Upload
mate-rodo-gadza
View
274
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
tehno
Citation preview
Oblikovanjedeformiranjem
Uvod U većini (inženjerskih) strojarskih pristupa pojam deformacija ima negativnu konotaciju i nastoji se izbjeći.
Uglavnom se radi o reverzibilnim deformacijama u području elastičnosti, koje prate Hookeov zakon
� � � ⋅ �
i Poissonov zakon o deformaciji dimenzija okomitih na smjer opterećenje
� � � ⋅ �
Tehnologije obrade deformiranjem baziraju se na plastičnim deformacijama koje nastaju iza elastičnih,
kada naprezanje pređe graničnu vrijednost elastičnih deformacija. Osnovna karakteristika plastičnih deformacija je
ireverzibilnost, a one uz to poboljšavaju mehanička svojstva (što je posebno važno za dinamički opterećene strojne
dijelove).
Tehnologije obradom deformiranjem u zadnjih 50 godina povisile su udio u industriji preko 6 puta, na preko
60%. Povećanje primjene uvjetovano je razvojem tehnologija, a on je omogućen znanstvenim pristupom
proučavanja problema u proizvodnji. Za ovu svrhu koriste se različiti modeli i idealizacije ograničenih, ali za primjenu
dovoljnih točnosti.
Tehničko ekonomske karakteristike oblikovanja deformiranjem
- Velika produktivnost
- Ujednačene dimenzije i oblik izratka
- Ujednačenost fizikalno – mehaničkih svojstava
- Kvaliteta (� � 0,002⋯0,003��)
- Minimalan gubitak materijala
- Poboljšanje mehaničkih svojstava
- Kratko vrijeme izrade
- Smanjenje troškova proizvodnje
- Energetski povoljan proces
- Mogućnost automatizacije i robotizacije proizvodnje
Metode koje se koriste u rješavanju problema
- Elementarna metoda plastičnosti
- Metoda mreže
- Metoda vizioplastičnosti
- Metoda modeliranja
- Metoda kliznih linija
- Metoda gornje granice
- Metoda konačnih elemenata
- Metoda rubnih elemenata
- Metoda konačnih volumena
Fizikalne osnove oblikovanja deformiranjem Pri skrućivanju taline metala pojavljuju se klice kristalizacije oko kojih rastu kristalna zrna, najbrže u smjeru
gdje je raspored atoma najgušći. Na mjestu dodira zrna (granice zrna) izlučuju se nemetalni uključci, prazna mjesta i
atomi elemenata nižeg tališta. To utječe na mehanička svojstva, pa je materijal na razini kristalne rešetke
anizotropan. Budući da je raspored kristalnih zrna (osim u posebnim uvjetima) slučajan, postoje prosječna svojstva
te se materijal ponaša kao izotropno tijelo. Zbog toga se polikristalna tijela nazivaju kvazi-izotropnim tijelima.
Vanjske sile remete postignutu ravnotežu sila među atomima unutar kristalne rešetke. Kako bi se postigla
nova ravnoteža atomi se pomiču, a ako je vanjska sila dovoljnog iznosa nakon rasterećenja ne dolazi do povratka
atoma na prvobitne položaje. Iz toga slijedi definicija: Plastična deformacija rezultira trajnim pomakom dijelova i
čestica u odnosu na prvobitne pozicije, a materijal ostaje kompaktan s izuzetkom promjena u mikrostrukturi.
Većina najvažnijih metala kristalizira u plošno ili prostorno centriranom kubnom, te u gusto slaganom
heksagonskom sustavu.
Svaki od ovih sustava ima ravnine najgušće slaganih atoma, klizne ravnine. Za deformaciju po ovim ravninama
potrebno je najmanje energije, a deformacije izazivaju isključivo smične komponente naprezanja. Iz toga slijed
definicija: Plastična deformacija je klizanje po kliznim ravninama. Kubni kristalni sustavi imaju više kliznih ravnina i
kliznih pravaca (pravci s najmanjim odstojanjem atoma) u odnosu na heksagonske, pa su metali koji kristaliziraju u
kubnim sustavima deformabilniji.
Budući da u kristalnim ravninama postoje dislokacije, nesavršenosti kristalne strukture, oko njih su niža
mehanička svojstva. Zbog toga ih kroz kristal može protjerati sila koja bi bila preslaba za izazivanje deformacije u
savršenom kristalu. Iz toga slijedi definicija: Plastična deformacija je gibanje dislokacija kroz rešetku izazvano
smičnim naprezanjem. Kada bi kristali materijala bili savršeni, sile potrebne za deformacije bile bi 100 do 1000 puta
veće. Nedeformirani materijali imaju ~10��/���, a deformirani 10��⋯10���/���. Do loma materijala dolazi
zbog gomilanja dislokacija.
U teorijskom proučavanju problema tehnologije oblikovanja deformiranje u obzir se uzimaju Troscina i HMH
teorija čvrstoće. Prema Troscinoj teoriji maksimalnih smičnih deformacija do trajnih deformacija kada u troosno
napregnutom sustavu vrijednost maksimalnog smičnog naprezanja dostigne vrijednost graničnog smičnog
naprezanja u uvjetima jednoosnog naprezanja. Prema HMH teoriji energije deformacije do plastičnog deformiranja
dolazi kada gustoća energije deformiranja dostigne graničnu vrijednost.
Osnovni pojmovi
Naprezanje plastičnog tečenja
Naprezanje plastičnog tečenja je vlačno ili tlačno naprezanje pri kojem u deformabilnom materijalu nastaje
trajna plastična deformacija, pri čemu se zanemaruje trenje. Vrijednost mu ovisi o materijalu, stupnju deformacije,
brzini deformacije i temperaturi.
Ako je poznato da je za štap površine presjeka �� opterećenog silom � naprezanje � jednako
� =�
��
onda su za isti štap naprezanja pod kutom �
�� =� ⋅ cos�
��
cos�
=�
��
⋅ �"#��
$% =� ⋅ sin�
��
cos�
=�
��
⋅ sin� ⋅ cos� =�
2⋅ sin2�
Maksimalna vrijednost sin2� = 1 postiže se za kut � = 45°. U tom slučaju najveće smično naprezanje $+,� je
$+,� =�
2
Pa je za plastično tečenje (u slučaju jednoosnog naprezanja)
$+,� =-.
2
Stupanj deformacije
Stupnjevi deformacije su načini izražavanja promjena dimenzija uslijed djelovanja vanjskih sila, odnosno
promjene poprečnih presjeka i obujma kod postupaka oblikovanja deformiranjem. Pretpostavlja se idealna
nestlačivost materijala, odnosno da je njegov volumen /� stalan. Ova aproksimacija je vrlo blizu istini, jer su pri
troosnom stanju naprezanja tlakom od 105 MPa promjene obujma tek 0,6% za čelik, 1% za bakar i 1,2% za aluminij.
Za dimenzije tijela prije i nakon deformacije stoga vrijedi
� ⋅ 0� ⋅ 1� � � ⋅ 0� ⋅ 1�
odnosno
1 � � ⋅ 0� ⋅ 1�� ⋅ 0� ⋅ 1�
i nakon logaritmiranja
ln �� 3 ln0�0� 3 ln
1�1� � 0
što možemo označiti s
4, � ln �� , 45 � ln 0�0� , 46 � ln 1�1�
4, 3 45 3 46 � 0
Vrlo važno svojstvo logaritamskog stupnja deformacije je aditivnost, koja ne vrijedi za istezanje
�, 3 �5 3 �6 7 0
Sukladno tome može se pisati
4898:;< �=4>;
>?�
Veza između stupnja deformacije i istezanja
�6 � 1� @ 1�1� � 1 @ 1�1� � ABC
Ova se relacija nakon logaritmiranja može prikazati s
46 � ln 11 @ �6
Brzina deformacije
Brzina deformacije 4D =EB
EF je brzina tečenja materijala i bitno ju je razlikovati od brzine alata G,H,F, =
I6
IF.
Njihova veza dobiva se
4D =�4
�J⋅ �11 � G,H,F,
1
Tablično se može prikazati tipične brzine za različite uređaje
G,H,F, 4D +K #L�
bat 3⋯7 50⋯150
tarna preša 0,5⋯2 10⋯25
hidraulička preša 0,1⋯0,3 1⋯5
Specifični rad deformacije
Specifični rad elastične deformacije jednak je površini ispod dijagrama istezanje – naprezanje, a računa se
izrazom
N =� ⋅ �2
Analogno,idealni rad plastične deformacije jednak je površini ispod dijagrama naprezanje plastičnog tečenja –
stupanj deformacije.
N>E � O -. ⋅ �4B
�
Budući da je naprezanje plastičnog tečenja funkcija stupnja deformacije, za pojednostavljenje ovog izraza koristi se
srednje naprezanje plastičnog tečenja -.+
-.+ =-� 3 -.
2
Time je idealni rad
N>E � -.+ ⋅ 4
Ukupna bilanca rada uključuje rad trenja i rad čestica
N898:;> � N>E 3NFPQ;R, 3NčQKF>T,
Duktilnost
Duktilnost je svojstvo materijala da se deformira bez pojave loma, a mjeri se produljenjem ili kontrakcijom
u vlačnom pokusu, Ericsonovom probom ili nekom drugom metodom.
Plastičnost
Plastičnost je fizikalni pojam koji označava mogućnost materijala da se deformira bez pojave loma. Ne
mjeri se.
Deformabilnost
Deformabilnost je svojstvo materijala da se deformira bez pojave loma u konkretnim tehnološkim
uvjetima (stupanj deformacije, brzina deformirmacije, temperatura, tehnologija – shema naprezanja).
Deformabilnost čelika ovisno o temperaturi kako je prikazano grafom
Optimalno temperaturno područje za deformiranje je između 800 i 1200 °C. Nazivi plavi i crveni lom za područja
suboptimalne deformabilnosti potječu od boje materijala na mjestu loma, a uzrokovana je oksidima. U nekim je
slučajevima temperaturni raspon optimalne deformabilnosti vrlo uzak, pa se tada primjenjuje izotermno kovanje.
Deformabilnost u ovisnosti o shemi naprezanja, od stanja naprezanja 1 – troosni tlak, do stanja 7 – troosni
vlak.
Vlačna naprezanja smanjuju uvelike deformabilnost, pa se velika većina postupaka oblikovanja deformiranjem
bazira na tlačenju.
Hladno deformiranje Deformacija se naziva hladnom ako za temperaturu U vrijedi
U V 0,3 ⋅ UF gdje je UF temperatura taljenja. Ovakvo deformiranje ima za posljedicu niz promjena u svojstvima
- povećanje čvrstoće
- povećanje tvrdoće
- povećanje �:�,�
- povišenje �Q
- smanjenje istezljivosti
- smanjenje kontrakcije
- smanjenje udarne žilavosti
- smanjenje električne vodljivosti
- smanjenje antikorozivnosti
- javlja se anizotropija
Ove su pojave objašnjive teorijom dislokacija. Kako u realnim materijalima dislokacije nailaze na prepreke
njihovim napredovanjem kroz materijal nastaju nove dislokacije. Povećanjem broja dislokacija njihovo je gibanje
dalje otežano, što za nastavak deformiranja zahtjeva veću vanjsku silu. Mikropukotine koje nastaju u materijalu
smanjuju plastičnost.
Promjene u materijalu nakon deformiranja i zagrijavanja Nakon rasterećenja materijala koje slijedi postupke oblikovanja deformiranjem plastične deformacije
zaostaju, dok bi elastične trebale iščeznuti. To se događa u idealnim slučajevima, a za realne materijale je rijetka
pojava. Naime, povrativost elastične deformacije nekog kristala može sprječavati drugi kristal, pa se ovakva
naprezanja nazivaju unutarnjima. Također, dolazi do izduljenja zrna, što uzrokuje pojavu anizotropije materijala. Uz
to, značajno se poveća i broj dislokacija. Povećanjem temperature materijala povećava se u pokretljivost atoma što
utječe na mehanička svojstva u suprotnom smjeru od deformiranja, a ovisi o temperaturi na koju se materijal
zagrijava.
Temperature oporavka U< iznose 0,2⋯0,3UF (temperature tališta). Na ovim temperaturama ne dolazi do
promjena vidljivih mikroskopom. Ukupni broj dislokacija se ne smanjuje, već se one samo preraspoređuju i time
snižava unutarnja naprezanja. Opadanje čvrstoće i porast plastičnosti su neznatni, a otpornost na koroziju i električna
vodljivost se vraćaju približno na početnu vrijednost.
Na temperaturama rekristalziacije UP koje su obično 0,35⋯0,45UF dolazi do složenije promjene koja se
naziva rekristalizacija. Potrebno je naglasiti da manja količina nečistoća i legirnih elemenata značajno povisuju
temperaturu rekristalizacije. Pokretljivost atoma naglo se povisi, pa atomi imaju dovoljno energije savladati otpor
kretanju te dolazi do smanjenja distordiranosti rešetke. Na mjestu svake dislokacije potencijalno je mjesto nastanaka
nove klice kristalnih zrna za kristal iste vrste. Rekristalizaciju se može dijeliti prema više kriterija na
- dinamičku (događa se u realnom vremenu) i statičku (događa se nakon postupka deformiranja)
- primarnu (poželjnu, označava je rast novih kristala što poboljšava svojstva) i sekundarnu (nepoželjnu,
tijekom koje pojedina kristalna zrna rastu na račun drugih i snižavaj mehanička svojstva)
- potpunu i nepotpunu (zbog kojih dolazi do homogenosti ili heterogenosti svojstava)
Ovisnost veličine zrna nakon rekristalizacije prikazuje se dijagramima
Deformacija na temperaturama višim od UP naziva se toplom deformacijom. Nakon tople deformacije manje
je zaostalih unutarnjih naprezanja.
Zagrijavanjem iznad temperatura prekristalizacije U:P = 0,7UF dolazi do značajne promjene u mikrostrukturi,
koja uključuje promjenu vrste kristalnih zrna, a time i drastičnu promjenu mehaničkih svojstava.
Trenje i podmazivanje u postupcima oblikovanja deformiranjem Sila trenja je sila koja pruža otpor međusobnom gibanju dvaju tijela u dodiru. Pojavljuje se u svim
postupcima oblikovanja deformiranjem, a dokazuju ju oštećenje alata, bačvasti oblik tlačenog punog cilindra i razlike
u tvrdoći po uzdužnom presjeku.
Moderna adhezijsko – deformacijska teorija trenja objašnjava trenje kao funkciju mikronreavnina frikcijskog
para i adhezijskog privlačenja površinskih slojeva. U oblikovanju deformiranjem koristi se Bowden – Taborov model
trenja, prema kojem su u dodiru alata i obrađivanog materijala samo točke najviših ispupčenja. Na njima su sile i
specifični pritisci vrlo veliki pa dolazi do mirkrozavarivanja. Kako bi se ta pojava izbjegla, mora postojati relativno
gibanje što prema Bowden – Taboru tumači silu trenja kao sumu svih smičnih sila potrebnih za prekidanje mjesta
kontakta. To znači da je trenje posljedica elastoplastičnih deformacija i adhezijskog privlačenja molekula.
Na površini metalnih dijelova često su prisutni oksidi, sulfidi, nečistoće ili maziva. Prema čistoći površine
trenje se klasificira
- suho trenje, za čiste metalne površine
- granično trenje, kada je između površina metala vrlo tanki sloj maziva ili nemetala (u teoriji debljine
jedne molekule) koji se može prekinuti, a pri odlamanju čestice površine ona djeluje kao brusni papir
- mješovito trenje, kada je u šupljinama između kontaktnih površina metala sloj maziva, a odlomljene
čestice plivaju u tom sloju i ne oštećuje površine
- hidrodinamsko trenje, kada površine alata i obratka ne dolaze u neposredni kontakt jer je među njima
uvijek sloj maziva
Trenje u oblikovanju deformiranjem uzrokuje nehomogenu deformaciju i zaostala naprezanja u obratku te
ubrzava trošenje alata. Zato ga se nastoji maksimalno umanjiti osim u postupcima valjanja, gdje je neophodno. To
se postiže smanjenjem broja lokalnih zavara, što je uloga maziva.
Uvjeti za monomolekularni sloj maziva su
- mora se brzo stvarati
- mora biti žilav (otporan na raskidanje)
- mora biti antikorozivan
- mora se dobro razmazivati, da bi se popunile sve šupljine
- mora imati veliku adheziju prema metalu
- mora biti ujednačenih svojstava za slojeve svih debljina
- laka odstranjivost, radi čišćenja metala nakon obrade
Za slučaj hladne deformacije općenito se govori o mješovitom trenju. Maziva koja se koriste su
- maziva koja se miješaju s vodom (sapuni, kreda, emulzije)
- maziva koja se ne miješaju s vodom (prirodna i sintetska ulja, masti)
- filmovi, folije i lakovi
- grafit (otopina u vodi ili ulju), molibdensulfid (smjesa u ulju) i politetrafluoretilen (teflon, kao uljna
otopina)
Grafit je alotropska modifikacija ugljika, a karakteristična mu je kalavost. Za svojstva maziva to je korisno, jer se pri
povišenju tlaka listići grafita kalaju pa ne dolazi do direktnog kontakta površina. Molibdensulfid ima to bolja svojstva
što je u tanjem sloju, ali je znatno skuplji u odnosu na grafit. Politetrafluoretilen (teflon) je novije mazivo, alije
također skup. Pri uobičajenim tlakovima od ~700WX grafit ima najmanji faktor trenja te je zbog toga najčešće u
upotrebi.
Kada se radi o toploj deformaciji potrebno je koristiti mazivo postojano na visokim temperaturama. S
obzirom da na tim temperaturama ulje izgori, a voda ispari uvijek se radi o graničnom trenju (kapljevine ne može
biti). Mazivo koje se je stabilno na visokim temperaturama je grafit, pa se vrlo često koristi. Nakon isparavanja vode
ili izgaranja ulja čestice grafita ostaju jednoliko raspoređene na površini metala. Može se koristiti i piljevina, koja
nakon izgaranja ostavlja sloj pepela koji onda funkcionira kao mazivo. Alternativna maziva su soli i stakla, ali se
izbjegavaju zbog korozivnosti i opasnosti po radnike.