształcenia h b l h b l h b l Objętość Określenie warunku chwytu Aby pasmo mogło być wprowadzone między walce, jego grubość powinna być w pewnym stosunku do średnicy walców oraz do odległości między nimi. Ze względu na symetrię wystarczy rozpatrywać siły w odniesieniu do jednego walca. W chwili zetknięcia się metalu z walcem (Rys. 2) w punkcie A walec ciśnie na pręt siłą N prostopadłą do zarysu walca. Wskutek obrotu walca i pod wpływem siły N wystąpi w punkcie A siła tarcia styczna do obwodu walca i skierowana zgodnie z kierunkiem obrotu. Pasmo zostanie uchwycone przez walce gdy V mm 3 gdzie: F- siła spowodowana ruchem obrotowym samotoku podającego, B- siła bezwładności.

4 Rys. 2. Zależności pomiędzy kątem chwytu i kątem tarcia: a) w momencie chwytu metalu przez walce, b) przy ustalonym procesie walcowania Ponieważ T H = T cos i N H =N sin, można wyprowadzić wzór na współczynnik tarcia przy walcowaniu: Jeśli nie ma siły zewnętrznej F, a siłę bezwładności B można pominąć, to warunek chwytu pasma przyjmie postać > tg albo wyrażając współczynnik tarcia przez kąt tarcia czyli = tg otrzyma ostatecznie > Zatem walce chwytają materiał, gdy kąt chwytu jest mniejszy lub równy kątowi tarcia. Z powyższych rozważań można poczynić następujące uwagi: 1. Walcowane pasmo będzie tym łatwiej chwytane przez walce, im większa jest siła F wepchnięcia do walców (wywołana np. prędkością przemieszczania się arkusza blachy). 2. Przy takiej samej średnicy walców i wysokości pasma - im gniot jest mniejszy, tym mniejszy jest kąt chwytu i tym łatwiej następuje uchwycenie metalu przez walce. 3. Wielkość kąta chwytu zależna jest od średnicy walca - im jest on mniejszy tym kąt chwytu jest większy (przy nie zmienionej wysokości pasma). 4. Chwyt pasma przez walce ulega pogorszeniu wraz ze wzrostem temperatury, gdyż w zakresie przeróbki plastycznej na gorąco współczynnik tarcia maleje. 5. Ze wzrostem temperatury rośnie plastyczność walcowanego metalu i wówczas początek pasma ulega łatwemu odkształceniu, co ułatwia chwyt, gdyż zmniejsza się kąt. 6. Im większa jest prędkość obwodowa walców, tym pasmo trudniej jest przez nie chwytane, a zatem zwiększenie prędkości walcowania zmusza do stosowania mniejszych gniotów. Praktycznie więc, im większa jest średnica walców, tym większy jest kąt i tym łatwiej pasmo materiału jest przez nie chwytane. Ponieważ kąt chwytu może być co najwyżej równy kątowi tarcia, zatem maksymalny (dopuszczalny) gniot wyniesie h max = D (1 - cos) Maksymalny kąt chwytu, jaki można stosować przy danym rodzaju walców i danej średnicy, nazywa się granicznym kątem chwytu. Kąt chwytu oblicza się z następującej zależności: gdzie: D- średnica walca. Wartość kąta chwytu zależy przede wszystkim od współczynnika tarcia. Im współczynnik ten jest większy, tym łatwiej materiał zostaje wciągnięty między walce. Kąt

5 chwytu zależy ponadto od średnicy walców. Temperatura i prędkość walcowania wpływają na wartość kąta chwytu tak, jak zmienia się pod ich wpływem współczynnik tarcia. Po wypełnieniu szczeliny walcowniczej materiałem, kąt działania, wypadkowej P, nacisków walców zmienia się w stosunku do kąta chwytu istniejącego na początku walcowania i przyjmuje wartość β (rys.2b). W związku z tym, warunkiem walcowania jest: T cosβ P sinβ a zatem:. Przyjmując, że siła P działa w połowie długości łuku stykania się walca z materiałem, warunkiem walcowania jest α 2 Oznacza to, że po wypełnieniu szczeliny walcowniczej materiałem kąt chwytu można zwiększyć prawie dwukrotnie w stosunku do jego wartości pierwotnej. W procesach walcowania na gorąco, stosunek k = / wynosi , a przy walcowaniu na zimno Do określenia granicznego kąta chwytu stosujemy prostopadłościenną próbkę. Przed przystąpieniem do walcowania walce należy oczyścić ze smaru i górny walec opuścić na dolny. Następnie próbkę, po uruchomieniu walcarki, kładziemy na stół i bardzo lekko dociskamy do obracających się walców. Jednocześnie za pomocą pokręteł podnosimy górny walec do momentu chwycenia próbki przez walce. Po przewalcowaniu próbki mierzymy jej grubość i znając średnicę walców z powyższych wzorów, wyznaczamy graniczny kąt chwytu na początku walcowania. Tabela 2. Graniczne kąty chwytu w zależności od rodzaju walcowania Współczynnik tarcia Maksymalny kąt chwytu Rodzaj walcowania f walcowanie na gorąco: kęsiska 0,45-0, Maksymalny stosunek h/r kęsy 0,36-0, blachy walcowanie na zimno: na walcach gładkich 0,09-0, na walcach z beczką 0,05-0, Pomiar kąta chwytu Kąt Pomiar Prześwit chwytu 1 Kąt tarcia Średnica walców Graniczny kąt chwytu Gniot maksymalny 2. Wykrawanie Określenie siły cięcia Znajomość wartości siły cięcia jest konieczna ze względu na dobór nacisku i mocy silnika prasy lub nożyc odpowiednich do wykonania wyrobu. Wartość siły nacisku zależy przede wszystkim od długości linii cięcia, grubości materiału i jego wytrzymałości na ścinanie. Rys. 3 przedstawia zmianę siły cięcia w funkcji drogi stempla dla trzech różnych materiałów: kruchych, plastycznych i bardzo plastycznych. Moment, w którym następuje pęknięcie, zależy od rodzaju materiału. Dla materiałów miękkich i plastycznych, np. dla

6 ołowiu, cyny lub miękkiego aluminium, pęknięcie występuje w końcowej fazie procesu. Natomiast proces plastycznego płynięcia materiałów twardych (np. stal o dużej zawartości węgla) może być już na samym początku przerwany pęknięciem materiału. Rys. 3. Wykresy siły wykrawania w funkcji drogi stempla dla materiałów: a) bardzo plastycznych, b) plastycznych, c) kruchych. Jednakże pomimo pęknięcia, krążek blachy może nadal pozostawać w otaczającym go materiale. Jest to spowodowane wzajemnym zazębieniem się nierówności obu stron powierzchni pęknięcia. Siła nie spada więc do zera z chwilą pęknięcia, lecz utrzymuje się na pewnym poziomie. Spowodowane jest to również tarciem materiału o powierzchnię otworu płyty tnącej. Maksymalną silę cięcia oblicza się wg. wzoru F t = K L g R t gdzie: R t - wytrzymałość materiału na ścinanie, L - długość linii cięcia, g - grubość materiału, K - współczynnik uwzględniający występowanie gięcia przy cięciu, stępienie noży, K= 1,3-1,7. W celu zmniejszenia siły cięcia stosuje się: 1) cięcie stopniowe za pomocą wykrojnika lub matryc zukosowanych, stempli o różnej długości w przypadku równoczesnego wycinania kilku otworów; 2) podgrzewanie ciętego materiału, co powoduje zmniejszenie wartości R t. Dzięki tym działaniom uzyskuje się zmniejszenie siły cięcia o 10-60%, w zależnościom od kąta zukosowania i grubości materiału. Średnicę krążka wyjściowego D wyznaczamy: dla blach o grubości do 1 mm obliczenia prowadzi się dla walca o średnicy zewnętrznej wytłoczki; dla blach o grubości g > 1 mm obliczenia wykonać dla walca o średnicy średniej. D d 2 o 4 d o H H h ' h gdzie: d - średnica obliczeniowa wytłoczki, H - wysokość wewnętrzna obliczeniowa, h - wysokość wytłoczki bez kołnierza, h' - naddatek na obcięcie. Wysokość wewnętrzną obliczeniową należy przyjąć według tabeli: h [mm] H [mm]

7 Sprawozdanie 1. Wyznaczyć wymiary krążka dla wytłoczki, zgodnie z wytycznymi zawartymi w p Narysować przebieg siły wykrawania w funkcji drogi stempla, uzyskany w czasie próby wykrawania. 3. Obliczyć teoretycznie maksymalną siłę cięcia i porównać ją z uzyskaną na wykresie. 4. Przeprowadzić analizę jakość cięcia. 3. Wytłaczanie Określenie siły wytłaczania Silę nacisku stempla w funkcji jego przesunięcia przedstawiono na Rys. 4. Siła ta jest ściśle związana z oporem plastycznym kołnierza. Początkowo rośnie, a po osiągnięciu wartości maksymalnej P k max maleje, osiągając w końcowej fazie zupełnie małą wartość P t, niezbędną do pokonania oporów tarcia obrzeża wytłoczki o cylindryczną ściankę otworu matrycy. Siła tłoczenia osiąga największą wartość przy przesunięciu stempla odpowiadającemu ok. 0,3-0,5 wysokości gotowej wytłoczki. W tym właśnie momencie występuje niebezpieczeństwo obwodowego jej pęknięcia. Aby do tego nie dopuścić, proces musi być zrealizowany w ten sposób, żeby siła P max k była mniejsza od siły zrywającej wytłoczkę P zr. P max k < P zr Rys. 4. Przebieg siły nacisku stempla w funkcji jego drogi. Warunek ten jest spełniony wówczas, gdy stosunek średnicy d wytłoczki do średnicy D użytego do wytłaczania krążka jest większy od wartości granicznej Stosunek d/d = m 1 określamy mianem współczynnika wytłaczania (ciągnienia) m 1. W celu zmniejszenia niebezpieczeństwa pęknięcia wytłoczki (zmniejszenie m 1 ) należy tak przeprowadzać proces wytłaczania, aby maksymalna siła ciągnienia P max k była jak najmniejsza, zaś siła zrywająca dno P zr możliwie duża. Można osiągnąć to przez: a) zaokrąglenie krawędzi pierścienia ciągowego promieniem r m = (5-10)g oraz stempla r s = (4-6)g w celu zmniejszenia dodatkowego zaginania blachy na tej krawędzi; b) wypolerowanie powierzchni roboczych pierścienia ciągowego i dociskacza, po których ślizga się kształtowana blacha oraz smarowanie powierzchni trących (tarcie pomiędzy stemplem a wewnętrzną powierzchnią wytłoczki nie jest szkodliwe, a nawet polepsza warunki tłoczenia, powodując zwiększenie siły P zr ).

8 Rys. 5. Schemat procesu wytłaczania. Tabela 3. Najmniejsze dopuszczalne wartości współczynnika wytłaczania m 1 g/d ,5 1 0,6 0,3 0,15 0,08 d/d = m 1 0,48 0,5 0,53 0,55 0,58 0,6 0,63 g - oznacza grubość blachy Wartości współczynnika m 1 zależą stosunkowo nieznacznie od rodzaju kształtowanego materiału i są uniwersalne dla różnych gatunków stali, mosiądzu, miedzi. Przyjmując, że P zr / P k max = k maksymalną silę wytłaczania można wyznaczyć ze wzoru P k max = krdgr m Tabela 4. Wartości współczynnika k d/d = m 1 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 k 1 0,86 0,72 0,6 0,5 0,4 Przebieg ćwiczenia i sprawozdanie 1) zapoznać się z budową tłocznika, 2) dokonać pomiaru wymiarów próbek - średnicy krążka D K, i jego grubości g, 3) przeprowadzić próbę tłoczenia, 4) zmierzyć wysokość uzyskanych wytłoczek, 5) wyniki pomiarów zestawić w tablicy wyników. W sprawozdaniu umieścić: a) rysunki tłocznika, b) obliczenia P k max, c) wykresy przebiegu rzeczywistej siły nacisku, d) wnioski. Tabela wyników Lp. D K g d h R m m 1 k P 0 max 1 R m - wytrzymałość na rozciąganie badanego materiału, m 1 - współczynnik wytłaczania, k - współczynnik zależny od m 1, max P 0 - maksymalna siła nacisku określona z obliczeń, max P k - maksymalna siła nacisku uzyskana w doświadczeniu. P k max

9 Odkształcenia w procesie tłoczenia W procesie tłoczenia wytłoczek występują różne rodzaje naprężeń związane z ciągnieniem kołnierza wytłoczki (Rys. 6), generując odkształcenia w następujących kierunkach: promieniowym, stycznym, pionowym (po grubości). Rys. 6. Odkształcanie się elementu materiału w procesie wytłaczania W początkowej fazie procesu płaski element kołnierza I, w wyniku działania naprężeń promieniowych r i obwodowych t, wydłuża się w kierunku promieniowym, skraca w kierunku obwodowym i nieznacznie pogrubia się, zajmując położenie II. Następnie podczas zbliżania się elementu do krawędzi matrycy naprężenia ściskające stopniowo maleją, a zwiększają się naprężenia rozciągające. W dalszej operacji rozpatrywany element ulega gięciu, przesuwając się po roboczej krawędzi matrycy i przekształca się w element bocznej powierzchni naczynia, ulegając niewielkiemu wydłużeniu wzdłuż tworzącej. Natomiast na dnie cylindrycznej wytłoczki nie występują prawie żadne odkształcenia. Zaczynają się one pojawiać dopiero na promieniu zakrzywienia i przyjmują największe wartości przy końcu powierzchni walcowej. Fakt ten wynika z redukcji stale zmniejszającej się szerokości kołnierza. Oprócz wydłużenia w kierunku tworzącej 1, powstałego w wyniku działających naprężeń rozciągających o kierunku promienia 1 ( r ) i ściskających obwodowych 2 ( t ), występują również niepożądane odkształcenia w kierunku grubości materiału 3 ( g ). W pobliżu dna wytłoczki występuje pocienienie ścianki o około %, a przy brzegu pogrubienie o około 30%. Rys. 7. Odkształcenia w cylindrycznej wytłoczce. Ściskające naprężenia obwodowe osiągają największą wartość przy krawędzi naczynia, gdzie początkowa średnica krążka D zostaje zmniejszona do średnicy d m otworu matrycy. Powoduje to powstanie nadmiaru materiału utrudniającego kształtowanie bocznych ścianek naczynia, a w efekcie może prowadzić do fałdowania obrzeży naczynia (Rys. 8b). W tym celu stosuje się dociskanie materiału do czołowej powierzchni matrycy za pomocą pierścienia dociskającego. Najbardziej niebezpiecznym miejscem w procesie wytłaczania jest strefa

10 przejściowa z dna naczynia w ściankę boczną gdyż w tym miejscu działają jedynie naprężenia rozciągające powodujące znaczne pocienienie ścianki, mogące doprowadzić w efekcie do oderwania dna (Rys. 8a). Stopień odkształcenia podczas wytłaczania przedmiotów cylindrycznych wyraża się za pomocą współczynnika wytłaczania: który jest stosunkiem średniej średnicy wytłoczki d do średnicy krążka materiału wyjściowego D. Rys. 8. Wady wyrobów wytłaczanych: a) obwodowe pęknięcie ścianki bocznej, b) zafałdowanie kołnierza. Przebieg ćwiczenia 1) dokonać pomiarów krążka mierząc średnicę D 0 i grubość blachy g 0, 2) nanieść rysikiem siatkę bazową i dokonać jej pomiarów, 3) przeprowadzić operację tłoczenia wytłoczki. Wyniki pomiarów wytłoczki Rozmiar oczka siatki bazowej Lp Miejsce badania, rysunek oczka siatki i uwagi Wymiar oczka w kierunku x (promieniowo) y (obwodowo) dokonać pomiarów uzyskanej wytłoczki (średnicy zewnętrznej w 3 płaszczyznach wzdłuż tworzącej walca w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach), dokonać pomiarów grubości ścianek wytłoczki w 12 punktach po jej obwodzie, dokonać pomiarów wysokość wytłoczki w punktach j.w., dokonać pomiarów oczek siatki w charakterystycznych punktach wytłoczki, wyniki pomiarów przedstawić w tabeli i na wykresach. Sprawozdanie winno zawierać: tabele pomiarów i odkształceń oraz wykres odkształceń (patrz Rys. 7), obliczenia maksymalnego pocienienia i pogrubienia ścianki wytłoczki z zaznaczeniem na szkicu miejsc ich występowania, wnioski. Wyniki pomiarów odkształceń Uwagi Lp. ( ) 1