Kucie

50
Ćwiczenie 3
KUCIE
Celem ćwiczenia jest:
- poznanie podstawowych operacji kucia swobodnego,
- poznanie rodzajów konstrukcji matryc stosowanych do kucia, sposobu
określania sił kucia i odkształcania metalu w kuciu matrycowym,
- poznanie czynników technologicznych decydujących o prawidłowym przebiegu procesu kucia i właściwościach otrzymywanych wyrobów.
1. WSTĘP
W procesie kucia materiał jest odkształcany trwale na gorąco lub na zimno pod
działaniem uderzeń młota, nacisku prasy lub walców. W chwili uderzenia bijaka o
metal (pomijając straty energii) energia kinetyczna bijaka jest zamieniana na pracę
odkształcenia plastycznego. Wyrób uzyskany w wyniku kucia nazywa się odkuwką,
jeżeli proces kucia jest wykonywany w kilku operacjach to odkuwka po pierwszym
kuciu nazywa się przedkuwką w drugiej operacji (w kolejnych jest tak samo).
Wsadem do procesów kucia mogą być wlewki, kęsiska, kęsy oraz pręty.
Odkuwki charakteryzują się:
• kształtem i wymiarami zbliżonymi do gotowej części,
• drobnoziarnistą strukturą,
• włóknistym rozkładem zanieczyszczeń,
• podwyższonymi własnościami mechanicznymi w stosunku do materiału
wyjściowego.
Podstawową decyzją o zastosowaniu kucia zamiast innych technologii wykonania
(np. odlewania) są wymagania dotyczące lepszych właściwości mechanicznych. Z
odkuwek wykonuje się najbardziej odpowiedzialne części maszyn, jak wirniki turbi-
51
nowe, wały okrętowe, wały korbowe, korbowody, elementy układu kierowniczego,
haki i inne.
W zależności od kształtu narzędzi i sposobu ich oddziaływania na odkształcany
metal kucie dzielimy na:
• swobodne
o w kowadłach płaskich,
o w kowadłach kształtowych (pół swobodne),
• matrycowe:
o w matrycach otwartych,
o w matrycach zamkniętych.
a)
b)
c)
Rys. 1. Operacja kucia swobodnego: a) w kowadłach płaskich b) i c) w kowadłach kształtowych
Kucie swobodne w kowadłach płaskich (rys. 1a) charakteryzuje się odkształceniem metalu przez zgniatanie go miedzy powierzchniami kowadeł dolnego i górnego.
W procesie tym płynięcie metalu na boki jest nieograniczone, przez co powstają nierównomierne pola odkształceń powodujące w pewnych częściach odkształcanego
przedmiotu naprężenia rozciągające. Taki stan naprężeń może w pewnych przypadkach spowodować przejście z trójosiowego ściskania w różnoimienny stan naprężenia
(rys. 5), co znacznie pogarsza plastyczność metalu, co z kolei przy większych odkształceniach może doprowadzić do rozerwania spójności cząstek i pojawienia się
pęknięć.
Kucie swobodne w kowadłach kształtowych (rys. 1b, c) charakteryzuje się swobodnym wydłużeniem metalu , natomiast jego rozszerzanie jest częściowo ograniczone bocznym naciskiem ścianek narzędzia. W tym przypadku powstające naprężenia
rozciągające są mniejsze, a plastyczność materiału większa niż w przypadku kucia w
kowadłach płaskich.
52
Rys. 2. Kucie w matrycach: a) matryce otwarte b) matryce zamknięte
Kucie w matrycach otwartych (rys. 2a) charakteryzuje się tym, że rozszerzanie
materiału jest częściowo ograniczone bocznym naciskiem ścianek na narzędzia. W
porównaniu z kuciem w kowadłach płaskich jednostkowy nacisk jest 1,5-3 razy większy, a plastyczność metalu znacznie lepsza. Przedkuwka ma większą objętość od gotowego wyrobu, nadmiar materiału w trakcie procesu kucia wypełnia rowek na wyp
ływkę. W przypadku wykonywania odkuwek o złożonych kształtach rozkład odkształceń jest nierównomierny, co sprzyja wytwarzaniu się dość znacznych naprężeń rozciągających. W takich przypadkach w celu zapobieżenia powstawania pęknięć wykonuje się odkuwki z przedkuwek.
Kucie w matrycach zamkniętych (rys. 2b) charakteryzuje się tym, że rozszerzanie materiału jest ograniczone ściankami narzędzia. Powoduje to powstawanie w całej
objętości materiału trójosiowego ściskania. Jednostkowy nacisk odkształcenia jest
dwukrotnie większy niż w przypadku kucia w matrycach otwartych.
Najważniejsze parametry procesu kucia:
9 temperatury nagrzewania materiału,
9 prędkości odkształcenia.
Rys. 3. Zakres temperatur kucia dla stali węglowych, 1-3 półwyroby cienkie, 1-2 półwyroby grube[2]
53
Temperatura nagrzewania materiału. Procesy kucia dla większości metali i stopów wykonuje się na gorąco, ma to na celu zmniejszenie nacisków potrzebnych do
kształtowania dzięki zmniejszeniu naprężenia uplastyczniającego oraz zwiększeniu
wartości odkształcenia granicznego (powodującego pękanie materiału). Patrz laboratorium „Odkształcanie na zimno i wyżarzanie materiałów”. Na rysunku 3 przedstawiono
zakres temperatur kucia dla stali węglowej.
Z uwagi na możliwość powstawania znacznych różnic temperatur, procesy nagrzewania dzieli się na procesy nagrzewania wsadu cienkiego i wsadu grubego. Wsadem cienkim nazywane są przedmioty, w których różnica temperatur powierzchni i
środka jest nieznaczna i nie może spowodować powstania niebezpiecznych naprężeń
cieplnych. Wsadem grubym (masywnym) nazywane są przedmioty, w których podczas szybkiego grzania występują duże naprężenia mogące spowodować pęknięcia
materiału.
Jakość odkuwek, ich właściwości i struktura, w dużym stopniu zależą od prawidłowego nagrzewania materiału. Nieodpowiednie nagrzewanie materiału prowadzi do
przegrzania i przepalenia oraz nadmiernego utlenienia jego powierzchni.
Prędkość odkształcania. Wpływ prędkości odkształcania na wzrost naprężenia
uplastyczniającego przy obróbce na gorąco jest znacznie większy niż przy obróbce na
zimno. Przy obróbce na gorąco zachodzą równocześnie dwa procesy działające przeciwnie na opór plastyczny: umocnienie i zdrowienie. Szybkość umocnienia wyznacza
się szybkością odkształcania, a szybkość zdrowienia – szybkością rekrystalizacji, zależną od temperatury.
W zależności od wzajemnej szybkości obu procesów opór plastyczny przy danej
temperaturze zmienia się. Jeżeli szybkość odkształcania jest zbyt duża i proces odkształcania zbyt krótki, to metal nie zdąży zrekrystalizować i będzie stawiał znaczny
opór plastyczny.
Zmniejszenie prędkości odkształcania, a więc przedłużenie czasu trwania procesu,
powoduje zatem podobny skutek jak zwiększenie temperatury.
Przy kształtowaniu na prasach i młotach prędkość odkształcania mieści się w granicach 1÷102 s-1.
2. KUCIE SWOBODNE
Kucie swobodne może być realizowane ręcznie lub maszynowo.
Do najczęściej stosowanych operacji kucia swobodnego należą: spęczanie, wydłużanie, przebijanie, poszerzanie, wgłębianie, przebijanie, rozkuwanie, odsadzanie,
przesadzanie, gięcie, przecinanie, skręcanie, zgrzewanie.
Spęczanie jest operacją mającą na celu zwiększenie przekroju poprzecznego materiału kosztem zmniejszenia jego wysokości lub długości (rys. 4). Operacja ta może
być wykonywana na całej wysokości (długości) przedmiotu lub jedynie w określonych
jego miejscach (spęczanie miejscowe) (rys. 4c, d, e). Spęczanie materiału powoduje
zgrzanie pęcherzy, rzadzizn i nieciągłości znajdujących się we wlewkach.
54
Rys. 4. Główne operacje spęczania
Materiał o kształcie walcowym, w wyniku spęczania swobodnego przyjmuje
kształt baryłkowaty, który jest zależny w znacznej mierze od tarcia występującego
miedzy narzędziem a metalem. Ze wzrostem współczynnika tarcia baryłkowatość
zwiększa się. Czynnikami wpływającym na baryłkowatość są również: ochłodzenie
spęczanego materiału w otoczeniu stykających się z nim chłodniejszych kowadeł,
rodzaj materiału, temperatura kucia, szybkość odkształcania, rodzaj uderzenia (pojedyncze czy seryjne), smukłość wsadu (określana stosunkiem h/d ) oraz stopień gniotu.
Smukłość wsadu nie powinna przekroczyć 2,5, przy spęczaniu prostopadłościanu
stosunek wysokości do mniejszego boku podstawy nie powinien przekraczać 3,5. Przy
większych wartościach łatwo może nastąpić wyboczenie, którego usunięcie wymaga
dodatkowych operacji.
W pionowym przekroju spęczonej próbki cylindrycznej można wyodrębnić trzy
obszary odkształceń (rys. 5). Obszar I, przylegający do płaszczyzn czołowych odkuwki, odkształca się najmniej, jest to wynikiem tarcia materiału o narzędzie. Największe
odkształcenia zachodzą w obszarze II, przy czym przejście z obszaru I do II następuje
w sposób ciągły, tak że brak miedzy nimi wyraźnej granicy. Obszar III jest obszarem
średnich odkształceń.
a)
b)
Rys. 5. Nierównomierność płynięcia materiału przy kuciu swobodnym: a) widoczna zniekształcona wskutek kucia siatka prostokątna b) obszary odkształceń i stan naprężeń w poszczególnych strefach; I obszar
małych odkształceń II i III obszary dużych odkształceń
55
Nierównomierne odkształcanie się metalu przy spęczaniu pogarsza jakość wyrobu i
powoduje:
• nierównomierne umocnienie materiału przy spęczaniu na zimno,
• zróżnicowanie wielkości ziarna przy spęczaniu na gorąco w różnych częściach
odkuwki,
• ograniczenie stopnia odkształcenia przy spęczaniu.
W celu obniżenia nierównomierności odkształcenia stosuje się następujące środki i
metody:
• dużą gładkość pracujących części narzędzia,
• podgrzanie narzędzia do temperatury 200÷300°C,
• smarowanie pracujących płaszczyzn narzędzia.
Dla materiałów mało plastycznych zaleca się niekiedy stosowanie do spęczania
kowadeł stożkowych o kącie α= arctg µ (µ -współczynnik tarcia) lub plastycznych
podkładek między metalem a narzędziem.
Przy spęczaniu prostopadłościanu zniekształceniu podlegają również przekroje poprzeczne (niejednorodność materiału jest większa niż przy spęczaniu materiałów cylindrycznych).
Wielkościami charakteryzującymi stopień odkształcenia przy spęczaniu są:
• gniot bezwzględny (spęczenie bezwzględne)
Δh = hp − hk
(1)
gdzie: hp – wysokość początkowa,
hk – wysokość końcowa,
• gniot względny (spęczenie względne)
ε w = Δh / hp = (hp − hk ) / hp
(2)
• gniot rzeczywisty (spęczenie rzeczywiste)
ε p = ln(hk / hp )
(3)
• współczynnik gniotu (współczynnik spęczenia)
γ h = hk / hp
(4)
Wydłużanie (rys. 6) jest operacją kucia swobodnego w wyniku której zmniejsza
się przekrój poprzeczny materiału, a zwiększa się jego długość. W tym celu materiał
podczas kucia obraca się o 90° (kantuje) po każdym uderzeniu oraz przesuwa. Jeżeli
56
odkuwka ma otwór, wydłużenie materiału wykonuje się na trzpieniu (rys. 7)
a)
b)
c)
Rys. 6. Kolejność uderzeń przy wydłużaniu; a) obracanie materiału ruchem wahadłowym, b) obracanie
materiału w jedną stronę (ruch śrubowy), c) szereg kolejnych uderzeń na jednej stronie pręta a następnie
obrót o 90°
Wydłużenie materiału jest operacją składającą się z kolejnych gniotów spęczających. Przy wydłużaniu występuje jednocześnie niezamierzone poszerzanie materiału
w kierunku poprzecznym.
Obracanie materiału można realizować ruchem wahadłowym w lewo i w prawo
rys. 6a, c lub w jedną stronę (rys. 6b). Drugi sposób (tzw. śrubowy) stosuje się do
kucia twardych gatunków stali i metali mających małą prędkość rekrystalizacji w temperaturze kucia. Można również wykonywać szereg kolejnych uderzeń na jednej stronie pręta posuwając go wzdłużnie, a następnie wykonać obrót o 90° i kontynuować
kucie (rys. 6c). Wydłużanie długich i ciężkich odkuwek przeprowadza się od środka
ku jednemu końcowi, po czym po przeniesieniu uchwytu na przeciwległy koniec kuje
się drugą połowę odkuwki.
Wielkościami charakteryzującymi stopień odkształcenia przy wydłużaniu są:
• wydłużenie bezwzględne
Δl = lk − l p
(5)
gdzie: lp – długość początkowa,
lk – długość końcowa,
• wydłużenie względne
ε w = Δl / l p = (lk − l p ) / l p
(6)
57
• wydłużenie rzeczywiste
ε w = ln(lk / l p )
(7)
• współczynnik wydłużenia
γ l = lk / l p
(8)
Oprócz normalnych sposobów wydłużania na płaskich lub kształtowych kowadłach
wykonuje się wydłużanie stosując specjalne narzędzia pomocnicze.
1.
Wydłużenie na trzpieniu, za pomocą którego zwiększa się długość odkuwki
przy równoczesnym zmniejszeniu jej średnicy zewnętrznej (rys. 7).
2.
Rozkuwanie pierścieni na trzpieniu, które polega na zwiększaniu średnicy
zewnętrznej i wewnętrznej odkuwki przez zmniejszenie grubości ścianki
(rys.8).
Rys. 7. Schemat wydłużania odkuwki z otworem: 1 - materiał, 2 - trzpień, 3 - kowadło
Rys.8. Schemat rozkuwania pierścieni
Poszerzanie (rys. 9) jest to odkształcanie w kierunku poprzecznym do osi materiału, prowadzące do zwiększenia szerokości przedmiotu kosztem jego grubości.
58
Rys. 9. Schemat poszerzania: 1- materiał po żłobkowaniu, 2-żłobek, 3-materiał poszerzony
Odsadzanie (rys. 10) jest to zmniejszenie przekroju poprzecznego pręta od określonego miejsca, przez wydłużenie odsadzonej części.
Rys. 10. Schemat odsadzanie: 1- materiał, 2-odsadzka, 3-kowadło
Przesadzanie (rys. 11) jest to równomierne przesunięcie jednej części materiału
względem drugiej.
Rys. 11. Schemat przesadzania
Wgłębianie (rys. 12) jest operacją wykonywania otworów nieprzelotowych
59
Rys. 12. Schemat wgłębiania: 1-stempel, 2-materiał
Przebijanie (rys. 13) (dziurowanie) jest operacją w której wykonuje się otwory
przelotowe przy pomocy bijaka pełnego lub drążonego.
a)
b)
Rys. 13. Schemat przebijania przebijakiem: a) pełnym (1-przebijak, 2- nadstawka, 3 – materiał) b) drążonym (1-materiał, 2 –przebijak drążony, 3-nadstawka)
Gięcie (rys. 14) jest operacją w której nadaje się odpowiedni kształt bez zmiany
zasadniczych przekrojów. Operację tą stosuje się przy wykonywaniu haków, kątowników, wszelkiego rodzaju dźwigni, wałów wykorbionych itd.
Rys. 14. Gięcie: a) przy pomocy suwnicy b) przy pomocy odpowiednio ukształtowanych podstawek
Zgrzewanie (rys. 15) jest operacją polegającą na połączeniu przez dociśnięcie
dwóch kawałków metalu, nagrzanych do odpowiednio wysokiej temperatury.
60
I
II
III
Rys. 15. Sposoby zgrzewania: a)zgrzewanie na zakładkę, b) zgrzewanie na klin; c) zgrzewanie na
styk I-przygotowanie końców prętów do zgrzewania, II- ustawienie zgrzewanych końców przy zgrzewaniu, II- pręt po wykonaniu zgrzania i wykończeniu.
Dodatkowymi operacjami kowalskimi są:
• cięcie stosowane do dzielenia przedmiotów, usuwania nadmiaru materiału.
• skręcanie stosowane przy wykonywaniu odkuwek o specjalnych kształtach,
jak np. wały korbowe o wykorbieniach leżących w różnych płaszczyznach,
wiertła spiralne itd.
3.KUCIE MATRYCOWE
Podczas kucia w matrycach wsad jest ściskany między częściami matrycy, wypełniając przestrzeń utworzoną przez powierzchnie jej wykrojów. Właściwe wypełnienie
wykrojów matrycy zależy od kształtów odkuwki i wykroju oraz od właściwego dobrania wsadu do danej operacji (tzw. przedkuwki).
Matryca składa się przeważnie z dwóch części zamocowanych na młotach, prasach
korbowych, prasach hydraulicznych, prasach śrubowych, walcarkach, kuźniarkach,
elektrosprężarkach.
Zależnie od rodzaju oraz ilości wykrojów rozróżnia się następujące rodzaje matryc:
-otwarte jednowykrojowe,
-otwarte wielowykrojowe,
-otwarte wielokrotne,
-zamknięte jednowykrojowe.
Matryca otwarta jednowykrojowa (rys. 16a) stosowana jest do prostych kształtów oraz produkcji małoseryjnej odkuwek o kształtach bardziej złożonych, ale nie
wymagających zbyt złożonego płynięcia materiału. W tym samym wykroju matrycy
materiał kuje się przez pojedyncze lub kilkakrotne uderzenie, niekiedy z międzyoperacyjnym odcinaniem wypływki, a także z międzyoperacyjnym dogrzewaniem aż do
uzyskania gotowej odkuwki. Materiałem wyjściowym mogą być odcinki prętów bądź
też przedkuwki kute swobodnie.
61
a)
b)
Rys. 16. Rodzaje matryc otwartych: a) jednowykrojowa b) wielowykrojowa [1]
Matryca otwarta wielowykrojowa (rys. 16 b) jest stosowana do kucia dużej serii
odkuwek o złożonych kształtach. Odkuwka w tym przypadku jest kształtowana w
kilku oddzielnych wykrojach znajdujących się w jednej matrycy.
a)
b)
Rys. 17. Rodzaje matryc : a) otwarta wielokrotna b) zamknięta jednowykrojowa [1]
62
Matryca otwarta wielokrotna (rys. 17 a) jest stosowana do kucia wielkoseryjnego odkuwek o stosunkowo prostych kształtach i wymiarach. Metoda ta polega na jednoczesnym wykonaniu z jednej przedkuwki kilku mniejszych odkuwek o takich samych lub różniących się kształtach. Oddzielenie odkuwek odbywa się przez okrawanie.
Matryca zamknięta jednowykrojowa (rys. 17 b) tzw. bezwypływkowa jest podobna do matrycy otwartej jednowykrojowej. Różnica polega na wcześniejszym zamknięciu wykroju matrycy, co uniemożliwia wypływanie materiału na zewnątrz. Zaletą tej matrycy jest duża oszczędność materiału, wadą natomiast konieczność stosowania materiału wyjściowego o ściśle określonej objętości oraz pras o większych naciskach.
Rys. 18. Matryce: a) o płaszczyźnie podziałowej b) o złożonej powierzchni podziałowej [2]
Podział matryc jest niezbędny dla ułożenia materiału wsadowego w wykroju i do
wyjęcia z matrycy gotowej odkuwki. Zależnie od kształtu odkuwki podział matryc
może być płaski lub może być o złożonej powierzchni (rys. 18). Na rysunku odkuwki i
matrycy podział oznacza się tzw. linią podziału.
Na rysunku 19 przedstawiono kolejne etapy wypełniania wykroju matrycy w procesie kucia na młotach. W pierwszym i drugim uderzeniu materiał odkształcany został
poddany operacji spęczenia tak jak to ma miejsce w kowadłach kształtowych natomiast w trzecim uderzeniu ograniczenia wynikające z ukształtowania matrycy zablokowały możliwość płynięcia tak, żeby materiał odkształcany wypełnił matrycę. W
czwartym uderzeniu widać nadmiar materiału, który jest kompensowany w rowkach
na wypływkę. Piąte uderzenie w tym przypadku nadaje ostateczny kształt wyrobu,
wówczas naciski osiągają wartości maksymalne.
63
4
1
5
2
6
3
Rys. 19. Etapy wypełniania wykroju matrycy w procesie kucia
4. WYZNACZENIE SIŁ KUCIA
Określenie sił potrzebnych do wykonania odkuwki jest jedną z podstawowych
czynności podczas opracowania procesu technologicznego wykonywania odkuwek,
pozwala to dobrać młot o odpowiedniej energii uderzenia lub prasy o odpowiednim
nacisku. Zagadnienie to sprowadza się dookreślenia największej siły potrzebnej do
ukształtowania odkuwki. W procesie kucia matrycowego siła kucia ciągle wzrasta
wraz ze wzrostem stopnia wypełniania wykrojów i upływu czasu. Przyczynia się do
tego wzrost oporu odkształcenia, powodowany obniżaniem się temperatury odkształcanego materiału, oraz wzrost sił tarcia materiału o ścianki wykroju i ścianki rowka na
wypływkę, wypełnianego nadmiarem materiału. W końcowym etapie kucia, gdy materiał wypełni wykrój matrycy, plastycznie odkształca się tylko wypływka i środkowa
część odkuwki leżąca w płaszczyźnie podziału matryc (rys. 20) o wysokość ho wynoszącej około 4h. Wielkość siły kucia w końcowym etapie odkształcania jest proporcjonalna do długości b części rowka przeznaczonego na wypływkę (zwanej mostkiem), i odwrotnie proporcjonalna do wysokości mostka h.
Zależność między naciskiem wywieranym na jednostkę powierzchni wypływki pśr a
naprężeniem uplastyczniającym i wymiarami wypływki jest następująca [1]:
pśr = σ p (1,5 +
b
)
2h
(9)
Jak wynika z przedstawionych informacji wielkość sił w końcowym etapie kucia
64
można regulować przez dobór szerokości i wysokości mostka. W projektowaniu
konstrukcji matryc zagadnienie sprowadza się do takiego .doboru wymiarów mostka, które zapewnią dostateczne wypełnienie wykroju matrycy (odwzorowanie
kształtu matrycy) bez zbędnego przeciążenia matrycy oraz stosowanej maszyny.
Rys. 20. Podział odkuwki na strefy odkształcające się I i nie odkształcające się II w końcowej fazie kucia
matrycowego [1]
Do wyznaczenia wielkości siły potrzebnej do właściwego wypełnienia przez
materiał wykroju matrycy stosuje się programy symulacyjne oparte na metodzie
elementów skończonych pozwalające z dużą dokładnością oszacować jej wielkość
i dobrać prasę o wymaganym nacisku. Podobnie jak wielkość siły kucia można
wyznaczyć pracę odkształcenia plastycznego i na jej podstawie dobrać wielkość
młota.
Przy kuciu matrycowym odkuwek o zarysie okrągłym w płaszczyźnie podziału
matryc, w przypadku stosowania pras i kucia z wypływką, siłę nacisku można obliczyć ze wzoru [3]:
F = q ⋅ A ⋅σ p
(10)
gdzie: F – siła nacisku prasy [MN],
A – powierzchnia odkuwki w płaszczyźnie podziału (bez wypływki) [mm],
бp – naprężenie uplastyczniające w końcowym etapie kucia [MPa],
q – współczynnik obliczany ze wzoru [3]:
20 ⎞
⎛
q = 8 (1 − 0,001 ⋅ d ) ⋅ ⎜1,1 + ⎟
d ⎠
⎝
2
d – średnica odkuwki w płaszczyźnie podziału [mm].
(11)
65
4. NAGRZEWANIE MATERIAŁU
Do nagrzewania metali stosuje się piece elektryczne i paliwowe. Pierwszy typ pieców stosuje się głównie do nagrzewania metali nieżelaznych. Do nagrzewania stali
stosuje się głównie piece opalane gazem lub paliwem ciekłym.
Nagrzewanie w piecach elektrycznych zapewnia dużą szybkość nagrzewania i bardziej równomierny niż w piecach paliwowych rozkład temperatury w całym przekroju
materiału. Szybkie nagrzewanie materiału zabezpiecza przed nadmiernym utlenieniem
jego powierzchni.
Temperaturę pieca do nagrzewania materiału dobiera się w zależności od jego rodzaju, dla stali 800-1300°C, a dla metali nieżelaznych 300-900°C. Temperatura panująca w komorze pieca powinna być wyższa o około 100°C od temperatury, do której
należy nagrzać materiał. W górnej części komory pieca temperatura jest wyższa od
temperatury panującej w dolnej części pieca.
Nagrzewanie materiału w piecach komorowych odbywa się głównie wskutek
promieniowania, powoduje to nierównomierne nagrzewanie się materiału w jego
przekroju. Powstająca różnica temperatur wywołuje w środku materiału naprężenie
rozciągające, a w warstwie zewnętrznej ściskające. Zbyt szybkie nagrzewanie materiału (szczególnie stali stopowych), występujące przy dużej różnicy temperatur
materiału i pieca, może doprowadzić do powstawania pęknięć. W czasie nagrzewania stali największe naprężenia powstają w temperaturach 200-400°C. Stal w tych
temperaturach ma niewielkie własności plastyczne i skłonna jest do pęknięć.
W praktyce; w przypadku nagrzewania stali, przyjmuje się, że dopuszczalna
różnica temperatur między środkiem a powierzchnią zewnętrzną nagrzewanego
materiału nie powinna przekraczać 200°C.
Materiały o dużych średnicach oraz stale wysokostopowe mające mniejszą niż
stale stopowe plastyczność, nagrzewa się etapami. początkowo w piecu o niższej
temperaturze, a następnie w temperaturze wyższej.
Ze względu na tworzenie .się zgorzeliny nie należy jednak nagrzewać materiału
zbyt długo. Całkowity czas nagrzewania materiału o większych średnicach można
wyznaczyć wg wzorów:
- dla stali miękkiej t = (12-13) d2,
(10)
- dla stali twardej t = (24-26) d2,
(11)
w których d - średnica materiału [m], t – czas [h].
Do obliczenia czasu nagrzewania stali niskowęglowej od temperatury 201200°C można stosować wzór empiryczny N. N. Dobruchotowa
t = k ⋅ d 3/ 2
(12)
gdzie t - czas nagrzewania [h]
d - średnica nagrzewanego materiału [m],
k - współczynnik uwzględniający zawartość węgla i składników stopowych (dla
stali węglowej k=10, dla stali niskostopowych k=20).
66
Wzór ten jest słuszny przy założeniu, że przedmiot jest nagrzewany ze wszystkich stron, a temperatura pieca jest o 100°C wyższa od górnej temperatury nagrzewania materiału. W praktyce nagrzewanie materiału ze wszystkich stron jest utrudnione (nagrzewa się jednocześnie kilka kawałków materiału) i w tych przypadkach
czas nagrzewania należy pomnożyć przez współczynnik km=1-4, zależny od ułożenia materiału (patrz tabela 1). Czas nagrzewania materiału można również odczytać
z odpowiednich tablic lub wykresów.
Tabela 1 Wartość współczynnika km czasu nagrzewania materiału [3]
Tabela 2 Czas nagrzewania do temperatury 1200ºC stali węglowej konstrukcyjnej walcowanej lub kutej o
zawartości węgla 0.08 ÷0.4% w piecu o temperaturze 1300 ºC [3]
Przekrój materiału
okrągły
kwadratowy
Wymiary mateSposób
ułożenia
materiału
w
piecach
riału
mm
(d lub a)
pojedynczo
d
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,5
14,5
16,5
19,0
21,0
2,5
4,5
7,0
9,5
12,0
14,5
17,5
20,0
22,5
25,0
W odstępach
d/2
d=0
pojedynczo
a
W odstępach
a/2
d=0
Czas nagrzewania w minutach
3,0
5,5
8,5
12,0
15,5
18,5
22,0
25,0
28,0
31,5
4,0
7,5
12,0
16,0
20,5
25,0
29,0
33,0
37,5
42,0
3,0
5,0
16,0
10,5
13,5
18,0
19,0
22,0
24,5
27,5
3,5
6,5
10,5
14,5
16,8
22,0
26,0
30,0
34,0
38,0
5,0
9,0
13,5
18,0
23,0
27,5
32,0
37,0
42,0
46,0
8,0
15,0
23,0
23,0
41,0
50,0
58,0
66,0
76,0
84,0
67
Przy studzeniu odkuwek na powietrzu zachodzą odwrotne zjawiska niż przy nagrzewaniu, gdyż działają te same prawa wymiany ciepła. Przy studzeniu temperatura
warstw zewnętrznych przedmiotu staje się niższa niż wewnątrz. Skurcz materiału wywołuje w jego wnętrzu naprężenia ściskające, a w warstwach zewnętrznych naprężenia rozciągające. Wartość tych naprężeń zależy od szybkości studzenia, właściwości
fizycznych materiału oraz jego geometrii.
Przy niewłaściwie dobranych parametrach chłodzenia, a zwłaszcza przy dużych
szybkościach chłodzenia naprężenia rozciągające w warstwach zewnętrznych mogą
przekroczyć granicę wytrzymałości materiału i wywołać pęknięcia.
5. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie odkształceń odkuwki walcowej w operacji spęczania oraz wykonanie badań odkuwki osiowosymetrycznej. Ocenić stopień odwzorowania kształtu wykroju w odkuwce na tle przebiegu siły kucia.
Przebieg ćwiczenia:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
W celu zrealizowania celu ćwiczenia należy:
przygotować próbki walcowe do spęczania o wymiarach podanych przez prowadzącego, zapoznać się z zasadami nagrzewania materiału i ustalić temperaturę do jakiej należy podgrzać materiał w procesie kucia,
przeprowadzić spęczanie próbek każdą o inny stopień spęczenia i wyznaczyć
odkształcenia względne i rzeczywiste próbek w kierunku osiowym oraz obwodowym (dla wybranych przekrojów),
przygotować matryce jednowykrojową o okrągłym zarysie, obliczyć objętość
wykroju matrycy oraz objętość wypływki, ustalić wielkość wsadu potrzebną do
wykonania odkuwki,
próbki odkształcić zgodnie z zaleceniami prowadzącego, podczas odkształcania
rejestrować przebieg siły kucia w funkcji zmniejszania wysokości odkształcanego materiału,
każdorazowo po wyciągnięciu odkuwki z matrycy dokonać oględzin i pomiarów charakterystycznych wymiarów,
przeanalizować przebieg zmiany siły kucia w funkcji zmiany wysokości materiału, ocenić stopień odwzorowania kształtu wykroju w odkuwce na tle przebiegu siły kucia.
WYZNACZANIE ODKSZTAŁCEŃ ODKUWKI W OPERACJI SPĘCZANIA
Przygotować próbki walcowe o wymiarach podanych przez prowadzącego. Materiałem na próbki może być stal, mosiądz bądź aluminium, ołów (kute na zimno). Za-
68
leżnie od wybranej maszyny, sposobu kucia i ustawienia maszyny ustalić czas potrzebny do przeniesienia próbki z pieca do przestrzeni roboczej młota oraz czas potrzebny do wykonania odkuwki (jeżeli kucie będzie wykonywane na gorąco). Dla
wybranego rodzaju materiału, ustalić dopuszczalną temperaturę wsadową pieca, czas
nagrzewania próbek oraz górną temperaturę graniczną nagrzewania. Umieścić w piecu
trzy próbki, nagrzać je, a następnie spęczyć za pomogą młota, każdą o inny stopień
spęczania względnego wynoszący około 0,3; 0,5 i 0,8. Po ochłodzeniu próbek w wodzie zmierzyć wysokość próbki po spęczeniu, jej średnicę maksymalną oraz średnice
w miejscu styku z kowadłami. Obliczyć średnie spęczanie względne, spęczanie rzeczywiste, odkształcenie rzeczywiste w kierunku obwodu dla zmierzonych średnic
(wzory -rozdział 2). Wyniki wpisać do tabeli 3.
a)
b)
c)
d)
Rys. 22. Rozkład pola odkształceń dla próbki o wymiarach początkowych d=25mm, h=45mm dla 60%
spęczenia względnego (spęczenie rzeczywiste -0,92) a)rozkład osiowy b) rozkład promieniowy c) rozkład
obwodowy d) rozkład odkształceń zastępczych
69
Tabela 3 Wyznaczanie rozkładów odkształceń w próbce spęczanej
Nr próbki Materiał hp dp hk εw εp γh
dri
min
max
εpdi
uwagi
Przeanalizować otrzymane wyniki oraz porównać je z przykładowymi wynikami rozkładu odkształceń (rys. 22)
BADANIE ODKUWKI OSIOWOSYMETRYCZNEJ
Przygotować matrycę jednowykrojową o okrągłym zarysie wykroju, dokonać pomiaru charakterystycznych wielkości wykroju. Obliczyć objętość wykroju matrycy
oraz objętość wypływki. Uwzględniając ewentualne straty na zgorzelinę. Obliczyć
objętość wsadu potrzebnego do wykonania odkuwki. W ćwiczeniu jako materiału
odkształcanego można użyć plastelinę bądź ołów (kształtowanie w temp. otoczenia).
Tabela 4 Wyniki badań procesu kucia odkuwki osiowosymetrycznej
Rodzaj maszyny kuźniczej: ............................................. Materiał odkuwki: ...........................
Temperatura kucia: t = ..... [oC] Wymiary materiału wsadowego: D = .....[mm], H = ..... [mm]
Wykres zależności siły kucia F od
przemieszczenia s górnej połówki
matrycy
Nr odkuwki
I
II
III
IV
s [mm]
F [kN]
Rysunek matrycy
Rysunek odkuwki po danym etapie
kucia
Uwagi
70
Przygotować cztery próbki walcowe o objętości odpowiadającej wykrojowi matrycy. Zamocować części matrycy na prasie lub maszynie wytrzymałościowej, posmarować wykroje matrycy samarem, umieścić próbkę w wykroju. Podczas odkształcania
rejestrować przebieg siły kucia w funkcji przemieszczenia górnej połówki matrycy.
Pierwsze trzy próbki odkształcać etapami tzn. pierwszą próbkę odkształcić o około
50% (etap I) zmniejszenia odległości między matrycami, drugą o około 75%(etap II),
a trzecią do pełnego wypełnienia wykroju matryc(etap III) (patrz rys. 22). Po wyciągnięciu odkuwki z matrycy dokonać oględzin i pomiarów charakterystycznych wielkości w tym wewnętrznych i zewnętrznych promieni zaokrągleń, grubości wypływki.
Ocenić stopień odwzorowania kształtu wykroju w odkuwce na tle przebiegu siły kucia.
Czwartą z próbek przed umieszczeniem w wykroju matrycy spęczyć za pomocą
prasy o spęczenie względne podane przez prowadzącego. Następnie wykonać odkuwkę i porównać kształt oraz przebieg siły w funkcji przemieszczenia górnej połówki
matrycy z badaniami wykonanymi bez spęczenia dla trzeciej próbki.
Sprawozdanie:
W sprawozdaniu należy zamieścić:
• Opis prowadzonych prób
• Tab. 3
• Tab. 4
• Wnioski i spostrzeżenia
Literatura:
[1] Ćwiczenia laboratoryjne z budowy maszyn część II Obróbka Plastyczna pod redakcją Henryka
Ziemby, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1981.
[2] MAZURKIEWICZ A., KOCUR L.: Obróbka plastyczna laboratorium , Politechnika Radomska,
Radom 1997.
[3] WASIUNYK P. JAROCKI J.: Kuźnictwo i prasownictwo, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne 1977.
[4] WŁADYSŁAW D.: Zarys przeróbki plastycznej metali, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1965.