Upload
trannhu
View
222
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE
Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali
Rozprawa doktorska
WPŁYW ENERGII DRGAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH NA PROCES CIĄGNIENIA PRZEZ DZIELONE CIĄGADŁO.
mgr inż. Katarzyna Szajding
PROMOTOR: prof. dr hab. inż. Janusz Łuksza
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2008-2010 jako projekt badawczy.
Kraków, 2010
Pamięci mojego Taty Prof. dr hab. inż. Antoniego Pasierba pracę tę poświęcam
Pragnę złożyć serdeczne podziękowania promotorowi mojej pracy Panu Prof. dr hab. inż. Januszowi Łukszy za opiekę i wsparcie oraz wszystkim osobom, które swoimi pomysłami, przyczyniły się do realizacji moich badań i powstania tej pracy.
4
Spis treści
Spis oznaczeń. ............................................................................................................................6
1. Wprowadzenie ........................................................................................................................8
2. Stan zagadnienia w świetle danych literaturowych................................................................9
2.1. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych w procesach przeróbki plastycznej. ................11
2.2. Spadek stacjonarnej siły ciągnienia podczas wzbudzenia drgań ultradźwiękowych.....14
2.3. Wpływ drgań ultradźwiękowych na parametry procesu ciągnienia oraz własności
wyrobu gotowego..................................................................................................................15
2.4. Badania współczynnika tarcia w procesie ciągnienia z ultradźwiękami........................19
2.5. Badania nad zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia materiałów
trudnoodkształcalnych...........................................................................................................20
2.6. Podsumowanie dotychczas opublikowanych wyników badań. .....................................21
3. Teza pracy oraz cel i zakres badań. ......................................................................................23
4. Koncepcja realizacji celów badawczych. .............................................................................25
5. Analiza teoretyczna kinematyki procesu ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych
drgań ciągadła...........................................................................................................................27
5.1. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do osi
drutu. .....................................................................................................................................27
5.2. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu.
...............................................................................................................................................36
6. Badania doświadczalne.........................................................................................................51
6.1. Program badań. ..............................................................................................................51
6.2. Materiały zastosowane w badaniach. .............................................................................55
6.3. Metodyka badań. ............................................................................................................58
6.4. Opis urządzeń zastosowanych do badań. .......................................................................62
6.4.1. Układ służący do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych. ..................63
6.4.2. Układ służący do wytwarzania prostopadłych drgań ultradźwiękowych. ...............64
7. Budowa stanowiska w poszczególnych schematach ciągnienia drutów z zastosowaniem
drgań ultradźwiękowych. .........................................................................................................65
7.1. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów V-VII
oraz XIV................................................................................................................................65
5
7.2. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematu I-IV oraz
XIII. .......................................................................................................................................69
7.3 Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów VIII-X.
...............................................................................................................................................73
7.4. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów XI-XII.
...............................................................................................................................................74
7.5. Stanowisko do badań własności mechanicznych w próbie rozciągania z zastosowaniem
drgań ultradźwiękowych. ......................................................................................................75
8. Wyniki badań........................................................................................................................77
8.1. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów I- IV. ...................................77
8.2. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów V-VII. .................................90
8.3. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów VIII - X...............................99
8.4. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów XI-XII...............................116
8.5. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIII. .....................................119
8.6. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIV......................................122
8.7. Pomiar temperatury powierzchni drutu........................................................................123
8.8. Wyniki otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania drutów. ................124
8.9. Własności mechaniczne i mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia. ..............132
8.10. Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia..............................................................139
9. Analiza wyników badań. ....................................................................................................140
10. Podsumowanie..................................................................................................................156
11. Wnioski.............................................................................................................................158
12. Literatura. .........................................................................................................................161
6
Spis oznaczeń. A – amplituda drgań,
Aw – wydłużenie względne próbki w próbie rozciągania na ciągarce bębnowej,
A100 – wydłużenie względne próbki o bazie pomiarowej 100 mm,
A250 - wydłużenie względne próbki o bazie pomiarowej 250 mm,
D – średnica początkowa drutu,
Dk – średnica części kalibrującej ciągadła,
d – średnica końcowa drutu,
E – moduł Younga,
EU - energia uderzenia połówki ciągadła,
EV – energia uderzenia połówki ciągadła na jednostkę objętości materiału,
F – siła ciągnienia,
FbUD – siła ciągnienia bez ultradźwięku,
Fe – siła w momencie odchylenia krzywej rozciągania od prostoliniowego przebiegu,
Fm – największa siła w próbie rozciągania,
Fp0,2 – siła przy wydłużeniu względnym,
Fr– siła w próbie rozciągania,
Fśr – średnia siła ciągnienia,
FUD – siła ciągnienia z ultradźwiękiem,
f - częstotliwość drgań,
Lu – długość próbki po rozerwaniu,
L0 – początkowa długość próbki,
l – długość kotliny odkształcenia,
lgr – długość kotliny odkształcenia przy granicznej prędkości ciągnienia.
lk- długość części kalibrującej ciągadła,
l0 (1/4T) - przemieszczenie punktu w czasie ¼ T,
P – moc uderzenia połówki ciągadła,
Re – fizyczna granica plastyczności,
Rm- wytrzymałość na rozciąganie,
Rp0,2 – umowna granica plastyczności,
Sk - przekrój końcowy ciągnionego wyrobu,
S0 - przekrój początkowy ciągnionego wyrobu,
T – okres drgań,
7
TbUD – temperatura powierzchni drutu ciągnionego bez drgań ultradźwiękowych,
TUD – temperatura powierzchni drutu ciągnionego z drganiami ultradźwiękowymi,
tk - średni czas przejścia punktu przez kotlinę odkształcenia,
u - ilość uderzeń ciągadła,
V – prędkość ciągnienia,
Vm – objętość materiału,
Vmax – prędkość maksymalna,
VŚr – prędkość układu wsadowego,
σ – odchylenie standardowe siły ciągnienia,
ω – częstość kołowa,
λ – współczynnik wydłużenia,
2α – kąt rozwarcia części stożkowej ciągadła,
8
1. Wprowadzenie
Ciągnienie jest to proces technologiczny przeróbki plastycznej na zimno, w którym
materiał przeciągany jest przez nieruchome ciągadło. Po każdym ciągu obrabiany materiału
zmienia swoje własności, jako efekt umocnienia odkształceniowego. Wyżarzanie
rekrystalizujące jest metodą, która może przywrócić materiałom własności plastyczne,
umożliwiające dalszą przeróbkę plastyczną na zimno. Innym sposobem stwarzającym
możliwości intensyfikacji procesu ciągnienia jest zmniejszenie siły potrzebnej do
odkształcenia materiału. Daje to możliwość zwiększenia ubytku przekroju poprzecznego w
jednym ciągu, a co za tym idzie stwarza możliwość otrzymania wyrobu gotowego przy
zastosowaniu mniejszej ilości ciągów podczas całego procesu. Równocześnie obniżenie siły
ciągnienia powoduje zmniejszenie wielkości współczynnika zapasu wytrzymałości, co
powoduje zmniejszenie niebezpieczeństwa występowania zerwań ciągnionego wyrobu.
Zastosowanie drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia powoduje znaczące obniżenie
sił w porównaniu z konwencjonalnym ciągnieniem. Zjawiska zachodzące podczas
zastosowania drgań ultradźwiękowych w procesach przeróbki plastycznej metali takich jak
wyciskanie, walcowanie, ciągnienie oraz tłoczenie są od wielu lat przedmiotem wielu
interesujących badań naukowych. Istnieją udokumentowane korzyści zastosowania drgań
ultradźwiękowych w procesie ciągnienia. Proces ten charakteryzuje się możliwością
zmniejszenia siły ciągnienia, polepszeniem jakości wyrobu, zawężeniem tolerancji
wymiarowych, zmniejszeniem zużycia narzędzi, poprzez zmniejszenie sił i czasu trwania
kontaktu na styku metal – narzędzie. Proces wykorzystujący wysokoczęstotliwościowe
drgania ciągadła stwarza również możliwość ciągnienia metali i stopów
trudnoodkształcalnych, trudnych do konwencjonalnej przeróbki plastycznej na zimno.
W pracy przedstawiono opis literaturowy wyjaśniający wpływ oraz celowość
zastosowania drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia drutów. Zaprezentowano
specjalnie skonstruowane, unikatowe stanowisko badawcze, służące do prowadzenia procesu
ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło z zastosowaniem prostopadłych drgań jednej części
ciągadła z ultradźwiękową częstotliwością. Zamieszczono zakres i program doświadczalnych
oraz wyniki eksperymentów obejmujące między innymi pomiary siły ciągnienia oraz
własności mechanicznych badanych materiałów. Niezależną część pracy stanowi model
kinematyczny procesu ciągnienia z wymuszeniem ultradźwiękowych drgań ciągadła. Proces
taki nazwany w pracy „ciągnienie – obkuwanie” pozwala na wyjaśnienie szeregu zjawisk i
9
skutków obserwowanych podczas niekonwencjonalnego procesu ciągnienia zarówno z
zastosowaniem wzdłużnych jak i poprzecznych drgań ciągadła.
2. Stan zagadnienia w świetle danych literaturowych.
Procesy przeróbki plastycznej mają na celu kontrolowane odkształcenie metalu tak, aby
otrzymać wyrób gotowy o założonym kształcie, wymiarach oraz własnościach. Odkształcenie
zachodzi pod wpływem siły, jaką wywiera narzędzie na materiał. W procesach przeróbki
plastycznej występują siły tarcia, na których pokonanie zużywana jest część energii
potrzebnej do przeprowadzenia procesu. Procesy przeróbki plastycznej korzystnie jest
sklasyfikować pod kątem sposobu przyłożenia siły powodującej odkształcenie materiału.
Istnieją procesy, w których siła jest przykładana do materiału (np. proces ciągnienia), przez co
wywołany zostaje pośredni nacisk narzędzia na materiał oraz na takie, w których siła
przykładana jest bezpośrednio do narzędzia (np. proces walcowania).
Jednym z podstawowych procesów przeróbki plastycznej jest ciągnienie. Dokładny opis
tego procesu można znaleźć w bogatej literaturze autorów zakresu przeróbki plastycznej
metali [1-6]. Ciągnienie jest to proces odkształcenia przebiegający najczęściej na zimno.
Proces ciągnienia polega na zmniejszeniu przekroju poprzecznego materiału przez narzędzie
ukształtowane w postaci stożka zwane ciągadłem. Podczas przeciągania materiał obciążony
jest siłą ciągnienia, oraz siłami pochodzącymi od nacisku normalnego metalu na ścianę
ciągadła oraz od naprężeń wywołanych tarciem na powierzchni styku metal-narzędzie. Jeśli
zastosowany jest przeciwciąg materiał dodatkowo obciążony jest siłą przeciwciągu.
Siły obciążające materiał powodują, że w strefie odkształceń w ciągadle panuje przestrzenny,
trójosiowy stan naprężenia i odkształcenia. W procesie ciągnienia otrzymuje się pręty, rury,
druty oraz inne kształtowniki. Oprócz wielu zalet proces ciągnienia posiada również wady
ograniczające możliwości odkształcenia metali. Jednostkowy ubytek przekroju poprzecznego
w pojedynczym ciągu jest ograniczony wartością wytrzymałości na rozciąganie, a dokładniej
wartością granicy plastyczności materiału po przejściu przez oczko ciagadła. Wiele prac
naukowych i badawczych ma na celu opracowanie technologii zwiększających wydajność
procesu ciągnienia. Przekłada się to na analizę naprężenia ciągnienia, które jest funkcją:
naprężenia uplastyczniającego ciągnionego materiału, geometrii ciągadła, prędkości
ciągnienia oraz współczynnika tarcia na powierzchni styku ciągnionego metalu z narzędziem.
Większość rozważań skupia się w dużej mierze na zagadnieniach, które umożliwiają
zmniejszenie naprężenie ciągnienia. Ważnym czynnikiem wpływającym na naprężenie
10
ciągnienia materiału jest tarcie w roboczej strefie ciągadła. Zmniejszenie tarcia prowadzi do
obniżenia naprężenia ciągnienia, co daje w efekcie zmniejszenie ilości ciągów i operacji
wyżarzań międzyoperacyjnych. Obniżenie naprężenia ciągnienia powoduje w efekcie
końcowym wzrost wydajności procesu. Dążenie do osiągnięcia większej wydajności
zaowocowało odkryciem niekonwencjonalnego procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych.
Fale sprężyste o częstotliwościach znajdujących się powyżej górnej granicy słuchu
człowieka (tj. powyżej 20kHz) nazywa się ultradźwiękami. Odkrycie ultradźwięku przypada
na koniec wieku XIX. W roku 1922 W.G. Cady na podstawie odkrycia braci J. i P. Curie
skonstruował generator piezoelektryczny. Następnie w roku 1928 G. W. Pierce zbudował
pierwszy generator magnetostrykcyjny. Zjawisko dotyczące fal sprężystych,
piezoelektryczności, magnetostrykcji oraz budowę generatorów i przetworników
ultradźwiękowych opisano wyczerpująco między innymi w pracach [7-17]. Ultradźwięki to
fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk).
Termin ,,ultradźwięki” obejmuje zjawisko zachodzące do częstotliwości 10GHz. Podstawy
teorii fal sprężystych oraz techniki ultradźwiękowej zostały wnikliwie opisane w pozycjach
[7-12]. Ultradźwięki można wytworzyć mechaniczne, termiczne, optycznie a także za pomocą
zjawiska magnetostrykcji oraz efektu piezoelektrycznego. Te dwa ostatnie sposoby
wytwarzania drgań są najbardziej interesujące z punktu widzenia procesów przeróbki
plastycznej. Zjawisko magnetostrykcji zostało wykryte w 1847 r. przez J. P. Joule’a i polega
ono na zmianie długości rdzenia magnesu np. wykonanego z żelaza czy niklu, pod wpływem
zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń. Drgania te są
szczególnie silne w przypadku rezonansu, tj., gdy częstotliwość zmian pola pokrywa się z
częstotliwością własną pręta. Za pomocą tej metody można wytworzyć drgania nawet o
częstotliwości 60 kHz, przy długości pręta niklowego zaledwie 4 cm. Zjawisko
piezoelektryczne, odkryte zostało przez braci Curie w 1880 roku. Po odkryciu tego zjawiska
fizyk Lippman odkrył, że ze zjawiskiem piezoelektrycznym należy kojarzyć odwrotne
zjawisko piezoelektryczne. Odwrotne zjawisko piezoelektryczne znalazło zastosowanie do
wytwarzania ultradźwięków. Polega ono na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn
kryształu kwarcu (lub innego minerału) szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Prowadzi
to do zwiększenia (rozszerzenia) lub zmniejszenia (skrócenia) płytki i do powstania drgań o
odpowiedniej częstotliwości. Płytki kryształów używane do wytwarzania ultradźwięków
wycina się prostopadle do osi biegunowej kryształu i pokrywa się cienkimi warstwami
metalu. Płytkę umieszcza się w pojemniku z olejem, którego zadaniem jest przekazywanie
11
ultradźwięków do badanego obiektu, oraz chłodzenie. Przy zastosowaniu płytek
piezokwarcowych uzyskana częstotliwości mieści się w zakresie od kilkudziesięciu tysięcy do
kilkudziesięciu milionów herców. W przypadku płytek z turmalinu, uzyskuje się ultradźwięki
o częstotliwości do 300 milionów herców.
Jeżeli wykorzysta się silne źródło ultradźwięków, to mogą one niszczyć, ale także
rozgrzewać niektóre materiały, co pozwala na różnego rodzaju obróbkę wytwarzanych
przedmiotów np. zgrzewanie, cięcie, grawerowanie. Przegląd dotyczący zastosowania drgań
ultradźwiękowych można znaleźć między innymi w opracowaniu [18]. Wykorzystując
ultradźwięki można również prowadzić nieniszczące badania właściwości materiałów i
połączeń. Znalazły one również zastosowanie w technice, hutnictwie i przeróbce plastycznej.
Ultradźwięki znajdują także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego
i rejestrującego fale ultradźwiękowe zwanego ultrasonografem można uzyskać obraz
narządów wewnętrznych. Wymienione przykłady zastosowań ultradźwięków to tylko kilka
sposobów wykorzystania możliwości fal sprężystych. W pracy przedstawiono zastosowanie
drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia drutów.
W ostatnich latach prowadzonych jest wiele badań, mających na celu udoskonalenie
procesów przeróbki plastycznej poprzez obniżenie oporu odkształcenia i równoczesne
podniesienie własności plastycznych odkształcanego materiału. Zagadnienia te stanowią
główny problem w przypadku przeróbki plastycznej materiałów trudnoodkształcalnych. Jeśli
chodzi o niekonwencjonalne procesy ciągnienia to stosuje się między innymi: ciągnienie w
warunkach smarowania hydrodynamicznego, ciągnienie przez ciągadło obrotowe i rolkowe,
ciągnienie w podwyższonych temperaturach oraz z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.
Niekonwencjonalne procesy ciągnienia zostały syntetycznie opisane w monografiach [5,19].
2.1. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych w procesach przeróbki plastycznej.
Zagadnienie związane z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesach
plastycznej przeróbki metali znajduje znaczące miejsce w literaturze krajowej i zagranicznej
już od lat 50 XX wieku. Literatura ta nie wyczerpuje jednak tematu dotyczącego wielu
złożonych zagadnień związanych z tym niekonwencjonalnym procesem przeróbki plastycznej
metali. Podjęto próby zastosowania drgań ultradźwiękowych do różnych procesów przeróbki
plastycznej takich jak tłoczenie, walcowanie, ciągnienie profili pełnych i rur [20-34].
12
Wykonano różnego rodzaju badania doświadczalne mające na celu zbadanie wpływu i
celowości zastosowania drgań ultradźwiękowych w procesach rozciągania i ściskania próbek
wykonanych z różnych materiałów [35-38].
Istnieje wiele sprzecznych teorii wyjaśniających przyczyny spadku siły w procesie
ciągnienia z udziałem drgań ultradźwiękowych. Niektóre mechanizmy nie zostały do końca
poznane i wyjaśnione. Wszystkie badania opisane w literaturze udowadniają, że głównym
celem zastosowania drgań ultradźwiękowych jest obniżenie siły ciągnienia. Zastosowanie
ultradźwięków do odkształcenia metali zostało po raz pierwszy opisane przez Garskiego i
Efomorova [39] w roku 1953. Następnie Blaha i Langanecker kontynuowali badania nad
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych, głównie w próbie jednoosiowego rozciągania
monokryształu cynku [40]. Wpływem drgań ultradźwiękowych na warunki tarcia i
współczynnik tarcia zajmowali się między innymi Lehfeld [41], Siewierdienko, Kłubowicz,
Stiepanienko [42-46], Rozner [47, 48], Pasierb [29], Siegert, Mock, Ulmer [49-51], Storck,
Littmann, Wallaschek, Mracek [52, 53] oraz Kumar, Hutchings [54]. Jedną z ostatnich
polskich prac poświęconych badaniom współczynnika tarcia jest praca Knycha [55], w której
dokonano eksperymentalnej analizy procesu swobodnego ciągnienia rur z zastosowaniem
układów drgających wzdłużnie ciągadeł. Z przeprowadzonej analizy czynnikowej i w oparciu
o opracowany model zmian grubości ścianki wykazano, że jednym z bardziej istotnych
parametrów kontrolowanych przez parametry ruchu drgającego jest zjawisko tarcia, a spadek
wartości współczynnika tarcia może osiągać nawet kilkadziesiąt procent. Przeprowadzone
badania udowadniają znaczącą przewagę procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych nad konwencjonalnym ciągnieniem. Przegląd literatury [25-82] potwierdza
korzystny wpływ drgań na następujące parametry procesu:
• siłę ciągnienia,
• naprężenie uplastyczniające,
• współczynnik tarcia,
• jakość powierzchni i mniejsze odchyłki wymiarowe,
• możliwość odkształcania materiałów o małej plastyczności.
Mechanizm zjawisk towarzyszących procesowi ciągnienia z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych jest bardzo złożonym i skomplikowanym zagadnieniem zarówno z punktu
widzenia samego procesu przeróbki plastycznej jak i natury zjawisk fizycznych, jakimi są
13
ultradźwięki. Oddziaływanie drgań ultradźwiękowych na siłę ciągnienia oraz na inne
parametry procesu jest uzależnione od wielu czynników takich jak: częstotliwość, amplituda,
kierunek drgań, warunki odkształcenia, położenie elementu przenoszącego ultradźwięki w
układzie drgającym, rodzaj i moc zastosowanego układu generującego i przetwarzającego
drgania oraz od rodzaju i własności odkształcanego materiału. Poprawne zaprojektowanie
układu drgającego jest podstawowym czynnikiem umożliwiającym korzystną zmianę różnych
parametrów procesu, w którym wykorzystuje się działanie ultradźwięków. Procesy takie nie
są jednak powszechnie stosowane ze względu na konieczność zatrudnienia przy
projektowaniu, konstrukcji a następnie obsłudze takich urządzeń fachowców, posiadających
nie tylko wiedzę, ale również doświadczenie w tak wąskiej i jednocześnie specjalistycznej
dziedzinie. Projektowanie takiego układu wymaga rzetelnego przemyślenia, aby można było
wykorzystać w pełni pozytywny wpływ drgań ultradźwiękowych na procesy przeróbki
plastycznej.
Drgania ultradźwiękowe wytwarza się między innymi poprzez opisane wcześniej efekty
magnetostrykcyjne i piezoelektryczne. Praktycznie stosowany zakres częstotliwości w
procesach ciągnienia to 18-24 kHz. Do procesu ciągnienia stosuje się przetworniki o mocy 0,5
– 30 kW. Przetwornik magnetostrykcyjny lub piezoelektryczny łączy się z koncentratorem
drgań, w celu zwiększenia ich amplitudy. Elementy muszą być tak dobrane, aby dostarczyć
maksymalną ilość energii przy jak najmniejszych jej stratach. W celu zapewnienia skutecznej
transmisji energii konieczne jest dopasowanie koncentratora drgań wraz z ciągadłem do
przetwornika ultradźwiękowego. Materiały do konstrukcji przetwornika muszą posiadać
wysoką wytrzymałość zmęczeniową. Koncentrator wykonany jest zwykle ze stali lub tytanu i
posiada on długość rezonansową.
Pierwsze prace nad zastosowaniem ultradźwięków na skalę przemysłową wykonano w
USA. Zostały one opublikowane [25, 56] i dotyczyły procesu ciągnienia rur na trzpieniu,
który został poddany drganiom wzdłużnym. Następnie wykorzystano fakt pozytywnego
wpływu drgań w procesie ciągnienia rur i zastosowano taki proces na skalę przemysłową w
Koncernie Columbia Summerhill w 1966 roku. Zastosowane do tego celu generatory
posiadały moc akustyczną 1,5 kW, częstotliwość drgań wynosiła 15 kHz. Następnie z
sukcesem drgania ultradźwiękowe zostały wykorzystane do ciągnienia, tłoczenia oraz
walcowania metali na skalę przemysłową w Rosji, Japonii oraz w Europie [57].
Drgania wprowadzające w ruch ciągadło mogą być wzdłużne, skrętne, promieniowe oraz
prostopadłe. W procesie ciągnienia rur i drutów stosuje się na ogół drgania wzdłużne. W
14
systemie trzech ciągadeł istnieje możliwość wytworzenia fali stojącej w drucie. Istnieje
również możliwość umieszczenia ciągadła drgającego w węźle lub w strzałce fali stojącej.
2.2. Spadek stacjonarnej siły ciągnienia podczas wzbudzenia drgań ultradźwiękowych.
Według Langeneckera, Blahy, Siewierdienki i innych [40, 46, 58, 59, 60] bezpośrednią
przyczyną spadku siły ciągnienia jest wzrost szybkości powstawania dyslokacji i ich
przemieszczenie się pod wpływem energii pochodzącej od drgań ultradźwiękowych. Blaha i
Langanecker badali wpływ rezonansowych drgań o mierzalnych amplitudach na obniżenie
granicy plastyczności. Zauważyli znaczący spadek siły ciągnienia w przypadku zastosowania
drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia metali lekkich takich jak aluminium i cynk.
Langanecker rozszerzył swoją prace o metale o wysokiej wytrzymałości takie jak stal
nierdzewna, wolfram i odkrył w tym przypadku większy efekt. W swoich badaniach
odnotował obniżenie statycznej granicy plastyczności liczbowo większy od obliczonego
oddziaływania amplitudy drgań dla stali nierdzewnej i dla wolframu. Stwierdzono, że to
zjawisko może zostać wykorzystane z powodzeniem przy przeróbce plastycznej materiałów
trudnoodkształcalnych. Rezultaty prac [40, 46, 58, 59, 60] były zadowalające i w większości
obserwowano wyraźny spadek energii koniecznej do odkształcenia. Natomiast jednoznacznie
nie wyjaśniono, czy redukcja siły potrzebnej do odkształcenia jest spowodowana
zmniejszeniem sił tarcia, czy zmniejszeniem się naprężenia uplastyczniającego. Do tej pory
nie udowodniono fizycznych podstaw teorii dotyczącej aktywacji ruchu dyslokacji pod
wpływem drgań ultradźwiękowych. W swoim artykule Baker i Carpenter [61] podważają
słuszność teorii o dyslokacyjnych przyczynach spadku siły ciągnienia twierdząc, że fala
sprężysta nieznacznie oddziaływuje ze stacjonarnymi dyslokacjami. Autorzy wyprowadzają
zależność energii dyslokacji od naprężenia i wyciągają wniosek, że nie jest możliwe, aby
energia była magazynowana w dyslokacjach od cyklu do cyklu przy częstotliwościach
zastosowanych w badaniach Langeneckera i innych. Według autorów różnice w zachowaniu
się dyslokacji pod wpływem dwóch rodzajów sił są powodem efektów bezwładnościowych i
możliwych różnic w umocnieniu. Efekty bezwładnościowe mogą jednakże być znaczące tylko
przy wysokich częstotliwościach zbliżonych do naturalnych częstotliwości drgań. Przy
częstotliwościach znacznie mniejszych dyslokacje znajdują się w quasi statycznej
równowadze z zewnętrznymi i wewnętrznymi naprężeniami. Jeśli zaś chodzi o interpretację
hipotezy o wpływie energii ultradźwięku na plastyczne płynięcie metali
15
trudnoodkształcalnych badanych przez Langeneckera istnieje według autorów pracy [61]
prawdopodobieństwo, że takie rezultaty są następstwem narastających drgań rezonansowych
przyłożonych do próbki rozciąganego materiału. Doprowadziło to do obecności o wiele
większych naprężeń w próbce. Dodatkowo rezonans prowadzi do lokalnego wzrostu
temperatury jako skutku tarcia wewnętrznego, a to z kolei do obniżenia naprężenia
uplastyczniającego.
Druga bardziej wiarygodna teoria tłumaczy zmniejszenie siły ciągnienia zmianą
warunków tarcia materiału na ścianie ciągadła podczas ciągnienia z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych [29-33, 41-44, 49-55, 62]. W wymienionych pracach analizowano wpływ
kierunku drgań i prędkości trących się powierzchni na spadek współczynnika tarcia. Pomiary
wykazały jednoznacznie, że drgania ultradźwiękowe powodują obniżenie współczynnika
tarcia. W przypadku, gdy wektor prędkości drgań jest równoległy do wektora sił tarcia i
powierzchni trących odnotowano największy spadek współczynnika tarcia. Stwierdzono
również możliwość zgrzewania trących się powierzchni w przypadku małej prędkości
poślizgu oraz dużej amplitudy drgań. Zjawisko to występuje w przypadku, gdy wektor
prędkości drgań jest prostopadły do wektora sił tarcia a równoległy do trących się
powierzchni. Siewierdienko [44] wykazał, że wpływ ultradźwięków na współczynnik tarcia
wyraźnie zależy od prędkości wzajemnego poślizgu trących się powierzchni. Im prędkość
ciągnienia jest większa tym oddziaływanie drgań jest mniejsze. Istnieje również teoria
dotycząca głównie ciągnienia rur na zamocowanym trzpieniu, której zwolennikami są między
innymi Rymsza i Nosal [63]. Udowodnili oni, że zachodzi rewersja wektorów sił tarcia w
momencie, gdy prędkość drgań jest większa od prędkości ciągnienia oraz gdy kierunek
wektora jest identyczny z kierunkiem ciągnienia. Wówczas efektywna wartość naprężenia
ciągnienia maleje. Według autorów publikacji [47, 62], podczas procesu ciągnienia z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych następuje poprawa własności adhezyjnych i
absorpcyjnych smaru.
2.3. Wpływ drgań ultradźwiękowych na parametry procesu ciągnienia oraz własności wyrobu gotowego.
Zastosowanie drgań ultradźwiękowych powoduje wyraźne obniżenie siły (naprężenia
ciągnienia). Efekt jest tym większy, im większa jest amplituda drgań. Badania wpływu
zmiany amplitudy i częstotliwości na spadek siły ciągnienia można znaleźć w publikacjach
16
[43, 44, 64-68]. Badania potwierdzają teorię, iż częstotliwość drgań ma duży wpływ na
spadek siły ciągnienia. Im wyższa jest częstotliwość układu drgającego tym mniejszy spadek
siły ciągnienia. Autorzy wyciągnęli wnioski, że dobór częstotliwości drgań jest zagadnieniem
kluczowym. Im mniejsza częstotliwość drgań, tym mniejsze tłumienie amplitudy drgań.
Spadek siły ciągnienia można uważać za liniową funkcję amplitudy przyspieszenia kątowego
drgań ciągadła. Zminimalizowanie siły ciągnienia można osiągnąć zwiększając moc
elektryczną, akustyczną oraz amplitudę drgań ciągadła.
Większość dotychczas przeprowadzonych badań opisanych w pracach [29, 42, 49, 55, 63-
71] wskazuje, że istnieje zależność między spadkiem siły ciągnienia a prędkością ciągnienia z
ultradźwiękiem. Im większa jest prędkość ciągnienia tym spadek siły jest mniejszy z powodu
krótszego czasu oddziaływania energii drgań ultradźwiękowych na jednostkę objętości
odkształcanego materiału. Pozytywny efekt spadku siły pod wpływem zastosowania drgań
ultradźwiękowych można jednak wykorzystać na skalę przemysłową. Aby zaradzić zjawisku
spadku siły wraz ze wzrostem prędkości oraz równocześnie zachować dużą prędkość procesu
należy zwiększać moc ultradźwiękową oraz amplitudę drgań.
Wyniki prezentowanych badań udowadniają znaczący spadek siły ciągnienia (nawet około
50%) pod wpływem drgań ultradźwiękowych [25-34, 39-77, 80-82]. Obniżenie siły
ciągnienia pod wpływem drgań ultradźwiękowych jest tłumaczone nakładaniem
następujących efektów:
1. Superpozycją naprężenia akustycznego z naprężeniem ciągnienia,
2. Zmniejszeniem sił tarcia na powierzchni styku narzędzie – metal,
3. Obniżeniem naprężenia uplastyczniającego w wyniku generowania ciepła w obszarze
odkształcenia lub poprzez aktywizację ruchu dyslokacji.
Z badań wynika, że zmniejszenie siły ciągnienia jest zróżnicowane w zależności od wartości
amplitudy i częstotliwości drgań, rodzaju materiału, wielkości gniotu oraz prędkości
ciągnienia. Istotny wpływ na siłę ciągnienia ma również kierunek przyłożonych drgań
ultradźwiękowych do ciągadła. Wśród wielu badań dominującym kierunkiem drgań, który
jest stosowany do procesu ultradźwiękowego ciągnienia, jest kierunek wzdłużny do osi drutu.
Badania udowadniają, że przy drganiach wzdłużnych krzywa zmian siły ciągnienia w czasie
ma gładki przebieg, a wyrób końcowy posiada lepszą powierzchnię. Badania [30, 64, 65]
wykazują również zmniejszenie siły ciągnienia pod wpływem obrotowych drgań ciągadła.
Obrotowe drgania ciągadła mają jednak swoją wadę, która polega na zjawisku nie osiowości
ciągadła w stosunku do ciągnionego drutu oraz skręcania drutu podczas procesu ciągnienia.
Jeśli chodzi o kierunki drgań, istnieje również możliwość zastosowania prostopadłych drgań
17
ciągadła. Kierunek prostopadły był tematem mniejszej liczby badań. Badania dotyczące
procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań prostopadłych do osi drutu można znaleźć w
pracach [49, 62, 75, 76]. Uzyskano spadek siły ciągnienia średnio 10%-60% dla drutów z
aluminium, miedzi, mosiądzu i stali, dla tytanu około 10%. Autorzy tłumaczą zjawisko
spadku siły tzw.,,superpozycją” statycznego naprężenia ciągnienia ze zmiennym naprężeniem
akustycznym.
Ważnym zagadnieniem procesów przeróbki plastycznej z udziałem ultradźwięków jest
temperatura. Zagadnienie to jest problematyczne ze względu na utrudniony sposób pomiaru
temperatury w strefie odkształcenia. Doświadczalnie uzyskane informacje na ten temat można
znaleźć w pracach [29, 32, 33, 60, 64, 65, 67, 72]. Autorzy prac [65, 67] wskazują na
nieznaczny wzrost temperatury ciągadła w przypadku procesu z zastosowaniem
ultradźwięków w porównaniu do konwencjonalnego procesu ciągnienia. Dla stopów
aluminium jest to wzrost temperatury o ok. 10 ˚C dla stali wzrost do 20 ˚C, a dla tytanu do
23˚C. Pozostałe badania wykazują również nieznaczny wzrost temperatury drutu w zakresie
20-60 °C w stosunku do temperatury drutu ciągnionego tradycyjnie z tą samą prędkością. W
badaniach przedstawionych w pracach [32,33] dotyczących ciągnienia rur z ultradźwiękiem
autorzy wyciągnęli wniosek, że podwyższenie temperatury na skutek energii drgań
akustycznych nie stanowi głównej przyczyny zmniejszenia oporu odkształcenia. W pracy [72]
zaobserwowano między innymi badaniem wpływu drgań ultradźwiękowych na proces
ciągnienia drutów z cynku. Pomiaru temperatury drutu dokonano za pomocą termopary.
pomiędzy ciągadłem a bębnem. Uzyskano temperaturę o maksymalnej wartości 60 ˚C. Autor
pracy [72] zaobserwował obniżenie wytrzymałości na rozciąganie o 3,7% oraz umownej
granicy plastyczności o 32% jak również wzrost wydłużenia całkowitego. Na podstawie
analizy struktury drutów w pracy [72] stwierdzono, że w materiale zaszła rekrystalizacja
podczas procesu ciągnienia z ultradźwiękiem.
Dyskusyjnym zagadnieniem w przypadku procesu ciągnienia z udziałem drgań
ultradźwiękowych pozostaje temat dotyczący zmiany własności wytrzymałościowych
ciągnionych materiałów. Na podstawie analizy wyników badań zamieszczonych w dostępnej
w tym temacie literaturze wynika, że nie ma w tym względzie jednoznacznej opinii. W pracy
[68] zamieszczono wyniki badań wpływu ultradźwięków na granicę plastyczności,
wydłużenie i wytrzymałość na rozciąganie drutów ciągnionych z zastosowaniem ultradźwięku
i metodą tradycyjną. Badano druty aluminiowe, stalowe i tytanowe ciągnione z małą
prędkością. Między drutami aluminiowymi nie odnotowano różnic w badanych parametrach,
są one zbliżone dla procesu tradycyjnego ciągnienia i z zastosowaniem ultradźwięku. Dla
18
drutów stalowych odnotowano różnicę około 6% w kierunku wzrostu badanych wielkości w
przypadku procesu ciągnienia z ultradźwiękiem, natomiast w przypadku tytanu występuje
sytuacja odwrotna. Ciągnione druty ze stali i tytanu poddano badaniom metalograficznym.
Nie stwierdzono istotnych różnic mikrostruktur badanych materiałów. Autorzy prac [65, 71]
nie zauważyli istotnych różnic w zmianie własności drutów ciągnionych tradycyjnie oraz z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Odnotowali za to różnice w rozkładzie twardości na
przekroju poprzecznym drutu. Niższą twardość przy powierzchni stwierdzono dla drutów
ciągnionych z udziałem ultradźwięków. W pracy [73] nie stwierdzono różnic w wynikach
badań mikrotwardości drutów ciągnionych tradycyjnie i z udziałem ultradźwięków, a badania
metalograficzne nie wykazały zmian w strukturze materiału. Natomiast w pracy [72]
otrzymano następujące spadki umownej granicy plastyczności i doraźnej wytrzymałości na
zerwanie:
• dla Cu, 5,4% (R0,2)oraz 2,5% (Rm),
• dla Al, 2,6% (R0,2) oraz 2,3% (Rm),
• dla stali, 3,1% (R0,2) oraz, 2,4%(Rm).
Dla wszystkich materiałów zaobserwowano wzrost wydłużenia całkowitego. Autor tłumaczy
to zjawisko zmniejszeniem sił tarcia podczas ciągnienia z ultradźwiękami. W pracach [43, 45]
dla drutów z tytanu, stopów nikiel – mangan oraz stali kwasoodpornych ciągnionych z
ultradźwiękiem otrzymano mniejszą wartość wytrzymałości na rozciąganie rzędu 2-6% oraz
średnio 9% dla materiałów plastycznych. Jak wynika z przedstawionych analiz, wyciągnięcie
jednoznacznych wniosków odnośnie wpływu drgań na własności jest trudne, a czasem wręcz
niemożliwe i wymaga przeprowadzenia specjalnie zaplanowanych eksperymentów
zdeterminowanych na konkretny cel.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku oceny wpływu drgań ultradźwiękowych
na jakość powierzchni ciągnionego materiału. Z wielu badań [29, 32, 33, 49, 72, 73, 74]
wynika, że zastosowanie ultradźwięków w procesie ciągnienia znacząco poprawia gładkość
powierzchni oraz kołowość otrzymanego wyrobu gotowego.
W Polsce obszerne badania nad zastosowaniem drgań i ich wpływem na procesy
przeróbki plastycznej prowadzone były na Akademii Górniczo-Hutniczej na Wydziale Metali
Nieżelaznych między innymi przez Prof. A. Pasierba, Prof. T. Knycha, J. Gocała oraz A.
Wojnara. Wyniki tych badań można znaleźć między innymi w artykułach [20, 30, 31, 65, 66,
72], w pracy habilitacyjnej Pasierba [29] oraz pracy doktorskiej Knycha [55]. W swojej pracy
habilitacyjnej A. Pasierb wyczerpująco przebadał i przeanalizował proces ciągnienia drutów
w układzie trzech ciągadeł, z których środkowe z nich wykonuje wzdłużne drgania pod
19
wpływem przyłożonej energii ultradźwiękowej. Badania te jednoznacznie udowadniają
spadek siły w momencie włączenia drgań ultradźwiękowych. Badania są także w dużej
mierze poświęcone procesowi ciągnienia prętów oraz rur na trzpieniu aktywowanym
ultradźwiękami. W wielu badaniach [25-34, 55] dotyczących ciągnienia rur udowodniono, że
wpływ ultradźwięków jest bardzo korzystny. Przejawia się to między innymi zmniejszeniem
siły ciągnienia, zastąpieniem ciągnienia na długim trzpieniu procesem ciągnienia na korku,
zwiększeniem redukcji przekroju w jednym ciągu lub zmniejszeniem liczby ciągów,
zwiększeniem dokładności wymiarów, poprawą jakości powierzchni rury, zwiększeniem
żywotności narzędzi. Zwiększa się również możliwość ciągnienia rur cienkościennych
(D/g~500) oraz możliwość wykonania złożonych profili o minimalnych promieniach
zaokrągleń.
2.4. Badania współczynnika tarcia w procesie ciągnienia z ultradźwiękami.
Po przeanalizowaniu obszernej literatury dotyczącej procesu ciągnienia z zastosowaniem
drgań ultradźwiękowych, można stwierdzić, że znaczna większość badań przeprowadzona
została z zastosowaniem monolitycznych ciągadeł drgających wzdłużnie do osi drutu.
Zagadnienia związane z prostopadłymi do osi drutu drganiami ciągadła dzielonego
opublikowano w pracach [44, 47, 77, 78, 79]. Praca [47] dotyczyła głównie obliczenia
współczynnika tarcia w procesie ciągnienia z zastosowaniem ultradźwięku. Autor badań
wykorzystał tutaj metodę ciągadła dzielonego do obliczenia współczynnika tarcia. Na
maszynie wytrzymałościowej przeciągano przez dzielone ciągadło płaskowniki z miedzi,
brązu oraz miękkiej stali. Jedna połówka ciągadła drgała z częstotliwością 20 kHz a druga
była zamocowana na sztywno. Po wykonaniu pomiarów i obliczeń okazało się, że uzyskano
zmniejszenie wartości współczynnika tarcia dla procesu z zastosowaniem drgań ciągadła
dzielonego. Drgania te spowodowały oczywiście zmniejszenie siły ciągnienia oraz siły
rozpierającej ciągadło. W pracach [44, 77] również badano zmianę warunków tarcia w
procesie ciągnienia płaskowników z miedzi i aluminium przez ciągadło dzielone. W tym
przypadku drgania wykonywały równocześnie dwie połówki ciągadła, które stanowiły
zaokrąglone końcówki dwóch koncentratorów. Uzyskano bardzo zadawalające wyniki w
przypadku drgań połówek ciągadeł w przeciwfazie.
Prace [78, 79] dotyczą doskonalenia procesów ciągnienia pod względem zmniejszenia
konieczności użycia smarów. Stosowanie smarów w procesie powoduje konieczność mycia
20
obrabianego przedmiotu oraz zanieczyszczenie środowiska. Analizowano wyniki badań
ciągnienia stopów aluminium przez ciągadło rolkowe i dzielone ciągadło wzbudzone
ultradźwiękowo. Z badań wynika, że ciągnienie z ultradźwiękiem przez dzielone ciągadło
diamentowe jest korzystne i nie wymaga użycia smarów, natomiast uzyskane wyniki
dotyczące smarowania są jeszcze lepsze w przypadku ciągadeł rolkowych.
2.5. Badania nad zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia materiałów trudnoodkształcalnych.
Wyniki badań przemysłowych zawarte w pracach [26, 56] udowodniły, że przy
zastosowaniu drgań ultradźwiękowych istnieje możliwość ciągnienia cienkich drutów ze stali
i stopów trudnoodkształcalnych (np.: stopy cyrkonu, niob). Badaniem efektów związanych z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia materiałów
trudnoodkształcalnych zajmowali się między innymi autorzy następujących publikacji [43,
45, 49, 60, 65, 67-69, 80-82].
W pracy [49] opisano wyniki badań przeprowadzonych na drutach z wysokostopowej
nierdzewnej stali austenitycznej. Stosowano różne współczynniki wydłużenia, oraz zmienną
prędkość ciągnienia. Zastosowano ciągadła drgające z częstotliwością około 22 kHz. Ciągadła
umiejscowiono w strzałce fali stojącej i w węźle fali stojącej. Badania wykazały, spadek siły
rzędu od 12%-40%.
Langenecker [60] podczas odkształcania z udziałem drgań ultradźwiękowych zauważył
znaczącą redukcję siły w przypadku metali o wysokiej wytrzymałości. Odnotował spadek
statycznej granicy plastyczności liczbowo większy od obliczonego oddziaływania amplitudy
drgań dla stali nierdzewnej i dla wolframu. W tych pracach uwaga została poświęcona
weryfikacji tak znacznej redukcji naprężenia uplastyczniającego pod wpływem zastosowania
drgań w rezonansie. Po wielu badaniach znaleziono prawidłowość pomiędzy zmniejszeniem
granicy plastyczności, która następuje powyżej częstotliwości od 15 do 1,5*106 Hz.
Zaobserwowano również, że jeśli intensywność drgań była mniejsza niż krytyczna wartość
naprężenia stycznego (ścinającego) wtedy efekt nie był widoczny (Blaha i Langanecker).
Z badań własnych autorów pracy [81] opisujących zagadnienie dotyczące wpływu
ultradźwięku na parametry procesu ciągnienia drutu tytanowego wynika, że ultradźwięki
powodują zmniejszenie siły, wzrost plastyczności, wzrost wytrzymałości na pełzanie i
zmęczenie, bardziej równomierną średnicę wyrobu gotowego niż konwencjonalny proces
21
ciągnienia. Autorzy twierdzą, że ultradźwięki ujednorodniają dystrybucje dyslokacji, co w
konsekwencji obniża wewnętrzną koncentrację naprężeń. Maropis do swoich badaniach [67-
69] wybrał następujące materiały: stal AISI 4340, stop tytanu 6A1-4V, które charakteryzują
się wysoką wytrzymałością na rozciąganie. Ciągadła z węglika wolframu zapewniały
redukcję przekroju od 7 do 37%. Przetwornik ultradźwiękowy połączony był z ciągadłem
drgającym wzdłużnie o częstotliwości w przedziale od 15 do 28 kHz. Elektryczna moc
wejściowa przetwornika wynosiła maksymalnie 8 kW. Ciągarka hydrauliczna została
zmodyfikowana tak, aby można było dokonać pomiarów siły ciągnienia, temperatury
ciągadła, elektrycznej mocy wejściowej pobieranej przez system ultradźwiękowy oraz
amplitudy drgań ciągadła. Następnie pręty przeciągnięto, stosując różne współczynniki
wydłużenia oraz różne prędkości ciągnienia: 30,5m/min dla stali i powyżej 61,0 m/min dla
stopu tytanu. Badano wpływ ultradźwięków na granicę plastyczności, wydłużenie i
wytrzymałość na rozciąganie. Przeprowadzono próby rozciągania dla prętów ciągnionych z
zastosowaniem ultradźwięku i bez. Autor udowadnia również, że przyłożenie drgań
ultradźwiękowych pozwala na odkształcenie prętów tytanu z prędkością większą niż 0,5 m/s
W normalnych warunkach proces ciągnienia tego materiału przy takiej prędkości jest bardzo
trudny do przeprowadzenia. W tradycyjnym procesie ciągnienia jest on tylko możliwy na
gorąco. Autor artykułu [82] przeprowadził próbę ściskania oraz rozciągania między innymi
wysokostopowych gatunków stali oraz stopów tytanu. Drgania wzdłużne posiadały
częstotliwość 22 kHz oraz amplitudę w granicach 5-20 µm. Badania wykazały spadek siły
potrzebnej do przeprowadzenia ściskania w momencie włączenia drgań ultradźwiękowych np.
z 25 kN na 16 kN. Udowodniono zależność spadku siły od amplitudy drgań oraz od struktury
i składu chemicznego badanego materiału. Autor jest zwolennikiem teorii Siewierdienki
dotyczącej zmniejszenia oporu plastycznego płynięcia jako skutku przyłożonych drgań
ultradźwiękowych.
2.6. Podsumowanie dotychczas opublikowanych wyników badań.
Na podstawie analizy dostępnej literatury, można wyciągnąć następujące kompleksowe
wnioski dotyczące procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Drgania
ciągadła mają wpływ na:
1. Siłę ciągnienia:
• drgania ultradźwiękowe zastosowane w procesie ciągnienia powodują znaczne
zmniejszenie siły ciągnienia; średnio 30-50%,
22
• jedna z głównych tez wyjaśniających obniżenie siły ciągnienia dotyczy zmniejszenia
współczynnika tarcia oraz zmniejsza energii potrzebnej do odkształcenia,
• na spadek siły ciągnienia mają wpływ następujące parametry: prędkość ciągnienia,
amplituda i częstotliwość drgań definiujące ilość dostarczanej energii, rodzaj i stan
ciągnionego materiału, położenie drgającego ciągadła względem innych stałych
elementów układu rezonansowego oraz kierunek drgań,
• zjawisko rezonansu wpływa korzystnie na spadek siły ciągnienia,
• w badaniach wielu autorów wśród stosowanych kierunków drgań przeważa kierunek
wzdłużny,
• im większa prędkość ciągnienia tym mniejszy spadek siły ciągnienia,
• dobór prawidłowego układu do wytwarzania drgań jest ogromnie istotny i ma wpływ
na wartość spadku siły ciągnienia,
• istnieje wiele sprzecznych teorii dotyczących przyczyn spadku siły ciągnienia, pod
wpływem przyłożonych drgań narzędzia,
• brak jednolitej teorii na temat przyczyn spadku siły ciągnienia powoduje konieczność
dalszych badań nad poszukiwaniem mechanizmów zjawisk zachodzących w procesie
ultradźwiękowego ciągnienia.
2. Własności materiału:
• jeśli gęstość energii przypadająca na jednostkę objętości ciągnionego materiału jest
wystarczająco wysoka to dostarczona do materiału energia zmniejsza granicę
plastyczności [67-69]. Mechanizm tego zjawiska nie jest w pełni udowodniony i
wymaga przeprowadzenia dalszych wnikliwych badań doświadczalnych,
• własności mechaniczne oraz struktura materiału ciągnionego z ultradźwiękiem w
badaniach niektórych autorów wykazują różnicę w stosunku do własności materiału
ciągnionego sposobem tradycyjnym.
3. Jakość powierzchni:
• zastosowanie drgań ultradźwiękowych poprawia jakość powierzchni materiału oraz
kołowość drutu i powoduje mniejsze zużycie narzędzi niż w tradycyjnym procesie
ciągnienia.
23
4. Temperatura:
• nie odnotowano istotnych różnic w rozkładzie temperatury na powierzchni
ciągnionego drutu. Maksymalny przyrost temperatury w stosunku do tradycyjnego
procesu wynosił 60ºC. Większe wartości temperatury zaobserwowano w węźle fali
stojącej. Małą prędkość procesu może zwiększyć wydzielanie się ciepła,
• w przypadku metali o niskiej temperaturze rekrystalizacji (Zn) może dojść do
rekrystalizacji i obniżenia granicy plastyczności materiału po przeciągnięciu z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.
5. Pozostałe wnioski:
• wpływ ultradźwięków jest bardziej widoczny dla większych stosunków powierzchni
do objętości (np. podczas ciągnienia rur),
• zastosowanie energii ultradźwiękowej pozwala na prowadzenie procesu ciągnienia
materiałów trudnych do odkształcenia w procesie tradycyjnego ciągnienia,
• osiągnięcie postępów w procesie ciągnienia takich metali jak tytan i beryl może
gwarantować sukces procesowi ciągnienia z ultradźwiękiem na skalę przemysłową.
3. Teza pracy oraz cel i zakres badań.
Tradycyjny proces ciągnienia drutów, prętów i rur charakteryzuje się relatywnie niskimi
wartościami współczynnika wydłużenia w stosunku do innych procesów plastycznej
przeróbki metali. Fakt ten jest prostą konsekwencją niekorzystnego stanu naprężenia w strefie
wyjścia z ciągadła, w której aksjator stanu naprężenia może przyjmować wartości dodatnie.
Graniczny warunek procesu zakładający relację бC < бplk (naprężenie ciągnienia mniejsze od
granicy plastyczności przeciągniętego materiału) narzuca konieczność stosowania niewielkich
współczynników wydłużenia.
Analiza literatury umożliwia stwierdzenie, że mechanizm zjawisk towarzyszących
wprowadzeniu energii drgań ultradźwiękowych do kotliny ciągarskiej nie jest dostatecznie
rozpoznany i jednoznacznie wyjaśniony. Analiza publikacji wskazuje również na brak
eksperymentów wykazujących zmniejszenie oporu plastycznego płynięcia w wyniku
wprowadzenia energii drgań ultradźwiękowych do stożka roboczego dzielonego ciągadła
podczas procesu ciągnienia drutów.
24
Podwyższenie własności plastycznych i obniżenie oporu odkształcenia metali i stopów
jest głównym problemem w procesach odkształcania materiałów o niskiej plastyczności, które
są coraz częściej stosowane we współczesnej technice. Pozytywne rozwiązanie problemów
badawczych określonych w pracy wniesie nowe elementy w dotychczasowy stan wiedzy na
temat ultradźwiękowego ciągnienia oraz umożliwi wdrożenie nowego sposobu
ultradźwiękowego „ciagnienia-obkuwania” materiału przy użyciu dzielonego ciągadła.
Badania parametrów siłowych i granicznych odkształceń w procesie ciągnienia przez dzielone
ciągadło z wymuszeniem prostopadłych drgań połówki ciągadła do osi drutu mają na celu
dostarczenie niezbędnych informacji dotyczących niekonwencjonalnego sposobu
odkształcania drutów. Jest to proces dotychczas niezbadany, a przewidywane rezultaty mogą
mieć istotne znaczenie w dziedzinie budowy technologii ciągnienia drutów z materiałów
trudnoodkształcalnych.
Po wnikliwej analizie literatury oraz teoretycznych rozważania nad procesem
„ciągnienie – obkuwanie” w kierunku prostopadłym do osi drutu sformułowano tezę pracy
doktorskiej oraz cele badawcze. Tezą pracy jest domniemywanie że:
„Aktywizacja dzielonego ciągadła energią drgań ultradźwiękowych prostopadłych do
osi drutu powoduje zmianę schematu naprężenia i odkształcenia, co spowoduje obniżenie
naprężeń rozciągających w ciągnionym drucie. Na skutek znacznego obniżenia naprężenia
(siły) ciągnienia nastąpi wydatny wzrost odkształcalności ciągnionego materiału. W dalszym
ciągu zakłada się, że zmiana tradycyjnego procesu ciągnienia na ultradźwiękowy proces
„ciągnienie – obkuwanie” materiału w stożku dzielonego ciągadła umożliwi odkształcenie
materiału ze współczynnikami wydłużenia, które nie są możliwe do osiągnięcia ani w
tradycyjnym procesie ciągnienia, ani w procesie ciągnienia z zastosowaniem tylko wzdłużnie
drgających ciągadeł”.
Cel badań jest następujący:
1. Opracowanie nowego sposobu ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło z zastosowaniem
energii drgań ultradźwiękowych. Celem tego procesu jest spowodowanie zmian schematu
naprężenia i odkształcenia w kierunku wymuszenia odkształcenia przy ujemnym aksjatorze
naprężenia.
2. Zbadanie i opracowanie mechanizmu zjawisk towarzyszących wprowadzeniu energii drgań
ultradźwiękowych do kotliny ciągarskiej przy zastosowaniu do procesu ciągnienia dzielonego
25
ciągadła, ale także układów współpracujących ze sobą ciągadeł drgających poprzecznie i
wzdłużnie.
3. Opracowanie mechanistycznego modelu nowego procesu „ciągnienie – obkuwanie” i
określenie na tej podstawie rzeczywistych przyczyn spadku naprężenia ciągnienia w wyniku
wprowadzenia energii drgań ultradźwiękowych do strefy odkształcenia.
4. Pomiary zmian parametrów siłowych procesu ciągnienia z ultradźwiękiem dla oceny
możliwości intensyfikacji odkształceń.
5. Zbadanie wpływu drgań ultradźwiękowych na własności mechaniczne otrzymane w próbie
rozciągania drutów na ciągarce bębnowej z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
6. Ostatecznym celem badań jest próba opanowania procesu odkształcenia materiałów
trudnoodkształcalnych.
Dla realizacji przedstawionego celu pracy przyjęto następujący zakres badań:
1. Ciągnienie ze zmianą schematu odkształcenia w procesie ultradźwiękowego
ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło (drgającą połówka ciągadła prostopadle do
osi drutu).
2. Jednoczesne skojarzenie drgań wzdłużnych ciągadła monolitycznego oraz
prostopadłych drgań ciągadła dzielonego według różnych schematów procesu
ciągnienia.
3. Badania wpływu intensywności energii drgań ultradźwiękowych na zmianę własności
mechanicznych rozciąganego materiału. Badania modelowe będą realizowane w
próbie ultradźwiękowego rozciągania na ciągarce bębnowej z nałożeniem drgań o
energii porównywalnej z realnym procesem ciągnienia.
4. Koncepcja realizacji celów badawczych.
W celu ułatwienia procesu ciągnienia materiałów trudnoodkształcalnych zaproponowano i
opracowano nowy sposobu ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło z zastosowaniem
energii drgań ultradźwiękowych. W tym celu skonstruowano unikatowe stanowisko służące
do przeprowadzenia procesu ciągnienia przez ciągadło dzielone drgające prostopadle do osi
drutu. Zaprojektowano i wykonano układy wytwarzające drgania ultradźwiękowe,
konstrukcje mocujące oraz ciągadła.
26
W celu udowodnienia, iż proces ten powoduje zmianę tradycyjnego procesu ciągnienia na
ultradźwiękowe „obkuwanie” materiału w stożku dzielonego ciągadła, przeprowadzono
teoretyczną analizę kinematyki zjawisk zachodzących w kotlinie odkształcenia w procesie
ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych drgań ciągadła.
Opracowano program badań oraz sposób postępowania umożliwiający uzyskanie
założonego celu pracy. Zaproponowano czternaście schematów ciągnienia (Tablica 6.1.1)
umożliwiających zbadanie wpływu ultradźwięków na parametry ciągnienia przez ciągadło
dzielone i systemy z nim sprzężone. Program badań opracowano tak, aby ocenić wszystkie
dotychczas badane efekty wpływające na zmianę procesu ciągnienia pod wpływem drgań
ultradźwiękowych.
Najważniejszym przedmiotem badań jest określenie rzeczywistych przyczyn spadku siły
ciągnienia w wyniku wprowadzenia energii drgań ultradźwiękowych do strefy odkształcenia
w stożku roboczym ciągadła dzielonego drgającego prostopadle do osi drutu. Ważnym
zagadnieniem w pracy jest również zbadanie różnic w spadku siły ciągnienia pod wpływem
zastosowania drgań wzdłużnych ciągadła oraz drgań prostopadłych. Badania takie mają na
celu porównanie tych dwóch różnych sposobów ciągnienia z zastosowaniem drgań o innych
kierunkach. Część pracy została poświęcona na zsynchronizowanie obu rodzajów drgań w
jednym procesie odkształcenia drutu przez układy ciągadeł posobnych umiejscowionych w
różnych konfiguracjach. Podjęto między innymi próby skojarzenia ultradźwiękowych
naprężeń przeciwciągu z jednoczesną ultradźwiękową wibracją połówki ciągadła dzielonego
jak również zastosowano odwrotną kolejność posobnych ciągadeł.
W celu sprawdzenia teorii dotyczącej zmiany własności w procesie ciągnienia z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych podjęto próbę zbadania wpływu drgań
ultradźwiękowych w próbie rozciągania na specjalnie przystosowanej do tego ciągarce
bębnowej z zamontowanym przetwornikiem wytwarzającym drgania wzdłużne do osi
rozciąganego drutu.
Mając na celu sprawdzenie wpływu drgań na własności wytrzymałościowe
ciągnionych materiałów wykonano badania wyrobów gotowych w próbie rozciągania drutów
ciągnionych metodą tradycyjną oraz z ultradźwiękiem. W przypadku znaczących zmian tych
własności zaplanowano również badania struktury materiału.
W programie badań przewidziano również pomiar temperatury drutu w obszarze przed
i za ciągadłem za pomocą termopary stykowej, pirometru i kamery termowizyjnej.
Każdorazowo oceniano jakość powierzchni ciągnionego drutu oraz dokonywano pomiaru
średnicy końcowej wyrobu. Badania obejmują wpływ wielkości odkształcenia oraz prędkości
27
ciągnienia jako dwóch najważniejszych parametrów procesu ciągnienia na siłę ciągnienia.
Częstotliwość drgań była stała i wynosiła zarówno dla drgań poprzecznych jak i wzdłużnych
20 kHz. Szacowana amplituda drgań wzdłużnych osiągała wartość ok. 10µm, zaś drgań
poprzecznych ok. 20 µm. Do badań zastosowano druty aluminiowe 1050 w stanie
wyżarzonym o średnicy 3 mm. Ograniczone moce generatorów ultradźwiękowych użytych do
badań były podstawą wyboru materiału trudnoodkształcalnego. Wybrano stal austenityczną
AISI 302 w stanie wyżarzonym o średnicy 3 mm.
5. Analiza teoretyczna kinematyki procesu ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych drgań ciągadła.
Analiza ma na celu wyjaśnienie, jakie efekty zachodzą w ciągadle dzielonym
drgającym prostopadle do osi drutu oraz w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do
osi drutu. Mechanizmy zachodzące w kotlinie odkształcenia w obu przypadkach
odpowiedzialne są za obniżenie siły w procesie ultradźwiękowego ciągnienia.
5.1. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do osi drutu.
Ciągadło monolityczne wykonuje drgania w kierunku wzdłużnym do osi drutu
zgodnie z zasadą ruchu harmonicznego. Na Rys. 5.1.1 zaprezentowano sinusoidę opisującą
ruch drgający ciągadła monolitycznego. Poniżej zamieszczono szczegółową analizę zjawisk
zachodzących w kotlinie odkształcenia podczas procesu równoczesnego ciągnienia i kucia
przez monolityczne ciągadło drgające wzdłużnie do osi drutu. Dodatkowo podczas
odkształcenia drutu wzdłużnych aktywnym zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła
monolitycznego spotykamy się z działaniem aktywnych i reaktywnych sił tarcia. Siły aktywne
tarcia odpowiedzialne są za spadek siły ciągnienia.
28
Rys.5.1.1 Sinusoida opisująca ruch harmoniczny drgającego wzdłużnie ciągadła
monolitycznego.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego w poszczególnych ćwiartkach sinusoidy.
Ćwiartka I.
Na Rys. 5.1.2 pokazano pierwszą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.3 schematycznie
pokazano ruch ciągadła w I ćwiartce okresu drgań. Ciągadło drgając w pierwszej ćwiartce
ucieka przed materiałem zgodnie z kierunkiem ciągnienia na odległość równą amplitudzie
drgań A. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na
niego siły ciągnienia. Następuje w takim przypadku odciążenie materiału od nacisku ściany
ciągadła. Następuje wtedy tak zwany proces ułatwionego ciągnienia w warunkach
zmniejszonego nacisku ciągadła na metal. W tych warunkach należy spodziewać się spadku
siły ciągnienia.
29
Rys. 5.1.2. Pierwsza ćwiartka sinusoidy opisująca ruch ciągadła monolitycznego w czasie ¼T.
A
D
0 1
Rys. 5.1.3. Ruch ciągadła (ćwiartka I) zgodnie ze zwrotem i kierunkiem ciągnienia z
położenia wyjściowego 0 do maksymalnego położenia w amplitudzie drgań A.
Ćwiartka II.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła drgającego wzdłużnie w II ćwiartce okresu drgań. Na Rys.
5.1.4 pokazano drugą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.5 schematycznie pokazano ruch
30
ciągadła w II ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od ¼ T do ½ T wraca do swojego położenia
wyjściowego z punktu 1 do punktu 2 na osi T. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się
zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia i natrafia na ścianę ciągadła.
Następuje uderzenie ciągadła w powierzchnię drutu. Następuje wzrost nacisku ciągadła na
metal.
Rys. 5.1.4. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch wzdłużny ciągadła monolitycznego w
czasie od ¼ T do ½ T.
A
D
2 1
Rys. 5.1.5. Ruch ciągadła w przeciwnym kierunku do działającej na materiał siły ciągnienia
(ćwiartka II) do położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi czasu T.
31
Ćwiartka III.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie w III ćwiartce okresu
drgań. Na Rys. 5.1.6 pokazano trzecią ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.7 schematycznie
pokazano ruch ciągadła w III ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od 1/2 T do 3/4 T drga
przeciwnie do zwrotu działania siły ciągnienia od położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi
czasu, do maksymalnego położenia w punkcie 3. Materiał w tym samym czasie przemieszcza
się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy proces
ciągnienia z udziałem dodatkowej siły z osobnego źródła energii. Ciągadło drgające
wykonuje w tym momencie największą pracę odkształcenia. W tych warunkach praca
odkształcenia wykonywana jest głównie od energii ultradźwiękowej.
32
Rys. 5.1.6. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch drgającego wzdłużnie ciągadła
monolitycznego w czasie od 1/2T do 3/4 T.
A
D
3 2
Rys. 5.1.7. Ruch ciągadła monolitycznego (ćwiartka III) przeciwnie do zwrotu ciągnienia z
położenia wyjściowego 2 do maksymalnego położenia w lewo 3.
33
Ćwiartka IV.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie w IV ćwiartce okresu
drgań. Na Rys. 5.1.8 pokazano czwartą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.9 schematycznie
pokazano ruch drgający ciągadła w IV ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od 3/4 T do T
wraca do swojego położenia wyjściowego zmniejszając równocześnie nacisk na materiał
odkształcany. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem
działającej na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy proces ciągnienia z malejącym
naciskiem ścian ciągadła na powierzchnię odkształcanego materiału. W tych warunkach
należy spodziewać się spadku siły ciągnienia.
34
Rys. 5.1.8. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch ciągadła monolitycznego w czasie od
3/4T do 1 T.
AD 3 4
Rys. 5.1.9. Ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie (ćwiartka IV) zgodnie ze
zwrotem działającej na materiał siły ciągnienia z maksymalnego położenia 3 do położenia
wyjściowego w punkcie 4 na osi czasu.
Podsumowując rozważania nad procesem odkształcenia metalu w stożku ciągadła
monolitycznego można powiedzieć, że drgające ciągadło wykonuje pracę odkształcenia z
osobnego źródła energii. Siła drgającego wzdłużnie ciągadła przyłożona jest za pomocą
35
narzędzia do ciągnionego materiału. Minimalizujemy efekty bezpośredniego przyłożenia siły
do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego ciągnienia. Ciągadło drgające wzdłużnie
porusza się ruchem harmonicznym na przemian zgodnie ze zwrotem siły ciągnienia oraz
przeciwnie do tego zwrotu, powoduje odciążenie siły ciągnienia w ćwiartce I oraz IV.
Dodatkowo, gdy ciągadło przemieszcza się przeciwnie do działającej na materiał siły
wykonuje ono pracę odkształcenia z innego źródła energii. Efekt pozytywnego wpływu
ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od prędkości
ciągnienia i współczynnika wydłużenia. Proces taki można określić terminem
„ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” wzdłuż osi ciągnionego materiału. Schemat
efektu spadku siły ciągnienia pod wpływem ultradźwiękowych drgań ciągadła
monolitycznego pokazano na Rys. 5.1.10.
Rys. 5.1.10. Schemat efektu spadku siły ciągnienia pod wpływem ultradźwiękowych drgań
ciągadła monolitycznego w czasie jednego okresu drgań.
36
5.2. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu.
Ciągadło dzielone wykonuje powtarzające się drgania prostopadłe do osi drutu
zgodnie z zasadą ruchu harmonicznego. Na Rys. 5.2.1 zaprezentowano sinusoidę opisującą
ruch połówki ciągadła dzielonego drgającego z określoną amplitudą A. Analizę zjawisk
zachodzących w kotlinie odkształcenia podczas procesu równoczesnego ciągnienia i
„obkuwania” przez dzielone ciągadło drgające prostopadle do osi drutu pokazano na
kolejnych rysunkach. Na Rys. 5.2.2 pokazano ruch ściany ciągadła w czterech ćwiartkach
okresu drgań.
Rys.5.2.1. Sinusoida opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego.
37
Rys.5.2.2. Ruch krawędzi ściany ciągadła w płaszczyźnie osiowej w czasie całego okresu
drgań.
Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w każdej ćwiartce okresu drgań.
Pominiemy w tym przypadku wpływ prędkości ciągnienia.
Ćwiartka I.
Na Rys. 5.2.3 pokazano pierwszą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.4 schematycznie
pokazano ruch połówki ciągadła w I ćwiartce. Połówka ciągadła unosi się w górę z położenia
0 do maksymalnego położenia w górze równego amplitudzie drgań A. Materiał w tym samym
czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Materiał
podchodzi pod ścianę podnoszącej się do góry połówki ciągadła dzielonego. Gdy prędkość
ciągnienia jest odpowiednio dobrana, następuje w takim przypadku odciążenie materiału od
nacisku ściany ciągadła. Następuje wtedy tak zwany proces ułatwionego ciągnienia w
warunkach zmniejszonego nacisku ciągadła na metal. W tych warunkach należy spodziewać
się spadku siły ciągnienia.
38
Rys. 5.2.3. Pierwsza ćwiartka sinusoidy opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w czasie
¼ T.
ADA
Rys. 5.2.4. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka I) w górę z położenia wyjściowego 0 do
maksymalnego położenia w górze równego amplitudzie drgań A.
Ćwiartka II.
Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w II ćwiartce okresu drgań. Na Rys.
5.2.5 pokazano drugą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.6 schematycznie pokazano ruch
połówki ciągadła w II ćwiartce okresu. W tym przypadku również pomijamy zagadnienie
doboru prędkości ciągnienia. Połówka ciągadła w czasie od ¼ T do ½ T opada w dół od
39
położenia w szczytowym punkcie 1 do stanu wyjściowego położenia maksymalnego punkcie
2. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego
siły ciągnienia i natrafia na ścianę ciągadła. Następuje wtedy wstępny proces „ciągnienie –
obkuwanie”. Następuje wzrost nacisku ciągadła na metal.
Rys. 5.2.5. Kolejna ćwiartka sinusoidy (II) opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w
czasie od ¼ T do ½ T.
ADA
Rys. 5.2.6. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka II) w dół z maksymalnego położenia w górze do
położenia wyjściowego.
40
Ćwiartka III.
Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w III ćwiartce okresu drgań. Na Rys.
5.2.7 pokazano trzecią ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.8 schematycznie pokazano ruch
połówki ciągadła w III ćwiartce okresu. W tym przypadku również pomijamy zagadnienie
doboru prędkości ciągnienia. Połówka ciągadła w czasie od 1/2 T do 3/4 T opada w dół od
położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi czasu, do dolnego położenia maksymalnego w
punkcie 3. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej
na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy pełny proces „ciągnienie – obkuwanie”. Ciągadło
drgające wykonuje w tym momencie największą pracę odkształcenia obkuwając podawany
przez ciągarkę materiał. W tych warunkach praca odkształcenia wykonywana jest z innego
źródła energii, czyli od energii ultradźwiękowej.
41
Rys. 5.2.7. Kolejna ćwiartka sinusoidy (III) opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w
czasie od 1/2T do 3/4 T.
ADA
Rys. 5.2.8. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka III) w dół z położenia wyjściowego do
maksymalnego położenia w dole w punkcie 3.
Ćwiartka IV.
Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w IV ćwiartce okresu drgań. Na Rys.
5.2.9 pokazano czwartą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.10 schematycznie pokazano ruch
połówki ciągadła w IV ćwiartce okresu. W tym przypadku również pomijamy zagadnienie
42
doboru prędkości ciągnienia. Połówka ciągadła w czasie od 3/4 T do T wraca do swojego
położenia wyjściowego zmniejszając równocześnie nacisk na materiał drutu. Materiał w tym
samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia.
Następuje wtedy proces „ciągnienie – obkuwanie” z malejącym naciskiem ścian ciągadła na
powierzchnię odkształcanego materiału. W tych warunkach należy spodziewać się spadku siły
ciągnienia.
Rys. 5.2.9. Kolejna ćwiartka sinusoidy (IV) opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w
czasie od 3/4T do 1 T.
ADA
Rys. 5.2.10. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka IV) w górę z maksymalnego położenia w dole
do położenia wyjściowego w punkcie 4.
43
Podsumowując rozważania nad procesem „ciągnienia – obkuwania” w stożku ciągadła
dzielonego można powiedzieć, że drgające ciągadło wykonuje pracę odkształcenia z
osobnego niż ciągarka źródła energii. Dynamiczna siła uderzenia przyłożona jest za pomocą
narzędzia do ciągnionego materiału. Minimalizujemy efekty bezpośredniego przyłożenia siły
do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego ciągnienia. W procesie „ciągnienia –
obkuwania” zmienia się stan naprężenia i odkształcenia na korzystniejszy – występuje
przewaga składowych ściskających promieniowych i obwodowych. Efekt pozytywnego
wpływu ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od
prędkości ciągnienia i współczynnika wydłużenia.
Przeanalizujmy teraz taki sam proces polegający na ruchu drgającym ciągadła
dzielonego uwzględniając wpływ prędkości ciągnienia.
Przypadek 1 Opisany przypadek dotyczy ruchu ciągadła z położenia 0 do 1 na sinusoidzie, czyli pierwszej
ćwiartki okresu. Na Rys. 5.2.11 pokazano fragment sinusoidy dotyczący rozpatrywanego
przypadku ruchu ciągadła. Zakładamy pewną prędkość graniczną. Ciągniony materiał porusza
się z taką prędkością graniczną, która powoduje, że materiał pozostaje w swobodnym
kontakcie z powierzchnią ciągadła. Oba materiały stykają się ze sobą natomiast nie następuje
odkształcenie materiału. Ściana ciągadła przemieszcza się w kontakcie bezsiłowym wraz z
powierzchnią drutu w I ćwiartce okresu drgań ultradźwiękowych. Na Rys. 5.2.12. zaznaczono
odpowiednie wielkości. Wzór na obliczenie prędkości granicznej procesu wyprowadzono
przy założeniach:
Założenie: V =Vgr , l(V )=l(Vgr )
44
Rys. 5.2.11. Pierwsza ćwiartka okresu obrazująca rozpatrywany w przykładach: 1-3 ruch
połówki ciągadła dzielonego w czasie ¼ T.
Rys. 5.2.12. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka I) w górę przy założeniu: V =Vgr , w
momencie, gdy następuje swobodny kontakt materiału ze ścianą ciągadła.
grlAtg =α (1)
αtgAlgr = (2)
45
Tl
V grgr = (3)
αTtgAVgr
4= (4)
Przypadek 2
Opisany przypadek dotyczy ruchu ciągadła z położenia 0 do 1 na sinusoidzie. Zakładamy
teraz, że prędkość ciągnienia jest mniejsza od wartości prędkości granicznej opisanej wzorem
numer (4) w przykładzie 1. Ciągniony materiał porusza się z tak małą prędkością, że nie
pozostaje w kontakcie z powierzchnią ciągadła. Prędkość mniejsza od obliczonej prędkości
granicznej powoduje, że dana objętość materiału nie zdąża podejść pod ścianę ciągadła i nie
następuje odkształcenie materiału. Materiał jest tylko podawany przez bęben ciągarki. W
takim momencie siła ciągnienia wynosi 0 N. Na Rys. 5.2.13 pokazano ruch ciągadła przy
założeniu: Vc <Vcgr , l(Vc )<l(Vcgr ).
ADA
Rys.5.2.13. Ruch krawędzi ściany ciągadła w płaszczyźnie osiowej w ¼ T przy założeniu, że
Vc <Vcgr .
46
Przypadek 3
Opisany przypadek dotyczy ruchu ciągadła z położenia 0 do 1 na sinusoidzie. Zakładamy, że
prędkość ciągnienia jest większa od wartości prędkości granicznej opisanej wzorem w
przykładzie 1. Ciągniony materiał porusza się z tak dużą prędkością, że napotyka na ścianę
ciągadła, którego ruch do góry jest wolniejszy. Prędkość większa od obliczonej prędkości
granicznej powoduje, że ściana ciągadła nie zdąża podnieść się w górę i hamuje materiał. W
tym momencie następuje odkształcenie materiału i siła ciągnienia wzrasta.
Założenie Vc >Vcgr , l(Vc )>l(Vcgr )
Przeanalizujmy teraz przebieg siły podczas ruchu materiału i ciągadła w całym okresie
drgań pokazany na Rys. 5.2.14. Zakładamy, że Vc =Vcgr oraz Vc <Vcgr . Ciągadło drgające
prostopadle do osi drutu porusza się na przemian w górę i w dół. Przy powyższych
założeniach dotyczących prędkości następuje odciążenie siły ciągnienia dzięki ruchom
ciągadła w górę oraz przez bezsiłowy styk powierzchni ścian ciągadła i materiału w I i IV
ćwiartce okresu drgań. Dodatkowo, gdy ciągadło przemieszcza się w dół wykonuje wtedy
pracę odkształcenia z innego źródła energii. Proces taki można określić terminem
„ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” w kierunku prostopadłym do osi ciągnionego
materiału.
Rys. 5.2.14. Przebieg siły podczas ruchu materiału i ciągadła w czasie całego okresu drgań
przy założeniu, że Vc =Vcgr , Vc <Vcgr .
47
Wyznaczamy teraz liczbę uderzeń ściany ciągadła w punkt na powierzchni materiału
przechodzącego przez kotlinę odkształcenia przez ciągadło dzielone wykonujące drgania
prostopadłe do osi drutu. Obliczenia zostaną wykonane przy następujących parametrach
procesu:
mmlsmmV
smmV
mmdD
mmdmmD
mmmAsTHzf
Śr
26,1/265
/3009
4,03,16,2
302,020
10*520000
5
=
==
°==−
===
===
=−
α
λ
µ
Przemieszczenie punktu w czasie ¼ T można zapisać wzorem:
mmVTl Śr 0033,010*5*41*26510*5*
41*)
41( 55
0 === −− (5)
Średni czas przejścia punktu przez kotlinę obliczamy Ilość zależności:
sV
ltŚr
k 00475,0265
26,1=== (6)
Ilość uderzeń ciągadła obliczamy ze wzoru:
9510*5
00475,05 === −T
tu k (7)
To znaczy, że każdy punkt zanim opuści kotlinę odkształcenia dostanie około 95 uderzeń
ciągadła.
48
W tabeli 5.2.1 zestawiono wyniki obliczeń liczby uderzeń połówki ciągadła dzielonego dla
wszystkich zastosowanych współczynników wydłużenia oraz wszystkich zastosowanych w
badaniach prędkości ciągnienia przy częstotliwości drgań 20 kHz.
Tabela 5.2.1. Liczba uderzeń połówki dzielonego ciągadła w każdy punkt leżący na
powierzchni stożkowej w obszarze odkształcenia.
Współczynnik wydłużenia
λ
Prędkość ciągnienia
V, m/s
Prędkość średnia układu
wsadowego VŚr, mm/s
Długość kotliny
odkształcenial, mm
Ilość uderzeń ciągadła
dzielonego
Średni czas przejścia punktu przez
kotlinę, s 0,3 265 95,0 0,00475
1,0 885 28,4 0,00142
1,5 1326 18,0 0,0009 1,30
2,0 1769
1,26
14,2 0,00071
0,3 239 184,0 0,00924
1,0 796 55,4 0,00277
1,5 1194 37,0 0,00185 1,69
2,0 1592
2,21
27,0 0,00138
0,3 231 218 0,0109
1,0 770 65,6 0,00328
1,5 1155 43,8 0,00219 1,85
2,0 1540
2,53
32,8 0,00164
0,3 217 290 0,0145
1,0 722 87,0 0,00437
1,5 1083 58,2 0,00291 2,25
2,0 1444
3,16
43,6 0,00218
Z tabeli wynika, że liczba uderzeń połówki ciągadła dzielonego jest ściśle uzależniona
od prędkości ciągnienia oraz współczynnika wydłużenia. Im mniejsza jest prędkość
ciągnienia tym liczba uderzeń jest większa na jednostkę objętości ciągnionego materiału
przechodzącego przez kotlinę odkształcenia. Im większy jest współczynnik wydłużenia λ,
tym więcej uderzeń ciągadła dzielonego przypada na każdy punkt materiału poruszający się
49
na powierzchni styku z „ obkuwającym” narzędziem. Przy większych współczynnikach
wydłużenia wielkość powierzchni styku materiału z narzędziem jest większa, stąd większa
jest liczba uderzeń podczas przejścia punktu przez kotlinę odkształcenia. W przypadku
większego współczynnika wydłużenia mamy do czynienia z mniejszą wartością średniej
prędkości, co również ma istotny wpływ na zwiększenie liczby uderzeń przy większym
współczynniku wydłużenia. Zauważmy jednak, że w przypadku większego współczynnika
wydłużenia objętość materiału jest większa, co wynika właśnie z większej powierzchni styku
metalu z narzędziem, co ma wpływ na opisany w późniejszych rozdziałach spadek siły
ciągnienia. Na podstawie tej tabeli można przeprowadzić bilans dwóch energii, które
współpracują ze sobą podczas procesu „ciągnienie – obkuwanie” prostopadle do osi drutu.
Według hipotezy Hubera - Misesa - Henkego materiał zawsze potrzebuje do procesu
odkształcenia w danej chwili stałą ilość energii. Materiał przechodzi w stan plastyczny wtedy,
gdy energia odkształcenia postaciowego osiągnie wartość krytyczną właściwą danemu
materiałowi, lecz niezależną od rodzaju stanu naprężenia. Zajmiemy się teraz obliczeniem
energii uderzenia połówki ciągadła podczas włączonych drgań ultradźwiękowych.
Przeanalizujmy przykład obliczeniowy dotyczący wyznaczenia energii uderzenia połowy
ciągadła.
Częstość kątowa:
(8)
Okres drgań:
(9)
Równanie ruchu harmonicznego:
(10)
(11)
Prędkość maksymalna:
(12)
fπω 2=
fT 1
=
tAx ωsin=
Ax =max
fAAV πω 2max ==
50
Energia uderzenia ciągadła dzielonego:
2222 AmfEU π= (13)
Obliczenia wykonano dla następujących parametrów procesu:
3
5
5
75,3
10*25,141
26,1/750
/19
4,03,16,2
302,020
10*520000
mmVgm
sT
mmlsmmV
smV
mmdD
mmdmmD
mmmAsTHzf
m
Śr
=
=
=
=
==
°==−
===
===
=
−
−
α
λ
µ
Korzystając ze wzoru wykonano obliczenia energii uderzenia połówki ciągadła dzielonego.
Energia jednego uderzenia:
JEs
mkgE
AmfE
U
U
U
01104,0
]*[10*110410*4*10*4*10*5,3*14,3*2
)10*20()20000(10*5,3*14,3*22
2
2510832
6232222
=
==
==
−−−
−−π
51
Energia jednego uderzenia na jednostkę objętości materiału:
][6,1
][158
]*[10*7
10*1104
3
39
5
MPaEmJE
mmN
VEE
V
V
m
UV
≅
=
== −
−
Moc jednego uderzenia:
][12,1][1120 kWWP ==
Obliczona energia jednego uderzenia przy λ = 1,3 oraz V = 1 m/s wynosi około
0,01104 J, natomiast na jednostkę objętości materiału znajdującego się w kotlinie jest to
energia około 1,6 MPa, co odpowiada mocy równej 1,12 kW.
6. Badania doświadczalne.
6.1. Program badań.
Szczegółowy program badań doświadczalnych dotyczących procesu ciągnienia
zamieszczono w tabeli 6.1.1. W kolejnych kolumnach tabeli przedstawiono schematy
układów badawczych, krótki opis parametrów procesu, a w szczególności rodzaj
zastosowanych ciągadeł i sposobu przyłożenia drgań, średnice ciągadeł, współczynnik
wydłużenia, prędkość ciągnienia i rodzaje mierzonych wielkości.
52
Tabela 6.1.1. Program badań doświadczalnych dotyczących procesu ciągnienia.
Lp Schemat układu badawczego Opis procesu Współczynnik wydłużenia
Prędkość ciągnienia,
m/s Program pomiarów
I
ciągadło dzielone średnica:2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=1,30
V=0,06 V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0
Siła ciągnienia Siła rozpierająca ciągadło Pomiary tensometryczne
Temperatura Własności
wytrzymałościowe
II
ciągadło dzielone średnica: 2,3 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=1,69 V=0,3 V=1,0 V=1,5
Siła ciągnienia Pomiary tensometryczne Siła rozpierająca ciągadło
Temperatura
III
ciągadło dzielone średnica: 2,2 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=1,85
V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0
Siła ciągnienia Siła rozpierająca ciągadło
Temperatura Własności
wytrzymałościowe
IV
ciągadło dzielone średnica: 2,0 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=2,25
V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0
Siła ciągnienia Siła rozpierająca ciągadło
Temperatura
V
ciągadło monolityczne średnica:2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu.
λ=1,30 V=0,3 V=1,0 V=1,5
Siła ciągnienia Pomiary tensometryczne
Temperatura Własności
wytrzymałościowe
53
Tabela 6.1.1 cd.
VI
ciągadło monolityczne średnica:2,2 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu.
λ=1,85
V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0
Siła ciągnienia Własności
wytrzymałościowe
VII
ciągadło monolityczne średnica: 2,0 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu.
λ=2,25
V=0,3
Siła ciągnienia
VIII
ciągadło monolityczne (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu ciągadło dzielone (2) średnica: 2,3 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=1,69
V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0
Siła ciągnienia Pomiary tensometryczne Siła rozpierająca ciągadło
Temperatura
IX
ciągadło monolityczne (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu ciągadło dzielone (2) średnica: 2,2 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=1,85 V=0,3 V=1,0 V=1,5
Siła ciągnienia Własności
wytrzymałościowe
X
ciągadło monolityczne (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu ciągadło dzielone (2) średnica: 2,0 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu
λ=2,25 V=0,3 V=1,0 V=1,5
Siła ciągnienia
54
Tabela 6.1.1 cd.
XI
ciągadło dzielone (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu ciągadło monolityczne (2) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu
λ=1,30 V = 0,2 Siła ciągnienia Temperatura
XII
ciągadło dzielone (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu ciągadło monolityczne (2) średnica: 2,2 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu
λ=1,85 V=0,3 V=1,0
Siła ciągnienia
XIII
ciągadło dzielone średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu stalowego
λ=1,30
V=0,3 Siła ciągnienia
XIV
ciągadło monolityczne średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu stalowego
λ=1,30 V=0,3 Siła ciągnienia
55
6.2. Materiały zastosowane w badaniach.
Drut aluminiowy z gatunku 1050.
Materiałem zastosowanym do badań był drut aluminiowy w stanie wyżrzonym z
gatunku A1 1050 o średnicy 3 mm. Materiał ten charakteryzuje się wysoką odpornością na
korozję, wysoką przewodnością właściwą i cieplną oraz wysoką plastycznością. Wymagania
techniczne wg normy: PN-EN 1301-1,2,3; Skład chemiczny: PN-EN 573–3. Skład chemiczny
aluminium przedstawiono w tabeli 6.2.1, własności mechaniczne w tabeli 6.2.2. Własności
fizyczne zamieszczono w tabeli 6.2.3 a własności użytkowe wyrobów z aluminium 1050 w
tabeli 6.2.4.
Tabela. 6.2.1. Skład chemiczny aluminium z gatunku 1050.
Gatunek Skład chemiczny, %
Znak Cecha Oznaczenie
międzyn. Dopuszczalna zawartość zanieczyszczeń, maks.
Al.
min Fe Si Cu Zn Ti
Inne
oddzielnie
Razem
zaniecz.
Al
99,5
A1
EN AW-
1050 A
99,5
0,40 0,30
0,05
0,07
0,05
0,03
0,50
Tabela. 6.2.2. Własności mechaniczne aluminium z gatunku 1050 otrzymane w próbie
jednoosiowego rozciągania (baza pomiarowa 100 mm) oraz twardość mierzona metodą
Vickersa.
Własności Al. 1050 stan wyżarzony
Rp0,2, MPa 18
Rm, MPa 76
Wydłużenie A100, % 42
Twardość Vickersa, HV 20
56
Tabela. 6.2.3. Własności fizyczne aluminium z gatunku 1050.
Własności Wartość
Gęstość 2.71 g/cm3
Temperatura topnienia 650°C
Moduł sprężystości 71 GPa
Opór właściwy 0.0282x10-6 Ω.m
Przewodność cieplna 222 W/m.K
Rozszerzalność cieplna 24x10-6 /K
Tabela. 6.2.4. Własności użytkowe wyrobów z aluminium z gatunku 1050.
Proces Ocena
Przeróbka plastyczna na zimno Bardzo dobra
Obróbka skrawaniem Zła
Spawalność Bardzo dobra
Zdolność do lutowania twardego Bardzo dobra
Zdolność do lutowania miękkiego Bardzo dobra
Drut stalowy z gatunku AISI 302.
Materiałem do badań był drut ze stali austenitycznej odpornej na korozję z gatunku
AISI 302. Oznaczenie stali użytej w badaniach według różnych norm przedstawiono w tabeli
6.2.5. Skład chemiczny stali przedstawiono w tabeli 6.2.6. Drut do badań był w stanie
przesyconym.
57
Tabela. 6.2.5. Oznaczenie stali użytej w badaniach według różnych norm [6].
Gatunek stali Odpowiednik wg
Znak Numer PN-71/H-86020 AISI
X8CrNiS18-9 1.4305 1H18N9 302
Tabela. 6.2.6. Skład chemiczny stali z gatunku AISI 302.
Zawartość, % Gatunek stali
C Mn Si P S Cr Ni Mo N
AISI 302 0,094 0,89 0,70 0,026 0,0029 17,62 7,75 0,42 0,03
Stale austenityczne odporne na korozję, w stanie zmiękczonym, w którym wykazują
największą odporność na korozję, są bardzo plastyczne, lecz wykazują niskie własności
wytrzymałościowe (około Rm = 700 MPa, Rp0,2 = 200 MPa). Podwyższenie tych własności
można uzyskać poprzez wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych (Mn), jest to
jednak mało skuteczne. Drugim sposobem jest przeróbka plastyczna na zimno. Umocnienie
zależy wtedy od ilości dodatków stopowych, przy czym im wyższa zawartość tych
składników (z wyjątkiem niklu), tym umocnienie w czasie ciągnienia jest większe, lecz
równocześnie pogarsza się odporność na korozje i maleje plastyczność, co jest związane z
wydzieleniem się martenzytu [6]. W tabeli 6.2.7 przedstawiono parametry technologiczne
produkcji drutów ze stali AISI 302.
Tabela. 6.2.7. Parametry technologiczne dla stali z gatunku AISI 302 [6].
Obróbka cieplna
(przesycanie) Gatunek
stali
Gniot
krytyczny
%
Dopuszczalny
gniot
częściowy %
Możliwy
gniot
sumaryczny
%
Temperatura
ºC
Sposób
chłodzenia
AISI 302 5 20 98 1100 szybki
Druty ze stali AISI 302 znajdują między innymi zastosowanie do wyrobu sprężyn, lin,
cięgien oraz elementów złącznych.
58
6.3. Metodyka badań.
Dla realizacji założonego celu badań, czyli zbadaniu wpływu prostopadłych drgań
ultradźwiękowych oraz układów z nim sprzężonych na parametry siłowe procesu ciągnienia
ustalono następujące postępowanie. Zaproponowano schematy ciągnienia, podczas, których
cyklicznie włączano i wyłączano drgania ultradźwiękowe. Prędkość ciągnienia była
zmieniana podczas prób z zakresie od 0,06 m/s do 2m/s. Po przeprowadzeniu prób
ciągnienia we wszystkich czternastu opisanych w Rozdziale 6.1. schematach ciągnienia
zebrano następujące wyniki pomiarów:
• Wartość siły ciągnienia,
• Temperatura drutu w obszarze wejścia i wyjścia z ciągadła,
• Własności mechaniczne otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania
drutów,
• Własności mechaniczne oraz mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia,
• Wygląd powierzchni wyrobów po procesie ciągnienia.
Wartość siły ciągnienia.
W celu dokonania pomiaru siły ciągnienia zastosowano czujnik tensometryczny. Aby
dokonać oceny wpływy drgań na parametr procesu ciągnienia, jakim jest siła ciągnienia
zaproponowano następujący sposób przedstawienia wyników badań:
• Sporządzono wykresy przebiegu siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła w
czasie każdej próby oraz dla każdej zastosowanej prędkości,
• Obliczono średnią wartość siły ciągnienia w każdej wykonanej próbie,
• Obliczono odchylenie standardowe siły dla każdej próby ciągnienia,
• Obliczono procentowy spadek średniej siły ciągnienia dla każdego schematu
ciągnienia,
• Stabelaryzowano średni procentowy spadek siły ciągnienia dla różnych prędkości
ciągnienia oraz różnych schematów odkształcenia,
• Sporządzono wykresy procentowego spadku siły w zależności od prędkości ciągnienia
dla każdego ze schematów, w których zmieniano prędkość ciągnienia,
• Sporządzono zbiorczy wykres procentowego spadku siły ciągnienia w zależności od
prędkości ciągnienia dla wszystkich schematów ciągnienia.
59
Procentowy spadek siły ciągnienia określono następująco:
• zmierzono wartość siły ciągnienia podczas procesu, obliczono jej średnią wartość dla
przypadków, gdy ciągadło było poddane drganiom oraz bez drgań,
• obliczono stosunek zmniejszenia siły ∆F/F (gdzie ∆F to różnica między wartościami
średnimi sił ciągnienia z i bez ultradźwięku, a F jest średnią siłą ciągnienia bez
ultradźwięku).
W ten sposób oszacowano wpływ ultradźwięków na siłę ciągnienia w czternastu
zaproponowanych schematach badawczych. Wyniki procentowanego spadku siły ciągnienia
w funkcji prędkości ciągnienia z ultradźwiękiem zostały naniesione na odpowiednie wykresy.
Temperatura powierzchni drutu w obszarze wyjścia z ciągadła.
Pomiar temperatury wykonywano w obszarze ciągadła przy użyciu kamery
termowizyjnej FLIR SYSTEMS AB, model S60 PAL oraz za pomocą pirometru i termopary
stykowej na powierzchni drutu przy wejściu do ciągadła i zaraz na wyjściu z ciągadła.
Pomiary te prowadzono w sposób wyrywkowy.
Własności mechaniczne otrzymane podczas próby ultradźwiękowego
rozciągania drutów
Aby zweryfikować teorię dotyczącą spadku własności w procesie ciągnienia z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych zdecydowano się na przeprowadzenie próby
ciągnienia w warunkach jak najbardziej przypominających proces ciągnienia drutów. Stosując
ten sam układ do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych zapewniono tą samą
amplitudę drgań oraz porównywalną intensywność energii drgań do przeprowadzonych prób
ciągnienia według czternastu schematów. Próbę ultradźwiękowego „rozciągania”
zdecydowano się wykonać na tej samej ciągarce bębnowej, co pozostałe badania. W
koncentratorze drgań zamontowano specjalnie wykonane szczęki, które nieruchomo trzymały
drut podczas rozciągania. Bęben ciągarki posłużył za szczękę ruchomą wykonującą
rozciąganie drutu. Próby prowadzono każdorazowo do zerwania drutu. Zastosowano
minimalną możliwą prędkość rzędu 0,06 m/s. Przeprowadzenie eksperymentu w taki sposób
gwarantuje podobieństwo z procesem, w którym drut przechodzi przez drgające ciągadło w
60
procesie ciągnienia. Z badań otrzymujemy wartość siły ciągnienia. Obliczono fizyczną
granicę plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie. Mierzono również wydłużenie
próbek po rozciąganiu.
Własności mechaniczne oraz mikrostruktura wyrobów po procesie
ciągnienia.
Badania własności wytrzymałościowych przeprowadzono na maszynie
wytrzymałościowej INSTRON typ 4502. Próbie rozciągania poddano druty ciągnione z
zastosowaniem drgań ultradźwiękowych oraz odkształcane w procesie tradycyjnego
ciągnienia.
Próba rozciągania polega na wolnym rozciąganiu próbki materiału na maszynie
wytrzymałościowej, na ogół aż do rozerwania. Prędkość rozciągania, w zależności od rodzaju
materiału i wyznaczanych własności, powinna być taka, by szybkość przyrostu naprężenia w
czasie próby rozciągania mieściła się w granicach podanych w tabeli.
Tabela 6.3.1. Prędkość rozciągania w zależności od Modułu Younga.
Szybkość przyrostu naprężenia, N/mm2s-1 Moduł sprężystości
materiału, N/mm min max
< 150 000 2 10
≥ 150 000 6 30
Próby przeprowadzano w temperaturze pokojowej, przy prędkości trawersy 60 mm/min.
Pierwsza prędkość do pomiaru Rp0,2 wynosiła 10 mm/min. Baza pomiarowa próbki wynosiła
100 mm. Badania wykonano przy użyciu ekstensometru. Próbki mocowano w odpowiednich
uchwytach tak, aby zapewnić osiowe działanie siły rozciągającej, szczegółowe wytyczne
dotyczące przeprowadzania próby rozciągania podają odpowiednie normy (PN-EN 10002-
1+AC1:1998). W czasie próby rozciągania maszyna dokonuje rejestracji siły oraz wydłużenia
próbki.
Spośród własności mechanicznych wyodrębnić można dwie grupy. Pierwsza, to
własności wytrzymałościowe będące reakcją materiału na przyłożoną siłę, których
miernikiem jest naprężenie. Druga grupa to własności plastyczne określane w oparciu o
zmianę wymiarów odkształcanej próbki.
61
Wyznaczano następujące własności mechaniczne rozciąganych drutów:
• Naprężenie graniczne przy przyroście nieproporcjonalnym Rp. Jest to naprężenie
określone przy przyroście nieproporcjonalnym, równym umownemu procentowi
długości pomiarowej ekstensometru (Le). Symbol wielkości uzupełnia się
wskaźnikiem określającym umowny procent przyrostu długości pomiarowej
ekstensometru, na przykład Rp0,2. Wielkość Rp0,2 określa się w przypadku braku cech
wyraźnej granicy plastyczności. Rp0,2, jest to naprężenie, które wywołuje trwałe
odkształcenie równe 0,2%, nazywane jest terminem ”umowna granica plastyczności".
• Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest to naprężenie odpowiadające największej sile
Fm. Wytrzymałość na rozciąganie jest podstawową wielkością opisującą własności
wytrzymałościowe materiałów.
• Wydłużenie procentowe po rozerwaniu A100 jest to trwałe wydłużenie długości
pomiarowej po rozerwaniu (Lu – L0), wyrażone w procentach początkowej długości
pomiarowej L0.
Badano również zależność własności od długości bazy próbki drutu o średnicy 3 mm w
stanie wyjściowym. Zaplanowano również zbadanie materiału pod względem jego czułość na
prędkość odkształcenia, w tym celu rozciągano próbki drutu w stanie wyjściowym o średnicy
3 mm oraz bazie pomiarowej 100 mm z różnymi prędkościami trawersy. Dane zestawiono w
tabeli oraz sporządzono wykres zależności zmiany wytrzymałości na rozciąganie w
zależności od prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej.
W celu ujawnienia ewentualnych różnic w stanie materiałów ciągnionych z
zastosowaniem ultradźwięków zbadano dla porównania mikrostrukturę materiałów
ciągnionych z zastosowaniem ultradźwięków oraz sposobem tradycyjnym według tych
samych schematów. Wykonano zgłady metalograficzne, które następnie wytrawiono.
Wykonano zdjęcia mikrostruktur używając mikroskopu optycznego przy różnych
powiększeniach.
Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia.
Każdorazowo oceniano wizualnie jakość oraz gładkość powierzchni. Wymiary
końcowe mierzono wyrywkowo przy użyciu suwmiarki oraz śruby mikrometrycznej.
62
6.4. Opis urządzeń zastosowanych do badań.
Badania własne zostały przeprowadzone według czternastu schematów ciągnienia, do
których rysunki oraz parametry ciągnienia zostały zamieszczone w rozdziale 8. Badania
własne zostały wykonane na ciągarce bębnowej w laboratorium Katedry Plastycznej
Przeróbki Metali na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej w budynku B4
na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Pod stołem ciągarki znajduje się silnik prądu
stałego o mocy 7 kW wraz z wentylatorem. Maksymalna prędkość ciągnienia na ciągarce
bębnowej wynosi 2,5 m/s, średnica bębna nawijającego wynosi około 180 mm. Do sterowania
ciągarką służy szafa z napędem tyrystorowym. Ciągarka bębnowa wyposażona jest w
tensometryczny czujnik do pomiaru statycznej siły ciągnienia. Na Rys. 6.4.1 pokazano
stanowisko pomiarowe.
Rys. 6.4.1. Stanowisko pomiarowe do przeprowadzenia procesu ciągnienia z ultradźwiękiem.
W badaniach własnych wykorzystano dwa rodzaje układów służących do wytworzenia
drgań ultradźwiękowych:
• wzdłużnych do osi drutu,
• prostopadłych do osi drutu.
Bęben
Drut
Szafa sterownicza Przetwornik
ultradźwiękowy
Generator ultradźwiękowy
63
6.4.1. Układ służący do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych.
Drgania wzdłużne zastosowano w schematach ciągnienia nr. V-VII, VIII-XII, XIV,
oraz w próbie rozciągania na ciągarce bębnowej.
Do zasilania przetwornika użyto generatora magnetostrykcyjnego UNITRA GU 22-
2500. Dane techniczne generatora zamieszczono w tabeli nr. 6.4.1.1.
Tabela 6.4.1.1. Dane techniczne generatora typ: UNITRA GU 22-2500.
Napięcie zasilania 220 V 50 Hz
Częstotliwość 15-25 kHz
Moc wyjściowa średnia (przy 20 kHz) 2,5 kW
Sprawność 75%
Rodzaj pracy ciągła
Energia pobierana z sieci prądu przemiennego zostaje przetworzona w energię prądu
stałego za pomocą tyrystorowego zasilacza, a następnie na energię podwyższonej
częstotliwości w falowniku tyrystorowym. Energia ta może być przetworzona na energię
drgań ultradźwiękowych w przetworniku magnetostrykcyjnym. Zasilacz mocy jest objęty
sprzężeniem zwrotnym poprzez jego układ sterowania i regulator składowej dynamicznej
prądu przetwornika. Do wejścia regulatora doprowadzono sygnały: składowej dynamicznej
prądu przetwornika, napięcia wyjściowego falownika i sygnał nastawienia amplitudy. Przez
odpowiednią obróbkę tych sygnałów regulator składowej dynamicznej prądu przetwornika
realizuje stabilizację amplitudy drgań przetwornika oraz zabezpiecza generator przed
przeciążeniem i ogranicza wielkość napięcia wyjściowego generatora.
Do tego układu został użyty ferrytowy przetwornik magnetostrykcyjny o sprawności około
45-50%. Układ drgający posiada trzykrotne wzmocnienie amplitudy drgań. Przetwornik
magnetostrykcyjny został połączony ze stalowym, stożkowym koncentratorem drgań
obrabianym cieplnie o twardości 36 HRC. Amplituda drgań wynosiła 10 mikronów, a
częstotliwość około 20 kHz. Obie te wielkości były stałe podczas badań we wszystkich
schematach ciągnienia z zastosowaniem drgań wzdłużnych do osi drutu.
Na rysunku 6.4.1.1. znajduje się schemat koncentratora drgań, który został specjalnie
zaprojektowany do badań własnych.
64
Rys. 6.4.1.1. Koncentrator drgań zaprojektowany do przetwornika magnetostrykcyjnego
(projektował i wykonywał mgr. inż. Andrzej Wojnar).
6.4.2. Układ służący do wytwarzania prostopadłych drgań ultradźwiękowych.
Przez drgania prostopadłe nazywamy drgania poprzeczne do osi ciągnionego drutu.
Taki rodzaj drgań ultradźwiękowych zastosowano w schematach ciągnienia nr. I-IV, VIII-
XIII.
Do zasilania przetwornika użyto generatora piezoelektrycznego firmy BRANSON
1300P. Dane techniczne generatora zamieszczono w tabeli nr. 6.4.2.1.
Tabela 6.4.2.1. Dane techniczne generatora typ: BRANSON 1300P.
Napięcie zasilania 220 V 50 Hz
Częstotliwość 15 - 50kHz
Moc wyjściowa średnia 2,5 kW
Sprawność 95%
Rodzaj pracy okresowa do 10 minut
Do generatora piezoelektrycznego zastosowano przetwornik ultradźwiękowy,
piezoelektryczny o wysokiej sprawności około 95%. Do przetwornika zamontowano
65
stożkowy koncentrator drgań. Amplituda drgań wynosiła 20 mikronów, a częstotliwość około
20 kHz. Obie te wielkości były stałe podczas badań we wszystkich schematach ciągnienia z
zastosowaniem prostopadłych drgań ciągadła dzielonego.
7. Budowa stanowiska w poszczególnych schematach ciągnienia drutów z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.
7.1. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów V-VII oraz XIV.
Badanie polegało na przeprowadzeniu procesu ciągnienia przez pojedyncze ciągadło
monolityczne drgające wzdłużnie do osi drutu. Do przeprowadzenia badań ciągnienia według
schematów od V-VII oraz XIV użyto układu wytwarzającego drgania wzdłużne. W
koncentratorze drgań montowano ciągadła monolityczne o różnych średnicach kalibrujących
(2,63 mm, 2,2 mm, 2,0 mm). Ciągadła wykonane zostały z węglika spiekanego.
Do stołu ciągarki bębnowej przymocowano stalowe prowadnice w celu zamontowania
przetwornika w jednej osi. Następnie w specjalnie zaprojektowanej sztywnej obejmie
stalowej wyposażonej w gumowe uszczelki zamontowano za pomocą śrub przetwornik
magnetostrykcyjny wraz z koncentratorem drgań (Rys. 7.1.1.) Układ ten wraz z generatorem
magnetostrykcyjnym o mocy 2,5 kW służył do wytworzenia wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych. Częstotliwość drgań wynosiła 20 kHz, natomiast amplituda drgań w
płaszczyźnie ciągadła wynosiła około 10 µm. Częstotliwość oraz amplituda nie ulegały
zmianie podczas procesu ciągnienia według schematów V-VII oraz XIV.
W koncentratorze drgań montowano za pomocą połączenia gwintowego ciągadła
monolityczne o różnych średnicach kalibrujących. Ciągadła wykonane zostały z węglika
spiekanego. Na Rys. 7.1.1 pokazano przetwornik wraz z koncentratorem drgań zamontowany
w stalowej obejmie oraz przykładowe wymiary ciągadła monolitycznego użytego do badań
(Rys. 7.1.2.). Współosiowy otwór w pakiecie blach przetwornika magnetostrykcyjnego oraz
w koncentratorze zapewniał przelot drutu przez ciągadło. Opis ciągarki zamieszczono w
Rozdziale 6.4.
66
Rys. 7.1.1. Przetwornik magnetostrykcyjny oraz koncentrator z zamontowanym ciągadłem
w sztywnej obejmie stalowej skręconej za pomocą śrub.
67
Rys. 7.1.2. Przykładowe wymiary oczka ciągadła monolitycznego zamontowanego w
koncentratorze drgań.
Na rysunku 7.1.3. pokazano wzmocnienie amplitudy drgań w układzie wytwarzającym
drgania ultradźwiękowe.
68
x=Asinωt
Rys. 7.1.3. Schematyczny rozkład amplitudy drgań na długości przetwornika oraz
koncentratora drgań.
Do przeprowadzonych prób ciągnienia według schematów V-VII oraz XIV z
zastosowaniem wzdłużnych drgań ultradźwiękowych dobrano następujące warunki procesu:
• Częstotliwość drgań 20 kHz,
• Amplituda drgań 10 µm,
• Prędkość ciągnienia: V=0,3 m/s; V=1 m/s; V=1,5 m/s; V=2 m/s,
• Ciągarka bębnowa wyposażona w tensometryczny czujnik do pomiaru statycznej siły
ciągnienia,
• Współczynnik wydłużenia: λ=1,3; λ=1,85; λ=2,25,
• Podstawowa część badań przy ciągnienia drutu aluminiowego bez użycia smaru,
• Dla stali badania przeprowadzone z użyciem smaru – proszek mydła sodowego,
• Materiał do badań: dla schematów od V-VII to druty o średnicy 3 mm z technicznego
aluminium z gatunku 1050 w stanie wyżarzonym; dla schematu XIV to druty o
średnicy 3 mm ze stali austenitycznej z gatunku AISI 302 w stanie wyżarzonym.
69
7.2. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematu I-IV oraz XIII.
Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez ciągadło
dzielone przedstawiono na rysunku 7.2.1. Do ceowników umocowanych do sztywnej ławy,
zamocowano stalowe kształtowniki umożliwiające regulację odległości przetwornika od
bębna nawijającego ciągarki. Do stalowych szyn przykręcono konstrukcję mocującą
przetwornik piezoelektryczny wraz z dwoma połówkami ciągadła dzielonego. Konstrukcja ta
umożliwiała płynną regulację wysokości przetwornika i falowodu z zamontowaną na stałe
górną połówką ciągadła dzielonego oraz regulację wysokości i osiowości dolnej połówki
ciągadła. Konstrukcja mocująca przetwornik oraz ciągadło dzielone pokazana została na
rysunku numer 7.2.2.
Ciągadłodzielone
Przetwornikultradźwiękowy
Bębenciągarki
Rys. 7.2.1. Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez ciągadło
dzielone.
70
Rys. 7.2.2. Konstrukcja mocująca przetwornik i falowód oraz ciągadło dzielone.
Na rysunku numer 7.2.3 przedstawiono konstrukcję specjalnie zaprojektowanego ciągadła
dzielonego wykorzystanego do eksperymentu. Ciągadło wykonano ze stali NC10 o twardości
62 HRC. Na Rys. 7.2.4 pokazano dzielone ciągadło zamontowane w koncentratorze drgań.
71
Rys. 7.2.3. Konstrukcja ciągadła dzielonego użytego do badań.
72
Rys. 7.2.4. Dzielone ciągadło zamontowane w koncentratorze drgań.
Do przeprowadzonych prób ciągnienia z zastosowaniem prostopadłych drgań
ultradźwiękowych według schematów I-IV oraz XIII dobrano następujące warunki procesu:
• Częstotliwość drgań 20 kHz,
• Amplituda drgań 20 mikronów,
• Współczynnik wydłużenia: λ=1,3; λ=1,69; λ=1,85; λ=2,25,
• Prędkość ciągnienia: V=0,06 m/s; V=0,3 m/s; V=1 m/s; V=1,5 m/s; V=2 m/s,
• Połówka ciągadła dzielonego drgała prostopadle do osi drutu,
• Podstawowa część badań dla drutów aluminiowych bez użycia smaru,
• Dla stali badania przeprowadzone z użyciem smaru – proszek mydła sodowego,
• Materiał do badań: dla schematów od I-IV to druty o średnicy 3 mm z technicznego
aluminium z gatunku 1050 w stanie wyżarzonym; dla schematu XIII to druty o
średnicy 3 mm ze stali austenitycznej z gatunku AISI 302 w stanie wyżarzonym.
73
7.3 Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów VIII-X.
Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ posobny
ciągadeł monolitycznego i dzielonego przedstawiono na rysunku numer 7.3.1.
Ciągadłodzielone
Ciągadłomonolityczne
Przetwornikultradźwiękowy
Bębenciągarki
Rys. 7.3.1. Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ
posobny ciągadeł monolitycznego i dzielonego.
Do badań zastosowano te same układy wytwarzające drgania ultradźwiękowe wzdłużne i
prostopadłe, które opisano w punktach 6.4.1. oraz 6.4.2 . Do ceowników umocowanych do
sztywnej ławy, zamocowano stalowe kształtowniki umożliwiające regulację odległości
przetworników magnetostrykcyjnego i piezoelektrycznego oraz odległości od bębna
nawijającego ciągarki. Do stalowych szyn przykręcono konstrukcję mocującą przetwornik
magnetostrykcyjny wraz z koncentratorem drgań i zamontowanym na jego końcu ciągadłem
monolitycznym o średnicy części kalibrującej 2,63 mm. Następnie na tej samej szynie
zamontowano konstrukcję mocującą przetwornik piezoelektryczny wraz z koncentratorem i
74
dwoma połówkami ciągadła dzielonego. Średnica ciągadła monolitycznego w schematach od
VIII-X nie ulegała zmianie, natomiast wymieniano ciągadło dzielone. Średnice kalibrujące
ciągadła dzielonego wynosiły: 2,3 mm; 2,2 mm i 2,0mm.
Do przeprowadzonych prób ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i prostopadłych
drgań ultradźwiękowych dobrano następujące warunki procesu:
• Częstotliwość drgań 20 kHz,
• Amplituda drgań wzdłużnych 10 µm,
• Amplituda drgań prostopadłych 20µm,
• Prędkość ciągnienia: V=0,3 m/s; V=1 m/s; V=1,5 m/s; V=2 m/s,
• Ciągnienie bez użycia smaru,
• Materiał do badań: druty o średnicy 3 mm z technicznego aluminium z gatunku 1050
w stanie wyżarzonym.
7.4. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów XI-XII.
Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ posobny
ciągadeł dzielonego i monolitycznego przedstawiono na rysunku 7.4.1. Do badań
zastosowano te same układy wytwarzające drgania ultradźwiękowe wzdłużne i prostopadłe,
które opisano w punktach 6.4.1. oraz 6.4.2. Do ceowników umocowanych do sztywnej ławy,
zamocowano stalowe kształtowniki umożliwiające regulację odległości przetworników
magnetostrykcyjnego i piezoelektrycznego oraz odległości od bębna nawijającego ciągarki.
Do stalowych szyn przykręcono konstrukcję mocującą przetwornik piezoelektryczny wraz z
koncentratorem i dwoma połówkami ciągadła dzielonego o średnicy części kalibrującej 2,63
mm. Następnie na tej samej szynie zamontowano konstrukcję mocującą przetwornik
magnetostrykcyjny wraz z koncentratorem drgań i zamontowanym na jego końcu ciągadłem
monolitycznym. Średnica ciągadła dzielonego w schematach XI i XII nie ulegała zmianie,
natomiast wymieniano ciągadło monolityczne. Średnice kalibrujące ciągadła monolitycznego
wynosiły: 2,63 mm; 2,2 mm.
Do przeprowadzonych prób ciągnienia z zastosowaniem prostopadłych i wzdłużnych
drgań ultradźwiękowych dobrano następujące warunki procesu:
• Częstotliwość drgań 20 kHz,
• Amplituda drgań wzdłużnych 10 µm,
75
• Amplituda drgań prostopadłych 20µm,
• Prędkość ciągnienia: V=0,06 m/s,
• Ciągnienie bez użycia smaru,
• Materiał do badań: druty o średnicy 3 mm z technicznego aluminium z gatunku 1050
w stanie wyżarzonym.
Przetwornikultradźwiękowy
Ciągadłomonolityczne
Ciągadłodzielone
Bębenciągarki
Rys. 7.4.1. Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ
posobny ciągadeł dzielonego i monolitycznego.
7.5. Stanowisko do badań własności mechanicznych w próbie rozciągania z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.
Próbę rozciągania przeprowadzono na ciągarce bębnowej, wykorzystując ten sam
układ do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych, który został użyty w
schematach: V-VII, VIII-XII oraz XIV. Próba rozciągania z ultradźwiękiem została celowo
przeprowadzona na ciągarce bębnowej, aby stworzyć warunki porównywalne z warunkami
panującymi w pozostałych schematach ciągnienia. Druty były mocowane w specjalnej
76
szczęce, która wkręcana była na stałe do koncentratora drgań. Drut dokręcany był śrubami.
Bęben ciągarki służył jako ruchoma szczęka rozciągająca drut. Badanie miało na celu
doświadczalne zbadanie wpływu intensywności drgań ultradźwiękowych na wartość fizycznej
granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenie drutów w próbie
ultradźwiękowego rozciągania na ciągarce bębnowej. Rozciąganie drutów prowadzone było
każdorazowo do momentu jego zerwania. Na Rys. 7.5.1 pokazano koncentrator z
zamontowaną szczęką wraz z drutem aluminiowym.
Rys. 7.5.1. Sposób montowania drutu w koncentratorze drgań przy próbie rozciągania na
ciągarce bębnowej.
Opis i zakres badań.
• generator magnetostrykcyjny o mocy 2,5 kW, przetwornik magnetostrykcyjny z
przewierconym otworem dla osiowego wprowadzenia drutu, z zamocowaną śrubą w
koncentratorze drgań,
• śruby mocujące rozciągany drut w koncentratorze drgań o różnym gwincie: M4, M6
• częstotliwość drgań 10 kHz,
• prędkość ciągnienia V=0,06m/s,
• ciągarka bębnowa wyposażona w tensometryczny czujnik do pomiaru statycznej siły
ciągnienia użyta została jako maszyna wytrzymałościowa,
• materiał do badań: druty o średnicy 3 mm z technicznego aluminium z gatunku 1050
w stanie wyżarzonym,
• pomiary siły ciągnienia, wydłużenia oraz ocena wizualna powierzchni zrywanego
drutu.
77
8. Wyniki badań. W rozdziale tym zamieszczono wyniki badań własnych w postaci wykresów
zależności siły ciągnienia od czasu dla wszystkich schematów ciągnienia. Drgania
ultradźwiękowe włączano oraz wyłączano podczas procesu ciągnienia. Wykresy opisano,
umieszczając na każdym z nich: schemat ciągnienia, prędkość oraz współczynnik wydłużenia.
Oznaczono przebiegi siły z ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku. Zamieszczono także na
wykresach średnie wartości siły ciągnienia z ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku oraz
wartości odchylenia standardowego siły ciągnienia. Dane dotyczące własności
wytrzymałościowych otrzymanych w próbie rozciągania oraz zmierzoną temperaturę na
powierzchni drutu zestawiono w tabelach.
8.1. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów I- IV.
78
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
Na
b
1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 0,06 m/s
Fśr = 239 N; σ = 9,6 N
Fśr = 38,6 N; σ = 13,2 N
Rys. 8.1.1. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 0,06 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 239
N, σ = 9,6 N; b) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 38,6 N, σ = 13,2 N.
79
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
Na
b
Fśr = 268,9 N; σ = 3,3 N
Fśr = 61,6 N; σ = 11 N
1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 0,06 m/s
Rys. 8.1.2. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 0,06 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 268,9
N, σ = 3,3 N; b) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 61,6 N, σ = 11 N.
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 76,8 N; σ = 15,1 N
Fśr = 241,7 N; σ = 12,2 N
Rys. 8.1.3. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 76,8 N
σ = 15,1 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 241,7 N, σ = 12,2 N.
80
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 159,9 N; σ = 8,5 N
Fśr = 29,8 N; σ = 6,2 N
Rys. 8.1.4. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 29,8 N,
σ = 6,2 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 159,9 N, σ = 8,5 N.
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 36 N; σ = 5,1 N
Fśr = 166 N; σ = 43 N
Rys. 8.1.5. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 36 N, σ
= 5,1 N b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 166 N, σ = 43 N.
81
0
50
100
150
200
250
300
350
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N a
b1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 1,0 m/s
Fśr = 290,1 N; σ = 10,9 N
Fśr = 160 N; σ = 32 N
Rys. 8.1.6. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 160 N, σ
= 32 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 290,1 N, σ = 10,9 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6
Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
bFśr = 305 N; σ = 58 N
Fśr = 94 N; σ = 22 N
1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 1,0 m/s
Rys. 8.1.7. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 94 N, σ =
22 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 305 N, σ = 58 N.
82
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 1,5 m/s
Fśr = 371,4 N; σ = 183,4 N
Fśr = 170,1 N; σ = 30,4 N
Rys. 8.1.8. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami: Fśr = 170,1
N, σ = 30,4 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 371,4 N, σ = 183,4 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 1,5 m/s
Fśr = 319 N; σ = 51 N
Fśr = 179,9 N; σ = 16,6 N
Rys. 8.1.9. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 179,9
N, σ = 16,6 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 319 N, σ = 51 N.
83
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b
1 SCHEMAT I
λ = 1,3 V = 2,0 m/s
Fśr = 296,7 N; σ = 24,2 N
Fśr = 214,7 N; σ = 26,4 N
Rys. 8.1.10. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,3, V = 2 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 214,7 N,
σ = 26,4 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 296,7 N, σ = 24,2 N.
0
50
100
150
200
250
300
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT II
λ = 1,69 V = 0,3 m/s
Fśr = 224,3 N; σ = 12,4 N
Fśr = 73 N; σ = 8 N
Rys. 8.1.11. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,69, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 73 N,
σ = 8 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 224,3 N, σ = 12,4 N.
84
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
bFśr = 402,4 N; σ = 51,9 N
Fśr = 191,9 N; σ = 34,3 N
1 SCHEMAT II
λ = 1,69 V = 1,0 m/s
Rys. 8.1.12. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,69, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 191 N,
σ = 34,3 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 402,4 N, σ = 52 N.
85
0
100
200
300
400
500
600
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N a
bFśr = 442 N; σ = 98,2 N
Fśr = 222,3 N; σ = 71,2 N
1 SCHEMAT II
λ = 1,69 V = 1,5 m/s
Rys. 8.1.13. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,69, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami: Fśr = 222,3
N, σ = 71,2 N; b) ciągnienie bez ultradźwięków: Fśr = 442 N, σ = 98,2 N.
0
50
100
150
200
250
300
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT III
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Fśr = 263,1 N; σ = 14,3 N
Fśr = 100,5 N; σ = 6,4 N
Rys. 8.1.14. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,85, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 100,5
N, σ = 6,4 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 263,1 N, σ = 14,3 N.
86
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N a
b1 SCHEMAT III
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
Fśr = 290,3 N; σ = 15,6 N
Fśr = 157,3 N; σ = 4,6 N
Rys. 8.1.15. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,85, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 157,3
N, σ = 4,6 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 290,3 N, σ = 15,6 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N a
b1 SCHEMAT III
λ = 1,85 V = 1,5 m/s
Fśr = 344,7 N; σ = 46 N
Fśr = 199 N; σ = 8 N
Rys. 8.1.16. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,85, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 199
N, σ = 8 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 344,7 N, σ = 46 N.
87
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT III
λ = 1,85 V = 2,0 m/s
Fśr = 371 N; σ = 11,5 N
Fśr = 246,6 N; σ = 17,1 N
Rys. 8.1.17. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ = 1,85, V = 2 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 246,6
N, σ = 17,1 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 371 N, σ = 11,5.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 5 10 15 20 25 30Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b1 SCHEMAT IV
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
Fśr = 363,5 N; σ = 7,7 N
Fśr = 107,7 N; σ = 15,8 N
Rys. 8.1.18. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ=2,25, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 107,7 N, σ =15,8 N;
b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr =363,5 N, σ =7,7 N.
88
0
20
40
60
80
100
120
140
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT IV
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
Fśr = 112,5 N; σ = 7,9 N
Rys. 8.1.19. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr =112,5 N, σ = 7,9 N.
0
100
200
300
400
500
600
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N a
b1 SCHEMAT IV
λ = 2,25 V = 1,0 m/s
Fśr = 498 N; σ = 17,5 N
Fśr = 259 N; σ = 14,6 N
Rys. 8.1.20. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ =2,25; V=1 m/s., Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 259 N, σ = 14,6 N;
b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 498 N, σ = 17,5 N. Urwało drut po 1 metrze bez drgań
ultradźwiękowych.
89
0
100
200
300
400
500
600
4 4,5 5 5,5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a b
1 SCHEMAT IV
λ = 2,25 V = 1,5 m/s
Fśr = 490,6 N; σ = 14,6 N
Fśr = 418,1 N; σ = 9,3 N
Rys. 8.1.21. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ =2,25, V=1,5 m/s., Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr =418,1 N, σ =9,3 N;
b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 490,6 N, σ = 14,6 N. Urwało drut bez drgań
ultradźwiękowych.
90
0
100
200
300
400
500
600
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT IV
λ = 2,25 V = 2,0 m/s
Fśr = 457,4 N; σ = 22,8 N
Rys. 8.1.22. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi
drutu: λ =2,25, V=2 m/s, Fśr =457,4 N; σ =22,8 N. Urwało drut od razu po wyłączeniu drgań
ultradźwiękowych.
8.2. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów V-VII.
91
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
SCHEMAT V1
Fśr = 253 N; σ = 6,3 N
Fśr = 174,4 N; σ = 11,9 N
Rys. 8.2.1. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,3,
V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 174,4 N, σ = 11,9 N; b) ciągnienie
bez ultradźwięku: Fśr = 253 N, σ = 6,3 N.
92
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a b
λ = 1,3 V = 1,0 m/s
SCHEMAT V1
Fśr = 256,2 N; σ = 6,4 N
Fśr = 219,7 N; σ = 9,3 N
Rys. 8.2.2. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,3, V=1
m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 219,7 N, σ = 9,3 N; b) ciągnienie bez
ultradźwięku: Fśr = 256,2 N, σ = 6,4 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a b
λ = 1,3 V = 1,5 m/s
SCHEMAT V1
Fśr = 253,4 N; σ = 14,5 NFśr = 267,3 N; σ = 8,1 N
Rys. 8.2.3. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,3,
V=1,5 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 253,4 N, σ = 14,5 N; b) ciągnienie
bez ultradźwięku: Fśr = 267,3 N, σ = 8,1 N.
93
0
50
100
150
200
250
300
350
0 5 10 15 20 25 30Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 291,8 N; σ = 10,3 N
Rys. 8.2.4. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85, V
= 0,3 m/s, Fśr = 291,80 N, σ = 10,3 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 5 10 15 20 25Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 352,6 N; σ = 4,7 N
Rys. 8.2.5. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=0,3 m/s,
Fśr = 352,6 N, σ = 4,7 N.
94
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 356,2 N; σ = 10,6 N
Rys. 8.2.6. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85, V
= 1 m/s, Fśr = 356,2 N, σ = 10,6 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 342,1 N; σ = 11,4 N
Rys. 8.2.7. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,
V=1 m/s, Fśr = 342,1 N, σ = 11,4 N.
95
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 364,9 N; σ = 10,7 N
Rys. 8.2.8. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=1 m/s,
Fśr = 364,9 N, σ = 10,7 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 373,5 N; σ = 7,3 N
Rys. 8.2.9. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=1 m/s,
Fśr = 373,5 N, σ = 7,3 N.
96
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,5 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 339,9 N; σ = 13,8 N
Rys. 8.2.10. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,
V=1,5 m/s, Fśr = 339,9 N, σ = 13,8 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,5 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 351,7 N; σ = 13 N
Rys. 8.2.11. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,
V=1,5 m/s, Fśr = 351,7 N, σ = 13 N.
97
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 1,5 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 368,4 N; σ = 9 N
Rys. 8.2.12. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=1,5 m/s,
Fśr = 368,4 N, σ = 9 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 2,0 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 361,5 N; σ = 13,8 N
Rys. 8.2.13. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,
V=2 m/s, Fśr = 361,5 N, σ = 13,8 N.
98
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 1,85 V = 2,0 m/s
SCHEMAT VI1
Fśr = 379,6 N; σ = 14,2 N
Rys. 8.2.14. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=2 m/s, Fśr
= 379,6 N, σ = 14,2 N.
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
SCHEMAT VII1
Fśr = 119,6 N; σ = 26,5 N
Rys. 8.2.15. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =2,25,
V=0,3 m/s, Fśr = 119,6 N, σ = 26,5 N. Zerwało drut przy bębnie.
99
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
SCHEMAT VII1Fśr = 193,1 N; σ = 9,2 N
Rys. 8.2.16. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =2,25,
V=0,3 m/s, Fśr = 193,1 N, σ = 9,2 N. Ekstremalny proces, zrywa drut.
8.3. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów VIII - X.
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1 2 3 4 5Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 0,3 m/s
Fśr = 124,9 N; σ = 6,4 N
Rys. 8.3.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ=1,69, V=0,3 m/s, Fśr = 124,9 N, σ = 6,4 N. Proces
nieustabilizowany – pierwsza próba.
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 0,3 m/s
Fśr = 153,4 N; σ = 9,3 N
Rys. 8.3.2. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=0,3 m/s, Fśr = 153,4 N, σ = 9,3 N.
101
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 1,0 m/s
Fśr = 322,8 N; σ = 6,6 N
Rys. 8.3.3. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1 m/s, Fśr = 322,8 N, σ = 6,6 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N 1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 1,0 m/s
Fśr = 329,7 N; σ = 7,9 N
Rys. 8.3.4. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1 m/s, Fśr = 329,7 N, σ = 7,9 N.
102
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
Fśr = 347,5 N; σ = 7,3 N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 1,5 m/s
Rys. 8.3.5. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1,5 m/s, Fśr = 347,5 N, σ = 7,3 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 1,5 m/s
Fśr = 338,9 N; σ = 13,9 N
Rys. 8.3.6. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1,5 m/s, Fśr = 338,9 N, σ = 13,9 N.
103
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 2,0 m/s
Fśr = 369,2 N; σ = 14,4 N
Rys. 8.3.7. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=2 m/s, Fśr = 369,2 N, σ = 14,4 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 0,3 m/s
Fśr = 342,5 N; σ = 10,3 N
Fśr = 199,3 N; σ = 6,9 N
Rys. 8.3.8. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 199,3 N, σ = 6,9 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 342,5 N, σ
= 10,3 N.
104
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
ab
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 1,0 m/s
Fśr = 352,6 N; σ = 8,9 N
Fśr = 438,9 N; σ = 29,8 N
Rys. 8.3.9. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 352,6 N, σ = 8,9 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 438,9 N, σ =
29,8 N.
105
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a bFśr = 457,8 N; σ = 14,2 N
Fśr = 387,3 N; σ = 8,9 N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 1,5 m/s
Rys. 8.3.10. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1,5 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 387,3 N, σ = 8,9 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 457,8 N, σ =
14,2 N.
106
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 2,0 m/s
Fśr = 463,5 N; σ = 14,8 N
Rys. 8.3.11. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=2 m/s. Nie można rozróżnić przebiegu a)
i b) Fśr = 463,5 N, σ = 14,8 N.
0
100
200
300
400
500
600
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT VIII
λ = 1,69 V = 2,0 m/s
Fśr = 491,9 N; σ = 24,9 N
Rys. 8.3.12. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=2 m/s. Trudno rozróżnić przebieg a) i b)
Fśr = 491,9 N, σ =24,9 N. Zerwał się drut.
107
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b
1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Fśr = 204 N; σ = 15,1 N
Fśr = 144 N; σ = 11,5 N
Rys. 8.3.13. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem wzdłużnych i prostopadłych
drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami:
Fśr = 144 N, σ = 11,5 N; b) ciągnienie bez ultradźwięków: Fśr = 204 N, σ = 15,1 N.
108
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b
cFśr = 373 N; σ = 9 N
Fśr = 254,6 N; σ = 9 N
Fśr = 165,8 N; σ = 6,5 N1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Rys. 8.3.14. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękami wzdłużnymi i prostopadłymi: Fśr = 165,8 N, σ = 6,5 N; b) ciągnienie z
ultradźwiękami prostopadłymi: Fśr = 254,6 N, σ = 9 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr =
373 N, σ = 9 N.
109
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N a
bFśr = 371,7 N; σ = 8,1 N
Fśr = 175,2 N; σ = 4,8 N
1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Rys. 8.3.15. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 175,2 N, σ = 4,8 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 371,7 N, σ =
8,1 N.
110
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
bFśr = 354,3 N; σ = 8,6 N
Fśr = 191,7 N; σ = 8,1 N1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Rys. 8.3.16. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 191,7 N, σ = 8,1 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 354,3 N, σ =
8,6 N.
111
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
ab
cFśr = 352,9 N; σ = 7,9 N
Fśr = 226,7 N; σ = 4,9 N
Fśr = 198,1 N; σ = 7,8 N1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Rys. 8.3.17. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 198,1 N, σ = 7,8 N; b) ciągnienie z ultradźwiękami prostopadłymi: Fśr
= 226,7 N, σ = 4,9 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 352,9 N, σ = 7,9 N.
112
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a
b
1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
Fśr = 364,8 N; σ = 9,3 N
Fśr = 261,9 N; σ = 6,7 N
Rys. 8.3.18. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=1 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękiem: Fśr = 261,9 N, σ = 6,7 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 364,8 N, σ
= 9,3 N.
113
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
ab
1 2 SCHEMAT IX
λ = 1,85 V = 1,5 m/s
Fśr = 389,8 N; σ = 8,8 N
Fśr = 302,4 N; σ = 6,6 N
Rys. 8.3.19. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=1,5 m/s. Przebieg a) ciągnienie z
ultradźwiękami: Fśr = 302,4 N, σ = 6,6 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 389,8 N, σ =
8,8 N.
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT X
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
Fśr = 192,9 N; σ = 5,2 N
Rys. 8.3.20. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr = 192,9 N, σ = 5,2 N.
114
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT X
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
Fśr = 219,4 N; σ = 5,1 N
Rys. 8.3.21. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr = 219,4 N; σ = 5,1 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 2 SCHEMAT X
λ = 2,25 V = 1,0 m/s
Fśr = 349,1 N; σ = 25 N
Rys. 8.3.22. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=1 m/s, Fśr = 349,1 N, σ = 25 N.
115
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
NFśr = 323,8 N; σ = 15 N
1 2 SCHEMAT X
λ = 2,25 V = 1,0 m/s
Rys. 8.3.23. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=1 m/s, Fśr = 323,8 N, σ = 15 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
Fśr = 396,5 N; σ = 3,2 N
1 2 SCHEMAT X
λ = 2,25 V = 0,3 m/s
Rys. 8.3.24. Przebieg siły podczas tradycyjnego procesu ciągnienia bez udziału wzdłużnych i
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr = 396,5 N, σ = 3,2 N. Zrywa
się drut.
116
8.4. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów XI-XII.
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas [s]
Siła
cią
gnie
nia
[N]
a
b
c
Fśr = 25,2 N; σ = 20,4
Fśr = 272,9 N; σ = 10,7 N
Fśr = 498,9 N; σ = 25,3 N
λ = 1,3 V = 0,2 m/s
SCHEMAT XI21
Rys. 8.4.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem prostopadłych i
wzdłużnych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,3, Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami
wzdłużnymi i prostopadłymi: Fśr = 25,2 N, σ = 20,4 N; b) ciągnienie z ultradźwiękami
prostopadłymi: Fśr = 272,9 N, σ = 10,7 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 498,9 N, σ
= 25,3 N.
117
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12Czas [s]
Siła
cią
gnie
nia
[N]
a
b
c
Fśr = 82,5 N; σ = 6,6 N
Fśr = 115 N; σ = 12,1 N
Fśr = 254,8 N; σ = 11 N
λ = 1,3 V = 0,2 m/s
SCHEMAT XI21
Rys. 8.4.2. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych
drgań ultradźwiękowych: λ = 1,3, Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami wzdłużnymi i
prostopadłymi: Fśr = 82,5 N, σ = 6,6 N; b) ciągnienie z ultradźwiękami prostopadłymi: Fśr =
115 N, σ = 12,1 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 254,8 N, σ = 11 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
Fśr = 346,2 N; σ = 17,9 N
1 2 SCHEMAT XII
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Rys. 8.4.3. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych
drgań ultradźwiękowych: λ =1,85, V=0,3 m/s, Fśr = 346,2 N, σ = 17,9 N.
118
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
a bFśr = 421,1 N; σ = 7,9 N
Fśr = 361,3 N; σ = 9,2 N
1 2 SCHEMAT XII
λ = 1,85 V = 0,3 m/s
Rys. 8.4.4. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych
drgań ultradźwiękowych: λ =1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr =
361,3 N, σ = 9,2 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 421,1 N, σ = 7,9 N.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4 5 6Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
Fśr = 447,3 N; σ = 8,4 N 1 2 SCHEMAT XII
λ = 1,85 V = 1,0 m/s
Rys. 8.4.5. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych
drgań ultradźwiękowych: λ =1,85, V=1 m/s, Fśr = 447,3 N, σ = 8,4 N. Po wyłączeniu
ultradźwięków od razu zerwało drut.
119
8.5. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIII.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT XIII
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 133,2 N; σ = 100,5 N
Rys. 8.5.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 133,2 N, σ = 100,5 N.
Proces nieustabilizowany.
120
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT XIII
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 456,7 N; σ = 32,1 N
Rys. 8.5.2. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 456,7 N, σ = 32,1 N.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT XIII
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 520,6 N; σ = 59,6 N
Rys. 8.5.3. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 520,6 N, σ = 59,6 N.
121
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT XIII
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 523,5 N; σ = 11,6 N
Rys. 8.5.4. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 523,5 N, σ = 11,6 N.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT XIII
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 491,4 N; σ = 31,9 N
Rys. 8.5.5. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 491,4 N, σ = 31,9 N.
122
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
1 SCHEMAT XIII
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
Fśr = 447,2 N; σ = 13,6 N
Rys. 8.5.6. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem
prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 447,2 N, σ = 13,6 N.
8.6. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIV.
123
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120Czas, s
Siła
cią
gnie
nia,
N
ab
c
Fśr = 1450,9 N; σ = 54,4 N
Fśr = 1602,6 N; σ = 27,1 NFśr = 1739,9 N; σ = 245,2 N
λ = 1,3 V = 0,3 m/s
SCHEMAT XIV1
Rys. 8.6.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia drutu ze stali austenitycznej z
zastosowaniem wzdłużnych drgań ultradźwiękowych; λ =1,3, V=0,3 m/s. Na początku
stabilizacja procesu, po 70 sekundach wyłączenie drgań ultradźwiękowych, następnie przy 95
sekundzie powtórne włączenie drgań ultradźwiękowych. Przebieg a) Fśr = 1739,9 N, σ =
245,2 N; przebieg b) Fśr = 1602,6 N, σ = 27,1 N; przebieg c) Fśr = 1450,9 N, σ = 54,4 N.
8.7. Pomiar temperatury powierzchni drutu.
Wykonano pomiar temperatury pirometrem oraz termoparą stykową, 10 mm za ciągadłem na
powierzchni przeciągniętego drutu. Temperatura drutu przed ciągnieniem wynosiła około 21
C. Pomiar wykonano dla procesu ciągnienia przez ciągadło dzielone drgające prostopadle do
osi drutu. Współczynnik wydłużenia wynosił 1,85. Wyniki pomiarów temperatury zestawiono
w Tabeli. 8.7.1.
124
Tabela 8.7.1. Porównanie temperatury na powierzchni drutu ciągnionego z zastosowaniem
drgań ultradźwiękowych oraz w tradycyjnym procesie ciągnienia według schematu III.
V, m/s TUD, ºC TbUD, ºC
0,3 22,6 21,6
0,7 22,5 21,1
1 21,7 21,5
2 21,7 21,7
8.8. Wyniki otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania drutów.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.1. Wykres rozciągania aluminium przy zastosowaniu wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
125
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.2. Wykres rozciągania aluminium przy zastosowaniu wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.3. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
126
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.4. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.5. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
127
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.6. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.7. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
128
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.8. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.9. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
129
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.10. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.11. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
130
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys.8.8.12. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych.
Na Rys. 8.8.13 pokazano zestawienie wszystkich prób rozciągania z zastosowaniem
ultradźwięku na ciągarce bębnowej. Przebiegi siły dla drutów zrywanych z ultradźwiękiem
oznaczono kolorem czerwonym oraz dla drutów zrywanych bez ultradźwięku oznaczono
kolorem granatowym.
131
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Czas, s
Siła
rozc
iąga
nia,
N
Rys. 8.8.13. Wykresy rozciągania dla drutów aluminiowych zrywanych na ciągarce bębnowej
z ultradźwiękami (kolor czerwony) oraz bez ultradźwięków (kolor granatowy).
W tabeli 8.8.1. zestawiono przykładowe wartości wydłużenia drutów otrzymanych w próbie
zrywania na ciągarce bębnowej.
Tabela 8.8.1. Zmiana własności wytrzymałościowych drutów zrywanych z zastosowaniem
drgań ultradźwiękowych oraz sposobem tradycyjnym.
S0, mm2
Sposób rozciągania Fe, N Re, MPa Fm, N Rm, MPa
204 28,7 492 69,3 300 42,3 531 74,8 188 26,5 518 72,9 252 35,5 507 71,4 216 30,4 507 71,4 268 37,7 505 71,1
z ultradźwiękiem
172 24,2 492 69,3 368 51,8 522 73,5 248 34,9 523 73,7 208 29,3 527 74,2 256 36,1 534 75,2
7,1
bez ultradźwięku
220 30,9 482 67,9
132
Tabela 8.8.2. Wydłużenie drutów zrywanych z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych oraz
sposobem tradycyjnym.
Sposób rozciągania L0, mm LU, mm Aw, %
z ultradźwiękiem 495 610 19
z ultradźwiękiem 496 598 17
bez ultradźwięku 496 630 21
bez ultradźwięku 494 632 22
8.9. Własności mechaniczne i mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia.
Do badań własności wytrzymałościowych w próbie jednoosiowego rozciągania na
maszynie wytrzymałościowej wytypowano druty ciągnione z zastosowaniem ultradźwięku
oraz bez zastosowania ultradźwięku w procesie ciągnienia z różnymi prędkościami. Wybrano
dla porównania druty ciągnione według różnych schematów ciągnienia: I, III, V oraz IX.
Zastosowano dwie różne prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej 60 mm/min przy
bazie próbki 100 mm oraz 250 mm/min przy bazie próbki równej 250 mm. W tabeli 8.9.1.
zamieszczono wyniki badań z próby rozciągania dla próbek o bazie pomiarowej 100 mm.
133
Tabela. 8.9.1 Własności wytrzymałościowe próbek z różnych schematów (sposobów) procesu
ciągnienia otrzymanych w jednoosiowej próbie rozciągania (próbki o bazie 100 mm, prędkość
trawersy 60 mm/min, pierwsza prędkość do pomiaru Rp0,2 wynosiła 10 mm/min).
W tabeli 8.9.2 zamieszczono wyniki badań z próby rozciągania dla próbek o bazie
pomiarowej 250 mm.
Tabela. 8.9.2. Własności wytrzymałościowe próbek z różnych schematów (sposobów)
procesu ciągnienia otrzymanych w jednoosiowej próbie rozciągania (próbki o bazie 250 mm,
prędkość trawersy 250 mm/min).
Na rysunkach od 8.9.1 – 8.9.7 pokazano sposób wyznaczania umownej granicy plastyczności
drutów dla prób rozciągania według tabeli 8.9.2.
Schemat λ Rp0,2, MPa Rm, MPa A100, %
I bez UD 1,3 61,39 75,24 25
I z UD 1,3 56,29 72,59 30
III z UD 1,85 75,53 87,14 5
III bez UD 1,85 76,41 85,13 5
V z UD 1,3 88,84 95,96 5
V bez UD 1,3 84,69 96,06 8
IX z UD 1,85 78,37 90,82 6
IX bez UD 1,85 72,66 91,69 5,5
Schemat λ V, m/s Rp0,2, MPa Rm, MPa A250, %
III z UD 1,85 1,5 85,5 93 2,3
VI z UD 1,85 1,5 99,5 110 1
VI bez UD 1,85 1,5 101 110 1
VIII z UD 1,69 0,3 75 91,5 4
VIII bez UD 1,69 0,3 75 92 4
IX z UD 1,85 1 88 97 3,2
IX bez UD 1,85 1 83 95 2,2
134
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
Pa
0,2
Rp0,2 = 88 Mpa
Rys.8.9.1. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu IX z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych (ciągadło monolityczne drgające wzdłużnie oraz ciągadło dzielone
drgające prostopadle do osi drutu).
0
20
40
60
80
100
120
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
Pa
Rp0,2 = 83 Mpa
0,2
Rys.8.9.2 Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu IX (bez zastosowania drgań
ultradźwiękowych).
135
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5
Odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
Pa
0,2
Rp0,2 = 99,5 Mpa
Rys.8.9.3. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VI (wzdłużne drgania ciągadła
monolitycznego).
0
20
40
60
80
100
120
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
Pa
Rp0,2 = 101 Mpa
Rys.8.9.4. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VI (bez zastosowania wzdłużnych
drgań ciągadła monolitycznego).
136
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5
odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
PaRp0,2 = 75 Mpa
0,2
Rys.8.9.5. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VIII (z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5
odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
Pa
Rp0,2 = 75 Mpa
0,2
Rys.8.9.6. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VIII (bez zastosowania drgań
ultradźwiękowych).
137
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,5 1 1,5 2 2,5
odkształcenie, %
Nap
rężenie, M
PaRp0,2 = 85,5 Mpa
0,2
Rys.8.9.7. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą
graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu III (z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych).
W celu ustalenia czy aluminium 1050 jest materiałem wrażliwym na prędkość
odkształcenia wykonano próbę rozciągania na maszynie wytrzymałościowej drutu o średnicy
3 mm w stanie wyjściowym z różnymi prędkościami trawersy maszyny wytrzymałościowej.
Baza próbki wynosiła 100 mm. Wyniki pomiarów zamieszczono w Tabeli 8.9.3. Następnie
wykonano próby rozciągania aluminium o średnicy 3 mm w stanie wyjściowym przy
prędkości trawersy równej 60 mm/min. Zmieniano bazę próbki w zakresie od 100 do 400
mm. Wyniki pomiarów zamieszczono w Tabeli 8.9.4.
Tabela 8.9.3. Wpływ prędkości rozciągania na własności mechaniczne drutu aluminiowego
(drut w stanie wyjściowym o średnicy 3,0 mm, baza próbki 100 mm).
Lp V trawersy,
mm/min
Rp0,2,
MPa
Rm,
MPa
A100,
%
1 0,5 28,32 70,47 37
2 20 35,53 72,27 39
3 60 37,15 74,35 39
4 120 43,39 75,31 36
138
Tabela 8.9.4. Wpływ długości bazy pomiarowej na własności mechaniczne drutu
aluminiowego (drut w stanie wyjściowym o średnicy 3 mm, prędkość trawersy 60 mm/min).
Lp Baza, mm Rp0,2,
MPa
Rm,
MPa
A,
%
1 100 18,49 76,16 42
2 200 33,16 73,15 37,5
3 200 33,08 73 35
4 300 28,64 73,05 43
5 400 35,64 73,08 31,7
Do badań mikrostruktury wytypowano druty aluminiowe ciągnione z zastosowaniem
ultradźwięku oraz bez zastosowania ultradźwięku w procesie ciągnienia. Wykonano zgłady
metalograficzne, wytrawiono je a następnie poddano obserwacjom mikroskopowym przy
różnych powiększeniach. Na Rys. 8.9.8 – 8.9.10 zamieszczono zdjęcia mikrostruktur drutów
po ciągnieniu z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych (a) oraz bez zastosowania
ultradźwięków (b).
(a) (b)
Rys. 8.9.8. Mikrostruktura drutu ciągnionego według schematu I, 100 µm:
(a) – z ultradźwiękami prostopadłymi do osi drutu, (b) – bez ultradźwięków.
139
(a) (b)
Rys. 8.9.9. Mikrostruktura drutu ciągnionego według schematu III, 200 µm:
(a) – z ultradźwiękami prostopadłymi do osi drutu, (b) – bez ultradźwięków.
(a) (b)
Rys. 8.9.10. Mikrostruktura drutu ciągnionego według schematu III, 50 µm:
(a) – z ultradźwiękami prostopadłymi do osi drutu, (b) – bez ultradźwięków.
8.10. Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia. Ocena powierzchni drutów oraz wymiary wyrobu gotowego ciągnionego z zastosowaniem
wzdłużnych drgań ciągadła były zadowalające. Natomiast podczas ciągnienia drutu z
zastosowaniem ultradźwiękowych drgań ciągadła dzielonego pojawiała się wypływa po obu
stronach wyrobu gotowego. Na Rys 8.10.1 pokazano drut z wypływką po ciągnieniu z
ultradźwiękiem przez ciągadło dzielone.
140
Rys. 8.10.1. Drut z wypływką po procesie ciągnienia przez ciągadło dzielone.
9. Analiza wyników badań. Schemat I:
Zamieszczone na rysunkach od 8.1.1-8.1.10. przebiegi siły ciągnienia z
zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi drutu wskazują na realne zjawisko
zmniejszenia siły ciągnienia podczas tego procesu. Każdorazowo po wyłączeniu drgań
ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla ciągnienia według schematu I (λ = 1,3)
otrzymano największy spadek siły z około 240 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków
na około 40 N, podczas, gdy zastosowano drgania prostopadłe do osi drutu. Wynik taki
otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,06 m/s. Średni procentowy spadek siły
ciągnienia wyniósł odpowiednio 81,4% dla prędkości 0,3 m/s; 69,22 % dla prędkości 1 m/s;
43,69 % dla prędkości 1,5 m/s oraz 27,7 % dla prędkości 2 m/s. Na Rys. 9.1 pokazano
zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu I.
141
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT I
Rys.9.1. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu I.
Schemat II:
Zamieszczone na rysunkach od 8.1.11-8.1.13 przebiegi siły ciągnienia z
zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi drutu pokazują zmniejszenie siły
ciągnienia podczas tego procesu. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła
ciągnienia wzrasta. Dla ciągnienia według schematu II (λ = 1,69) otrzymano największy
spadek siły z około 224 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 73 N,
podczas, gdy zastosowano drgania prostopadłe do osi drutu. Średni procentowy spadek siły
ciągnienia wyniósł 67,5 %. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.
Spadek siły ciągnienia rzędu 52,5 % otrzymano dla prędkości 1 m/s oraz 49,7 % dla
prędkości 1,5 m/s. Na Rys. 9.2 pokazano zależność procentowego spadku siły ciągnienia od
prędkości ciągnienia dla schematu II.
142
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT II
Rys.9.2. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu II.
Schemat III:
Dla schematu III (Rys. 8.1.14-8.1.17) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły
ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi drutu. Każdorazowo po
wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla ciągnienia według schematu
III (λ = 1,85) otrzymano największy spadek siły z około 264 N w procesie bez zastosowania
ultradźwięków na około 100 N, podczas, gdy zastosowano drgania prostopadłe do osi drutu.
Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s. Średni procentowy spadek
siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 61,97 % dla prędkości 0,3 m/s; 45,82 % dla prędkości 1
m/s; 42,30 % dla prędkości 1,5 m/s; 33,69 % dla prędkości 2 m/s. Na Rys. 9.3 pokazano
zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu III.
143
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT III
Rys.9.3. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu III.
Schemat IV:
Dla schematu IV (Rys. 8.1.18-8.1.22) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły
ciągnienia. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla
ciągnienia według schematu IV (λ = 2,25) otrzymano największy spadek siły z około 363 N w
procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 108 N, podczas, gdy zastosowano drgania
prostopadłe do osi drutu. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.
Przy prędkości 0,3 m/s w schemacie IV otrzymano większy procentowy spadek siły niż w
schemacie II i III gdzie współczynnik wydłużenia był mniejszy od tego w schemacie IV.
Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 70,37 % dla prędkości 0,3
m/s; 47,97 % dla prędkości 1 m/s; 14,78 % dla prędkości 1,5 m/s; Siła ciągnienia przy
prędkości 2 m/s podczas włączonych drgań ultradźwiękowych wynosi około 457 N. Dla
prędkości 2 m/s drut zrywa się natychmiast po wyłączeniu ultradźwięków. Na rysunku 9.4
pokazano zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla
schematu IV.
144
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT IV
Rys.9.4. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu IV.
Schemat V:
Zamieszczone na rysunkach od 8.2.1-8.2.3 przebiegi siły ciągnienia z zastosowaniem
wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły ciągnienia podczas tego procesu. Dla
ciągnienia według schematu V (λ = 1,3) otrzymano największy spadek siły z około 253 N w
procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 174 N, podczas, gdy zastosowano drgania
wzdłużne do osi drutu. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.
Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 31,1 % dla prędkości 0,3 m/s;
14,23 % dla prędkości 1 m/s; 5,23 % dla prędkości 1,5 m/s. Na Rys. 9.5 pokazano zależność
procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu V.
145
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT V
Rys.9.5. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu V.
Schemat VI:
Zamieszczone na rysunkach od 8.2.4-8.2.14 przebiegi siły ciągnienia z zastosowaniem
wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły ciągnienia podczas tego procesu. Dla
ciągnienia według schematu VI (λ = 1,85) otrzymano największy spadek siły z około 352 N w
procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 292 N, podczas, gdy zastosowano drgania
wzdłużne do osi drutu. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.
Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 17,25 % dla prędkości 0,3
m/s; 8,3 % dla prędkości 1 m/s; 4,6 % dla prędkości 1,5 m/; 4,7 % dla prędkości 2 m/s. Na
Rys. 9.6 pokazano zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia
dla schematu VI.
146
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT VI
Rys.9.6. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu VI.
Schemat VII:
Na rysunkach od 8.2.15-8.2.16 zamieszczono przebiegi siły ciągnienia z
zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła dla schematu VII (λ = 2,25). Proces z
ultradźwiękiem udało się przeprowadzić tylko przez krótki okres czasu dla najmniejszej
prędkości równej 0,3 m/s. Każdorazowo podczas próby drut zrywał się.
Schemat VIII:
Dla schematu VIII (Rys. 8.3.1-8.3.12) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły
ciągnienia. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla
ciągnienia według schematu VIII (λ = 1,69) otrzymano największy spadek siły z około 342 N
w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 199 N, podczas, gdy zastosowano
drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.
Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 41,81 % dla prędkości 0,3
m/s; 19,6 % dla prędkości 1 m/s; 15,4 % dla prędkości 1,5 m/s. Dla prędkości 2 m/s proces
147
nie był możliwy do zrealizowania, ponieważ zrywał się drut. Na Rys. 9.7 pokazano zależność
procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu VIII.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT VIII
Rys.9.7. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu VIII.
Schemat IX:
Dla schematu IX (Rys. 8.3.13-8.3.19) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły
ciągnienia. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla
ciągnienia według schematu IX (λ = 1,85) otrzymano największy spadek siły z około 373 N w
procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 166 N, podczas, gdy zastosowano drgania
ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s. Średni
procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 55,6 % dla prędkości 0,3 m/s; 28,2
% dla prędkości 1 m/s; 22,4 % dla prędkości 1,5 m/s. Sugerując się tym, że w poprzednim
schemacie VIII proces przy prędkości 2 m/s nie był możliwy do zrealizowania, ponieważ
zrywał się drut, nie wykonano badań w przypadku schematu IX dla prędkości 2 m/s. W
schemacie IX otrzymano większy procentowy spadek siły niż w schemacie VIII gdzie
współczynnik wydłużenia był mniejszy od tego w schemacie IX. Na Rys. 9.8 pokazano
zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu IX.
148
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT IX
Rys.9.8. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu
ciągnienia według schematu IX.
Schemat X:
Zamieszczone na rysunkach od 8.3.20-8.3.24 przebiegi siły ciągnienia z
zastosowaniem wzdłużnych oraz prostopadłych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły
ciągnienia podczas tego procesu. Dla ciągnienia według schematu X (λ = 2,25) otrzymano
największy spadek siły z około 396 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około
193 N, podczas, gdy zastosowano drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla
najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s. Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł
51,35 % dla prędkości 0,3 m/s. Proces bez zastosowania drgań ultradźwiękowych udało się
przeprowadzić jedynie przy prędkości 0,3 m/s. Dla prędkości 1,5 m/s oraz 2 m/s proces nie
był możliwy do zrealizowania, ponieważ zrywał się drut nawet przy zastosowaniu w procesie
ciągnienia drgań ultradźwiękowych.
149
Schemat XI:
Zamieszczone na rysunkach od 8.4.1 – 8.4.2 przebiegi siły ciągnienia z
zastosowaniem prostopadłych oraz wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły
ciągnienia podczas tego procesu. Dla ciągnienia według schematu XI (λ = 1,3) otrzymano
największy spadek siły z około 255 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około
83 N, podczas, gdy zastosowano drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla
prędkości równej 0,2 m/s. Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł 67,5 % dla
prędkości 0,2 m/s. Wystąpiły trudności z ustabilizowaniem procesu, dlatego w przypadku
schematu XI zastosowano tylko jedną, najmniejszą prędkość ciągnienia.
Schemat XII:
Zamieszczone na rysunkach od 8.4.3 – 8.4.5 przebiegi siły ciągnienia z
zastosowaniem prostopadłych oraz wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły
ciągnienia podczas tego procesu. Dla ciągnienia według schematu XII (λ = 1,85) otrzymano
największy spadek siły z około 421 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około
361 N, podczas, gdy zastosowano drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla
prędkości równej 0,3 m/s. Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł 14,2 % dla
prędkości 0,3 m/s. Po stabilizacji procesu podjęto próbę zastosowania większej prędkości
ciągnienia. Przy prędkości 1 m/s po wyłączeniu ultradźwięków drut od razu jest zrywany.
W tablicy 9.1 zestawiono wartości sił oraz procentowe spadki siły ciągnienia dla
różnych schematów ciągnienia. Na podstawie danych z tablicy 9.1 sporządzono rysunek
zbiorczy (Rys. 9.9), na którym przedstawiono zależność procentowego spadku siły od
prędkości ciągnienia dla wszystkich schematów ciągnienia, w których udało się zastosować,
co najmniej trzy różne prędkości ciągnienia.
150
Tablica 9.1. Średni procentowy spadek siły ciągnienia dla różnych prędkości ciągnienia
(schematy ciągnienia I-IX)
Schemat ciągnienia
Średnia siła
ciągnienia
Fśr z UD, N
Średnia siła
ciągnienia
Fśr bez UD, N
Prędkość
ciągnienia
V, m/s
Spadek siły
ciągnienia,
%
29,8 159,9 0,3 81,4 93,9 305 1,0 69,2 179,9 319,4 1,5 43,7
SCHEMAT I
214 296 2,0 27,7 72,9 224,3 0,3 67,5 191 402 1,0 52,5
SCHEMAT II
222,3 442 1,5 49,7 100 263,1 0,3 61,9 157 290 1,0 45,8 199 344,7 1,5 42,3
SCHEMAT III
246,6 371 2,0 33,7 107,7 363,5 0,3 70,4 258,9 497,5 1,0 47,9 SCHEMAT IV 418,1 490,5 1,5 14,8 174,4 253 0,3 31,1 219,7 256,2 1,0 14,2 SCHEMAT V 253,4 267,3 1,5 5,2 291,8 352,6 0,3 17,3 342 373,5 1,0 8,3
351,8 368,4 1,5 4,6 SCHEMAT VI
361,5 379,6 2,0 4,7 199,3 342,5 0,3 41,8 352,6 438,9 1,0 19,6 SCHEMAT VIII 387,3 457,7 1,5 15,4 210,3 354,4 0,3 40,6 261,8 364,8 1,0 28,2 SCHEMAT IX 302,4 389,8 1,5 22,4
151
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s
Spad
ek s
iły c
iągn
ieni
a, %
SCHEMAT I SCHEMAT II SCHEMAT III SCHEMAT IV SCHEMAT V SCHEMAT VI SCHEMAT VIII SCHEMAT IX
SCHEMAT I, II, III, IV SCHEMAT V, VI
SCHEMAT VIII, IX
Rys.9.9. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia. Porównanie schematów
ciągnienia I-VI, VIII oraz IX.
Schemat XIII:
Analizując rysunki (Rys. 8.5.1-8.5.6) dotyczące procesu ciągnienia stali austenitycznej
według schematu XIII (λ = 1,3) można stwierdzić, że w początkowym czasie eksperymentu
były znaczące problemy z ustabilizowaniem się procesu ciągnienia z ultradźwiękiem. Proces
ciągnienia przeprowadzano z prędkością 0,3 m/s. Siła ciągnienia z ultradźwiękiem wahała się
w przedziale od 457 N do 524 N. Ze względu na obawę uszkodzenia generatora, który był
przeciążony oraz przetwornika ultradźwiękowego wraz z zamontowanym ciągadłem
dzielonym nie wyłączono drgań ultradźwiękowych podczas tego procesu.
Schemat XIV:
Analizując wykres (Rys. 8.6.1) dotyczący procesu ciągnienia stali austenitycznej
według schematu XIV (λ = 1,3) można stwierdzić, że drgania ultradźwiękowe powodują
obniżenie siły ciągnienia. Proces ciągnienia przeprowadzano z prędkością 0,3 m/s. Na
początku proces ciągnienia z ultradźwiękiem stabilizował się. Średnia siła ciągnienia z
ultradźwiękiem wzdłużnym w okresie stabilizacji procesu wynosiła około 1740 N, po
152
wyłączeniu drgań (70 sekunda procesu) średnia siła wynosiła około 1603 N, następnie
włączono drgania ultradźwiękowe (95 sekunda procesu) i otrzymano średnią wartość siły
ciągnienia około 1451 N. Spadek siły podczas fragmentu ustabilizowanego procesu wyniósł
około 9,5 %. Ze względu na obawę uszkodzenia generatora, który ulegał przeciążeniom nie
zdołano powtórzyć próby.
Porównując średnią wartość siły (488 N) podczas ciągnienia stali według schematu
XIII z zastosowaniem prostopadłych drgań ciągadła, z wartością siły (1451 N) ze schematu
XIV z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła w procesie widzimy znaczącą różnicę.
Zakładając wartość siły bez włączonych drgań ultradźwiękowych ze schematu XIV i
wprowadzając ją do wzoru na obliczenie procentowego spadku siły dla schematu XIII
otrzymalibyśmy 70% spadek siły ciągnienia w przypadku zastosowania prostopadłych drgań
ciągadła dzielonego do procesu „ciągnienia - obkuwania” stali. Podczas ciągnienia stali
według schematów XIII i XIV wystąpiły problemy technologiczne z ustabilizowaniem
procesu związane z wychylaniem się koncentratora drgań w kierunku działania siły
ciągnienia.
Analiza pozostałych wyników badań:
W celu sprawdzenia temperatury na powierzchni drutu za ciągadłem wykonano
zdjęcia termowizyjne, kamerą Therma Cam S60 firmy FLIR. Z powodu dużej refleksyjności
powierzchni drutu za ciągadłem oraz kształtu kołowego drutu (powierzchnia nie była
ustawiona prostopadle do kamery) nie udało się ustawić jednej wartości emisyjności dla
materiału drutu na jego obwodzie. Spowodowało to, że wyniki pomiarów za pomocą kamery
termowizyjnej były niezadowalające. Analizując pozostałe wyniki badań można powiedzieć,
że nie ulega zmianie temperatura powierzchni drutu poddanego działaniu drgań
ultradźwiękowych w procesie ciągnienia zmierzona za pomocą pirometru, który był
ustawiony prostopadle do powierzchni drutu.
Nie odnotowano znaczącej zmiany fizycznej granicy plastyczności oraz
wytrzymałości na rozciąganie, podczas próby rozciągania drutu aluminiowego na ciągarce
bębnowej. Z wykonanych obliczeń Re i Rm (Rys. 8.8.1 – 8.8.12) nie wynika, aby wartość siły
różniła się istotnie w procesie z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Próba rozciągania
na ciągarce bębnowej nie była wykonywana zgodnie z normami, ponieważ prędkość wynosiła
0,06 m/s, co znacznie przekracza wartość prędkości rozciągania opisanej w normach. Próba ta
była trudna do przeprowadzenia, ze względu na mocowanie drutu śrubami w szczęce
153
wkręcanej do koncentratora drgań. Mocowanie to nie mogło być za mocne, gdyż w takim
przypadku drut ulegał zerwaniu w szczęce. Nie mogło być ono także za słabe, ponieważ
szczególnie podczas procesu z nałożeniem drgań ultradźwiękowych następowało
wyślizgiwanie się drutu z mocowania, o czym świadczą poszarpane przebiegi siły na
rysunkach. Trudnym do ustawienia parametrem procesu okazała się również prędkość, która
była ustawiana ręcznie. Nie we wszystkich próbach była ona identyczna, co nie stanowiłoby
oczywiście problemu w przypadku wykonywania eksperymentu na precyzyjnym urządzeniu
do rozciągania, jakim jest maszyna wytrzymałościowa. Pomiary wydłużenia wskazują na to,
że ultradźwięki powodują większe umocnienie aluminium, o czym świadczy mniejsze
wydłużenie w porównaniu z drutami zrywanymi bez ultradźwięków. Należałoby jednak
powtórzyć pomiary wydłużenia przy zachowaniu stałej prędkości rozciągania oraz
identycznej długości bazy próbki.
Porównując własności wytrzymałościowe wyrobów gotowych ciągnionych z
ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku (Tabela 8.9.1 – 8.9.2. oraz Rys. 8.9.1 – 8.9.7) można
powiedzieć, że nie odnotowano znaczących różnic na podstawie przeprowadzonych badań w
próbie rozciągania na maszynie wytrzymałościowej. Na Rys. 9.10 pokazano zależność Rm od
prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej. Wraz ze wzrostem prędkości trawersy
wytrzymałość na rozciąganie nieznacznie wzrasta. Na Rys. 9.11 pokazano zmianę Rm oraz
Rp0,2 w zależności od długości bazy pomiarowej próbki.
154
70
71
72
73
74
75
76
0 20 40 60 80 100 120 140Prędkość trawersy, mm/min
Rm
, MPa
Rys. 9.10. Zmiana wytrzymałości na rozciąganie w zależności od prędkości trawersy
maszyny wytrzymałościowej. Próbki w stanie surowym o średnicy 3,0 mm, baza próbki 100
mm.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450Baza próbki, mm
Wła
snoś
ci w
ytrz
ymał
ości
owe,
MPa
Rm R0,2
Rys 9.11. Zależność własności od długości bazy próbki. Drut w stanie wyjściowym o
średnicy 3 mm. Prędkość trawersy 60 mm/min.
155
Badania mikrostruktury również nie wskazują istotnych różnic porównując
mikrostrukturę drutów ciągnionych z ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku.
Na uwagę zasługuje zjawisko pogorszenia się jakości powierzchni drutów
ciągnionych przez ciągadło dzielone. Pojawiająca się wypływa zależy od prędkości
ciągnienia. Im większa jest prędkość procesu tym mniejsza jest wypływa w przypadku
ciągnienia z ultradźwiękiem jak również w procesie tradycyjnego ciągnienia. Proces taki musi
zostać udoskonalony, aby mógł być wdrożony jako technologia przemysłowa, ponieważ
wyrób gotowy na etapie badań laboratoryjnych nie nadaje się do zastosowania praktycznego
ze względu na niekorzystne zjawisko wypływki.
Przeprowadzono również badania tensometryczne, które miały na celu pomiar
rzeczywistego naprężenia ciągnienia. Stosunek rzeczywistego naprężenia (maksymalnej jego
wartości) do granicy plastyczności materiału informuje nas o możliwości realizacji danego
współczynnika wydłużenia. Pomiar przeprowadzono za pomocą tensometrów jednorazowego
użytku firmy Hottinger o bazie pomiarowej 3 mm naklejanych na drucie. Nie udało się w
sposób zadowalający przeprowadzić pomiarów tensometrycznych rzeczywistego naprężenia
ciągnienia. Wyniki eksperymentu nie pozwoliły na sformułowanie prawidłowości i
wyciągnięcie jednoznacznych wniosków.
Aby dokonać oceny wpływy drgań na parametr procesu ciągnienia, jakim jest zmiana
współczynnika tarcia w stożku ciągadła zaproponowano następujące rozwiązanie. W celu
obliczenia współczynnika tarcia planowano wykorzystać metodę ciągadła dzielonego według
koncepcji Pawelskiego, która została między innymi opisana przez autorów prac [6, 47].
Metoda ta polega na przeciągnięciu drutu przez ciągadło podzielone płaszczyzną
przechodzącą przez oś. W przypadku badań dotyczących tej rozprawy mierzono siłę
ciągnienia oraz siłę rozpierającą ciągadło podczas procesu z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych jak i po ich wyłączeniu. Do pomiaru siły rozpierającej ciągadło służył
czujnik piezoelektryczny sprowadzony z USA o nazwie Force Sensor, ICP, model 201B03.
Został on umieszczony w specjalnej obejmie pod dolną połówką ciągadła dzielonego. Z
przeprowadzonych badań nie otrzymano satysfakcjonujących wyników, które nadawałyby się
do jednoznacznej interpretacji. Przypuszcza się, że było to spowodowane uszkodzeniem
czujnika, podczas, gdy nastąpiło ułamanie gwintu ciągadła dzielonego zamontowanego w
koncentratorze drgań w czasie trwania początkowych eksperymentów.
156
10. Podsumowanie.
W pracy wykonano szereg badań polegających na ciągnieniu drutów według różnych
schematów ciągnienia. Podczas procesu włączano i wyłączano drgania ultradźwiękowe.
Pomiary siły ciągnienia wskazują każdorazowo na spadek wartości siły w momencie
włączenia drgań ultradźwiękowych.
W celu zrozumienia oraz wyjaśnienia zjawiska dotyczącego spadku siły ciągnienia
podczas ultradźwiękowego procesu ciągnienia przeprowadzono analizę procesu ciągnienia
przez ciągadło monolityczne drgające wzdłużnie do osi drutu oraz ciągadło dzielone
drgające prostopadle do osi drutu. Podsumowując rozważania teoretyczne można krótko
scharakteryzować oba te procesy.
Ciągadło drgające wzdłużnie porusza się ruchem harmonicznym na przemian: zgodni ze
zwrotem siły ciągnienia oraz przeciwnie do tego zwrotu. Podczas gdy ciągadło
przemieszcza się przeciwnie do działającej na materiał siły wykonuje ono pracę
odkształcenia z innego źródła energii. Minimalizujemy w ten sposób efekty
bezpośredniego przyłożenia siły do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego
ciągnienia. Natomiast, gdy przemieszcza się zgodnie ze zwrotem siły ciągnienia powoduje
odciążenie siły ciągnienia w ćwiartce I oraz IV. Efekt pozytywnego wpływu
ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od prędkości
ciągnienia i współczynnika wydłużenia. Głębsza analiza relacji prędkość ciągnienia a
chwilowa prędkość drgającego ciągadła pozwala również na wyróżnienie w każdym
okresie ruchu drgającego relacji z aktywnym zwrotem sił tarcia. Proces taki można
określić terminem „ultradźwiękowego ciągnienia- ze wzdłużnym obkuwaniem materiału”.
Analogicznie można wytłumaczyć zjawiska zachodzące podczas ultradźwiękowego
ciągnienia drutu przez ciągadło dzielone drgające prostopadle do osi materiału. Drgając
ciągadło wykonuje pracę odkształcenia (II i III ćwiartka) z osobnego źródła energii,
poruszając się na przemian w górę i w dół. Dynamiczna siła uderzenia przyłożona jest za
pomocą narzędzia do ciągnionego materiału, co minimalizuje efekty bezpośredniego
przyłożenia siły do drutu. Przy odpowiednich założeniach dotyczących prędkości
ciągnienia następuje odciążenie siły ciągnienia dzięki ruchom ciągadła w I i IV ćwiartce
okresu drgań. Efekt pozytywnego wpływu ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy
również w tym przypadku głównie od prędkości ciągnienia i współczynnika wydłużenia.
Proces taki można określić terminem „ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” w
kierunku prostopadłym do osi ciągnionego materiału. W przeciwieństwie do procesu
157
„ciągnienia - ze wzdłużnym obkuwaniem materiału” w procesie „ciągnienia – obkuwania”
w kierunku prostopadłym do osi ciągnionego materiału zmienia się stan naprężenia i
odkształcenia na korzystniejszy – występuje przewaga składowych ściskających
promieniowych i obwodowych. Zmiana stanu naprężenia daje możliwość odkształcenia
materiałów o małej plastyczności oraz trudnoodkształcalnych. Analiza procesu
„ciągnienie – obkuwanie” w kierunku prostopadłym do osi drutu poprzez zmianę
schematu naprężenia i odkształcenia stwarza możliwości zminimalizowania siły
ciągnienia w skrajnym przypadku do minimalnej wartości, kiedy to materiał będzie
jedynie podawany przez bęben ciągarki do kotliny odkształcenia. Spadek siły ciągnienia
można tłumaczyć superpozycją naprężenia ciągnienia oraz naprężeń ściskających
pochodzących od pulsacji połówki ciągadła dzielonego. W tym przypadku druga połówka
ciągadła pełni rolę podobną do kowadła dolnego, bierze udział w procesie, ale w bierny
sposób. Układ dwóch połówek ciągadła można potraktować jako układ rezonansowy,
drgania przekazane przez dolną połówkę przechodzą do materiału, i w szczątkowych
ilościach do dolnej połówki i tam zanikają.
Materiał do odkształcenia potrzebuje w danej chwili stałą ilość energii. Źródło, z
którego materiał otrzymuje energię potrzebną do odkształcenia nie ma znaczenia, liczy się
jej odpowiednia ilość do zajścia nieodwracalnego procesu przeróbki plastycznej. Zjawisko
odkształcenia materiału w stożku ciągadła dzielonego można opisać jako bilans energii
działającej od dwóch sił: siły ciągnienia pochodzącej od ciągarki oraz siły uderzenia
połówki ciągadła dzielonego pochodzącej od drgań ultradźwiękowych. Przy założeniach
minimalnej prędkości i najmniejszego współczynnika wydłużenia największą pracę
odkształcenia wykonają drgania ultradźwiękowe, natomiast automatycznie zmniejszy się
udział siły ciągnienia, która nie będzie potrzebna do zajścia procesu. Sytuacja będzie się
zmieniać w zależności od parametrów procesu, udział siły ciągnienia w procesie będzie
się zwiększał wraz ze zmniejszeniem się udziału drgań ultradźwiękowych na jednostkę
objętości odkształcanego materiału. Należy nadmienić, że ilość energii dostarczanej do
materiału w czasie okresu drgań jest stała i tak jak już wspomniano zależy ściśle od
prędkości ciągnienia oraz od λ. Porównując procesy, gdy mamy do czynienia z większą
objętością materiału, co ma miejsce przy większych współczynnikach wydłużenia i taki
proces, w którym mamy mniejszy współczynnik wydłużenia i mniejszą objętość
materiału, można zauważyć (Tabela 5.2.1), że przy większym współczynniku wydłużenia
przy tej samej prędkości ciągnienia mamy więcej uderzeń połówki ciągadła. Wynika to
między innymi z mniejszej prędkości średniej przesuwu wsadu w dłuższej kotlinie
158
odkształcenia, co ma miejsce w przypadku większych λ. Nie przekłada się to jednak na
spadek siły ciągnienia, ponieważ tak jak wyżej wspomniano energia uderzenia jest taka
sama w obu przypadkach, ale objętość materiału różni się zasadniczo na niekorzyść
większych współczynników wydłużenia. Spadek siły ciągnienia jest na ogół większy w
przypadku zastosowania mniejszych współczynników wydłużenia podczas procesu
„ciągnienie – obkuwanie w kierunku prostopadłym do osi drutu. Istotne zagadnienie
stanowi zmiana sił tarcia w procesach ciągnienia z zastosowaniem drgań
ultradźwiękowych. W wielu pracach udowodniono zjawisko występowania aktywnych
oraz reaktywnych sił tarcia w procesie ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań
ultradźwiękowych. W przypadku zastosowania drgań prostopadłych do osi drutu nie
występują siły aktywne i reaktywne, zmienia się charakter sił tarcia z tarcia w procesie
ciągnienia na tarcie w procesie „obkuwania” wywołanego rytmiczną pulsacją narzędzia
powodującą oprócz odkształcenia chwilowe zmniejszenie styku na powierzchniach
trących.
Zmiana schematu stanu naprężenia w strefie odkształcenia w kierunku zwiększenia
udziału składowych ściskających naprężeń poprawia możliwość odkształcenia materiałów
trudnoodkształcalnych. Ze względu na zmiany stanu naprężenia w stożku ciągadła
dzielonego drgającego prostopadle do osi drutu konieczne jest przeprowadzenie badań
ciągnienia stali lub innego trudnoodkształcalnego metalu na szerszą skalę. W tym celu
koniecznością jest zastosowanie generatorów o znacznie wyższej mocy, zwiększenie
amplitudy drgań oraz użycie bardzo stabilnej konstrukcji mocującej w jednej osi
przetwornik wraz z ciągadłem dzielonym.
11. Wnioski.
1. Wpływ drgań ultradźwiękowych na spadek siły ciągnienia.
• udowodniono znaczące obniżenie siły ciągnienia podczas zastosowania prostopadłych
do osi drutu drgań ciągadła dzielonego,
• przy zastosowaniu drgań prostopadłych występuje spadek siły ciągnienia rzędu od 14–
80%.
• maksymalny spadek siły rzędu 80% następuje dla najmniejszych zastosowanych
prędkości ciągnienia oraz dla najmniejszego współczynnika wydłużenia,
159
• zaobserwowano większy spadek siły ciągnienia dla schematów ciągnienia przez
ciągadło dzielone niż w przypadku procesu ciągnienia polegającym na kombinacji
dwóch układów drgających równocześnie (Rys. 9.9)
• kombinacja dwóch układów drgający równocześnie powoduje natomiast większy
spadek siły w zależności od prędkości ciągnienia niż ciągnienie z zastosowaniem
samych drgań wzdłużnych.
• z przeprowadzonych badań wynika, że wyłączenie ultradźwięków wzdłużnych w
schematach typu tandem nie wpływa znacząco na zmianę siły. Drgania wzdłużne
pomagają w małym stopniu drganiom prostopadłym obniżyć siłę ciągnienia.
• w procesie ciągnienia stali z zastosowaniem drgań prostopadłych ciągadła dzielonego
(schemat XIII) uzyskano mniejszą wartość siły ciągnienia niż w procesie ciągnienia
stali z zastosowaniem drgań wzdłużnych (schemat XIV) ciągadła monolitycznego.
2. Wpływ parametrów procesu ciągnienia z ultradźwiękiem na spadek siły
ciągnienia.
• zasadniczy wpływ na spadek siły ciągnienia w procesie ultradźwiękowego ciągnienia
przez ciągadło dzielone odgrywa prędkość ciągnienia oraz współczynnik wydłużenia.
Związane jest to ścisle z ilością uderzeń połówki ciągadła w powierzchnię drutu
przechodzącego przez kotlinę odkształcenia,
• im większa prędkość tym mniejszy udział oddziaływania energii drgań (mniej uderzeń
połówki ciągadła dzielonego) i co za tym idzie mniejszy spadek siły ciągnienia,
• częstotliwość około 20 kHz odpowiada kilku do kilkuset pulsacjom ciągadła w czasie
przejścia punktu leżącego na powierzchni drut przemieszczającego się przez kotlinę
odkształcenia. Wielkość odkształcenia materiału ma wpływ na liczbę pulsacji. Im
mniejsza λ tym mniej pulsacji.
3. Wpływ drgań ultradźwiękowych na własności mechaniczne ciągnionych drutów.
• nie stwierdzono wpływu drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia na własności
wytrzymałościowe wyrobu gotowego. Nie zaobserwowano również istotnego wpływu
na zmiany w mikrostrukturze,
160
• nie stwierdzono znaczących zmian fizycznej granicy plastyczności oraz
wytrzymałości na rozciąganie otrzymanych w próbie ultradźwiękowego rozciągania
drutów na ciągarce bębnowej,
• na podstawie wyników otrzymanych z próby ultradźwiękowego rozciągania drutu na
ciągarce bębnowej widać zmianę wydłużenia próbek. Z pomiarów wynika, że dla
próbek rozciąganych z zastosowaniem wzdłużnych drgań ultradźwiękowych jest ono
mniejsze niż dla próbek ciągnionych tradycyjnie,
4. Pozostałe wnioski dotyczące procesu ciągnienia z ultradźwiękiem.
• korzystną cechą zastosowania schematów, w których ciągadło monolityczne drgające
wzdłużnie umiejscowione jest za ciągadłem dzielonym drgającym prostopadle do osi
drutu jest likwidacji wypływki powstającej za ciągadłem dzielonym,
• korzystną cechą zastosowania schematów polegających na umieszczeniu ciągadła
monolitycznego drgającego wzdłużnie do osi drutu przed ciągadłem dzielonym
drgającym prostopadle do osi drutu jest osiowe wprowadzenie drutu do ciągadła
dzielonego,
• należy sądzić, że w ciągnieniu według schematów polegających na umieszczeniu
ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie do osi drutu przed ciągadłem
dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu mamy do czynienia z korzystnym
wpływem przeciwciągu ciągadła drgającego wzdłużnie. Proces z przeciwciągiem
przebiegał bardziej stabilnie dla wszystkich zbadanych prędkości niż ciągnienie w
układzie, gdy ciągadło drgające wzdłużnie było umiejscowione po ciągadle dzielonym
(schemat XI i XII),
• badania polegające na ciągnieniu stali austenitycznej przez ciągadło dzielone drgające
prostopadle do osi drutu wykazały, że proces ciągnienia wspomagany
ultradźwiękowym „obkuwaniem” wykazał pozytywny efekt w przypadku ciągnienia
stali austenitycznej, która wykazuje skłonności do nalepiania na ściany ciągadła,
• w celu uzyskania jednolitego wymiaru na obwodzie drutu konieczne jest zastosowanie
ciągadła wygładzającego tradycyjnego lub obrotowego umiejscowionego za
ciągadłem dzielonym.
161
12. Literatura. 1. Wistreich J.G.: The fundamentals of wire drawing. Metallurgical Reviews, vol. 3, nr
10, 1958, s. 97-142
2. Robinson A.T., Conally J.C., Stayton L.H.: Wire and Wire Products, 1964, s. 192
3. Morawiecki M., Sadok L., Wosiek E.: Przeróbka plastyczna. Podstawy teoretyczne.
Wydawnictwo Śląsk, Katowice, 1986
4. Newberry J., Moss J., Kehoe D.F.: Wire drawing the time to change. Wire Industry,
May 1991, s. 254-256
5. Łuksza J.: Elementy ciągarstwa. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-
Dydaktyczne, Kraków 2001
6. Łuksza J., Skołyszewski A., Witek F., Zachariasz W.: Druty ze stali i stopów
specjalnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006
7. Hueter T.F., Bolt R.H.: Sonics. Jon Wiley & Sons, INC., New York 1955, s. 1-441
8. Ultrazwuk. Moskwa 1956, s. 13-576
9. Wyrzykowski R.: Ultradźwięki. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa
1957, s. 5-292
10. Tabin J.: Technika ultradźwiękowa w hutnictwie. Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze,
Katowice 1958, s. 7-212
11. Crawford F.C: Fale. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1972, s. 17-555
12. Svehla S., Figura Z.: Ultrazvuk v technologii. ALFA Vadavetelstvo Technickiej A
Ekonomickiej Literatury, Bratislava 1984, s. 13-502
13. Maeno T., Bogy D. B.: Effect of the Hydrodynamic Bearing on Rotor/Stator Contact
in a Ring-Type Ultrasonic Moto. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,
FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, vol. 39, nr. 6, 1992, s. 675-
682
14. Wallaschek J.: Contact mechanics of piezoelectric ultrasonic motors. Smart Mat.
Struct. vol. 7, 1998, s. 369-381
15. Zharii O.Y.: Ultrasonic motor, wave gyro and a snake – what do they have in
common? Mechatronic and advanced motion control. Proc. Of thr 3rd Int Heinz
Nixdorf Symposium, HNI-Verlagsschriftenreiche, vol. 49, 1999, s. 97-111
16. Suzuki Y., Tani K., Sakuhara T.: Development of a new type piezoelectric
micromotor. Sensors and Actuators, vol. 83, 2000, s. 244-248
162
17. Akhnak M., Martinez O., Montero de Espinosa F., Ullate L.G.: Development of a
segmentem annular array transducer for acoustic imaging. NDT&E International, vol.
35, 2002, s. 427-431
18. Thoe T.B., Aspinwall D.K., Wise M.L.H.: Rewiev of Ultrasonic Machining. Int. J.
Mach. Tools Manufact., vol. 38, 1998, s. 239 - 255
19. Petruzelka J.: Nekonvenci metody tvareni. Ostrawa 2002
20. Pasierb A., Wojnar A.: An experimental investigation of deep drawing processes of
thin – walled products with utilizaton of ultrasonic vibrations. Journal of Materials
Processing Technology, vol. 34, 1992, s. 489-494
21. Murakawa M., Koga N., Kumagai T.: Deep-drawing of aluminum sheets without
lubricant diamond-like carbon coated dies. Surface and Coatings Technology, vol. 76-
77, 1995, s. 553-558
22. Siegert K., Ziegler M.: Pulsating Blankholder Forces in the Deep-Draw Processes.
Received on January, vol. 9, 1997, s. 205-208
23. Jimma T., Kasuga Y., Iwaki N., Miyazawa O., Mori E., Ito K., Hatano H.: An
application of ultrasonic vibration to the deep drawing process. Journal of Materials
Processing Technology, vol. 80–81, 1998, s. 406–412
24. Alia S., Hindujaa S., Atkinsona J., Boltb P., Werkhovenb R.: The effect of ultra-low
frequency pulsations on tearing during deep drawing of cylindrical cups. International
Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 48, 2008, s. 558-564
25. Nosal W. W., Rymsza D. M.: Stal. 1966, s. 159
26. Tarply W.B., Kartluke H. : Aeroproects Inc. AEC Reports NV – 10008, 1961
27. Jones J.B. : Metal progress 1968, vol. 5, s. 103-107
28. Severdenko V.P., Kublovic V.V., Stepanenko A.V.: Ultrasonic Rolling and Drawing
of Metals. Consultans Bureau, New York, London, 1972
29. Pasierb A. Wpływ drgań ultradźwiękowych na parametry siłowe i tarcie w procesie
ciągnienia drutów i rur. Instytut Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa, Akademia
Górniczo- Hutnicza w Krakowie, 1979
30. Pasierb A.: Ciągnienie wibracyjne rur i prętów. Mechanik miesięcznik naukowo-
techniczny nr. 9, 1971, Wydawnictwa czasopism technicznych NOT., s. 500-502
31. Pasierb A.: Wpływ ultradźwiękowych drgań ciągadła na siłę ciągnienia rur. Rudy
Metali, nr. 5
32. Petruzelka J.: Ciągnienie rur z zastosowaniem ultradźwięków. Rudy Metale, nr. 10,
1994, s. 290-293
163
33. Petruzelka J., Licka S., Sarmanova J.: Analiza procesu ciągnienia rur na trzpieniu
aktywowanym ultradźwiękami. Hutnik, nr. 4, 1984, s. 129-136
34. Atanasiu N.: Intensification of tube drawing by axial ultrasonic oscillation of the plug.
Ultrasonics vol.18, 1980, s. 255-260
35. Daud Y., Lucas M., Huang Z.: Ultrasonic Compression Tests on Aluminium. Applied
Mechanics and Materials, vol. 3-4, 2005, s. 99-104
36. Izumi O., Oyama K., Suzuki Y.: On the Superimposing of Ultrasonic Vibration during
Compressive Deformation of Metals. Trans. JIM, vol. 7, 1966, s. 158-161
37. Izumi O., Oyama K., Suzuki Y.: Effects of Superimposed Ultrasonic Vibration on
Compressive Deformation of Metals. Trans. JIM., vol. 7, 1966, s. 162-167
38. Schinke B., Malmberg T.: Dynamic tensile tests with superimposed ultrasonic
oscillations for stainless steel type 321 at room temperature. Nuclear Engineering and
Design 100, vol. 3, 1987, s. 281-296
39. Garskii F.K., Efromov V.I.: Effect of Ultrasound of the Decomposition of Solid
Solutions. 1953
40. Blaha F., Langanecker B.: Dehung von Zink-Einkristallen unter
Ultraschalleinwirkung. Die Naturwissenschaften, vol. 42, 1955
41. Lehfeldt E.: Beeinflussung metallischer Reibungsvorgange durch Schall im 20 kHz –
Bereich. 1968
42. Siewierdenko W.P., Stiepanienko A.W., Zajasz I.W.: Dokłady Akademii Nauk ZSSR
10, 1969
43. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Konyszew R.A, Rzepin R.A., Dokłady
Akademii Nauk ZSRR 5, 1970, s. 415-418
44. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Stiepanienko A.W.: Ultrazwuk i płasticznost.
Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1976
45. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Stiepanienko A.W.: Prokatka i wołoczenije s
ultrazwukom. Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1970
46. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Stiepanienko A.W.: Obrabotka mietałłow
dawlenijem s ultrazwukom. Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1973
47. Rozner A.G.: Yournal of Acoustical Society of America, vol. 5, 1971, s. 1368-1371
48. Rozner A.G.: Effect of Ultrasonic Vibration on Coefficient of Friction during Strip
Drawing. Yournal of Acoustical Society of America, vol. 49, 1971, s. 1368-1371
49. Siegert K., Mock A.: Wire drawing with ultrasonically oscillating dies. Journal of
Materials Processing Technology, vol. 60, 1996, s. 657-660
164
50. Siegert K., Ulmer J.: Influencing the Friction in Metal Forming Processes by
Superimposing Ultrasonic Waves. Annals of the CIRP, vol. 50/1/2001, s. 195-200
51. Siegert K., Ulmer J.: Superimposing Ultrasonic Waves on the Dies in Tube and Wire
Drawing. Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 123, 2001, s. 517-
523
52. Littmann W., Storck H., Wallaschek J.: Sliding friction in the presence of ultrasonic
oscillations: superposition of longitudinal oscillations. Arch. Appl. Mech., vol. 71,
2001, s. 549–554
53. Storck H., Littmann W., Wallaschek J., Mracek M.: The effect of friction reduction in
presence of ultrasonic vibrations and its relevance to travelling wave ultrasonic.
Ultrasonics, vol. 40, 2002, s. 379–383
54. Kumar V.C., Hutchings I.M.: Reduction of the sliding friction of metals by the
application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. Tribology International,
vol. 37, 2004, s. 83-840
55. Knych T.: Badania zjawiska tarcia w procesie swobodnego ciągnienia rur z
zastosowaniem ultradźwiękowych drgań ciągadła. Akademia Górniczo-Hutnicza,
Kraków, 1981
56. Aeroprojects Incorporated: Fundamentals of Ultrasonic Welding. Res. Proj. 60-90
Navy Con. 59-6070c, 1960
57. Sansome D.H.: Recent developments in Oscillatory Metal Working. Engineering,
April 1973, s. 243-247
58. Blaha F., Langanecker B.: Acta metallurgica vol. 7, 1955, s 93
59. Siewierdenko W.P., Goriew K.W., Konowałow E.G.: Ultrazwukowa obrabotka
mietałłow. Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1966
60. Langenecker B.: AIAA Yournal, vol.1, 1963, s. 80-83
61. Baker G.S., Carpenter S.H.: Deformation Under Combined static and Vibratory
Stresses. Transaction of the Metallurgical Society of Aime, vol. 236, 1966, s. 700-702
62. Pohlman R., Lehfeldt E.: Ultrasonics, vol. 4, 1966, s. 178
63. Nosal W.W., Rymsza O.M.: Stal, nr. 2, 1966, s. 159-162
64. Sansome D.H., Winsper C.E.: Wire Industry, vol. 419, 1968, s.1045-1048
65. Bazan J., Pasierb A.: Badania nad zastosowaniem wibracji w procesie ciągnienia.
Archiwum Hutnictwa Tom XVII, 1972, Zeszyt 1
66. Pasierb A.: Materiały III Sympozjum Techniki Wibracyjnej, Kraków, 1973, s. 72
165
67. Maropis N.: Ultrasonic Energy applied to Metal Drawing – Part I. Wire Industry,
May, 1991, s. 251-253
68. Maropis N.: Ultrasonic Energy applied to Metal Drawing – Part II. Wire Industry,
June, 1991, s. 327-333
69. Maropis N.: Ultrasonic Energy applied to Metal Drawing – Part III. Wire Industry,
July, 1991, s. 371-373
70. Gołubiew T.M., Diadeczko G.P., Chochriakow B.D.: Mietałłurgiczeskaja i
gornorudnaja promyszlennost, vol. 3, 1962, s. 84
71. Gołubiew T.M., Diadeczko G.P., Chochriakow B.D.: Mietałłurgiczeskaja i
gornorudnaja promyszlennost, vol. 6, 1962, vol. 56
72. Kamionka J.: Badania własności mechanicznych metali odkształcanych w polu
ultradźwiękowym. Akademia Górniczo – Hutnicza, Kraków, 1976, s. 1-63
73. Jones J.B.: Wire Industry, vol. 38, 1971
74. Mordyuk B.N., Mordyuk V.S., Buryak V.V.: Ultrasonic drawing of tungsten wire for
incandescent lamps production. Ultrasonics, vol. 42, 2004, 109-111
75. Oelschlegel D., Weiss B.: Acta. Phys. Austr., vol. 1-4, 1965, s. 363
76. Watruszin Ł. S.: Cwietnyje Mietałły 6, 1967, s. 75-78
77. Siewierdenko W.P., Stiepanienko A.W., Kułaga N.E.: Dokłady Akademii Nauk
ZSSR, 8, 1973
78. Murakawa M., Jin M., Hayashi M.: Study on semidry/dry wire drawing using DLC
coated dies. Surface and Coatings Technology, vol. 177-178, 2004, s. 631-637
79. Murakawa M., Jin M.: The utility of radially and ultrasonically vibrated dies in the
wire drawing process. Journal of Materials Processing Technology, vol. 113, 2001, s.
81-86
80. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Kononowa Ł.A.: Dokłady Akademii Nauk
ZSSR, vol. 4, 1973, s. 325-328
81. Mordyuk B.N., Mordyuk V.S., Buryak V.V.: Ultrasonic drawing of tungsten wire for
incandescent lamps production. Ultrasonics, vol. 42, 2004, s. 109-111
82. Nerubai M.S.: Effect of Ultrasonic Vibrations on the Mechanical Properties of
Difficult-to-Deform Materials. Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov
4, 1987, s. 10-13