PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO Opracowanie: prof. dr hab. inż. Jan Sińczak Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Materiały pochodzą z książki Podstawy procesów przeróbki plastycznej opracowanej pod redakcją prof. dr hab. Inż. Jana Sińczaka - Wydawnictwo naukowe AKAPIT, Kraków 2010.
PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO 6.1. Charakterystyka procesu Przedmioty metalowe, w zależności od przeznaczenia, masy, wielkości serii można wykonywać różnymi metodami: odlewaniem, obróbką skrawaniem lub za pomocą kucia. Jeżeli przedmiot ma wyróżniać się wysokimi własnościami wytrzymałościowymi i nie mieć wad, jakie występują w odlewach, to należy go wykonać za pomocą kucia swobodnego lub matrycowego, nawet gdy wykończenie będzie wymagać kosztownej obróbki skrawaniem. Kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym daje duże korzyści - przy porównywalnej serii i wielkości otrzymywanych odkuwek. Biorąc pod uwagę powyższe założenia, kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym ma następujące zalety: możliwość stosowania mniejszych naddatków technologicznych, większą dokładność wykonania odkuwek, możliwość nadawania kształtów odkuwce, jakich nie można nadać przez kucie swobodne, możliwość łatwego i szybkiego odkuwania przedmiotów o kształtach skomplikowanych, małą pracochłonność oraz dużą wydajność, znaczną oszczędność w kosztach robocizny, możliwość zatrudnienia pracowników mniej wykwalifikowanych, dużą powtarzalność kształtu odkuwek, łatwość określenia czasu wykonania odkuwki, co umożliwia dokładną kalkulację kosztów. Wady kucia matrycowego są następujące: konieczność stosowania maszyn kuźniczych o podwyższonej dokładności prowadzenia matryc, dodatkowe koszty związane z prasami do okrawania wypływki, duży koszt oprzyrządowania, opłacalność przy dużych seriach odkuwek, niewielkie wymiary wykonywanych odkuwek.
270 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Odkuwki matrycowe wykonuje się przeważnie z wsadu uprzednio walcowanego i pociętego na odcinki odpowiadające masie pojedynczej odkuwki lub kilku odkuwkom w zależności od wymagań opracowanego procesu technologicznego. Rys. 6.1. Schematy kucia [23]: a w kowadłach płaskich, b w kowadłach kształtowych, c w matrycach otwartych, d w matrycach zamkniętych, e w procesie wyciskania Kucie matrycowe, podobnie jak kucie swobodne charakteryzuje się trójosiowym stanem naprężenia, przy czym wszystkie naprężenia główne są ściskające (rys. 6.1). Jednak proces odkształcania w matrycach z reguły rozpoczyna się od spęczania. Niektóre etapy procesu kucia matrycowego odkuwek wydłużonych można rozpatrywać jako wydłużanie w kowadłach kształtowych. W ostatnim etapie natomiast może za-
6. Procesy kucia matrycowego 271 chodzić wyciskanie. Rozpatrzymy te procesy pod kątem rozkładu naprężeń w odkształcanym materiale. Podczas kucia w kowadłach płaskich (rys. 6.1a) w materiale w pewnych obszarach mogą wystąpić naprężenia rozciągające. Podczas kucia w kowadłach kształtowych (rys. 6.1b) materiał może się swobodnie wydłużać, natomiast jego rozszerzanie jest częściowo ograniczone przez boczne ścianki narzędzia. W tym przypadku powstające dodatkowe naprężenia rozciągające są mniejsze, a plastyczność metalu większa niż podczas kucia w kowadłach płaskich [4]. Podczas kucia w matrycach otwartych (rys. 6.1c) rozszerzanie się materiału jest częściowo ograniczone wskutek nacisku wywieranego przez boczne ścianki narzędzia. W porównaniu z kuciem w kowadłach płaskich jednostkowy nacisk jest 1,5 3 razy większy, a plastyczność metalu znacznie lepsza. Przy matrycowaniu odkuwek o kształtach złożonych rozkład odkształceń jest nierównomierny, co sprzyja powstawaniu dość znacznych naprężeń rozciągających. W takich przypadkach w celu uniknięcia pęknięć wykonuje się odkuwki z przedkuwek. Podczas kucia w matrycach zamkniętych (rys. 6.1d) rozszerzanie się materiału jest ograniczone ściankami narzędzia. Dlatego w całej objętości materiału panuje stan trójosiowego ściskania. W przypadku kucia w matrycach zamkniętych jednostkowy nacisk jest dwukrotnie większy niż przy kuciu w matrycach otwartych, a 3 6 razy większy w porównaniu z kuciem swobodnym. W etapie wyciskania materiału (rys. 6.1e) płynięcie odbywa się bez poprzecznego rozszerzenia, któremu przeciwdziała boczny nacisk ścian matrycy. W materiale panuje trójosiowy stan naprężenia o bardzo dużych wartościach naprężeń. Jednostkowy nacisk powodujący odkształcenia plastyczne jest około 15 razy większy od nacisku występującego w kuciu swobodnym. Materiał wyciskany ma bardzo dużą plastyczność. 6.2. Maszyny do kucia matrycowego Młoty matrycowe charakteryzują się tym, że wszystkie ich elementy składowe tworzą z szabotą jedną całość. Konstrukcja ich jest zwarta i mocna oraz zapewnia bijakowi dobre prowadzenie. Ogólny schemat konstrukcji młota matrycowego przedstawiono na rys. 6.2. Składa się on z szaboty 1, na której są umocowane stojaki 2, a na nich płyty 3 i mechanizm napędowy 4 (parowo-powietrzny, mechaniczny lub hydrauliczny). Stojaki są połączone elastycznie z szabotą i mechanizmem napędowym za pomocą śrub 6 i 7 ze sprężynami. Dzięki temu zmniejsza się w stojakach naprężenia występujące w czasie kucia. Natomiast w płaszczyźnie poziomej stojaki są sztywno połączone z szabotą za pomocą klinów 8. Prowadnice bijaka 5 są nastawialne, dzięki czemu uzyskać można dokładne osiowe prowadzenie bijaka. Rozróżniamy następujące typy mło-
272 Podstawy procesów kształtowania plastycznego tów matrycowych: parowo-powietrzne (jednostronnego i dwu-stronnego działania), parowo-powietrzne przeciwbieżne, wysokoenergetyczne, z indywidualnym napędem. Rys. 6.2. Schemat konstrukcji młota matrycowego [26]: 1 szabota, 2 stojak, 3 płyta, 4 mechanizm napędowy (cylinder), 5 bijak, 6 śruba, 7 sprężyna, 8 klin, 9 płyta wyrównawcza Prasy cierno-śrubowe charakteryzują się tym, że energia kinetyczna nagromadzona w kole zamachowym przenosi się za pośrednictwem wrzeciona, suwaka i narzędzia na materiał podlegający odkształceniu (rys. 6.3). Prędkość bijaka w momencie zetknięcia się z materiałem jest największa, podobnie jak w młotach. Koło zamachowe może być uruchomione za pomocą mechanizmu ciernego, hydraulicznego lub bezpośrednio od silnika elektrycznego. Prasy śrubowe są używane do kucia na gorąco, gięcia, prasowania i prostowania. Można na nich wykonywać odkuwki typu śrub, nitów, zaworów samochodowych i odkuwki o niewielkich występach i niewysokich żebrach. Istnieje wiele odmian pras śrubowych, w których wrzeciono wykonuje tylko ruch obrotowy i postępowy, a nakrętka jest ruchoma lub nieruchoma. Większość dotychczas stosowanych pras jest wyposażona w napęd cierny; w ostatnich latach napęd
6. Procesy kucia matrycowego 273 ten jako mało wydajny zaczyna być zastępowany napędem hydraulicznym lub elektrycznym. Rys. 6.3. Przesuw matrycy w prasach śrubowych [3]: a śrubowy, b obrotowy, c postępowy. Oznaczenia: koło zamachowe, 2 śruba, 3 nakrętka, 4 suwak prasy Prasy kuźnicze korbowe typu Maxi są to maszyny używane do dokładnego kucia odkuwek produkowanych w dużych seriach. Podstawowym warunkiem stawianym prasom Maxi jest, aby sztywność ich była jak największa, tzn. żeby miały jak najmniejszą sprężystość, ponieważ od tego zależy dokładność wykonania odkuwek. Sprężynowanie prasy powodują: w ⅓ korpus, a w ⅔ wał korbowy, łożyska, korbowód i suwak. Problem zmniejszania sprężystości został w znacznej mierze rozwiązany w nowej konstrukcji dzięki zastosowaniu napędu klinowego. Prasy korbowe, w porównaniu z młotami parowo-powietrznymi, mają następujące zalety: dają większą dokładność kucia, ze względu na dobre prowadzenie suwaka i sztywność korpusu, pracują spokojnie, nie powodując powstawania rytmicznych drgań; nie wymagają budowy kosztownych fundamentów, eliminują wpływ człowieka na jakość wyrobu, dają możność ścisłego ustalenia zgniotu, a tym samym wielkości ziarna, ułatwiają mechanizację i automatyzację procesów kucia, dzięki czemu istnieje możliwość wykorzystania każdego suwu roboczego, dają niższy koszt ruchu w porównaniu z odpowiedniej wielkości młotem parowopowietrznym przy ręcznej obsłudze maszyny, przy zmechanizowanej pracy koszt ruchu jeszcze znacznie się obniża.
274 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.4. Prasa korbowa typu MAXI [23]: 1 silnik, 2 koło zamachowe, 3 przekładnia zębata, 4 wał korbowy, 5 sprzęgło pneumatyczne, 6 hamulec, 7 korbowód, 8 suwak, 9 stół prasy, 10 podkładka regulująca narzędzie robocze Prasy nie są jednak maszynami tak uniwersalnymi jak młoty i można na nich wykonywać jedynie pewne typy odkuwek. Na prasach Maxi odkuwki powinny być wykonywane w kilku przejściach. Jeżeli odkuwka ma kształty wydłużone, to wstępne odkuwki muszą być wykonane poza prasą jako okresowo walcowane albo ukształtowane na walcarkach kuźniczych. Proces kucia na prasach korbowych może być zmechanizowany z użyciem odpowiednich przyrządów. Działanie ich polega na przenoszeniu materiału lub przedkuwek z wykroju do wykroju. Dzięki temu każdy suw roboczy może być wykorzystany. Wydajność tak zmechanizowanej prasy jest rzędu milionów sztuk rocznie. Dlatego mechanizacja procesu kucia jest opłacalna przy dużej produkcji. Schemat kinematyczny prasy korbowej typu MAXI przedstawiono na rysunku 6.4. Prasy kolanowe służą do wykonywania tych operacji na zimno i gorąco, które wymagają dużych nacisków na niewielkim odcinku drogi suwaka, a więc do płytkiego kucia, wyciskania, dotłaczania i prostowania. W kuźniach stosuje się je do dotłaczania odkuwek na zimno i gorąco. Duże zastosowanie znajdują w przemyśle zbrojeniowym do wyrobu amunicji oraz w mennicach do wybijania monet. Prasy odznaczają się sztywnym korpusem, dużym naciskiem w pobliżu dolnego martwego położenia oraz stosunkowo długim czasem stykania się narzędzia z tłoczonym przedmiotem, co daje w efekcie produkt o wysokiej klasie dokładności.
6. Procesy kucia matrycowego 275 Rys. 6.5. Zasada działania walców kuźniczych okresowych [23]: a moment wprowadzenia materiału do walców (v 1 ), b koniec cyklu roboczego (v 2 ). Oznaczenia: 1 materiał wsadowy, 2, 3 segmenty matryc, 4 opór stały (zderzak) Kuźniarki pod względem konstrukcyjnym należą do grupy pras mechanicznych o układzie korbowym i o dwóch suwakach poruszających się względem siebie pod kątem prostym [24]. Kuźniarki buduje się z pionowym i poziomym podziałem matryc. Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajdują kuźniarki z poziomym podziałem matryc. Obecnie budowane są dwa typy kuźniarek tego rodzaju, w których górna część matrycy porusza się pionowo po linii prostej oraz po łuku. Walcarki kuźnicze są maszynami, które budową i sposobem pracy przypominają lekkie walcarki hutnicze dwuwalcowe. Pod względem konstrukcyjnym dzieli się je na: wysięgowe, ramowe, ramowo-wysięgowe oraz wieloklatkowe automaty walcownicze. Odmiennym typem są walcarki kopiujące i śrubowe. Walcarki kuźnicze są wyposażone w specjalne stoły z prowadnicami i zderzakami, które służą do właściwego ułożenia materiału podczas walcowania (rys. 6.5). W produkcji wielkoseryjnej i masowej stosuje się wieloklatkowe automaty walcownicze. 6.3. Matryce materiały i konstrukcja Narzędzia kuźnicze, a w szczególności matryce stosowane do kucia na młotach, są narażone na działanie wysokiej temperatury i naprężeń zmiennych dynamicznych. Z tych względów na matryce stosuje się stale o dobrych własnościach mechanicznych, odpowiednio przekute i wolne od wad wewnętrznych i powierzchniowych. Matryce do pras i kuźniarek są narażone na mniejsze naprężenia dynamiczne, natomiast na większe naprężenia termiczne i z tego względu są one mniej odporne na ścieranie. Matryce stosowane do kucia na gorąco na młotach konwencjonalnych, prasach kuźniczych i kuźniarkach wykonuje się z narzędziowej stali węglowej. Matryce przeznaczone do kucia na gorąco z dużymi prędkościami wykonuje się ze stali chromowomolibdenowo-wanadowych. Poprawne opracowanie procesu technologicznego kucia matrycowego polega na zaprojektowaniu i wykonaniu odpowiednich wykrojów tzw. pomocniczych i matrycujących w oparciu o analizę uwzględniającą:
276 Podstawy procesów kształtowania plastycznego kształt odkuwki (osiowo symetryczne zwarte, wydłużone, złożone) i masę odkuwki, kinematykę płynięcia materiału na różnych maszynach kuźniczych (młoty, prasy, kuźniarki, zespoły agregatów), własności plastyczne i mechaniczne odkształcanego materiału z uwzględnieniem temperatury kucia (na zimno lub na gorąco), konstrukcję matryc (otwarte i zamknięte rys. 6.6). Rys. 6.6. Wykrój matrycujący [23]: a otwarty, b zamknięty Rys. 6.7. Matryca jednowykrojowa do kucia na młocie [23]: 1 matryca dolna, 2 matryca górna, 3 oprawa matrycy, 4 poduszka szaboty, 5 klin matrycy dolnej, 6 klin matrycy górnej, 7 szabota Z wymienionymi wyżej zagadnie-niami wiążą się następujące pojęcia: powierzchnia podziału matryc jest to powierzchnia dzieląca matryce na górną i dolną (rys. 6.6); wykrój - wgłębienie w matrycy, które nadaje odkuwce żądany kształt (rys. 6.7); skosy matrycowe - pochylenie ścian bocznych zewnętrznych i wewnętrznych wykroju umożliwiające wyjęcie odkuwki z matrycy (rys. 6.8). Przy kuciu w matrycach otwartych tworzy się wypływka, którą obcina się bezpośrednio po kuciu (rys. 6.9). Kucie w matrycach zamkniętych odbywa się bez tworzenia wypływki. Wsad do kucia w matrycach zamkniętych musi być cięty z podwyższoną dokładnością. Rolę wypływki w procesie kucia w matrycach zamkniętych pełni kompensator umieszczany w obszarze wykroju najpóźniej zapełniającym się metalem.
6. Procesy kucia matrycowego 277 Rys. 6.8. Kąty pochylenia ścian: zewnętrznej ( ) i wewnętrznej ( ) wykroju matrycy [23] Rys. 6.9. Proces okrawania wypływki [23]: 1 odkuwka, 2 wypływka, 3 płyta tnąca, 4 stempel, 5 oprawa płyty tnącej, 6 stół prasy 7 suwak, 8, 9 klin Do tej grupy procesu kucia matrycowego zalicza się kucie precyzyjne np. stopów tytanu i kucie w niekonwencjonalnych warunkach materiałów nadplastycznych oraz kucie proszków metali. Wypływka ma podstawowe znaczenie przy kuciu w matrycach otwartych. Jej zadania są następujące: tworzy wokół odkuwki pierścień zamknięty, który przeciwstawia się wypływaniu metalu z wykroju na zewnątrz, zabezpiecza matryce przed bezpośrednim wzajemnym uderzaniem i uszkodzeniem i magazynuje nadmiar wsadu po wypełnieniu wykroju. Wypływka składa się z mostka i magazynu. Mostek hamuje wypływanie wsadu, magazyn służy do pomieszczenia jego nadmiaru. Kształt i wymiary wypływki zależą od trudności procesu kucia, kształtu odkuwki i jej wielkości (rys. 6.10). Magazyn wykonuje się w górnej matrycy (rys. 6.10a). Magazyn wykonuje się w dolnej matrycy (rys. 6.7b), jeśli odkuwkę obraca się o 180 o do obcinania wypływki. Wypływka z powiększonym magazynem (rys.6. 10c) jest stosowana dla odkuwek o złożonych kształtach i tylko na tych częściach obwodu, gdzie przewiduje się duży wypływ metalu. Pozostałe kształty wypływki stosuje się w przypadkach, gdy należy hamować nadmierny wypływ metalu z wykroju (rys. 6.10d, f, h, i) lub dla odkuwek prostych (rys. 6.10e, g).
278 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.10. Konstrukcje elementów rowków na wypływkę: mostek symetryczny (a, b, c) lub niesymetryczny (d), klinowy (e, g), podwójny (f), V-niesymetryczny (h), V-symetryczny (i) oraz magazyn niesymetryczny (w górnej (a, g, h, i) lub dolnej (b, e) matrycy), lub symetryczny (c, d, f w obu matrycach) Wymiary rowka na wypływkę oblicza się w zależności od wymiarów odkuwki i jej kształtu [26]. W przybliżeniu wysokość mostka wypływki h jest funkcją powierzchni odkuwki w płasz-czyźnie podziału matryc. Przy obliczaniu objętości wsadu uwzględnia się 70 % wypeł-nienie magazynu wypływki. Rowek na wypływkę wykonuje się tylko w matrycującym wykroju wykańczającym. Wykonanie w odkuwkach otworu przelotowego jest trudne lub niemożliwe, stąd konstruuje się denka o kształtach przedsta-wionych na rysunku 6.11. Jest to naddatek technologiczny, który uwzględnia się przy obliczaniu objętości wsadu.
6. Procesy kucia matrycowego 279 Rys. 6.11. Rodzaje i wielkość denek [26]: a denko płaskie, b denko wklęsłe, c denko z jednostronnym wypukłym magazynkiem, d denko z wypukłym magazynkiem 6.4. Metody i etapy wypełniania wykroju matrycowego Wykrój matrycujący może być wypełniany przez spęczanie, dziurowanie lub wyciskanie (rys. 6.12). W przypadku odkuwek mających kształt prosty (rys. 6.12a) wykrój wypełnia się wyłącznie przez spęczanie. Jeżeli odkuwka ma jedno- lub dwustronne wgłębienie, to wypełnienie wykroju następuje przez spęczanie i dziurowanie (rys. 6.12b, c). Odkuwki z występami wykonuje się z przewagą procesu spęczania, jeżeli wsad jest wysoki (rys. 6. 12d), lub wyciskania, jeżeli wsad jest niski (rys. 6.12e). W przypadku pokazanym na rys. 6.12f wypełnianie wykroju jest złożone i odbywa się przez spęczanie, dziurowanie oraz wyciskanie.
280 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.12. Sposoby wypełniania wykroju wykańczającego [23]: a spęczanie, b jednostronne wgłębianie, c dwustronne wgłębianie, d spęczanie połączone z wyciskaniem, e wyciskanie, f wgłębianie połączone z wyciskaniem. Oznaczenia: 1 odkuwka, 2 wsad Rys. 6.13. Etapy wypełniania wykroju wykańczającego w matrycach z wypływką [23]: a spęczanie swobodne, b wypełnianie wykroju matrycy, c tworzenie wypływki, d uzyskanie wymiaru wysokości odkuwki
6. Procesy kucia matrycowego 281 6.4.1. Wypełnianie wykroju matrycującego otwartego Wypełnianie wykroju matrycującego otwartego można podzielić na kilka etapów. Jeśli kucie odbywa się w matrycach otwartych (z wypływką), wyróżnia się cztery etapy (rys. 6.13): pierwszy etap (rys. 6.13a) rozpoczyna się z chwilą zetknięcia się matrycy górnej z metalem ułożonym w wykroju matrycy dolnej. Najczęściej następuje swobodne spęczanie metalu, a w przypadkach bardziej złożonych niewielkie jego wyciskanie. Obniżanie matrycy górnej wywołuje powstawanie beczułkowatości, podobnie jak przy spęczaniu swobodnym. Świadczy to o tym, że metal odkształca się nierównomiernie. Najbardziej odkształcają się jego warstwy środkowe. W pewnych obszarach odkształcanego materiału mogą powstać naprężenia rozciągające, co przy większych odkształceniach może doprowadzić do pojawienia się pęknięć. Naciski w pierwszym etapie wypełniania wykroju są niewielkie. Etap ten kończy się z chwilą zetknięcia się metalu z boczną ścianką wykroju; w drugim etapie (rys. 6.13b) metal płynąc na boki, wypełnia wykrój. Etap ten kończy się, gdy nadmiar metalu zacznie wypływać między matryce. Pod koniec drugiego etapu wykrój jest już wypełniony, z wyjątkiem naroży. W tym etapie następuje wzrost nacisków spowodowany zwiększeniem siły tarcia na ściankach bocznych wykroju; w trzecim etapie (rys. 6.13c) nadmiar metalu wypływa na zewnątrz i tworzy wypływkę. Wypływanie metalu na zewnątrz jest hamowane siłą tarcia na mostku wypływki i na ściankach bocznych wykroju w pobliżu wypływki. Utrudnione wypływanie metalu w obszarze wypływki powoduje wypełnianie naroży wykroju. Jeżeli matryca jest skonstruowana prawidłowo i wsad nie jest dobrany z dużym nadmiarem, to po wypełnieniu naroży kończy się proces kucia. Jednak w praktyce najczęściej występuje pewien nadmiar wsadu, z tego względu odkuwka nie osiągnęła wysokości zgodnej z żądaną, dlatego matryca górna powinna być dalej przemieszczana. Siła w tym etapie kucia zwiększa się znacznie; w czwartym etapie (rys. 6.13d) wysokość odkuwki zmniejsza się o h 4, co wiąże się z wyciskaniem nadmiaru metalu w wypływkę. W tym etapie naciski gwałtownie wzrastają i osiągają wartość maksymalną, co stanowi ok. 50 % całkowitej energii uderzenia. Bezwzględne odkształcenie odkuwki h 4 w tym etapie nie przekracza zwykle 2 mm. Plastycznie odkształca się tylko wypływka i część środkowa odkuwki, a pozostała część metalu odkształca się sprężyście. Proces kucia przebiega najkorzystniej, gdy czwarty etap jest możliwie krótki. W tym przypadku zużycie materiału wyjściowego i energii potrzebnej do ostatecznego wypełnienia wykroju jest minimalne. Czwarty etap kucia można skrócić do minimum, gdy: dobierze się dokładnie objętość wsadu,
282 Podstawy procesów kształtowania plastycznego ustali się prawidłowy kształt przedkuwki, ustali się w wyniku obliczeń i prób optymalne wymiary wypływki. Mechanizm wypełniania wykrojów bardziej złożonych odbywa się w sposób analogiczny do omówionego. Jeśli odkuwka posiada otwór, dwa pierwsze etapy kucia ulegają zmianie, ponieważ zamiast spęczania metalu występuje dwustronne dziurowanie (rys. 6.12c) lub dziurowanie oraz wyciskanie (rys. 6.12f). Przykład złożonego kształtu odkuwki, przy wykonaniu której występuje wyciskanie pokazano na rysunku 6.14, przy czym linie siatek po odkształceniu (rys. 6.14a) i rozkład naprężeń (rys. 6.14b) w wykroju obliczono programem FORM2D. Rys. 6.14. Rozkład linii płynięcia (a) i naprężeń (b liczby w MPa) na powierzchni wykroju, obliczony programem FORM2D [10] Wypełnienie wykroju w matrycy otwartej jest zależne również od wymiarów i kształtu przedkuwki. Na rysunku 6.15 przedstawiono sposób płynięcia metalu do wykroju matrycy przy zastosowaniu wsadu niskiego (rys. 6.15a), optymalnego (rys. 6.15b) i wysokiego (rys. 6.15c). W pierwszym przypadku środkowa część wykroju nie została wypełniona, metal przemieścił się do wypływki. W trzecim przypadku najpierw została wypełniona środkowa część odkuwki, a nadmiar metalu w ostatnim etapie kucia z tego obszary był przemieszczany do wypływki.
6. Procesy kucia matrycowego 283 Rys. 6.15. Wpływ smukłości wsadu na wypełnienie wykroju w matrycy otwartej: a wsad niski (niewypełnienie obszaru A i B), b wsad optymalny (jednoczesne wypełnianie obszaru N i wypływki Q), c wsad wysoki (przemieszczanie nadmiaru metalu z obszaru N do wypływki Q) 6.4.2. Wypełnienie wykroju wykańczającego w matrycach zamkniętych Wypełnienie wykroju wykańcza-jącego (matrycującego) w matry-cach zamkniętych [4] można podzielić na trzy etapy. Dwa pierwsze przebiegają identycznie jak podczas kucia w matrycach otwartych. W trzecim etapie następuje całkowite wypełnienie wykroju i etap ten kończy się z chwilą pojawienia się w szczelinie zamka nie-
284 Podstawy procesów kształtowania plastycznego znacznej wypływki. W procesie tym nie stosuje się dobijania odkuwki, tj. czwartego etapu kucia, gdyż grozi to uszkodzeniem matryc. Na rysunku 6.16 przedstawiono schematycznie proces wypełnienia wykroju podczas kucia odkuwki z otworem. W etapie pierwszym następuje swobodne spęczanie materiału połączone z dwustronnym swobodnym przebijaniem odkuwki. Drugi etap rozpoczyna się z chwilą zetknięcia się metalu z bocznymi zewnętrznymi ścianami wykroju. W etapie tym następuje dalsze przebijanie odkuwki. Metal płynie na boki, napotyka przeszkodę w postaci ścian wykroju i zmienia kierunek płynięcia, wchodząc w cylindryczną przestrzeń między matrycami. W etapie trzecim zachodzi ostateczne wykonanie odkuwki - całkowite wypełnienie wykroju matrycy. Przykład linii płynięcia i wypełnienia wykroju dla dwóch różnych kształtów matrycy zamkniętej pokazano na rysunku 6.16e,f. Rys. 6.16. Etapy wypełniania wykroju matrycującego zamkniętego [11]: a ułożenie wsadu, b swobodne spęczanie połączone z przebijaniem, c wypełnianie wykroju matrycy, d wypływ nadmiaru metalu do kompensatora, e,f siatka po odkształceniu obliczona programem FORM2D Zasadniczą wadą kucia w matrycach otwartych jest duże zużycie materiału. Materiał wsadowy jest większy od objętości odkuwki o objętość wypływki i objętość traconą na zgorzelinę, jeśli kucie odbywa się na gorąco. W zależności od kształtu odkuwki zużycie metalu przy kuciu w matrycach zamkniętych zmniejsza się o 10 15 %, a masa odkuwki o 2 5 %.
6. Procesy kucia matrycowego 285 Podczas kucia w matrycach otwartych schemat główny naprężeń przedstawia się jako trójosiowy stan naprężenia o nierównomiernym wszechstronnym ściskaniu [25]. Jednak wobec nieznacznego oddziaływania ścian bocznych wykroju na odkształcany metal wielkości drugiego i trzeciego głównego naprężenia ściskającego są mniejsze niż w matrycy zamkniętej. Przy zbyt intensywnym płynięciu metalu na boki może powstać taki stan naprężenia, w którym dwa główne naprężenia będą naprężeniami rozciągającymi. Taki stan naprężenia, zwłaszcza w częściach odkuwki położonej w pobliżu wypływki, przy odpowiednich wartościach naprężeń może doprowadzić do wewnętrznych naderwań materiału. Natomiast podczas kucia w matrycach zamkniętych trójosiowy stan naprężenia o dużych naprężeniach ściskających nie ulega zmianie w całej objętości przekuwanego materiału. W związku z tym nie występują tutaj wewnętrzne naderwania lub rozwarstwienia metalu, jak to ma miejsce podczas kucia w matrycach otwartych. Poza tym wszechstronne ściskanie podwyższa znacznie plastyczność i równomierność odkształcenia metalu [22]. Odkuwki wykonane w matrycach zamkniętych mają korzystniejszy przebieg włókien, a tym samym lepsze własności mechaniczne niż odkuwki wykonane w matrycach otwartych. Włókna odkuwki wykonanej w matrycach zamkniętych tworzą ciągłe linie i są równomiernie rozłożone wewnątrz odkuwki, natomiast włókna odkuwki wykonanej w matrycy otwartej są poprzerywane i skupiają się u wylotu wypływki. Energia uderzenia młota podczas kucia w matrycach zamkniętych jest zamieniana na pracę odkształcenia plastycznego odkuwki i pokonanie oporów tarcia, natomiast w matrycach otwartych również na odkształcanie wypływki [12, 19]. Przez zastosowanie kucia w matrycach zamkniętych odpada obcinanie wypływki, a tym samym skraca się cykl produkcyjny. Kucie w matrycach zamkniętych ma też pewne wady, do których zalicza się niska trwałość matryc spowodowaną większym obciążeniem jednostkowym, mniejszą uniwersalnością itp. W końcowym etapie kucia bezwypływkowego, po wypełnieniu wykroju metalem, występują duże naciski, które powodują sprężyste odkształcenie matrycy i odkuwki. Z chwilą wypełnienia wykroju metalem proces kucia powinno się zakończyć. Nieprzestrzeganie tego warunku jest przyczyną częstych uszkodzeń matryc w postaci pęknięć. Pęknięcia mogą również być spowodowane wypływem metalu w obszar zamka matrycy. Wadą kucia w matrycach zamkniętych jest także mniejsza uniwersalność w porównaniu z kuciem w matrycach otwartych na młotach. Metodą tą wykonuje się przeważnie odkuwki okrągłe i najprostsze wydłużone. Kucie w matrycach zamkniętych odkuwek o złożonych kształtach wymaga specjalnie przygotowanych przedkuwek i odbywa się z reguły w kilku operacjach. Kucie w matrycach zamkniętych wymaga również większych dokładności cięcia wsadu. Nadmiar materiału jest przemieszczany do kompensatora, który umieszcza się w obszarze najpóźniej
286 Podstawy procesów kształtowania plastycznego zapełniającym się metalem (rys. 6.17). Przykład konstrukcji matrycy otwartej i zamkniętej do wykonania tej samej odkuwki przedstawiono na rysunku 6.18. W celu zmniejszenia ilości zgorzeliny, stosuje się nagrzew indukcyjny lub w piecach z atmosferą ochronną. Rys. 6.17. Typy kompensatorów i ich zastosowanie w różnych konstrukcjach (a-f) matrycy [7]: 1 wyrzutnik dolny, 2 wyrzutnik górny, 3 pierścień ustalający, 4 kompensator Rys. 6.18. Konstrukcja matrycy do kucia koła zębatego: a otwarta (z wypływką), b zamknięta (z kompensatorem)
6. Procesy kucia matrycowego 287 6.5. Projektowanie technologii kucia matrycowego Odkuwki matrycowe posiadają różne kształty. Do najprostszych zalicza się osiowo symetryczne typu pierścieni, do złożonych wydłużone rozwidlone z występami. W celu uproszczenia opracowania procesu technologicznego i konstrukcji oprzyrządowania odkuwki matrycowe dzieli się na grupy w zależności od ich kształtów [16, 18]. Kształt odkuwki determinuje ilość i rodzaj operacji kucia. Rodzaj operacji kucia zależy również od maszyny kuźniczej. Najbardziej uniwersalnymi maszynami kuźniczymi są młoty, dlatego posiadają one duże możliwości zastosowania różnych operacji kształtowania przedkuwki. Ostateczny kształt odkuwki uzyskuje się w wykroju matrycującym na gotowo (wykańczającym). 6.5.1. Dobór wykrojów pomocniczych Przedkuwki odkuwek wydłużonych kutych na młotach wykonuje się w wykrojach pomocniczych [23]. Dzieli się je na cztery grupy: Grupa I stosuje się dla odkuwek o zmiennym przekroju poprzecznym: wykrój wydłużający, wykrój przewężający, wykrój rolujący otwarty i zamknięty. Grupa II stosuje się je dla odkuwek wymagających gięcia i niesymetrycznego przemieszczania metalu: wykrój kształtujący, wykrój gnący. Grupa III stosuje się dla odkuwek wymagających spęczania: płaszczyzna do płaszczenia. Grupa IV stosuje się dla odkuwek o złożonym kształcie poprzecznym: wykrój rolująco-wydłużający, rolujaco-kształtujący, kształtująco-wydłużający. Do odcinania uchwytu na kleszcze lub odcinania odkuwek kutych z pręta na boku matrycy umieszcza się nóż do odcinania. Sposób przemieszczania materiału w wykrojach pomocniczych przedstawiono na rysunku 6.19 na przykładzie wykroju kształtująco-wydłużajacego.
288 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.19. Wykrój kształtujaco-wydłużający (d średnica wsadu) [17] Wykroje matrycujące na młotach są dwa: wykrój wstępnie matrycujący stosowany dla odkuwek o złożonych kształtach przed końcowym matrycowaniem, i matrycujący (wykańczający) stosowany do ostatecznego wykonania odkuwek. Wykrój matrycujący wykańczający wykonuje się z wypływką, jeśli kucie odbywa się w matrycach otwartych. 6.5.2. Przykłady technologii kucia odkuwki matrycowej Przykład kucia wielowykrojowego na młocie odkuwki wydłużonej pokazano na rysunku 6.20. Odkuwki zwarte, w tym osiowo symetryczne wykonuje się najczęściej w jednym wykroju. W celu usunięcia zgorzeliny z wsadu na boku matrycy umieszcza się płaszczyznę do płaszczenia. Kucie na młocie złożonych odkuwek osiowo symetrycznych, np. kół zębatych, krzyżaków itp., odbywa się w dwóch wykrojach matrycujących (wstępnie matrycującym i wykańczającym), po uprzednim spęczaniu na płaszczyźnie do płaszczenia. Podczas kucia na prasach stosuje się tylko te operacje, które są możliwe do realizowania za pomocą jednego ruchu suwaka prasy, np.: matrycowanie wstępne i wykańczające, spęczanie, przewężanie, gięcie i kształtowanie (formowanie). Powyższe operacje prowadzi się analogicznie jak na młotach. Proces kucia na prasie odkuwki osiowosymetrycznej w trzech wykrojach przedstawiono na rysunku 6.21. W celu wyjęcia odkuwki z wykroju na prasie stosuje się wyrzutnik.
6. Procesy kucia matrycowego 289 Rys. 6.20. Przebieg wielowykrojowego kucia na młocie dźwigni z pręta [23]: a odkuwka, b matryca dolna, c wsad, d kolejne zabiegi, e wykrój rolujący. Oznaczenia: 1 wykrój wydłużający (wydłużanie), 2 wykrój rolujący (rolowanie), 3 wykrój gnący (gięcie), 4 wykrój wstępnie matrycujący (matrycowanie wstępne), 5 wykrój matrycujący na gotowo (matrycowanie wykańczające), 6 nóż do odcinania uchwytu Rys. 6.21. Proces kucia na prasie w trzech przejściach odkuwki osiowo symetrycznej [23]: a wsad, b spęczanie połączone z kształtowaniem, c wstępne matrycowanie, d matrycowanie wykańczające
290 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.22. Promienie zaokrągleń w odkuwkach [23] Poprawne opracowanie procesu technologicznego kucia matrycowego zależy również od właściwej konstrukcji odkuwki [21], w tym od promieni zaokrągleń i naddatków technologicznych, w tym konstrukcji denka. W odkuwkach rozróżnia się trzy rodzaje promieni zaokrągleń: zewnętrzne r 1, wewnętrzne r 2 i w miejscach zmiany przekroju odkuwki r 3 (rys. 6.22). Promienie zaokrągleń mają duży wpływ na proces kucia i trwałość oprzyrządowania. Zewnętrzne promienie zaokrągleń odkuwki odpowiadają wewnętrznym promieniom wykroju. Gdy promienie te są zbyt małe, stają się źródłem karbów i przedwczesnych mikropęknięć matrycy. Poza tym łuki o małych promieniach łatwo się zanieczyszczają i utrudniają płynięcie metalu w naroża wykroju, a tym samym wymagają większych nacisków w czasie matrycowania. Gdy promienie r 1 są zbyt małe, odkuwki mają przeważnie niewypełnione krawędzie. Wewnętrzne promienie zaokrągleń odkuwki odpowiadają wierzchołkom zaokrągleń zewnętrznych wykroju, mają one na celu stworzenie dogodnych warunków przepływu metalu z jednej części wykroju w drugi. Im większe są te promienie, tym metal płynie swobodniej. Gdy promienie r 2 są zbyt małe krawędzie wykroju szybko zniekształcają się i powodują zmniejszenie pochylenia ścian bocznych wykroju. Z tego powodu odkuwki zaczynają przyklejać się do matrycy i wykrój wymaga naprawy. Zbyt małe promienie wewnętrzne mogą spowodować nieprawidłowe płynięcie metalu i przez to mogą doprowadzić do wytworzenia się w odkuwce zawinięć i podłamów [14]. Na przykład zbyt mały promień r 2 (rys. 6.23A) przy kuciu odkuwki koła zębatego powoduje, że metal początkowo płynie ze środka wykroju na boki. Następnie napotykając przeszkodę w postaci bocznych ścian wykroju płynie do góry (rys. 6.23b,c), a po zetknięciu się z górnym dnem wykroju płynie w dół (rys. 6.23d). Równocześnie spod czopa metal płynie do góry wykroju. W miejscach zetknięcia się metalu płynącego z góry i z dołu powstaje podłam (rys. 6.23e). Przy odpowiednio dużym promieniu r 2 (rys. 6.23B) metal płynie w jednym kierunku, tj. tylko do góry, wypełniając dobrze wykrój i tworząc odkuwkę bez podłamów.
6. Procesy kucia matrycowego 291 Rys. 6.23. Mechanizm powstawania podłamów [23]: A małe promienie zaokrągleń, B duże promienie zaokrągleń. Oznaczenia: a ułożenie wsadu, b pierwszy etap styku materiału z boczną ścianą wykroju, c drugi etap styku materiału z boczną ścianą wykroju, d trzeci etap styku materiału z dnem górnego wykroju, e zamknięcie podłamu W celu wyeliminowania zakuć w odkuwkach, których kształt sprzyja niepożądanemu płynięciu metalu w końcowym etapie kucia, należy stosować dodatkowe operacje kucia zmieniające kinematykę płynięcia metalu w wykroju matrycującym na gotowo. Przykład technologii eliminującej zakucie przedstawiono na rysunku 6.24. Technologia poprawna wymaga zastosowania wykroju wstępnie matrycującego (rys.
292 Podstawy procesów kształtowania plastycznego 6.24c), dzięki czemu strefa zagrożona zakuciem staje się strefą obojętną, a w ostatnim etapie kucia materiał płynie do obszaru środkowego (q) i wypływki. Rys. 6.24. Proces kucia kołnierza [14]: a, b zakucie (z) w odkuwce z zastosowaniem wsadu walcowego wysokiego (a) i niskiego (b), c odkuwka bez wad z przedkuwki, wykonanej w wykroju wstępnie matrycującym Ponadto ostre lub mało zaokrąglone krawędzie wykroju powodują przecinanie się włókien w odkuwkach i własności wytrzymałościowe takich odkuwek są znacznie niższe niż odkuwek wykonanych w wykroju o prawidłowo zaokrąglonych krawędziach. Najmniejsze dopuszczalne wielkości promieni zaokrągleń wyznacza się na podstawie wartości podanych w normie PN-76/H-94301 [8], w której podane są również pozostałe warunki konstrukcji rysunku odkuwki matrycowej, w tym naddatki na obróbkę skrawaniem (rys. 6.25). Obliczanie objętości wsadu odkuwek dokonuje się metodą analityczną lub wykreślną. Metoda analityczna wykorzystuje opcje wbudowane w edytory graficzne konstrukcji rysunków. Metoda wykreślna służy do konstruowania idealnej przedkuwki odkuwek wydłużonych o złożonych kształtach (rys.6.26). Idealną przedkuwką nazywa się przedkuwkę przedstawiającą bryłę obrotową mającą poprzeczne przekroje równe sumie odpowiednich przekrojów odkuwki i wypływki. Na podstawie idealnej przed-
6. Procesy kucia matrycowego 293 kuwki opracowuje się proces technologiczny dobiera się rodzaj i liczbę zabiegów, określa się wymiary materiału wyjściowego i projektuje wykroje pomocnicze. Rys. 6.25. Naddatki na obróbkę skrawaniem [23]: n naddatki normalne, n 1 naddatki związane ze skosami matrycowymi Rys. 6.26. Konstrukcja wykresu przekro-jów idealnej odkuwki wydłużonej [23] 6.6. Dobór wielkości maszyny do kucia matrycowego Wielkość młota do kucia w matrycach otwartych dobiera się w oparciu o energię uderzenia [23]
294 Podstawy procesów kształtowania plastycznego L p U (6.1) gdzie: L p praca odkształcenia plastycznego odkuwki z wypływką w ostatnim uderzeniu, współczynnik sprawności uderzenia młota ( = 0,8 0,9). Pracę L p można wyznaczyć ze wzorów [25]: dla odkuwek okrągłych w płaszczyźnie podziału L po 2 2 2 181 0,005d 1,1 0,75 0,001d d p (6.2) d gdzie: d średnica odkuwki, cm, σ p naprężenie uplastyczniające materiału w danej temperaturze kucia. dla odkuwek wydłużonych L pw 2 2 2 l 181 0,005d sk 1,1 0,75 0,001d sk 1 01 d sk p d (6.3) sk b sr gdzie: l długość odkuwki, cm, d sk zastępcza średnica odkuwki, d sk = 1,13 S, cm, b śr = S/l średnia szerokość odkuwki, cm, S powierzchnia odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc, cm 2. Masę części spadających wyznacza się ze wzoru L p m (6.4) n gdzie n = 1,4 2,3 współczynnik zależny od konstrukcji młota. Podobnie jak w matrycach otwartych, wielkość młota podczas kucia w matrycach zamkniętych dobiera się na podstawie pracy odkształcenia plastycznego w ostatnim uderzeniu. Praca ta może być mniejsza od pracy kucia w matrycach otwartych, gdyż całkowita energia ostatniego uderzenia jest zużyta wyłącznie na odkształcenie odkuwki (z uwzględnieniem strat występujących przy uderzeniu). Nadmiar energii uderzenia jest raczej szkodliwy, gdyż zużywa się ją na sprężyste odkształcenie matrycy i odkuwki, powodując gwałtowny wzrost nacisków w wykroju. Szczególnie szkodliwe są ostatnie uderzenia, a zwłaszcza dobijanie odkuwki.
6. Procesy kucia matrycowego 295 Wielkość prasy dobiera się w oparciu o maksymalną siłę występującą w końcowym etapie kucia F q S (6.5) gdzie: F siła nacisku prasy, MN, S powierzchnia odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc (bez wypływki), m 2, p naprężenie uplastyczniające materiału odkuwki w temperaturze zakończenia procesu kucia, MPa. Podczas kucia z wypływką wielkość współczynnika q można wyznaczyć ze wzoru: dla odkuwek okrągłych w płaszczyźnie podziału dla odkuwek wydłużonych q o p 2 20 8 1 0,001d 1,1 (6.6) 2 d 2 20 l q w 8 1 0,001d sr 1,1 1 0,1 (6.7) 2 d sr bsr gdzie: d średnica maksymalna odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc, mm, l największa długość odkuwki w płaszczyźnie podziału, mm d śr = 1,13 S średnia średnica, mm, b śr = S/l średnia szerokość odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc, mm. 6.7. Procesy kucia dokładnego 6.7.1. Matryce składane Niezależnie od sposobu realizacji procesu kucie dokładne ma na celu ograniczenie zużycia surowca oraz pracochłonnej obróbki skrawaniem [13]. Charakterystyczny kształt odkuwki wykonywanej według dwóch alternatywnych technologii, tj. kucia w matrycach otwartych i zamkniętych przedstawiono na rysunku 6.27. W przypadku odkuwki kutej w matrycach otwartych (rys. 6.27a) wypełnienie wykroju odbywa się z przewagą procesu wyciskania, a naddatki technologiczne w postaci skosów matrycowych zapewniają łatwe wyjmowanie odkuwki z wykroju. Kształt odkuwki pokazanej na rysunku 6.27b odpowiada kształtowi gotowego elementu. Uzyskano go
296 Podstawy procesów kształtowania plastycznego dzięki kuciu w matrycach dzielonych, gdy wypełnianie wykroju w tym przypadku odbywa się w procesie złożonego wyciskania. Rys. 6.27. Odkuwka kuta konwencjonalnie (a) i dokładnie (b) [9] Zaletą tego procesu jest zwiększenie uzysku kuźniczego i wyeliminowanie pracochłonnej obróbki skrawaniem. Kucie dokładne zazwyczaj odbywa się w matrycach zamkniętych, a na końcowy kształt i wymiary odkuwki wpływa wiele wzajemnie powiązanych czynników, które można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej zalicza się związane z materiałem odkształcanym (temperatura, odporność na pękanie pod wpływem odkształcenia, czułość na prędkość odkształcenia itp.), natomiast do drugiej związane z charakterystyką maszyny kuźniczej (prędkość przesuwu narzędzia ruchomego, sztywność korpusu maszyny, konstrukcja narzędzia itp.). Należy również zaznaczyć, że technolog opracowujący proces kucia, musi uwzględnić wymagania co do rozkładu włókien w odkuwkach o specjalnym przeznaczeniu oraz rozkładu własności na przekroju poprzecznym odkuwek i dokładność uzyskiwanych wymiarów. Warunkiem otrzymywania w procesie kucia dokładnego w matrycach zamkniętych odkuwek bez wad kształtu jest cięcie wsadu z dokładnością ± 0,5%. Ponadto należy uwzględnić, że podczas nagrzewania materiału do kucia na gorąco powstaje zgorzelina, którą musi się całkowicie usunąć przed włożeniem materiału do wykroju, gdyż w przeciwnym wypadku otrzyma się wadliwe przedmioty z wgnieceniami zgorzeliny na powierzchni. Korzystniejszym sposobem jest zapobieganie powstawaniu zgorzeliny, co można osiągnąć przez stosowanie atmosfer ochronnych lub szybkie nagrzewanie elektryczne (indukcyjne lub oporowe). Konstrukcja matryc stosowanych w złożonym procesie wyciskania jest odmienna od konstrukcji matryc otwartych. Płaszczyzna podziału matryc w tym przypadku przebiega tak, aby wykroje w czasie całego procesu kucia tworzyły przestrzeń za-
6. Procesy kucia matrycowego 297 mkniętą. Jednym z zasadniczych elementów każdej matrycy zamkniętej jest zamek, który zapobiega wypływaniu metalu poza przestrzeń wykroju oraz prowadzi górną matrycę lub stempel, uniemożliwiając przesadzenie odkuwki. Wypływanie metalu z wykroju matryc zamkniętych jest utrudnione. Wzdłuż linii podziałowej matryc może jednak pozostać niewielka wypływka. Powstaje ona w wyniku stosowania niezbędnego luzu na złożeniu matryc podczas ich zamykania. Luz zapobiega zbyt dużemu tarciu i chroni matryce przed uszkodzeniem. Dla odkuwek o złożonym kształcie zaleca się stosowanie matryc dzielonych. Przykład matrycy dzielonej przedstawiono na rysunku 6.28. W matrycach zamkniętych dzielonych istnieje możliwość stosowania kompensatorów przestrzeni mieszczących ewentualny nadmiar materiału. Kompensatory umieszcza się w obszarach odkuwki najpóźniej zapełniających się metalem. Rys. 6.28. Matryca dzielona Projektowanie procesu technologicznego kucia dokładnego w matrycach składanych powinno również uwzględniać rozkład odkształceń w przekroju poprzecznym odkuwki. Szczególną uwagę należy zwrócić na powstawanie tzw. stref martwych. Strefy martwe, w zależności od konstrukcji matryc i kształtu odkuwki, można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej grupy zalicza się strefy martwe (rys. 6.29a), nie powodujące wad zewnętrznych w odkuwkach, natomiast duże zróżnicowanie rozkładu odkształceń w niektórych przypadkach może być uznane za wadę dyskwalifikującą dany wyrób. Do drugiej grupy zalicza się strefy martwe (rys. 6.29b) na granicach, których powstają nieciągłości spowodowane przeważnie wciąganiem zgorzeliny.
298 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.29. Położenie stref martwych (I) i płynięcia (II) w odkuwkach osiowosymetrycznych (a) i z bocznym występem (b) Rys. 6.30. Technologia kucia kołnierza w matrycy dzielonej Matryca składana pozwala na wykonanie bez wad odkuwki o złożonym kształcie w jednym wykroju (rys. 6.30). Narzędzia ruchome N 1 i N 2 przemieszczają się z różnymi prędkościami, dzięki czemu uzyskuje się najbardziej korzystną kinematykę płynięcia metalu w matrycy dzielonej N 3, eliminującą skłonność do powstawania zakuć i jednocześ-nie uzyskuje się najbardziej równomierny rozkład odkształceń w całej objętości odkuwki. 6.7.2. Matryce z ruchomą wkładką W celu zwiększenia równomierności płynięcia metalu w procesie złożonego wyciskania, stosuje się matryce z ruchomą wkładką.
6. Procesy kucia matrycowego 299 Konstrukcja matrycy powinna zapewnić płynięcie metalu w obszar kompensatora po uprzednim całkowitym wypełnieniu wykroju. Gwarantuje to prócz zachowania wymaganego kształtu odkuwki, również bezawaryjną pracę narzędzia dla dużych serii odkuwek. Dodatkowe zastosowanie przeciwnacisku sprzyja zwiększeniu równomierności odkształcenia oraz podwyższa odporność na pękanie niektórych trudno odkształcalnych materiałów. Podwyższony koszt narzędzia w tym przypadku rekompensuje dobra jakość wyrobów. Przykład konstrukcji matrycy z ruchomą wkładką przedstawiono na rysunku 6.31. Wymienne wkładki (5 i 8) pozwalają na wykonywanie odkuwek osiowosymetrycznych z występami osiowymi lub bocznymi np. kół zębatych o zębach prostych lub stożkowych. Rys. 6.31. Konstrukcja matrycy z ruchomą wkładką [12]: l korpus, 2 matryca dolna, 3 matryca górna, 4 stempel, 5 wkładka górna, 6 wsad, 7 odkuwka, 8 wkładka boczna Rys. 6.32. Rozkład intensywności odkształcenia w procesie kucia odkuwki z bocznymi występami: a, b, c etapy wypełniania wykroju
300 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rozkład intensywności odkształcenia w odkuwce, wykonanej w matrycy z ruchomą wkładką, przedstawiono na rysunku 6.32. Wartości tego rozkładu określono metodą wizjoplastyczności dla kilku etapów wypełniania wykroju w procesie kucia odkuwki koła zębatego prostego. Rys. 6.33. Model matrycy do kucia koła zębatego z zębami prostymi: l matryca górna, 2 matryca dolna, 3 stempel, I, II, III, IV strefy odkuwki Rys. 6.34. Wpływ kształtu występu na wartość współczynnika B W oparciu o ten rozkład wyróżnić można cztery podstawowe strefy o przybliżonej wielkości odkształcenia (rys. 6.33), w których zakłada się taką samą wartość nacisku jednostkowego. W oparciu o przyjęte założenia można wyznaczyć całkowitą siłę nacisku [12] d F 4 2 p p (6.8) w którym p σ jest współczynnikiem wzrostu oporu odkształcenia plastycznego występu-jącego na stemplu gdzie: p nacisk jednostkowy, p d p 2H d p 1 ln B (6.9) d d 3h p
6. Procesy kucia matrycowego 301 σ p naprężenie uplastyczniające, d p, d, H, h wymiary odkuwki (rys. 6.33), B współczynnik (rys. 6.34), μ współczynnik tarcia. W praktyce wygodnie jest posługiwać się nomogramem przedstawionym na rysunku 6.35. Rys. 6.35. Nomogram do określenia współczynnika wzrostu oporu odkształcenia plastycznego odkuwek osiowosymetrycznych z bocznymi występami
302 Podstawy procesów kształtowania plastycznego 6.7.3. Obciążenie narzędzi przy kuciu dokładnym Odkuwka przedstawiona na rysunku 6.36 stanowi połączenie dwóch detali pierścieni łożysk tocznych i jest zaliczana do wyrobów kutych dokładnie. Proces technolo-giczny tego typu nazywa się kuciem wielokrotnym (jednoczesnym). Kucie wielokrotne zazwyczaj odbywa się w prasach w kilku operacjach. Ucięty z pręta wsad o ściśle określonej objętości najpierw się spęcza a następnie poddaje kształtowaniu w jednym lub dwóch zabiegach kucia i wycina denko. Podczas kucia nie przewiduje się tworzenia wypływki. Charakter procesu odpowiada kuciu w matrycach zamkniętych. Dzięki temu uzyskuje się dobre wypełnienie wykroju. Jednocześnie w ostatnim etapie kształtowania odkuwki należy się spodziewać gwałtownego przyrostu siły i dużego obciążenia narzędzi. Aby uzyskiwać niewielkie odchyłki wymiarowe odkuwek przy małych naddatkach na obróbkę skra-waniem i przy zadawalającej powtarzalności dużej serii odkuwek, narzędzia powinny być odporne na ścieranie oraz posiadać konstrukcję kompensującą sprężyste odkształcenia układu: narzędzia maszyna kuźnicza [27]. Sprężyste odkształcenia narzędzi zależą od wielkości i rozkładu naprężeń na powierzchni wykroju, a te z kolei, od zastosowanego procesu technologicznego. Rys. 6.36. Proces kucia jednoczesnego dwóch pierścieni [15]: a w dwóch zabiegach, b w trzech zabiegach Obciążenie narzędzi kuźniczych dla dwóch wariantów technologii kucia odkuwki (rys. 6.36) i dwóch konstrukcji narzędzi (rys. 6.37) podano na rysunku 6.38. Pierwsza technologia polega na wstępnym spęczaniu i kuciu w wykroju (rys. 6.36a).
6. Procesy kucia matrycowego 303 Druga technologia różni się od pierwszej dodatkowym kształto-waniem w wykroju matrycującym (rys. 6.36b). Rys. 6.37. Konstrukcja wykroju matrycy do jednoczesnego kucia dwóch pierścieni: a otwarta (z wypływką pionową), b zamknięta Obydwie technologie można wykonać alternatywnie w dwóch konstrukcjach wykrojów narzędzi: otwartej (rys. 6.37a) i zamkniętej (rys. 6.37b). W konstrukcji otwartej zastosowano kompensator osiowy w postaci szczeliny między stemplem i matrycą o szerokości 0,5 mm. W pierwszym przypadku konstrukcji matrycy metal może płynąć do szczeliny, w drugim natomiast proces kucia jest zakończony po całkowitym zapełnieniu metalem przestrzeni wykroju. Konstrukcja matrycy nie ma tak istotnego wpływu na wymaganą końcową siłę nacisku przy kuciu tego typu odkuwek, jak sposób prowadzenia procesu kucia. Proces dwuzabiegowy dla analizowanej odkuwki wymaga prawie trzykrotnie większej siły nacisku w końcowym etapie kucia w porównaniu z procesem trójzabiegowym. Duże siły nacisku w przypadku kucia w procesie dwuzabiegowym są konse-kwencją występowania dużych nacisków jednostkowych w obszarze denka (rys. 6.38a i 6.38c). Dla procesu trójzabiegowego maksymalne naciski jednostkowe występują w obszarze zamka matrycy (rys. 6.38b i 6.38d). Przyczyną dużego lokalnego obciążenia matrycy w ostatnim etapie kucia jest wymuszone przemieszczanie odkształcanego metalu. W procesie dwuzabiego-wym w ostatnim etapie kucia metal przemieszcza się z obszaru denka w kierunku zamka. Natomiast w procesie trójzabie-gowym w ostatnim etapie kucia występuje korzystna strefa zmiany kierunku płynięcia metalu, dzięki czemu metal nie ma wymuszonego przemieszczania jednokierunkowe-go. Dodatkową korzyścią tej ostat-niej technologii jest zmniejszone tarciowe zużycie narzędzi.
304 Podstawy procesów kształtowania plastycznego Rys. 6.38. Rozkład nacisków jednostkowych (liczby w MPa) na powierzchni wykroju końcowego w ostatnim etapie kucia w procesie: dwuzabiegowym (a, c) w matrycy: otwartej (a) i zamkniętej (c) oraz trójzabiegowym (b, d) w matrycy: otwartej (b) i zamkniętej (d) Wskutek obciążenia mechanicznego i cieplnego matryce w procesie kucia zmieniają swoje wymiary, co w sposób bezpośredni wpływa na dokładność wykonania odkuwek. Fakt ten posiada szczególne znaczenie w przypadku produkcji odkuwek dokładnych, bez naddatków na obróbkę mechaniczną. W tym przypadku przy projektowaniu konstrukcji oprzyrządowania kuźniczego niezbędne staje się określenie wielkości odkształceń sprężystych i cieplnych matryc. Wyeliminowanie zbyt dużych nacisków jednostkowych w pewnych obszarach wykroju matrycy ogranicza możliwość uszkodzenia narzędzi, jak również eliminuje niekorzystne przeciążenia maszyny kuźniczej. Szczególnie duże naciski jednostkowe występują w środkowej części odkuwki, dlatego w przypadkach odkuwek o kształtach, umożliwiających odpowiednią konstrukcję matryc należy dążyć do ich obniżenia, a tym samym zmniejszenia całkowitej siły nacisku potrzebnego do wykonania odkuwki. Cztery różne konstrukcje matryc do wykonania tej samej odkuwki stożkowego koła zębatego przedstawiono na rysunku 6.39. Trzy pierwsze konstrukcje matryc różnią się grubością denka, zaś czwarta konstrukcja (rys. 6.39d) polega na tym, że odkuwkę kształtuje się po uprzednim wycięciu w przedkuwce otworu o średnicy równej średnicy denka.