2 Badanie. technologicznych parametrów gięcia. Cel ćwiczenia: Adam Leśniewicz LABORATORIUM TECHNOLOGII. o o

Transkrypt

1 LABORATORIUM TECHNOLOGII 2 Badanie technologicznych parametrów gięcia Adam Leśniewicz Cel ćwiczenia: o o o zapoznanie z przebiegiem procesu gięcia blach, wyznaczenie siły, minimalnego promienia gięcia, kąta odkształcenia sprężystego (kąta sprężynowania) dla gięcia swobodnego i gięcia z dotłaczaniem, nabycie umiejętności obliczania wartości parametrów, niezbędnych do: projektowania procesu technologicznego gięcia (dobór pras), konstruowania tłoczników do gięcia. Strona 2-1

2 LABORATORIUM TECHNOLOGII ĆWICZENIE 2 Wykaz oznaczeń: b mm szerokość giętego przedmiotu F mm 2 powierzchnia rzutu dotłaczanego półwyrobu (pod stemplem) g mm grubość giętego przedmiotu p MPa nacisk jednostkowy dotłaczania P d N siła gięcia z dotłaczaniem P s N siłę gięcia (wyginania) swobodnego R 0,2 MPa umowna granica plastyczności R m MPa wytrzymałość na rozciąganie r m mm promień zaokrąglenia powierzchni roboczej matrycy r s mm promień stempla w mm rozstawienie krawędzi gnących matrycy (odległość między środkami promieni matrycy r m x współczynnik określający położenie warstwy neutralnej w zależności od r s /g α kąt gięcia β kąta powrotnego odkształcenia sprężystego przy gięciu 2.1 Wiadomości podstawowe Strona 2-2 W zaleŝności od rodzaju ruchu narzędzia w stosunku do obrabianego materiału wyróŝnia się: a) gięcie na prasach, b) gięcie na walcach, c) gięcie za pomocą przeciągania. Proces gięcia na prasach moŝna podzielić na następujące fazy: faza gięcia spręŝystego, faza gięcia plastycznego, faza dotłaczania (nie występuje podczas gięcia swobodnego). W początkowej fazie wyginania kształtowany np. płaskownik

3 BADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW GIĘCIA moŝna rozpatrywać jako belkę spoczywającą na dwóch podporach o rozstawieniu w, obciąŝoną w środku siłę skupioną P (rysunek 2.1). g P α A B A r s r m gięcie sprężyste 2 - gięcie plastyczne 3 - dotłaczanie Droga stempla p p Nacisk P M p Moment M A I B J A w Krzywizna 1/ρ Rysunek 2.1 Fazy procesu gięcia Pod działaniem siły belka ugina się spręŝyście. Faza gięcia spręŝystego kończy się z chwilą pojawienia się pierwszych odkształceń plastycznych w skrajnych włóknach materiału. a) b) α A A r s +0,5g B B c B α r s+0,5g B Rysunek 2.2 Kształt linii ugięcia w procesie gięcia: a) rzeczywisty, b) idealny. Dalszy wzrost nacisku stempla powoduje rozszerzanie się uplastycznionego odcinka płaskownika. Na odcinku IJ (rysunek 2.1) nastąpi trwałe zakrzywienie, natomiast ramiona A'I oraz JA wyginają się najpierw tylko spręŝyście, a potem równieŝ plastycznie. Po fazie gięcia plastycznego linia ugięcia płaskownika składa się (rysunek 2.2a) z odcinka B'B, który jest w przybliŝeniu łukiem koła o promieniu równym sumie promienia stempla Strona 2-3

4 LABORATORIUM TECHNOLOGII ĆWICZENIE 2 rs i połowie grubości płaskownika g, oraz odcinków A'B' i AB o krzywiźnie zmniejszającej się stopniowo do zera. Części ramion leŝące poza punktami A lub A' są proste, poniewaŝ nie działa na nie Ŝadne obciąŝenie zewnętrzne. Zarys rzeczywisty wyginanego przedmiotu róŝni się więc od zarysu idealnego (rysunek 2.2b) występowaniem, w tym pierwszym, odcinków o przejściowej krzywiźnie. JeŜeli chcemy otrzymać przedmiot o zarysie bardziej zbliŝonym do zarysu idealnego, musimy zastosować dotłaczanie. W tej fazie gięcia powierzchnie stempla i matrycy zbliŝają się do siebie, dzięki czemu wyginany przedmiot przyjmuje kształt narzędzi. Nacisk stempla podczas dotłaczania moŝe wielokrotnie przekroczyć wartość siły P występujące przy końcu fazy gięcie plastycznego (rysunek 2.1). Przebieg procesu gięcia, kształt otrzymanego zarysu przedmiotu oraz wielkość nacisku stempla zaleŝą od wymiarów roboczych części tłocznika, a przede wszystkim od rozstawienia krawędzi gnących matrycy w i promienia ich zaokrąglenia rm. Przy zbyt duŝym rozstawianiu krawędzi gnących (rysunek 2.3a) otrzymamy początkowo zbyt duŝy promień krzywizny w punkcie B, a ponadto wstępnemu trwałemu zakrzywieniu ulega odcinek AB o długości znacznie większej niŝ długość łuku gotowego przedmiotu. P P P C A B A T B r m rm a) b) c) w Strona 2-4 Rysunek 2.3 Wpływ wymiarów matrycy na przebieg gięcia W następnej fazie procesu część tego odcinka musi więc ulec rozgięciu i wyprostowaniu (rysunek 2.3b), co jednak niekorzystnie wpływa na dokładność wyginania. Zbyt małe rozstawienie krawędzi gnących (rysunek 2.3c) i zbyt mały promień ich zaokrąglenia powoduje znaczny wzrost nacisku stempla i często uniemoŝliwienie zagięcia na Ŝądany kąt oraz zmniejszenie grubości przedmiotu i jego wgniecenia. Zalecane wymiary matrycy (rozstawianie krawędzi gnących w, promień za-

5 BADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW GIĘCIA okrąglenia krawędzi gnących rm) w zaleŝności od stosunku promienia stempla rs do grubości zginanej blachy g przy gięciu pod kątem 90 podaje tabela 2.1. Ta sama tabela podaje równieŝ wartości współczynnika k, który potrzebny jest przy obliczaniu nacisku stempla dla wyrobów wyginanych bez dotłaczania. Tabela 2.1 Parametry wyginania pod katem 90 [1] Rodzaj materiału rs /g w /g rm /g Stal %C R0,2 =240 MPa Stal 0,42 %C R0,2 =350MPa Miedź Mosiądz (wyŝarzony) R0,2 =150 MPa ,6 2, ,6 2,5 4 6,8 7,9 9,6 12,5 7,1 8,3 9,9 12,8 6,2 7,4 9,2 12,2 3,7 3,3 3 2,4 2,1 1,9 1,75 1,5 5,8 4,8 3,7 2,6 Siłę gięcia (wyginania) swobodnego Ps, moŝna obliczyć z następującego wzoru [3]: 2 b g Rm Ps = 11, [N] w Obliczanie siły gięcia z dotłaczaniem umoŝliwia zaleŝność: Pd = p F [N] Tabela 2.2 Przybliżone wartości nacisku jednostkowego p [MPa] podczas gięcia z dotłaczaniem [2] Materiał Aluminium Mosiądz Stal 0,08 0,2%C Stal 0,25 0,35%C Grubości materiału g [mm] < Strona 2-5

6 LABORATORIUM TECHNOLOGII ĆWICZENIE 2 Najmniejsze dopuszczalne promienie gięcia. Najmniejsze dopuszczalne promienie gięcia powinny odpowiadać podatności materiału do odkształceń plastycznych i nie powodować pęknięć w skrajnych (rozciąganych) włóknach materiału. Minimalne promienie gięcia zaleŝę od: a) rodzaju i stanu materiału (dla materiałów bardziej umacniających się naleŝy stosować większe promienie gięcia), b) połoŝenia linii gięcia w stosunku do kierunku walcowania materiału (najmniejszy promień moŝna zastosować, gdy linia gięcia jest prostopadła do kierunku włókien), c) stanu powierzchni (nierówności, naderwania lub rysy występujące po stronie rozciąganej przyspieszają pękanie). Wartości najmniejszych dopuszczalnych promieni gięcia podaje tabela 2.3. Tabela 2.3 Najmniejsze dopuszczalne promienie gięcia r s Materiał: stal Kierunek gięcia do kierunku walcowania prostopadły Gięcie pod p kątem α równoległy ,08 0,10%C, 0,3g 0,5g 0.8g 0,8g 1g 1,5g 0,15 0,20%C, 0,5g 0,8g 1,3g 1,3g 1,6g 2.5g 0,25 0,30%C 0,8g 1,2g 2g 2g 2,5g 4g 0,40 0,50%C l,2g 1,8g 3g 3g 3,6g 6g Odkształcenie sprężyste przy gięciu. Strona 2-6 Rysunek 2.4 Zmiana kąta wygiętego przedmiotu wskutek sprężynowania: β -kąt sprężynowania W procesie gięcia występuję zarówno odkształcenia plastyczne

7 BADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW GIĘCIA jak i odkształcenia spręŝyste, które ustępuję po zakończeniu gięcia. Wskutek tego następuje zmiana wymiarów przedmiotu w porównaniu z wymiarami nadawanymi narzędziami tłocznika. Wspomnianą zmianę wymiarów nazywa się spręŝynowaniem lub odkształceniem spręŝystym powrotnym (rysunek 2.4) a wyraŝa zwykle zmianą kąta. Wielkość spręŝynowania zaleŝy od: rodzaju materiału, obróbki cieplnej, grubości, kształtu przedmiotu, kąta gięcia, a dla gięcia z dotłaczaniem dodatkowo od nastawienia prasy i stopnia zgniotu. Wartość spręŝynowania określa się zwykle na drodze doświadczalnej. Do przybliŝonego określania kąta odkształcenia spręŝystego β (jednostronnego) moŝna posłuŝyć się następującymi wzorami [2]: dla wyginania swobodnego: tg β = 0,375 w/(1 x ) g Re /E dla wyginania z dotłaczaniem ( α = 90 ): β = 0,43 r/g - 0,61 dla stali: C10, S185 (St1) β = 0,434 r/g - 0,36 dla stali: C15, C20, E295 (St5), Tabela 2.4 Wartości współczynnika x w funkcji r s /g przy gięciu pod kątem 90 (stal miękkiej o zawartości 0,10-0,20%C [2] rs/g 0,25 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 5,0 x 0,35 0,25 0,40 0,42 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 Tabela 2.5 Wartości katów sprężynowania β [ ] przy gięciu swobodnym pod kątem 90 [3] Materiał Rm [Mpa] rs/g Grubość materiału g [mm] do 0,8 0,8 2 powyŝej 2 Stal miękka Rm 350 < Mosiądz Rm< ,5 1,5 0,5 Aluminium > Stal Rm = < 1 2,5 1 0 Mosiądz Rm> ,5 0,5 > 5 4 2,5 1,5 Stal twarda Rm > 550 < 1 3, ,5 2,5 1,5 > 5 6 3,5 2,5 Strona 2-7

8 LABORATORIUM TECHNOLOGII ĆWICZENIE 2 W celu skompensowania kąta spręŝynowania przy gięciu nale- Ŝy zmniejszyć kąt stempla o podwójną wartość kąta spręŝynowania. Sposoby zapobiegania zjawisku powrotnego spręŝynowania materiału w procesie gięcia przedstawia rysunek 2.7. a) b) c) d) Rysunek 2.7 Sposoby kompensowania kąta sprężynowania przez: a) odkształcenie sprężyste ramion po operacji gięcia; b) sprężyste zakrzywienie dna; c) dotłaczanie bocznymi szczękami; d) wywołanie dodatkowego odkształcenia plastycznego w miejscu gięcia. Wady wytłoczek giętych Na rysunkach rysunkach 2.6a f przedstawiono często spotykane wady wytłoczek, wykonane metodą gięcia na prasach: a) Wgłębie głębienie w postaci bruzdy, na zewnętrznej po- p wierzchni blachy i biegnącej wzdłuŝ krawędzi gięcia WydłuŜenie poprzeczne powoduje lokalny ubytek grubości tego obszaru i prowadzi do powstania bruzdy, widocznej na powierzchni blachy. b) Esowaty kształt zagiętego ramienia, będący śla- dem rozginania niepotrzebnie zakrzywionego od- o cinka Przyczyną tej wady jest nadmierna długość plastycznie zakrzywionego odcinka giętego ramienia. Strona 2-8

9 BADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW GIĘCIA c) ) Wgniecenie krawędzi gnącej stemplem w we-w wnętrzną powierzchnię blachy Wadę te moŝemy zaobserwować przy zbyt małym promieniu zaokrąglenia krawędzi stempla rs w stosunku do grubości blachy g. Aby tego uniknąć nale- Ŝy przestrzegać zaleŝności rs /g > 1,5. d) ) Pęknięcie blachy biegnące wzdłuŝ zagiętej kra- wędzi Aby uniknąć pękaniu zewnętrznej, rozciąganej warstwy materiału stosunek promienia rw do grubości blachy g nie moŝe być mniejszy od wartości granicznej, która jest zaleŝna od rodzaju materiału oraz od kierunku zginanej krawędzi względem kierunku walcowania. JeŜeli te dwa kierunki będą zgodne wtedy będzie to oznaczać przyspieszenie pękania materiału. e) ) Uszkodzenie powierzchni wytłoczki w od ślizgającej się po powierzchni blachy krawędzi matrycy Wada ta jest wywołana nadmiernym naciskiem jednostkowym, wywieranym przez krawędzi gnącą matrycy, która ślizgała się po powierzchni blachy. Przeciwdziałać moŝna temu przez odpowiedni dobór środków smarujących, stosowanie narzędzi z materiału wykazującego mniejsze powinowactwo chemiczne lub azotowanie powierzchni narzędzi. f) ) Deformacja przekroju poprzecznego Podczas gięcia plastycznego następują najczęściej zmiany kształtu przekroju poprzecznego elementu giętego spowodowane zwiększeniem się wymiarów warstw poprzecznych ściskanych oraz zmniejszenie się analogicznych wymiarów warstw rozciąganych. Aby zapobiec zniekształceniu, gięcie prowadzi się z udziałem dodatkowo wywołanych duŝych napręŝeń rozciągających, które zmniejszają wartość napręŝeń w strefie ściskanej Rys. 9.6 Wady wytłoczek, wykonane metodą gięcia na prasach Strona 2-9

10 LABORATORIUM TECHNOLOGII ĆWICZENIE Wykonanie ćwiczenia Strona 2-10 Gięcie próbek przeprowadza się na prasie. 1. Określić wymiary próbek pomiar długości L, szerokość b, grubość g kaŝdej próbki 2. Określić minimalne promienie gięcia dla próbek stalowych giętych pod kątem 90º (tabela 2.3) 3. Z kompletu stempli dobrać stemple o odpowiednich promieniach gięcia (zaleŝnie od grubości próbki g) 4. Dobrać parametry konstrukcyjne matryc: a) określić stosunek rs /g, b) w tabeli 2.1 znaleźć liczbę najbliŝszą obliczonej wartości rs /g, c) w tym samym rzędzie tabeli znaleźć liczbę określającą stosunek w/g d) dla danej wartości g obliczyć wymiar matrycy w i promień matrycy rm, e) z kompletu matryc dobrać matryce wymienne odpowiadającą obliczonym parametrom. Przykład doboru matrycy (pkt 3 i 4): Ad 3. Dla stali niskowęglowej o grubości g=1mm, zadziorów skierowanych do środka i kierunku linii gięcia w stosunku do kierunku włókien pod kątem 90º najmniejszy dopuszczalny promień gięcia rs=0,8 mm (tabela 2.3). Z kompletu stempli naleŝy wybrać najbliŝszy o promieniu większym, czyli rs=1 mm. Ad 4. Dla rs /g = 1mm, w/g=6,8, rm/g =3,7 oraz k= 52,97 MPa (tabela 2.1). Teoretyczne wymiary matrycy: w=6,8 mm, rm=3,7 mm. 5. Obliczyć siłę gięcia swobodnego. 6. Obliczyć powierzchnię dotłaczanego półwyrobu pod stemplem (F=bw). 7. Obliczyć z pomocą oprogramowania siłę gięcia swobodnego, siłę gięcia z dotłaczaniem oraz kąt spręŝynowania β.

11 BADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW GIĘCIA 8. Przeprowadzić próby wyginania swobodnego, zanotować rzeczywistą siłę gięcia. 9. Przeprowadzić próby gięcia z dotłaczaniem, zanotować rzeczywistą siłę gięcia. Rysunek 2.6. Szkic tłocznika: 1 płyta dolna, 2 płyta górna, 3 kolumna prowadząca, 4 gniazdo matrycy wymiennej 5 stempel wymienny, 6 prowadnica stempla, 7 matryca wymienna. 10. Zmierzyć kąty wygiętych próbek. Określić rzeczywisty kąt spręŝynowania βrz. Porównać kąty spręŝynowania próbek wyginanych swobodnie i z dotłaczaniem (obliczonych na podstawie podanych wyŝej wzorów i tabela 2.5). 11. Porównać zaobserwowane siły gięcia z obliczonymi i wyciągnąć wnioski odnośnie doboru matryc. Strona 2-11

12 LABORATORIUM TECHNOLOGII ĆWICZENIE Dokonać oględzin wygiętych próbek, sprawdzić czy pojawiły się pęknięcia w warstwach rozciąganych, wyciągnąć wnioski z zastosowanych promieni gięcia. Literatura 1. Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z., Techniki wytwarzania. Obróbka plastyczna, PWN Warszawa Romanowski W.P., Tłoczenie na zimno. Poradnik, WNT Warszawa Praca zbiorowa pod redakcją J. Sobolewskiego: Projektowanie technologii maszyn, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Strona 2-12