UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · 2020. 1. 30. · KSP Krautov strojniški priročnik. Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo - 1 - 1 UVOD

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Niko ROJKO

DOLOČITEV STATIČNIH IN DINAMIČNIH OBREMENITEV

IZSEKOVALNEGA ORODJA ZA IZSEKOVANJE

ALUMINIJEVIH ZLITIN

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2017

DOLOČITEV STATIČNIH IN DINAMIČNIH OBREMENITEV

IZSEKOVALNEGA ORODJA ZA IZSEKOVANJE

ALUMINIJEVIH ZLITIN

Magistrsko delo

Študent: Niko ROJKO

Študijski program: študijski program 2. stopnje Strojništvo

Smer: Proizvodne tehnologije in sistemi

Mentor: izr. prof. dr. Ivan Pahole

Somentor: izr. prof. dr. Miran Ulbin

Somentor: Borut Zemljič, dipl. inž. str., Talum Kidričevo

Maribor, september 2017

II

I Z J A V A

Podpisani Niko ROJKO izjavljam, da:

• je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe

po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

• so rezultati korektno navedeni,

• nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

• soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Ivanu Paholetu in

somentorju izr. prof. dr. Miranu Ulbinu ter mentorju iz

podjetja Talum d. d. Kidričevo, Borutu Zemljiču, dipl.

inž. str., za pomoč in vodenje pri pisanju zaključnega

dela.

Zahvala gre tudi vsem sodelavcem OE Orodjarna za

praktične nasvete in delitev njihovih izkušenj.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

IV

DOLOČITEV STATIČNIH IN DINAMIČNIH OBREMENITEV IZSEKOVALNEGA

ORODJA ZA IZSEKOVANJE ALUMINIJEVIH ZLITIN

Ključne besede: izsekovanje, izsekovalna orodja, analiza obremenitev, optimizacija

izsekovalnega orodja

UDK: 621.961.014(043.2)

Povzetek:

Podjetje Talum iz Kidričevega se med drugim ukvarja s proizvodnjo rondelic za embalažno

panogo in za tehnične dele. Med drugim so junija 2017 podrli rekord, ko so v enem mesecu

izdelali in prodali kar 3.350 ton rondelic. Za doseganje takšnih rezultatov pa sta potrebna

sodobna tehnologija in poznavanje tehnološkega procesa. Tako so v podjetju sklenili ob

nadgrajeni moči stiskalnic izdelati tudi novo orodje za izsekovanje, ki bi povišalo produktivnost.

Naša naloga je sprva bila analitično, nato pa numerično določiti obremenitve orodja. Ustrezne

dimenzije določimo s pomočjo izračunov, pri tem pa je treba upoštevati še vplivne dejavnike.

Ti rezultati bodo namreč v pomoč prišli v nadaljnji fazi razvoja. Naslednja naloga je bila

korekcija in optimizacija orodja, nato pa še določitev standardnega ohišja. Zadnje poglavje je

ekonomsko ovrednotenje, saj je cilj vsakega orodja, da upraviči stroške razvoja in izdelave.

V

DETERMINE STATIC AND DYNAMIC LOADS OF PUNCHING TOOLS FOR

PUNCHING OF ALUMINIUM ALLOYS

Key words: punching, punching tools, analysis of loads, optimization of punching tool

UDK: 621.961.014(043.2)

Abstract:

Talum from Kidričevo among other things produce slugs for the packaging industry and for

technical parts. Among others, in June 2017 the record fell, where 3.350 tons of slugs were

produces and sale in just one month. To achieve such results, they are needed modern

technology and knowledge of technological process. So, the company concluded, with the

upgraded power of presses, to make new tools for punching for higher productivity. My task

was first analytical, then numerical determinate loads of tool. The appropriate dimensions are

determinate by calculations, but it must take into account addition influential factors. These

results will help us in future steps of tool development. Next task was correction and

optimization of the tool, and then choose of optimal die set. The last chapter is an evaluate

costs, because it is the goal of any tool to justify the cost of development and production.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ................................................................................................... - 1 -

1.1 Opis splošnega področja magistrskega dela .................................... - 1 -

1.2 Namen in cilj magistrskega dela ..................................................... - 1 -

1.3 Opis strukture celotnega dela ......................................................... - 2 -

2 TALUM KIDRIČEVO ............................................................................... - 3 -

3 OSNOVE PREOBLIKOVANJA .................................................................. - 5 -

3.1 Mehanske lastnosti aluminijevih zlitin ............................................ - 6 -

3.2 Vpliv materiala na postopek preoblikovanja ................................... - 7 -

3.3 Deformacije .................................................................................... - 8 -

3.4 Tribologija in vpliv trenja na preoblikovanje ................................... - 9 -

4 IZSEKOVANJE ..................................................................................... - 12 -

4.1 Izsekovalna orodja ........................................................................ - 13 -

5 MERJENJE SIL V VPENJALNIH VIJAKI ................................................... - 17 -

5.1 Izvajanje meritev .......................................................................... - 18 -

5.2 Natezna dopustna obremenitev na en vijak .................................. - 20 -

5.3 Rezultati in sklep merjenja sil ....................................................... - 22 -

6 ANALIZA DEFORMACIJ ORODJA ......................................................... - 23 -

6.1 Analitični analiza deformacij orodja ............................................. - 23 -

6.2 Numerična analiza povesa matrične plošče .................................. - 31 -

7 OPTIMIZACIJA IN KOREKCIJA ORODJA ................................................ - 39 -

8 STANDARDNO OHIŠJE ........................................................................ - 41 -

VII

8.1 Izbira standardnega jarma ............................................................ - 41 -

8.2 Izbira vodilnih elementov ............................................................. - 43 -

8.3 Smiselnost nabave standardnega jarma ....................................... - 46 -

9 EKONOMIKA IZSEKOVALNEGA ORODJA ............................................. - 47 -

10 SKLEP ................................................................................................. - 48 -

11 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ......................................................... - 49 -

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Logotip podjetja Talum d.d. Kidričevo ................................................................... - 3 -

Slika 2.2: PE Rondelice so dobavitelj za naslednje kupce ...................................................... - 4 -

Slika 3.1: Delitev postopkov preoblikovanja ......................................................................... - 5 -

Slika 3.2: Strižna ploskev ........................................................................................................ - 9 -

Slika 3.3: Komora za mazanje aluminijastega traka ............................................................. - 10 -

Slika 3.4: Mazalne šobe, ki mazivo dovajajo direktno na strižno cono ................................ - 10 -

Slika 4.1: Vodilni steber ........................................................................................................ - 15 -

Slika 4.2: Viden gladki rob rondelice .................................................................................... - 16 -

Slika 5.1: Vpetje spodnjega in zgornjega dela orodja na stiskalnico .................................... - 18 -

Slika 5.2: Merilni vijaki za merjenje sil povratnem gibu paha stiskalnice ........................... - 19 -

Slika 5.3: Zaslonski posnetek programa LabVIEW ............................................................... - 19 -

Slika 6.1: Točka s koordinatami katera označuje težišče orodja .......................................... - 24 -

Slika 6.2: Kritični presek matrice .......................................................................................... - 25 -

Slika 6.3: Tlačna napetost med naležnima površinama matrične s podporno ploščo ........ - 29 -

Slika 6.4: Obremenitev pestiča na tlak in risba pestiča ........................................................ - 30 -

Slika 6.5: Volumski model v programskem paketu Abaqus ................................................. - 31 -

Slika 6.6: Označeno mesto vpetja oziroma nalega matrične z podporno ploščo ................ - 32 -

Slika 6.7: Drugo vpenjalno mesto, vodilni stebri .................................................................. - 33 -

Slika 6.8: Krožni kolobarji na površino katerih deluje sila .................................................... - 33 -

Slika 6.9: Poves matrice v odvisnosti od velikosti krožnih kolobarjev velikosti (od zgoraj lepo

prti spodaj desno) Ø25, 26, 32 in 35 .................................................................................... - 34 -

Slika 6.10: Območje delovanja sile izsekovanja.................................................................... - 35 -

Slika 6.11: Poves matrice pri končnih elementih velikosti (od zgoraj levo proti spodaj desno)

50, 20, 15 in 10 ..................................................................................................................... - 36 -

Slika 6.12: Maksimalni povesi se pojavijo v trikotniku med pestiči, ki so najbolj oddaljeni od

podpor .................................................................................................................................. - 37 -

Slika 6.13: Poves matrične plošče pri izsekovanju aluminijastega traku S=10 mm ............. - 37 -

Slika 6.14: Maksimalna vrednost povesa matrične plošče ................................................... - 38 -

Slika 7.1: Rezultati simulacije pri višini matrice 64 mm ....................................................... - 39 -

IX

Slika 7.2: Povezava med deformacijskimi conami okoli pestičev 2, 3 in 4 ........................... - 40 -

Slika 8.1: Široka izbira standardnih elementov v katalogih ponudnika KERN ..................... - 41 -

Slika 8.2: Kotirane dimenzije standardnega jarma .............................................................. - 42 -

Slika 8.3: Dimenzije in izbira standardnega jarma ............................................................... - 43 -

Slika 8.4: Prerez vodilnih stebrov obstoječega orodja (brez standardnega jarma) ............. - 43 -

Slika 8.5: Vodilni stebri 1220 ISO – 32 x 224 ....................................................................... - 44 -

Slika 8.6: Vodilna puša 1252.2 ISO – 32 ............................................................................... - 45 -

Slika 8.7: Kletka s kroglicami 1259 ISO 30 – 32 x 80 ............................................................ - 45 -

X

KAZALO TABEL

Tabela 1: Mehanske lastnosti aluminijastih zlitin .................................................................. - 6 -

Tabela 2: Vrednosti tornih koeficientov ................................................................................ - 9 -

Tabela 3: Vrednosti strižne trdnosti za različne materiale .................................................. - 12 -

Tabela 4: Zračnost 𝑧 med pestičem in matrico ................................................................... - 14 -

Tabela 5: Osnovne mehanske lastnosti vijakov ................................................................... - 20 -

Tabela 6: Globalno težišče izsekovalnega orodja ................................................................. - 24 -

Tabela 7: Mehanske lastnosti matrične plošče, potrebne za numerično simulacijo .......... - 32 -

Tabela 8: Tabelarični prikaz konvergence ............................................................................ - 35 -

Tabela 9: Orodja katera uporabljajo v proizvodnji, razdeljena v grupe ............................... - 46 -

XI

SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV

𝑅𝑚 natezna trdnost

𝑅𝑝0,2 napetost tečenja

𝜎 normalna napetost

𝐹𝑡 sila trenja

𝐹𝑝 sila preoblikovanja

𝜇𝑡 koeficient trenja med tornima površinama

𝐹𝑟 rezalna sila/sila izsekovanja

𝜏𝐵 strižna trdnost

𝐴 površina

𝑆 debelina aluminijastega traku

𝑧 zračnost med pestičem in matrico

∆𝑅 sprememba električne upornosti

∆𝐿 sprememba dolžine uporovnega lističa

𝑑1 premer stebla vijaka brez navoja

𝑃 korak navoja

𝑅𝑒 napetost tečenja

𝐴𝑗 napetostni presek, upoštevajoč nosilnost navoja preko preseka

𝐹𝑝 natezna dopustna sila na en vijak s prednapetjem

𝜎𝑑𝑜𝑝 dopustna normalna napetost (natezna, upogibna in tlačna)

𝜐1 varnostni faktor

𝑋0, 𝑌0 koordinate težišča

ℎ višina matrične plošče

𝑑 premer pestičev

XII

𝑏 kritični presek

𝑙 razdalja med podporama matrične plošče

𝑓 poves

𝐸 modul elastičnosti

𝐼𝑧 vztrajnostni moment

𝑎, 𝑏 razdalja od podpore do prijemališča reakcijske sile

𝑙𝑚𝑎𝑥 maksimalna dolžina pestičev

𝑈𝑚𝑎𝑥 maksimalni pomiki

𝑛 število pestičev v izsekovalnem orodju

𝑝 pomik aluminijastega traku

š širina aluminijastega traku

XIII

SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC

PE poslovna enota

OE organizacijska enota

ZML zgornja mrtva lega

KMD krivulja mejnih deformacij

2D dvodimenzionalno

3D trodimenzionalno

MKE metoda končnih elementov

KSP Krautov strojniški priročnik

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja magistrskega dela

Podjetja se danes srečujejo z vse večjo konkurenco na trgu; če je podjetje prisotno na

globalnem trgu, pa je ta še toliko večja. Ravno tako podjetje je Talum iz Kidričevega, sodobno

proizvodno podjetje, ki slovi po pridelavi kakovostnega elektroliznega aluminija. Zaradi

zagotavljanja konkurenčne prednosti pa pozornost namenjajo izdelkom z višjo dodano

vrednostjo, med katerimi so aluminijasti ulitki za transportno tehniko, toplotno tehniko in

strojegradnjo ter rondice za embalažno panogo in tehnične dele. Poleg tega, da ima izdelke z

dodano vrednostjo, pa sta potrebna še ustrezna tehnologija in tehnološki proces, ki prinaša

maksimalno gospodarnost in proizvodnost. Zato so v PE Talum Rondelice sklenili, da

posodobijo tehnologijo, tako da so ob nadgrajenih močeh stiskalnic izdelali tudi novo orodje

za izsekovanje.

Nedavno, meseca junija 2017, so v PE Rondelice znova podrli rekord v proizvodnji in prodaji

rondelic, in sicer kar 3.350 ton v enem mesecu. Z razvojem novega orodja, ki ima v primerjavi

s starim en pestič več in večjo širino traku, bi znova lahko presegli dosedanji rekord.

1.2 Namen in cilj magistrskega dela

Naša naloga je bila sprva s pomočjo analitičnih in numeričnih metod določiti obremenitve

orodja, pri tem pa paziti na številne dejavnike in obravnavati celoten sistem za proizvodnjo

rondelic. Orodje je treba konstruirati na ustrezne dimenzije, da bi preprečili poškodbe ali celo

lom orodja. Tako bomo iz rezultatov izračunov in simulacij dobili potrebne podatke za

korekcije in optimizacijo. Na koncu omenjenega poglavja bomo primerjali rezultate simulacije

matrične plošče z višino 64 mm in 90 mm. Naslednje poglavje obravnava izbiro ustreznega

standardnega ohišja. Ideja nabave standardnega ohišja je, da bi z menjavo matrične, snemalne

ter nožne plošče in pestičev prihranili stroške in čas pri montaži in demontaži orodja na

stiskalnico. Nazadnje sledi še ekonomsko ovrednotenje.


- 2 -

1.3 Opis strukture celotnega dela

V teoretičnem delu bo govora o procesu preoblikovanja in fizikalnih zakonitostih, ki za ta

proces veljajo. Opisali bomo, kaj je preoblikovanje, in ga razdelili ter nekaj več povedali o

aluminijastem traku, iz katerega podjetje izsekuje rondice, in njegovih mehanskih lastnostih.

Poznavanje materiala je namreč ključno za uspešen proces. Nato pa bomo pozornost namenili

postopkom izsekovanja in izsekovalnim orodjem. Tovrstna orodja so namenska orodja in so

namenjena masovni izdelavi. Kljub temu pa poznamo več variant orodij in dobro je poznati

prednosti in stroške izdelave posameznih orodij.

Sledi osrednji del ali jedro zaključnega dela. V prvem poglavju jedra bo govora o merjenju, ki

smo ga izvedli v mesecu februarju z namenom, da bi ugotovili, kakšna je sila paha pri

povratnem gibu. Te analize so potrebne, da bi preprečili poškodbe stiskalnice. Ko pride do

poškodbe stiskalnice, stroški servisiranja hitro presežejo nekaj deset tisoč evrov.

Poglavje, ki sledi, se najbolje ujema z naslovom dela; analitični izračun in numerična analiza

nam bosta namreč dala koristne napotke, ki bodo v pomoč pri konstruiranju. Pri analitičnem

delu bomo izračunali težišče orodja, nato pa potrebno debelino matrične plošče in

obremenitev pestičev. Matrična plošča in pestič sta izdelana iz kakovostnega orodnega jekla,

ki predstavlja visok strošek. Zato ju želimo izdelati z ravno pravo debelino in premerom, da

preprečimo lom ter poškodbe in ne nazadnje poskrbimo za čim nižje stroške kakovostnega

jekla. Kasneje bomo analitično izračunane rezultate primerjali z numerično simulacijo v

programskem paketu Abaqus.

Po obeh izvedenih analizah in primerjavi rezultatov sledi korekcija orodja. Kot bo kasneje

pojasnjeno, bo treba sprva načrtovano debelino matrične plošče iz 64 mm povečati na 90 mm.

Kar se tiče pestičev, ni potrebna nobena korekcija, saj so dovolj robustni.

Z namenom skrajšati čas demontaže in montaže orodja smo raziskovali možnost

implementacije standardnega jarma. S tovrstno uvedbo bi namreč menjalne elemente

enostavno zamenjali, medtem ko bi zgornja in spodnja plošča jarma ter vodilni elementi ostali

enaki.

Nazadnje sledi še ekonomsko ovrednotenje in primerjava izkoristkov med starim orodjem s

štirimi pestiči ter novim orodjem s petimi pestiči.


- 3 -

2 TALUM KIDRIČEVO

Podjetje Talum iz Kidričevega je sodobno proizvodno podjetje, ki se ukvarja s proizvodnjo

elektroliznega aluminija in aluminijevih zlitin. V svetovnem merilu sodi med najučinkovitejše

proizvajalce aluminija, vse večjo pozornost pa namenja reciklaži in ponovni uporabi aluminija.

V Sloveniji je v letu 2016, po poročanju časnika Delo, na lestvici največjih slovenskih izvoznikov

zasedlo deveto mesto. [1]

Slika 2.1: Logotip podjetja Talum d. d. Kidričevo [1]

Za doseganje tovrstnih rezultatov pa je potrebno znanje in ambiciozni cilji. V zadnjem času je

ključni temelj vlaganje v razvoj aluminijastih ulitkov za transportno in toplotno tehniko, elektro

energetiko ter splošno strojegradnjo; vse to z namenom zvišati dodano vrednost. Poleg

gravitacijskega in nizkotlačnega litja je Talum uspešno stopil na trg visokotlačnega litja. Na

področju rondelic za doze in tube pa se že sedaj uvršča med največje proizvajalce na svetu.

Skupina Talum je sestavljena iz odvisnih družb, katerih 100-odstotni lastnik je Talum d. d.

Kidričevo. Družba je tako razdeljena po poslovnih enotah (krajše PE) in službah. Poslovne

enote in njihove dejavnosti so: [1]

• PE Aluminij – Proizvodnja primarnega aluminija z elektroliznim postopkom. Ta

dejavnost spremlja Talum že od vsega začetka, saj je prvi elektrolizni aluminij pritekel

že davnega leta 1954.

• PE Livarna – Tu čistemu aluminiju, katerega dobijo iz elektrolize, dodajo legirane

elemente in s tem izboljšajo njegove mehanske lastnosti. Ves čas se skrbno spremlja

trg in trende zlitin. Te lijejo v obliki drogov, palic in hlebčkov.


- 4 -

• PE Upravljanje z energijo – Ob vse večjem poudarku na varstvu okolja sta ključna

varčevanje in učinkovita raba energije. V ta namen so leta 2009 kljub vrhuncu finančne

krize uspeli zgraditi sončno elektrarno z močjo 1 MW.

• PE Ulitki – Tu s postopki gravitacijskega ter nizkotlačnega litja in kasnejšo mehansko

obdelavo dajejo izdelkom višjo dodano vrednost. Leta 2015 je pričel teči projekt

visokotlačnega litja, s čimer bi razširili asortima izdelkov.

• PE Rondelice – Proizvodnja rondel in rondelic za embalažno panogo ter tehnične

dele. Rondelice so ploščice, izdelane iz primarnega aluminija, katere izsekujemo iz

aluminijastega traku. Trak se sprva lije, nato pa vroče in še hladno valja. Sledita

postopek izsekovanja z namenskimi orodji in postopek žarjenja, namen katerega je

sprva, da izgori olje, ki je ostanek izsekovanja, kot drugo pa izboljšanje mehanskih

lastnosti. Nazadnje sledijo površinska obdelava na ustrezno hrapavost ter pakiranje in

skladiščenje. Z več kot 35 leti izkušenj se je nabralo ogromno znanja. Tako je PE

Rondelice dobavitelj za številne kupce in zaradi neprestanega vlaganja v razvoj eden

najpomembnejših in tehnološko najnaprednejših proizvajalcev rondelic na svetu. [1]

Slika 2.2: PE Rondelice so dobavitelj za naslednje kupce [1]

• Talum servis in inženiring – To je, za razliko od prej navedenih družb, storitvena

odvisna družba. Začetek servisne dejavnosti sega v leto 1954. Del servisa in inženiringa

je tudi organizacijska enota (krajše OE) Orodjarna, v okviru katere smo s pomočjo

sodelavcev pisali magistrsko delo. Dejavnost orodjarne je razvoj, konstruiranje in

izdelava orodij za interne pa tudi eksterne kupce. Načrtuje orodja za izsekovanje,

gravitacijsko, nizkotlačno in visokotlačno litje ter tudi obrezilna orodja. [1]


- 5 -

3 OSNOVE PREOBLIKOVANJA

Preoblikovanje je postopek, kjer obstoječo obliko trdega telesa pretvorimo v drugo s pomočjo

plastične deformacije. Za razliko od odrezovanja se pri preoblikovanju masa in volumen pred

ter po obdelavi ne spreminjata, prav tako se vlakna znotraj materiala zgolj preoblikujejo in ne

strgajo. Ker ima vsak material drugačno sposobnost plastične deformacije oziroma duktilnost,

ki je ključna za preoblikovanje, je za uspešen tehnološki proces poleg poznavanja procesa

obdelave zelo pomembno še poznavanje materiala in njegovih lastnosti. Od teh se kovine in

termoplasti najlažje plastično preoblikujejo.

Postopki preoblikovanja so namenjeni za serijsko in masovno proizvodnjo, saj imajo izdelki v

primerjavi z odrezovanjem nižjo dodano vrednost, čeprav v zadnjem času tudi ti postajajo vse

bolj kompleksni. Vhodni material preoblikujemo s pomočjo stroja in orodja. Material je v obliki

pločevinastega traku, palic ali raznih drugih oblik. K postopkom preoblikovanja spada več kot

200 postopkov, delimo pa jih glede na obdelavo v vročem ali hladnem, na masivno ali

pločevinsko preoblikovanje in glede na glavne napetosti, ki se pojavijo (slika 3.1). [2]

Slika 3.1: Delitev postopkov preoblikovanja [2]

Pri preoblikovalnih postopkih lahko izdelamo oblike, ki jih drugače ne bi mogli ali pa bi bila

obdelava z odrezovanjem neekonomična. Tako lahko samo pri avtomobilski karoseriji

zasledimo kompleksne 3D-površine, katerih izdelava bi bila na klasični način draga, če sploh

mogoča. Ob ustrezni racionalizaciji materiala je možno doseči višji izkoristek materiala, s tem

pa manj odpada, katerega lahko ponovno predelamo. Največji strošek preoblikovalnih

Preoblikovanje

TLAČNO

Valjanje

Iztiskovanje

Vtiskovanje

Oblikovanje

Kovanje

NATEZNO-TLAČNO

Globoko vlečenje

Vlečenje

Izvlečenje

NATEZNO

Daljšanje

Razširjanje

Globljenje

UPOGIBNO STRIŽNO


- 6 -

postopkov predstavljata stroj in orodje. Ker so orodja namenska, torej za vsak izdelek

potrebujemo novo orodje, je veliko vezanih sredstev in stroškov povezanih z orodjem.

Kot smo že omenili, lahko postopek preoblikovanja poteka v hladnem, toplem ali vročem

stanju. Vsak od naštetih načinov preoblikovanja pa spremeni strukturo materiala. Obdelave

pri višjih temperaturah se poslužimo v primeru, kadar je to ekonomsko upravičeno, saj je

dovajanje toplote povezano z visokimi stroški. Vročega preoblikovanja se poslužimo pri

masivnih obdelovancih (npr. kovanje) ali kadar se pri večstopenjskem preoblikovanju (npr.

globoki vlek) material utruja, kar pomeni, da se med preoblikovanjem materialu povišata

trdota in trdnost ter posledično postane krhek. S tem, ko med stopnjami (fazami)

preoblikovanja dovajamo toploto, ga vedno znova vračamo v prvotno stanje z ustrezno

žilavostjo. [2]

3.1 Mehanske lastnosti aluminijevih zlitin

Podjetje Talum Rondelice d. o. o. izdeluje rondele in rondelice iz zlitin, navedenih v spodnji

tabeli. Na podlagi zahtev kupcev in trendov trga pa podjetje raziskuje nove zlitine in tako veča

konkurenčne prednosti. Mehanske lastnosti aluminijastega traku so zelo pomembne, saj se na

podlagi le-teh izdela orodje in prilagodi tehnologija izsekovanja. [3]

Za potrebe izračunov v naslednjih poglavjih bomo uporabljali podatke za aluminijevo zlitino z

najvišjimi mehanskimi lastnostmi. To je zlitina AlMn0,6 z natezno trdnostjo 165 MPa.

Tabela 1: Mehanske lastnosti aluminijastih zlitin [3]

MEHANSKE LASTNOSTI ZLITIN

Zlitina Trdota [𝐻𝐵] 𝑅𝑚 [𝑀𝑃𝑎] 𝑅𝑝 0,2[𝑀𝑃𝑎] Raztezek [%]

Nežarjeno Žarjeno Nežarjeno Žarjeno Nežarjeno Žarjeno Nežarjeno Žarjeno

Al 99,7 18,5 120 70 113 34 9 42

Al 99,5 19,5 129,9 75 120 37 8 41

AlMn0,3 43 22,2 132 77 126 43 7,8 40

AlMn0,6 47 27 165 92 145 55 7,6 38

Poznamo več metod preizkušanja ali določanja mehanskih lastnosti materiala, še vedno

najbolj preprosta in razširjena pa je enoosni natezni preizkus. Slabost omenjene metode je, da


- 7 -

smo z rezultati preizkusa omenjeni. Med bolj poznanimi metodami določanja preoblikovalnih

lastnosti je metoda določanja krivulje mejnih deformacij oziroma KMD (ang. Forming limit

curve). Gre za standardizirani postopek, kjer se preoblikujejo različne oblike vhodnega

materiala v 2D- ali 3D-obliki. Pri tej metodi se podobno kot pri enoosnem preizkusu merijo

deformacije in zaznavajo spremembe oblike. V točki, kjer se material poruši, dobimo podatek

o mejnih deformacijah. Natančni materialni podatki so tako pomembni, ker je od točnosti

podatkov odvisen rezultat simulacije preoblikovalnega procesa in ne nazadnje kasneje tudi

razvoj orodja. [4]

3.2 Vpliv materiala na postopek preoblikovanja

Za uspešen proces preoblikovanja morata biti v vsakem trenutku izpolnjena pogoja o velikosti

in razmerju notranjih napetosti. Če želimo material preoblikovati, mora biti v plastičnem

področju, zato je prehod iz elastičnega v plastično področje pomemben. To pomeni, da je

treba material dovolj obremeniti, da dosežemo plastično območje, vendar ne preveč, da ga ne

porušimo. Zato so materiali z višjo duktilnostjo bolj primerni, saj je v nasprotnem primeru

področje med elastično in plastično deformacijo majhno in tako hitreje preidemo v področje

porušitve. Ko je plastična cona dosežena, se kljub prenehanju delovanja zunanje sile material

ne vrne nazaj v prvotno lego (obliko), ampak ostane trajno deformiran, saj premaknjeni

kristalni delci nimajo več energije za drsenje. [2]

Preoblikovanje se večinoma izvaja v razmerah večosnega napetostnega stanja, saj je le v tem

stanju napetost tečenja funkcija vseh napetostnih komponent.

𝜎𝑓(𝜎1, 𝜎2, 𝜎3) (3.1)

Pogoji plastičnega tečenja so splošni pogoji, ki označujejo začetek ali ohranitev plastičnega

stanja. Pri večosnem napetostnem stanju analitično zvezo med notranjimi napetostmi in

fizikalnimi karakteristikami kovine določata naslednji najpogostejši hipotezi:

• Tresca (hipoteza največjih strižnih napetosti) – predpostavimo, da je za plastično

deformacijo odločilna strižna napetost:

𝜎𝑓 = |𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛| = 𝜎1 − 𝜎3 (3.2)


- 8 -

Kadar razlika med največjo napetostjo 𝜎𝑚𝑎𝑥 in najmanjšo napetostjo 𝜎𝑚𝑖𝑛 doseže vrednost

napetosti tečenja 𝜎𝑓, je izpolnjen pogoj za plastično tečenje.

• Von Mises (energijska hipoteza) – podaja nam dovoljšno energijo za deformacijo telesa:

𝜎𝑓 = √1

2[(𝜎1 − 𝜎2)2 + (𝜎2 − 𝜎3)2 + (𝜎3 − 𝜎1)2]

(3.3)

Podobno kot pri prej omenjeni hipotezi je pogoj za plastično tečenje dosežen, kadar

kombinacija glavnih napetosti 𝜎1, 𝜎2, 𝜎3 doseže napetost tečenja 𝜎𝑓. [2]

3.3 Deformacije

Telo pod vplivom zunanje sile spremeni obliko. Tako ločimo med elastično ali reverzibilno ter

plastično ali trajno deformacijo. Večkrat smo že omenili, da ima slednja pri preoblikovalnih

postopkih pomembno vlogo. Pri preoblikovalni tehniki uporabljamo dva načina za opis

deformacij, pri obeh pa upoštevamo, da je volumen konstanten in se ne spreminja:

𝑉0 = 𝑉1 (3.4),

kjer je 𝑉0 volumen surovca (aluminijast trak) in 𝑉1 volumen po preoblikovanju (rondela).

Z deformacijo se pri postopkih hladnega preoblikovanja kovinskim materialom povečata

trdnost in trdota, material pa se posledično utrdi. Utrjevanje materiala zmanjšamo z vmesnim

žarjenjem. [2]

• Relativna deformacija 𝜺:

𝜀𝑙 =𝑙1 − 𝑙0

𝑙0=

𝛥𝑙

𝑙0= −1

(3.5)

• Logaritemska deformacija 𝝋:

𝜑𝑙 = 𝑙𝑛𝑙1

𝑙0

(3.6)

Pri postopku izsekovanja sta na liniji izseka ali na strižni ploskvi obdelovanca vidna dva pasova.

Prvi pas je posledica tega, da orodje zareže v obdelovanec; tako se površina sveti in je gladka.

Drugi pas pa je posledica trganja materiala, pri čemer je površina groba in hrapava. [5]


- 9 -

Slika 3.2: Strižna ploskev [5]

Strižno ploskev tako sestavljata dve področji, in sicer upogibno preoblikovalno ter gladko

področje, ki preide v poroštveno cono, ta pa zajema porušitveni kot, rob luknje in srh.

Pomemben parameter uspešnega izsekovanja je zračnost med pestičem in matrico, ki je

funkcija želene kakovosti, debeline in vrste materiala ter nazadnje kvalitete reza. Zračnost med

pestičem in matrico mora biti ustrezna, saj se tako orodje manj obrablja in s tem je življenjska

doba orodja večja. [5]

3.4 Tribologija in vpliv trenja na preoblikovanje

Trenje v večini preoblikovalnih postopkov ni zaželeno, saj vodi do obrabe orodja, kar se pozna

na kvaliteti in življenjski dobi orodja. Zato želimo površine, ki so v stiku, čim bolj gladke;

posledično nižji torni koeficient 𝜇𝑡 ob enaki preoblikovalni sili 𝐹𝑝 zniža silo trenja 𝐹𝑡.

𝐹𝑡 = 𝐹𝑝 ∙ 𝜇𝑡 (3.7)

Torni koeficient pa je funkcija časa, kar pomeni, da skozi čas njegova vrednost narašča. V

spodnji tabeli so navedene vrednosti tornih koeficientov glede na način preoblikovanja.

Tabela 2: Vrednosti tornih koeficientov [2]

HLADNO PREOBLIKOVANJE TOPLO PREOBLIKOVANJE

Polirane ali brušene površine, močno mazanje

Gladke površine, slabše mazanje

Hrapave površine, brez mazanja

Gladke površine Hrapave površine

𝜇𝑡 ≈ 0,05 𝜇𝑡 ≈ 0,1 𝜇𝑡 ≈ 0,25 𝜇𝑡 ≈ 0,3 𝜇𝑡 ≈ 0,4 − 0,57

Pri preoblikovanju ločimo štiri vrste drsnega trenja:

• Suho – pojavi se, ko sta stični površini orodja in osnovnega materiala čisti. V primerih, kot

je spajanje s preoblikovanjem (robljenje, prepogibanje), je suho trenje dobrodošlo.

območje reza

območje trganja


- 10 -

• Mejno – vmesni sloj je debel le nekaj molekul, nastane pa z reakcijo kovine in organske

spojine.

• Mešano – nastane ob uporabi tekočih maziv in ustrezno hrapave površine, kjer se v žepih

zadržuje mazivo.

• Mokro (hidrodinamično) – neprekinjen sloj, kjer sta orodje in obdelovanec povsem

ločena. [2]

V proizvodnji se zavedajo resnosti mazanja in posledic, ki jih lahko prinese. Zato je tehnološki

proces zasnovan tako, da se najprej predhodno maže aluminijasti trak,

Slika 3.3: Komora za mazanje aluminijastega traka

nato pa še pestiče, kjer so na strižni coni prisotne največje deformacije. Mazanje je izvedeno

tako, da mazalne šobe dovajajo mazalno sredstvo.

Slika 3.4: Mazalne šobe, ki mazivo dovajajo direktno na strižno cono


- 11 -

Rondelice pa ostanejo zaradi velike količine maziva mastne in kot take niso primerne za proces

protismernega iztiskovanja. Rešitev je naslednji korak v tehnološkem procesu izdelave

rondelic, to je žarjenje, kjer mazivo preprosto zgori.

Izbira ustreznega maziva je odvisna od samega procesa, kaj in kako preoblikujemo. Osnovne

funkcije maziva so zmanjšati trenje, ločiti stično površino orodja in obdelovanca ter preprečiti

hladni zvar, njihova kakovost pa vpliva na kvaliteto površine preoblikovanca. Maziva so zdravju

in okolju neškodljiva, njihove funkcije so enake ne glede na proces preoblikovanja. [2]

Posledice trenja oziroma nepravilnega mazanja pa so na orodju vidne v obliki obrabe, ki jo

delimo na:

• adhezijsko – nastopi zaradi hladnega zvara, ki se pri preobremenitvi odtrga; poleg tega, da

odtrga del orodja, deluje tudi kot abrazivi delec;

• abrazijsko – abrazivni delec (tujek) poškoduje stične površine;

• korozijsko – nastaja zaradi maziv ali zraka; tovrstni obrabi so bolj podvržena orodja, ki

delujejo pri povišanih temperaturah in tlakih;

• obrabo zaradi utrujenosti – izmenične tlačne in natezne napetosti povzročajo razpoke na

in pod površino orodja.

Obrabo orodja lahko zmanjšamo z ustreznim mazanjem in povečano trdoto rezalnih delov

orodja. To dosežemo s toplotno obdelavo (nitriranje); s tem, da so segmenti orodij, ki so

izpostavljeni obremenitvi, v celoti iz materiala, odpornega proti obrabi (karbidna trdina); ali

pa te segmente prevlečemo s površinskimi prevlekami (nitridne, karbidne, oksidne

prevleke). [2]


- 12 -

4 IZSEKOVANJE

Glede na delitev preoblikovalnih postopkov po glavnih napetostih spada postopek izsekovanja

med strižne. Izsekovanje je po definiciji popolna ločitev materiala po celotni dolžini, kjer je

odrezani oziroma izsekani kos izdelek. Enaka definicija velja za postopek luknjanja, a s to

razliko, da je odrezani kos odpadek. Osnovna enačba za izračun sile izsekovanja v primeru

ravnih ploskev orodij je:

𝐹 = 𝜏𝑠 ∙ 𝐴 (4.1),

kjer je 𝜏𝑠 strižna trdnost materiala in 𝐴 prerezana površina. V primeru, da strižna ploskev ni

ravna, dodamo faktor 0,65 in dobimo:

𝐹 = 0,65 ∙ 𝜏𝑠 ∙ 𝐴 (4.2)

Tabela 3: Vrednosti strižne trdnosti za različne materiale [6]

STRIŽNA TRDNOST 𝜏𝑠

Material mehko stanje [MPa] trdno stanje [MPa]

Al99.0 in Al99.5 70–90 130–160

AlCu5Mg1 220 380

AlMg1Si1 200 300

AlMg3 150 200

AlMg5 190 240

Jeklena pločevina 0,1 %C 240 320





Nerjavno jeklo 500 560

Glede na način reza delimo postopek na odprti rez (npr. rezanje s škarjami) in zaprti rez (npr.

izsekovanje, striženje). Pri odprtem rezu je orodje sestavljeno iz dveh nožev, ki sta lahko ravna,

s paralelnim ali poševnim rezom ter krožna ali kombinirana. Pri zaprtem rezu je namensko

orodje sestavljeno iz pestiča in matrice. [5]


- 13 -

4.1 Izsekovalna orodja

Stroj in orodje sta ključna elementa pri postopkih izsekovanja, saj predstavljata največji

finančni izdatek. Zaradi vse večjih zahtev, ki jih pogojujejo kupci, postaja izdelava orodij vse

bolj zahtevna in negotova. Težave, ki se pojavljajo tekom izdelave orodja, uspešno premagamo

z večkratnimi poskusi, kar pa ima za posledico nekoliko višje stroške. Pri tem si lahko

pomagamo z izračuni, katere so razvile raziskovalne institucije, s simulacijskimi programskimi

paketi ter s povsem praktičnimi rešitvami, kot so standardni elementi izsekovalnih orodij, ki

ne samo, da pocenijo orodje, ampak tudi v primeru poškodbe del enostavno zamenjajo. Kljub

tem prednostim pa morata orodjar in projektant tesno sodelovati, pri čemer jima najbolj

pomagajo izkušnje. Vse bolj zaželeno, če ne že nujno, je poznavanje materialov, iz katerih

izdelujemo orodja. Dele orodja, ki so izpostavljeni obremenitvam, je možno obleči v prevleke,

pozitivni učinek tega pa je povečana obstojnost orodja. [5]

Izsekovalna orodja glede na izvedbo delimo na:

• prosta izsekovalna orodja – najpreprosteje grajena in najlažje izvedljiva, njihovo

vodenje je odvisno od stiskalnice, torej je natančnost pogojena z natančnostjo stroja;

• izsekovalna orodja, vodena z vodilno ploščo – izboljšana različica prostih orodij, kjer

pestič vodimo z obodno ploskvijo vodilne plošče, ki prav tako prevzame vlogo snemala;

• izsekovalna orodja, vodena z vodilnimi stebri – gre za orodja, namenjena za najbolj

natančno izsekovanje, za kar poskrbita stranska stebra, ki prevzameta vodenje.

4.1.1 Izsekovalna orodja, vodena z vodilno ploščo

Pri orodjih, vodenih z vodilno ploščo, pestič vodimo z obodno ploskvijo vodilne plošče. V

primerjavi s prostimi izsekovalnimi orodji vodenje pestiča ni več odvisno od stiskalnice, ampak

od vodilne plošče, ki mora biti ustrezne debeline ter ustrezne zračnosti med pestičem in

vodilno ploščo. V spodnji tabeli so navedene vrednosti zračnosti med pestičem in matrico.

Kljub vodilni plošči je pestič obremenjen na uklon, kar lahko privede do loma pestiča. Vodilna

plošča prav tako prevzame funkcijo snemala pri povratnem gibu pestiča. Za dodatno zaščito

med obratovanjem lahko poskrbimo tako, da spodnji del (vodilno ploščo) in zgornji del orodja

(vpenjalno ploščo) obdamo z zaščitno pločevino, kar preprečuje poseg v delovno območje.

Orodja, vodena z vodilno ploščo, so namenjena izsekovanju manjših dimenzij in velikega


- 14 -

števila kosov, saj se v primerjavi s prostimi orodji ne obrabljajo toliko, proizvodnja pa je

gospodarnejša. [5]

Tabela 4: Zračnost 𝑧 med pestičem in matrico [7]

UPORABA DEBELINA PLOČEVINE 𝑆 [𝑚𝑚]

ZRAČNOST 𝑧 [% 𝑜𝑑 𝑠]

Izsekovanje in luknjanje

do 0,2 od 0,3 do 3,0

do 10 od 10 do 25

0 od 3 do 6

od 6 do 10 od 10 do 15

Luknjanje z gladkim rezom do 3

od 3 do 10 od 10 do 25

od 2 do 4 od 4 do 6 od 6 do 8

Izsekovanje in luknjanje Al do 3

od 3 do 10 od 2 do 4 od 4 do 6

Izsekovanje in luknjanje transformatorske pločevine

– od 3 do 6

Rezanje na hitro tekočih stiskalnicah do 3 od 6 do 10

Izsekovanje zelo velikih kosov iz tankih pločevin

do 2 od 8 do 10

Kot smo že omenili, sta natančnost reza in življenjska doba orodja odvisni od tega, kako

kvalitetno je narejena vodilna plošča, saj le-ta po obodu odprtine prevzame vodenje pestiča.

Pri tem mora biti odprtina vodilne plošče popolnoma skladna z izvrtino na matrični plošči.

Ploskvi omenjenih odprtin morata biti popolnoma gladki, saj tako minimaliziramo drsno

trenje, posledica katerega je obraba. Bazenček za nalivanje olja, ki je na zunanji strani vodilne

plošče, skrbi za enakomerno mazanje pestiča. Bazenček pogosto izvedemo tako, da odprtino

na zgornji strani dodatno močno posnamemo ali rezkamo do globine od 1,5 do 3 mm. V

primeru, ko gre za izsekovanje manjših premerov in so hitrosti izsekovanje velike, v odprtino

vodilne plošče vstavimo kaljeno pušo s tesnim ujemom. Takšna puša poskrbi za natančnejše

vodenje in v primeru obrabe jo enostavno zamenjamo z drugo. Pri izdelavi vodilne plošče velja

upoštevati naslednje smernice:

• vodilna plošča naj bo preprosta in ravno dovolj visoka, da pestič v ZML ne izstopi iz

plošče;

• vodilno ploščo izdelamo precizno iz orodnega jekla;

• izdelana naj bo tako, da jo v primeru ostrenja pestičev lahko razstavimo in ponovno

sestavimo.


- 15 -

Za še večjo produktivnost pa lahko z ustrezno izvedbo izsekovalna orodja, vodena z vodilno

ploščo, opravljajo več rezalnih operacij in tako po stopnjah dobivamo končni izdelek. To pa

ima velik ekonomski efekt, saj poleg povečane produktivnosti prihranimo na pločevini, ne

nazadnje pa tudi pridobimo na natančnosti in prihranimo precej več časa, kot če bi znova in

znova stregli v več orodij. Posledica tega pa so dražja orodja. Ta orodja, ki združujejo več

operacij v enem orodju, so namenjena izsekovanju enostavnih oblik, saj nam vodilna plošča

ne nudi več ustreznega vodenja in natančnosti. V takih primerih uporabljamo orodja, vodena

s stebri. [5]

4.1.2 Izsekovalna orodja, vodena z vodilnimi stebri

Tovrstna orodja pomenijo še večjo natančnost izsekovanja. Enako kot pri orodjih, vodenih z

vodilno ploščo, je tudi tukaj vodenje odvisno od stebrov in ne od paha stiskalnice. Vodilni

stebri se med obratovanjem minimalno obrabljajo, kar prispeva k večji gospodarnosti. Izdelava

takih orodij je relativno hitra, saj ni potrebna natančna izdelava elementov, kot je npr. vodilna

plošča. [5]

Ohišja orodij, vodenih s stebri, so standardizirana, kar pomeni, da lahko zamenjamo razna

orodja brez posebnih sprememb vodilnih elementov. Ohišja sestavljajo:

• Vodilni stebri – izdelani so iz jekel, primernih za cementiranje (EN

10084: C10E, C15E, C10R, C15R)1, katera po mehanski obdelavi

cementiramo do globine 0,8 mm, nato kalimo in nazadnje brusimo

na toleranco. Na drsni ploskvi stebra izdelamo kanale, kar

zagotavlja enakomerno mazanje med obratovanjem. Pri hitro

tekočih orodjih opremimo drsne ploskve z mazalko, kar poenostavi

mazanje. V izogib stroškom, ki nastanejo z izdelavo vodilnih

stebrov, pa so na trgu standardni vodilni stebri s pripadajočo

vodilno kletko in pušo. Tovrstni vodilni stebri so kotalno uležajani,

s čimer se trenje in obraba precej zmanjšata. Vodilni stebri so na

spodnjem delu ohišja fiksno pritrjeni z vijaki ali varovalnimi obroči,

na zgornjem delu pa tesno vrtljivi.

1 Proizvajalec jekel Štore Steel, proizvodni program (Dostop na WWW: http://www.store-

steel.si/ppVrsteJekel.asp)

Slika 4.1: Vodilni steber


- 16 -

• Spodnji in zgornji del ohišja – razen v izjemnih primerih se za spodnji in zgornji del

ohišja uporablja siva litina, sicer pa konstrukcijsko jeklo. Izdelamo jih lahko v raznih

oblikah glede na število stebrov in glede na obliko naležne ploskve.

Da bi preprečili napačno montažo orodja na stiskalnico oziroma da bi zgornji del ohišja napram

spodnjemu napačno obrnili, uporabljamo metodo »poka – yoke«. Tako izdelamo vodilne

stebre različnih premerov in preprečimo, da bi ohišje nepravilno nasedalo. [5]

Slika 4.2: Viden gladki rob rondelice

Kupci rondelic zahtevajo visoko kvaliteto roba rondelice. Zato je orodje, katerega analizo

izvajamo, vodeno z vodilnimi stebri, saj le-ti zagotavljajo ustrezno natančnost vodenja. Ti

stebri so na enem koncu konične oblike, ki nalega z matrično ploščo. Konični stebri imajo veliko

natančnost vodenja, kar je pri visokih hitrostih izsekovanja ključno. Seveda je pogoj za

doseganje točnosti vodenja natančna izdelava naležnih površin.


- 17 -

5 MERJENJE SIL V VPENJALNIH VIJAKIH

Namen merjenja sil v vpenjalnih vijakih je bil ugotoviti, kako velika sila nastopi ob povratnem

gibu paha stiskalnice. Pri tem smo želeli izmeriti maksimalno silo, ki nastopi v primeru, ko

zaradi trenja med pestiči in matrico stiskalnico zaustavi. Ker je aluminijast trak napram

pestičem mehak, se teoretično lahko zgodi, da se aluminij zapaca med pestiče in matrico. Tako

je sila trenja večja od moči stiskalnice in stiskalnico zaustavi, pri čemer pride do izpada

proizvodnje ali v najslabšem primeru do poškodb stiskalnice. V našem primeru se to ni zgodilo,

saj je bila sila stiskalnice ob nedavni nadgradnji stiskalnic in kljub prenehanju mazanja večja

od sile trenja oziroma sile prijemanja.

Na spodnji sliki so zbrane izmerjene vrednosti za tri izmed štirih orodij in režime izsekovanja

pri 250, 300 ter 400 udarcih/minuto. Razvidno je, da se sila paha ob povratnem gibu bistveno

ne razlikuje glede na režim izsekovanja.

Graf 1: Vsota statičnih in dinamičnih sil glede na orodje in režim izsekovanja [10]

Štirje vpenjalni vijaki M20, ki povezujejo matrično ploščo s podporno ploščo na stiskalnici,

prijemajo preko roba matrice in L-vpenjalnega elementa. Na spodnji strani so štirje vijaki, od

tega sta dva opremljena z merilnimi lističi. Podobno je fiksiran zgornji del orodja, ki je sicer

pomičen in fiksiran na pah stiskalnice. Razlika je v tem, da je vpetje izvedeno s šestimi vijaki,

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

250 300 400

Vso

ta s

il [k

N]

65,5 29,7 18,7


- 18 -

ki preko vpenjalnega elementa zagotavljajo zadostno silo vpetja. Podobno kot na spodnjem

delu so tudi tukaj trije vijaki opremljeni z uporovnimi lističi.

Slika 5.1: Vpetje spodnjega in zgornjega dela orodja na stiskalnico

5.1 Izvajanje meritev

Merjenje se je izvajalo v mesecu februarju, pri tem pa so bili prisotni zaposleni iz podjetja in

akademsko osebje s Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru. Vpenjalni vijaki, katere so

priredili za merjenje sil, so enaki kot tisti, ki se uporabljajo v podjetju. V vijake so najprej izvrtali

luknjo do ustrezne globine, nato pa vanje prispajkali merilne lističe. S tem, ko so vijaki ob

povratnem gibu paha stiskalnice obremenjeni na nateg, se jim dolžina iz 𝐿 poveča za ∆𝐿.

Merilne vijake so na fakulteti predhodno umerili, pri čemer so upoštevali izgube sistema in

vplivne dejavnike. Pomemben vplivni dejavnik je temperatura, zaradi česar se tanka žica

merilnega lističa razteza in pri tem dobimo napačen rezultat. Da bi se izognili vplivu

temperature, lističe vežemo v Winstonov mostiček ali s pomočjo sekundarnega merilnega

lističa.

Uporovni merilni lističi delujejo na principu spremembe upornosti ∆𝑅. Na tanko folijo je

nanešena tanka žica, kateri se zaradi spremembe dolžine ob natezni obremenitvi spremeni

tudi upornost. Lističi so še posebej primerni za merjenje nateznih ali strižnih sil.


- 19 -

Slika 5.2: Merilni vijaki za merjenje sil ob povratnem gibu paha stiskalnice [10]

Oprema, potrebna za merjenje:

osebni računalnik z nameščenim programskim paketom LabVIEW;

merilni vijaki z ustreznimi kabli;

digitalno-analogni pretvornik CHO-CH7 120 Ω.

Slika 5.3: Zaslonski posnetek programa LabVIEW [10]


- 20 -

Potek meritve:

namestitev računalnika in računalniške opreme ter digitalno-analognega sprejemnika;

namestitev merilnih vijakov na vpenjalna mesta;

pritrditev merilnih vijakov z moment ključem;

med procesom izsekovanja beleženje in spremljanje izmerjenih podatkov glede na

režim izsekovanja;

menjava orodja in ponovna namestitev vijakov;

analiziranje izmerjenih podatkov;

pisanje končnega poročila in predstavitev rezultatov.

5.2 Natezna dopustna obremenitev na en vijak

Ker gre za klasično čelno zvezo, vijaki prevzemajo natezno in strižno obremenitev, matrična

plošča pa tlačno obremenitev. Ker torej vijaki prenašajo natezne obremenitve, bomo

izračunali le te. Spodaj navedeni izračun velja za natezno obremenitev enega vijaka. [11]

Tabela 5: Osnovne mehanske lastnosti vijakov [11]

M20 M22

Trdnostni razred 10.9 10.9

𝑑1 [𝑚𝑚] 17,294 19,294

𝑃 2,5 2,5

𝑅𝑒 [𝑁/𝑚𝑚2] 940 940

Spodnja plošča M20:

𝐴𝑗 =𝜋 ∙ 𝑑1

2

4∙ (1 −

13√3

24∙

𝑃

𝑑1) =

𝜋 ∙ 17,2942 𝑚𝑚2

4∙ (1 −

13√3

24∙

2,5 𝑚𝑚

17,294 𝑚𝑚)

= 234,8987 𝑚𝑚2 ∙ 0,8643 = 203,041 𝑚𝑚2

(5.1)

𝐹𝑝 = 𝜐1 ∙ 𝐴𝑗 ∙ 𝑅𝑒 = 0,75 ∙ 203,041 𝑚𝑚2 ∙ 940 𝑁/𝑚𝑚2 = 143,143 𝑘𝑁 (5.2)

𝜎𝑑𝑜𝑝 = 0,7 ∙ 𝐹𝑝 = 0,7 ∙ 143,143 𝑘𝑁 = 100,2 𝑘𝑁 (5.3)


- 21 -

Zgornja plošča M22:

𝐴𝑗 =𝜋 ∙ 19,2942 𝑚𝑚2

4∙ (1 −

13√3

24∙

2,5 𝑚𝑚

19,294 𝑚𝑚) = 256,828 𝑚𝑚2 (5.4)

𝐹𝑝 = 0,75 ∙ 256,828 𝑚𝑚2 ∙ 940 𝑁/𝑚𝑚2 = 181,064 𝑘𝑁 (5.5)

𝜎𝑑𝑜𝑝 = 0,7 ∙ 𝐹𝑝 = 0,7 ∙ 181,064 𝑘𝑁 = 126,74 𝑘𝑁 (5.6)

𝑑1 – premer stebla vijaka brez navoja [𝑚𝑚]

𝑃 – korak navoja

𝜐1 – varnostni faktor

𝐴𝑗 – napetostni presek [𝑚𝑚2]

𝑅𝑒 – napetost tečenja [𝑁/𝑚𝑚2]

𝐹𝑝 – natezna sila s prednapetjem [𝑁]

𝜎𝑑𝑜𝑝 – dopustna napetost pri nategu [𝑁/𝑚𝑚2], in sicer III – pri nihajni obremenitvi med

pozitivno in negativno največjo vrednostjo

Vsota vseh dopustnih nateznih napetosti v vijakih:

4 ∙ 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑀20 = 4 ∙ 100,201 𝑘𝑁 = 400,802 𝑘𝑁 (5.7)

6 ∙ 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑀22 = 6 ∙ 126,74 𝑘𝑁 = 760,47 𝑘𝑁 (5.8)

400,802 𝑘𝑁 + 760,47 𝑘𝑁 = 1161,27 𝑘𝑁 (5.9)

V uvodnem delu tega poglavja so v grafu 1 prikazane vsote dinamičnih in statičnih

obremenitev vijakov. Iz grafa je razvidno, da so maksimalne obremenitve med 1000 in

1400 kN. Graf sicer prikazuje vse obremenitve, medtem ko smo analitično preračunali samo

natezne, ki predstavljajo največji delež. V enačbi 5.9 imamo rezultat nateznih obremenitev, ki

pa nekoliko odstopa od izmerjenih.


- 22 -

Do odstopanja pride zaradi vplivnih dejavnikov, ki so prisotni pri merjenju. Vpliv na meritev pa

ima sama izbira strategije merjenja.

5.3 Rezultati in sklep merjenja sil

Z rezultati meritev smo potrdili dejstvo, da v primeru, ko pride do prijemanja pestičev, in v

primeru, ko mazanje ni zadostno, stiskalnici ostane dovolj moči, da premaga silo trenja. To

služi kot varnost, saj ima v takem primeru operater dovolj časa, da ustrezno ukrepa in prepreči

izpad proizvodnje.

Kadar pa je treba menjati izsekovalno orodje, je zaradi omejenosti prostora z moment ključem

težko dostopati in pravilno priviti vijake. Zato operaterji na stiskalnici vijake navadno privijejo

ročno in po občutku. S tem, ko vpenjalne sile niso enakomerne, se rezultanta sil, ki mora biti

v težišču, premakne izven težišča. To pa vodi do tega, da matrica in pestiči niso več poravnani

v soosni liniji in lahko pride do naleta le-teh. Tovrstno situacijo bi preprečili z vpetjem s

pomočjo hidravličnih vpenjal, ki zagotavljajo enako vpenjalno silo.


- 23 -

6 ANALIZA DEFORMACIJ ORODJA

To poglavje zaključnega dela predstavlja osrednji del, saj bodo rezultati pomembno pripomogli

k nadaljnjim fazam razvoja in h korekciji koncepta orodja. Sprva bomo analitično, s pomočjo

enačb določili težišče orodja, nato pa izvedli še trdnostno analizo matrične plošče in pestičev.

Ta dela sta pri procesu izsekovanja ena najpomembnejših elementov orodja, saj prevzemata

največje obremenitve.

Kasneje, v drugem delu tega poglavja, sledi numerična analiza s pomočjo metode končnih

elementov ali krajše MKE. Od tega, kako dobro si pripravimo model, je odvisno, kako

kvalitetne rezultate bomo dobili. Veliko vlogo pri rezultatu ima tudi mreža. Priporočena je

mreža, kjer so elementi čim bolj enakomerno razporejeni. Poves matrične plošče je dokaj

enostavna naloga, ki nam kljub enostavnosti daje rezultate, primerljive z analitičnim

izračunom.

6.1 Analitični izračun deformacij orodja

6.1.1 Določitev težišča orodja

Od tega, ali je orodje v težišču, je odvisna kvaliteta reza na strižni coni, pa tudi obstojnost

orodja in same stiskalnice. Izsekovalno orodje konstruiramo tako, da so rezultante vseh

rezalnih linij v središču orodja, torej v liniji, kjer se nahaja vpenjalni čep. Kadar ne zadostimo

temu pogoju, se pojavi vrtilni moment, ki povzroča naslednje posledice: [5]

• pah je na eni strani bolj obremenjen kot na drugi, zato njegovo gibanje ni več navpična

linija, ampak je le-ta rahlo nagnjena. Vodila paha se tako hitro obrabljajo, kvaliteta reza

pa z obrabo vodil pada;

• prav tako lahko pri orodjih, vodenih z vodilno ploščo, pride do obrabe vodilne plošče

in rezil, kar znatno poveča stroške;

• enake posledice se pojavljajo pri orodjih, vodenih z vodilnimi stebri, le da se sila tukaj

porazdeli na vse stebre. Vodilni stebri se zaradi porazdelitve sile obrabljajo počasneje

kot vodilna plošča.


- 24 -

Težišče orodja izračunamo s pomočjo matematične metode o momentu sil. Vsota posameznih

rezalnih sil je enaka rezultirajoči rezalni sili. Izračunali bomo torej težiščne linije posameznih

elementov, nato pa jih združili v rezultanto. Ta rezultanta bo določila težiščno linijo orodja. [5]

Tabela 6: Globalno težišče izsekovalnega orodja

IZRAČUN TEŽIŠČA ORODJA

Št. pestiča

Obseg pestiča

Razdalja med X osjo in težiščem

Razdalja med Y osjo in težiščem

X os * o Y os * o

1 278,97 101,5 130,2 28315,78 36322,31

2 278,97 149 204,75 41567,01 57119,76

3 278,97 196,5 130,2 54818,23 36322,31

4 278,97 244 204,75 68069,46 57119,76

5 278,97 291,5 130,2 81320,69 36322,31

∑ 1394,87 982,5 800,1 274091,16 223206,45

Koordinate težišča izsekovalnega orodja:

𝑋0 =∑ 𝑋_𝑜𝑠 ∙ 𝑜

∑ 𝑜=

274091,16

1394,87= 196,5 (6.1)

𝑌0 =∑ 𝑌_𝑜𝑠 ∙ 𝑜

∑ 𝑜=

223206,45

1394,87= 160 (6.2)

Slika 6.1: Točka s koordinatami, ki označuje težišče orodja

Y

X


- 25 -

6.1.2 Zadostna debelina matrične plošče

Jeklo, iz katerega je izdelana matrična plošča (v nadaljevanju matrica), predstavlja visok

strošek, saj je izdelana iz orodnega jekla ali iz jekla za poboljšanje. Tako si z izračunom zadostne

debeline matrice prihranimo stroške materiala, pri tem pa ne tvegamo, da bi matrico

deformirali ali celo zlomili. Do loma matrice bo prišlo na predelu, kjer ima matrica najmanj

materiala oziroma je po celoten preseku največ izvrtin. Takemu prerezu rečemo kritični prerez,

ki je v spodaj navedenih enačbah 5.5 in 5.6 za izračun potrebne debeline matrice označen z

indeksom 𝑏. V primeru našega orodja je ta na mestu, kjer so v isti liniji trije pestiči.

Slika 6.2: Kritični presek matrice

Debelina aluminijastega traku, iz katerega izsekujemo rondelice, je povprečno med 5 in 6 mm

oziroma maksimalno 10 mm. Ti debelini aluminijastega traku smo upoštevali pri nadaljnjih

izračunih, kjer bomo izračunane povprečne in maksimalne debeline med sabo tudi primerjali.

V praksi pa je treba predvideti maksimalno debelino traku za izsekovanje in glede na to

vrednost izračunati potrebno debelino. V kolikor za naš material nimamo znane vrednosti za

strižno trdnost materiala 𝜏𝐵, upoštevamo kar vrednost za natezno trdnost 𝑅𝑚. Vrednosti

nateznih trdnosti so razvidne iz tabele 1, od koder znova vzamemo največjo vrednost; ta za

zlitino AlMn0,6 znaša 165 MPa.


- 26 -

Sila izsekovanja:

𝐹𝑟(𝑆 = 6 ) = 𝑑 ∙ 𝜋 ∙ 𝑆 ∙ 𝜏𝐵 = 44,4 𝑚𝑚 ∙ 𝜋 ∙ 6 𝑚𝑚 ∙ 165 𝑁/𝑚𝑚2 = 138091 𝑁 (6.3)

𝐹𝑟(𝑆 = 10) = 44,4 𝑚𝑚 ∙ 𝜋 ∙ 10 𝑚𝑚 ∙ 165 𝑁/𝑚𝑚2 = 230153 𝑁 (6.4)

Zadostna debelina matrične plošče:

ℎ(𝑆 = 6) = √3 ∙ 𝐹𝑟 ∙ 𝑙

4 ∙ 𝑏 ∙ 𝜎𝑑𝑜𝑝= √

3 ∙ (5 ∙ 138091 𝑁) ∙ 280 𝑚𝑚

4 ∙ 255 𝑚𝑚 ∙ 120 𝑁

𝑚𝑚 2

= 68,84𝑚𝑚 (6.5)

ℎ(𝑆 = 10) = √3 ∙ (5 ∙ 230153 𝑁) ∙ 280 𝑚𝑚

4 ∙ 255 𝑚𝑚 ∙ 120 𝑁

𝑚𝑚2

= 88,87 𝑚𝑚 → 𝟗𝟎 𝒎𝒎 (6.6)

𝑑 – premer pestičev [𝑚𝑚]

𝑆 – debelina aluminijastega traku [𝑚𝑚]

𝑏 – kritični presek [𝑚𝑚]

𝑙 – razdalja med podporama matrične plošče [𝑚𝑚]

𝜏𝐵 ≈ 𝑅𝑚,𝑡𝑟𝑎𝑘𝑢 – strižna trdnost materiala [𝑁/𝑚𝑚2]

𝜎𝑑𝑜𝑝 – dopustna upogibna napetost [𝑁/𝑚𝑚2]

Treba je upoštevati tudi dodatek k debelini matrice zaradi ponovnega ostrenja. Ko matrica

zaradi obrabe ne deje več želenih rezultatov, jo je treba nabrusiti. Obrabo matrice

prepoznamo tako, da se pojavi srh, aluminij pa se prične lepiti na pestiče. Pred vsako montažo

izsekovalnega orodja na stiskalnico je treba preveriti stanje orodja. Ko matrica ni dovolj ostra,

jo prinesejo iz proizvodnje v orodjarno. Matrice se brusijo na ploskovnem brusilnem stroju,

brus, katerega uporabljajo, pa je plemeniti korund, namenjen obdelavi visokolegiranih jekel.

Globina ponovnega ostrenja matrice znaša nekaj desetink milimetra. Upoštevajoč omenjene

dodatke, smo se odločili, da za potrebe preračuna izberemo debelino matrične plošče ℎ =

90 𝑚𝑚.


- 27 -

6.1.3 Poves matrice in tlačna obremenitev med matrico in podporo

Poves matrice bomo dobili tako, da si matrico predstavljamo kot nosilec, ki je na obeh straneh

fiksno vpet z vijaki preko L-vpenjalnega elementa. Pričakovano je največji poves na sredini 𝑓3,

saj je od podpor najbolj oddaljen. Enačimo lahko tudi povese 𝑓1 = 𝑓5 in 𝑓2 = 𝑓4, saj so od

podpor enako oddaljeni. Analitično smo izračunali za trak debeline 𝑆 = 10 𝑚𝑚, v grafu pa sta

prikazani krivulji povesa za obe debelini aluminijastega traku.

Poves statično nedoločenega nosilca:

𝑓 =2 ∙ 𝐹

3 ∙ 𝐸 ∙ 𝐼𝑧∙

𝑎2 ∙ 𝑏3

(3 ∙ 𝑙 − 2 ∙ 𝑎)2 ; 𝑓 =

𝐹 ∙ 𝑙3

192 ∙ 𝐸 ∙ 𝐼𝑧 (6.7)

𝐼𝑧 =𝑎 ∙ ℎ3

12=

393 𝑚𝑚 ∙ 903 𝑚𝑚

12= 23874750 𝑚𝑚4 (6.8)

𝑓1 = 𝑓5 =2 ∙ 230153

3 ∙ 210000 ∙ 23874750∙

452 ∙ 2353

(3 ∙ 280 − 2 ∙ 45)2= 0,00143 𝑚𝑚 (6.9)

𝑓2 = 𝑓4 =2 ∙ 230153

3 ∙ 210000 ∙ 23874750∙

92,52 ∙ 187,53

(3 ∙ 280 − 2 ∙ 92,5)2= 0,00402 𝑚𝑚 (6.10)

𝑓3 =230153 ∙ 2803

192 ∙ 510000 ∙ 23874750= 0,00525 𝑚𝑚 (6.11)

𝐸 – modul elastičnosti [𝑁/𝑚𝑚2]

𝐼𝑧 – vztrajnostni moment [𝑚𝑚4]

𝑙 – razdalja med podporama [𝑚𝑚]

𝑎, 𝑏 – razdalja od podpore do prijemališča sile [𝑚𝑚]

ℎ – višina matrice [𝑚𝑚]

Povese matrične plošče bomo dobili tako, da poves v predhodni točki seštejemo:

𝑓2 𝑑𝑒𝑗 = 𝑓1 + 𝑓2 = 0,00143 + 0,00402 = 0,00545 𝑚𝑚 (6.12)

𝑓3 𝑑𝑒𝑗 = 𝑓1 + 𝑓2 + 𝑓3 = 0,0107 𝑚𝑚 (6.13)


- 28 -

0,00000

0,00200

0,00400

0,00600

0,00800

0,01000

0,01200

0 1 2 3 4 5 6

S=10 mm S=6 mm

Slika 6.3: Analitični rezultati povesa matrične plošče f, odvisni od debeline traku

Ob stiku matrične plošče s podporno ploščo pride do nasprotujočih si sil, in sicer sile

izsekovanja in sile podpor. Tako pride do koncentracije tlačnih napetosti na predelu, kjer se

stikata omenjeni plošči. Material podporne plošče je legirano jeklo za poboljšanje (1.2312),

kasneje pa še kaljeno. Dopustna tlačna napetost po kaljenju znaša okoli 𝑅𝑚 ≈ 1080 𝑀𝑃𝑎 →

𝜎𝑑𝑜𝑝 = 190 𝑁/𝑚𝑚2. 2

𝑝 =𝐹𝑟

𝐴≤ 𝜎𝑑𝑜𝑝 (6.14)

2 Dopustno napetost pri tlačni obremenitvi 𝜎𝑑𝑜𝑝 za podporno ploščo smo odčitali iz KSP [7] str. 609, za primer

obremenitve III.

𝐹𝑟


- 29 -

𝐴 = (81,5 𝑚𝑚 ∙ 2) ∙ 320 𝑚𝑚 = 52160 𝑚𝑚2 (6.15)

𝑝 =5 ∙ 230,1 𝑘𝑁 ∙ 103

52160 𝑚𝑚2= 22,057 𝑁/𝑚𝑚2 ≤ 190 𝑁/𝑚𝑚2 (6.16)

𝐴 – presek pestiča [𝑚𝑚2]

𝜎𝑑𝑜𝑝 – tlačna obremenitev pestiča [𝑁/𝑚𝑚2]

Slika 6.4: Tlačna napetost med naležnima površinama matrične s podporno ploščo

6.1.4 Preračun pestičev na tlak in uklon

Obe obremenitvi, tako tlačno kot uklon, nadzorujemo le pri zelo tankih oziroma vitkih pestičih.

Tlačno obremenitev izračunamo po spodnji enačbi, ki je odvisna od sile izsekovanja in preseka

pestiča.

𝜎𝑑(𝑆 = 6) =𝐹𝑟

𝐴=

4 ∙ 𝐹𝑟

𝜋 ∙ 𝑑=

4 ∙ 138091 𝑁

𝜋 ∙ 44,42 𝑚𝑚2= 89,188 𝑁/𝑚𝑚2 (6.17)

𝜎𝑑(𝑆 = 10) =4 ∙ 230153 𝑁

𝜋 ∙ 44,42 𝑚𝑚2= 148,648 𝑁/𝑚𝑚2 (6.18)

𝑑 – premer pestiča [𝑚𝑚]

𝑝

𝜎𝑑𝑜𝑝


- 30 -

Slika 6.5: Obremenitev pestiča na tlak in risba pestiča

Omenili smo že, da se tudi uklon pojavi pri vitkih pestičih. Da bi preprečili lom rezil, si v

primerih, kadar so pestiči dolgi, pomagamo z vodenjem pestičev z držali ali kar z vodilno

ploščo. Sicer pa maksimalno dolžino pestiča, vodenega z vodilno ploščo ali držalom,

izračunamo po spodnji enačbi.

Maksimalna dolžina pestiča:

𝑙𝑚𝑎𝑥(𝑆 = 6) = √2 ∙ 𝜋 ∙ 𝐸 ∙ 0,05 ∙ 𝑑3

𝑆 ∙ 𝜏𝐵= 256,9 ∙ √

𝑑3

𝑆 ∙ 𝜏𝐵

= 256,9 ∙ √44,43 𝑚𝑚3

6 𝑚𝑚 ∙ 165 𝑁/𝑚𝑚2= 2415,57 𝑚𝑚

(6.19)

𝑙𝑚𝑎𝑥(𝑆 = 10) = 256,9 ∙ √44,43 𝑚𝑚3

10 𝑚𝑚 ∙ 165 𝑁/𝑚𝑚2= 1871,09 𝑚𝑚 (6.20)

Pestič v primeru našega orodja skupno v dolžino meri 85 mm, torej nevarnosti, da bi se zlomil

zaradi uklona, ni, saj ustrezamo pogoju:

𝑙𝑝𝑒𝑠𝑡𝑖č𝑎 ≪ 𝑙𝑚𝑎𝑥 (6.21)

85 𝑚𝑚 ≪ 1871 𝑚𝑚 (6.22)


- 31 -

6.2 Numerična analiza povesa matrične plošče

Računalniške simulacije danes igrajo pomembno vlogo pri inženirskem poklicu. V fazah

razvoja, načrtovanja in tudi proizvodnje so nepogrešljivi del računalniške programske opreme.

Simulacije se uporabljajo takrat, kadar realni model ne obstaja, prototip ali eksperiment pa je

predrag, časovno zamuden ali celo nemogoč. [12]

6.2.1 Priprava simulacije

Za izvedbo numerične analize povesa matrične plošče bomo uporabili programski paket

Abaqus/CAE. Rezultati so odvisni od dobre priprave modela, katerega pripravimo po

naslednjih korakih: [13]

a) Geometrija modela – predhodno smo v podjetju dobili model celotnega izsekovalnega

orodja, modeliranega v programskem paketu CATIA V5-6R2014 in v obliki formata

.STEP, ki je najpogosteje uporabljan format. Od celotnega orodja smo potrebovali le

matrico, katero je možno s klikom izolirati od ostalega orodja. Ker pa je višina matrice

konstruirana na 64 mm, smo morali višino popraviti na 90 mm in prirediti izvrtine,

namenjene ugreznim vijakom. Sledil je uvoz modela v program Abaqus. Programu že

na samem začetku povemo, da gre za volumski model, saj gre za velike dimenzije

višine, širine in dolžine matrice.

Slika 6.6: Volumski model v programskem paketu Abaqus


- 32 -

b) Materialne lastnosti – vnos le-teh je na osnovi elastoplastičnega modela. Matrica je

izdelana iz jekla za poboljšanje in kasneje kaljena na 56 HRc. V spodnji tabeli so

prikazane mehanske lastnosti, katere smo uporabili za izvedbo simulacije.

Tabela 7: Mehanske lastnosti matrične plošče, potrebne za numerično simulacijo

Mehanske lastnosti matrice

Poissonovo število 𝜇 = 0,295

Modul elastičnosti 𝐸 = 210000 𝑀𝑃𝑎

c) Podpore – na model smo dodali dve vrsti podpor. Prvo podporno mesto predstavlja

površino naleganja med matrično in podporno ploščo (stiskalnico). Na tem mestu gre

za fiksno vpetje, kjer ni ne translacijskih ne rotacijskih gibanj, saj je matrica fiksno

pritrjena z vijaki preko L-vpenjalnih elementov.

Slika 6.7: Označeno mesto vpetja oziroma nalega matrične z podporno ploščo

Drugo podporno mesto pa so vodilni stebri. Prav tako kot pri prvem podpornem mestu

tudi tukaj ni nobenih pomikov.

V primeru dinamičnih obremenitev se zgodi, da se zaradi povesa matrice elastično

deformirajo tudi vodilni stebri. S tem, ko se vodilni stebri pri visokih hitrostih

izsekovanja upognejo, pride do vibracij znotraj sistema in zaostalih napetosti.

Kompleksna simulacija, ki bi vključila še ostale dele orodja, bi dala ustrezne rezultate

in iz nje bi bila razvidna povezava med posameznimi deli orodja ter pomiki le-teh.


- 33 -

Slika 6.8: Drugo vpenjalno mesto, vodilni stebri

d) Obremenitve – sprva smo določili referenčne točke, ki so v prijemališču sile, s katero

pestiči delujejo na aluminijast trak. Nato smo v teh istih referenčnih točkah narisali

sekundarne kroge. Tako smo dobili krožni kolobar z notranjim premerom 44,4 mm in

zunanjim premerom 60 mm.

Slika 6.9: Krožni kolobarji, na površino katerih deluje sila

V tabeli so podane različne velikosti krožnih kolobarjev in njihov vpliv na poves matrice.

Jasno je, da večja površina kolobarja pomeni manjši poves matrice, vendar ne smemo

pozabiti, da se sila izsekovanja v določenem radiju prenese na matrično ploščo. Ta se


- 34 -

prenaša tako, da sila od notranjega premera kolobarja proti zunanjemu pada.

Nazadnje smo se odločili za premer 60 mm.

Vpliv velikosti radija

Velikost radija [mm]

Maksimalni poves [mm]

25 0,001018

26 0,001001

30 0,009486

32 0,009192

35 0,008888

Slika 6.10: Poves matrice v odvisnosti od velikosti krožnih kolobarjev velikosti (od zgoraj levo proti spodaj desno) Ø 25, 26, 32 in 35

Dobljen krožni kolobar, viden na spodnji sliki, predstavlja vplivno območje. V trenutku,

ko pestič trči ob aluminijasti trak, se zaradi reakcijske sile traku izsekovalna sila prenese

na matrico v območju krožnih kolobarjev. Zato smo predpostavili, da je sila, ki deluje

na matrico, enaka sili izsekovanja.


- 35 -

0,0084

0,0086

0,0088

0,009

0,0092

0,0094

0,0096

0,0098

50 20 15 10 9 8

Konvergenca

Graf 2: Konvergenca rezultata

Slika 6.11: Območje delovanja sile izsekovanja

e) Mreženje – od kvalitete mreže je neposredno odvisen rezultat simulacije. V ta namen

smo model razdelili na tri ločene particije, da bi dobili enakomerno porazdelitev

končnih elementov. Particije so ločene z rumeno črto, vidno na zgornji sliki 6.10. Za

strukturno mrežo smo uporabili volumske končne elemente, tetraedre.

V spodnji tabeli so prikazane velikosti končnih elementov in maksimalna vrednost

povesa.

Tabela 8: Tabelarični prikaz konvergence rezultata

Vpliv velikosti končnega elementa

Velikost končnega

elementa

Maksimalni

poves [mm]

50 0,0089

20 0,009717

15 0,009307

10 0,009475

9 0,009482

8 0,009486


- 36 -

Slika 6.12: Poves matrice pri končnih elementih velikosti (od zgoraj levo proti spodaj desno) 50, 20, 15 in 10

6.2.2 Rezultati simulacije

Gre za precej poenostavljeno simulacijo povesa matrice. V kolikor bi želeli dobiti eksaktne

rezultate, bi morali v simulacijo vključiti aluminijasti trak, vodilne stebre in pestiče. S tovrstno

kompleksno simulacijo bi dobili točno območje okoli izvrtine matrice, kjer se sila preko traku

prenaša na matrico. Takšen kompleksen model pa terja veliko časa in znanja ter kasneje

računalniškega časa za računanje.

Kljub poenostavljani simulaciji so rezultati primerljivi z analitičnim izračunom v prejšnjem

podpoglavju. Upoštevati moramo, da je pri analitičnem izračunu precej predpostavk in

poenostavitev modela, kot so:

• Vse sile pestičev smo postavili v enako linijo, česar v realnem modelu ni. Posledica tega

je, da je analitični rezultat napram numeričnemu nekoliko višji.

• Analitično ni smiselno preračunavati povezave med silami, ki nastanejo okoli pestičev

2, 3 in 4. Smiselno ni v tem pogledu, da bi analitični preračun terjal še veliko več časa

kot numerični, če bi sploh bilo mogoče izračunati povezavo med omenjenimi

deformacijami. Poleg tega analitično izračunamo zgolj v izbranih točkah, medtem ko

simulacija poda rezultat v kateri koli točki, odvisno od števila interpolacijskih točk.


- 37 -

Slika 6.13: Maksimalni povesi se pojavijo v trikotniku med pestiči, ki so najbolj oddaljeni od podpor

Slika 6.14: Poves matrične plošče pri izsekovanju aluminijastega traku S = 10 mm


- 38 -

Slika 6.15: Maksimalna vrednost povesa matrične plošče

Predstavljani rezultati veljajo za končne elemente velikosti 8. Pri tej velikosti namreč rezultat

konvergira in ni več treba manjšati mreže. Število elementov na modelu je 217.143 in število

vozlišč 313.461. Končni elementi so tetraedrske oblike s štirimi integracijskimi točkami in tipa

C3D10.

Če primerjamo rezultata analitičnega izračuna in simulacije v točki, kjer so pomiki maksimalni,

dobimo naslednjo razliko:

𝑓max _𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑡𝑖č𝑛𝑜 − 𝑓max _𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑖č𝑛𝑜 = 0,0107 − 0,009486 = 0,001214 𝑚𝑚 (6.23)

Do razlike v rezultatih pride zaradi poenostavitve modela pri analitičnem izračunu. Kljub temu

pa sta rezultata primerljiva. Nazadnje smo se odločili upoštevati rezultate numerične analize.


- 39 -

7 OPTIMIZACIJA IN KOREKCIJA ORODJA

Rezultati iz prejšnjega poglavja nam bodo koristili pri korekciji orodja. Prvotno načrtovana

višina matrice je znašala h = 64 mm. Glede na enačbo za izračun zadostne debeline matrične

plošče iz poglavja 6.1.2 bi ta višina zadostovala v primeru, da bi izsekovali trak debeline do

največ 6 mm z natezno trdnostjo do 130 MPa. Ker pa je treba orodje dimenzionirati tako, da

bo zdržalo tudi v primeru povišanih obremenitev, smo upoštevali maksimalne vrednosti. Po

pogovoru z zaposlenimi v PE Rondelice je maksimalna debelina traku 10 mm in maksimalna

natezna trdnost za AlMn0,6 165 MPa.

Da bi dokončno določili višino matrice, smo izvedli še simulacijo plošče matrice 64 mm.

Upoštevali smo, da za obe višini matrice veljajo enaki pogoji, kot so obremenitve, vpetje,

velikost končnih elementov, velikost kolobarjev ali vplivnega območja. Rezultati simulacije so

prikazani spodaj.

Slika 7.1: Rezultati simulacije pri višini matrice 64 mm


- 40 -

Razlika med maksimalnim povesom matrice pri obeh višinah je naslednja:

𝑈max _ℎ64 − 𝑈max _ℎ90 = 0,01703 − 0,00948 = 0,00755 𝑚𝑚 (7.1)

Razlika med maksimalnima povesoma sicer ni velika, znaša le 7 tisočink milimetra. Opazna

razlika pa se pojavi v trikotnem območju med pestiči, ki so od podpor najbolj oddaljeni.

Velikost omenjenega območja je pri matrici višine 64 mm veliko večja. Še bolj očitna je, če

pogledamo stranska risa na sliki 7.1 in sliki 6.13. Pri matrici višine 90 mm so pomiki bolj

lokalizirani. Na orodje pa je treba gledati kot na sistem, saj tudi ostali deli prevzemajo

obremenitve. Zato bi bilo treba narediti kompleksnejše simulacije, saj se na tem območju

pojavljajo utripne dinamične obremenitve, ki vodijo do utrujenosti materiala.

Slika 7.2: Povezava med deformacijskimi conami okoli pestičev 2, 3 in 4

Alternativa rešitev je merjenje deformacij s pomočjo 3D-skenerja, ki beleži pomike in

deformacije referenčnih točk. Posebna prednost omenjene metode je, da lahko meritev

izvajamo med obratovanjem. Tako lahko zaznamo tudi togost in vibracije v sistemu, ki so

pomemben vplivni dejavnik. [4]

V programskem paketu Autodesk Inventor smo opravili še trdnostno analizo pestičev, katere

smo na rezalni strani orodja obremenili s silo izsekovanja, na drugi pa fiksno vpeli. Zaradi

robustnosti pestičev in velikega premera ne pride do bistvenih deformacij, saj so kaljeni na

56 HRc.


- 41 -

8 STANDARDNO OHIŠJE

Standardna ohišja ali jarmi pridejo v poštev, kadar imamo veliko podobnih orodij. Takrat je

smiselno menjalne elemente (kot so matrična, nožna, snemalna, morebiti vodilna plošča in

pestiči) narediti na tak način, da jih je enostavno vstaviti in montirati v standardni jarem. S tem

prihranimo čas, katerega bi porabili za zamudno demontažo in montažo celotnega orodja,

prihranimo pa tudi na stroških, ki bi jih sicer porabili za orodno jeklo. Ob brskanju po spletu

smo naleteli na dva ponudnika standardnih jarmov. To sta KERN Tool Technology in

Measburger. V spletnem katalogu proizvajalca KERN lahko izbiramo ne samo jarme, ampak

tudi vodilne in rezalne dele, vzmeti, držala ter ostale elemente.

Slika 8.1: Široka izbira standardnih elementov v katalogih ponudnika KERN [14]

8.1 Izbira standardnega jarma

Zaradi specifičnih dimenzij orodja, katerega razvijamo, je bilo težje najti primerni jarem.

Dimenzija orodja, ki najbolj vpliva na izbiro, je razdalja med vodilnima stebroma 𝑒1in 𝑒4. V

kolikor bi bile vodilne puše nad snemalno ploščo, kot do sedaj, bi na izbiro vplivali samo

omenjeni dimenziji. V nasprotnem primeru moramo upoštevati še razdaljo med vodilnima

pušama 𝑎2. Te dimenzije so pomembne, saj določajo širino traku, ki ga lahko izsekujemo.


- 42 -

Slika 8.2: Kotirane dimenzije standardnega jarma [14]

Kotirani dimenziji 𝑒1in 𝑒4 se razlikujeta za 3 mm, in to z namenom, da ne bi prišlo do napačne

montaže orodja na stiskalnico. Uporabljena je metoda »poka – yoka«, kar pomeni odsotnost

napake. Namesto da uporabimo vodilne stebre različnih premerov, problem tukaj rešimo z

zamikom vodilnih stebrov ∆𝑒 = 3 𝑚𝑚. Proizvajalec jarmov je s tem zagotovil, da ob montaži

spodnjega dela orodja napram zgornjemu ne bi prišlo do zamenjave.

Pri izbiri standardnega jarma smo upoštevali dejstvo, da se dimenzije matrične, snemalne in

nožne plošče čim bolj ujemajo z izbranim jarmom. Spodnji izračun pokaže, da med stenama

vodilnih stebrov ostaja dovolj velik razmik za aluminijasti trak širine 270 mm.

𝑒1 − 𝑑2 = 310 − 32 = 278 𝑚𝑚 (8.1)

Aluminijasti trak širine 270 mm


- 43 -

Slika 8.4: Prerez vodilnih stebrov obstoječega

orodja (brez standardnega jarma)

Slika 8.3: Dimenzije in izbira standardnega jarma [14]

8.2 Izbira vodilnih elementov

Poleg predlaganega standardnega jarma je treba izbrati še ustrezne vodilne elemente, ki so

vodilni stebri, vodilne puše in kletke s kroglicami. Izbrali smo enak tip vodilnih stebrov, kakršen

je bil do sedaj, torej vodilne stebre s koničnim nasedom z vijačno zvezo. Konični nased namreč

zagotavlja točno in enakomerno vodenje.

Potrebna višina vodilnih stebrov:

Ozn. Del orodja Višina [mm]

Jarem – zgornja

plošča 50

5 Pokrivalna plošča ni treba

4 Nožna plošča 31

8 Vodilna puša 25

3 Snemalna plošča 21

2 Vmesne letve od 4 do 10

1 Matrična plošča 90

Jarem – spodnja

plošča 50


- 44 -

V primeru, da bi se odločili za nabavo standardnega jarma, ni potrebna izdelava pokrivalne

plošče, saj lahko zgornja plošča jarma prevzame to funkcijo. Kot je prikazano na sliki 8.2, je

vodilna puša s kletko vstavljena v zgornjo ploščo jarma. Skozi ostale plošče, vključno z

matrično, pa bi bilo treba izvrtati izvrtine in vanje vstaviti puše, ki so odporne proti obrabi.

Vodilni stebri so fiksno privijačeni na spodnjo ploščo standardnega jarma.

Izbira vodilnih stebrov:

Slika 8.5: Vodilni stebri 1220 ISO – 32 x 224 [14]


- 45 -

Izbira vodilnih puš:

Slika 8.6: Vodilna puša 1252.2 ISO – 32 [14]

Izbira kletk s kroglicami:

Slika 8.7: Kletka s kroglicami 1259 ISO 30 – 32 x 80 [14]


- 46 -

8.3 Smiselnost nabave standardnega jarma

Glavna prednost standardnih ohišij je, da z menjavo menjalnih elementov privarčujemo

stroške in prostor. Vsa izsekovalna orodja, razen izjem, med katerimi je tudi orodje, omenjeno

v tem delu, so grupirana v dve seriji: T in N.

Tabela 9: Orodja, ki jih uporabljajo v proizvodnji, razdeljena v seriji

Grupirana izsekovalna orodja

Serija Velikost matrične plošče [mm]

T 396 × 246 × 64

N 396 × 292 × 64

Orodja, ki sodijo v omenjeni seriji, bi lahko implementirali v standardno ohišje. Potrebna bi

bila nabava dveh ohišij za vsako stiskalnico, to pa zaradi dejstva, ker je eno v uporabi, medtem

ko se drugo orodje pripravlja. Priprava orodja zajema čiščenje, montažo menjalnih elementov

na jarem in nazadnje montažo celotnega orodja na stiskalnico. Da se izvedejo vse te operacije,

potrebujemo tudi do 45 min.

Za izvajanje tovrstnih operacij bi morali zaposliti eno ali več oseb, ki bi izključno pripravljale

orodja. Več oseb zato, ker je v proizvodnji šest stiskalnic in občasno se zgodi, da je obseg

izsekovanja do 800 kg, kar pomeni, da je orodje v uporabi le pol ure. V tako kratkem času pa

ni možno pripraviti novega orodja, zato bi prihajalo do nepotrebnih zastojev.

Kar se tiče nabave standardnega jarma za orodje, ki je osrednja tema tega dela, se ne zdi

smiselna. To orodje je prvovrstno za izsekovanje traku širine 270 mm in je zaenkrat edino. V

primeru standardnega ohišja bi bilo treba nekoliko korigirati orodje, saj se dimenzije ohišja in

plošč ne ujemajo.

Naš sklep je, da je za potrebe enega orodja bolj smiselna izdelava namenskega ohišja kakor

modificiranje menjalnih elementov. V kolikor pa bi širina traku 270 mm postala standardna, bi

bilo o tem vredno razmisliti. Vendar je ta tema preobsežna za naše magistrsko delo, zato je to

lahko izhodišče za podobno zaključno nalogo.


- 47 -

9 EKONOMIKA IZSEKOVALNEGA ORODJA

Podjetje Talum sodi med najbolj učinkovite proizvajalce rondelic na svetu. Da bi povečali in

ohranili konkurenčno prednost, so se v podjetju med drugim odločili za povišanje

produktivnosti izdelovalne linije. Dosedanjo širino traku 223 mm bodo v prihodnje nadomestili

s širino 270 mm. Linija za litje traku ima že sedaj zmogljivost litja širšega traku, oviro pa

predstavljajo stiskalnice in orodja. Ob nedavnem vzdrževanju so povečali še moč stiskalnic.

Tako je sledilo konstruiranje novega orodja. Tovrstno orodje je prvo, s katerim bo možno

izsekovati širši trak.

Izkoristek traku širine 270 mm:

𝜂š=270 =𝐴 ∙ 𝑛

𝑝 ∙ š∙ 100% =

𝜋 ∙ 44,42 𝑚𝑚 ∙ 5

4 ∙ 51,4 ∙ 270 𝑚𝑚∙ 100% = 55,78 % (9.1)

Izkoristek traku širine 223 mm:

𝜂š=270 =𝐴 ∙ 𝑛

𝑝 ∙ š∙ 100% =

𝜋 ∙ 44,42 𝑚𝑚 ∙ 4

4 ∙ 51,4 ∙ 223 𝑚𝑚∙ 100% = 54,03 % (9.2)

𝑛 – število pestičev

𝑝 – pomik aluminijastega traku

š – širina traku [𝑚𝑚]

Razlika med izkoristkoma materiala znaša zgolj 1,75 % v prid širšemu traku. Izkoristek

materiala pa ni bistveni kriterij, s katerim podjetje želi doseči višjo produktivnost. To, da ima

novo orodje en dodaten pestič, pomeni, da v enakem času izsekamo 20 % več. Pri tem pa je

treba omeniti tudi višji izkoristek stiskalnice, ki ga do zdaj ocenjujejo na okoli 50 %. Ob višjih

izkoristkih bi se torej povečala tako produktivnost kot gospodarnost, saj se stroški amortizacije

povrnejo prej.


- 48 -

10 SKLEP

Tekom izdelave magistrskega dela smo opazili uporabnost numeričnih simulacij. Ne samo da

prihranijo zamudno analitično računanje, pri čemer je treba veliko dejstev predpostaviti,

ampak dobimo rezultat v vsaki točki. Rezultati so odvisni od priprave modela. Vseeno pa je

zaželeno, da tako analitične kot numerične rezultate primerjamo med seboj in jih na podlagi

izkušenj ocenimo. Izračun in simulacija sta potrdila, da prvotno načrtovana debelina matrice

h = 64 mm ne zadošča obremenitvam v velikosti F = 1115 kN. Zato je treba višino matrice

povečati na vsaj 90 mm. Iz primerjave med rezultati simulacije pri obeh višinah matrice je

razvidno, da je območje, kjer se napetosti zadržujejo, precej večje pri matrici višine 64 mm.

Tudi povesi so po celotni dolžini veliki, metem ko so pri matrici višine 90 mm napetosti

lokalizirane.

V našem primeru sta si rezultata izračuna in simulacije blizu. Zaradi predpostavk pri

analitičnem izračunu smo se odločili upoštevati numerični izračun. Poleg tega smo analitično

računali le v petih točkah, kjer je prijemališče sile, medtem ko lahko z numerično simulacijo

izračunamo v vsaki točki na modelu.

Druga raziskovalna tema tega dela je bila implementacija standardnega jarma. V kolikor bi se

podjetje odločilo za implementacijo, bi bilo treba raziskati še ostala izsekovalna orodja.

Prednost standardnih jarmov je v tem, da zmanjšajo stroške materiala in dela, poleg tega pa

so standardni deli enostavno dobavljivi in zamenljivi. Tekom izdelave magistrskega dela smo

izbrali ustrezni standardni jarem za orodje, katerega smo analizirali. V primeru nabave

standardnih ohišij bi bilo treba zaposliti še kako osebo več, ki bi sestavljala ustrezna orodja. S

tem pa se pojavi dvom, ali je projekt implementacije standardnega ohišja ekonomsko

upravičen.


- 49 -

11 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Talum d.d. Kidričevo [splet], Dosegljivo: http://www.talum.si/index.html [Datum

dostopa 14. 8. 2017]

[2] I. Pahole, L. Gusel, "Osnove preoblikovalne tehnike" v Preoblikovanje pločevine –

globoki vlek. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2010, str. 2 – 13

[3] Interno gradivo podjetja Talum d.d., OE Orodjarna

[4] M. Volk, "Pomembnost določanja materialnih lastnosti pločevin v orodjarstvu" v ; 9.

industrijski forum IRT, Viri znanja in izkušenj. Portorož: PROFIDTP d. o. o. Škofljica,

2017, str. 183 - 186

[5] I. Pahole, Izsekovalna orodja. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2015

[6] Z. Kampuš, K. Kuzman, "postopki preoblikovanja pločevine" v Priporočila

preoblikovanja. Ljubljana: Fakulteta za strojništvo, 2016 str. 76

[7] H. Murn, "6. Rezanje" v Strojno tehnološki priročnik. Ljubljana: Tehniška založba

Slovenije, 1978, str. 179

[8] B. Kraut, Krautov strojniški priročnik, 14. izdaja. Ljubljana: Littera picta, 2007

[9] Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo [splet], Dosegljivo:

http://www.fs.um.si/laboratorij-za-prilagodljive-obdelovalne-sisteme/raziskovalna-

dejavnost/talum-doo/ [Datum dostopa 10. 8. 2017]

[10] I. Pahole, B. Zemljarič, S. Strmšek, Merjenje sil na vijakih za vpenjanje izsekovalnih

orodij za izdelavo rondic iz aluminija. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2017

[11] Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo [splet], NK-3 del, dimenzioniranje vijačnih

spojev, Dosegljivo: http://lab.fs.uni-lj.si/lasok/index.html/ [Datum dostopa 14. 8.

2017]

[12] M. Ficko, predavanja pri predmetu Numerično modeliranje in računalniške simulacije,

Simulacije na področju proizvodnega strojništva, Maribor: Fakulteta za strojništvo

[13] Z. Ren, M. Ulbin, MKE Praktikum za ABAQUS, Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2010

[14] KERN Tool Tehnology [splet], Dosegljivo: http://www.kern.si/si/products/die [Datum

dostopa 14. 8. 2017]

http://www.talum.si/index.html



Documents

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · 2020. 1. 30. · KSP Krautov strojniški priročnik. Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo - 1 - 1 UVOD