jyT9rWrY_25.pdf

14. OCENA SKŁONNOŚCI BLACH DO ZACIERANIA W TRAKCIE TŁOCZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem powstawania zatarcia w procesie tło-

czenia blach, przyczynami jego występowania, wielkością i sposobem jego wyznaczania.

14.2. Wprowadzenie

14.2.1. Tarcie w procesie tłoczenia

Tłoczenie jest jednym z podstawowych procesów obróbki plastycznej na zimno obejmu-

jącym: cięcie, kształtowanie blach, folii i płyt metalowych lub przedmiotów o małej, w sto-

sunku do innych wymiarów, grubości.

Jak wynika z tej definicji, procesy tłoczenia mogą być przeprowadzone:

• przy naruszaniu spójności materiału (odcinanie, wycinanie, dziurowanie, okrawanie, na-

cinanie),

• bez naruszania spójności materiału (gięcie, wytłaczanie i kształtowanie).

Ze względu na to, że najbardziej charakterystyczne dla tej grupy procesów jest wytłacza-

nie, do tego procesu zostaną odniesione dalsze rozważania.

Schemat możliwych stanów naprężenia i odkształcenia przy wytłaczaniu sztywnymi na-

rzędziami z dociskaczem ilustruje rys. 14.1.

Rys. 14.1. Schemat stanów naprężenia i odkształcenia przy wytłaczaniu sztywnymi na-

rzędziami z dociskaczem

172

14.1. Cel ćwiczenia

Jak wynika z rysunku, w procesie wytłaczania mogą wystąpić zarówno jedno, dwu, jak i

trójosiowe stany naprężenia i odkształcenia, przy czym w denku i części walcowej wytłoczki

przeważają naprężenia rozciągające, natomiast w kołnierzu (pod dociskaczem) oprócz naprę-

żeń rozciągających występują również naprężenia ściskające. Proces wytłaczania jest reali-

zowany na ogół na prasach, przy czym jeden element narzędzia (stempel) wykonuje ruch po-

suwisto-zwrotny, drugi (matryca) jest nieruchomy, a odkształcany metal ślizga się po po-

wierzchni narzędzia.

Z uwagi na warunki mechaniczne i kinematyczne proces tłoczenia należy do procesów

mało stabilnych, gdyż w czasie każdego cyklu wytłaczania ulegają zmianie zarówno wartość

siły wytłaczania, jak również prędkość i temperatura. Kontakt narzędzia z odkształcanym

metalem ma charakter cykliczny.

14.2.2.Wpływ tarcia na prowadzenie procesu.

Schemat oddziaływania sił tarcia w procesie wytłaczania z dociskaczem ilustruje rys.

14.2.

W procesie wytłaczania należy pokonać

opory tarcia występujące:

• w dociskaczu,

• na krawędzi ciągowej matrycy,

• w szczelinie ciągownika,

• na stemplu.

Zależnie od schematu procesu i warunków

technologicznych siły tarcia mogą wywierać

wpływ zarówno dodatni, jak i ujemny.

Tarcie występujące w dociskaczu wpływa na

zwiększenie naprężeń osiowych.

Opory tarcia w dociskaczu wywierają więc

wpływ niekorzystny i mogą prowadzić do ze-

rwania wytłoczki. Ma to szczególne znaczenie

przy wytłaczaniu blach o małej grubości, gdyż wraz ze zmniejszeniem grubości maleje prze-

krój czynny wytłoczki, podczas gdy powierzchnia tarcia nie ulega zmianie.

Tarcie odkształcanej blachy o powierzchnię pierścienia ciągowego (na krawędzi ciągowej

oraz w szczelinie ciągownika) powoduje wzrost nacisku wywieranego przez stempel i zwięk-

sza niebezpieczeństwo oderwania dna wytłoczki (niebezpieczny przekrój A-A rys. 14.2), a

więc również wywiera wpływ ujemny. Ponadto w jednym i drugim przypadku tarcie powodu-

je zwiększenie siły wytłaczania F W , a przez to pogorszenie współczynnika sprawności energe-

tycznej procesu. Jedynie tarcie odkształcanej blachy o powierzchnię stempla wywiera wpływ

dodatni, gdyż zwiększa siłę F zr (siła konieczna do zerwania wytłoczki), a więc jest czynni-

kiem ułatwiającym tłoczenie. Tarcie wywiera także wpływ na odkształcalność graniczną oraz

na zmianę grubości ścianek, przy czym zmiany te są różne w różnych obszarach wytłoczki.

Zmianę grubości blachy wg badań B. Fogga ilustruje rys. 14.3. Wyraźne zmiany grubości

wytłoczki występują w strefie zetknięcia z czołem stempla, przy czym istotny wpływ na nie-

równomierność odkształceń wywiera tutaj tarcie między stemplem a wytłoczką. Metal będący

w kontakcie z płaską powierzchnią stempla pocienia się jednorodnie, natomiast metal znajdu-

jący się w obszarze styku z promieniową częścią stempla - niejednorodnie.

Typową krzywą zmiany grubości w funkcji odkształcenia ilustruje rys. 14.4. Widać z

niej, że istnieją dwie strefy lokalnego pocienienia - pocienienie dotyczące profilu stempla,

nazywane szyjką pierwotną i pocienienie spowodowane zginaniem z rozciąganiem nazywane

szyjką pierwotną i pocienienie spowodowane zginaniem z rozciąganiem nazywane szyjką

Rys.14.2. Schemat oddziaływania sił tar-

cia w procesie wytłaczania z dociskaczem

173

s. 14.2. Schemat oddziaływania sił tarcia

w procesie wytłaczania z dociskaczem

wtórną. W dalszych obszarach występuje przyrost grubości ścianki wytłoczki. Na zmianę

grubości ścianki wytłoczki w procesie tłoczenia istotny wpływ wywierają takie czynniki jak:

promień zaokrąglenia stempla, grubość blachy, wartość naprężeń osiowych oraz opory tarcia

występujące między stemplem a odkształcanym metalem.

Rys. 14.3. Schemat zmiany grubości blachy

Rys. 14.4. Zmiany grubości blachy

w procesie wytłaczania z dociskaczem

w różnych obszarach wytłoczki

14.2.3. Czynniki ograniczające proces wytłaczania.

Wpływ tarcia jest szczególnie istotny przy głębokim tłoczeniu, gdy siła tłoczenia jest od-

powiednio duża, by spowodować pęknięcie wytłoczki. Aby w procesie wytłaczania nie nastą-

piło zerwanie wytłoczki, maksymalna siła wywierana przez stempel P w musi być mniejsza niż

siła zrywająca denko wytłoczki F zr , czyli:

F ≤

(14.1)

przy czym siłę F zr można wg Z. Marciniaka wyrazić zależnością:

⎜

⎝

−

⎟

⎠

(14.2)

gdzie: F a - maksymalna siła, którą jest w stanie przenieść przekrój A-A wytłoczki;

F t - siła tarcia blachy o stempel;

R s - promień stempla;

r s - promień zaokrąglenia krawędzi stempla;

g o - początkowa grubość blachy;

g - grubość blachy po tłoczeniu;

h - wysokość strefy przylegania,

R m - wytrzymałość blachy na rozciąganie;

µ - współczynnik tarcia.

174

⎛

⎞

Warunek ten ogranicza jednocześnie maksymalną średnicę krążka, z którego można wy-

tłoczyć naczynie o wymaganej średnicy bez obawy zerwania wytłoczki.

Innym problemem ograniczającym proces wytłaczania jest wpływ tarcia na ogólną war-

tość siły wytłaczania i współczynnik sprawności procesu. Według Z. Marciniaka wartość rze-

czywistej siły wytłaczania można wyznaczyć ze wzoru:

⎡

⎛

⎞

⎤

(14.3)

⎜

⎟

⎢

⎥

⎜

⎟

⎢

πR

⎛

⎞

µP

⎥

sin

⎝

⎠

doc

śr

⎢

⎜

⎟

⎥

⎣

⎝

⎠

⎦

gdzie: R k - zewnętrzny promień kołnierza;

ρ- krzywizna środkowej warstwy blachy na krawędzi matryc;

α - kąt pochylenia stycznej;

σ p - naprężenie uplastyczniające kołnierz;

g k - końcowa grubość kołnierza;

η- współczynnik sprawności energetycznej procesu.

Wyrażenia na siłę wytłaczania F w podawane przez innych autorów oparte są na podob-

nych założeniach.

Ze wzoru wynika, że jeśli pominie się wpływ zmiany takich wielkości jak: R s , R k /R s , σ p , g

(spowodowanych umocnieniem), to wzrost oporów tarcia powoduje wzrost siły wytłaczania.

Aby zatem zapewnić większą stateczność procesu wytłaczania oraz realizować proces przy

minimalnym zużyciu energii, należy dążyć do zmniejszenia oporów tarcia w dociskaczu, na

krawędzi gnącej oraz w szczelinie ciągownika, nie eliminując tarcia między stemplem a od-

kształcaną blachą.

14.2.4. Skutki oddziaływania sił tarcia.

Efekty oddziaływania sił tarcia w procesie wytłaczania można zaliczyć zarówno do pozy-

tywnych, jak i negatywnych czynników.

Do negatywnych skutków oddziaływania sił tarcia należą:

• zwiększenie nierównomierności odkształceń, powodujące znaczne zmiany grubości wy-

tłoczki, a nawet pękanie (oderwanie dna wytłoczki),

• wzrost naprężeń promieniowych σ 2 , powodujący niebezpieczeństwo powstawania pęk-

nięć w wytłoczce,

• wzrost siły wytłaczania F w , spowodowany oporami tarcia w dociskaczu i ciągowniku,

• wzrost temperatury w obszarze styku w granicach 30 ÷ 80 o C i pogorszenie warunków

smarowania (na skutek zmiany lepkości smaru),

• pogorszenie gładkości powierzchni wytłoczki (rysowanie),

• obniżanie trwałości narzędzi.

Pozytywnym efektem jest oddziaływanie sił tarcia występujących między odkształcanym

metalem a stemplem.

14.2.5. Wpływ tarcia na własności warstwy wierzchniej

175

Mimo wielu badań i doświadczeń nie przedstawiono do tej pory dokładnych związków

między warunkami tarcia a uzyskanym polem własności warstwy wierzchniej wyrobu. Do-

tychczas konstruktor projektując wyrób zwracał uwagę na takie cechy, jak:

• wytrzymałość na obciążenia,

• dokładność wymiarowo-kształtową,

• odporność na korozję - bądź estetykę wyrobu.

Obecnie istnieje pogląd, że o jakości wyrobu, a zwłaszcza o cechach użytkowych, takich

jak trwałość i niezawodność, decyduje w bardzo dużym stopniu stan warstwy wierzchniej. W

procesach obróbki plastycznej, poza nadawaniem wymiarów i kształtów obrabianemu ele-

mentowi, należy dążyć do uzyskania wymaganych własności warstwy wierzchniej, zwłaszcza

w tych przypadkach, gdy obróbka plastyczna jest obróbką ostateczną wyrobu.

Do istotnych czynników wpływających na stan warstwy wierzchniej wyrobu można zali-

czyć:

• warunki tarcia,

• parametry kształtowania (naciski jednostkowe, prędkość odkształcenia, temperatura od-

kształcenia metalu).

Występujące w strefie kontaktu, odkształcany metal - narzędzie, tarcie zewnętrzne, a ści-

ślej zespół procesów trybologicznych, ma istotny wpływ na stan warstwy wierzchniej wyro-

bu, jak i zmiany stanu warstwy wierzchniej narzędzia.

Różnorodność procesów trybologicznych obejmujących:

• mechaniczne współdziałania powierzchni trących,

• adhezyjne współdziałanie przesuwających się względem siebie powierzchni,

• reakcje fizykochemiczne, które są efektem oddziaływania ciała trzeciego - czyli smaru,

świadczy o złożoności wpływu tych czynników i trudności przewidywania skutków koń-

cowych.

Przez tarcie zewnętrzne jest wywierany wpływ na własności mechaniczne warstwy

wierzchniej wyrobu (rozkład i wartość naprężeń własnych, stopień umocnienia, steksturowa-

nie, wady budowy), jak też na własności stereometryczne, tj. chropowatość powierzchni, no-

śność, falistość.

W procesach obróbki plastycznej wartości współczynników tarcia są około 10 - krotnie

większe niż w przypadku elementów maszyn. Zmniejszenie oporów tarcia, a przez to popra-

wa jakości wyrobu, możliwe jest przez odpowiedni dobór własności warstwy wierzchniej

narzędzia.

W przypadku procesów obróbki plastycznej odkształcany metal jest z góry narzucony, w

odróżnieniu od elementów maszyn, gdzie możliwy jest dobór materiałów pary trącej w dość

szerokim zakresie. Materiał narzędzia w obróbce plastycznej może być zmieniany w grani-

cach, na które pozwalają względy wytrzymałościowe. Zmianę składu chemicznego warstwy

wierzchniej narzędzia można uzyskać przez stosowanie różnych procesów obróbki cieplno -

chemicznej, galwanicznej itp.

Stan warstwy wierzchniej narzędzia powinien być tak dobrany, aby przy zastosowanej

technice wytwarzania narzędzie nie traciło zbyt szybko swoich własności geometrycznych i

zapewniało uzyskanie wymaganej jakości wyrobów określanej przez użytkownika.

Szczególnie wyróżniającymi się parametrami warstwy wierzchniej w procesach obróbki

plastycznej w stosunku do innych procesów technologicznych w przyszłości mogą być:

• głębokość zalegania warstwy wierzchniej,

• gradienty: naprężeń własnych, mikrotwardości, zmian strukturalnych.

14.2.3. Próba zacierania blach

176

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: