Aademia Góniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział InŜynieii Metali i Infomatyi Pzemysłowej Kateda Plastycznej Pzeóbi Metali ozpawa dotosa T Y T U Ł ANALIZA HAMBUSKIEGO POCESU KSZTAŁTOWANIA KOLAN UOWYCH Imię i nazwiso autoa ozpawy Mae Kuczea Stopień/tytuł nauowy, imię i nazwiso pomotoa ozpawy d hab. inŝ. Wito Kubińsi pof. AGH Kaów 009
SPIS TEŚCI WYKAZ OZNACZEŃ PZYJĘTYCH W PACY.. 4 1. WSTĘP 7. CEL I ZAKES PACY OAZ TEZY. 9 3. PZEGLĄD LITEATUY DOTYCZĄCEJ GIĘCIA U OAZ KSZTAŁTOWANIA KOLAN UOWYCH METODĄ HAMBUSKĄ 3.1. Zmiany zachodzące podczas zinania uy.. 10 3.. Metody i technoloie ięcia u oaz ształtowania olan uowych.. 1 3.3. Poównanie iętych u i olan uowych 15 3.4. Hambusi poces ształtowania olan uowych 16 3.4.1. Zaes stosowania metody hambusiej i toleancje wyonania olan.. 16 3.4.. Technoloia poducji olan metodą hambusą 0 3.4.3. Pzebie odształcenia podczas ształtowania olan.. 3 3.4.4. Paamety technoloiczne pocesu.. 8 3.4.5. Kalibowanie tzpieni odształcających.. 3 3.4.6. Sposoby nazewania u pzed odształcaniem. 35 3.4.7. Wady powstające podczas pocesu ształtowania.. 38 3.4.8. Podsumowanie pzelądu liteatuy 39 4. WŁASNA ANALIZA PZEBIEGU POCESU KSZTAŁTOWANIA UY NA TZPIENIU 4.1. Opacowanie teoetyczneo idealneo pocesu powięszania śednicy i zazywiania osi uy.. 41 4.1.1. ZałoŜenia pzyjęte do analizy teoetycznej. 41 4.1.. Wyznaczanie odształceń wyniających z jednoczesneo powięszenia śednicy uy i zazywienia jej osi 43 4.1.3. Opis matematyczny ształtu tzpieni stosowanych w pzemyśle 49 4.1.4. Paamety inematyczne i eometyczne pocesu ształtowania olan.. 51 4.. Analiza hambusieo pocesu ształtowania olan 55 4..1. Kalibowanie stef odształcających tzpieni stosowanych w pzemyśle... 55 4... Wyznaczanie modelu matematyczneo ształtu stefy odształcającej tzpienia.. 57 4..3. Obliczanie paametów inematycznych i eometycznych pocesu ształtowania 6 4.3. Modele teoetyczne zeczywisteo pzebieu pocesu ształtowania.. 69 4.3.1. Model poubienia ściani.. 70 4.3.. Model ąta opóźnienia. 74 4.3.3. Model ąta wypzedzenia 75
5. DOBÓ NAJKOZYSTNIEJSZEGO KSZTAŁTU STEFY ODKSZTAŁCAJĄCEJ TZPIENIA 5.1. Wyznaczanie zmodyfiowaneo ształtu stefy odształcającej tzpienia. 78 5.. Kyteia optymalizacji ształtu stefy odształcającej 83 5..1. Optymalizacja ształtu stefy odształcającej ze wzlędu na jej dłuość. 81 5... Optymalizacja ształtu stefy odształcającej ze wzlędu na paamety inematyczne pocesu. 83 5.3. Poównanie stefy odształcającej tzpieni o ształcie stosowanym w pzemyśle oaz zmodyfiowanym. 87 6. MODELOWANIE FIZYCZNE POCESU KSZTAŁTOWANIA KOLAN 6.1. Cel i załoŝenia do modelowania fizyczneo 89 6.. Mateiał do badań modelowych pocesu ształtowania.. 90 6.3. Stanowiso badawcze i ształt nazędzi uŝytych do modelowania. 9 6.4. Wynii ształtowania olan na tzpieniach o óŝnym ształcie.. 94 7. SYMULACJA MES POCESU KSZTAŁTOWANIA KOLAN 7.1. Poam modelowania numeyczneo 100 7.. Opoamowanie i budowa modelu numeyczneo. 101 7.3. Modele mateiału do symulacji pocesu ształtowania 103 7.4. Modelowanie w waunach stałej tempeatuy w stefie odształcającej tzpienia. 105 7.4.1. Kształtowanie dłuieo odcina uy pzy uŝyciu óŝnych tzpieni.. 105 7.4.. Kształtowanie seii ótich odcinów uy pzy uŝyciu óŝnych tzpieni 109 7.5. Modelowanie w waunach zóŝnicowanej tempeatuy w stefie odształcającej tzpienia..... 11 7.5.1. Model nazewania pieścieniowy...... 114 7.5.. Model nazewania pasmowy..... 117 7.5.3. Model nazewania mieszany..... 118 8. ANALIZA KOŃCOWA WYNIKÓW OBLICZEŃ I BADAŃ 8.1. Poównanie wyniów modelowania matematyczneo z wyniami badań.. 10 8.. Poównanie wyniów badań i obliczeń teoetycznych dla IPO... 1 8.3. Analiza poównawcza wpływu tempeatuy na wynii ształtowania. 14 9. WNIOSKI... 16 LITEATUA... 17 3
WYKAZ OZNACZEŃ PZYJĘTYCH W PACY A; B; C; D współczynnii oeślające paamety eometyczne stefy odształcającej tzpienia, A 1(1) ; B 1(1) ; C 1(1) ; D 1(1)... A 4() ; B 4() ; C 4() ; D 4() współczynnii wielomianów modeli matematycznych ształtu stefy odształcającej tzpienia o alibowaniu stosowanym w pzemyśle, D w śednica wewnętzna uy olana, D z śednica zewnętzna uy olana, D z max, D z min - najwięsza i najmniejsza śednica zewnętzna uy olana, miezona w jednej płaszczyźnie, E moduł Youna w tempeatuze poojowej, E T moduł Youna w danej tempeatuze T, L dłuość odcina uy wsadowej do odształcania (z uwzlędnieniem odpadu), L dłuość łuu pzebieająceo w połowie ubości ściani na zewnętznym łuu olana, L o dłuość osi stefy odształcającej tzpienia, L s dłuość stefy odształcającej tzpienia, L sp dłuość stefy odształcającej tzpienia pzy odształcaniu na tzpieniu stosowanym w pzemyśle, L w dłuość odcina uy wsadowej, L φ dłuość łuu pzebieająceo w połowie ubości ściani w puncie na obwodzie uy olana oeślonym ątem φ, M1; M; M3 - oznaczenia olejnych ozładów tempeatu nazewania w stefie odształcającej w modelu nazewania mieszaneo, PA1; PA; PA3 - oznaczenia olejnych ozładów tempeatu nazewania w stefie odształcającej w modelu nazewania pasmoweo, PI1; PI; PI3 oznaczenia olejnych ozładów tempeatu nazewania w stefie odształcającej dla modelu nazewania pieścienioweo, pomień zywizny olana, A pomień zewnętzneo łuu zywizny stefy odształcającej tzpienia, bieŝący pomień zywizny osi stefy odształcającej tzpienia, T tempeatua, V objętość olana o nieównej ubości ściani, V i pojemność i-teo wycina stefy odształcającej tzpienia, V objętość mateiału olana o acie zazywienia, V n objętość nadmiaowa mateiału, V s pojemność stefy odształcającej tzpienia, V s(1) pojemność początu stefy odształcającej, V s() pojemność pozostałej części stefy odształcającej, V w objętość mateiału uy wsadowej, b szeoość olana (wymia uwzlędniany w nomie DIN605), c f dłuość bou omói siati oodynacyjnej na powiezchni olana w ieunu obwodowym, c i dłuość bou omói siati oodynacyjnej na powiezchni uy wsadowej w ieunu obwodowym, dl s dłuość elementaneo wycina dłuości stefy odształcającej tzpienia, d pzyost bieŝąceo pomienia zywizny osi stefy odształcającej tzpienia, dv s objętość elementaneo wycina odształcanej uy znajdującej się na stefie odształcającej, 4
dl dłuość wycina elementaneo włóna na obwodzie uy olana, dl w dłuość wycina elementaneo włóna na obwodzie uy wsadowej d pzyost bieŝąceo pomienia pzeoju stefy odształcającej tzpienia, d z śednica zewnętzna uy wsadowej, d w śednica wewnętzna uy wsadowej, d ąt elementaneo wycina odształcanej uy lub otoweo olana, dφ pzyost ąta na obwodzie uy wsadowej lub otoweo olana, δ cϕ d - pzyost odształcenia obwodoweo mateiału uy, e owalizacja pzeoju popzeczneo uy olana, ubość ściani olana i uy wsadowej, φ ubość ściani na obwodzie olana o poubionej ściance, i nume olejnych modeli stefy odształcającej, j nume olejnych części stefy odształcającej, l f dłuość bou omói siati oodynacyjnej na powiezchni olana w ieunu wzdłuŝnym, l i dłuość bou omói siati oodynacyjnej na powiezchni uy wsadowej w ieunu wzdłuŝnym, l dłuość włóna na obwodzie uy olana w połowie ubości ściani, oeślona ątem φ, l w dłuość włóna na obwodzie uy wsadowej w połowie ubości ściani, oeślona ątem φ w, m wyładni funcji opisującej zywiznę osi stefy odształcającej tzpienia o ształcie zmodyfiowanym, n otność dłuości osi stefy odształcającej tzpienia zmodyfiowaneo, wzlędny pomień ięcia, 0 ; 45 ; 90 współczynnii anizotopii nomalnej mateiału uy wsadowej, bieŝący pomień pzeoju stefy odształcającej tzpienia, i pomień i - teo pzeoju stefy odształcającej tzpienia, pomień wewnętzny uy olana lub pzeoju stefy alibującej tzpienia, w pomień wewnętzny uy wsadowej lub pzeoju tzpienia na początu stefy odształcającej s cienościenność uy olana t d czas pzemieszczania się puntu na L s o ąt d, t czas pzemieszczania się puntu na L s od początu stefy odształcającej do pzeoju oeśloneo ątem, t całowity czas odształcania, v pędość spychania uy wsadowej, ówna pędości suwaa pasy, x odlełość ozwaŝaneo puntu od powiezchni tousa pzebieająceo w połowie ubości ściani olana, wyóŝni ównania wadatoweo oeślająceo współczynni poubienia ściani, i ąt zawaty pomiędzy sąsiednimi pzeojami stefy odształcającej tzpienia, bieŝący ąt zazywienia stefy odształcającej tzpienia, fin ońcowy ąt pomiędzy sąsiednimi boami omói siati oodynacyjnej, i ąt oeślający połoŝenie i-teo pzeoju stefy odształcającej tzpienia, ini początowy ąt pomiędzy sąsiednimi boami omói siati oodynacyjnej, całowity ąt zazywienia stefy odształcającej tzpienia β ąt famentu olana będący odpadem β o ąt opóźnienia, β w ąt wypzedzenia, γ cl odształcenie postaciowe omói siati oodynacyjnej, δ - - intensywność odształcenia, 5
δ c odształcenia loaytmiczne obwodowe mateiału uy olana, δ c ϕ - odształcenie obwodowe mateiału uy, δ cϕ - pędość odształcenia obwodoweo mateiału uy, δ cϕm - pędość odształcenia obwodoweo mateiału uy podczas odształcania pzy uŝyciu tzpienia o alibowaniu zmodyfiowanym, δ cϕp - pędość odształcenia obwodoweo mateiału uy podczas odształcania pzy uŝyciu tzpienia o alibowaniu stosowanym w pzemyśle, δ cφ odształcenia loaytmiczne obwodowe mateiału uy olana w połowie ubości ściani, δ cφ odształcenia loaytmiczne obwodowe mateiału uy olana w połowie ubości ściani obliczone na podstawie zmian dłuości boów omóe siati oodynacyjnej, δ cφx odształcenia loaytmiczne obwodowe mateiału uy olana w odlełości x od powiezchni śodowej, δ l odształcenia loaytmiczne wzdłuŝne mateiału uy olana, δ lϕ - pędość odształcenia wzdłuŝneo mateiału uy, δ lϕm - pędość odształcenia wzdłuŝneo mateiału uy podczas odształcania pzy uŝyciu tzpienia o alibowaniu zmodyfiowanym, δ lϕp - pędość odształcenia wzdłuŝneo mateiału uy podczas odształcania pzy uŝyciu tzpienia o alibowaniu stosowanym w pzemyśle, δ lφ odształcenia loaytmiczne wzdłuŝne mateiału uy olana w połowie ubości ściani δ lφ odształcenia loaytmiczne wzdłuŝne mateiału uy olana w połowie ubości ściani obliczone na podstawie zmian dłuości boów omóe siati oodynacyjnej, δ lφx odształcenia loaytmiczne wzdłuŝne mateiału uy olana w odlełości x od powiezchni śodowej, δ odształcenia loaytmiczne pomieniowe mateiału uy olana, δ φ odształcenie pomieniowe na obwodzie uy olana, ε c odształcenia wzlędne obwodowe mateiału uy olana, ε d wzlędne powięszenie śedniej śednicy uy (miezonej w połowie ubości ściani), ε dz wzlędne powięszenie zewnętznej śednicy uy, ε l odształcenia wzlędne wzdłuŝne mateiału uy olana, ε lw wzlędne wzdłuŝne sócenie uy na wewnętznej stonie olana (miezone na wewnętznej ściance uy), ε d - pędość zmiany śednicy uy (miezonej w połowie ubości ściani) podczas odształcania, η współczynni objętości olana, η w współczynni objętości uy wsadowej, κ współczynni poubienia ściani uy olana, ξ współczynni ozładu mateiału odształcanej uy na tzpieniu odształcającym, ρ współczynni ształtu stefy odształcającej tzpienia o alibowaniu stosowanym w pzemyśle (dla pomienia pzeoju), φ ąt oeślający połoŝenie na obwodzie odształcanej uy lub otoweo olana, φ w ąt oeślający dłuość włóna na obwodzie uy wsadowej, ψ współczynni ształtu stefy odształcającej tzpienia o alibowaniu stosowanym w pzemyśle (dla ąta zazywienia), ω ąt zazywienia olana (po odcięciu odpadu). 6
1. WSTĘP Jednym z najwięszych poblemów w pocesach ięcia u jest zmiana ubości ich ściani, w szczeólności pocienienie na zewnętznym łuu zaięcia. Poblem ten jest na tyle powaŝny, Ŝe metoda ięcia specjalnych u wsadowych o odpowiednio zóŝnicowanej na obwodzie ubości ściani, zapewniających stałość ubości w otowym zaięciu, została opatentowana na początu XX w. Z oczywistych wzlędów nie znalazła ona zastosowania w pzemyśle. Dopuszczalne zóŝnicowanie ubości na obwodzie otoweo zaięcia jest oeślone w odpowiednich nomach, jao Ŝe ma ono wpływ na wytzymałość mechaniczną olana (zaięcia) oaz jeo odponość na oozję. Poblem ten jest tylo częściowo ozwiązany dzięi coaz badziej wyafinowanym metodom, a co za tym idzie badziej złoŝonym uządzeniom i pecyzyjnym nazędziom do ształtowania. Genealnie poblem pocieniania ściani oaniczany jest wtedy na dodze zastosowania dodatowej siły osiowej - spęczającej uę w tacie ięcia, zaówno podczas ięcia na zimno ja i na oąco. Sutiem taieo działania jest educja pocienienia ściani na zewnętznym łuu zaięcia, ale oczywiście jednoczesne nasilenie poubienia jej ściani na łuu wewnętznym. Nadmiene poubienie ściani ozi jej pofałdowaniem a nadmiene zóŝnicowanie utudnia pocesy spawania olan z pozostałymi elementami uociąów lub instalacji uowych. Wad powyŝszych nie wyazuje metoda hambusa. W metodzie tej ształtowanie polea na spychaniu uy wsadowej ze specjalnie uształtowaneo tzpienia, znajdująceo się wewnątz uy. Dzięi zastosowaniu do ształtowania uy wsadowej o śednicy odpowiednio mniejszej, nadmia mateiału z wewnętzneo łuu zaięcia moŝe być ównomienie ozpowadzany na całym obwodzie zaięcia, zapewniając tym samym stałą ubość ściani na całym obwodzie. Poces ten powadzony jest na oąco, co pzy odpowiednim uieunowaniu nazewania dodatowo stwaza moŝliwość steowania pzepływem mateiału uy podczas ształtowania. Pzy odpowiedniej onstucji tzpienia i odpowiednich paametach pocesu ształtowania zapewnione jest otzymywanie olan uowych o paametach eometycznych nieosiąalnych Ŝadną inną metodą ształtowania plastyczneo. Metoda hambusa ształtowania olan uowych została opatentowana na początu wieu XX w Hambuu [1]. Początowo pzy jej uŝyciu poduowano niewielie olana o badzo małych wzlędnych pomieniach zaięcia (nie objętych dzisiejszymi nomami), ja i o więszych wzlędnych pomieniach ięcia, ale o badzo duŝych abaytach do czasu ozpowszechnienia ięcia u z loalnym nazewem inducyjnym w latach 70-tych XX w. Kolana uowe jao elementy pacujące w szczeólnie tudnych waunach esploatacyjnych - są pzedmiotem odpowiednich nom. Kolana ształtowane metodą hambusą z powodzeniem wymaania tych nom spełniają. Kształtowanie olana o innych wymiaach (śednicach i pomieniach zaięcia) niŝ pzewiduje noma wymaa dobania odpowiedniej uy wsadowej, tóa nieoniecznie musi być ujęta w nomach oaz alibowania i wyonania specjalneo nazędzia, jest oczywiście badzo osztowne. Metoda hambusa chociaŝ powszechnie stosowana obecnie na świecie i w aju pzy seyjnej poducji olan uowych jest stosunowo mało znana i opisywana. Celem niniejszej pacy jest wstępna i dlateo uposzczona analiza teoetyczna pocesu ształtowania olan hambusich, dla jeo poznania, uzupełnienia istniejących w liteatuze jedynie nielicznych zaleŝności inŝyniesich oaz pzebadanie moŝliwości optymalizacji teo pocesu. Paca została uzupełniona o modelowanie fizyczne i matematyczne opate na MES, dyŝ dla zapewnienia odpowiednieo pzebieu pocesu technoloiczneo onieczna jest omputeyzacja zaówno etapu pojetowania, ja i ontoli oaz steowania pocesem. 7
Zastosowanie techni omputeowych stwaza jednocześnie nowe moŝliwości acjonalneo wyozystania ezew twiących w aŝdym pocesie technoloicznym []. 8
. CEL I ZAKES PACY OAZ TEZY Celem niniejszej pacy jest analiza i póba optymalizacji hambusieo pocesu ształtowania olan uowych. Dla ealizacji celu w piewszej części pacy pzeanalizowano dostępną liteatuę dotyczącą metody hambusiej. Sfomułowano załoŝenia oaz oeślono wielości odształceń dla idealneo pocesu odształcania odcinów u wsadowych na fomę olan uowych. Analiza ta wyazała, Ŝe w chwili obecnej w liteatuze ba jest pecyzyjnych zaleŝności opisujących paamety pocesu ształtowania. Na podstawie analizy stwiedzić moŝna ponadto, Ŝe na wyni pocesu mają wpływ łównie ształt stefy odształcającej tzpienia i ozład tempeatuy w stefie odształcania. W związu z tym, w dalszej części pacy wypowadzono własne zaleŝności opisujące ształt stefy odształcającej tzpienia, paamety eometyczne oaz inematyczne pocesu ształtowania. Wyozystując wypowadzone zaleŝności pzeanalizowano poces ształtowania pzy uŝyciu tzpieni alibowanych w metody stosowanej w pzemyśle. Obliczenia wyazały, Ŝe odształcanie pzy uŝyciu tzpieni o ształcie stosowanym w pzemyśle nie moŝe pzebieać zodnie z idealnym pocesem odształcania. Sfomułowano więc uposzczone modele zeczywisteo pzebieu pocesu odształcania i wypowadzono odpowiednie zaleŝności pozwalające oeślić w sposób ilościowy óŝnice pomiędzy zeczywistym a idealnym pocesem odształcania. Pozwoliło to na oólne oeślenie zaleŝności opisujących zmodyfiowany ształt stefy odształcającej tzpienia. Ponadto, oeślono yteia i doonano analitycznej optymalizacji zmodyfiowaneo ształtu stefy odształcającej tzpienia, uwzlędniając paamety eometyczne i inematyczne pocesu idealneo. W celu weyfiacji obliczeń teoetycznych, pzepowadzono własne badania pzy uŝyciu ołowiu, tóym modelowano poces odształcania na oąco stalowych u na tzpieniu o ształcie stosowanym w pzemyśle oaz o ształcie zmodyfiowanym. Dla podobnych waunów jaie występowały podczas badań pzepowadzono własną analizę pzy uŝyciu MES. Aby oeślić wpływ ozładu tempeatuy w stefie odształcania, wyonano temomechaniczną analizę MES pocesu ształtowania olan pzy uŝyciu tzpienia o alibowaniu stosowanym w pzemyśle, pzy óŝnych ozładach tempeatuy w stefie odształcania. W ońcowej części pacy poównano wynii wyonanych analiz i wyciąnięto wniosi dotyczące pocesu ształtowania olan. Na podstawie ozwaŝań teoetycznych dotyczących pocesu ształtowania olan moŝna postawić następujące tezy: 1) Podczas pocesu ształtowania olan metodą hambusą następuje badzo duŝe zóŝnicowanie płynięcia metalu w pzeoju uy, spowodowane ównoczesną zmianą śednicy uy i zainaniem jej osi. Istnieje moŝliwość zapojetowania taieo ształtu stefy odształcającej tzpienia, pzy tóym zóŝnicowanie ubości ściani uy na obwodzie i dłuości olana będzie oaniczone. ) PoniewaŜ poces ształtowania olan odbywa się na oąco, istnieje moŝliwość uieunowania nazewania w tai sposób, Ŝe zostanie zminimalizowane zóŝnicowanie ubości ściani uy na jej obwodzie i dłuości uształtowaneo olana. 9
3. PZEGLĄD LITEATUY DOTYCZĄCEJ GIĘCIA U OAZ KSZTAŁTOWANIA KOLAN UOWYCH METODĄ HAMBUSKĄ 3.1. Zmiany zachodzące podczas zinania uy Gięcie u jest pocesem spęŝysto - plastyczneo ształtowania, poleającym na wytwozeniu w uze jednocześnie napęŝeń wzdłuŝnych ozciąających i ścisających. Moment nący działający na uę wywołuje w zewnętznej części zaięcia (powyŝej wastwy obojętnej) wzdłuŝne napęŝenia ozciąające i obwodowe napęŝenia ścisające, natomiast w wewnętznej części zaięcia wzdłuŝne i obwodowe napęŝenia ścisające. W pzypadu u cienościennych napęŝenia pomieniowe są pomijalnie małe. W wyniu teo włóna na łuu zewnętznym zinanej uy uleają wydłuŝeniu, zaś na wewnętznym uleają sóceniu. Poces ten powadzi do pocienienia ozciąanej części ściani i poubienia ścisanej części ściani uy oaz do znieształcenia jej pzeoju popzeczneo (ys. 3.1) [3]. Szczeółowe ozwaŝania oaz zaleŝności napęŝeń i odształceń w pzeoju uy podczas ięcia, uwzlędniające teoię plastyczności, zamieszczono w pacy [4]. D z ω ys. 3.1. Schemat zmian zachodzących podczas zinania uy [3]. Gięciu u towazyszy wiele chaateystycznych dla teo pocesu zjawis, tóe moŝna podzielić na dwie upy: 1) Zmiany ształtu pzeoju uy a) owalizacja pzeoju popzeczneo uy e Owalizacja pzeoju popzeczneo uy zwięsza się ze wzostem moŝliwości swobodneo odształcania się jej ściani. Owalizacja ma duŝe znaczenie patyczne, zwłaszcza dy ua pacuje pod wysoim ciśnieniem. Powstające podczas ięcia dodatowe napęŝenia wewnętzne, będące sutiem umocnienia odształcenioweo (zniotu), moą pzyczyniać się do występowania miopęnięć i oozji na anicach zian. b) zmiana ubości ściani uy Podczas pocesu ięcia u ulea zmianie ubość ściani w całej stefie ięcia. PoniewaŜ olana lub zaięcia często muszą spełniać óŝne wauni i yteia wytzymałościowo - 10
onstucyjne, ubość początową uy naleŝy dobać ta, aby wymaania te były spełnione [5]. W patyce oazuje się, Ŝe pocienienie ściani podczas ięcia u na zimno, ma zado wpływ na wytzymałość otoweo zaięcia z uwai na jednoczesne umocnienie odształceniowe mateiału uy. Pocienienie ściani ma duŝe znaczenie w pzypadu, dy otowe zaięcie jest poddane obóbce cieplnej np. wyŝazaniu nomalizującemu, lub dy będzie pacować w śodowisu spzyjającym oozji. Wtedy pocienienie moŝe stać się pzyczyną uszodzenia, szczeólnie niebezpieczneo np. w hydaulice siłowej [6]. Zmiana ubości ściane uy podczas ięcia moŝe osiąać znaczne watości pocienienie do o. 5%, poubienie do o.18% [3]. Wadą, tóa występuje pzy znacznym pzyoście ubości ściani jest falistość uy. Powstaje ona wówczas, dy napęŝenia ścisające w ściance uy pzeoczą watość ytyczną i powstaje miejscowe wyboczenie [7-10]. c) spęŝyste odształcenie powotne (spęŝynowanie uy) W czasie odształcania metalu opócz odształcenia plastyczneo powstają zawsze pewne odształcenia spęŝyste. ównieŝ w stefie ięcia uy opócz twałych odształceń plastycznych występują odształcenia spęŝyste, tóe po ustaniu działania napęŝeń odształcających zmniejszają odształcenie całowite, dąŝąc do pzywócenia uze jej piewotneo ształtu. Zjawiso to nazywa się spęŝynowaniem uy i musi być bane pod uwaę pzy onstucji opzyządowania, ta aby otowe zaięcie odpowiadało wymaanej doładności [11]. d) pzemieszczenie wastwy obojętnej Wastwa obojętna jest powiezchnią zywoliniową ozdzielającą wastwy mateiału podleające odształceniom o óŝnym znau. Pzemieszcza się ona podczas ięcia w ieunu śoda zywizny - zmiana ubości ściane i znieształcenie pzeoju powoduje ciąłą zmianę momentu bezwładności i połoŝenia śoda cięŝości pzeoju iętej uy, pzy jednoczesnym umacnianiu odształceniowym mateiału. Na pzemieszczenie wastwy obojętnej ma wpływ wielość napęŝeń wzdłuŝnych podczas ięcia. W pzypadu ięcia połączoneo z ozciąaniem wastwa obojętna pzemieszcza się w ieunu śoda zywizny, zaś w pzypadu ięcia ze ścisaniem - badziej oddala od nieo [1]. Pzemieszczanie się wastwy obojętnej ma wpływ na dłuość uy wsadowej oniecznej do wyonania wymaaneo zaięcia. ) Zmiany właściwości wytzymałościowych Gięciu u na zimno towazyszy wiele zjawis, tóe oaniczają moŝliwość dalszeo odształcania plastyczneo. Do czynniów tych zalicza się: utatę pzez mateiał zdolności do odształceń plastycznych, wzost anicy plastyczności, spade udaności itp. Dodatowa pocja zmaazynowanej (uytej) eneii dostaczona do ozciąanych wastw zewnętznych mateiału iętej uy, moŝe uuchamiać i wzmacniać pewne wewnętzne pocesy fizyochemiczne, w tym taŝe destucyjne pocesy pełzania i in. [13]. Aby tym zjawisom częściowo zapobiec, zaleca się pzepowadzanie pocesów ięcia u na olana uociąów w podwyŝszonych tempeatuach. Podczas ięcia u stalowych na oąco w tempeatuze 850 150 0 C, umocnienie odształceniowe nie występuje. Gięcie na oąco stosuje się najczęściej w pzypadu ubościennych u stalowych o duŝych śednicach zewnętznych (D z > 15mm), łównie ze wzlędu na mniejszą watość napęŝenia uplastyczniająceo oąceo mateiału uy, co pozwala obniŝyć siły wymaane do odształcenia [14]. Wszystie wyŝej wymienione zjawisa są nieozystne, a nasilenie ich występowania zaleŝne jest od zastosowanej metody oaz paametów ięcia, z tóych najwaŝniejszymi są: 11
- cienościenność uy s, czyli wzlędna ubość ściani iętej uy (lub ształtowaneo olana), tóa jest oeślona jao stosune ubości ściani do śednicy zewnętznej iętej uy D z (lub śednicy uy otoweo olana): s = (3.1) D z - wzlędny pomień ięcia, czyli stosune zeczywisteo pomienia zywizny osi zaięcia (olana) do jeo śednicy zewnętznej D z : = (3.) D z Im mniejsza jest cienościenność i wzlędny pomień ięcia, tym tudniej jest uę iąć, czyli utzymać na aceptowalnym poziomie owalizację i zmianę ubości ściani uy. Na wielość spęŝynowania ma dodatowo wpływ wielu innych czynniów, tj. ąt zaięcia, właściwości mateiału iętej uy itd. 3.. Metody i technoloie ięcia u oaz ształtowania olan uowych Metody ięcia u moŝna podzielić ze wzlędu na tempeatuę odształcenia oaz pzebie pocesu. óŝnią się one pzydatnością do ealizacji onetnych pocesów, zaś jaość ięcia jest zaleŝna od paametów eometycznych pocesu, szczeólnie pomienia wzlędneo ięcia, cienościenności uy s oaz zastosowaneo opzyządowania. Metody ięcia u na zimno zestawiono w tablicy 3.1. Metody te oaz zjawisa im towazyszące opisano doładnie w pacach [15-6]. Gotowym wyobem pocesów ięcia na zimno moŝe być: a) ięta ua stosowana łównie w pzemysłach meblasim i motoyzacyjnym, b) olano uowe, czyli sam zaięty fament uy - mające zastosowanie w budowie uociąów i instalacji uowych. Najczęściej stosowane metody ięcia u na oąco zestawiono w tablicy 3.. Metody te oaz zjawisa im towazyszące opisano doładnie w pacach [15, 16, 4, 7-35]. Gotowym wyobem pocesów ięcia u na oąco moŝe być: a) ięta ua stosowana łównie jao element onstucyjny w nowoczesnym budownictwie i w budowie uociąów, b) olano uowe, czyli sam zaięty fament uy - mające zastosowanie w budowie uociąów i instalacji uowych. Jaolwie, wiele metod ięcia u slasyfiowanych jao metody ięcia na zimno jest powadzonych ównieŝ na oąco, ale metody slasyfiowane jao metody ięcia na oąco moŝna ealizować wyłącznie z dopowadzeniem ciepła. Mechanizm ształtowania na oąco dwoma piewszymi metodami, pzedstawionymi w tablicy 3. nie óŝni się od wcześniej opisaneo, tzn. ięcie uy wywołuje moment nący, co powoduje pocienienie ściani i owalizację. Natomiast mechanizmy ształtowania olan uowych metodą hambusą i ięcia laseoweo u są inne. Zapewnia to w pzypadu metody hambusiej utzymanie stałej ubości ściani na całym obwodzie ształtowanej uy [36], a w pzypadu ięcia laseoweo - poubianie ściani na wewnętznej stonie zaięcia, pzy zachowaniu jej piewotnej ubości na zewnętznej [37-4]. Odpowiednie nazewanie 1
Najczęściej stosowane metody ięcia u metalowych na zimno. Tablica 3.1. SCHEMAT POCESU GIĘCIA MIN. WZGLĘDNY POM. GIĘCIA MAKS. KĄT GIĘCIA ZASTOSOWANIE WYGINANIE - 4 10-180 0 metoda ięcia u ze stali i metali nieŝelaznych o niewielich wymiaach, w poducji olan z u cienościennych OWIJANIE NA WZONIKU NIEUCHOMYM 4-5 z wypełnieniem 1,5-3 180 0 metoda, na tóej opate są pzyządy ęczne do pac emontowych i instalacyjnych, dla u o śednicach do 40mm ze stali, metali nieŝelaznych i ich stopów OWIJANIE NA WZONIKU UCHOMYM >1 360 0 metoda, na tóej opate są nowoczesne, wydajne iętai CNC, dla u o śednicach do 500mm ZWIJANIE 3-5 360 0 metoda dla u ubościennych OBCIĄGANIE - 180 0 metoda stosowana w pzemyśle motoyzacyjnym, do ięcia u i pofili z więszym pomieniem wzlędnym NAGNIATANIE METODA MOS 3-10 180 0 4-6 360 0 metoda dla u o śednicach 00-300mm ze stopów i stali tudno obabialnych plastycznie, stali niedzewnych i stopów Al metoda do ięcia elementów o sompliowanych ształtach, np. pzestzennej spiali o płynnie zmieniającym się pomieniu; dla u ze stali, metali nieŝelaznych i ich stopów 13
Najczęściej stosowane metody ięcia u metalowych na oąco. Tablica 3.. SCHEMAT POCESU GIĘCIA MINIMALNY WZGLĘDNY POM. GIĘCIA MAKSYMALNY KĄT GIĘCIA ZASTOSOWANIE GIĘCIE U WYPEŁNIONYCH PIASKIEM 3 180 0 w pacach emontowych i montaŝowych, stosowana łównie dla u o duŝych śednicach i ubych ścianach, badzo pacochłonna GIĘCIE Z LOKALNYM NAGZEWEM INDUKCYJNYM Z UśYCIEM AMIENIA GNĄCEGO SWOBODNEGO Z UśYCIEM AMIENIA GNĄCEGO I DODATKOWEGO MOMENTU 3,5 180 0 1,5 180 0 1,1 180 0 ięcie u stalowych o duŝych śednicach z uwai wysoą jaość zaięć i nisi oszt opzyządowania ięcie u stalowych o duŝych śednicach i z małym wzlędnym pomieniem ięcia z uwai na wysoą jaość zaięć i nisi oszt opzyządowania ięcie u stalowych z małym wzlędnym pomieniem ięcia z uwai wysoą jaość zaięć i nisi oszt opzyządowania, uządzenie do ięcia moŝna łatwo tanspotować i instalować GIĘCIE PZEZ SPĘCZANIE GIĘCIE LASEOWE - - ięcie w wielu płaszczyznach u i pofili o złoŝonych ształtach, w poducji pototypowej lub do doinania wstępnie zaiętych elementów METODA HAMBUSKA 1,1 180 0 ształtowanie olan uowych o nieosiąalnej innymi metodami jaości, wyznaczanej pzez ołowość pzeoju i zachowanie stałej ubości ściani na całym obwodzie zaięcia 14
stosuje się więc z óŝnych wzlędów, począwszy od onieczności zmniejszania siły odształcenia i spęŝynowania w metodzie ięcia oących u wypełnionych piasiem; pzez zmniejszenie owalizacji pzeoju podczas ięcia z loalnym nazewem inducyjnym i zapobieania zmianom ubości ściani w metodzie hambusiej, aŝ po utwozenie tzw. zawiasu temoplastyczneo podczas ięcia laseoweo. Opócz pzedstawionych w tabl. 3.1 i 3. istnieją ównieŝ inne metody ształtowania olan uowych. Instalacje uowe i uociąi budowane są z iętych odcinów u lub ich postych odcinów, łączonych za pośednictwem olan uowych o óŝnych ątach zaięcia. Poszczeólne elementy łączone są ze sobą najczęściej za pomocą spawania. Metodą stosowaną w jednostowej poducji wieloabaytowych, cienościennych olan uowych jest zespawanie ich z odpowiednio zwiniętych famentów blachy (ys. 3.a). Odpowiednie zaleŝności do wyznaczania ształtu płasich famentów blachy do zwijania moŝna znaleźć w pacy [43]. Podobną metodą jest spawanie zwiniętych awałów blachy w fomę powłoi tooidalnej o pzeoju sześcioąta, a następnie ozpęczanie jej wodą pod ciśnieniem aŝ do momentu ufomowania pzeoju ołoweo (ys. 3.b). Opis tej metody oaz analizę pocesu moŝna znaleźć w pacach [44-46]. Poducja olan tymi metodami nie wymaa osztownych maszyn ani opzyządowania i zapewnia stałą ubość ściani na całym obwodzie olan, osztem oczywiście wysoiej pacochłonności i niedosonałości ich ształtu. a) b) ys. 3.. Kolana wyonane metodą spawania: a) ze zwiniętych awałów blachy; b) spawania ze zwiniętych awałów blachy a następnie ozpęczania hydomechaniczneo [46]. 3.3. Poównanie iętych u i olan uowych Instalacje uowe i uociąi budowane są z iętych lub postych odcinów u, łączonych najczęściej pzez spawanie, za pośednictwem olan uowych o óŝnych ątach zaięcia. Aby uzysać zwatość i sztywność onstucji stosuje się minimalne pomienie zaięć. Stosowanie w tych onstucjach olan uowych wymaa wyonania znacznie więszej ilości spawów, ale ma jednocześnie wiele zalet w poównaniu ze stosowaniem iętych odcinów u: 1) Zinanie u małym wzlędnym pomieniem ięcia jest tudne do wyonania, z uwai na owalizację pzeoju i zmianę ubości ściani. Poducja metodą hambusą olan uowych o pomieniu wzlędnym zaięcia = D z jest powszechna i niezawodna. Odpowiednią technoloię i nazędzia posiada wielu wytwóców, ustanowione są odpowiednie poceduy i uzodnienia. Stosowanie olan uowych znacznie upaszcza onstucję instalacji uowych i uociąów. 15
) Podczas wyonywania zaięć u metodą loalneo nazewania inducyjneo, aby otzymać odpowiedni pomień zaięcia onieczne jest znaczne zóŝnicowanie tempeatuy na obwodzie i dłuości stefy odształcenia, co powoduje zóŝnicowanie stutuy mateiału i moŝe powodować pojawianie się miopęnięć. Wady te moą nie być wyyte pzez powszechnie stosowane metody ontoli. Kształtowanie olan uowych metodą hambusą odbywa się natomiast w optymalnym zaesie tempeatuy, nie występują pzy tym Ŝadne jej adienty. 3) Gięte uy wymaają często obóbi cieplnej po ięciu. Ta więc moŝliwe teoetycznie ięcie dłuieo odcina uy w wielu płaszczyznach jest w patyce oaniczone ozmiaami dostępneo pieca do obóbi cieplnej oaz tudnościami w utzymaniu odpowiedniej szybości chłodzenia na całej jej dłuości. 4) Gięcie u zawsze wiąŝe się z mniejszą lub więszą owalizacją jej pzeoju, związaną z występowaniem napęŝeń ozciąających podczas ięcia. Kolana uowe otzymane metodą hambusą mają pawie idealnie ołowy pzeój na całej swojej dłuości. 5) Otzymanie doładnie załoŝoneo ąta zaięcia uy nie jest zeczą łatwą, dodatowo ąt ten moŝe się zmienić po obóbce cieplnej. Kolana uowe są obabiane mechanicznie (fazowane) po ształtowaniu i ewentualnej obóbce cieplnej, co pozwala osiąnąć doładność ąta zaięcia zędu ułama stopnia. 6) W pzypadu iętych elementów uociąów o wysoich wymaaniach jaościowych, często onieczne jest pzepowadzenie badań niszczących mateiału. Mateiał póbi powinien mieć taą samą histoię odształcenia ja otowy element, więc pobanie taiej póbi z iętej uy nie jest moŝliwe bez jej uszodzenia. W pzypadu olan uowych otzymanych metodą hambusą, póbi taie moŝna pobać z ońców olan, tóe są odpadem. 7) Ze wzlędu na ozmia i ształt, ontola jaości powiezchni wewnętznej iętych u jest utudniona. Powiezchnia wewnętzna olan uowych moŝe natomiast być łatwo ontolowana pzy uŝyciu óŝnych metod, dzięi łatwemu do niej dostępowi. 3.4. Hambusi poces ształtowania olan uowych 3.4.1. Zaes stosowania metody hambusiej i toleancje wyonania olan Hambusa metoda ształtowania olan uowych została opatentowana w ou 1916 pzez baci Böhlin z Hambua. Kolana hambusie poduuje się seyjnie i ze wzlędów eonomicznych ich wymiay są znomalizowane. Np. śednice zewnętzne u i ubości ściane olan w DIN 605 odpowiadają wymiaom u bez szwu w DIN 448 [48, 49]. Metody poducji u bez szwu opisano doładnie w pacy [50]. Noma DIN 605 dotyczy standadowych olan uowych, pzeznaczonych do łączenia z innymi elementami metodą spawania. Obejmuje ona olana o śednicach zewnętznych uy od 1,3 do 711 mm i ubościach ściane od do 16 mm o ątach zazywienia olan wynoszących 45 0, 90 0 i 180 0. Pzeznaczone są one do zabudowy w uociąach pay, wody i azu oaz innych czynniów obojętnych pzy ciśnieniach nominalnych 0,5 15 MPa, w zaesie tempeatu oboczych (w zaleŝności od atunu mateiału olana) do 550 C. Kolana uowe podzielone są na tzy typy (typ, 3 i 5) w zaleŝności od wzlędneo pomienia zywizny olana (ys. 3.3a). Typ olana w pzybliŝeniu odpowiada stosunowi podwojonej wielości jeo pomienia zywizny do śednicy wewnętznej uy olana D w (ys. 3.3b). 16
a) typ typ 3 typ 5 b) c) 600 D w D w D z Dz, mm 500 400 300 00 100 0 3 4 5 Typ olana - metoda hambusa - ięcie z loalnym nazewem inducyjnym ięcie na zimno. ys. 3.3. a) Typy olan uowych w nomy DIN 605, b) sposób oeślania typu olan uowych - olano uowe typu 3, c) olana poduowane w aju óŝnymi metodami. Analizując poam poducji ajoweo wytwócy olan uowych moŝna stwiedzić, Ŝe metodą hambusą poduowane są jedynie olana typu 3 (ys. 3.3c). Kolana o więszych wzlędnych pomieniach zazywienia poduowane są innymi metodami. Kolana uowe wytwazane metodą hambusą noszą w aju handlową nazwę łui hambusie lub łui ładie ótie. Do połowy XX w. - iedy nie stosowano jeszcze powszechnie metody ięcia u z loalnym nazewem inducyjnym - metoda hambusa była jedyną znaną metodą ształtowania wysoiej jaości olan uowych. Pzy jej uŝyciu poduowano wtedy olana typu, 3, 4 i 5 [36]. Ja widać na ys. 3.3c, metoda hambusa pozwala na ształtowanie olan uowych w badzo szeoim zaesie wymiaowym śednic u. W technoloii ięcia u często stosowanymi paametami oeślającymi ich ształt są cienościenność zaięcia s oaz jeo pomień wzlędny. Na ys. 3.4 pzedstawiono wielości cienościenności u w zaleŝności od wzlędneo pomienia ięcia, poduowanych pzy uŝyciu metody hambusiej i metody ięcia z loalnym nazewem inducyjnym. Ja widać, olana o wzlędnym pomieniu zaięcia mniejszym niŝ 1,5 oaz cienościennościach więszych niŝ 0,06 poduowane są jedynie pzy uŝyciu metody hambusiej. 17
Cienościenność uy 0,1 0,10 0,08 0,06 0,04 0,0 metoda hambusa ięcie z loalnym nazewem inducyjnym 0 1 1,5,5 wzlędny pomień ięcia ys. 3.4. Poównanie paametów eometycznych olan uowych poduowanych w aju óŝnymi metodami. Na ys. 3.5 zestawiono dodatowo wielości cienościenności s i wzlędneo pomienia ięcia olan hambusich w zaleŝności od ich śednicy zewnętznej uy D z.. Ja widać, metoda hambusa umoŝliwia wytwazanie olan o małych cienościennościach (ys. 3.5a) oaz małych wzlędnych pomieniach zaięcia (ys. 3.5b) w szeoim zaesie śednic zewnętznych uy olana. 0,1 1,6 Cienościenność uy 0,1 0,08 0,06 0,04 Wzlędny pomień ięcia 1,5 1,4 1,3 1, 0,0 1,1 0 0 100 00 300 400 500 D z, mm 1 0 100 00 300 400 500 D z, mm ys. 3.5. Geometyczne paamety olan uowych typu 3 poduowanych w aju metodą hambusą. Metodą tą moŝna taŝe ształtować olana ubościenne (s > 0,14) lub - pzy uŝyciu specjalnie uształtowaneo tzpienia - ciasną spialę, ja poazano na ys. 3.6b. a) b) ys. 3.6. Kolana (a) oaz ciasna spiala (b) uształtowane metodą hambusą [36]. 18
Wauni dostawy stalowych łączniów, pzeznaczonych do łączenia z pozostałymi elementami uociąów i instalacji uowych metodą spawania badzo szczeółowo oeśla noma DIN 609 [49]. WaŜniejszą upę elementów uociąów objętych powyŝszą nomą stanowią olana uowe w nomy DIN 605. W tablicy 3.3 pzedstawiono wyjąti z nomy DIN 609, dotyczące toleancji ształtu olan uowych pzedstawionych na ys. 3.7a. Toleancje wymiaowe w nomy DIN 609, dotyczące olan uowych typu ; 3 i 5. Śednica zewnętzna uy olana D z, mm standadowe wymaania Toleancja śednicy zewnętznej D z dopuszczalne Dopuszczalna owalizacja e na ońcach olana na dłuości olana Toleancja ubości ściani Tablica 3.3. Szeoość b, mm 1,3-76,1 ±8 ± 0,4 mm w anicach 88,9-114,3 toleancji ±9 139,7-19,1 ± 0,5 % śednicy -1,5 % ±10 73 15 % ±14 33,9-457 ±14 508-610 ±1% min ±0,5 mm 4 % max ±16 10 mm 711 ±0,6 % % max -0,35 mm 15 % 813 914 10 mm -0,5 mm 15 % a) D z min D z D z max b ys. 3.7. Oznaczenia pzyjęte pzy oeślaniu toleancji wymiaowych olan uowych (a) oaz do obliczania owalizacji pzeoju uy (b) w DIN 609. Dla olan typu, 3 i 5 o ącie zaięcia 180 0 wybano tylo te paamety eometyczne, dla tóych spełnienia ma wpływ metoda i pzebie pocesu ich odształcania plastyczneo. Wielość owalizacji pzeoju popzeczneo olana e w nomy DIN 609 naleŝy obliczać z zaleŝności: 19
Dz max Dz min e = 00,% (3.3) D D z max z min W tablicy 3.3 zestawiono odpowiednie wielości dopuszczalnej owalizacji pzeoju popzeczneo na ońcach i na dłuości olan. 3.4. Technoloia poducji olan metodą hambusą Poces technoloiczny poducji olan hambusich słada się z następujących opeacji [33]: 1) ontola wymiaów i jaości u wsadowych; ) ontola oznaowania u; 3) cięcie u na odcini zapewniające odpowiedni ąt zaięcia otowych olan ; 4) odształcanie u na oąco; 5) chłodzenie i ontola jaości olan; 6) czyszczenie powiezchni pzez nadmuch piasiem; 7) cięcie i fazowanie ońców oaz badania nieniszczące; 8) zabezpieczanie olan pzed oozją. Poces ten moŝe óŝnić się w załadach poducyjnych, w zaleŝności od ich wyposaŝenia i od stopnia opanowania technoloii (ys. 3.8). a) b) c) d) e) f) ) ys. 3.8. Schemat pocesu technoloiczneo wytwazania olan hambusich. a) ua wsadowa; b) pocięte odcini u; c) ształtowanie na oąco; d) alibowanie olan; e) obóba cieplna; f) fazowanie olan; ) otowe olano. Poducenci olan stosują dodatową opeację alibowania olan w pasie. Opeacja ta spowodowana jest niepawidłowościami pocesu ształtowania - szczeólnie złym alibowaniem tzpienia. Obóba cieplna po ształtowaniu pozwala uzysać badziej jednoodną stutuę w całej objętości olana. Początowo jao wsad uŝywano moŝliwie najdłuŝszeo odcina uy wsadowej a następnie odcinano palniiem odpowiednie odcini zaięć na wybieu pasy, ale obecnie odształca się odcini u wsadowych o taiej dłuości, aby zapewnić otzymanie olan o ącie 190 10 0 (ys. 3.9a). Końce uształtowanych olan są nieówne i znieształcone, dlateo wymaają one wyównania pzez obóbę sawaniem (ys. 3.9b) i dodatowo uosowania (fazowania) awędzi pzeznaczonych do spawania. Kolana hambusie o mniejszych ątach zazywienia otzymuje się pzez pocięcie na części zaięć o ącie 180 0 (ys. 3.9c). 0
a) b) c) ys. 3.9. Uształtowane olana na samotou (a) oaz pzycinanie olan na odpowiedni wymia ątowy mechanicznie (b) i palniiem (c). NajwaŜniejszą częścią pocesu wytwazania olan metodą hambusą jest odształcanie na oąco odcinów u. uy wsadowe do poducji olan dostaczane są w handlowych dłuościach 4 8 m. Schemat pocesu odształcania pzedstawia ys. 3.10. 5 5 7 3 1 6 4 ys. 3.10. Schemat pocesu hambusieo ształtowania olan uowych [7]. 1 - ua wsadowa; dą; 3 - tuleja popychająca; 4 - niazdo pasy; 5 - tzpień ształtujący; 6 - suwa pasy; 7 palnii azowe. Pocięte na odpowiednie dłuości odcini uy (1) nałada się na dą pasy (). Koniec dąa z odcinami u pzełada się pzez tuleję popychającą (3) i mocuje na sztywno do niazda pasy (4). Do duieo ońca dąa mocowany jest tzpień odształcający (5). W tym czasie suwa pasy (6) znajduje się w pozycji początowej. Po włączeniu nazewnicy azowej lub eletycznej (7) uuchamia się suwa pasy z tuleją popychającą. Po dosunięciu tulei do ostatnieo z odcinów u wsadowych znajdujących się na tzpieniu następuje pzepychanie piewszeo odcina pzez stefę nazewania i jednocześnie stopniowe wtłaczanie o na odcine odształcający tzpienia. Nazewany odcine uy poddawany jest stopniowemu zainaniu z ównoczesnym powięszaniem śednicy. Po pzejściu odcina uy pzez odształcający i alibujący odcine tzpienia uzysuje się olano o załoŝonej śednicy i pomieniu zywizny. Uształtowane olano spada na samoto (ys. 3.9a). W tym czasie na odcinu odształcającym znajduje się następny - częściowo juŝ odształcony - odcine uy, tóy popychany jest olejnym, jeszcze postym odciniem uy. Poces powadzi się w sposób ciąły aŝ do momentu wtłoczenia na odcine ształtujący tzpienia ostatnieo odcina 1
uy. Wtedy suwa pasy zostaje wycofany a tzpień odczepiony od dąa. Nowa patia u wsadowych zostaje nałoŝona na dą i poces moŝe być ontynuowany [33]. Specyfia pocesu ształtowania olan metodą hambusą wymaa zastosowania specjalnej pasy o odpowiednio duŝej wielości sou posuwisto zwotneo uchu suwaa. W celu zwięszenia wydajności poducji, onstucja pasy moŝe pzewidywać jednoczesne stosowanie więcej niŝ jedneo tzpienia. Stasze linie technoloiczne wyposaŝone są w pasy mechaniczne. uch obotowy napędoweo silnia eletyczneo jest wtedy zamieniany na posuwisty uch suwaa pasy za pomocą pzeładni łańcuchowej. Schemat taiej pasy pzedstawia ys. 3.11. 1 3 4 5 6 7 8 9 10 ys. 3.11. Schemat mechanicznej pasy do pocesu ształtowania olan metodą hambusą [33]. 1 niazdo mocowania tzpienia; dą; 3 suwa pasy; 4 odcini u do ształtowania; 5 łańcuch napędowy; 6 silni; 7 - pzeładnia pasowa; 8 nazewnica; 9 tzpień ształtujący; 10 samoto. Nowsze instalacje wyposaŝone są zwyle w uządzenia hydauliczne (ys. 3.1). W pasie hydaulicznej uch obotowy napędoweo silnia eletyczneo jest zamieniany na posuwisty uch suwaa pasy za pomocą uładu hydauliczneo. Pasa słada się z tłoa (1) zamocowaneo wewnątz uchomeo cylinda (). Do tłoa zamocowana jest Ŝedź tzpienia (3). uchomy cylinde śliza się swym pzednim uszczelnieniem po Ŝedzi a wewnętznym uszczelnieniem po płaszczu nieuchomeo cylinda [36]. Typowa hydauliczna pasa pozioma do ształtowania olan hambusich słada się z opusu, uładu hydauliczneo i uładu steowania. Kopus pasy jest najczęściej onstucją spawaną. WaŜniejsze paamety techniczne taiej pasy pzedstawiono w tablicy 3.4. Tablica 3.4. Paamety technoloiczne pzyładowej pasy P 30-360 do pocesu ształtowania olan hambusich. Max. siła Max. pędość suwaa, Min. pędość Śednica Ciśnienie oleju, Napęd Steowanie spychania, mm/s suwaa, dąa, MPa N 170, N 300, N mm/s mm hydauliczny półautomatyczne 17,5 300 75 30 6,7 15 110
a) b) 3 1 4 woda chłodząca ys. 3.1. Wido pasy hydaulicznej (a) i schemat hydauliczneo uładu do ształtowania olan ubościennych tzpieniem chłodzonym od wewnątz wodą (b) [36]. 1 tło; uchomy cylinde; 3 Ŝedź; 4 anały chłodzące. 3.4.3. Pzebie odształcenia podczas ształtowania olan Ja widać na ys. 3.10, tzpień o pzeoju oąłym na całej dłuości, od początoweo odcina posteo powadząceo uę zmienia się w zazywiony. Pzeój tzpienia intensywnie zwięsza się na jeo dłuości, dzięi czemu ua podczas pzesuwania po tzpieniu zina się i powięsza swoją śednicę, zwłaszcza na wewnętznym łuu zinania. To powięszanie śednicy uy jest jednym z najistotniejszych etapów całeo pocesu ształtowania olana. Po pzebyciu ąta o. 55 0 pzeój tzpienia jest stały i zywizna łuu wewnętzneo jest ównoleła do zewnętzneo. Odcine powięszania śednicy zaończony jest odciniem o stałym pzeoju popzecznym, słuŝącym do alibowania i powadzenia otoweo olana. ozład napęŝeń powoduje, Ŝe mateiał uy z łuu wewnętzneo wzdłuŝ odcina powięszania śednicy tzpienia pzepływa na powiezchnię łuu zewnętzneo. Nacis pasy powoduje powstawanie osiowych napęŝeń na wewnętznym łuu zaięteo tzpienia. Są one masymalne na początu stefy odształcenia i dąŝą do watości 0 na ońcu tej stefy, poniewaŝ od teo pzeoju obszau odształcania nie następują juŝ Ŝadne dalsze odształcenia. Pzez nacis na tzpień mateiał na wewnętznym łuu ulea hamowaniu i spęczeniu, podczas dy ównocześnie z powodu mniejszych nacisów i oaniczonemu spęczaniu na łuu zewnętznym moŝe płynąć szybciej. Z powodu zwięszania śednicy tzpienia powstają napęŝenia ozciąające w ieunu obwodowym, tóe pzeciąają na 3
zewnętzną stonę hamowany mateiał i powodują jeo docis do tzpienia. Bez powięszenia śednicy mateiał nie mółby pzepływać na zewnętzną stonę tzpienia. Pzy małych wzlędnych pomieniach ięcia na wewnętznej stonie zinania występuje duŝe spęczanie, tóe musi być ompensowane pzez duŝe powięszenie śednicy. Pzy duŝych wzlędnych pomieniach ięcia - pzy małym spęczaniu - wymaane jest mniejsze powięszenie śednicy uy. Pzez pawidłowe powięszanie śednicy i odpowiednie dopasowanie ozładu tempeatuy na tzpieniu moŝna steować płynięciem mateiału, ta Ŝe ubość ściani uy podczas ształtowania pozostaje bez zmiany. MoŜna więc stwiedzić, Ŝe w elemencie mateiału, tóy jest jednocześnie pocieniany w ieunu napęŝeń ozciąających i poubia się w ieunu napęŝeń ścisających, ubość ściani nie zmienia się. Tylo dzięi tej zasadzie moŝna z postej uy otzymać odcine uy zazywionej o stałej ubości ściani (ys. 3.13). a) b) ys. 3.13. ua wsadowa i uształtowane z niej olano (a) oaz element uy pzed i po odształceniu (b) [36]. Poces ształtowania olan metodą hambusą chaateyzuje się baiem nazędzia na zewnątz uy, co powoduje występowanie powiezchni swobodnej w tacie odształcenia. Poblem analityczneo wyznaczenia napęŝenia spychania olana wydaje się być dość złoŝony, pzede wszystim z uwai na występowanie tej powiezchni swobodnej. NapęŜenie pomieniowe zmienia się na ubości ściani, pzyjmując masymalną watość na powiezchni styu uy z tzpieniem oaz watość zeową na powiezchni zewnętznej uy. MoŜna pzyjąć podobnie ja w pocesie ciąnienia u na pusto - Ŝe zmiana ta jest liniowa, w związu z czym śednia watość napęŝenia, występująca w śodu ubości ściani, jest ówna połowie nacisu jednostoweo występująceo na powiezchni styu metalu z tzpieniem. Watości i zna odształceń zaleŝą od stosunu napęŝeń obwodowych do wzdłuŝnych. Pod wpływem napęŝeń ścisających, pzy załoŝeniu, Ŝe wpływ napęŝeń pomieniowych jao mniejszych od obwodowych pomija się, metal popłynie w ieunu zewnętznym zaięcia uy, powodując wzost ubości jej ściani. ównocześnie, działanie ozciąających napęŝeń obwodowych dąŝy do zmniejszenia ubości ściani. W zaleŝności od teo, czy pzewaŝy efet działania napęŝeń obwodowych, czy teŝ napęŝeń wzdłuŝnych, otzymuje się ońcową ubość ściani więszą lub mniejszą od początowej. Pzy wzajemnym ównowaŝeniu się oddziaływania napęŝeń ubość ściani uy nie ulenie zmianie [51]. Metoda wyznaczania odształceń na podstawie wielości odształceń zdefomowanej siati naniesionej na powiezchnię póbi jest jedną z metod opatych na analizie wzoów powiezchniowych, oeślonej mianem wizjoplastyczności [5]. Do oeślania watości odształcenia stosowane są zwyle siati złoŝone z oęów, co ułatwia wyznaczanie łównych ieunów odształcenia, dyŝ oęi zmieniają się w elipsy. Czasami są stosowane siati postoątne (wadatowe), tóe mają dwie zasadnicze zalety: patyczną - stosowanie siati o badzo małej podziałce wymaa linii postych, teoetyczną w nietóych 4
pzypadach odształcenia nie wywołują znieształcenia oęów pomiaowych pzy obocie osi odształcenia [53]. Zdjęcie odcina uy oaz otoweo olana z naniesioną na ich powiezchni siatą wadatową pzedstawia ys. 3.13a. Ja widać na tym ysunu, w ieunu do łuu wewnętzneo olana wadaty coaz badziej zmieniają się w tapezy. JednaŜe powiezchnia wszystich zaznaczonych pól pzed i po odształceniu jest w pzybliŝeniu jednaowa. Świadczy to o zachowaniu piewotnej ubości ściani uy w aŝdym puncie olana. Obsewacja znieształceń wadatowej siati naniesionej na zewnętzną powiezchnię uy wsadowej jest metodą stosowaną w pacach dotyczących ształtowania olan metodą hambusą [54-58] ys. 3.14a. a) b) ε l =ε c =0 ε l = - 54% ε c =48,6% ε l =ε c =3,3% ys.3.14. Znieształcenie siati postoątnej naniesionej na powiezchnię olana [57] (a) oaz obliczone na tej podstawie wielości odształceń wzlędnych [55] (b). Na powiezchnię uy wsadowej nanoszona jest siata oodynacyjna w postaci ys obwodowych i wzdłuŝnych. Pomiay dłuości boów zaznaczonych omóe pzed i po ieune spychania ys. 3.15 Obaz zdefomowanej siati oodynacyjnej (linia ciąła) na tle siati naniesionej na powiezchnię uy wsadowej (linia pzeywana). Kolano o D z = 306 mm, stal węlowa [54]. 5
odształceniu pzepowadza się w linii postej, inoując istnienie niewieliej zywizny powiezchni uy. Na dłuości bou tej omói pzy odpowiednio dobanych wymiaach siati powstaje błąd zędu jedynie 1%. Np. na ys. 3.15 pzedstawiono ozpostowane obazy siati oodynacyjnej naniesionej na uę wsadową oaz siati zdefomowanej po wyonaniu olana. Ja widać, znieształcenia nie są doładnie symetyczne wzlędem płaszczyzny symetii olana. Pzyjmuje się uposzczenie, Ŝe wielości odształcenia oeślone na powiezchni uy są ówne w całej ubości jej ściani. Pzy taim załoŝeniu piewotnie postoątne omói siati uy wsadowej pzechodzą w czwooąty w siatce znieształconej (ys. 3.16). ua wsadowa otowe olano c i ini c f fin l i ys. 3.16. Oznaczenia pzyjęte do oeślania wielości odształceń [56]. l f Elementane omói uleają odształceniom nomalnym, powodującym zmianę dłuości boów oaz postaciowym, powodującym zmianę ątów pomiędzy boami. Odształcenie wzdłuŝne omóe zdefiniowane jest jao: l δ l = ln l f i (3.4) Natomiast odształcenie obwodowe jao: δ c c = ln c f i (3.5) W oólnym pzypadu postoąty pzeształcają się w czwooąty o óŝnej dłuości pzeciwlełych boów. W aŝdej omóce moŝna oeślić więc dwie óŝne wielości odształcenia wzdłuŝneo i obwodoweo, ta więc wielości te powinny być uśednione. 6
Odształcenie pomieniowe - związane ze zmianą ubości ściani uy - obliczane jest z zasady zachowania stałej objętości: δ = δ δ ) ( l c (3.6) Aby oeślić wielość odształcenia postacioweo γ cl, onieczna jest znajomość zmiany ąta pomiędzy sąsiednimi boami omói siati. Kąt ten w nieodształconej omóce wynosi ini, w odształconej natomiast fin. Wielość odształcenia postacioweo wyaŝa się zaleŝnością: γ cl = (3.7) fin ini Wielość ąta ini jest wielością stałą, chaateystyczną dla nieodształconej siati. Wielość ąta fin w odształconej omóce moŝna zmiezyć lub obliczyć. Intensywność odształcenia wyaŝa się zaleŝnością - podaną w [56] słuszną pzy załoŝeniu, Ŝe odształcenia postaciowe występują jedynie w płaszczyźnie ściani olana: δ = 3 ( δ δ ) l c ( δ δ ) c ( δ δ ) l 3 γ cl (3.8) Na ys. 3.17 pzedstawiono oeślony tą metodą ozład odształcenia na obwodzie olana. ZóŜnicowanie ubości ściani na całej dłuości i obwodzie otoweo olana w a) spychania b) δ l ieune δ c c) δ d) γ cl e) δ - ys. 3.17. Obliczone metodą wizjoplastyczności wielości odształceń na powiezchni olana [54]. 7
obazowy sposób pzedstawiono na ys. 3.17c. Odształcenie pomieniowe jest zędu 0,1 co odpowiada zmianie ubości ściani zędu 10%. Najwięsze zmiany obsewuje się na początu olana. Znając watości pzedstawione na ys 3.17 moŝna oeślić stan odształcenia na dłuości uy podczas pocesu ształtowania, co pzedstawiono schematycznie na ys. 3.18. ε c = ε l = ε =0 ε c = ε l = ε =0 ε =0 ε c ε l ε c = ε l = ε =0 ys. 3.18. Schemat stanu odształcenia w obszaze odształcenia metalu w óŝnych miejscach na dłuości i obwodzie tzpienia podczas ształtowania [wyni analizy Autoa]. Siata wadatowa ma dodatową zaletę, pzez zastosowanie podobnej siati elementów sończonych w analizie MES jest moŝliwe bezpośednie wizualne - poównanie wyniów obu analiz. 3.4.4. Paamety technoloiczne pocesu Dla otzymania dobej jaości olan zasadnicze znaczenie mają: 1) paamety eometyczne pocesu: a) doładność wymiaowa śednicy i dłuości odcinów u wsadowych; b) ształt i wymiay tzpienia, ) paamety inematyczne i cieplne pocesu ształtowania: a) osiowa pędość spychania olana; b) ozład tempeatuy na dłuości i obwodzie stefy odształcającej tzpienia. 3) jaość powiezchni u wsadowych. Osiowa pędość spychania olan (pędość suwaa pasy) v jest stała w tacie całeo pocesu ształtowania. Musi ona być soelowana odpowiednio z pozostałymi paametami pocesu ształtowania tj. właściwościami mateiału odształcanej uy oaz tempeatuą i jej ozładem w stefie odształcającej. Jao optymalną pędość spychania naleŝy pzyjąć taą, 8