Ćwiczenie 4 WALCOWANIE Ceem ćwiczenia jest: - zapoznanie się z procesem wacowania wzdłużneo, - okreśenie wskaźników odkształcenia charakteryzujących proces wacowania, - wyznaczenie ranicznych kątów chwytu na początku i w trakcie wacowania, - zapoznanie się z procesem wacowania kształtowników. 1. INFORMACJE MERYTORYCZNE 1.1. METODY WALCOWANIA W procesie wacowania żądany kształt przedmiotu otrzymuje się za pomocą odkształcenia pastyczneo materiału między obracającymi się i współpracującymi ze sobą wacami, tarczami ub rokami. Ze wzędu na rodzaj ruchu wacowaneo materiału, kształt i ustawienie waców, rozróżnia się wacowanie: - wzdłużne (rys.1a), w którym materiał wykonuje ruch postępowy, a wace o osiach wzajemnie równoełych obracają się w kierunkach przeciwnych - otrzymuje się łównie bachy, taśmy, pręty i kształtowniki; - poprzeczne (rys.1b), w którym materiał wykonuje ruch obrotowy, a wace o osiach równoełych obracają się w zodnym kierunku wykonuje się śruby, wkręty i koła zębate; - skośne (rys.1c), w którym materiał wykonuje ruch postępowo-obrotowy, a wace o osiach wzajemnie skośnych obracają się w zodnych kierunkach wytwarza się tueje rurowe, kue itp.; - okresowe (rys.1d), w którym materiał wykonuje ruch postępowy ub postępowo-
2 zwrotny, a wace o osiach równoełych (o przekrojach niekołowych) obracają się przeciwnych kierunkach produkuje się tueje rurowe, przedkuwki w formie prętów o zmiennym przekroju, wyroby ornamentowe, itp.; - specjane, które jest kombinacją omówionych sposobów wacowania - wykonuje się koła waonowe (rys.1e) i inne wyroby o złożonym kształcie. Proces wacowania może odbywać się na orąco ub na zimno. W przypadku stai węowej temperatura wacowania na orąco wynosi ok. 1-15 C poniżej inii soidusu. Rys.1. Schematy procesów wacowania: a wzdłużne, b poprzeczne, c skośne, d okresowe, e specjane
3 1.2. WALCOWANIE WZDŁUŻNE 1.2.1. Wskaźniki odkształcenia charakteryzujące proces wacowania wzdłużneo Wacowanie wzdłużne jest najprostszym przypadkiem wacowania. W czasie takieo procesu wacowania zmniejsza się przekrój poprzeczny materiału, a wzrasta jeo dłuość. Proces wacowania składa się na oół z wieu przepustów, których iczba zaeży od kształtu i wiekości przekroju poprzeczneo materiału wsadoweo i otoweo wyrobu po wacowaniu. W procesie wacowania tyko niewieka część materiału, poddana naciskowi waców, jest odkształcana pastycznie. Obszar zawarty między wacami nazywa się kotiną wacowniczą (rys.2.). Materiał wchodzący do waców ma rubość, szerokość b, dłuość i powierzchnie przekroju poprzeczneo F. Po przejściu między wacami, czyi po jednym przepuście, jeo wymiary zmieniają się odpowiednio na 1, b 1, 1, F 1. Po przewacowaniu w ładkich wacach rubość materiału zmniejsza się, szerokość niewiee się powiększa i materiał wydłuża się. Zmianę wymiarów materiału okreśa się wskaźnikami odkształceń, które zestawiono w tabicy 1. Rys.2. Kotina wacownicza.
4 Tabica 1. Zestawienie wskaźników odkształcenia przy wacowaniu Rodzaj wskaźnika odkształcenia Odkształcenie = bezwzędne 1 Odkształcenie 1 wzędne Współczynniki odkształcenia Odkształcenie rzeczywiste Gniot Poszerzenie Wydłużenie Ubytek przekroju b F Δ Δb = b 1 b Δ = 1 Δ F = F 1 F ε = b b ε b = b 1 ε = λ = 1 λ = 1 b λ = 1 b ϕ = n 1 ϕ = n b 1 b ϕ = n 1 b 1 F F1 ε F = F λ F = λ1 = ϕ = n F F F 1 F F 1 1.2.2. Zmiany objętości Podczas pastyczneo odkształcania materiału przyjmuje się, że objętość jeo po odkształceniu jest równa objętości przed odkształceniem (zasada stałej objętości). Wynika to z faktu, iż odkształcenia objętościowe ciał metaicznych są bardzo małe i są rzędu wiekości odkształceń sprężystych. Zodnie zatem z zasadą stałej objętości: V = V1 = b = 1 b 1 1 (1) Po podzieeniu (1) stronami otrzymuje się: V1 1b1 1 = = λ λbλ = 1 (2) V b Tak więc, aby zasada stałej objętości była spełniona, ioczyn współczynników odkształceń musi być równy jedności. Po oarytmowaniu równania (2) otrzymuje się zasadę stałej objętości wyrażoną w odkształceniach rzeczywistych: φ +φ b +ϕ = (3) 1 Z powyższej zaeżności wynika, że z trzech łównych odkształceń rzeczywistych tyko dwa są niezaeżne. Oznacza to, że znając wartości dwóch odkształceń trzecie można obiczyć za związku (3).
5 1.2.3. Chwyt materiału przez wace Podczas wprowadzania materiału między wace, w miejscach styku waców z materiałem, powstają siły normane P do, powierzchni styku oraz siły styczne T spowodowane tarciem (rys.3a). Aby materiał został wciąnięty między wace, składowa pozioma siły, tarcia T h, wciąająca materiał, musi być większa od składowej poziomej siły normanej P, odpychającej materiał h T cosα Psinα (4) dzie α jest kątem chwytu zawartym między płaszczyzną przechodzącą przez osie waców a płaszczyzną poprowadzoną przez oś jedneo waca i punkt styku teo waca z materiałem. Ponieważ T = μp, dzie μ jest współczynnikiem tarcia, warunek (4) przyjmuje postać: μ tα (5) Uwzędniając, że μ = tρ (6) dzie ρ jest kątem tarcia, warunek chwytu na początku wacowania można przedstawić α ρ (7) Zatem wace chwytają materiał, dy kąt chwytu jest mniejszy ub równy kątowi tarcia. Po wypełnieniu szczeiny wacowniczej materiałem, kąt działania, wypadkowej P, nacisków waców zmienia się w stosunku do kąta chwytu istniejąceo na początku wacowania i przyjmuje wartość β (rys.3b). W związku z tym, warunkiem wacowania jest: T cos β P sin β (8) a zatem: μ tβ i β ρ.przyjmując, że siła P działa w połowie dłuości łuku α stykania się waca z materiałem (pod kątem β =, warunkiem wacowania jest 2 α 2ρ (9) Oznacza to, że po wypełnieniu szczeiny wacowniczej materiałem kąt chwytu można
6 zwiększyć prawie dwukrotnie w stosunku do jeo wartości pierwotnej. Często zdarza się jednak, że wypadkowa nacisków waców działa pod kątem α α innym niż. W procesach wacowania na orąco k = wynosi 1,3-1,8, a przy wacowaniu 2na zimno k = 2, - 2,4. β Kąt chwytu obicza się z następującej zaeżności (rys.3): Δ cosα = 1. (1) D dzie: D- średnica waca. Wartość kąta chwytu zaeży przede wszystkim od współczynnika tarcia. Im współczynnik ten jest większy, tym łatwiej materiał zostaje wciąnięty między wace. Kąt chwytu zaeży ponadto od średnicy waców. Temperatura i prędkość wacowania wpływają na wartość kąta chwytu tak, jak zmienia się pod ich wpływem współczynnik tarcia. Rys.3. Rozkład sił przy wacowaniu wzdłużnym: a w momencie chwytu materiału, b przy wypełnionej szczeinie wacowniczej 1.3. URZĄDZENIA DO WALCOWANIA Podstawowymi urządzeniami do wacowania są wacarki i urządzenia pomocnicze, tworzące razem tzw. zespoły wacownicze. Wacarką (rys.4) nazywamy urządzenie złożone zwyke z trzech zasadniczych zespołów: katki wacowniczej, sinika napędoweo oraz mechanizmu przenosząceo ruch obrotowy sinika na wace.
7 1 3 2 Rys.4. Schemat wacarki: 1 wace robocze, 2 łączniki, 3 wace zębate, 4 sprzęło, 5 przekładnia zębata, 6 koła zamachowe, 7 - sinik Podstawowa katka wacownicza (rys.5) składa się z waców roboczych 1, łożysk 2, w których obracają się czopy waców 3, urządzenia ustawczeo 1 służąceo do reuacji wzajemnych odstępów waców, dwóch stojaków 4 połączonych ściąaczami, stanowiących kadłub katki oraz uzbrojenia waców służących do wprowadzania materiału między wace. Rys.5. Katka wacownicza duo: 1 wace, 2 łożyska, 3 czopy, 4 stojaki, 5 śruby nastawcze, 6 nakrętki, 7 koło stożkowe, 8 wał, 9 wskaźnik odełości między wacami, 1 koło nastawcze
8 Do wacowania wzdłużneo stosuje się dwa rodzaje waców: ładkie (rys.6a) służce do wacowania bach i taśm oraz bruzdowe (rys.6b) stosowane do wacowania kształtowników, prętów i rur. Nazwa waców bruzdowych pochodzi stąd, że na wacu wykonane są nacięcia zwane bruzdami. Dwie bruzdy dwóch złożonych i współpracujących za sobą waców, tworzą wykrój, w którym odbywa się wacowanie. Rys.6. Rodzaje waców: a waec ładki, b waec bruzdowy Katki wacownicze o wacach równoełych dziei się w zaeżności od iczby waców na katki duo, trio (o trzech wacach roboczych), kwarto i wieowacowe. Katki kwarto. W ceu zmniejszenia nierównomierności rubości wacowanej bachy naeży wyeiminować bądź znacznie oraniczyć sprężyste uinanie się waców. Można to częściowo uzyskać przez zwiększenie średnicy waców, ae jednocześnie z tym następuje powiększenie się powierzchni styku materiału z wacami. Powoduje to szybki wzrost całkowiteo obciążenia waców, które zwiększa się wraz z wiekością powierzchni styku waec materiał i naciskiem jednostkowym p (rys.7). Nacisk jednostkowy zaeży zaś łównie od współczynnika niotu. Rys.7. Porównanie sił nacisku P na wace oraz nacisków jednostkowych p, przy wacowaniu z jednakowym niotem w katkach: a duo, b - kwarto
9 Zwiększenie średnicy waców powoduje wzrost ich obciążenia, a tym samym tyko nieznacznie wpływa na zmniejszenie sprężysteo uinania się waców (rys.7 a). Umieszczając między wacami oporowymi o dużej średnicy małe wace robocze (rys.7 b) uzyskuje się zmniejszenie powierzchni styku waec materiał, a przez to również obniżenie całkowiteo obciążenia waców. Dzięki temu w wacarkach takich można stosować znaczne nioty, przy zachowaniu dużej dokładności eometrii i wymiarów wyrobów. Jest to podstawowa zaeta wacarek kwarto. 1.4. WALCOWANIE BLACH STALOWYCH I TAŚM NA ZIMNO Wacowanie na zimno stosuje się w ceu uzyskania: - bach i taśm o rubości do dziesiętnych części miimetra, - dużych dokładności wymiarów, - małej chropowatości powierzchni, - zmiany własności i struktury materiału. Materiałem wyjściowym do wacowania bach i taśm na zimno są bachy wacowane na orąco do rubości ~ 4 mm. Przed wacowaniem na zimno przeprowadza się oczyszczanie powierzchni bachy ze zorzeiny poprzez wytrawianie. Do wacowania stosuje się wacarki kwarto w układzie ciąłym, składającym się z dwóch do pięciu katek. Schemat układu ciąłeo składająceo się z pięciu katek kwarto przedstawiono na rys.8. Bacha rozwijana z rozwijarki przechodzi przez koejne katki i następnie zwijana jest na zwijarce. Prędkości wacowania są bardzo duże i w ostatniej katce dochodzą nawet do około 3 m/s, co zapewnia bardzo duża wydajność procesu. Rys.8. Schemat układu ciąłeo wacarek kwarto do wacowania bach i taśm na zimno: 1 rozwijarka, 2 zwijarka, 3 katki wacownicze kwarto Do wacowania taśm i bach we wstęach o rubości od,5 do,2 mm używane są wacarki sześciu-, dwunasto- i dwudziestowacowe (rys.9). Wsadem są bachy ub taśmy wacowane na zimno w wacarkach kwarto. Uięcie sprężyste
1 waców roboczych, dzięki ich małym średnicom i dużej sztywności waców oporowych zostaje prawie całkowicie wyeiminowane. Rys.9. Dwudziestowacowa wacarka Sędzimira 1.5. WALCOWANIE KSZTAŁTOWNIKÓW I PRĘTÓW Wacowanie kształtowników i prętów przeprowadza się w wacarkach o wacach bruzdowych. W czasie całeo procesu wacowania rozstaw między wacami koejnych katek wacowniczych jest stały, a wacowany materiał za każdym razem przepuszczany jest przez coraz to mniejszy wykrój waców. Szyny wacuje się zwyke w 8 do 1 przepustach, inne kształtowniki, takie jak dwuteowniki, ceowniki, kątowniki w 9 do 12 przepustach (rys.1). Rys.1. Wacowanie wyrobów kształtowych
11 1.6. WALCOWANIE RUR Rury dziei się na rury bez szwu i rury ze szwem. Rury bez szwu produkuje się o wymiarach średnic nominanych od,5 do około 5 mm, a rury ze szwem o średnicach od ułamków miimetra (np., iły do strzykawek) do około 2 mm. Wsadem do produkcji rur bez szwu są zwyke kęsy i kęsiska. Cyk produkcyjny rur bez szwu można podzieić na następujące fazy: 1. Przedziurawienie wsadu i wykonanie tuei rurowej. Tueje takie są krótkie i maja rube ścianki (rys.1c). 2. Wydłużenie tuei w rurę przez zmniejszenie rubości jej ścianek. Zwyke wykonanie rury z tuei odbywa się w jednym zabieu wydłużania ścianek przy zachowaniu w przybiżeniu stałeo wymiaru średnicy wewnętrznej metodą wacowania okresoweo (rys.1d) 3. Wykończanie rur na orąco w wacarkach kaibrujących ub redukujących. Operacje te mają za zadanie nadanie rurze dokładnie kołoweo kształtu przekroju poprzeczneo i właściweo wymiaru średnicy. 4. Rury wyższej jakości, cienkościenne, precyzyjne i inne przeznaczone na oół do ceów konstrukcyjnych wymaają daszeo zmniejszania rubości ścianek i średnicy, co jest możiwe do osiąnięcia metodami obróbki pastycznej na zimno, za pomocą wacowania oraz ciąnienia. Rury ze szwem zwija się z taśm a następnie zrzewa ub spawa (rys.11), dasze fazy odpowiadają fazom produkcji rur bez szwu podanym w p.3 i 4. Rys.11. Wytwarzanie rur spawanych
12 2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Ce: - wyznaczenie wskaźników odkształcenia charakteryzujących proces wacowania wzdłużneo, - wyznaczenie raniczneo kąta chwytu na początku wacowania, - wyznaczenie raniczneo kata chwytu w trakcie wacowania, - zapoznanie się z procesem wacowania kształtowników. 2.1. OPIS BUDOWY I ZASADA DZIAŁANIA WALCARKI LABORATORYJNEJ Na rys.14. pokazana jest wacarka aboratoryjna duo. Wace 1 o średnicy 164 mm są ułożyskowane w panewkach 2. Dony waec jest nienastawny, natomiast położenie órneo waca reuuje się za pomocą śrub nastawczych 3, które ustawia się pokrętłami 4. Po doprowadzeniu do równoełości obu waców przez opuszczenie órneo waca na dony, nastawia się odpowiedni rozstaw miedzy nimi przez równoczesny obrót obu śrub. Jeden obrót śrub nastawczych powoduje przesuw waca órneo o 4 mm. Napęd z sinika 9 przekazywany jest poprzez przekładnię pasową 5 do katki waców zębatych 6, a następnie przez łączniki 7 na wace robocze 1. Rys.12. Schemat wacarki aboratoryjnej
13 2.2. OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKÓW ODKSZTAŁCENIA Prostopadłościenną próbkę z ołowiu o wymiarach, b, (rys.15) naeży przewacować w kiku przepustach na wacarce aboratoryjnej duo. Przed wacowaniem naeży zmierzyć jej rubość, szerokość i dłuość. Po każdym przepuście mierzyć jej rubość i szerokość, a dłuość wyznaczać z zasady stałej objętości. Podczas wacowania naeży zwracać uwaę, aby próbkę podawać między wace prostopade do płaszczyzny przechodzącej przez osie waców. Wyniki zestawić w tabicy 2. Na podstawie uzyskanych wyników naeży sporządzić raficznie następujące zaeżności: - wydłużenie wzędne, poszerzenie wzędne i wzędny ubytek przekroju w funkcji niotu wzędneo; - wydłużenie rzeczywiste i wydłużenie wzędne w funkcji niotu wzędneo. Rys.13. Próbka do wyznaczania wskaźników odkształceń Tabica 2. Wyniki pomiarów wskaźników odkształcenia Numer przep. Lp. Wymiary próbki mm b mm mm Odkształcenie wzędne Odkształcenie rzeczywiste Współczynniki odkształcenia Objętość V ε εb ε φ φb φ λ λ b λ [mm 3 ]
14 2.3. WYZNACZENIE GRANICZNEGO KĄTA CHWYTU NA POCZĄTKU WALCOWANIA Stosujemy prostopadłościenną próbkę (rys.13.) o podwyższonej dokładności wymiarowo kształtowej. Przed przystąpieniem do wacowania wace naeży oczyścić ze smaru i órny waec opuścić na dony. Następnie próbkę, po uruchomieniu wacarki, kładziemy na stół i bardzo ekko dociskamy do obracających się waców. Jednocześnie za pomocą pokręteł podnosimy órny waec do momentu chwycenia próbki przez wace. Po przewacowaniu próbki mierzymy jej rubość i znając średnicę waców ze wzoru (1) wyznaczamy raniczny kąt chwytu na początku wacowania. Te same czynności wykonujemy przy pokryciu powierzchni waców emusją i porównujemy otrzymane wartości kątów chwytu. 2.4. WYZNACZENIE GRANICZNEGO KĄTA CHWYTU W TRAKCIE WALCOWANIA Próbkę w postaci kina, wykonaną z ołowiu, poddajemy wacowaniu przy rozstawie waców 8 mm. Wace wciąają kin do okreśoneo momentu, po czym zaczynają się śizać po powierzchni wacowaneo materiału. Zatrzymujemy wówczas wacarkę, rozsuwamy wace i wyjmujemy próbkę. Wacowanie to wykonujemy przy oczyszczonej i poweczonej emusją powierzchni waców. Graniczny kąt chwytu α k w trakcie wacowania wyznaczamy ze wzoru (1). Wiekości p oraz k wyznaczamy z pomiarów próbki wedłu rys.16. Znając wartości α p oraz α k wyznaczamy współczynnik k da danych warunków wacowania. Następnie z zaeżności (5) i (6) wyznaczamy kąty tarcia i współczynniki tarcia. Rys.14. Próbka kinowa po przewacowaniu. 2.5. WALCOWANIE KSZTAŁTOWNIKÓW Proces wacowania kształtownika w postaci kątownika wykonujemy na aboratoryjnej wacarce trio z wacami bruzdowymi, której katkę wacowniczą pokazano na rys.17. Próbkę w postaci okrąłeo pręta wykonaneo z ołowiu przepuszczamy koejno przez różne wykroje waców, aż otrzymamy końcowy wyrób.
15 Rys.15. Widok katki wacowniczej trio z wacami bruzdowymi LITERATURA [1] WESOŁOWSKI Z., Podstawy wacowania, Katowice, WGH, 196. [2] ŻURAWSKI Z., SIKORA J., PŁUŻEK., Wacowanie wintów, Warszawa, WNT, 1976. [3] Obróbka pastyczna metai, Srypt Poitechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1973.