ĆWICZENIE NR VII

OBRÓBKA PLASTYCZNA BLACH

- TŁOCZENIE - KSZTAŁTOWANIE -

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z technologią tłoczenia - kształtowania, ze szczególnym uwzględnieniem wytłaczania. 2. Tematyka prac badawczych i technicznych • Pokaz przykładowych wyrobów otrzymywanych podczas tłoczenia - kształtowania. • Badanie wpływu siły docisku dociskacza na przebieg operacji wytłaczania dla wytłoczki

osiowo - symetrycznej. 3. Schemat metody badawczej

Rys.VII/1. Schemat wytłaczania za pomocą tłocznika z dociskaczem hydraulicznym: 1 - stempel, 2 - płyta ciągowa, 3 - płyta dociskacza, 4 - blacha, 5 - siłownik hydrauliczny, 6 - rozdzielacz

d1

g 0

s

rm

d

rs

D0

1

3

2

4

dw 5

6

p

dc

dt

p

4. Zalecenia 4.1. Przedstawienie wyników pomiarów Temat 1. Badania wpływu siły docisku dociskacza na przebieg operacji wytłaczania Tabela VII/1. Wyniki badań siły docisku dociskacza na przebieg operacji wytłaczania Gatunek i stan materiału badanego: ...................................................................................... Wymiary stempla i płyty ciągowej: ds = .......... mm d1 = ............ mm rs = ......... mm rm = ........ mm s = ......... mm Średnica cylindra siłownika: dc = ............... mm Średnica tłoczyska: dt = ............. mm Lp D0

mm g0

mm p

MPa Pd kN

q MPa

P kN

Szkic wytłoczki i uwagi dotyczące jakości wyrobu

1

2

3

4

5

Oznaczenia: g0 – grubość blachy, D0 – średnica krążka, s – szczelina, p – ciśnienie w układzie hydraulicznym tłocznika, Pd – siła docisku płyty dociskacza, q – nacisk jednostkowy płyty dociskacza

( )pdd4

2P 2t

2cd −π= ( )s1 dd

2

1s −=

( )[ ]2m1

20

d

r2dD

P4q

+−π=

4.2. Opracowanie wyników pomiarów

Zmierzone siły wytłaczania, obliczone wartości sił i nacisków jednostkowych dociskacza, szkice wytłoczek i uwagi dotyczące jakości wyrobów należy umieścić w tab. VII/1. Oczacować graniczny współczynnik wytłaczania (patrz ćw. IV, temat 4). 4.3. Wnioski

Wnioski winny dotyczyć wpływu siły docisku dociskacza Pd (lub nacisku jednostkowego q) na siłę wytłaczania P i jakość wyrobów. 5. Zagadnienia kontrolne • Procesy tłoczenia - kształtowania. • Charakterystyka wytłaczania, przetłaczania i wyciągania. • Stany naprężenia w kołnierzu, ściance i dnie wytłoczki podczas wytłaczania. • Definicje współczynników wytłaczania i przetłaczania oraz ich wartości graniczne. • Obliczanie wymiarów półwyrobów dla wytłoczek osiowo - symetrycznych i prostokątnych

oraz dobór liczby operacji. • Utrata stateczności blachy w procesach tłoczenia - kształtowania i dobór nacisku

dociskacza. • Czynniki wpływające na siłę wytłaczania i jakość wytłoczek. • Wpływ anizotropii płaskiej i normalnej blachy na przebieg procesów tłoczenia -

kształtowania. Uwaga: ostatnie zagadnienie - patrz ćwiczenie nr II.

6. Informacja merytoryczna 6.1. Procesy tłoczenia - kształtowania

Tłoczenie obejmuje szereg różnorodnych procesów obróbki plastycznej realizowanych głównie na zimno i stosowanych do rozdzielania, kształtowania i łączenia materiałów w postaci blach, folii i płyt (metalowych lub niemetalowych). Tłoczenie przeprowadza się za pomocą przyrządów zwanych tłocznikami, przeważnie na prasach mechanicznych lub hydraulicznych (konstrukcja tłoczników i dobór pras - patrz ćwicz. VIII). Ponieważ jeden z wymiarów (grubość) półwyrobu jest istotnie mniejszy od dwóch pozostałych - stan naprężenia (poza pewnymi wyjątkami) można uważać za płaski.

Procesy tłoczenia, podczas których nie dochodzi do rozdzielania materiału stanowią oddzielną grupę (tzw. tłoczenie - kształtowanie). Szczegółową klasyfikację i nazwy poszczególnych procesów tłoczenia - kształtowania można znaleźć m. in. w [3]. Rozróżnia je przede wszystkim występujący stan naprężenia. 6.1.1. Wytłaczanie i przetłaczanie (wytłoczki osiowo - symetryczne)

Podczas wytłaczania następuje przekształcenie płaskiego półwyrobu w powłokę trójwymiarową (wytłoczkę), której nie da się rozwinąć na płaszczyznę. Przykładowy schemat wytłaczania naczynia cylindrycznego z płaskiego krążka blachy pokazano na rys. VII/1. Pod działaniem stempla materiał ulega uplastycznieniu i stopniowo przemieszcza się wgłąb płyty ciągowej (rys. VII/2). Jak widać, strefa kontaktu materiału z płytą ciągową (tzw. kołnierz) jest oddzielona od strefy kontaktu ze stemplem powierzchnią swobodną. W czasie trwania procesu wymiary kołnierza i powierzchni swobodnej zmniejszają się, natomiast wzrasta obszar strefy kontaktu materiału ze stemplem. Składowe stanu naprężenia w kołnierzu i strefie swobodnej spełniają warunek:

0rr ≤σσ θθ (VII.1)

przy czym naprężenie obwodowe σθθ ≤ 0, a naprężenie promieniowe σrr ≥ 0 (rys. VII/3). Jeżeli zachodzi (VII.1), to warunek plastyczności Treski (osiowa symetria w płaskim stanie naprężenia) ma postać:

prr σ=σ−σ θθ (VII.2)

Na zewnętrznym promieniu kołnierza Rz: σrr = 0 (brak obciążeń), więc materiał podlega jednoosiowemu ściskaniu ( pσ−=σθθ ). Na promieniu wewnętrznym Rw = rs: σθθ = 0, czyli σrr

= σp. W ściance stan naprężeń przechodzi w dwuosiowe rozciąganie (podobnie jak podczas rozciągania pasma blachy o stałej szerokości). Stan dwuosiowego rozciągania panuje również w dnie wytłoczki. Dodatkowo na promieniu płyty ciągowej zachodzi gięcie blachy.

Rys. VII/2. Poszczególne fazy wytłaczania

g 0

rm s

d1+2rm

d1

ds

ds-2rs

D0

rs

a)

b)

c)

Rys. VII/3. Schemat stanu naprężenia oraz rozkłady naprężeń obwodowych σθθ i promieniowych σrr w kołnierzu i strefie swobodnej wytłoczki osiowo - symetrycznej

Warunkiem poprawnej realizacji wytłaczania jest, aby ścianka powstającej wytłoczki mogła w każdej chwili procesu przenieść niezbędne obciążenia. Nakłada to ograniczenie na stopień odkształcenia, który wyraża się umownie za pomocą tzw. współczynnika wytłaczania m1:

0

11 D

dm = (VII.3)

(ewentualnie zamiast średnicy d1 można wprowadzić średnicę średnią dśr (w połowie grubości

blachy: ( )s1śr dd2

1d += ). Jeżeli współczynnik m1 obliczony z (VII.3) jest większy od pewnej

wartości granicznej mgr :

grobl1 mm > (VII.4)

to proces przebiega prawidłowo. W przeciwnym przypadku dochodzi do silnego pocienienia ścianki i pęknęcia materiału w tzw. przekroju niebezpiecznym (w pobliżu przejścia części walcowej stempla w zaokrąglenie promieniem rs). Położenie tego przekroju zależy głównie od warunków tarcia panujących na stemplu. Wartość mgr zależy od rodzaju materiału, względnej grubości blachy g0/D0, względnych promieni zaokrągleń rs/g0 i rm/g0 oraz tarcia na stemplu, płycie dociskacza i płycie ciągowej. Odpowiednie zalecane wartości współczynnika m1,

σrr σθθ

σp

Rz =D0/2

r

Rw = rs

σrr

σθθ

zapewniające prawidłowy przebieg procesu wytłaczania podano w tab. VII/2 (dla materiałów o dobrej tłoczności, np. blach głębokotłocznych). Mniejsze wartości m1 należy stosować przy względnych promieniach zaokrągleń (rs/g0, rm/g0 = 8 - 15), większe - gdy rs/g0, rm/g0 = 4 - 8. Tabela VII/2. Zalecane wartości współczynników wytłaczania m1 dla materiałów o dobrej tłoczności [3] g0/D0*100 [%] 2 - 1,5 1,5 - 1,0 1,0 - 0,5 0,5 - 0, 2 0,2 - 0,06

m1 0,46 - 0,50 0,50 - 0,53 0,53 - 0,56 0,56 - 0,58 0,58 - 0,60

Jeżeli dane są wymiary wytłoczki (rys. VII/4), to można sprawdzić, czy możliwe jest jej wykonanie w operacji wytłaczania. Aby określić konkretną wartość m1 obl wg (VII.3) należy najpierw obliczyć średnicę krążka D0 z warunku stałej objętości:

∫ ==π

wF

wśr0

20 FggdFg

4

D (VII.5)

gdzie: Fw - powierzchnia wytłoczki, gśr - grubość średnia powłoki. Z analizy odkształceń wynika, że blacha ulega pogrubieniu w kołnierzu (gdzie działają ujemne naprężenia obwodowe) oraz pocienieniu w strefie swobodnej, ściankach i dnie. Wobec tego przyjmuje się w przybliżeniu, że gśr ≈ g0, a więc:

π

=π

=w

1obl1

w0

F2

dm

F2D (VII.6)

Powierzchnię dowolnej wytłoczki osiowo - symetrycznej można obliczyć stosując znane twierdzenia rachunku całkowego. Odpowiednie wzory dla różnych kształtów wytłoczek podają poradniki (np. [3]). Dla wytłoczki z rys. VII/4 powierzchnia Fw składa się z części walcowej (ścianka), wypukłej ćwiartki torusa (zaokrąglenie) i koła (dno), a więc:

( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]( ) ( ){ }( ) ( ) ( )( )[ ]2

1121

21

2111w

gr34grd42Hd4d4

gr8grgr2d24

gr2d4

)grHdF

+−π−+π−−+π

=++++−ππ++−π++−π= (VII.7)

( ) ( ) ( )( )2111

210 gr34grd42Hd4dD +−π−+π−−+= (VII.8)

( ) ( ) ( )( )2111

21

1obl1

gr34grd42Hd4d

dm

+−π−+π−−+= (VII.9)

Z (VII.8) po uwzględnieniu (VII.3) można otrzymać wysokość wytłoczki dla przyjętej wartości m1:

( )

+π−π−−+

π−+

−= gr

4

32d

d

gr

221

m

1d

4

1H 1

121

11 (VII.10)

Przykład 1. Jeżeli wymiary wytłoczki wynoszą: d1 = 50 mm, H1 = 50 mm, g0 = 1 mm oraz r = 9 mm, to: D0 = 108,16 mm, g0/D0 * 100 % = 0,925 %, m1 obl = 0,462. Porównując wartość m1 obl = 0,462 z zalecaną (0,53), wziętą z tabl. VII/2 dla g0/D0 * 100 % = 0,925 % - dochodzimy do wniosku, że próba wytłaczania może zakończyć się niepowodzeniem (pęknięciem wytłoczki w przekroju niebezpiecznym), gdyż 0,462 < 0,53.

Przykład 2. Zmniejszając wysokość wytłoczki H1 z przykładu 1 do 40 mm otrzymujemy: D0 = 98,48 mm, g0/D0 * 100 % = 1,015 %, m1 obl = 0,508. Tym razem wartość m1 obl = 0,508 jest większa od zalecanej (0,50) z tabl. VII/2 (dla g0/D0 * 100 % = 1,015 %), a więc wytłoczka może być wykonana. W obliczeniach przyjęto g = gśr = g0 i Fw wg (VII.7) jako powierzchnię zewnętrzną wytłoczki. Dla grubszych blach należy zamiast d1 przyjąć wartość (d1+ds)/2 oraz odpowiednio zamiast r + g - wartość r + g/2.

Naprężenia obwodowe (ściskające) w kołnierzu mogą stać się przyczyną utraty stateczności blachy (pofałdowania kołnierza) Zjawisko to (rys. VII/5) występuje przy małej grubości względnej blachy. W przybliżeniu można przyjąć, ze utrata stateczności wystąpi, gdy:

( )10

0 m15,4100*D

g−≤ (VII.11)

Powstawanie fałd rozpoczyna się na promieniu Rz, gdzie występuje jednoosiowe ściskanie w kierunku obwodowym. Utworzone fałdy przedostają się do szczeliny s pomiędzy stemplem i płytą ciągową. Może to spowodować zakleszczenie wytłoczki w szczelinie i jej zniszczenie lub pogorszenie jakości wyrobu. Przeciwdziałanie utracie stateczności polega na zastosowaniu dociskacza, wywierającego na kołnierz wytłoczki pewien średni nacisk jednostkowy q. Nacisk ten winien eliminować tworzenie fałd, a jednocześnie nie powinien wywoływać nadmiernego wzrostu naprężeń w ściance wytłoczki, aby nie doprowadzić do naruszenia spójności materiału (tarcie działające na powierzchniach kontaktu blachy z płytą ciągową i płytą dociskacza powoduje wzrost naprężeń w przekroju niebezpiecznym). Niezbędny nacisk jednostkowy dociskacza zależy od rodzaju materiału, współczynnika wytłaczania oraz względnej grubości blachy. Siłę docisku (dla wytłoczek cylindrycznych) oblicza się ze wzoru:

( )[ ]qr2dD4

qFP 2m1

20dd +−π== (VII.12)

d1

r H

g

Rys. VII/4. Wymiary wytłoczki cylindrycznej bez kołnierza

Rys. VII/5. Schemat utraty stateczności (pofałdowania) kołnierza wytłoczki wskutek działania naprężeń ściskających w kierunku obwodowym σθθ (a) i porównanie fragmentów kołnierza przy małej i dużej grubości względnej - może wystąpić utrata stateczności lub pogrubienie blachy (b); S - stempel, PC - płyta ciągowa Naciski jednostkowe q dla większości materiałów metalowych mieszczą się w granicach 1 - 3 MPa i można je wyznaczyć doświadczalnie lub odszukać w poradnikach (np. [3]). Dla miękkiej stali dobór nacisku q można przeprowadzić na podstawie przybliżonej zależności:

MPag

D2,1

m

102,0q

0

0

1

−≈ (VII.13)

Dla d1 = 50 mm, H = 40 mm, g0 = 1 mm, r = 9 mm i m1 = 0,508 (patrz wyżej) z (7.11), (VII.13) i (VII.12) otrzymujemy: g0/D0 * 100 % = 1,015 < 4,5(1 - m1) = 4,5(1 - 0,508) = 2,214 (dociskacz jest konieczny), q ≈ 1,48 MPa, Pd ≈ 5,76 kN.

Zwykle obciążenie dociskacza odpowiednio dobraną siłą jest realizowane przez dodatkowy suwak prasy podwójnego działania lub przez poduszkę powietrzną umieszczoną pod stołem prasy (rys. VII/6). Jeżeli względna grubość blachy jest większa niż to wynika z warunku (VII.11) - dociskacza nie stosuje się.

Szczelina s pomiędzy stemplem i płytą ciągową winna być większa od grubości blachy g0 ze względu na pogrubienie kołnierza (tabl. VII/3). Położenie szczeliny w ostatniej operacji zależy od sposobu wymiarowania wytłoczki. Jeżeli podany jest wymiar zewnętrzny, to szczelinę wykonuje się zmniejszając średnicę stempla. Gdy dany jest wymiar wewnętrzny, to powiększa się średnicę płyty ciągowej.

g 0

σθθ S

PC

a)

b)

σθθ

Rys. VII/6. Schemat wytłaczania z wykorzystaniem poduszki pneumatycznej do obciążenia płyty dociskacza: a) położenie początkowe, b) położenie końcowe i początek ruchu powrotnego; 1 - stempel, 2 - matryca, 3 - płyta dociskacza, 4 - popychacz, 5 - stół prasy, 6 - tłok poduszki pneumatycznej, 7 - cylinder, 8 - trzpień wyrzutnika górnego, 9 - suwak prasy, 10 - wytłoczka

3

4

2 10 1

5

6

7

p

8

9

a) b)

Tabela VII/3. Dane do określania szczeliny s pomiędzy stemplem i płytą ciągową (wg [3]) Pierwsze ciągnienie: s = g0 + δ + a (wytłoczki dokładne), lub: s = g0 + δ + (1,5 - 2)a Operacje pośrednie: s = g0 + δ + 2a (wytłoczki dokładne), lub: s = g0 + δ + (2,5 - 3)a Ostatnie ciągnienie: s = g0 + δ (wytłoczki dokładne), lub: s = g0 + δ + 2a δ - górna (dodatnia) odchyłka nominalnej grubości blachy g0.

g0, mm a, mm g0, mm a, mm 0,2 0,05 1,8 0,21 0,5 0,10 2,0 0,22 0,8 0,12 2,5 0,25 1,0 0,15 3,0 0,30 1,2 0,17 4,0 0,35 1,5 0,19 5,0 0,40

Maksymalną siłę na stemplu podczas wytłaczania można oszacować ze wzoru:

1m1max kgRdP π≈ (VII.14) gdzie: Rm - wytrzymałość na rozciąganie wytłaczanej blachy, k1 - współczynnik, zależny od względnej grubości blachy, względnych promieni zaokągleń krawędzi stempla i płyty ciągowej oraz od współczynnika wytłaczania. Przy minimalnych dopuszczalnych wartościach m1: k1 ≈ 1,0 - 1,1. Schemat zależności siły wytłaczania od drogi stempla pokazano na rys. VII/7.

Rys. VII/7. Typowa zależność siły od drogi stempla przy wytłaczaniu: a - prawidłowy przebieg procesu, b , c - zbyt mała szczelina lub siła dociskacza (pogrubiona lub pofałdowana część kołnierza zakleszcza się w szczelinie pomiędzy stemplem i płytą ciągową, co powoduje lokalny wzrost siły i może nawet doprowadzić do pęknięcia wytłoczki w przekroju niebezpiecznym)

Jeżeli wytłoczka jest za wysoka i nie może zostać wykonana w jednej operacji - to

najpierw stosuje się wytłaczanie przy zalecanym współczynniku m1. Otrzymaną wytłoczkę

Pt

S

Pmax

a

b

c

Pęknięcie

o średnicy większej i wysokości odpowiednio mniejszej od wymaganej poddaje się kolejnym operacjom przetłaczania (rys. VII/8). Wytłaczanie połączone z przetłaczaniem nosi nazwę ciągnienia wytłoczek.

Rys. VII/8. Schemat przetłaczania: 1 - stempel, 2 - matryca, 3 - dociskacz, 4 - wytłoczka przeznaczona do przetłaczania

Analogicznie jak przy wytłaczaniu definiuje się kolejne współczynniki mi:

1i

ii d

dm

−= (VII.15)

gdzie i = 2, 3, ... , n. Zalecane wartości współczynników przetłaczania mi podano w tab. VII/4. Kolejne średnice wytłoczki wynoszą:

∏ ∏=

−

=− ====

=====

n

2i

1nśr1

n

2ii10i1n1nn

3210321323

210212

mdmmDmdmdd

mmmDmmdmdd

mmDmdd

(VII.16)

di-1

dz

dw

di

rs

rm

ds

1

3

4

2

s

gdzie mśr oznacza średnią wartość współczynnika przetłaczania (i = 2, 3, ... , n). Tab. VII/4. Zalecane wartości współczynników przetłaczania dla materiałów o dobrej tłoczności [3] g0/D0*100 % 2 - 1,5 1,5 - 1,0 1,0 - 0,5 0,5 - 0, 2 0,2 - 0,06

m2 0,70 - 0,72 0,72 - 0,74 0,74 - 0,76 0,76 - 0,78 0,78 - 0,80 m3 0,72 - 0,74 0,74 - 0,76 0,76 - 0,78 0,78 - 0,80 0,80 - 0,82 m4 0,74 - 0,76 0,76 - 0,78 0,78 - 0,80 0,80 - 0,82 0,82 - 0,84 m5 0,76 - 0,78 0,78 - 0,80 0,80 - 0,82 0,82 - 0,84 0,84 - 0,86

Przykład 3. Jeżeli dn = 40 mm, H = 50 mm, g0 = 1 mm oraz r = 9 mm to: D0 = 94,11 mm

(wzór (VII.8)), g0/D0 * 100 % = 1,063 %, m1 = 0,50 (z tabl. VII/2), d1 = 47,05 (wzór (VII.2)), m2 = 0,72 (z tabl. VII/4), d2 = 33,88 mm. Ostatnia wartość d2 < dn, zatem wystarczy jedna operacja przetłaczania. Wartości współczynników m1 i m2 należy powiększyć w taki sposób, aby otrzymać dn = 40 mm, np. przyjmując: m1 = 0,551, m2 = 0,772, co daje: d1 = 51,85 mm i d2 = 40,03 mm ≈ d n.

Wykorzystując ostatni ze związków (VII.16) otrzymujemy wzór na liczbę operacji ciągnienia (jedna operacja wytłaczania i n - 1 operacji przetłaczania):

1mlog

dlogdlogn

śr

1n +−

= (VII.17)

Przykład 4. Jeżeli dn = 30 mm, H = 100 mm, g0 = 1 mm oraz r = 9 mm, to: D0 = 111,03

mm, g0/D0 * 100 % = 0,901 %, m1 = 0,53, d1 = 58,85 mm, m2 = 0,74, d2 = 43,55 mm, m3 = 0,76, d3 = 33.10 mm, m4 = 0,78, d4 = 25.81 mm < dn = 30 mm. Tym razem potrzebne są trzy operacje przetłaczania. Współczynniki m1 - m4 (wszystkie lub tylko niektóre z nich) należy powiększyć w taki sposób, aby ich iloczyn wynosił dn/D0 = 0,270, np. przyjmując: m1 = 0,55, m2 = 0,77, m3 = 0,79, m4 = 0,808. Po skorygowaniu współczynników odpowiednie średnice wytłoczek wynoszą: d1 = 61,07 mm, d2 = 47,02 mm, d3 = 37,15 mm i d4 = 30,02 mm. Wysokości wytłoczek po kolejnych operacjach wyznacza się ze wzoru:

( )

+π−π−−+

π−+

−

=

∏=

gr4

32d

d

gr

221

m

1d

4

1H i

i2

i

1jj

ii (VII.18)

(wzór (VII.10) jest szczególnym przypadkiem (VII.18) dla i = 1). Ostatecznie: H1 = 39,73 mm, H2 = 58,38 mm, H3 = 78,35 mm i H4 = 99,94 mm. Znajomość wysokości wytłoczek po poszczególnych operacjach jest niezbędna przy konstruowaniu tłoczników i doborze skoków suwaka prasy.

Jak widać, kolejne współczynniki przetłaczania (patrz tab. VII/4) są coraz większe, co oznacza, że odkształcenia możliwe do uzyskania zmniejszają się. Jest to skutek pogorszenia własności plastycznych materiału odkształcanego na zimno. Dla niektórych materiałów przy większej liczbie operacji konieczne staje się wyżarzanie międzyoperacyjne, które powoduje rekrystalizację i przywrócenie własności plastycznych.

Schemat ciągnienia wytłoczki cylindrycznej z kołnierzem przedstawiono na rys. VII/9.

Rys. VII/9. Schemat ciągnienia wytłoczki cylindrycznej z kołnierzem - kolejność operacji: 1 - wytłaczanie, 2, 3, ... , n - przetłaczanie bez zmiany szerokości kołnierza; część powierzchni wytłoczki zaznaczona linią pogrubioną jest podstawą do określenia umownego współczynnika wytłaczania mu (promienie zaokrągleń, wysokości i średnice liczone w środku grubości blachy)

Średnicę krążka wyjściowego określa się z zależności (dn i rn brane w środku grubości blachy):

( )( ) ( ) ( ) ( )[ ]( )[ ]2

nnnn

2nnnn

2nnnnn

2nn

2k

20

r8rr2d24

r8rr2d24

r2d4

r2Hdr2dD44

D

+−ππ+

+−+ππ+−π+−π++−π=π

(VII.19)

co daje:

( ) nnnn2k0 Hd4rd44DD +π−−= (VII.20)

Sprawdzenie, czy wytłoczka może być wykonana w jednej operacji wytłaczania przeprowadza się określając tzw. umowny współczynnik wytłaczania mu:

u

nu D

dm = (VII.21)

h n

r1

h 1

H1 r1

Hn

rn

rn dn

d2

d1

Dk

D0

1

2

n

gdzie umowną średnicę Du oblicza się biorąc pod uwagę część powierzchni wytłoczki zaznaczoną pogrubioną linią na rys. VII/9:

( ) ( ) ( )[ ]( )[ ]2

nnnn

2nnnnnnn

2nn

2u

r8rr2d24

r8rr2d24

r2Hdr2d44

D

+−ππ+

+−+ππ+−π+−π=π

(VII.22)

Na podstawie (VII.21) i (VII.22):

+−π++

=

n

n

n

n

n

n

oblu

d

r3

d

r4

d

H41

1m (VII.23)

Zalecane wartości mu w funkcji stosunku Dk/dn i względnej grubości blachy podano w tab. VII/5 (dla stali niskowęglowej). Tabela VII/5. Zalecane wartości umownych współczynników wytłaczania wytłoczek z kołnierzem dla stali niskowęglowej [3]

Dk/dn mu dla g0/D0*100 % 2 - 1,5 1,5 - 1,0 1,0 - 0,5 0,5 - 0, 2 0,2 - 0,06

Do 1,1 0,46 - 0,50 0,50 - 0,53 0,53 - 0,56 0,56 - 0,58 0,58 - 0,60 1,5 0,52 - 0,56 0,56 - 0,58 0,58 - 0,60 0,60 - 0,62 0,62 - 0,64 2,0 0,58 - 0,62 0,62 - 0,64 0,64 - 0,66 0,66 - 0,68 0,68 - 0,70 2,5 0,65 - 0,68 0,68 - 0,70 0,70 - 0,73 0,73 - 0,75 0,75 - 0,78 2,8 0,70 - 0,74 0,74 - 0, 78 0,78 - 0,80 0,80 - 0,82 0,82 - 0,85

Jeżeli współczynnik mu obl obliczony z (VII.23) jest większy niż to wynika z tabl. VII/5, to wytłoczkę można wykonać w jednej operacji. W przeciwnym przypadku wykonuje się wytłoczkę o wymaganej średnicy zewnętrznej kołnierza Dk i zalecanym współczynniku mu (np. z tab. VII/5), a więc:

u01 mDd = (VII.24) Głębokość wytłaczania wynika z (VII.20):

( ) 11

2k

20

1 r4d4

DDH π−+

−= (VII.25)

Kolejne średnice wynoszą:

1nśr1

n

2iiu0

n

2ii1n1nn

32u0321323

2u0212

mdmmDmdmdd

mmmDmmdmdd

mmDmdd

−

==− ∏∏ ====

=====

(VII.26)

gdzie współczynniki przetłaczania mi (i = 2, 3, ... , n) przyjmuje się jak dla wytloczek bez kołnierza (np. z tabl. VII/4). Wysokości poszczególnych wytłoczek wynikają ze wzoru:

( ) ii

2k

20

i r4d4

DDH π−+

−= (VII.27)

Jak widać, operacje przetłaczania aż do osiągnięcia ostatecznych wymiarów wytłoczki (i = 2, 3, ... , n) wykonuje się bez zmiany szerokości kołnierza (przy stałej średnicy Dk).

Przykład 5. Wymiary końcowe wytłoczki wynoszą: Dk = 100 mm, dn = 40 mm, Hn = 50 mm, rn = 9 mm, grubość blachy g0 = 1 mm (wymiary dn, Hn i rn podano w środku grubości blachy). Przyjmujemy jednakowe promienie zaokrągleń wszystkich stempli i płyt ciągowych. Wykonując odpowiednie obliczenia otzrymujemy: D0 = 129,48 mm (z (VII.20)), Dk/dn = 2,5, g/D0*100 % = 0,77 i mu obl = 0,397 (z (VII.23)). Ponieważ współczynnik mu obl jest mniejszy od zalecanej wartości (0,7) z tabl. VII/5, więc wytłaczanie należy wykonać na średnicę: d1 = 0,7 D0 = 90,63 mm (wzór (VII.24)) i głębokość H1 = 26,38 mm (wzór (VII.25)). Kolejne średnice wynoszą: d2 = 0,74 d1 = 67,07 mm, d3 = 0,76d2 = 50,97 mm, d4 = 0,78d3 = 39,76 mm < dn = 40 mm. Potrzebne są więc trzy operacje przetłaczania (kolejne współczynniki przetłaczania m2 = 0,74, m3 = 0,76 i m4 = 0,78 wzięto z tabl. VII/4). Jeżeli ostatni współczynnik powiększymy do wartości 0,78475, to otrzymamy dn = 40,00 mm. Odpowiednie wysokości wytłoczek wynoszą: H2 = 32,94 mm, H3 = 40,90 mm i H4 = 50,00 mm (wzór (VII.27)).

Należy dodać, że w przypadku ciągnienia wytłoczek z blachy wykazującej anizotropię płaską, wysokość wyrobu może być różna w różnych częściach obwodu (patrz ćw. II). Trzeba więc liczyć się z koniecznością zastosowania okrawania, w celu wyrównania wysokości i przewidzieć odpowiedni naddatek. Wysokość wytłoczki we wszelkich obliczeniach przyjmuje się więc z uwzględnieniem naddatku na okrawanie.

Wytłoczki z małymi promieniami zaokrągleń wymagają dodatkowej operacji dotłaczania, w której uzyskuje się ostateczne zmniejszone promienie. 6.1.2. Ciągnienie wytłoczek o zarysie prostokątnym

Oprócz zaokrągleń przy dnie i kołnierzu wytłoczki o zarysie prostokątnym mają naroża zaokrąglone o promieniu rN (rys. VII/10). Liczba operacji ciągnienia oraz sposób określania kształtu i wymiarów płaskiego półwyrobu są uzależnione od trzech parametrów ciągnienia, związanych z wymiarami wytłoczki: • względnej wysokości H/B, • względnego promienia zaokrąglenia naroży rN/B, rN/(B-H), • względnej grubości blachy g0/2R (R jest promieniem zaokrąglenia naroża płaskiego

półwyrobu). Informacje dotyczące wyznaczania kształtu i wymiarów półwyrobu oraz liczby operacji

dla wytłoczek prostokątnych z kołnierzem i bez kołnierza można znaleźć w poradnikach (np. [3]). Sposób postępowania przy konstruowaniu półwyrobu dla niskiej (H/B = 0,3) wytłoczki prostokątnej bez kołnierza przedstawia rys. VII/11. Wymiar l wynika z rozwinięcia ścianek bocznych na płaszczyznę i wynosi:

−π+= 12

rHl d (VII.28)

Rys. VII/10. Podstawowe wymiary wytłoczki o zarysie prostokątnym bez kołnierza Promień R oblicza się jak dla wytłoczki o promieniu rN (porównaj ze wzorem (VII.8)):

( ) ( )[ ]dNdN2N r3r4rHr2rR −π+π−−+= (VII.29)

Współczynniki ciągnienia definiuje się jako stosunki długości odpowiednich obwodów:

1i

ii

0

11

l

lm

L

lm

−=

= (VII.30)

gdzie: L0 - długość obwodu płaskiego półwyrobu, l1 - długość obwodu wytłoczki po pierwszej operacji, li - długości obwodów wytłoczek po kolejnych operacjach (i = 2, 3, ... , n). Zalecane wartości współczynników ciągnienia przyjmuje się podobne jak dla wytłoczek cylindrycznych. Wzory (VII.28) - (VII.30) napisano dla wysokości H, promieni rd i rN oraz obwodów wytłoczek liczonych w środku grubości blachy.

Nieco inny tok postępowania obowiązuje przy projektowaniu półwyrobów dla wysokich wytłoczek, wymagających wielooperacyjnego ciągnienia (patrz np. [3]). W szczególności przy B ≈ A i dużym względnym promieniu zaokrąglenia naroża można stosować półwyroby w kształcie koła, a dla B ≠ A - półwyroby owalne. Związki (VII.28) - (VII.30) można także stosować dla wytłoczek wielokątnych. Dalsze uwagi na ten temat można znaleźć w p. 6.1.3.1.

H

B

g

rd

A

rN

Rys. VII/11. Konstrukcja półwyrobu do wytłaczania niskich naczyń prostokątnych bez kołnierza z małym promieniem rN *6.1.3. Ciągnienie wytłoczek złożonych kształtach

6.1.3.1. Wytłoczki osiowo - symetryczne

Ciągnienie wytłoczek o kształcie półkulistym, parabolicznym i stożkowym stwarza duże trudności, zwłaszcza przy małej względnej grubości blachy. Jest to spowodowane możliwą utratą stateczności materiału (pofałdowaniem) w obrębie szerokiej strefy swobodnej, która nie ma kontaktu z dociskaczem. Powoduje to konieczność wykonywania wstępnych wytłoczek o kształcie innym niż wymagany i stosowanie dodatkowych operacji. Przykładowo, wytłoczki stożkowe wykonuje się jako cylindryczne z kilkoma stopniami wysokości i następnie dotłacza się je, uzyskując ostateczny kształt stożkowy. Zapobieganie utracie stateczności przy ciągnieniu wytłoczek półkulistych i parabolicznych

s

s

rd

rn

R

f

f

R

l

H

d

oraz o podobnych kształtach polega na stosowaniu silnego docisku materiału oraz tzw. żeber (progów) i listew ciągowych (rys. VII/12). Powoduje to zwiększenie naprężeń rozciągających (promieniowych), a tym samym (patrz warunek plastyczności (VII.2)) obniżenie (co do wartości bezwzględnej) naprężeń ściskających (obwodowych), które wywołują utratę stateczności (fałdowanie materiału) w strefie swobodnej. Silne rozciąganie blachy wymaga podwyższenia współczynników ciągnienia, przez co zwiększa się liczba operacji.

Rys. VII/12. Żebro ciągowe wykonane na płycie ciągowej (a) i listwa ciągowa osadzona w dociskaczu (b) 6.1.3.1. Wytłoczki o dowolnym kształcie Podczas ciągnienia wytłoczek o dowolnym kształcie wzdłuż obwodu występują nierównomierne odkształcenia. Żebra, względnie listwy ciągowe (pojedyncze lub wielokrotne) stosuje się zwykle tylko na pewnych odcinkach obwodu, zwłaszcza wzdłuż dłuższych prostoliniowych boków oraz większych łuków i dużych promieni naroży. Kształt półwyrobu określa się w przybliżeniu, ustalając maksymalne i minimalne wymiary na podstawie rozwinięć na płaszczyznę wzdłuż odpowiednich kierunków. Dokładne określenie kształtu i wymiarów materiału wstępnego oraz przebiegu odkształceń, rozkładu grubości blachy, a także przewidywanie zjawisk utraty stateczności i dekohezji wymaga przeprowadzenia modelowania matematycznego procesu z wykorzystaniem

Dociskacz

Płyta ciągowa Stempel

Listwa ciągowa

Żebro ciągowe a)

b)

metody elementów skończonych [4]. W obliczeniach uwzględnia się rzeczywiste własności materiału blachy (wzmocnienie, anizotropia) oraz panujące warunki tarcia. Możliwe jest przewidywanie zmiany kształtu wytłoczek po zdjęciu obciążenia (sprążynowanie) oraz po końcowym obcinaniu brzegów. Bez zastosowania modelowania komputerowego konieczne są badania doświadczalne z zastosowaniem tłoczników próbnych, co podwyższa koszty i wydłuża czas przygotowania produkcji nowych wytłoczek.

Wytłoczki niesymetryczne mogą być wykonywane jako zdwojone, przez co otrzymuje się jedną wytłoczkę symetryczną, którą następnie rozcina się. *6.1.4. Ciągnienie z pocienianiem ścianki (wyciąganie, przetłaczanie z wyciąganiem) Podczas ciągnienia z pocienianiem ścianki (rys. VII/13) następuje celowe zmniejszenie grubości ścianki wytłoczki (szczelina s jest mniejsza od grubości blachy gn-1 przed daną operacją), przy czym zmiana średnicy zewnętrznej dn-1 jest niewielka. Miarą odksztłcenia jest wydłużenie rzeczywiste ścianki:

n

1nn F

Fln −=ϕ (VII.31)

lub względny ubytek przekroju:

n1n

n

1n

n1n

1n

n1nn m1

g

g1

g

gg

F

FF−=−=

−≈

−=ε

−−

−

−

− (VII.32)

gdzie Fn-1, Fn - powierzchnie przekrojów poprzecznych przez ścianki wytłoczki przed i po danej operacji wyciągania, mn - współczynnik pocienienia. Sprawdzenie możliwości wyciągania (bez zerwania ścianki) oraz określenie liczby operacji przeprowadza się analogicznie jak przy wytłaczaniu i przetłaczaniu, porównując odpowiednie wskaźniki odkształceń z dopuszczalnymi. Względne ubytki przekroju winny być mniejsze lub równe a współczynniki pocienienia większe lub równe od dopuszczalnych (tabl. VII/6). Tabela VII/6. Średnie dopuszczalne wartości względnych ubytków przekroju i współczynników pocienienia [3]

Materiał n = 1 n > 1 εn mn εn mn

Stal miękka 0,55 - 0,60 0,45 - 0,40 0,35 - 0,45 0,65 - 0,55 Mosiądz 0,60 - 0,70 0,40 - 0,30 0,50 - 0,60 0,50 - 0,40 Aluminium 0,60 - 0,65 0,40 - 0,35 0,40 - 0,50 0,60 - 0,50

Korzystając z (VII.32) można napisać:

1k

k32

1k

k32k

1k

3

2

2

1

1

1

1

1...

1

1

1

1

m

1

m

1...

m

1

m

1

g

g...

g

g

g

g −−−

ε−=

ε−ε−ε−=

== (VII.33)

gdzie m i ε są średnimi wartościami mn i εn dla k ≥ n ≥ 2. Ostatecznie liczbę operacji k określa wzór:

1

1

1log

glogglog1

m

1log

glogglogk k1k1 +

ε−

−=+

−= (VII.34)

Rys. VII/13. Ciągnienie z pocienianiem ścianki (wyciąganie): 1 - stempel, 2 - matryca, 3 - pierścień centrujący, 4 - wytłoczka poddana wyciąganiu

Wyciąganie jest efektywnym sposobem kształtowania wysokich cienkościennych wytłoczek i może być realizowane za pomocą jednego długiego stempla w kilku matrycach o coraz mniejszych średnicach ustawionych jedna za drugą w odpowiednich odstępach. Przy większej liczbie operacji może zachodzić konieczność wyżarzania międzyoperacyjnego. *6.1.5. Przewijanie (przetłaczanie z przewijaniem)

Schemat przewijania pokazano na rys. VII/14. Jak widać, powierzchnia zewnętrzna wytłoczki zamienia się na zewnętrzną. Sposób ten jest stosowany do przetłaczania wytłoczek o dużych średnicach przy małej grubości ścianek oraz do jednoczesnego wytłaczania stemplem drążonym i przewijania na prasach podwójnego działania (rys. VII/15).

gn-1

s

gn

dn-1

dn

rs

l k

1 4 3

2

*6.1.6. Inne operacje tłoczenia - kształtowania

Oprócz omówionych wyżej, do ważniejszych operacji tłoczenia - kształtowania zalicza się: • gięcie, • rozciąganie na wzornikach (gięcie z rozciąganiem), • rozpęczanie, • obciskanie, • kształtowanie miejscowe (np. wywijanie obrzeży wytłoczek oraz krawędzi otworów,

kształtowanie wgłębień i rowków usztywniających itp.), • dotłaczanie i kalibrowanie wytłoczek, • operacje łączenia.

1

3

2

4

a)

b)

rm

rs

ds

s

dn

dn-1

Rys. VII/15. Połączenie wytłaczania z przewijaniem na prasie podwójnego działania: a) wytłaczanie górnym stemplem drążonym (1), b) przewijanie dolnym stemplem (2); 3 - dociskacz, 4 - płyta ciągowa, 5 - wytłoczka

Gięcie szerokich pasm blach przebiega w warunkach zbliżonych do płaskiego stanu odkształcenia, przy czym od strony wklęsłej występuje strefa naprężeń ściskających, od strony wypukłej natomiast - strefa naprężeń rozciągających. Strefy te są oddzielone od siebie tzw. warstwą obojętną (rys.VII/16). Kąt gięcia α oraz kąt ϕ zginanego odcinka pasma blachy spełniają związek:

α−π=ϕ (VII.35) Długość warstwy obojętnej lo w zginanym odcinku określa wzór:

( )xgrl o +ϕ≈ (VII.36)

gdzie: r - wewnętrzny promień gięcia, g - grubość blachy, x - współczynnik zależny od stosunku r/g (x zmienia się od ok. 0,3 dla r/g = 0,1 do 0,5 dla r/g = 10). Ponieważ promień krzywizny warstwy obojętnej r0 nie jest stały wzdłuż linii gięcia, więc związek (VII.36) określa przybliżoną długość warstwy obojętnej. Wartości współczynnika x można znaleźć w poradnikach (np. [3]). W strefie gięcia blacha ulega pocienieniu. Typowe przypadki gięcia blach pokazano na rys. VII/17. Calkowitą długość L pasma wyginanego na dowolny kształt wyznacza się przez rozwinięcie na płaszczyznę:

( )∑ ∑= =

+ϕ+=k

1i

n

1jjjji gxrlL (VII.37)

gdzie li - długości prostoliniowych odcinków giętego pasma, ϕj - kąty zginanych odcinków z promieniami gięcia rj, xj - współczynniki określające położenia warstw obojętnych w poszczególnych zginanych odcinkach.

2

3

1

4 5

a) b)

Rys. VII/16. Rozkład naprężeń przy gięciu pasma blachy z uwzględnieniem wzmocnienia (a) oraz kąt gięcia α i kąt zginanego odcinka blachy ϕ (b)

Wartości minimalnych dopuszczalnych promieni gięcia są uzależnione od własności plastycznych materiału, a także od usytuowania linii gięcia względem kierunku walcowania blachy.

Po zakończeniu gięcia występuje sprężyste odkształcenie powrotne (tzw. sprężynowanie), powodujące zmianę kąta gięcia. Przy gięciu swobodnym bez dotłaczania kształtu „V” kąt sprężynowania β > 0, co oznacza, że kąt gięcia α zwiększa się po zdjęciu obciążenia do wartości α1:

β+α=α 21 (VII.38)

Kąt sprężynowania β rośnie wraz ze wzrostem stosunku granicy plastyczności do modułu sprężystości materiału (Rp/E), odległości krawędzi oporowych matrycy oraz r/g. Kompensację sprężystych odkształceń powrotnych uzyskuje się stosując dotłaczanie lub korekcję kąta gięcia, względnie dotłaczanie boczne (dodatkowe doginanie ścianek bocznych) przy gięciu kształtu „C”. Gięcie blach wykonuje się na prasach mechanicznych i hydraulicznych, stosując odpowiednie przyrządy do gięcia. Przy długich liniach gięcia wykorzystuje się specjalne prasy krawędziowe.

Schemat gięcia z rozciąganiem przedstawiono na rys. VII/18. Sposób ten znajduje zastosowanie do kształtowania powłok z cienkiej blachy z pojedynczą lub podwójną krzywizną przy dużych promieniach i pozwala na ograniczenie kątów sprężynowania. Dopuszczalny współczynnik wydłużenia określany jako stosunek długości najbardziej rozciągniętego odcinka blacy do odpowiedniej długości początkowej wynosi ok. 1,03 - 1,08 (dla jednej operacji). Gięcie z rozciąganiem przeprowadza się zazwyczaj na prasach hydraulicznych stosując dodatkowe oprzyrządowanie.

x

g1

α

ϕ

r 0 g

r

z

y

Strefa naprężeń rozciągających

Strefa naprężeń ściskających

Warstwa obojętna

a)

b)

M

Rys. VII/17. Typowe przypadki gięcia blach: a - kształt „V”, b) - kształt „C”; 1 - stempel, 2 - matryca, 3 - dociskacz, 4 - nieprawidłowy przebieg gięcia przy zbyt małej sile docisku dociskacza Pd

Rys. VII/18. Schemat gięcia z rozciąganiem: 1 - stempel (wzornik), 2 - uchwyty, 3 - pasmo blachy; strzałki pokazują kierunki działających sił

a) b)

Pd

1

2 3

4

2

1

2

3

Rozpęczanie stosuje się w celu miejscowego powiększenia średnicy wytłoczki. Wytłoczkę umieszczoną w dzielonej matrycy (rys. VII/19) poddaje się rozpęczaniu z wykorzystaniem gumowego stempla, ciśnienia cieczy (gazu), względnie ciśnienia wytwarzanego podczas spalania materiału wybuchowego o działaniu miotającym lub mieszanki paliwowo - powietrznej (po umieszczeniu przyrządu w komorze zamkniętej). Zamiast stempla gumowego można stosować stempel składający się z kilku segmentów rozsuwanych za pomocą centralnego trzpienia stożkowego. W rozpęczanej strefie wytłoczki występuje dwuosiowe rozciąganie. Stosunek średnic d1/d0 nie może przekraczać wartości granicznej, która wynosi (dla jednej operacji) ok. 1,1 - 1,2 (inaczej nastąpi pęknięcie ścianki wytłoczki).

Rys. VII/19. Wytłoczka rozpęczana w dzielonej matrycy (ciśnieniem cieczy, gumowym stemplem itp.): 1 - połówki dzielonej matrycy, 2 - obudowa, 3 - wytłoczka przed rozpęczaniem, 4 - wytłoczka po rozpęczaniu

Obciskanie (rys. VII/20) polega na zmniejszeniu (lokalnym) średnicy wytłoczki. W strefie odkształcanej występuje dwuosiowe ściskanie. Odkształcenie możliwe do uzyskania w jednej operacji obciskania jest ograniczone, gdyż siłę obciskania przenoszą ścianki wytłoczki. Wobec tego przy zbyt dużych odkształceniach (dla małych wartości d1/d0) może wystąpić utrata stateczności lub uplastycznienie ścianki w niewłaściwym miejscu. Przy wytłoczkach z cienkich blach utrata stateczności (fałdowanie) może pojawić się także w strefie poddanej obciskaniu.

Schematy wywijania krawędzi otworów przedstawiają rysunki VII/21 i VII/22. Operację tę stosuje się często w celu umożliwienia wykonania gwintu w otworze.

Więcej informacji o wyżej wymienionych procesach tłoczenia - kształtowania można znaleźć w [3].

d1

d0

1

3

4

2

Rys. VII/20. Obciskanie (a) oraz obciskanie z przewijaniem (b): 1 - matryce; ścianki wytłoczek (2) przenoszą siłę obciskania - zbyt duża siła występująca w procesie może wywołać utratę stateczności ścianek lub odkształcenia plastyczne w niewłaściwym miejscu, co nakłada ograniczenie na wartość odkształcenia możliwego do realizacji

Rys. VII/21. Schemat wywijania krawędzi otworu bez pocieniania ścianki: z małą (a) i dużą szczeliną s (b): 1 - stempel, 2 - materiał, 3 - matryca

d1 d1

d0 d0

a) b)

2

1

s s

dm

dm

d0

ds a) b) 1

3 2

Rys. VII/22. Schemat wywijania obrzeża otworu z pocienianiem ścianki: 1 - stempel stopniowany, 2 - matryca, 3 - dociskacz, 4 – materiał kształtowany *6.1.7. Specjalne metody tłoczenia - kształtowania

Istnieje szereg metod tłoczenia - kształtowania o specjalnym przeznaczeniu, które wykorzystuje się w przypadkach, gdy konwencjonalne metody nie są efektywne. Dotyczy to zwłaszcza warunków produkcji jednostkowej i małych serii wyrobów o specyficznych kształtach lub wykonywanych z materiałów o niskiej tłoczności. Zastosowanie specjalnych metod tłoczenia - kształtowania pozwala na obniżenie kosztów wykonania tłoczników, w których jeden z elementów (stempel lub matryca) staje się zbędny, a jego działanie zastępuje ciśnienie wywierane na powierzchnię blachy za pośrednictwem ośrodka ciekłego, gazowego lub stałego (sypkiego, względnie w postaci gumy lub tworzywa sztucznego). Wykorzystuje się również oddziaływanie pola elektromagnetycznego na materiał kształtowany. Ciągnienie materiałów o małej tłoczności (np. stopów tytanu i magnezu) wymaga zastosowania specyficznych warunków: nagrzewania kołnierza w celu zwiększenia jego plastyczności (za pomocą podgrzewanej elektrycznie płyty dociskacza) oraz ewentualnego chłodzenia stempla (w celu podwyższenia wytrzymałości materiału w przekroju niebezpiecznym). W dalszym ciągu omówimy krótko wybrane specjalne metody tłoczenia - kształtowania. Dalsze informacje można znaleźć w [3]. 6.1.7.1. Tłoczenie - kształtowanie z wysokomi prędkościami odkształcenia

W procesach tłoczenia - kształtowania z wysokomi prędkościami odkształcenia wykorzystuje się: • energię fali uderzeniowej powstającej przy detonacji materiałów wybuchowych kruszących lub

podczas wyładowania elektrycznego, • ciśnienie wytwarzane podczas spalania materiałów wybuchowych miotających lub mieszanek

gazowych i paliwowo - powietrznych, • energię pola elektromagnetycznego.

s2 s3

s1

1

3

4

2

Tłoczenie z wykorzystaniem ładunków kruszących lub miotających nazywa się tłoczeniem wybuchowym. Ładunki kruszące (np. trotyl) stosuje się przy kształtowaniu wyrobów o dużych i bardzo dużych gabarytach (nawet do kilku metrów) z grubych blach i materiałów o wysokiej wytrzymałości, np. elementów dużych zbiorników ciśnieniowych (dennic), rakiet kosmicznych itp., zwykle w produkcji jednostkowej lub przy niewielkich seriach. Ośrodki, w których powstaje fala uderzeniowa, mogą być gazowe, ciekłe lub sypkie. Kształtowanie odbywa się na wolnym powietrzu lub w zbiornikach wodnych otwartych, w oddaleniu od zabudowań (np. na poligonach wojskowych). Jedynym elementem tłocznika jest matryca (zwykle metalowa lub żelbetowa z wykładziną kompozytową), rolę stempla spełnia ciśnienie na froncie fali uderzeniowej (rys. VII/23). Istotną rolę odgrywa masa ładunku, jego ukształtowanie oraz usytuowanie względem powierzchni półwyrobu i głębokość zanurzenia H. Czynniki te wpływają na wartość energii efektywnej (wywołującej odkształcenie plastyczne) i kształt czoła fali uderzeniowej. Kształtowanie na gorąco jest możliwe przy zastosowaniu sypkiego ośrodka przenoszącego energię wybuchu (np. piasku).

Rys. VII/23. Schemat tłoczenia wybuchowego w zbiorniku wodnym: 1 - matryca z otworami odpowietrzającymi, 2 - dociskacz, 3 - ładunek kruszący, 4 - materiał kształtowany, 5 - przewód odprowadzający powietrze do pompy próżniowej, H - głębokość zanurzenia ładunku

Do kształtowania wyrobów o małych i średnich wymiarach oraz kształcie trudnym do otrzymania

w konwencjonalnych operacjach tłoczenia - kształtowania wykorzystuje się energię spalania wybuchowego materiałów miotających (prochów) lub mieszanek gazowych i paliwowo - powietrznych, zwlaszcza w operacjach rozpęczania i obciskania. Półwyrób umieszcza się w dzielonej matrycy (jak na rys. (VII/19)) w pojemniku zamkniętym. Przy użyciu materiałów prochowych uzyskiwane ciśnienie wzrasta wraz ze wzrostem tzw. gęstości ładowania (stosunku masy ładunku do objętości komory spalania).

Tłoczenie wybuchowe stosuje się także do spajania i platerowania blach.

H

2 4 1 3

5

Tłoczenie elektrohydrauliczne przebiega podobnie jak tłoczenie wybuchowe ładunkami kruszącymi, przy czym fala uderzeniowa powstaje wskutek wyładowania elektrycznego dużej mocy w cieczy dielektrycznej.

Podczas tłoczenia elektromagnetycznego krótkotrwały impuls prądu przepływającego przez induktor wytwarza impuls pola elektromagnetycznego o dużym natężeniu, co powoduje powstanie w materiale kształtowanym prądów wirowych. W efekcie powstaje siła oddziaływania powodująca odpychanie materiału od induktora. Ciśnienie działające na powierzchnię blachy może osiągać wartości rzędu kilkuset do kilku tysięcy MPa. Półwyrób zderza się z matrycą z prędkością ok. 300 - 400 m/s. Zastosowanie tłoczenia elektromagnetycznego jest podobne jak tłoczenia z wykorzystaniem materiałów miotających, mieszanek gazowych i paliwowo - powietrznych. Osiąga się dużą dokładność wyrobów i wydajność. Istnieją możliwości automatyzacji procesu. W pewnych przypadkach stosuje się kilka impulsów prądu, przy czym pierwsze z nich są używane do podgrzania materiału w celu podwyższenia własności plastycznych.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że przy dużych prędkościach odkształcenia własności plastyczne kształtowanych materiałów ulegają na ogół obniżeniu. Zatem przy omawianych metodach tłoczenia z dużymi prędkościami - dopuszczalne odkształcenia są zwykle mniejsze niż w metodach konwencjonalnych. 6.1.7.2. Tłoczenie hydrauliczne

W procesach tłoczenia hydraulicznego wykorzystuje się ciśnienie cieczy działające na powierzchnię blachy bezpośrednio lub poprzez gumową przeponę. Ciecz może spełniać rolę stempla, wtłaczając półwyrób do matrycy, względnie zastępować działanie matrycy, obciskając blachę na stemplu. Tłoczenie przeprowadza się na prasach hydraulicznych specjalnych lub posiadających odpowiednie wyposażenie. W pewnych przypadkach tłoczenie hydrauliczne może być realizowane bez udziału prasy - ciecz pod ciśnieniem pompuje się do wnętrza specjalnego pojemnika gumowego, umieszczonego pomiędzy dwoma sztywnymi płytami, połączonymi ze sobą. Matryca wraz z kształtowaną blachą jest umieszczona pod pojemnikiem z cieczą na dolnej płycie urządzenia.

Na rys. VII/24 przedstawiono schemat tzw. tłoczenia (ciągnienia) hydromechanicznego, stosowanego do głębokiego ciągnienia powłok o kształtach półkulistych, parabolicznych, walcowych, stożkowych itp. Ciśnienie cieczy powoduje obciskanie blachy na stemplu, co zapobiega utracie stateczności. Przy odpowiednim doborze ciśnienia możliwe jest wykonywanie głębokich wytłoczek w jednej w jednej operacji.

7. Literatura 1. S. Erbel, K. Kuczyński, Z. Marciniak: Obróbka plastyczna. PWN, Warszawa 1981 2. M. Morawiecki, L. Sadok, E. Wosiek: Przeróbka plastyczna. Podstawy teoretyczne. Wyd.

„Śląsk”, Katowice 1986 3. W. P. Romanowski: Poradnik obróbki plastycznej na zimno. WNT, Warszawa 1976 4. Z. Zimniak: System projektowania technologii trójwymiarowego tłoczenia blach.

Projekty badawcze z zakresu przeróbki plastycznej, metaloznawstwa i technologii spiekowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997

Rys. VII/24. Tłoczenie hydromechaniczne - kolejne fazy procesu (a, b, c): 1 - stempel, 2 - pierścień ciągowy, 3 - dociskacz, 4 - komora ciśnieniowa, 5 - blacha, 6 - uszczelnienia, 7 - wyłącznik ciśnienia (zawór przelewowy) , 8 - elektromagnetyczny zawór sterujący, 9 - zawór zwrotny, 10 - akumulator

a)

b) c)

1

3

2

4

6

5

7

8 9

10

p