-
26
Ćwiczenie 2
WYCISKANIE CZĘŚCI MASZYN I WYROBÓW HUTNICZYCH
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z:
przebiegiem wyciskania współbieżnego i przeciwbieżnego,
sposobami obliczania sił potrzebnych do wyciskania,
przebiegiem siły wyciskania w zależności od drogi stempla dla
wyciskania współbieżnego i przeciwbieżnego,
wpływem różnych czynników na siły wyciskania,
1. WPROWADZENIE Wyciskanie jest procesem obróbki plastycznej, w
którym za pomocą tłoczyska lub stempla 3 (na ogół przez przetłoczkę
4) wywierany jest nacisk na materiał 1 umieszczony w pojemniku
(zwanym recypientem 2) lub matrycy 5 zmuszając go do wypływania
przez otwór matrycy, lub szczelinę między stemplem a ściankami
recypienta (rys. 1).
-
27
Rys. 1. Schemat wyciskania współbieżnego: prętów, 1 – materiał
wyciskany,
2 – pojemnik (recypient), 3 – tłoczysko (stempel), 4 –
przekładka, 5 – matryca, 6 – tuleja pojemnika
Początkowo wyciskanie ze względu na bardzo duże naciski,
stosowano przede wszystkim do kształtowania wyrobów z materiałów
charakteryzujących się niską granicą plastyczności, a więc: Pb, Sn,
Al i Cu oraz ich stopów. Dzięki rozwojowi technik wyciskania w
wyniku zastosowania podgrzewania materiału wsadowego i narzędzi,
jak również użycia specjalnych smarów (o wysokiej temperaturze
zapłonu), stało się możliwe wyciskanie stali oraz innych metali o
wysokiej temperaturze topnienia i to zarówno na zimno jak i na
gorąco.
2. ZALETY WYCISKANIA W PORÓWNANIU DO INNYCH TECHNIK
WYTWARZANIA
Obecnie panuje pogląd, że wyciskanie jest najbardziej
ekonomiczną metodą z procesów obróbki plastycznej, przeznaczoną
szczególnie do:
wstępnej przeróbki plastycznej stali o niskiej plastyczności,
których nie można odkształcać drogą kucia czy walcowania,
wytwarzania prętów i wyrobów z otworami o złożonych kształtach,
których otrzymanie innymi metodami jest trudne lub niemożliwe,
łączenia różnorodnych metali i otrzymywania wyrobów
wielowarstwowych o określonych grubościach poszczególnych
warstw,
wytwarzania małych partii wyrobów o dużej masie i prostych
kształtach, których wytwarzanie innymi metodami jest
nieekonomiczne.
Wyciskanie jest podstawową metodą wytwarzania rur, prętów i
kształtowników oraz części maszyn ze stali i metali nieżelaznych.
Wyroby wyciskane charakteryzują się dobrymi własnościami
mechanicznymi, dużą dokładnością wymiarów, czystą i gładką
powierzchnią.
-
28
W tabeli 1 porównano zużycie materiałów wsadowych i energii dla
różnych sposobów wytwarzania wyrobów, a w tabeli 2 przedstawiono
dokładność wykonania wyrobów przy różnych wariantach obróbki
metalu.
Tabela 1. Porównanie strat materiałów i zużycia energii dla
różnych sposobów obróbki metali
Sposób obróbki Uzysk [%] 6Zużycie energii [J/kg ⋅10 ]
Skrawanie 40-50 80-100
Wyciskanie na gorąco 75-80 53-56
85 48 Wyciskanie na ciepło 95 42 Wyciskanie na zimno
Tabela 2. Dokładność wykonania wyrobów różnymi sposobami obróbki
metali
Osiągana klasa dokładności Sposób obróbki
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Szlifowanie X X X X X
Toczenie X X X X X
Wyciskanie na zimno X X X X X X
Wyciskanie na ciepło X X X X X X
X X X X X X Wyciskanie na gorąco
Z danych zamieszczonych w tabelach 1 i 2 wynika, że zużycie
energii przy procentowym uzysku materiału przemawia zdecydowanie na
korzyść procesów wyciskania. Ponadto, w niektórych przypadkach
dokładność wyciskania na ciepło i zimno może być podobna, jak w
procesach szlifowania i skrawania.
3. RODZAJE WYCISKANIA W literaturze znaleźć można wiele
klasyfikacji procesów wyciskania, m.in.: w zależności od
temperatury procesu, kierunku wypływania materiału względem ruchu
stempla, kształtów wyrobów, sposobu wywierania siły na materiał,
itp.
3.1. Podział ze względu na temperaturę Wsad poddany wyciskaniu
może mieć temperaturę otoczenia lub może być uprzednio podgrzany.
Stąd podział wyciskania na:
zimno, ciepło, gorąco.
-
29
Wyciskanie wsadu o temperaturze podwyższonej różni się od
wyciskania wsadu niepodgrzanego wymaganiami dotyczącymi:
parametrów energetycznych, przygotowania wsadu, warunków
organizacji produkcji, smarowania, konstrukcji narzędzi i pras
oraz umożliwia uzyskanie wyrobów o innych własnościach
użytkowych.
a) wyciskanie na zimno
Znajduje zastosowanie przede wszystkim do wyciskania gotowych
części maszyn, od których wymaga się specjalnych (podwyższonych)
własności mechanicznych, dużej dokładności wymiarowo-kształtowej,
dobrej jakości i gładkości powierzchni oraz odpowiedniej
struktury.
b) wyciskanie na ciepło
Podwyższenie temperatury wsadu pozwala na otrzymywanie wyprasek
o niewiele niższej jakości powierzchni i dokładności jak w
przypadku wyciskania na zimno. Jednakże większa plastyczność metalu
w tych temperaturach i towarzysząca jej mniejsza wartość siły
wyciskania umożliwia prowadzenie przeróbki plastycznej przy
zastosowaniu znacznie większych odkształceń.
c) wyciskanie na gorąco
Stosuje się je zwykle do wyciskania hutniczego (półfabrykatów)
prętów, rur i kształtowników, które w późniejszym etapie zostają
poddawane innym zabiegom lub obróbkom wykańczającym. Niestety w
procesach wyciskania hutniczego występują problemy z doborem
odpowiedniej temperatury wlewka i narzędzi. Wyroby otrzymywane tą
technologią charakteryzują się gorszymi własnościami mechanicznymi
oraz jakością powierzchni, a także liczniejszymi wadami
(skrzywienia i pęknięcia).
-
30
3.2. Podział procesu wyciskania ze względu kierunek wypływania
materiału względem ruchu stempla
Biorąc pod uwagę kierunek płynięcia materiału względem kierunku
ruchu tłoczyska rozróżnia się kilka sposobów wyciskania:
a) wyciskanie współbieżne, gdy materiał płynie w kierunku
zgodnym z ruchem tłoczyska (rys. 2),
b) wyciskanie przeciwbieżne, gdy materiał płynie w kierunku
przeciwnym do kierunku ruchu tłoczyska (rys. 3),
c) wyciskanie z bocznym wypływem materiału, gdy materiał płynie
w kierunku poprzecznym do ruchu tłoczyska (rys. 4),
d) wyciskanie złożone, gdy materiał płynie jednocześnie w
kierunku zgodnym i przeciwnym do ruchu tłoczyska (rys. 5).
a) b)
Rys. 2. Schemat wyciskania współbieżnego: a) prętów i b) rur: 1
– materiał wyciskany, 2 – pojemnik, 3 – tłoczysko (stempel), 4 –
przekładka, 5 – matryca, 6 – tuleja pojemnika
a) b)
Rys. 3. Schemat wyciskania przeciwbieżnego: a) prętów i b) rur;
1 – materiał wyciskany,2 – pojemnik,
3 – tłoczysko, 4 – przekładka, 5 – matryca, 6 – tuleja
pojemnika
-
31
a) b)
Rys. 4. Schemat wyciskania z bocznym wypływem materiału: a)
jednokierunkowym, b) dwukierunkowym; 1 – materiał wyciskany, 2 –
pojemnik, 3 – tłoczysko, 4 – przetłoczka, 5 – matryca, 6 – tuleja
pojemnika
Rys. 5. Schemat wyciskania złożonego: 1 – materiał wyciskany, 2
– matryca, 3 – tłoczysko
3.3. Podział wyciskania ze względu na kształt otrzymywanych
przedmiotów
Kształty wyrobów, jakie można uzyskać metodą wyciskania można
zaliczyć do jednej z grup (rys. 6): a) pręty, b) rury, c)
naczynia.
-
32
Rys. 6. Metody wyciskania różnych wyrobów: a) z pręta, b)
przeciwbieżne naczynia, c) rury.
W praktyce przemysłowej wyciskanie współbieżne stosuje się
najczęściej do wyciskania prętów i rur (wyciskanie hutnicze), a
przeciwbieżne do wyciskania wyrobów typu "naczynie”.
3.4. Specjalne metody wyciskania
Do specjalnych metod wyciskania należy obecnie zaliczyć: metody
hydrostatyczne,
Conform, KOBO oraz odlewanie ciągłe. Przy wyciskaniu
współbieżnym materiał może wypływać przez otwór matrycy nie
tylko w wyniku nacisku tłoczyska, ale również przez wywieranie
na materiał nacisku za pośrednictwem cieczy (rys. 7). Tym sposobem
obniża się znacznie siły tarcia wyciskanego materiału o ścianki
tulei i matrycy, a przez to również i siłę wyciskania.
W tym przypadku stempel (5) porusza się w tym samym kierunku, co
w metodzie wyciskania współbieżnego, nie ma jednak bezpośredniego
kontaktu z wlewkiem. Przeciskanie materiału wlewka (1) przez
matryce (2) następuje w wyniku wysokiego ciśnienia otaczającej go
cieczy (3). Warunkiem podstawowym dla sprawnego działania układu
jest właściwe uszczelnienie (4) przestrzeni wypełnionej cieczą. Nie
jest wymagane jednak wstępne podgrzewanie wlewka, ponieważ jego
deformacja pod ciśnieniem dochodzącym do 1.25 kN/mm2 powoduje jego
nagrzewanie nawet do 500 °C, a prędkość wyciskania jest większa niż
przy poprzednich metodach.
a) b) c)
-
33
Rys. 7. Metoda wyciskania hydrostatycznego
Jednakże metoda ta znajduje zastosowanie tylko w tym przypadku,
gdy ciecz może
być nagrzewana do temperatury bliskiej temperatury wyciskania.
Ponieważ wlewek może się swobodnie obracać w otaczającej go cieczy,
bez problemu można wyciskać nie tylko proste kształtowniki, ale
również śrubowe.
Inną niekonwencjonalną metodą wyciskania jest metoda Conform
(rys. 8).
Rys. 8. Metoda Conform
Główną cechą różnicującą je od wyciskania hydrostatycznego jest
to, że ciśnienie nie
jest wywierane przez stempel, a przez koło cierne (2) z rowkiem
prowadzącym (6). W rowku tym umieszcza się stycznie do obracającego
się (napędzanego) koła półprodukt
2 1 53
4
2
6
1 3
54
-
34
(1) będący kształtownikiem o maksymalnej średnicy 32 mm.
Wahadłowo zamocowany szabot (3) dociskając materiał do koła
ciernego powoduje jego przesuw i wyciskanie przez matryce (4).
Gotowy produkt (5) przechodzi przez otwór wydrążony w szabocie.
Tarcie między ściankami rowka na kole i materiałem powoduje jego
rozgrzewanie się i wzrost ciśnienia do wartości pozwalającej na
przejście przez matryce.
Urządzenie to stosuje się również do wytłaczania kształtowników
miedzianych. Ponadto półproduktem mogą być również granulaty i
proszki. Wydajność tego typu urządzeń waha się od 390 kg/h, przy
średnicy gotowego produktu równej 12.5 mm do 2040 kg/h przy 25 mm.
Wielka zaletą jest tu łatwa i szybka wymiana matrycy, a także
ekonomiczność wyciskania nawet małej liczby kształtowników.
Bardzo popularną w ostatnim okresie stała się metoda KOBO (nazwa
od pierwszych liter pomysłodawców Korbel i Bochniak, rys. 9),
polegająca na technologicznej idei zewnętrznego wymuszenia
zlokalizowanego plastycznego płynięcia w pasmach ścinania, poprzez
nałożenie na jednokierunkowe, robocze oddziaływanie siłowe narzędzi
kształtujących, dodatkowego, cyklicznie zmiennego oddziaływania.
Realizacja dodatkowego oddziaływania dokonywana jest w kierunku
odmiennym od kierunku ruchu roboczego danego procesu. Opatentowana
w kraju i za granicą (Europa, Azja, Ameryka), metoda "KOBO" pozwala
na energooszczędne i nadzwyczaj wydajne a przy tym ekologiczne,
otrzymywanie wyrobów funkcjonalnych w procesach przeróbki
plastycznej materiałów metalicznych. Szczególne jej zalety
przejawiają się w rozdrabnianiu struktury do wymiarów ultra- i
nano-strukturalnych a przez to generowania nadzwyczaj korzystnych
własności mechanicznych. Metoda "KOBO" umożliwia wytwarzanie z
materiałów trudnoodkształcalnych wyrobów o złożonej geometrii.
5
Rys.9. Schemat procesu wyciskania materiałów metalicznych metodą
KOBO:
1-stempel, 2-pojemnik, 3-obustronnie obracana matryca,
4-wyciskany materiał, 5-wyrób
Występujący w ostatnich latach rozwój metod odlewania
półciągłego i ciągłego wlewków spowodował rozwój metod wyciskania
ciągłego (rys. 10).
4 3 2
1
-
35
Rys. 10. Schemat wyciskania ciągłego bez stosowania pojemnika: 1
– materiał wyciskany, 2 – matryca, 3 – uchwyty wyciskające
Wlewek o dużej długości wyciskany jest przez matrycę za
pośrednictwem kilku
zestawów specjalnych uchwytów spełniających rolę pojemnika i
tłoczyska.
4. NIEJEDNORODNOŚĆ ODKSZTAŁCANIA MATERIAŁU
Płynięcie materiału podczas procesu wyciskania można obserwować
za pomocą różnych metod. Jedną z nich jest metoda nanoszenia siatek
koordynacyjnych na wzdłużnym przekroju wyciskanego materiału (rys.
11).
Rys.11. Odkształcenia i naprężenia w wyciskanym materiale: a)
odkształcona siatka prostokątna dla materiału wyciskanego bez
smarowania, b) odkształcona siatka prostokątna dla materiału
wyciskanego ze smarowaniem, c) rozkład prędkości odkształceń
wzdłużnych w otworze matrycy, d)
rozkład głównych naprężeń wzdłużnych w otworze matrycy dtd /1εε
=&
1σ Po wyciśnięciu, z odkształceń siatki (rys. 12) można określić
stan odkształcenia
i naprężenia w poszczególnych miejscach materiału
wyciskanego.
b)
c) d)
a)
+
-
-
3
1
2
-
36
Rys. 12. Rozkład odkształceń zastępczych dla osiowosymetrycznego
procesu wyciskania przeciwbieżnego ołowiu uzyskany przy pomocy
programu ASAME do cyfrowej analizy obrazu
Jak wynika z rys. 11 w wyciśniętym materiale występuje duża
niejednorodność odkształceń, przejawiająca się tym, że
początkowa część wyciśniętego pręta jest w mniejszym stopniu
odkształcona niż dalsza oraz, że warstwy wewnętrzne materiału
przemieszczają się szybciej niż warstwy zewnętrzne. Taki sposób
płynięcia jest spowodowany siłami tarcia materiału o powierzchnie
tulei, matrycy i przetłoczki, które utrudniają płynięcie warstw
zewnętrznych materiału przylegających do powierzchni narzędzi, jak
również i tym, że warstwy zewnętrzne w wyniku zetknięcia się z
chłodniejszymi narzędziami mają niższą temperaturę, a przez to do
ich uplastycznienia konieczne jest większe naprężenie niż dla
bardziej nagrzanych warstw środkowych. W związku z tym w materiale
wsadu można wyodrębnić cztery obszary charakteryzujące się różną
kolejnością wypływania materiału przez matrycę (rys. 13).
IV
II I III
Rys. 13. Obszary wsadu o różnej kolejności wypływania z
matrycy
-
37
Najpierw wypływa materiał z obszaru I tworząc wyrób o małej
ilości zanieczyszczeń, następnie materiał z obszaru II posiadający
dużą ilość zanieczyszczeń ze względu na utlenioną i zanieczyszczoną
powierzchnie wsadu, płynie on po stożku utworzonym przez obszar
III, dostając się do środka wyrobu. Materiał z obszaru III i IV
tworzy piętkę.
W ten sposób w końcowej fazie wyciskania, do środka wyrobu
dostają się zanieczyszczenia i tlenki z powierzchni wsadu.
Przeciwdziałać temu można przez stosowanie tzw. wyciskania z
koszulką, tj. wyciskania materiału za pośrednictwem przetłoczki o
średnicy mniejszej od wewnętrznej średnicy tulei pojemnika (rys.
14).
Rys. 14. Schemat wyciskania z koszulką: a) wyciskanie
przeciwbieżne, b) wyciskanie współbieżne, 1 – materiał wyciskany, 2
– pojemnik, 3 – tłoczysko, 4 – matryca, 5 – koszulka, 6 – tuleja
pojemnika
5. ANALIZA PROCESU WYCISKANIA Głównymi parametrami
charakteryzującymi proces wyciskania są: siła i praca wyciskania.
Ich wartość decyduje o konstrukcji oraz doborze materiałów na
narzędzia oraz stanowi o parametrach siłowo-energetycznych
stosowanych pras i młotów.
Rys. 15. Zależność siły wyciskania od drogi stempla dla wyrobów
typu: a - naczynie b - pręt, c – rura
1 2 3
a) b)
-
38
Analizę sił przy wyciskaniu można rozpocząć od analizy typowych
wykresów tych sił w funkcji drogi stempla (rys. 15). Na
przedstawionych przebiegach sił wyciskania można zasadniczo
wyróżnić trzy przedziały:
1. Narastanie siły aż do momentu osiągnięcia lokalnego maksimum.
2. Część wykresu o prawie stałej wartości siły charakteryzująca
stacjonarną fazę procesu. 3. Ostatnia część wykresu
charakteryzująca się gwałtownym przyrostem siły
(zwykle faza ta w praktyce przemysłowej jest pomijana).
W pierwszej fazie wyciskania pod wpływem wzrastającego nacisku
tłoczyska materiał umieszczony w pojemniku ulega spęczaniu, które
zachodzi do momentu oparcia się materiału o ścianki tulei
pojemnika. Spęczanie to jest związane z niewielką różnicą wymiarów
poprzecznych tulei i wyciskanego materiału, konieczną do swobodnego
włożenia materiału do pojemnika.
W następnej fazie rozpoczyna się zasadniczy proces wyciskania
(rys. 16a). Materiał wypływający na początku procesu jest w małym
stopniu odkształcony. Następnie wypływa materiał coraz bardziej
odkształcony, wskutek czego charakteryzuje się większą
jednorodnością struktury wewnętrznej i własności mechanicznych jest
to tzw. stan ustalony. Przy wyciskaniu współbieżnym na gorąco
obserwuje się w tej fazie wyciskania zmniejszenie siły wyciskania.
Jest to spowodowane zmniejszeniem się sił tarcia wskutek
zmniejszania długości wlewka w czasie wyciskania, w wyniku, czego
maleje powierzchnia styku wlewka ze ścianką tulei recypienta. Przy
wyciskaniu współbieżnym na zimno zmniejszenie siły wyciskania
występuje dopiero w dalszej fazie wyciskania, bowiem początkowo
obserwuje się wzrost siły wyciskania spowodowany coraz większym
wzmocnieniem materiału.
Przy wyciskaniu przeciwbieżnym zarówno na gorąco jak i na zimno
nie występuje spadek siły wyciskania, ponieważ powierzchnia styku
materiału wyciskanego ze ścianką tulei nie zmniejsza się, a tym
samym nie maleje siła tarcia.
b) a)
Rys. 16. Próbki po procesie wyciskania: a) zagłębienie stempla
17 mm i b) zagłębienie stempla 22 mm
-
39
W trzeciej, końcowej fazie wyciskania występuje szybki wzrost
siły wyciskania spowodowany wystąpieniem znacznych sił tarcia na
czołowej powierzchni przetłoczki bądź stempla oraz na czołowej
powierzchni matrycy (rys. 16b). Podobnie podczas wyciskania
współbieżnego prętów, rur, kształtowników wyciskany materiał nie
zostaje całkowicie wyciśnięty z tulei pojemnika, lecz pozostaje
pewna część materiału, zwana piętką, którą odcina się następnie od
wyrobu i przeznacza na złom. Pozostawienie piętki jest również
korzystne z tego powodu, że gromadzi się w niej duża ilość
zanieczyszczeń dostająca się z powierzchni materiału wyciskanego do
jego środka.
6. SIŁA WYCISKANIA ORAZ NACISKI NA STEMPLU
Siła wyciskania zależy od wielu czynników wpływających na proces
wyciskania, we wzorach na siłę wyciskania czynniki te uwzględnione
są w różnym stopniu, a przez to występują duże różnice wartości sił
wyciskania wyznaczonych z tych wzorów. Najprostszym sposobem
wyznaczenia siły wyciskania Pw, potrzebnej do wyciśnięcia materiału
o przekroju Ap, jest porównanie pracy wykonanej przez siłę Pw na
drodze Δl z pracą odkształcenia (wydłużenia) plastycznego materiału
o objętości obliczoną ze wzoru:
lAV p Δ⋅=
(6.1)ppVW εσξ ⋅⋅⋅=
gdzie: ξ – współczynnik wypełnienia wykresu pracy, V – objętość
materiału, σp – naprężenie uplastyczniające, εp – zastępcze
odkształcenie rzeczywiste,
We wzorze tym ε dla procesu wyciskania równa się wydłużeniu
rzeczywistemu: p
k
p
AA
ln1 =ε (6.2)
Porównując obie prace otrzymuje się:
k
ppp
ww A
AlAlP ln⋅⋅Δ⋅=Δ⋅ σ
ηξ (6.3)
gdzie: η – współczynnik sprawności procesu wyciskania, w
Skąd:
k
ppp
ww A
AAP ln⋅⋅= σ
ηξ (6.4)
Współczynnik sprawności ηw jest tym mniejszy im większy jest
współczynnik wydłużenia λ1: dla φ =0,50 η1 w=0,75; a dla wartości φ
=2,50 η1 w=0,34. Uwzględniając dodatkowo siły tarcia oraz pomijając
współczynnik wypełnienia wykresu ξ wzór na siłę wyciskania
współbieżnego można zapisać w postaci:
-
40
( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅+⋅+= mmpw
k
pp
w
pw hlllA
AAP μ
ησ
ln (6.5) gdzie: lw – długość obwodu zewnętrznego tulei
pojemnika,
lm – długość obwodu części kalibrującej, lp – długość początkowa
wsadu, h – łączna wysokość części wejściowej i kalibrującej
matrycy. m
Przy wyciskaniu rur należy dodatkowo uwzględnić tarcie trzpienia
kształtującego otwór o powierzchnię materiału.
Siłę potrzebną do wyciskania przeciwbieżnego można obliczyć ze
wzoru Tychowskiego:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−= 24
4
2
sm
ss
w
pw dd
hdP μπησ
(6.6) gdzie: d – średnica wewnętrzna matrycy, m
ds – średnica części kalibrującej stempla, h – wysokość części
kalibrującej stempla. s W rozpatrywaniu wpływu różnych czynników na
siły wyciskania korzystniej jest analizować siły odniesione do
powierzchni przekroju poprzecznego stempla, czyli tzw. średnie
naciski jednostkowe. Duża liczba czynników wpływających na wartość
nacisków przy wyciskaniu oraz skomplikowane zależności między nimi
są przyczyną powstawania wielu wzorów do ich obliczania
zaproponowanych przez różnych autorów. W praktyce najczęściej
wykorzystuje się znacznie przybliżone wartości sił wyciskania
obliczone zgodnie z następującym wzorem:
P = A p (6.7)
gdzie: P - siła wyciskania, A - powierzchnia rzutu roboczej
części stempla na płaszczyznę prostopadłą do osi stempla, p -
naciski jednostkowe.
Naciski jednostkowe p występujące w tym wzorze przyjmuje się na
podstawie danych publikowanych w specjalistycznej literaturze lub
na podstawie własnych doświadczeń. Szacunkowe wartości nacisków
jednostkowych koniecznych w operacjach wyciskania różnych
materiałów podano w tabeli 3.
-
41
Tabela 3. Orientacyjne naciski jednostkowe w operacjach
wyciskania
Naciski Materiał jednostkowe [MPa]
600-800Aluminium
Stopy aluminium do obr. plastycznej 800-1000 Czysta miedź
1200-1400 Mosiądz M63 1400-1600 Stal węglowa (do 0,1 % C)
1200-1600
1600-1800 Stal węglowa (do 0, 15% C)
1800-2200 Stale węglowe (do 0,35% C) oraz niskostopowe
2000-2800
7. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PROCES WYCISKANIA Na proces wyciskania
wyrobów hutniczych wpływa szereg wzajemnie
uzależnionych czynników:
a) własności wyciskanego materiału, b) stopień przerobu, c)
długość wsadu, d) współczynnik wydłużenia, e) prędkość procesu
wyciskania, f) temperatura, g) przygotowanie wsadu i smarowanie, h)
konstrukcja i kształt matrycy, i) kształt przetłoczki.
7.1. Własności wyciskanego materiału Do wyciskania przeznacza
się wiele metali i ich stopów. Najczęściej w praktyce przemysłowej
poprzez wyciskanie wykonuje się wyroby z żelaza, miedzi, aluminium
oraz ich stopów. Na wartość nacisków wpływa przede wszystkim skład
chemiczny oraz struktura wsadu. Najdokładniejsze informacje na
temat materiału wsadowego i związanego z nim naciskami
jednostkowymi na narzędzia uzyskuje się wyznaczając krzywą
umocnienia – płynięcia plastycznego.
-
42
7.2. Stopień przerobu Odkształcenie materiału w procesie
wyciskania określane jest przez zaistniałe zmiany wymiarów. Określa
się je najczęściej na podstawie wzoru:
1
01 ln F
Fp == εε (7.1)
gdzie: Fo – powierzchnia przekroju poprzecznego wsadu, F1 –
powierzchnia przekroju poprzecznego wyrobu.
Wzór ten dla wyrobów o przekroju kołowym przyjmuje następującą
postać:
przy wyciskaniu współbieżnym prętów:
1
0lnDD
p =ε (7.2)
przy wyciskaniu przeciwbieżnym naczyń:
16,0ln
0
0 −−
=dD
Dpε (7.3)
gdzie: Do – średnica wsadu, D1 – średnica pręta, d – średnica
wewnętrzna naczynia.
7.3. Długość wsadu Wymiary wsadu o kształcie cylindrycznym,
który określa się stosunkiem jego długości do średnicy. Ponieważ w
części początkowej wyciśniętego wyrobu materiał jest stosunkowo
mało odkształcony, do wyciskania prętów, rur i kształtowników
należy stosować wsad o długości od 1,5 do 3 średnic, tym samym
zmniejsza się stosunek długości części mało odkształconej do
całkowitej długości wyrobu. Przy wyciskaniu współbieżnym
zwiększenie długości wsadu powoduje zwiększenie siły wyciskania,
która w tym przypadku jest zasadniczym czynnikiem ograniczającym
jego długość. Natomiast przy wyciskaniu przeciwbieżnym, siła ta nie
zależy istotnie od długości wsadu, pozwala to stosować wsad o
długości ograniczonej głównie długością pojemnika, średnica wsadu
natomiast ograniczona jest siłą nacisku tłoczyska i odpornością
tłoczyska na wyboczenie.
-
43
7.4. Współczynnik wydłużenia Wyciskanie jest jedynym procesem
obróbki plastycznej, w którym można osiągnąć bardzo duże stopnie
odkształcenia, wyrażone współczynnikiem wydłużenia lλ dochodzącym
nawet do 300, najczęściej współczynnik ten wynosi około 50. Nawet
najmniejsze wartości współczynników wydłużenia przy wyciskaniu na
gorąco, wynoszące około 7, są większe od współczynników wydłużenia,
jakie uzyskuje się przez walcowanie w jednym przepuście.
p
kl l
l=λ (7.4)
gdzie: lp – długość początkowa wsadu, lk – długość końcowa
wyrobu,
7.5. Prędkość wypływu W procesie wyciskania należy wyodrębnić
prędkość wyciskania Vp, to jest prędkość, z jaką przemieszcza się
tłoczysko, prędkość wypływu Vk, czyli prędkość wypływającego
materiału oraz prędkość odkształcania się materiału różną w każdym
punkcie wyciskanego materiału. W nowoczesnych procesach wyciskania
na gorąco, w celu zapewnienia możliwie jednorodnej struktury i
jednakowych własności wyrobu na całej długości dąży się do
wyciskania z możliwie stałą prędkością odkształcenia, co uzyskuje
się przez sterowanie prędkością ruchu tłoczyska. Dlatego w
początkowej fazie wyciskania tłoczysko powinno przemieszczać się
szybciej niż w fazie końcowej.
7.6. Temperatura wyciskania Przy ustalaniu temperatury należy
uwzględnić następujące czynniki:
a) ilość ciepła dostarczoną przez nagrzany wsad, b) ilość ciepła
odprowadzoną przez pojemnik, c) ilość ciepła odprowadzoną przez
matrycę, d) ilość ciepła dostarczoną w wyniku tarcia materiału o
ścianki tulei i matrycy, e) ilość ciepła dostarczoną w przez pracę
odkształcenia plastycznego.
-
44
Bilans cieplny, uwzględniający wszystkie czynniki pozwala tak
ustalić optymalne parametry procesu wyciskania. W tabeli 4
przedstawiono temperatury wyciskania na gorąco dla różnych
materiałów.
Tabela 4. Temperatura wyciskania na gorąco
Temperatura Materiał wyciskania C
380-480Aluminium
Duraluminium 380-480 Miedź 600-900 Mosiądz 650-880
Magnez 280-420
Nikiel 1100-1200
Nowe srebro 900-950
Stal węglowa (do 0,1 % C) 1100-1300
1130-1270 Stale węglowe (do 0,35% C) oraz niskostopowe
Tytan 850-900
7.6. Przygotowanie i smarowanie wsadu Smarowanie wpływa
decydująco na zmianę sił tarcia w procesie wyciskania, a co za tym
idzie na zmianę średnich nacisków jednostkowych na stemplu.
Zmniejszenie tarcia w wyniku odpowiedniego smarowania wpływa także
na trwałość narzędzi do wyciskania. Duże odkształcenia metalu
występujące w procesie wyciskania mogą powodować zmniejszenie, a
nawet usunięcie efektu smarowania na skutek przerwania warstewki
smaru.
Przed wyciskaniem na zimno wsad jest: odtłuszczany, wytrawiany,
pokrywany warstewkami specjalnych związków chemicznych (np.
stal
pokrywa się warstewkami fosforanów cynkowych, a następnie
mydłem; aluminium pokrywa się stearynianem cynku).
-
45
W obróbce plastycznej na zimno używa się olejów mineralnych i
roślinnych, emulsji, mydeł, dwusiarczku molibdenu i wolframu oraz
dodaje się grafit. Wyciskanie hutnicze (na gorąco) stawia przed
smarami dodatkowe wymagania, takie jak:
a) wysoka temperatura zapłonu,
b) małe przewodnictwo cieplne, pozwalające zabezpieczyć
narzędzie przed przegrzaniem,
c) odpowiednią lepkość, a zatem i mały współczynnik tarcia,
d) zdolność usuwania zgorzeliny.
Jako smar stosuje się: grafit, teflon, szkło i inne substancje
oraz metaliczne warstwy pośrednie o małym naprężeniu
uplastyczniającym. 7.8. Konstrukcja i kształt matryc
W matrycach przeznaczonych do wyciskania wyodrębnia się część
wejściową,
kalibrującą i wyjściową (rys. 17). Część wejściowa umożliwia
wprowadzenie kształtowanego materiału do części kalibrującej,
której zadaniem jest ostateczne ukształtowanie przekroju
poprzecznego wyrobu. Matryce mogą mieć tylko jeden otwór lub kilka
i w takim przypadku z jednego wlewka wyciska się równocześnie kilka
wyrobów. Matryce wielootworowe stosowane są na ogół do wyciskania
wyrobów w postaci prętów o małym przekroju poprzecznym.
Kąt zbieżności matrycy
Część wejściowa
Część kalibrująca
Część wyjściowa
Rys.17. Schemat matrycy do wyciskania współbieżnego
W zależności od kształtu części wejściowej rozróżnia się
matryce: płaskie,
stożkowe, płasko-stożkowe, podwójne stożkowe oraz łukowe (rys.
18).
a) b) c) d) e)
Rys.18. Kształt matryc do wyciskania: a) matryca płaska, b)
matryca stożkowa, c) matryca płasko-
stożkowa, d) matryca podwójnie stożkowa, e) matryca łukowa
-
46
Na wartość nacisków przy wyciskaniu wpływają jedynie te części
narzędzi, które
bezpośrednio stykają się z obszarem odkształceń. Przy wyciskaniu
współbieżnym na wartość nacisków wpływa przede wszystkim kształt
stożka matrycy, a przy wyciskaniu przeciwbieżnym - ukształtowanie
zakończenia stempla. Wyniki badań wskazują na to, że naciski przy
wyciskaniu prętów przez stożek wejściowy matrycy początkowo maleją
wraz ze zmniejszaniem się kąta stożka, a następnie rosną.
Doświadczalnie wyznaczone optymalne kąty stożka matrycy zamieniają
się w granicach 45-30o (rys. 19).
α
90 80 70 60 50 40 30 20
Pw
100
84
68
52
O O O O
7.9. Kształt przetłoczki i stempla Przetłoczki stosowane są w
procesie wyciskania na gorąco do oddzielenia wyciskanego materiału
od tłoczyska, a ich średnica jest zwykle od 1 do 2 mm mniejsza od
średnicy wewnętrznej tulei pojemnika. Kształt powierzchni czołowej
przetłoczki wpływa na sposób płynięcia wyciskanego materiału. Przy
kształcie wklęsłym uzyskuje się większą równomierność płynięcia niż
przy kształcie płaskim czy wypukłym.
Duże znaczenie przy wyciskaniu przeciwbieżnym ze względu na
tarcie materiału na stempel ma szerokość (a) cylindrycznej części
kształtującej stempla (rys. 20). Zbytnie zwiększanie szerokości tej
części zwiększa naciski jednostkowe. Przy wyciskaniu przeciwbieżnym
naciski są w zasadzie niezależne od profilu "noska stempla, jeśli
tylko grubość dna wyciskanego naczynia nie osiąga krytycznej
wartości.
Rys. 19. Wpływ kąta stożka matrycy α na sposób płynięcia
materiału oraz maksymalną wartość siły wyciskania
α=20 α=25 α=35 α=50 α=63O Oα=70
-
47
Rys.20. Kształt stempla do wyciskania przeciwbieżnego na
zimno
Na podstawie badań stwierdzono, że przy wyciskaniu
przeciwbieżnym naczyń wartość nacisku jednostkowego wyciskania,
przy założonym stałym stopniu przerobu, zależy od średnicy stempla.
Z kolei kształt powierzchni czołowej wypychaczy przy wyciskaniu
przeciwbieżnym wpływa na naciski jednostkowe tylko w przypadku
wyciskania naczyń, w których dno jest cieńsze od grubości ścianek
bocznych.
8. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z
procesem wyciskania przeciwbieżnego oraz
wpływem różnych czynników na ten proces a także przebiegiem siły
wyciskania w zależności od drogi stempla i obliczaniem sił i
nacisków podczas wyciskania.
Przebieg ćwiczenia W celu zrealizowania części doświadczalnej
ćwiczenia należy przygotować wsad do wyciskania w postaci walców o
wymiarach d x h0 0 oraz w postaci połówek walców posiadających po
złożeniu wymienione wymiary. Materiałem stosowanym na próbki może
być ołów lub wyżarzone aluminium (rys. 22). Próbki wykonane z
aluminium należy przed wyciskaniem poddać bębnowaniu w stearynianie
cynku. W celu obserwacji płynięcia materiału w procesie wyciskania
na powierzchniach stykających się próbek dzielonych należy nanieść
kwadratową siatkę koordynacyjną o wymiarze oczka a – 5 mm. 0
-
48
a0
Rys. 22. Próbki stosowane do wyciskania przeciwbieżnego
Przygotowanie stanowiska Proces wyciskania przeciwbieżnego
należy przeprowadzić na specjalnym tłoczniku przedstawionym na rys.
23. Urządzenie to składa się z matrycy (1), która jest połączona z
hydraulicznym wypychaczem umożliwiającym wyjęcie próbki (4) po
odkształceniu. W celu zapewnienia współosiowości stempla (2) z
otworem matrycy zastosowano prowadzenie na słupach (3). Przyrząd
należy zamocować na maszynie wytrzymałościowej lub prasie
hydraulicznej o nacisku, co najmniej 50 T. Ponadto należy
przygotować układ pomiaru i rejestracji siły wyciskania w funkcji
drogi stempla oraz założyć odpowiednia tarczę z tyłu zegara
pomiarowego.
Rys. 23. Tłocznik do wyciskania przeciwbieżnego ołowiu: 1 –
matryca, 2 – stempel, 3 – słupy
prowadzące, 4 – odkształcana próbka
1
2
3
4
-
49
W procesie istnieje możliwość stosowania następujących stempli:
półkulistego oraz płaskiego o przekroju kwadratowym lub okrągłym.
Do badań używano głownie stempel okrągły o średnicy d = 20 mm,
długości części roboczej h = 12 mm i sfazowaniu 1 - 45 ° oraz
stempla o średnicy d = 36 mm.
Obliczanie sił i nacisków przy wyciskaniu Po zmierzeniu
charakterystycznych wymiarów wstępniaków oraz roboczych części
tłocznika, obliczyć siły wyciskania wg wzorów wskazanych przez
prowadzącego ćwiczenie i porównać z siłami zmierzonymi na prasie.
Obliczyć i porównać wartości średnich nacisków jednostkowych dla
stosowanych stempli.
Przeprowadzenie procesu wyciskania Przygotowane próbki należy
umieszczać w recypiencie przyrządu do wyciskania. Po uruchomieniu
maszyny, na której jest zamocowany tłocznik, należy realizować
proces wyciskania, rejestrując zależność siły wyciskania od drogi
stempla. Wyciskanie powtarzać stosując dla wyciskania
przeciwbieżnego stemple o różnych średnicach. Po zakończeniu
wyciskania należy dokonać pomiarów uzyskanych wyrobów. W celu
prześledzenia płynięcia materiału dokonać oględzin siatki na
wyrobach uzyskanych z dzielonych przygotówek.
Sprawozdanie
W sprawozdaniu należy zamieścić temat, cel ćwiczenia, część
teoretyczną a także:
1. Podać obliczenia sił wyciskania dla materiałów i warunków
stosowanych w części praktycznej,
2. Wykreślić siły wyciskania w zależności od drogi stempla oraz
dołączyć histogram z maszyny wytrzymałościowej,
3. Porównać i przeanalizować siły wyciskania obliczone oraz
wyznaczone w trakcie pomiarów,
4. Opisać wpływ odkształcenia na przebieg siły wyciskania w
funkcji drogi stempla
5. Uwagi oraz najważniejsze wnioski.
LITERATURA [1] Tychowski F.: „Siły w procesie wyciskania stali i
metali nieżelaznych, Obróbka Plastyczna. Zeszyty CLOP
Poznań 1960, t. II, nr 3. [2] Praca zbiorowa pod redakcją J.
Gronostajskiego, Obróbka Plastyczna Metali, PWr 1973.
