pt. Procesy przeróbki plastycznej materiałów metalowych 1

Materiały pomocnicze dla studentów II roku studiów Wydziału Nowych Technologii i
Chemii WAT o kierunku Inżynieria materiałowa, do realizacji ćwiczenia laboratoryjnego z
przedmiotu:
LABORATORIUM MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
pt. Procesy przeróbki plastycznej materiałów metalowych
Zagadnienia:
1. Ogólna charakterystyka OP.
2. Mechanizmy odkształcenia plastycznego.
3. OP na zimno i gorąco.
4. Charakterystyka procesów OP:
a) walcowanie,
b) wyciskanie,
c) kucie i prasowanie,
d) ciągnienie,
e) tłoczenie,
f) cięcie i wykrawanie,
g) pozostałe.
Literatura:
1) W. Przetakiewicz i in. Ćwiczenia laboratoryjne z ogólnej technologii metali, WAT, S46699;
2) M. Morawiec Przeróbka plastyczna – podstawy teoretyczne, Wyd. Śląsk, Katowice, 1986;
3) J. Erbel Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, Wyd.
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2001.
1. Walcowanie
Parametry procesu walcowania
W procesie walcowania żądany kształt przedmiotu otrzymuje się za pomocą
odkształcenia plastycznego materiału, wywołanego przez obracające się walce.
Rys. 1. Schemat walcowania wzdłużnego.
Rozróżniamy trzy zasadnicze rodzaje walcowania: walcowanie wzdłużne, poprzeczne i
skośne. Przy walcowaniu wzdłużnym odkształcenie dokonuje się między dwoma walcami o
osiach równoległych, obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Na skutek tarcia, jakie
występuje między walcami a metalem, zostaje on wciągnięty między walce i odkształcony.
Początkowa wysokość walcowanego metalu h0 zmniejsza się do wysokości h1 natomiast
długość i szerokość powiększają się, przy czym zwykle długość powiększa się znacznie
więcej niż szerokość i z tego powodu poszerzenie często się pomija. Metal walcowany
otrzymuje ruch prostoliniowy, prostopadły do osi walców, w tym samym kierunku następuje
jego największe wydłużenie.
Obszar zawarty między walcami nazywa się kotliną walcowniczą. Materiał wchodzący do
walców ma grubość h0, szerokość b0, długość l0 i powierzchnie przekroju poprzecznego F0. Po
przejściu między walcami, czyli po jednym przepuście, jego wymiary zmieniają się odpowiednio na
h1, b1, l1, F1. Do głównych parametrów wpływających na technologię walcowania należą:
gniot, poszerzenie, wydłużenie i wyprzedzenie, gdzie:
h0 - wysokość (grubość) pasma przed walcowaniem (przepustem),
b0 - szerokość pasma przed walcowaniem,
l0 - długość pasma przed walcowaniem,
h1 - wysokość pasma po walcowaniu,
b1 - szerokość pasma po walcowaniu,
l1 - długość pasma po walcowaniu,
F0 - powierzchnia przekroju pasma przed walcowaniem,
F1 - powierzchnia przekroju pasma po walcowaniu.
F0 = h0  b0 ,
F1 = h1  b1
Przyjmuje się, że objętość metalu w czasie walcowania nie ulega zmianie, czyli
V0 = V1
Jest to tzw. zasada stałej objętości materiału. Wyrażając objętość za pomocą jego wymiarów,
otrzymamy:
V0 = V1 = h0 b0 l0 = h1 b1 l1
co można zapisać:
Po logarytmowaniu, otrzymuje się zasadę stałej objętości w odkształceniach rzeczywistych:
φh +φb +ϕl = 0
Wynika z tego, że z trzech głównych odkształceń rzeczywistych tylko dwa są
niezależne. Znając wartości dwóch odkształceń, trzecie można obliczyć z powyższego
związku.
Zmiany wymiarów liniowych materiału nazywamy współczynnikami odkształcenia:
gniot - jest to liniowe zmniejszenie wymiarów przedmiotu odkształconego pod działaniem
siły ściskającej w kierunku jej działania,
poszerzenie - jest to przyrost szerokości przedmiotu ,
wydłużenie - jest to przyrost długości przerabianego plastycznie przedmiotu.
Tabela 1. Wskaźniki odkształcenia przy walcowaniu.
Rodzaj
Ubytek
Gniot
Poszerzenie
Wydłużenie
wskaźnika
przekroju
h
b
l
odkształcenia
F
Odkształcenie
h = h0 - hl
b = b0 - bl
l = l0 - ll
F = F0 - Fl
bezwzględne
Odkształcenie
względne
Współczynniki
odkształcenia
Odkształcenie
rzeczywiste
Współczynnik wydłużenia w dowolnym przepuście można wyrazić jako
gdzie: 0 - prędkość wejściowa metalu, h - prędkość wyjściowa metalu.
Stopień odkształcenia w całym cyklu walcowania wyraża się za pomocą współczynnika
całkowitego wydłużenia
gdzie: śr - średni współczynnik wydłużenia, n - ilość przepustów.
Wielkości współczynnika wydłużenia dla poszczególnych rodzajów procesów
walcowania są różne i zależne od kształtu wykroju, konstrukcji walcarek i mocy napędu. Jego
wartość zazwyczaj zawiera się w przedziale 1,12 - 1,6.
W celu określenia ilości przepustów dla danego rodzaju walcowania, znając śr, n
wylicza się ze wzoru
Prostopadłościenną próbkę o wymiarach h0, b0, l0 należy przewalcować w kilku
przepustach na walcarce. Wcześniej należy zmierzyć jej grubość, szerokość i długość. Po
każdym przepuście mierzyć jej grubość i szerokość, a długość wyznaczać z zasady stałej
objętości. Podczas walcowania należy zwracać uwagę, aby próbkę podawać między walce
prostopadle do płaszczyzny przechodzącej przez osie walców. Wyniki zestawić w tabeli. Na
podstawie uzyskanych wyników należy sporządzić graficznie następujące zależności:
 wydłużenie względne, poszerzenie względne i względny ubytek przekroju w funkcji
gniotu względnego;
 wydłużenie rzeczywiste i wydłużenie względne w funkcji gniotu względnego.
Pomiar parametrów walcowania
Wymiary próbki
Lp.
0
1
h
b
l
mm
mm
mm
Odkształcenie
względne
Odkształcenie
rzeczywiste
Współczynnik
odkształcenia
h
b
l
h
b
l
h
b
l
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Objętość
V
mm3
Określenie warunku chwytu
Aby pasmo mogło być wprowadzone między walce, jego grubość powinna być w
pewnym stosunku do średnicy walców oraz do odległości między nimi. Ze względu na
symetrię wystarczy rozpatrywać siły w odniesieniu do jednego walca. W chwili zetknięcia się
metalu z walcem (Rys. 2) w punkcie A walec ciśnie na pręt siłą N prostopadłą do zarysu
walca. Wskutek obrotu walca i pod wpływem siły N wystąpi w punkcie A siła tarcia styczna
do obwodu walca i skierowana zgodnie z kierunkiem obrotu. Pasmo zostanie uchwycone
przez walce gdy
gdzie: F- siła spowodowana ruchem obrotowym samotoku podającego, B- siła bezwładności.
Rys. 2. Zależności pomiędzy kątem chwytu i kątem tarcia: a) w momencie chwytu metalu
przez walce, b) przy ustalonym procesie walcowania
Ponieważ TH = T cos i NH =N sin, można wyprowadzić wzór na współczynnik tarcia
przy walcowaniu:
Jeśli nie ma siły zewnętrznej F, a siłę bezwładności B można pominąć, to warunek
chwytu pasma przyjmie postać
 > tg
albo wyrażając współczynnik tarcia  przez kąt tarcia  czyli  = tg otrzyma ostatecznie
>
Zatem walce chwytają materiał, gdy kąt chwytu jest mniejszy lub równy kątowi tarcia. Z
powyższych rozważań można poczynić następujące uwagi:
1. Walcowane pasmo będzie tym łatwiej chwytane przez walce, im większa jest siła F
wepchnięcia do walców (wywołana np. prędkością przemieszczania się arkusza blachy).
2. Przy takiej samej średnicy walców i wysokości pasma - im gniot jest mniejszy, tym
mniejszy jest kąt chwytu i tym łatwiej następuje uchwycenie metalu przez walce.
3. Wielkość kąta chwytu zależna jest od średnicy walca - im jest on mniejszy tym kąt chwytu
jest większy (przy nie zmienionej wysokości pasma).
4. Chwyt pasma przez walce ulega pogorszeniu wraz ze wzrostem temperatury, gdyż w
zakresie przeróbki plastycznej na gorąco współczynnik tarcia maleje.
5. Ze wzrostem temperatury rośnie plastyczność walcowanego metalu i wówczas początek
pasma ulega łatwemu odkształceniu, co ułatwia chwyt, gdyż zmniejsza się kąt .
6. Im większa jest prędkość obwodowa walców, tym pasmo trudniej jest przez nie chwytane,
a zatem zwiększenie prędkości walcowania zmusza do stosowania mniejszych gniotów.
Praktycznie więc, im większa jest średnica walców, tym większy jest kąt i tym łatwiej
pasmo materiału jest przez nie chwytane. Ponieważ kąt chwytu  może być co najwyżej
równy kątowi tarcia, zatem maksymalny (dopuszczalny) gniot wyniesie
hmax = D (1 - cos)
Maksymalny kąt chwytu, jaki można stosować przy danym rodzaju walców i danej średnicy,
nazywa się granicznym kątem chwytu. Kąt chwytu oblicza się z następującej zależności:
gdzie: D- średnica walca.
Wartość kąta chwytu zależy przede wszystkim od współczynnika tarcia. Im
współczynnik ten jest większy, tym łatwiej materiał zostaje wciągnięty między walce. Kąt
chwytu zależy ponadto od średnicy walców. Temperatura i prędkość walcowania wpływają
na wartość kąta chwytu tak, jak zmienia się pod ich wpływem współczynnik tarcia.
Po wypełnieniu szczeliny walcowniczej materiałem, kąt działania, wypadkowej P,
nacisków walców zmienia się w stosunku do kąta chwytu istniejącego na początku
walcowania i przyjmuje wartość β (rys.2b). W związku z tym, warunkiem walcowania jest:
T cosβ ≥ P sinβ
a zatem:
. Przyjmując, że siła P działa w połowie długości łuku stykania się
walca z materiałem, warunkiem walcowania jest
α  2
Oznacza to, że po wypełnieniu szczeliny walcowniczej materiałem kąt chwytu można
zwiększyć prawie dwukrotnie w stosunku do jego wartości pierwotnej. W procesach walcowania na
gorąco, stosunek k = / wynosi 1.3 – 1.8, a przy walcowaniu na zimno 2.0 – 2.4.
Do określenia granicznego kąta chwytu stosujemy prostopadłościenną próbkę. Przed
przystąpieniem do walcowania walce należy oczyścić ze smaru i górny walec opuścić na
dolny. Następnie próbkę, po uruchomieniu walcarki, kładziemy na stół i bardzo lekko
dociskamy do obracających się walców. Jednocześnie za pomocą pokręteł podnosimy górny
walec do momentu chwycenia próbki przez walce. Po przewalcowaniu próbki mierzymy jej
grubość i znając średnicę walców z powyższych wzorów, wyznaczamy graniczny kąt chwytu
na początku walcowania.
Tabela 2. Graniczne kąty chwytu w zależności od rodzaju walcowania
Współczynnik tarcia
f
Maksymalny kąt chwytu
kęsiska
0,45 - 0,62
24 - 32
kęsy
0,36 - 0,47
20 - 25
blachy
0.27 - 0.36
15 - 20
na walcach gładkich
0,09 - 0,18
5 - 10
na walcach z beczką
0,05 - 0,09
3-5
Rodzaj walcowania

Maksymalny stosunek
h/R
walcowanie na gorąco:
walcowanie na zimno:
Pomiar kąta chwytu
Pomiar Prześwit
Kąt
chwytu
Kąt
tarcia
Średnica
walców
Graniczny kąt
chwytu
Gniot
maksymalny
1
2. Wykrawanie
Określenie siły cięcia
Znajomość wartości siły cięcia jest konieczna ze względu na dobór nacisku i mocy
silnika prasy lub nożyc odpowiednich do wykonania wyrobu. Wartość siły nacisku zależy
przede wszystkim od długości linii cięcia, grubości materiału i jego wytrzymałości na
ścinanie. Rys. 3 przedstawia zmianę siły cięcia w funkcji drogi stempla dla trzech różnych
materiałów: kruchych, plastycznych i bardzo plastycznych. Moment, w którym następuje
pęknięcie, zależy od rodzaju materiału. Dla materiałów miękkich i plastycznych, np. dla
ołowiu, cyny lub miękkiego aluminium, pęknięcie występuje w końcowej fazie procesu.
Natomiast proces plastycznego płynięcia materiałów twardych (np. stal o dużej zawartości
węgla) może być już na samym początku przerwany pęknięciem materiału.
Rys. 3. Wykresy siły wykrawania w funkcji drogi stempla dla materiałów: a) bardzo
plastycznych, b) plastycznych, c) kruchych.
Jednakże pomimo pęknięcia, krążek blachy może nadal pozostawać w otaczającym go
materiale. Jest to spowodowane wzajemnym zazębieniem się nierówności obu stron
powierzchni pęknięcia. Siła nie spada więc do zera z chwilą pęknięcia, lecz utrzymuje się na
pewnym poziomie. Spowodowane jest to również tarciem materiału o powierzchnię otworu
płyty tnącej. Maksymalną silę cięcia oblicza się wg. wzoru
Ft = K L g Rt
gdzie: Rt - wytrzymałość materiału na ścinanie,
L - długość linii cięcia,
g - grubość materiału,
K - współczynnik uwzględniający występowanie gięcia przy cięciu, stępienie noży,
K= 1,3-1,7.
W celu zmniejszenia siły cięcia stosuje się:
1) cięcie stopniowe za pomocą
 wykrojnika lub matryc zukosowanych,
 stempli o różnej długości w przypadku równoczesnego wycinania kilku otworów;
2) podgrzewanie ciętego materiału, co powoduje zmniejszenie wartości Rt.
Dzięki tym działaniom uzyskuje się zmniejszenie siły cięcia o 10-60%, w zależnościom
od kąta zukosowania i grubości materiału.
Średnicę krążka wyjściowego D wyznaczamy:
 dla blach o grubości do 1 mm obliczenia prowadzi się dla walca o średnicy zewnętrznej
wytłoczki;
 dla blach o grubości g > 1 mm obliczenia wykonać dla walca o średnicy średniej.
D  d o2  4d o H
H  h  h'
gdzie: d - średnica obliczeniowa wytłoczki,
H - wysokość wewnętrzna obliczeniowa,
h - wysokość wytłoczki bez kołnierza,
h' - naddatek na obcięcie.
Wysokość wewnętrzną obliczeniową należy przyjąć według tabeli:
h
6
12 20 25 38 50 65 75 90
100
125
150
[mm]
H
7.2 13.6 22 27.4 40.8 53.2 68.6 79 94.4 104.8 130.5 156.5
[mm]
Sprawozdanie
1. Wyznaczyć wymiary krążka dla wytłoczki, zgodnie z wytycznymi zawartymi w p. 3.
2. Narysować przebieg siły wykrawania w funkcji drogi stempla, uzyskany w czasie próby
wykrawania.
3. Obliczyć teoretycznie maksymalną siłę cięcia i porównać ją z uzyskaną na wykresie.
4. Przeprowadzić analizę jakość cięcia.
3. Wytłaczanie
Określenie siły wytłaczania
Silę nacisku stempla w funkcji jego przesunięcia przedstawiono na Rys. 4. Siła ta jest
ściśle związana z oporem plastycznym kołnierza. Początkowo rośnie, a po osiągnięciu
wartości maksymalnej Pkmax maleje, osiągając w końcowej fazie zupełnie małą wartość Pt ,
niezbędną do pokonania oporów tarcia obrzeża wytłoczki o cylindryczną ściankę otworu
matrycy. Siła tłoczenia osiąga największą wartość przy przesunięciu stempla
odpowiadającemu ok. 0,3 - 0,5 wysokości gotowej wytłoczki. W tym właśnie momencie
występuje niebezpieczeństwo obwodowego jej pęknięcia. Aby do tego nie dopuścić, proces
musi być zrealizowany w ten sposób, żeby siła Pkmax była mniejsza od siły zrywającej
wytłoczkę Pzr.
Pkmax < Pzr
Rys. 4. Przebieg siły nacisku stempla w funkcji jego drogi.
Warunek ten jest spełniony wówczas, gdy stosunek średnicy d wytłoczki do średnicy D
użytego do wytłaczania krążka jest większy od wartości granicznej
Stosunek d/D = m1 określamy mianem współczynnika wytłaczania (ciągnienia) m1.
W celu zmniejszenia niebezpieczeństwa pęknięcia wytłoczki (zmniejszenie m1) należy
tak przeprowadzać proces wytłaczania, aby maksymalna siła ciągnienia Pkmax była jak
najmniejsza, zaś siła zrywająca dno Pzr możliwie duża. Można osiągnąć to przez:
a) zaokrąglenie krawędzi pierścienia ciągowego promieniem rm = (5-10)g oraz stempla rs =
(4-6)g w celu zmniejszenia dodatkowego zaginania blachy na tej krawędzi;
b) wypolerowanie powierzchni roboczych pierścienia ciągowego i dociskacza, po których
ślizga się kształtowana blacha oraz smarowanie powierzchni trących (tarcie pomiędzy
stemplem a wewnętrzną powierzchnią wytłoczki nie jest szkodliwe, a nawet polepsza
warunki tłoczenia, powodując zwiększenie siły Pzr).
Rys. 5. Schemat procesu wytłaczania.
Tabela 3. Najmniejsze dopuszczalne wartości współczynnika wytłaczania m1
2
1,5
1
0,6
0,3
0,15 0,08
g/D100
d/D = m1
0,48
0,5
0,53 0,55 0,58
0,6
0,63
g - oznacza grubość blachy
Wartości współczynnika m1 zależą stosunkowo nieznacznie od rodzaju kształtowanego
materiału i są uniwersalne dla różnych gatunków stali, mosiądzu, miedzi. Przyjmując, że
Pzr / Pkmax = k
maksymalną silę wytłaczania można wyznaczyć ze wzoru
Pkmax = krdgRm
Tabela 4. Wartości współczynnika k
d/D = m1
0,55
0,6
k
1
0,86
0,65
0,72
0,7
0,6
0,75
0,5
0,8
0,4
Przebieg ćwiczenia i sprawozdanie
1) zapoznać się z budową tłocznika,
2) dokonać pomiaru wymiarów próbek - średnicy krążka DK, i jego grubości g,
3) przeprowadzić próbę tłoczenia,
4) zmierzyć wysokość uzyskanych wytłoczek,
5) wyniki pomiarów zestawić w tablicy wyników.
W sprawozdaniu umieścić:
a) rysunki tłocznika,
b) obliczenia Pkmax,
c) wykresy przebiegu rzeczywistej siły nacisku,
d) wnioski.
Tabela wyników
Lp.
DK
g
d
h
Rm
m1
k
1
Rm
m1
k
P0max
Pkmax
- wytrzymałość na rozciąganie badanego materiału,
- współczynnik wytłaczania,
- współczynnik zależny od m1,
- maksymalna siła nacisku określona z obliczeń,
- maksymalna siła nacisku uzyskana w doświadczeniu.
P0max
Pkmax
Odkształcenia w procesie tłoczenia
W procesie tłoczenia wytłoczek występują różne rodzaje naprężeń związane z
ciągnieniem kołnierza wytłoczki (Rys. 6), generując odkształcenia w następujących
kierunkach:
• promieniowym,
• stycznym,
• pionowym (po grubości).
Rys. 6. Odkształcanie się elementu materiału w procesie wytłaczania
W początkowej fazie procesu płaski element kołnierza I, w wyniku działania naprężeń
promieniowych r i obwodowych t, wydłuża się w kierunku promieniowym, skraca w
kierunku obwodowym i nieznacznie pogrubia się, zajmując położenie II. Następnie podczas
zbliżania się elementu do krawędzi matrycy naprężenia ściskające stopniowo maleją, a
zwiększają się naprężenia rozciągające. W dalszej operacji rozpatrywany element ulega
gięciu, przesuwając się po roboczej krawędzi matrycy i przekształca się w element bocznej
powierzchni naczynia, ulegając niewielkiemu wydłużeniu wzdłuż tworzącej.
Natomiast na dnie cylindrycznej wytłoczki nie występują prawie żadne odkształcenia.
Zaczynają się one pojawiać dopiero na promieniu zakrzywienia i przyjmują największe
wartości przy końcu powierzchni walcowej. Fakt ten wynika z redukcji stale zmniejszającej
się szerokości kołnierza. Oprócz wydłużenia w kierunku tworzącej 1, powstałego w wyniku
działających naprężeń rozciągających o kierunku promienia 1 (r) i ściskających
obwodowych 2 (t), występują również niepożądane odkształcenia w kierunku grubości
materiału 3 (g). W pobliżu dna wytłoczki występuje pocienienie ścianki o około 10-20 %, a
przy brzegu pogrubienie o około 30%.
Rys. 7. Odkształcenia w cylindrycznej wytłoczce.
Ściskające naprężenia obwodowe osiągają największą wartość przy krawędzi naczynia,
gdzie początkowa średnica krążka D zostaje zmniejszona do średnicy dm otworu matrycy.
Powoduje to powstanie nadmiaru materiału utrudniającego kształtowanie bocznych ścianek
naczynia, a w efekcie może prowadzić do fałdowania obrzeży naczynia (Rys. 8b). W tym celu
stosuje się dociskanie materiału do czołowej powierzchni matrycy za pomocą pierścienia
dociskającego. Najbardziej niebezpiecznym miejscem w procesie wytłaczania jest strefa
przejściowa z dna naczynia w ściankę boczną gdyż w tym miejscu działają jedynie naprężenia
rozciągające powodujące znaczne pocienienie ścianki, mogące doprowadzić w efekcie do
oderwania dna (Rys. 8a).
Stopień odkształcenia podczas wytłaczania przedmiotów cylindrycznych wyraża się za
pomocą współczynnika wytłaczania:
który jest stosunkiem średniej średnicy wytłoczki d do średnicy krążka materiału
wyjściowego D.
Rys. 8. Wady wyrobów wytłaczanych: a) obwodowe pęknięcie ścianki bocznej, b)
zafałdowanie kołnierza.
Przebieg ćwiczenia
1) dokonać pomiarów krążka mierząc średnicę D0 i grubość blachy g0,
2) nanieść rysikiem siatkę bazową i dokonać jej pomiarów,
3) przeprowadzić operację tłoczenia wytłoczki.
Wyniki pomiarów wytłoczki
Rozmiar oczka siatki bazowej
.................
Lp.
Wymiar oczka w kierunku
x
(promieniowo)
Miejsce badania, rysunek oczka siatki i uwagi
y
(obwodowo)
1

dokonać pomiarów uzyskanej wytłoczki (średnicy zewnętrznej w 3 płaszczyznach
wzdłuż tworzącej walca w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach),
dokonać pomiarów grubości ścianek wytłoczki w 12 punktach po jej obwodzie,
dokonać pomiarów wysokość wytłoczki w punktach j.w.,
dokonać pomiarów oczek siatki w charakterystycznych punktach wytłoczki,
wyniki pomiarów przedstawić w tabeli i na wykresach.




Sprawozdanie winno zawierać:
 tabele pomiarów i odkształceń oraz wykres odkształceń (patrz Rys. 7),
 obliczenia maksymalnego pocienienia i pogrubienia ścianki wytłoczki z zaznaczeniem na
szkicu miejsc ich występowania,
 wnioski.
Wyniki pomiarów odkształceń
1
Lp.
1

2

3

(
Uwagi
)