Klasyfikacja i podstawy teoretyczne procesów obróbki plastycznej metali

Transkrypt

1 Klasyfikacja i podstawy teoretyczne procesów obróbki plastycznej metali Wiadomości ogólne Obróbka plastyczna ma na celu zmianę własności i kształtu materiałów w wyniku odkształcenia plastycznego na gorąco lub na zimno. Pod działaniem sił zewnętrznych metale ulegają odkształceniom. Zdolność metali do zmiany kształtu pod działaniem sił zewnętrznych jest wykorzystywana w przemyśle do wytwarzania z wlewków różnego rodzaju półfabrykatów, jak pręty, blachy, kształtowniki, rury. Półfabrykaty przerabia się następnie na gotowe przedmioty, np. śruby, druty, gwoździe, naczynia blaszane i wiele innych. 1

2 Wiadomości ogólne Do najbardziej charakterystycznych cech procesów obróbki plastycznej należą: 1. Duża wartość naprężeń koniecznych do kształtowania wyrobów. Naprężenia osiągają wartość od 50 do 2500 MPa w zależności od rodzaju procesu i gatunku kształtowanego materiału. Ponieważ niejednokrotnie półwyrób (lub jego część) poddawany odkształceniu plastycznemu jest duży, więc zachodzi konieczność stosowania dużych sił nacisku. Na przykład w procesach kucia siła nacisku może osiągać wartość nawet 750 MN. Wiadomości ogólne 2. Możliwość całkowitego przeformowania materiału (duże wartości odkształceń). Wymaga to stosowania urządzeń pozwalających uzyskać dużą wartość nacisków - zatem maszyn wielkogabarytowych, ciężkich i co za tym idzie - drogich. Plastyczne kształtowanie wyrobów odpowiedniej jakości wymaga stosowania maszyn bardzo precyzyjnych. Dlatego też zakłady stosujące procesy obróbki plastycznej muszą mieć odpowiednio wyposażoną narzędziownię. 2

3 Wiadomości ogólne 3. Zastosowanie procesów tylko do produkcji wielkoseryjnej ze względu na duży koszt maszyn i urządzeń do obróbki plastycznej. Jeżeli jest spełniony ten warunek, to można w pełni wyeksponować zalety obróbki plastycznej jako techniki wytwarzania: a) dużą wydajność (krótki czas produkcji), b) wysoką dokładność, wąski zakres tolerancji wymiarów i kształtu, c) dobre właściwości mechaniczne wykonanych części. Wiadomości ogólne Obróbka plastyczna korzystnie wpływa na rozkład włókien w kształtowanym przedmiocie, powodując poprawę własności mechanicznych. Jeżeli naprężenia wywołane działaniem sił zewnętrznych nie przekraczają pewnej wartości zwanej granicą plastyczności, to odkształcenie nazywa się sprężystym. Odkształcenie takie nie jest trwałe, lecz ustępuje po ustaniu działania siły na metal. Przekroczenie granicy plastyczności powoduje pojawienie się w materiale, oprócz odkształceń sprężystych, również i odkształceń trwałych (plastycznych). 3

4 Wiadomości ogólne Wyroby wykonywane z zastosowaniem procesów obróbki plastycznej są często stosowane - wyróżnia się następujące grupy tychże wyrobów: 1. Części pojazdów mechanicznych, maszyn i urządzeń precyzyjnych. 2. Narzędzia ręczne, takie jak młotki, klucze, pilniki, narzędzia chirurgiczne. 3. Części łączne i mocujące. 4. Różnego typu naczynia i pojemniki. 5. Części konstrukcyjne stosowane w budownictwie, drogownictwie i górnictwie. 6. Części wyposażenia mieszkań i części dekoracyjne Wiadomości ogólne Wymienione typy wyrobów są wykonywane z różnego rodzaju materiałów metalowych - począwszy od różnych gatunków stali, poprzez stopy metali nieżelaznych, aż do najnowocześniejszych materiałów kompozytowych. Celem większości procesów obróbki plastycznej jest nadanie materiałowi wyjściowemu żądanego kształtu, a więc wywołanie odpowiednich odkształceń plastycznych materiału bez naruszenia jego spójności. Uzyskanie żądanych odkształceń jest możliwe tylko wówczas, gdy materiał zostanie poddany działaniu naprężeń określonej wartości. Dlatego też do opracowania procesów obróbki plastycznej jest niezbędna znajomość związków między naprężeniami a odkształceniami plastycznymi. 4

5 Wiadomości ogólne Właściwości wyrobu z określonego gatunku materiału kształtowanego metodami obróbki plastycznej zależą od sposobu kształtowania i warunków prowadzenia procesu. Do warunków tych należy przede wszystkim zaliczyć temperaturę kształtowania, wartość odkształcenia i prędkość odkształcenia oraz stan wyjściowy materiału. Technologia obróbki plastycznej stwarza szczególnie duże możliwości wpływania na właściwości użytkowe. Odpowiedni dobór operacji obróbki plastycznej i ewentualnie obróbki cieplnej oraz cieplno-chemicznej pozwala uzyskać pożądany rozkład umocnienia, korzystny układ naprężeń własnych, właściwy przebieg włóknistych zanieczyszczeń. Wiadomości ogólne Granica plastyczności odkształcanego materiału w dostatecznie niskiej temperaturze wzrasta w sposób ciągły w miarę zwiększającego się odkształcenia. Zwiększenie temperatury odkształcenia do temperatury rekrystalizacji lub wyższej, umożliwiającej wystąpienie procesów odnowy struktury, powoduje wielokrotne zmniejszenie oporu plastycznego materiału oraz eliminuje umocnienie półwyrobów. Stąd też przyjęto podział obróbki plastycznej na tzw. obróbkę na zimno i na gorąco. Obróbką plastyczną na gorąco nazywa się kształtowanie materiału w temperaturze równej temperaturze rekrystalizacji lub wyższej od niej. Procesy kształtowania przebiegające w temperaturze niższej są zaliczane do obróbki plastycznej na zimno. 5

6 Wiadomości ogólne Temperatury rekrystalizacji różnych metali i stopów zależą głównie od ich temperatury topnienia i wynoszą: dla stali ok. 550 C, dla aluminium ok. 200 C, dla miedzi ok. 250 C, dla mosiądzu ok C, dla cyny i cynku ok. 20 C. Wiadomości ogólne Wynika z tego, że np. obróbka plastyczna stali w temperaturze ok. 500 C jest obróbk ą plastyczną na zimno, natomiast obróbka plastyczna cynku w temperaturze ok. 30 C jest obróbk ą plastyczną na gorąco. Nie znaczy to jednak, że obróbki plastycznej na gorąco dokonuje się w temperaturze niewiele przekraczającej temperaturę rekrystalizacji, gdyż w miarę jej wzrostu zwiększa się plastyczność materiału i do kształtowania są potrzebne mniejsze naciski. 6

7 Wiadomości ogólne Temperatura obróbki plastycznej na gorąco dla różnych metali i stopów wynosi: dla stali C, dla aluminium C, dla miedzi C, dla mosiądzu C, dla cyny i cynku ok C. Wiadomości ogólne 7

8 Wiadomości ogólne W celu wyeliminowania takich wad obróbki plastycznej na gorąco jak intensywne utlenianie powierzchni półwyrobów i mała dokładność wymiarowa, z jednoczesnym zachowaniem możliwie małych oporów plastycznego kształtowania w porównaniu z wytrzymałością narzędzi, wprowadzono tzw. obróbką plastyczną na półgorąco. Mechanizm odkształceń plastycznych We wszystkich procesach obróbki plastycznej wykorzystuje się zdolność metali do odkształceń trwałych. Jak wiadomo, metale mają budowę krystaliczną która występuje również po ich odkształceniu plastycznym. Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego jest odkształcenie przez poślizg. W chwili powstania pierwszych odkształceń plastycznych na powierzchni odkształcanego kryształu pojawiają się charakterystyczne pasma, nazywane pasmami poślizgu. 8

9 Mechanizm odkształceń plastycznych Pasma te składają się z szeregu linii poślizgu. Jak można sprawdzić pod bardzo dużym powiększeniem, linie poślizgu są w rzeczywistości bardzo cienkimi warstwami metalu, przesuniętymi względem siebie. Płaszczyzny, wzdłuż których nastąpiły te przesunięcia, nazywają się płaszczyznami poślizgu. Mechanizm odkształceń plastycznych Obecność dyslokacji w krysztale powoduje, że szeregi atomów w pobliżu linii dyslokacji znajdują się w stanie wychylenia z położenia równowagi, bez działania naprężeń zewnętrznych. Działanie nawet bardzo niewielkich naprężeń zewnętrznych, powodujących tylko nieznaczne przesunięcia atomów, jest już dostatecznym bodźcem do spowodowania ruchu dyslokacji. Ruch ten występuje wzdłuż płaszczyzn łatwych poślizgów. Jeżeli dyslokacje wyjdą na powierzchnię kryształu, to tworzy się uskok. Jest to jednoznaczne z uzyskaniem odkształcenia trwałego. 9

10 Mechanizm odkształceń plastycznych Mała wartość granicy plastyczności materiałów wyżarzonych świadczy o istnieniu w tych materiałach odpowiedniej liczby dyslokacji. Liczbę tę określa się przez podanie tzw. gęstości dyslokacji p. W materiale odkształconym plastycznie dyslokacje tworzą się w miejscach, gdzie istnieje odpowiednie zaburzenie sieci krystalicznej. Najczęściej źródłami dyslokacji są granice ziarn lub zaburzenia spowodowane obcymi wtrąceniami. Gdy gęstość dyslokacji w krysztale jest zbyt mała i są trudności w ich tworzeniu się, wówczas występują znaczne naprężenia uplastyczniające. Mechanizm odkształceń plastycznych Drugim mechanizmem odkształcenia plastycznego jest bliźniakowanie.. Bliźniakowanie, tak jak i poślizg, może zachodzić po osiągnięciu krytycznej wartości naprężenia stycznego. Podczas bliźniakowania część kryształu przechodzi w położenie symetryczne do pozostałej części względem pewnej krystalograficznej płaszczyzny. Przemieszczenie atomów kończy się po przesunięciu tylko o część odległości międzyatomowej, dlatego też bliźniakowanie nie powoduje znacznego odkształcenia plastycznego. Schemat rozmieszczenia atomów podczas bliźniakowania 10

11 Mechanizm odkształceń plastycznych Metale techniczne są ciałami polikrystalicznymi, zawierającymi wiele zanieczyszczeń. Osie krystalograficzne poszczególnych ziarn są na ogół zorientowane chaotycznie. Podczas odkształcania plastycznego musi zachodzić jednoczesne odkształcanie wielu ziarn. Następuje ono przy znacznie większych naprężeniach niż odkształcanie pojedynczego kryształu. Jest to spowodowane przede wszystkim zachowaniem spójności, a więc dostosowaniem kształtu każdego ziarna do ziarn sąsiednich. Nie każdy z systemów poślizgu jest korzystnie zorientowany w stosunku do działających naprężeń, a więc wywołanie poślizgów wymaga działania naprężeń odpowiednio większych. Mechanizm odkształceń plastycznych Duże wartości naprężeń są również związane z występowaniem pewnych przemieszczeń ziarn względem siebie, co podczas odkształcania materiałów polikrystalicznych jest nieuniknione. Przemieszczenia te zachodzą w wąskich strefach przy granicach ziarn, a w niektórych przypadkach wzdłuż granic ziarn 11

12 Plastyczność metali Przez plastyczność rozumiemy zdolność danego metalu do odkształcania bez objawów naruszenia spójności. Plastyczność zależy od składu chemicznego, struktury, temperatury, prędkości odkształcenia i od stanu naprężenia. Największą plastyczność uzyskują metale pod wpływem trójosiowego wszechstronnego ściskania. W przeciwieństwie do tego przy wszechstronnym rozciąganiu plastyczność jest najmniejsza. Na plastyczność ma wpływ nie tylko schemat głównych naprężeń i odkształceń, lecz również znak i wartość tych naprężeń. Im większa ujemnie jest wartość średniego naprężenia ściskającego, tym większa jest plastyczność Plastyczność metali Kształtowanie materiału podczas obróbki plastycznej przebiega w różnej temperaturze i przy różnych prędkościach odkształcenia. Ich dobór zależy od rodzaju półwyrobu i zastosowanego procesu technologicznego. Górna temperatura kształtowania może być zbliżona do temperatury topnienia, dolna zaś jest zwykle równa temperaturze otoczenia. Możliwość zastosowania szerokiego zakresu wartości temperatury powoduje, że kształtowanie odbywa się przy różnych wartościach naprężeń uplastyczniających. Zmiana tych naprężeń jest wynikiem oddziaływania na opór ruchu dyslokacji wielu zjawisk aktywowanych cieplnie, które mogą wpływać na liczbę przeszkód w poszczególnych ziarnach, zmiany zachodzące na granicach ziarn i tworzenie się nowych struktur. 12

13 Plastyczność metali Zależność naprężenia uplastyczniającego od prędkości odkształcenia jest konsekwencją zależności tegoż od temperatury. Wszystkie bowiem procesy aktywowane cieplnie zachodzą ze skończoną prędkością i to tym większą, im wyższa jest temperatura. Zmniejszenie prędkości odkształcenia, a więc przedłużenie czasu trwania procesu, powoduje zatem taki sam skutek jak zwiększenie temperatury. Plastyczność metali Struktura wyjściowa materiału wywiera wpływ na wartość naprężenia uplastyczniającego. Im większe są wymiary ziarn, tym mniejszy jest opór plastyczny materiału. Wynika to ze wzrostu długości swobodnej drogi ruchu dyslokacji. Pomimo to unika się stosowania materiałów gruboziarnistych, ze względu na ujemne właściwości, takie jak wytrzymałość, skłonność do pękania, możliwość ujawniania poszczególnych ziarn na swobodnych powierzchniach wyrobów kształtowanych plastycznie. 13

14 Kucie Wprowadzenie Kuciem nazywamy proces obróbki plastycznej na gorąco lub na zimno, podczas którego z materiałów w postaci wlewka, kęsiska, kęsa lub pręta kształtuje się wyrób przez wywarcie uderzenia lub nacisku. Kucie ma na celu nie tylko nadanie materiałowi odpowiedniego kształtu, lecz ponadto poprawę własności mechanicznych. Kucie, podczas którego nacisk na materiał ma charakter statyczny i jest wywierany przez prasę lub kuźniarkę, nazywamy prasowaniem. Kucie dzieli się na ręczne i maszynowe swobodne lub matrycowe. 14

15 Wprowadzenie Proces technologiczny kucia obejmuje następujące czynności: 1. Przygotowanie materiału do kucia, tj. cięcie, czyszczenie, nagrzewanie 2. Kucie 3. Wykończenie odkuwek, tj. okrawanie, oczyszczanie, wyżarzanie i ewentualnie dogniatanie Nagrzewanie materiału do kucia Do kucia ręcznego materiał nagrzewa się przeważnie w ogniskach kowalskich lub małych piecach komorowych. Do miejscowego nagrzewania materiału stosuje się piece oczkowe lub szczelinowe opalane gazem lub mazutem. Piece te są piecami komorowymi, które zamiast drzwiczek wsadowych mają w ścianie przedniej otwory lub szczelinę do wkładania prętów w celu nagrzania ich odcinków. 15

16 Nagrzewanie materiału do kucia Komora spalania 3 znajduje się pod komorą grzejną, do której przez szczelinę 2 wkłada się pręty 1 przeznaczone do ogrzania. Piece szczelinowe a) do nagrzewania końców pręta b) do nagrzewania prętów w dowolnym miejscu Nagrzewanie materiału do kucia Do nagrzewania całkowitego materiałów są stosowane piece komorowe gazowe lub na paliwo ciekłe. W ścianie komory 1 znajdują się palniki 2. Uchodzące spaliny przechodzą przez rekuperator 3, który nagrzewa powietrze 4 doprowadzane do palników. W ścianie przedniej znajdują się drzwiczki 5 do załadowania wsadu. 16

17 Nagrzewanie materiału do kucia Piece te mają bardzo prostą konstrukcję i są wykonywane w różnych wielkościach. Piece małe wykonuje się jako przenośne, a większe (o powierzchni trzonu powyżej 4 m 2 ) jako stale. Piece na paliwa ciekłe różnią się od gazowych tylko konstrukcją palników. Są stosowane również piece elektryczne oraz urządzenia do grzania oporowego prądem elektrycznym, ale są bardzo drogie w eksploatacji z uwagi na bardzo duże zużycie prądu. Kucie swobodne Podczas kucia swobodnego wszystkie czynniki kowalskie są wykonywane bez użycia specjalnych narzędzi kształtowych; wykorzystuje się wówczas wyłącznie narzędzia uniwersalne. Do kucia używa się narzędzi pomocniczych, które ułatwiają trzymanie materiału lub służą do nadawania mu odpowiedniego kształtu. 17

18 Kucie swobodne Narzędzia kowalskie robocze a) przecinak, b) podcinka, c) zastosowanie podcinki d) przebijaki, e) trzpienie, f) podsadzki, g) nadstawki, h) żłobniki, i) obsadzak, j) foremniki, k) gładziki, l) kowadło na pieńku ł) dziurownica (płyta kowalska) m) kleszcze Kucie swobodne Do trzymania materiału podczas kucia swobodnego używa się kleszczy. Ich kształt i wymiary powinny być dobrane tak, aby zapewniały wygodne i mocne uchwycenie materiału. a) b) c) Dobór kleszczy: a, b) nieprawidłowy, c) prawidłowy 18

19 Kucie swobodne Do kucia ręcznego używa się młotków. Dzieli je na jednoręczne o masie 1-3 kg i dwuręczne o masie 6-8 kg. Szersza część młota nazywa się obuchem, a węższa - rąbem. Kucie swobodne Kucie swobodne odbywa się na kowadle. Do kucia ręcznego używa się zwykle kowadła przedstawionego na. Górna powierzchnia kowadła nazywa się gładzią 1. Po jednej lub po dwóch stronach kowadła znajdują się rogi 2. Róg kanciasty służy do kucia i zginania, a róg stożkowy do wykuwania. W gładzi kowadła znajdują się otwory 3. Otwór kwadratowy służy do zamocowywania w nim narzędzi pomocniczych, np. podstawki lub podcinaka Otwór okrągły ułatwia przebijanie otworów w materiale. Dolną część kowadła stanowi wystający próg, służący do spęczania dłuższych prętów. Kowadło spoczywa na dębowym pniaku. 19

20 Zabiegi i operacje kucia swobodnego Podstawowymi operacjami kucia ręcznego są: przecinanie, przebijanie, wydłużanie, spęczanie, wyginanie, odsądzanie i zgrzewanie. Przecinanie odbywa się na kowadle za pomocą przecinaków i podcinek. Przecinaki a) siekierowy, b) tępy, c) kształtowy Zabiegi i operacje kucia swobodnego Przebijanie otworów może się odbywać na kowadle lub dziurownicy. 20

21 Zabiegi i operacje kucia swobodnego Wydłużanie materiału wykonuje się młotkiem lub żłobnikiem na kowadle. Falistą powierzchnię materiału, powstałą po przejściu żłobnika, wygładza się gładzikiem. Wydłużanie: a) za pomocą nakładki, b) za pomocą kowadeł wypukłych Zabiegi i operacje kucia swobodnego Wydłużanie na kowadle: a) wydłużanie za pomocą żłobnika, b) rozszerzanie za pomocą żłobnika, c) rozszerzanie płaskownika rabem młotka, d) wygładzanie gładzikiem kowalskim 21

22 Zabiegi i operacje kucia swobodnego Poszerzanie Cyfry oznaczają miejsca kolejnych uderzeń młotka Zabiegi i operacje kucia swobodnego Spęczanie polega na uderzaniu młotkiem w materiał ustawiony pionowo na kowadle, wskutek czego pręt staje się krótszy i grubszy. Chcąc spęczyć pręt w określonym miejscu, np. w środku lub na końcu, należy go nagrzać w tym miejscu. spęczanie sworznia na końcu spęczanie sworznia w środku 22

23 Zabiegi i operacje kucia swobodnego Wyginanie materiału. wyginanie na rogu kowadła wyginanie na krawędzi kowadła Zabiegi i operacje kucia swobodnego Odsadzaniem nazywa się zmniejszenie grubości materiału na jego końcu; jest ono wykonywane na kowadle za pomocą odsadzki. 23

24 Zabiegi i operacje kucia swobodnego Zgrzewanie polega na łączeniu stali przez nagrzanie jej do wysokiej temperatury (ok C) i zł ączenie pod uderzeniami młota. Końce materiału ścina się ukośnie, nagrzewa, starannie oczyszcza ze zgorzeliny i pod odpowiednim naciskiem. e) zgrzewanie stykowe (doczołowe), f) zgrzewanie na zakładkę, g) zgrzewanie w klin Kucie maszynowe Kucie maszynowe jest to sposób kucia, w którym nacisk na materiał wywiera maszyna, działająca naciskiem lub uderzeniem (prasa, kuźniarka, młot mechaniczny itp.). Kucie na prasach nazywa się prasowaniem. Kucie maszynowe dzieli się na swobodne i matrycowe. Najczęściej maszynowe jest wykonywane na młotach. Młoty ze względu na zastosowanie dzieli się na: do kucia swobodnego i do kucia matrycowego. Ze względu na rodzaj napędu rozróżnia się młoty o napędzie mechanicznym oraz młoty parowo-powietrzne. 24

25 Kucie maszynowe Najczęściej stosowanym młotem do kucia swobodnego o napędzie mechanicznym jest młot sprężarkowy. Młot ten jest używany w małych kuźniach. Buduje się w różnych wielkościach o ciężarze bijaka 0,5 5 kn. W dużych kuźniach do kucia swobodnego są stosowane młoty parowo-powietrzne o ciężarze bijaka do 60 kn. Kucie maszynowe Kucie matrycowe polega na nadawaniu kształtu wykonywanym przedmiotom za pomocą udarowego działania narzędzia zwanego matrycą. Matryca składa się, podobnie jak forma odlewnicza, z dwóch części odtwarzających kształty zewnętrzne wyrobu. Dolna część matrycy podczas pracy spoczywa na szabocie młota lub na stole prasy. Górna część, umocowana do bijaka młota lub suwaka prasy, uderza w dolną, nieruchomą, część matrycy. Jeżeli w obszarze działania matrycy znajduje się dostatecznie plastyczny materiał, to przybiera on postać przedmiotu, którego kształty zewnętrzne są odtworzone w matrycy. 25

26 Kucie maszynowe Matrycę jednowykrojową. Górna jej część 2 jest połączona z bijakiem 3 młota za pomocą klina 5 i wpustu 6. Dolna część 1 jest zamocowana w obsadzie 4 klinem 7 i wpustem 8. Obsada spoczywa w szabocie 10, z którą jest połączona klinem 9. Na dolnej części matrycy spoczywa materiał 11, który pod działaniem młota lub prasy odkształca się plastycznie i wypełnia wgłębienia matrycy, zwane wykrojem. Kucie maszynowe Wykrój odpowiadający kształtem gotowej odkuwce w płaszczyźnie podziału jest otoczony rowkiem, w którym zbiera się nadmiar materiału, tzw. wypływka. 26

27 Kucie maszynowe Obcina się ją w następnej operacji w specjalnej okrojnicy. Składa się ona z płyty tnącej 3 wspartej na podstawie (niewidocznej na rysunku) oraz stempla 2 dopasowanego do kształtu odkuwki, który naciskając odkuwkę 1 przetłacza ją przez otwór płyty tnącej. Odcięta wypływka 4 pozostaje na powierzchni płyty tnącej. Kucie maszynowe Kucie matrycowe ma duże zastosowanie w produkcji seryjnej odkuwek, przede wszystkim w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym. Umożliwia ono wykonywanie odkuwek o skomplikowanych kształtach w bardzo krótkim czasie. Ostatnio coraz częściej do dokładnego kucia (prasowania) matrycowego stosuje się prasy korbowe, przeważnie typu Maxi. 27

28 Kucie maszynowe Kuźniarki są to prasy poziome służące do spęczania końców prętów lub rur w matrycach. Na kuźniarkach produkuje się między innymi odkuwki pierścieni łożysk tocznych i zaworów silników spalinowych. Tłoczenie 28

29 Tłoczenie Tłoczenie to proces technologiczny obróbki plastycznej na zimno lub gorąco, obejmujący operacje cięcia i kształtowania blach oraz folii lub płyt niemetalowych albo przedmiotów o małej grubości w stosunku do innych wymiarów. Procesy tłoczenia dzieli się na cięcie i kształtowanie. Tłoczenie Cięciem nazywamy operacje, podczas których następuje naruszenie spójności materiału zarówno całkowite, jak i częściowe. Operacje cięcia można podzielić na: odcinanie, wycinanie, dziurkowanie, przycinanie, okrawanie, nacinanie, rozcinanie i wygładzanie Operacje kształtowania dzieli się na: gięcie, ciągnienie, obciąganie, wywijanie, wygniatanie, rozpęczanie, obciskanie, wyciskanie itp. 29

30 Tłoczenie Operacje cięcia: a) wycinanie, b) dziurkowanie, c) przycinanie, d) okrawanie, e) nacinanie 1 wyrób, 2 odpad, 3 stempel, 4 matryca Tłoczenie Najczęściej stosowanymi operacjami cięcia są wycinanie, zwane również wykrawaniem, i dziurkowanie. Operacje te wykonuje się na prasie za pomocą przyrządu zwanego wykrojnikiem. Rozróżnia się wykrojniki bez prowadzenia i z prowadzeniem płytowym lub słupowym. Wykrojniki: a) bez prowadzenia, b) z prowadzeniem słupowym 1.2 słupy, 3 głowica, 4 stempel, 5 płyta tnąca, 6 płyta podstawowa, 7 czop 30

31 Tłoczenie Wykrojnik bez prowadzenia jest przeznaczony do mniej dokładnego wykrawania. Stempel jest zamocowany w suwaku prasy, a płyta tnąca - na stole prasy dokładnie w osi stempla. W wykrojniku z prowadzeniem stempel 4 jest zamocowany w głowicy 3 prowadzonej w dwóch słupach 1 i 2. Płyta tnąca jest zamocowana na płycie podstawowej 6 mocowanej do stołu prasy Czop 7 jest zamocowany w suwaku prasy. Wykrojniki z prowadzeniem zapewniają większą dokładność wycinania lub dziurkowania. Należy zaznaczyć, że między wycinaniem a dziurkowaniem jest tylko różnica w określeniu, które część ciętej blachy jest wyrobem, a która odpadem. Przy dziurkowaniu blach z otworami jest wyrobem, a przy wycinaniu odwrotnie. Wszystkie operacje cięcia są wykonywane przeważnie za pomocą wykrojników na prasach mimośrodowych. Ciągnienie składa się z następujących operacji: wytłaczanie, przetłaczanie i dotłaczanie. Pierwszą operacją ciągnienia jest wytłaczanie, czyli wykonanie np. z krążka blachy o średnicy D naczynia w kształcie miseczki za pomocą stempla o średnicy d. Tłoczenie 31

32 Tłoczenie Następną operacją ciągnienia jest przetłaczanie, w czasie którego następuje zmniejszenie wymiarów miseczki uprzednio wytłoczonej, np. ze średnicy d 1 na średnicę d 2. Tłoczenie Jeżeli chcemy uzyskać miseczkę o małej średnicy i dużej wysokości, to należy powtórzyć operację przetłaczania nawet kilkakrotnie, stosując między operacyjne wyżarzanie rekrystalizujące w celu usunięcia skutków umocnienia. Dotłaczanie stosuje się po wytłoczeniu, jeżeli przedmiotowi należy nadać ostateczny kształt. 32

33 Tłoczenie Do nowoczesnych metod tłoczenia zalicza się: tłoczenie wybuchowe, przy którym wykorzystuje się energię detonacji materiałów wybuchowych, tłoczenie pneumatyczne, które polega na wykorzystaniu energii wysokoprężnych gazów, tłoczenie elektrohydrauliczne, polegające na wykorzystaniu energii wyładowań elektrycznych w cieczy, tłoczenie elektromagnetyczne, w którym jest wykorzystane działanie na blachę impulsu pola magnetycznego. Tłoczenie Do tłoczenia używa się najczęściej pras mimośrodowych, korbowych i hydraulicznych. Do ciągnienia używa sie bardzo często pras podwójnego działania, aby zapewnić zróżnicowany nacisk na stempel i na dociskacz. Do cięcia, a najczęściej wycinania i dziurkowania, używa się pras mimośrodowych. Do ciągnienia mają zastosowanie prasy korbowe, kolanowe, a również hydrauliczne (przeważnie podwójnego działania). 33

34 Tłoczenie Wszystkie prasy są uruchamiane dźwignią ręczną lub nożną i powinny być zabezpieczone przed możliwością włożenia ręki w obszar prac suwaków. Ostatnio stosuje się zabezpieczenia za pomocą fotokomórki, która powoduje natychmiastowe zatrzymanie prasy w przypadku, gdy zbliży się rękę do obszaru pracy suwaków. Nowoczesne prasy są sterowane wyłącznie elektrycznie i zamiast dźwigni są wyposażone w pulpit sterowniczy z przyciskami do uruchamiania i sterowania mechanizmami prasy. Walcowanie 34

35 Walcowanie Wyprodukowane w hucie metale i stopy, o ile nie są przeznaczone na odlewy, poddaje się obróbce plastycznej głównie przez walcowanie. W procesie walcowania przedmiot uzyskuje zamierzony kształt w wyniku odkształcenia plastycznego metalu między obracającymi się twardymi walcami, tarczami lub rolkami. Walcowanie powoduje zmiany wymiarów walcowanego materiału. Walcowanie Większość półfabrykatów metalowych wytwarza się metodą walcowania. Materiałem wyjściowym, z którego produkuje się półfabrykaty, są wlewki. Z nich wyrabia się: kęsiska o przekroju kwadratowym, kęsiska płaskie o przekroju prostokątnym, blachówki, z których następnie walcuje się blachy cienkie, oraz kęsy okrągłe i płaskie. Wytwarzane z półfabrykatów produkty walcowane można podzielić na pręty, kształtowniki, taśmy, rury i wyroby specjalne, jak np. obręcze kół wagonowych. Większość wyrobów walcowanych otrzymuje się metodą obróbki na gorąco (kształtowniki, pręty, rury, blachy grube i cienkie itd.). Walcowanie na zimno ogranicza się wyłącznie do wyrobu blach i taśm. 35

36 Walcowanie Walcowanie kształtowników, prętów i walców polega na stopniowym kształtowaniu profilu walcowanego materiału w kolejnych kalibrowanych wykrojach walców bruzdowych. Walcowanie gwintów Podczas walcowania zarys gwintu uzyskuje się wskutek plastycznego odksztalcenia. Walcowania gwintu można dokonywać: szczękami, rolkami, Walcowanie Walcowanie gwintu szczękami polega na tym, że jedna ze szczęk 2 jest umocowana nieruchomo na obrabiarce, a druga 1 w ruchomym jej suwaku. W czasie pracy szczęki są przesunięte względem siebie o wartość połowy skoku gwintu, a na powierzchniach roboczych szczęk są nacięte rowki pochylone pod kątem, równym kątowi wzniosu gwintu. 36

37 Walcowanie Walcowanie gwintu za pomocą rolek odbywa się na specjalnych obrabiarkach, wyposażonych w obracające się rolki 4 ustawione do siebie równolegle. Przy walcowaniu gwintu za pomocą rolek uzyskuje się większą dokładność, ponieważ oś przedmiotu 3 wspartego na prowadnicy 5 znajduje się na linii łączącej środek rolek. Walcowanie Proces walcowania odbywa się w urządzeniach zwanych walcarkami. Są to maszyny do obróbki plastycznej metodą walcowania wsadu na półfabrykat lub wyrób ostateczny. Walcarka składa się z klatki roboczej i elementów napędowych przenoszących ruch obrotowy od silnika na walce oraz elementów mocujących je do fundamentów. W przemyśle stosuje się wiele typów tych urządzeń, różniących się znacznie między sobą. Różnice te jednak nie dotyczą charakteru pracy i zasady działania głównych elementów roboczych. Podstawowymi elementami konstrukcyjnymi decydującymi o przebiegu procesu są walce, których zadaniem jest odkształcenie metalu przez walcowanie. Walce zależnie od rodzaju walcowania mogą mieć różne kształty i wymiary. 37

38 Walcowanie Klatką roboczą nazywamy zespół roboczy walców wraz z łożyskami, ich obudową, urządzeniem do nastawiania i wyrównoważenia walców, urządzeniem smarującym i chłodzącym. Klatka walców roboczych może być wyposażona w walce gładkie lub bruzdowe. Walce gładkie składają się z beczki 1, stanowiącej środkową część walca, czopów 2 do osadzania walca w łożyskach i rozet 3, za pomocą których łączy się walce z mechanizmem napędowym. Walce bruzdowe różnią się od gładkich kształtem części środkowej 1. Walcowanie Służą one do nadawania walcowanym, materiałom określonych zarysów. Bruzdy kolejno wykonują różne operacje walcowania. Przygotowanie bruzd oraz określenie kolejności przebiegu walcowania nazywamy kalibrowaniem walców. Niekiedy proces walcowania jest tak złożony, że wszystkie bruzdy przewidziane planem operacyjnym nie mieszczą się w jednej klatce walcowniczej. W takim przypadku ustawia się obok siebie w linii głównej jeszcze jedną lub więcej klatek walcowniczych, które otrzymują napęd od tego samego silnika za pośrednictwem pierwszej klatki walców roboczych. 38

39 Walcowanie Najprostsze walcarki składają się z dwóch walców. Taki układ nazywa się duo. Walcarki w układzie duo mogą być jednokierunkowe lub zwrotne. W jednokierunkowych walcarkach duo walcowanie przebiega tylko w jednym kierunku. jednokierunkowe mogą służyć do walcowania stosunkowo niewielkich walcówek. Większe mogą być walcowane na walcarkach duo zwrotnych. W takich urządzeniach walce po przejściu między nimi materiału zmieniają kierunek obrotu. Układ walców walcarek duo: a) jednokierunkowej, b) zwrotnej Walcowanie Umieszczenie w klatce roboczej trzeciego walca umożliwia pracę w obie strony bez konieczności zmiany kierunku obrotu walców. Taki układ walców nazywamy trio. W walcarkach trio materiał przechodzi na przemian między walcem górnym a środkowym i następnie w przeciwnym kierunku między środkowym a dolnym. Odległości między walcami można zmieniać w pewnych granicach dzięki możliwości przesuwania walców zewnętrznych w płaszczyźnie pionowej. 39

40 Walcowanie Do walcowania cienkich blach stosuje się walcarki pracujące w układzie czterech walców, tzw. kwarto. Dwa walce środkowe o małej średnicy wykonują pracę walcowania. Stosowanie walców roboczych o małych średnicach umożliwia uzyskanie dużych nacisków jednostkowych przy małych siłach dociskających walce. Walce robocze wspierają się na walcach oporowych o dużej średnicy. Dzięki temu podczas walcowania blach walce robocze nie wyginają się pod naciskiem materiału Ciągnienie drutów, prętów i rur 40

41 Ciągnienie drutów, prętów i rur Ciągnienie to obróbka plastyczna wykonywana na zimno lub na gorąco, powodująca zmiany kształtu lub pola przekroju poprzecznego materiału w postaci drutu, pręta lub rury pod wpływem przeciągania go przez otwór narzędzia (ciągadła) lub między walcami. Ciągnienie stosuje się do wyrobu prętów, drutów oraz różnego rodzaju rur (bez szwu i ze szwem). W celu uzyskania odpowiednich wymiarów wyrobu niejednokrotnie należy ciągnąć materiał przez kilkanaście, niekiedy nawet kilkadziesiąt coraz mniejszych ciągadeł. Operacje ciągnienia wykonuje się na maszynach zwanych ciągarkami. Ciągnienie drutów, prętów i rur Przekrój typowego ciągadła przedstawia rysunek. Stożek wejściowy służy do wprowadzania materiału do ciągadła. Stożek smarujący ma za zadanie doprowadzić smar do części roboczej ciągadła. Ciągadło jest najbardziej obciążone w części zwanej stożkiem zgniatającym, gdyż tu jest wykonywana główna praca zgniatania materiału. Kąt stożka zgniatającego musi być starannie dobrany do rodzaju przeciąganego materiału, własności i rodzaju użytego smaru oraz wymiarów przeciąganego materiału. Zawiera się on zwykle w granicach

42 Ciągnienie drutów, prętów i rur Pierścień kalibrujący ostatecznie wygładza powierzchnię przeciągniętego materiału i nadaje mu wymagane wymiary. Długość pierścienia kalibrującego powinna zapewniać prawidłowe wykonanie zadania. Zbyt krótkie pierścienie zużywają się i szybko tracą wymiary, natomiast nadmiernie długie są przyczyną straty mocy na tarcie. Stożek wyjściowy ma za zadanie ułatwienie wyjścia materiału oraz zabezpieczenie ciągadła przed wykruszaniem się. Ciągnienie drutów, prętów i rur Ciągadła wykonuje się z materiałów twardych i jednocześnie odpornych na ścieranie. Pręty, druty i rury o dużych wymiarach ciągnie się przez ciągadła wykonane ze stali chromowej. Do ciągnienia drutów o mniejszych średnicach używa się ciągadeł wykonanych ze spiekanych węglików wolframu i tytanu. Do ciągnienia na małe średnice stosuje się zwykle ciągadła wykonane z diamentu. 42

43 Ciągnienie drutów, prętów i rur W przemyśle stosuje się wiele typów ciągarek. Do ciągnienia drutów z materiałów miękkich służą ciągarki wielostopniowe, w których drut przechodzi przez szereg ciągadeł. Z bębna 1 drut przeznaczony do przeciągania na mniejszą średnicę przechodzi przez ciągadło umieszczone w oprawie 3. Po wyjściu z ciągadła drut opasuje obracający się bęben wielopierścieniowy 2, który dzięki tarciu wywiera na drut siłę ciągnącą. Przedstawiona na rysunku ciągarka jest wyposażona w kilkanaście ciągadeł i odpowiednią liczbę pierścieni na bębnie ciągnącym. Ciągnienie drutów, prętów i rur Ciągarka wielostopniowa 43

44 Ciągnienie drutów, prętów i rur Ciągnienie rur wykonuje się z użyciem lub bez użycia trzpienia. Ciągnienie rur na trzpieniu najczęściej stosuje się wtedy, gdy należy nie tylko zmniejszyć średnicę zewnętrzną wytwarzanej rury, lecz również grubość jej ścianek. Rozróżnia się przy tym ciągnienie rur na trzpieniu stałym, na trzpieniu ruchomym oraz na trzpieniu swobodnym. Ciągnienie drutów, prętów i rur Podczas ciągnienia rury na trzpieniu stałym nieruchome jest zarówno ciągadło, jak i trzpień. Zaletą tej metody jest zsuwanie się rury z trzpienia wraz z postępem procesu ciągnienia. Dzięki temu rura po wyjściu z ciągadła nie jest na trzpieniu obciśnięta. Wadą zaś jest ograniczona długość rury. 44

45 Ciągnienie drutów, prętów i rur Wada ograniczenia długości nie występuje przy ciągnięciu rury na trzpieniu swobodnym, lecz większe jest tu niż w poprzedniej metodzie tarcie materiałów o powierzchnię trzpienia. Zasady bezpiecznej pracy podczas obróbki plastycznej 45

46 Zasady bezpiecznej pracy podczas obróbki plastycznej W zakładach obróbki plastycznej istnieje szczególnie duże zagrożenie wypadkowe ze względu na operowanie gorącymi materiałami oraz pracę młotów, pras i innych urządzeń. Stałym zagrożeniem bezpiecznej i higienicznej pracy są hałas, zapylenie, dym i gazy oraz wysoka temperatura od pieców grzewczych. Podczas pracy przy takim zagrożeniu sprawą niezmiernie ważną jest zapoznanie się każdego pracownika ze stanowiskową instrukcją bhp oraz wyposażenie we właściwą dla danego stanowiska odzież ochronną i sprzęt ochrony osobistej. Zasady bezpiecznej pracy podczas obróbki plastycznej W szczególności należy: zabezpieczyć wszystkie młoty mechaniczne w kuźniach od strony przejść ekranami, ażeby odpryskująca zgorzelina nie poparzyła przechodzących, zachować szczególną ostrożność podczas przenoszenia gorącego materiału wsadowego z pieca pod młot, przestrzegać zasady, że rozpalanie pieców grzewczych może być dokonywane tylko przez uprawnione osoby, z zachowaniem wszystkich wymogów bez-pieczeństwa, przestrzegać, aby pedał uruchamiający młoty i prasy był zabezpieczony przed możliwością przypadkowego włączenia, 46

47 Zasady bezpiecznej pracy podczas obróbki plastycznej zwrócić uwagę, by wszystkie ruchome części młotów i pras były zabezpieczone osłonami, przestrzegać, by przy prasach do cięcia i tłoczenia były stosowane osłony lub inne zabezpieczenia obszaru pracy tłocznika uniemożliwiającego włożenie rąk do tej niebezpiecznej strefy, używać rękawic do przenoszenia wytłoczek z blach i odpadów, aby uniknąć skaleczeń o krawędzie blach. 47