ćw 5 - tłoczenie metali.odt

              I. Cel ćwiczenia

              Praktyczna identyfikacja odkształcenia oraz parametrów siłowych towarzyszących procesowi tłoczenia wytłoczek cylindrycznych bez pocieniania ścianki.

              II. Wstęp teoretyczny

              PROCESZ TŁOCZENIA

              1. Materiały do tłoczenia

              Spośród wielu wyrobów przemysłu hutniczego, do tłoczenia stosowane są blachy i taśmy stalowe oraz blachy i taśmy z metali nieżelaznych. Blachy stalowe często są używane jako powlekane innymi materiałami. Najczęściej spotykanymi materiałami wśród metali nieżelaznych to: blachy i taśmy miedziane, mosiężne, aluminiowe i cynkowe. Rzadziej do procesu tłoczenia stosowane są tworzywa sztuczne W przypadku np. tworzyw termoplastycznych, niezbędne jest, przed tłoczeniem podgrzanie do temperatury ich mięknięcia. Najważniejsze jest określenie kryteriów doboru materiału do tłoczenia.

              2. Kryteria doboru blach do tłoczenia

              Materiał stosowany do wytwarzania wyrobów tłoczonych powinien nie tylko odpowiadać przeznaczeniu i warunkom eksploatacyjnym, lecz również wymaganiom technologicznym, wynikającym z charakteru i stopnia wymaganego odkształcenia. Własności technologiczne materiału są określane za pośrednictwem jego własności mechanicznych, które zależą głównie od składu chemicznego, struktury i wielkości ziaren, obróbki cieplnej i stopnia zgniotu. Duży wpływ na własności technologiczne i mechaniczne materiałów walcowanych na zimno, stosowanych w tłocznictwie, ma stopień zgniotu przy walcowaniu oraz charakter obróbki cieplnej. Wskaźnikami, które najpełniej charakteryzują własności technologiczne materiału są wskaźniki plastyczności. Zalicza się do nich:

–                      względne przewężenie (Z) z próby rozciągania,

–                      równomierne wydłużenie względne (Ar) lub odpowiadające mu równomierne przewężenie względne (Zr),

–                      stosunek umownej granicy plastyczności (R02) do wytrzymałości na rozciąganie (Rm); w odniesieniu do większości metali im mniejszy jest stosunek (R02/Rm) tym większe jest przewężenie (Zr). Stosunek (R02/Rm) dla blach stalowych głęboko-tłocznych nie powinien być większy niż 0,7, nawet w przypadku, gdy wskaźnik całkowitego wydłużenia (A) mieści się w dopuszczalnym zakresie.

              Biorąc pod uwagę zdolność do odkształceń plastycznych materiały stosowane do tłoczenia klasyfikuje się na grupy:

–                      materiały małoplastyczne – bardzo mało umacniające się; (np. stal o średniej zawartości węgla typu (35) do (50), stal 12HMN i inne);

–                      materiały średnioplastyczne – mało umacniające się; (stale typu 20 do 30, stale chromowo-niklowe, aluminium o znacznym stopniu umocnienia);

–                      materiały plastyczne – średnio umacniające się; (stale nisko węglowe typu 08, 10, 15, mosiądz, wyżarzone aluminium);

–                      materiały bardzo plastyczne – silnie umacniające się; (stal 1H18N9T po przesycaniu, wyżarzona miedź, stopy tytanu, stopy permalloy i kowar).

              Duży wpływ na własności technologiczne i przydatność blach do tłoczenia ma strukturalna postać węgla (ujemny wpływ strukturalnie swobodnego cementytu), wielkość i kształt ziaren ferrytu, stan powierzchni (brak widocznych linii poślizgu przy odkształceniu i tzw. „skórki pomarańczowej”). Stwierdzono, że linie poślizgu powstają w przypadku stali wyżarzonej, o wyraźnej granicy plastyczności (górnej i dolnej) przy rozciąganiu. Powstają one wskutek tego, że przy odkształcaniu w zakresie górnej i dolnej granicy plastyczności metal nie umacnia się, co powoduje powstawanie miejscowych odkształceń. Brak jest wówczas możliwości kontroli odkształcenia przez siłę. Niekiedy powierzchniowe linie poślizgów są wynikiem procesów starzenia np. przy długim przechowywaniu blachy po walcowaniu na zimno. Do budowy nadwozi samochodowych jest stosowana nie starzejąca się blach stalowa odtleniana aluminium lub tytanem. „Skórka pomarańczowa" występująca na powierzchni blachy, charakteryzuje się porowatą, szorstką powierzchnią.

              W celu zapobieżenia powstawaniu linii poślizgów i „skórki pomarańczowej” poddaje się cienką blachę stalową (przed wytłaczaniem) wstępnemu walcowaniu na zimno, z małym gniotem (około 2%), nie większym jak 5%. Jak wynika z doświadczenia, wstępne walcowanie blachy bezpośrednio przed wytłaczaniem nie tylko zapobiega tworzeniu się linii poślizgu, lecz również polepsza jej własności sprzyjające wytłaczaniu.

              W przypadku blachy stalowej cienkiej do głębokiego tłoczenia wymagane jest: drobne,

równomierne ziarno:

–                      w blasze stalowej o grubości do 2 mm – μm, a jak podają autorzy przeciętna wielkość ziarna winna wynosić μm, oraz przy szczególnie głębokim wytłaczaniu μm, blachy mające ziarno większe niż 34 μm mają szorstką powierzchnię („skórka pomarańczowa") i przy małych ich grubościach nie nadają się do wytłaczania,

–                      w blasze stalowej o grubości ponad 3 mm - średnia wielkość ziarna powinna się zawierać w zakresie μm,

–                      brak struktury pasmowej,

–                      brak strukturalnie wolnego cementytu,

–                      brak wtrąceń niemetalicznych itp.

              Z wielu przeprowadzonych doświadczeń wynika również, że przy wytłaczaniu w tłocznikach z progami ciągowymi blacha stalowa odznaczająca się dobrą tłocznością powinna mieć

następujące własności:

–                      rzeczywiste naprężenie rozciągające MPa,

–                      względne przewężenie równomierne %.

              Praktyczne uwagi dotyczące zwiększenia wytrzymałości niebezpiecznego przekroju – zwiększone naprężenia rozciągające przy wytłaczaniu części o kształcie kulistym z użyciem progów ciągowych - w przypadku stali nisko-węglowych w gatunku 08 lub 10 sugeruje się przeprowadzenie obróbki cieplnej (hartowanie przy °C, odpuszczanie przy 650°C).

              Przy doborze właściwego materiału do konkretnego procesu technologicznego w warunkach przemysłowych, należy spełnić dodatkowe wymagania, wynikające z prawa pełnego geometrycznego podobieństwa miseczek wytłoczonych w próbie, do wyrobów rzeczywistych. Tylko w takich warunkach współczynniki ciągnienia (wytłaczania) – będą wyrażały odkształcenia porównywalne. Należy zatem uwzględnić:

–                      podobieństwo geometryczne przedmiotów (bez kołnierza, z kołnierzem, z dnem płaskim, wypukłym, ze skosami itp.),

–                      podobieństwo wsadu (krążków), wyrażające się stosunkiem (),

–                      odchylenie od geometrycznego podobieństwa względnych promieni krawędzi matrycy i stempla (), ().

              Charakteryzując typowe materiały stalowe stosowane w budowie nadwozi samochodowych podano ich podział i ogólną charakterystykę zgodnie z PN-87/H-92143. Blachy mogą być dostarczane w arkuszach (bez wyróżnika w oznaczeniu), blachy w kręgach (z wyróżnikiem „K”), taśmy cięte z blach (oznaczane wyróżnikiem „c”).

              Ze względu na jakość powierzchni blach i taśm rozróżnia się trzy rodzaje powierzchni:

•                     Ia – blachy w arkuszach, przeznaczone na zewnętrzne elementy nadwozi samochodów osobowych, podlegające powlekaniu galwanicznemu;

•                     Ib - blachy i taśmy przeznaczone na widoczne wewnętrzne elementy nadwozi samochodów osobowych i zewnętrzne elementy innych pojazdów;

•                     II - blach i taśmy o zwykłej jakości powierzchni, o różnym wyglądzie, przeznaczone na wewnętrzne elementy pojazdów.

              Ze względu na wymagany stopień wykończenia powierzchni, określony przez dopuszczalną chropowatość (Ra), blachy rodzaju Ia i Ib dzieli się na: bez określania chropowatości (bez wyróżnika), chropowatą (z wyróżnikiem „r” – Ra powyżej 1,6 do 3,0 μm), matową (z wyróżnikiem „m” – Ra powyżej 0,8 do 1,6 μm), gładką (błyszczącą) (z wyróżnikiem „g” – Ra do 0,8 μm).

              W zależności od własności mechanicznych i technologicznych blachy karoseryjne dzieli się na pięć kategorii:

a)                  USB – blachy na najtrudniejsze wytłoczki,

b)                 SSB – blachy na szczególnie trudne wytłoczki,

c)                  SB – blachy na bardzo trudne wytłoczki,

d)                 B – blachy bardzo głęboko-tłoczne,

e)                  G – blachy do głębokiego tłoczenia.

Ponadto poza zastosowaniem blach na elementy nadwozi samochodowych, wyróżniamy jeszcze dwie kategorie z przeznaczeniem na mniej odpowiedzialne elementy gięte i tłoczone:

a)                  T – tłoczna,

b)                 P – płytko-tłoczna.

              Wstępną kwalifikację blach do odpowiedniej kategorii można przeprowadzić stosując próbę tłoczności metodą Erichsena. Do wyrobu blach na nadwozia samochodów kategorii USB, SSB, SB stosuje się stal o zwiększonej odporności na starzenie. Stal taka zawiera pierwiastek odtleniający, np. aluminium. Do wyrobu blach kategorii B i G stosuje się stal nieuspokojoną. Mikrostruktura blach karoseryjnych o zwiększonej odporności na starzenie powinna zawierać ferryt o ziarnach wydłużonych i jednorodnych, o wielkości ziarna klasy 7 lub niższej wg PN-84/H-04507/00, a dla blachy kategorii B i G wg klasy 7-9. Nie dopuszcza się znaczących wydzieleń cementytu płytkowego na granicach ziaren (PN-63/H-04504).

              Ze względu na dokładność wykonania wymiarów grubości wymienić należy trzy grupy:

1)                 blachy zwykłej dokładności wykonania grubości – bez wyróżnika – dla grubości 0,8 mm dopuszczalna odchyłka grubości ±0,09 mm,

2)                 blachy o podwyższonej dokładności wykonania grubości – z wyróżnikiem „pg” – dla grubości 0,8 mm dopuszczalna odchyłka grubości ±0,07 mm,

3)                 blachy o wysokiej dokładności wykonania grubości – z wyróżnikiem „wg” – dla grubości 0,8 mm dopuszczalna odchyłka grubości ±0,06 mm.

              Przykładowe oznaczenie blachy przeznaczonej na nadwozia samochodów

Ia-m-SSB 0.8 wgX1500X3000.

              Jest to blacha w arkuszach, rodzaju i jakości powierzchni (Ia), o matowym (m) stopniu wykończenia powierzchni, z przeznaczeniem na szczególnie trudne wytłoczki (SSB), pierwszej jakości, o grubości 0,8 mm, wysokiej dokładności wykonania wymiaru grubości (wg), o szerokości 1500 mm i długości 3000 mm.

              3. Nowoczesne materiały do tłoczenia

              Znaczny rozwój przetwórstwa blach, związany z rozwojem motoryzacji, nowych technologii i materiałów stosowanych do tłoczenia, wyznacza kierunki nowych badań i poszukiwań. Kryteria –  jakim muszą odpowiadać nowoczesne materiały, można ująć następująco:

–                      tłoczność,

–                      możliwość stosowania w automatycznych liniach produkcyjnych,

–                      odporność na korozję,

–                      wytrzymałość,

–                      estetyka i funkcjonalność.

              Głównym celem wprowadzania nowych gatunków materiałów do produkcji blach głębokotłocznych, o podwyższonej wytrzymałości z przeznaczeniem dla motoryzacji, jest zmniejszenie masy elementów tłoczonych konstrukcji pojazdów. Pozwala to na zmniejszenie grubości, a kompensowanie strat wytrzymałości właśnie przez zastosowanie blachy o wyższej wytrzymałości. Ogólnie stwierdza się, że im większa staje się wytrzymałość tym bardziej zmniejsza się zdolność do kształtowania.

              Problemami w procesach kształtowania elementów tłoczonych są: „zmarszczki”, ugięcia powierzchni, sprężynowanie, pęknięcia – szczególnie w procesach wywijania obrzeża – oraz większa zdolność do „zacierania się” powierzchni roboczych narzędzi. Do tej pory powszechnie stosowano materiały o średnim poziomie wytrzymałości na rozciąganie, wynoszącym do 400MPa, a w najbliższej przyszłości oczekuje się, że ta bariera zostanie przekroczona. Należy jednak liczyć się ze wzrostem trudności przy tłoczeniu.

              Na żywotność nadwozia samochodu bardzo istotny wpływ ma antykorozyjna właściwość kształtowanego płata. Należy zauważyć, że antykorozyjne własności materiału muszą sprostać krytycznym warunkom środowiska, które z czasem są coraz gorsze i nieprzewidywalne. Obecnie właściwości antykorozyjne uzyskuje się w wyniku pokrycia blachy stalowej warstwą cynku, stopu Fe-Zn lub Fe-P. Lepsze własności antykorozyjne uzyskuje się w wyniku pokrycia wielowarstwowego, ale pogarsza to zdolność materiału do kształtowania. Pojawiają się wówczas uszkodzenia pokrywającej warstwy np.: pęknięcia, „proszkowanie", łuszczenie się, zacieranie. Wymienione uszkodzenia warstwy pokrywającej obserwowane są głównie w obszarach dużych nacisków, np.: promienie zaokrągleń, obszary progów ciągowych. Aby zmniejszyć udział niekorzystnych zjawisk w procesach kształtowania blach stosuje się wysoko aktywne powierzchniowo warstewki smaru, jak również właściwy dobór odpowiednio wytrzymałych materiałów pokrywających (Fe-Zn, Fe-P).

              4. Smary

              Dzięki smarowaniu uzyskuje się zmniejszenie zużycia urządzeń, a ponadto w pewnych przypadkach smarowanie jest potrzebne do właściwego przebiegu procesu. Urządzenie do smarowania, podobnie jak urządzenie do czyszczenia, jest zwykle połączone z urządzeniem prostującym lub podającym i powinno być umieszczone przed wejściem materiału do przestrzeni roboczej tłocznika. Do smarowania używa się płaskich wkładek filcowych lub walców pokrytych tym materiałem lub też smarowanie może odbywać się w ruchu ciągłym przez zanurzenie.

              5. Narzędzia do tłoczenia...