Transcript Technologia_metali_II_tarcie

TECHNOLOGIA II
TARCIE W OBRÓBCE PLASTYCZNEJ
dr inż. Robert Skoblik
Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Ogólne wiadomości o tarciu
Tarciem nazywamy zjawisko powstawania oporu przy przesuwaniu się jednego ciała
po powierzchni drugiego. Dla przezwyciężenia powstałego oporu konieczna jest
określona siła, nazywana siłą tarcia.
W procesach przeróbki plastycznej występuje tarcie ślizgania, które znacznie różni
się od tarcia ślizgania występującego w częściach maszyn.
W przeróbce plastycznej na powierzchni tarcia działają wysokie naciski sięgające
2500 MPa (2500 MN/m2). W łożyskach ślizgowych i innych częściach maszyn
występują naciski 10 MPa (10 MN/m2). W bardzo obciążonych łożyskach walcarek
naciski sięgają 20 do 50 MPa (20—50 MN/m2).
Mechanizm tarcia
1. Tarcie czyste występuje wtedy, gdy na powierzchni tarcia nie ma ani tlenków,
ani smaru. Tarcie czyste może mieć więc miejsce tylko w warunkach
doświadczalnych.
2. Tarcie suche występuje w przypadku, gdy na powierzchni styku metalu z
narzędziem istnieją tlenki i zanieczyszczenia, nie ma natomiast smarów.
3. Tarcie płynne występuje wtedy, kiedy powierzchnie trących się ciał są w pełni
izolowane warstewką smaru.
4. Tarcie półsuche występuje w takim przypadku, gdy na powierzchniach trących
tylko niektóre powierzchnie oddzielone są lepkim ośrodkiem.
5. Tarcie półpłynne występuje, jeśli w obecności smaru istnieją bezpośrednie
kontakty trących się ciał.
6. Tarcie graniczne występuje wtedy, kiedy warstwa ciekłego smaru rozdzielająca
powierzchnie jest granicznie cienka, smar zaś jest powierzchniowo czynny.
W przeróbce plastycznej spotykamy się zazwyczaj z tarciem półsuchym lub
półpłynnym.
Skutki działania sił tarcia
Tarcie zewnętrzne, występujące między powierzchnią roboczą narzędzia, a
odkształcanym plastycznie metalem wpływa na:
- przebieg odkształcenia plastycznego, a przez to na własności użytkowe wyrobu,
- na trwałość narzędzi.
- pole naprężeń w odkształcanym plastycznie metalu nie jest jednorodne,
- niejednorodność odkształceń powoduje z kolei niejednorodność własności
wyrobu.
- geometryczne, jak i kinematyczne ograniczenia w realizacji procesów obróbki
plastycznej, np. takie wielkości jak:
-minimalna grubość walcowanej blachy,
-maksymalny stopień spęczania,
- kąt stożka ciągadła itp.,
- ograniczenie w stosowaniu np. zbyt dużych prędkości ciągnienia
Rodzaj występującego tarcia zewnętrznego między odkształcanym plastycznie
metalem i narzędziem wpływa w sposób istotny na uszkodzenie powierzchni wyrobu.
Tworzące się na powierzchni narzędzia narosły (połączenia tarciowe) są przyczyną
powstawania rys i zadziorów na powierzchni wyrobu (np. przy tłoczeniu, walcowaniu)
i pogarszają jego jakość.
W wyniku istnienia oporów tarcia występuje zużycie narzędzi, przy czym zarówno
mechanizm, jak też intensywność zużycia .narzędzi są funkcją oporów i rodzaju tarcia.
Z występowaniem sił tarcia wiążą się również straty energii.
Ogólnie można więc stwierdzić, że skutki działania sił tarcia są prawię zawsze
niekorzystne, a tarcie z reguły utrudnia prowadzenie procesów obróbki plastycznej.
Dlatego podstawowym zagadnieniem w obróbce plastycznej metali jest regulowanie,
a głownie zmniejszenie występujących oporów tarcia przez stosowanie odpowiednio
dobranych smarów i metod; smarowania (np. ciągnienie drutu przy
hydrodynamicznym smarowaniu.), polerowanie powierzchni roboczych narzędzi itp.
Specyfika zjawiska tarcia występującego w procesach obróbki plastycznej
Zjawisko tarcia, z którym spotykamy się w procesach obróbki plastycznej, różni się
w sposób zasadniczy od tarcia występującego w węzłach mechanizmów ze
względu na takie czynniki jak:
— duże naciski normalne (przewyższające granicę plastyczności jednego z metali
pary trącej),
— duże odkształcenia i wynikający stąd odmienny niż w mechanizmach charakter
styku,
— ciągłą zmianę powierzchni trących,
— małe prędkości względne,
— w przypadku procesów obróbki plastycznej na gorąco — wysoką temperaturę i
związaną z tym obecność dużej ilości tlenków,
—-inną rolę i funkcję smarów.
W procesach obróbki plastycznej występuje przesuwanie się uplastycznionego
metalu o małej twardości po powierzchni narzędzia o znacznie większej
twardości, a więc jest to zjawisko współpracy pary trącej składającej się z ciała
stałego (sztywnego), którym jest narzędzie, z ciałem plastycznym, tzn.
odkształcanym metalem.
Rola tarcia w prowadzeniu procesów obróbki plastycznej
Powszechnie panuje przekonanie, że skutki oddziaływania sił tarcia są
niekorzystne. Takie stwierdzenie jest jednak niepełne i nieścisłe.
Podobnie jak w przyrodzie, tak i w technice, a w tym zakresie również w przypadku
procesów obróbki plastycznej, można wykazać dodatni wpływ tarcia na przebieg
niektórych procesów, np. w procesie walcowania, tłoczenia, wyciskania.
Aby świadomie i programowo kierować zjawiskiem tarcia, należy poznać jego
mechanizm i specyfikę.
W odniesieniu do procesów obróbki plastycznej interesujące byłoby znalezienie
odpowiedzi na następujące pytania:
— Jak należy prowadzić procesy obróbki plastycznej, aby wyeliminować ujemny
wpływ tarcia, np. przez regulowanie i właściwy dobór zakresu prędkości roboczej
narzędzi, temperatury odkształcanego metalu rodzaju smarów i sposobów
smarowania oraz innych parametrów procesu?
— Jak regulować i dobierać opory tarcia, np. przez właściwy dobę par trących (m.
in. powłok przeciwadhezyjnych), smarowanie, aby prowadzenie procesu było
najekonomiczniejsze?
— W jakich przypadkach i w jaki sposób wykorzystać dodatni wpływ oporów tarcia
na kształtowanie właściwych cech użytkowych wyrobi przez świadome i celowe
kształtowanie własności warstwy wierzchniej?
Ciągnienie (przeciąganie)
Ciągnienie - proces, obróbki plastycznej na zimno, w którym zmienia się kształt
lub pole przekroju poprzecznego materiału w postaci drutu, pręta lub rury
w wyniku przeciągania go przez otwór narzędzia nazywanego ciągadłem.
Z mechanicznego, a szczególnie kinematycznego punktu widzenia jest to jeden z
najbardziej stabilnych procesów realizowany przy ustalonych parametrach:
naprężenia, prędkości, a także w znacznej mierze temperatury.
Schemat procesu ciągnienia prętów ilustruje, rys.1.
Warunki kinematyczne procesu ciągnienia prętów, mające decydujący wpływ na
warunki tarcia:
-narzędzie (ciągadło) jest nieruchome,
- odkształcany metal wykonuje ruch posuwisty,
- przy czym kontakt odkształcanego metalu z narzędziem ma charakter ciągły,
- cała powierzchnia narzędzia styka się z przeciąganym metalem,
- w kontakt z powierzchnią roboczą narzędzia wchodzą coraz to inne (nowe)
partie przeciąganego metalu.
Rys.1. schemat procesu ciągnienia prętów
Rozkład prędkości w przekroju ciągnionego elementu
Przy ciągnieniu profili płaskich występuje liniowy wzrost prędkości, a przy
ciągnieniu prętów okrągłych prędkość rośnie parabolicznie, przy czym materiał
wchodzi w ciągadło z prędkością u1, a wychodzi z prędkością u2.
Wraz ze zmianą średnicy rośnie prędkość u2 zgodnie z zasadą zachowania stałej
objętości. Zmiana prędkości przemieszczania się odkształcanego metalu w stożku
ciągadła zależy od takich wielkości jak: stopień odkształcenia, kąt ciągadła i opory
tarcia.
Znacznie bardziej złożony jest proces ciągnienia, rur, gdzie odkształcany metal
styka się z dwoma powierzchniami roboczymi narzędzia: stożkiem ciągadła oraz
trzpieniem lub korkiem.
Schematy różnych odmian procesu ciągnienia rur ilustruje rys. 2.
W procesie ciągnienia rur występuje zmiana średnicy i grubości rury, w związku z
czym rośnie prędkość przemieszczania odkształcanego metalu po powierzchni
narzędzia.
Rys.2. Schematy różnych rodzajów ciągnienia rur: a) ciągnienie swobodne, b)
ciągnienie z korkiem, c) ciągnienie z trzpieniem, d) ciągnienie z korkiem
swobodnym, e) ciągnienie w ciągadłach kulkowych
Wpływ tarcia na prowadzenie procesu
Oddziaływanie tarcia w procesie ciągnienia należy zaliczyć do efektów
niekorzystnych. W wyniku istnienia oporów tarcia występuje:
-„hamowanie" płynięcia metalu w strefie kontaktu" narzędziem,
- otrzymuje się niejednorodne pole naprężeń i odkształceń w przekroju
ciągnionego pręta. Gradient tych zmian jest szczególnie duży w zewnętrznych
strefach warstwy wierzchniej.
Opory tarcia rzutują na:
-wartość dopuszczalnych gniotów, regulowanych przez dobór kąta stożka
ciągadła,
- ograniczają zarówno stopień zgniotu, jak również dopuszczalną, najmniejszą
wartość końcowych wymiarów poprzecznych pola przekroju,
- pracę sił zewnętrznych, zużytą na pokonanie oporów tarcia należy uznać za
pracę traconą,
-zamiana pracy mechanicznej na ciepło prowadzi o wzrostu temperatury
ciągnionego drutu lub pręta, z czym wiąże się występowanie naprężeń
własnych I rodzaju.
Identyfikacja procesu ciągnienia zależy od prawidłowego
sterowania procesami tarcia, m. in. przez zapewnienie
hydrodynamicznych warunków smarowania, wprowadzenie
wirujących ciągadeł, bądź też zastosowanie drgań.
Warunki tarcia w procesie ciągnienia mają również wpływ na
własności wyrobu, a zwłaszcza na własności warstwy
wierzchniej. Szczególnie wyraźny jest wpływ oporów tarcia na
mikrogeometrię powierzchni wyrobu.
Dlatego w tym procesie technologicznym dąży się do
maksymalnego ograniczenia oporów tarcia.
Istnieje ścisły związek między oporami tarcia (wyrażonymi
współczynnikiem tarcia), optymalnym kątem stożka ciągadła a
i wynikającą stąd wartością dopuszczalnych gniotów. Można
zatem znaleźć minimum funkcji dFc/da i wyznaczyć optymalny
kąt stożka ciągadła a dla zadanej wartości m.
Rys.3. Wpływ oporów tarcia i przeciwciągu na optymalny kąt ciągnienia:
1 - aopt = f(m), 2 - aopt = f(q), a — kąt stożka ciągadła, q — współczynnik przeciwciągu
Skutki działania sit tarcia
Do ujemnych skutków tarcia w procesie ciągnienia można zaliczyć:
— nierównomierność odkształceń w przekroju ciągnionego elementu
(drutu, pręta);
—pogorszenie stanu powierzchni wyrobu;
— wzrost siły ciągnienia i wynikające stąd niebezpieczeństwo pękania drutu
(pręta);
— nierównomierne pole temperatury w przekroju ciągnionego pręta i
związane z tym występowanie naprężeń cieplnych, bądź też zmiany
strukturalne w ciągnionym wyrobie;
— nadmierne zużycie ciągadeł.
Aby zatem poprawić sprawność energetyczną procesu ciągnienia, uzyskać
optymalną jakość ciągnionego wyrobu oraz zwiększyć trwałość narzędzi,
przy zachowaniu odpowiedniej pewności technologicznej (wyeliminowanie
pękania), należy dążyć do zmniejszenia ujemnego oddziaływania tarcia.
Można to osiągnąć m. in. przez zapewnianie hydrodynamicznych warunków
smarowania, przy zastosowaniu specjalnej konstrukcji ciągadeł, m. in. przez
wprowadzenie przeciwciągu. Zastosowanie przeciwciągu umożliwia prawie
dwukrotne zmniejszenie nacisków jednostkowych, co wpływa korzystnie na
trwałość ciągadeł.
Tłoczenie
Tłoczenie - jeden z podstawowych procesów obróbki plastycznej na zimno
obejmującym: cięcie, kształtowanie blach, folii i płyt metalowych lub
przedmiotów o małej, w stosunku do innych wymiarów, grubości.
Procesy tłoczenia mogą być przeprowadzone:
— przy naruszaniu spójności materiału (odcinanie, wycinanie, dziurowanie, okrawanie, nacinanie),
— bez naruszania spójności materiału (gięcie, wytłaczanie
i kształtowanie).
Ze względu na to, że najbardziej charakterystyczne dla tej grupy procesów
jest wytłaczanie, do tego procesu zostaną odniesione dalsze rozważania.
Schemat możliwych stanów naprężenia i odkształcenia przy wytłaczaniu
sztywnymi narzędziami z dociskaczem ilustruje rys. 4 a przemieszczanie
się materiału w procesie wytłaczania z dociskaczem rys. 5, oddziaływanie
sił tarcia rys. 6.
Rys.4. Schemat stanów naprężenia i odkształcenia przy wytłaczaniu
sztywnymi narzędziami z dociskaczem
Rys. 5. Schemat ilustrujący ruch narzędzia i przemieszczanie wytłoczki w procesie
wytłaczania z dociskaczem: Vs — prędkość ruchu narzędzia (stempla), Vm — prędkość
ruchu materiału, Fd — siła docisku, Fw- — siła wytłaczania
Rys.6. Schemat oddziaływania sił tarcia w procesie wytłaczania z dociskaczem
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 naprężeń rozciągających występują
również naprężenia ściskające.
Proces wytłaczania jest realizowany na ogół na prasach, przy czym jeden
element narzędzia (stempel) wykonuje ruch.
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.
Wpływ tarcia na prowadzenie procesu
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, co ilustruje rys. 7.
Tarcie występujące w dociskaczu wpływa na zwiększenie naprężeń osiowych s2.
Opory tarcia w dociskaczu wywierają niekorzystny wpływ i mogą prowadzić do
zerwania wytłoczki.
Tarcie odkształcanej blachy o powierzchnię pierścienia ciągowego "(na krawędzi
ciągowej oraz w szczelinie ciągownika) powoduje wzrost nacisku wywieranego
przez stempel i zwiększa niebezpieczeństwo oderwania dna wytłoczki
(niebezpieczny przekrój A—A rys. 6).
Rys.7. Dodatni i ujemny wpływ tarcia w procesie wytłaczania: a) wytłaczanie sztywnymi narzędziami,
b) wytłaczanie w niesztywnej matrycy z dociskaczem, e) wywijanie kołnierza, d) wytłaczanie z
zastosowaniem progów ciągowych, e) wytłaczanie niesztywnym stemplem z dociskaczem, f) wytłaczanie
niesztywnym stemplem bez dociskacza, g) wygniatanie niesztywnym stemplem, h) rozpęczanie
niesztywnym stemplem, i) wywijanie kołnierza niesztywnym stemplem
Tarcie powoduje zwiększenie siły wytłaczania Fw, a przez to pogorszenie
współczynnika sprawności energetycznej procesu.
Tarcie odkształcanej blachy o powierzchnię stempla wywiera wpływ dodatni,
gdyż zwiększa siłę Fzr (siła konieczna do zerwania wytłoczki), a więc jest
czynnikiem ułatwiającym tłoczenie.
Tarcie wywiera wpływ na odkształcalność graniczną oraz na zmianę grubości
ścianek, przy czym zmiany te są różne w różnych obszarach wytłoczki.
Zmianę grubości blachy pod dociskaczem ilustruje rys. 8.
Wyraźne zmiany grubości wy tłoczki występują także w strefie zetknięcia
z czołem stempla, przy czym istotny wpływ na nierównomierność odkształceń
wywiera tutaj tarcie między stemplem a wytłoczką. Metal będący w kontakcie
z płaską powierzchnią stempla pocienia się jednorodnie, natomiast metal
znajdujący się w obszarze styku z promieniową częścią stempla —
niejednorodnie – rys. 9.
W procesie wytłaczania występuje także nierównomierne obciążenie narzędzi
(stempla i pierścienia ciągowego). Rozkład nacisków przy wytłaczaniu ze
ścienieniem ścianek i bez ścienienia ilustruje rys. 10.
Rys.8. Schemat zmiany grubości blachy w procesie wytłaczania z dociskaczęm
Rys.9. Zmiany grubości blachy w różnych obszarach wytłoczki
Rys.10. Strefy występowania maksymalnych nacisków w procesie: a) wytłaczania
(bez cienienia ścianek), b) wyciągania
Czynniki ograniczające proces wytłaczania
Wpływ tarcia jest szczególnie istotny przy głębokim tłoczeniu, gdy siła tłoczenia
jest odpowiednio duża, by spowodować pęknięcie wytłoczki. Aby w procesie
wytłaczania nie nastąpiło zerwanie wytłoczki, maksymalna siła wywierana przez
stempel Fw musi być mniejsza niż siła zrywającą denko wytłoczki Fzr, czyli
Fw<Fzr
Warunek ten ogranicza maksymalną średnicę krążka, z którego można wytłoczyć
naczynie o wymaganej średnicy bez obawy zerwania wytłoczki.
Wzrost oporów tarcia powoduje wzrost siły wytłaczania.
Aby 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 szczelince ciągownika, nie eliminując
tarcia między stemplem a odkształcaną blachą.
Skutki oddziaływania sił tarcia
Efekty oddziaływania sil tarcia w procesie wytłaczania można zaliczyć zarówno do
pozytywnych, jak i negatywnych. Do negatywnych skutków oddziaływania sił tarcia
należą:
— zwiększenie nierównomierności odkształceń, powodujące znaczne zmiany
grubości wytłoczki, a nawet pękanie (oderwanie dna wytłoczki),
— wzrost naprężeń promieniowych s2, powodujący niebezpieczeństwo powstawania
pęknięć w wytłoczce,
— wzrost siły wytłaczania Fw, spowodowany oporami tarcia w dociskaczu i
ciągowniku,
— Wzrost temperatury w obszarze styku w granicach 30—80°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.
Szczególny przypadek wytłaczania. przy wykorzystywaniu sił tarcia przedstawiono na
rys. 11. W tym procesie tłoczenia stempel jest zastąpiony ściskanym pierścieniem
gumowym wypychającym wytłoczkę siłami tarcia.
Rys. 11. Wytłaczanie siłami tarcia: 1 — oprawa, 2 — pierścień gumowy,
3 — krążek wyjściowy, 4 — wytłoczka, 5 — pierścień ciągowy
Kucie
Kucie jest typowym procesem obróbki plastycznej, w którym wyrób kształtuje się
przez zgniatanie uderzeniem, a nacisk wywierany przez narzędzie ma charakter
dynamiczny.
Proces kucia realizowany jest na ogół powyżej temperatury rekrystalizacji,
w wyniku czego odkształcany metal nie umacnia się. Oddziaływanie wysokiej
temperatury utrudnią jednak stosowanie skutecznych smarów, co znacznie
pogarsza warunki tarcia.
Z uwagi na warunki mechaniczne i kinematyczne kucie należy zaliczyć do
procesów najmniej stabilnych, gdyż w każdym cyklu kucia ulegają zmianie:
nacisk, prędkość i temperatura, przy czym przebieg tych zmian jest bardzo szybki.
Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje kucia:
- swobodne,
-matrycowe.
W obydwu przypadkach dolna część narzędzia (z wyjątkiem miotów
przeciwbieżnych) jest nieruchoma, a górna część narzędzia umocowana w bijaku
młota wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. W związku z tym kontakt
odkształcanego metalu z narzędziem ma charakter przerywany, cykliczny, przy
czym w wyniku odkształceń częściowych po każdym uderzeniu zmienia się
(rośnie) powierzchnia rzeczywistego styku i coraz to nowe partie metalu wchodzą
w kontakt z narzędziem.
Wpływ tarcia na proces kucia
Opory tarcia występujące w procesach kucia są duże (m = 0,2—0,4). Wynika to
głównie z obecności dużej ilości zgorzeliny i małej skuteczności smarowania w
wysokich temperaturach.
Duże opory tarcia powodują, że w niektórych obszarach odkształcanej odkuwki
ruch materiału jest w ogóle zahamowany i występuje tzw. przywieranie.
Schemat działania sił tarcia w najbardziej typowych operacjach kuria
swobodnego: spęczania pręta i spęczania pierścienia ilustrują rys.12 i 13.
Ruch odkształcanego metalu po narzędziu jest determinowany oporami tarcia
i może się zmieniać począwszy od całkowitego poślizgu, aż do zupełnego
przywierania. W centralnej części odkuwki w osi symetrii Istnieje punkt
neutralny, w którym prędkość równa się zeru. Gdy odkształcenie odbywa się w
warunkach beztarciowych materiał przemieszczą się, płynąc na boki z
prędkością rosnącą liniowo w kierunku promienia, a nacisk materiału na
narzędzie ma stałą wartość .
Rys.12. Schemat oddziaływania sił tarcia, rozkład nacisków i prędkości w procesie
spęczania pręta a) bez tarcia, b) z tarciem; Vn— prędkość ruchu narzędzia, Vm —
prędkość ruchu odkształcanego materiału
Rys. 13. Schemat oddziaływania sił tarcia, rozkład nacisków i prędkości w procesie
spęczania pierścienia: a) bez tarcia, b) przy dużych, oporach tarcia; Vn — prędkość
ruchu narzędzia, Vm — prędkość ruchu odkształcanego materiału
Ruch odkształcanego metalu po narzędziu jest determinowany oporami
tarcia i może się zmieniać począwszy od całkowitego poślizgu, aż do
zupełnego przywierania.
W centralnej części odkuwki w osi symetrii Istnieje punkt neutralny, w
którym prędkość równa się zeru.
Gdy odkształcenie odbywa się w warunkach beztarciowych materiał
przemieszczą się, płynąc na boki z prędkością rosnącą liniowo w kierunku
promienia, a nacisk materiału na narzędzie ma stałą wartość.
W przypadku spęczania pręta z udziałem sił tarcia w centralnej części
odkuwki występuje przywieranie, a płyną jedynie zewnętrzne warstwy
materiału. Istnienie oporów tarcia powoduje zatem niejednorodność
naprężeń oraz występowanie stref o różnym stopniu odkształcenia (rys.
12b.
Zewnętrznym dowodem nierównomierności odkształceń przy spęczaniu
wywołanych tarciem jest beczkowatość spęczanego elementu.
Przy spęczaniu pierścienia z udziałem sił tarcia rys. 13b materiał
przemieszcza się zarówno w kierunku środka (osi próbki) jak też na
zewnątrz i występuje beczkowatość zarówno zewnętrzna jak i
wewnętrzna.
W pewniej odległości od środka próbki r c występuje tzw. linia neutralna,
gdzie prędkość przemieszczania materiału względem narzędzia równa się
zeru.
W tym obszarze występują także największe naciski jednostkowe. Przy
bardzo dużych oporach tarcia zamiast linii neutralnej może wystąpić tzw.
strefa przywierania.
Bardzo duży wpływ na wartość nacisków jednostkowych, poza oporami
tarcia, wywiera także, stosunek średnicy do wysokości spęczanego
elementu r/h (rys. 14).
Rys. 14. Zależność nacisków od wymiarów próbki i współczynnika tarcia
Efekt oddziaływania sił tarcia w procesach kucia matrycowego jest znacznie
bardziej złożony niż przy kuciu swobodnym. Poza niekorzystnym, hamującym
oddziaływaniem, sił tarcia na powierzchniach bocznych wykrojów, gdzie tarcie
utrudnia płynięcie metalu i tym samym dobre wypełnienie wykroju, można
wskazać takie obszary wykroju matrycy, gdzie tarcie ma wpływ korzystny, np. w
mostku wypływki. Dodatni efekt występowania sił tarcia w mostku wypływki
polega na tym, że hamowanie płynięcia metalu na zewnątrz wykroju sprzyja
dobremu wypełnieniu wykroju, a więc umożliwia uzyskanie wyrobu o większej
dokładności wymiarowo-kształtowej.
Schemat oddziaływania sił tarcia w procesie kucia matrycowego pokazano na
rys.15, przy czym dodatni wpływ tarcia na wypełnienie wykroju oznaczono
znakiem „+", a ujemny wpływ tarcia na płynięcie metalu oznaczono znakiem
„—".
Rys.15. Schemat oddziaływania
sit tarcia w procesie kucia
matrycowego
Czynniki ograniczające proces kucia
Do czynników ograniczających przebieg procesu kucia można zaliczyć:
— zbyt duże opory tarcia i związane z tym występowanie stref przywierania,
utrudniających prawidłowe wypełnienie wykroju i powodujące zakleszczanie
odkuwki;
— zbyt duże opory tarcia, powodujące występowanie osiowych naprężeń
rozciągających z możliwością wystąpienia pęknięć obwodowych (występujących
głównie przy spęczaniu swobodnym);
— zbyt małe opory tarcia w mostku wypływki i wynikające z tego niewłaściwe
wypełnienie wykroju;
—intensywne zużycie narzędzi.
Jak z tego wynika, poza poprawnością doboru parametrów geometrycznych
(kształt i wymiary materiału wyjściowego, wymiary wykrojów) jednym z istotnych
czynników warunkujących realizację procesów kucia jest tarcie. Dlatego
poszukiwane są metody i środki umożliwiające zmniejszenie oporów tarcia.
Wyciskanie
W zależności od kierunku, płynięcia metalu względem kierunku ruchu stempla
można rozróżnić:
— wyciskanie współbieżne, w którym materiał płynie w kierunku zgodnym z
ruchem stempla;
— wyciskanie przeciwbieżne, gdy materiał płynie w kierunku przeciwnym do ruchu
stempla;
— wyciskanie złożone, gdy materiał płynie w różnych kierunkach.
Wyciskanie jest procesem bardzo szeroko stosowanym, zarówno przy
kształtowaniu stali, jak i metali nieżelaznych, przy czym metale takie jak:
Pb, Zn, Ąl, Cu, mosiądze są wyciskane w temperaturze otoczenia, natomiast
wyciskanie stali odbywa się w temperaturach podwyższonych, ze względu na duże
opory odkształcenia plastycznego.
W procesie wyciskania matryca jest w zasadzie nieruchoma, natomiast stempel
wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. Kontakt narzędzia z odkształcanym metalem ma
charakter przerywany (cykliczny), przy czym w czasie jednego cyklu odkształcenia
cała powierzchnia narzędzia styka się z odkształcanym metalem.
Rozpowszechnienie procesu wyciskania spowodowało, że
opracowano kilkanaście wersji tego procesu takich jak:
-wyciskanie klasyczne z zastosowaniem smarów i pokryć
wstępniaków powłokami zmniejszającymi opory tarcia;
- wyciskanie
izotermiczne,
prowadzone
w
narzędziach
podgrzewanych przy zachowaniu stałej temperatury odkształcanego
materiału;
— wyciskanie hydrostatyczne, w którym funkcję narzędzia przejmuje
w pewnym zakresie ciecz wypełniająca cylinder;
— wyciskanie w polu ultradźwiękowym,
— wyciskanie z wykorzystaniem aktywnego oddziaływania sił tarcia.
Schemat działania sił w procesie wyciskania współbieżnego i
przeciwbieżnego przedstawia rys. 16.
Rys.16. Schemat oddziaływania sił tarcia,
zmiana siły i prędkości w procesie
wyciskania;
a)
współbieżnego,
b)
przeciwbieżnego: Vn — prędkość ruchu
narzędzia, Vm — prędkość ruchu
odkształcanego materiału, F— siła
wyciskania
Wpływ tarcia na proces wyciskania
Tarcie zewnętrzne, występujące w strefie kontaktu odkształcanego metalu z
narzędziem, wywiera istotny wpływ zarówno na sposób płynięcia wyciskanego
materiału, jak też i siłę wyciskania.
W procesie wyciskania współbieżnego można rozróżnić trzy fazy odkształcania:
—fazę I—zbliżoną do procesu spęczania,
— fazę II — właściwe wyciskanie,
— fazę III — końcowy etap wyciskania.
W procesie wyciskania współbieżnego występują bardzo duże opory tarcia:
— między odkształcanym metalem a ściankami bocznymi cylindra,
— w oczku kształtującym matrycy,
— między odkształcanym metalem a stemplem.
Ponadto występują także opory tarcia między powierzchnią boczną stempla a
ściankami cylindra.
W procesie wyciskania przeciwbieżnego materiał przemieszcza się w kierunku
przeciwnym do kierunku ruchu stempla, przy czym w przypadku odpowiedniej
konstrukcji narzędzia styk materiału z bocznymi ściankami matrycy jest znacznie
ograniczony. W wyniku czego opory tarcia są dużo mniejsze niż przy wyciskaniu
współbieżnym.
Ze względu na charakter płynięcia i zasięg stref o ograniczonej
odkształcalności rozróżnia się trzy typy wyciskania:
— typ I — wyciskanie materiału jednorodnego przy małych oporach tarcia,
— typ II - wyciskanie materiału jednorodnego przy stosunkowo dużych
oporach tarcia,
— typ-III— wyciskanie materiału niejednorodnego przy dużych oporach tarcia.
Sposób płynięcia metalu w poszczególnych typach wyciskania ilustruje rys. 17.
Rys.17. Schemat płynięcia metalu w różnych typach wyciskania: a) wyciskanie
współbieżne przy małych oporach tarcia, b) wyciskanie współbieżne przy średnich
oporach tarcia, c) wyciskanie współbieżne przy dużych oporach tarcia w matrycy z
chłodzonymi ściankami zewnętrznymi, d) wyciskanie przeciwbieżne przy małych
oporach tarcia
Ważną rolę odgrywają opory tarcia występujące w oczku kalibrującym matrycy.
W oczku matrycy występują największe zakłócenia w płynięciu metalu
spowodowane:
— gwałtowną zmianą przekroju i związaną z tym zmianą (wzrostem) prędkości
płynięcia metalu,
—znacznym umocnieniem,
— obniżeniem temperatury (przy wyciskaniu na gorąco) i pogorszeniem się
własności plastycznych metalu.
Przy zbyt dużych oporach tarcia w oczku matrycy występuje bardzo duża
nierównomierność płynięcia metalu, co jest zjawiskiem niekorzystnym.
Wpływ smaru na zmianę odkształceń w strefie wyjścia materiału z oczka matrycy
ilustruje rys. 18.
Rys.18. Wpływ smaru na zmianę odkształcenia w strefie wyjścia materiału z oczka
matrycy: a) ze smarem szklanym, b) smar olejowy z wypełniaczem", c) bez smaru
Rys.19. Schemat działania sił tarcia przy wyciskaniu z ruchomą matrycą: a) wyciskanie
przeciwbieżne w stałej matrycy, b) wyciskanie przeciwbieżne w ruchomej matrycy,
c) wyciskanie złożone w stałej matrycy, d) wyciskanie złożone przy stałym stemplu
Skutki działania sił tarcia
Skutki działania sił tarcia w procesie wyciskania należy zaliczyć do
ujemnych. Wyrażają się one:
— zwiększeniem nierównomierności płynięcia odkształcanego metalu,
powodującym powstawanie naprężeń własnych, bądź też do
wystąpienia pęknięć powierzchniowych;
— powstawaniem wad wewnętrznych wyrobów (rozwarstwień)
spowodowanych zbyt dużą nierównomiernością płynięcia;
— występowaniem mechanicznych uszkodzeń powierzchni wyrobu
(rys, zadrapań itp.) spowodowanych obecnością zendry lub innych
zanieczyszczeń;
— nadmiernym zużyciem (głównie pękaniem) części roboczych
narzędzi;
— znacznymi stratami energii i pogorszeniem współczynnika
sprawności energetycznej procesu.
Walcowanie
Walcowanie - proces obróbki plastycznej na zimno lub na gorąco, w
którym materiał kształtuje się przez zgniatanie obracającymi się
walcami (tarczami lub rolkami), a więc jest to jeden z niewielu
procesów technologicznych, w których narzędzie wykonuje ruch
obrotowy. Rozróżnia się następujące zasadnicze rodzaje walcowania:
— walcowanie wzdłużne, gdy materiał wykonuje ruch postępowy,
— walcowanie okresowe, gdy materiał wykonuje ruch postępowy
lub postępowy zwrotny,
— walcowanie skośne, gdy materiał wykonuje ruch śrubowy,
— walcowanie poprzeczne, gdy materiał wykonuje ruch obrotowy.
Największy udział w procesach walcowania ma walcowanie
wzdłużne (około 90%).
Rys.20. Rozkład sił w chwili chwytu materiału przez walce: a) metal jest wciągany
między walce, b) chwyt metalu jest niemożliwy
Wpływ tarcia na prowadzenie procesu
W procesie walcowania wzdłużnego metal jest odkształcany między dwoma
walcami o osiach równoległych, obracających się w przeciwnych kierunkach.
Kontakt narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter ciągły, z tym, że tylko
część powierzchni roboczej walca wchodzi w styk z walcowanym wyrobem.
Czynnikiem, który wywiera dodatni wpływ na prowadzenie procesu (w pewnym
sensie nawet warunkuje prowadzenie procesu) jest tarcie.
W wyniku wywiązujących się w strefie kontaktu sił tarcia metal zostaje wciągany
między walce i doznaje odkształceń w kotlinie odkształcenia.
Skutki działania sit tarcia
Występowanie oporów tarcia w procesie walcowania jest niezbędne
do tego, aby proces mógł być w ogóle realizowany (z uwagi na
warunki chwytu), jednak pozostałe skutki oddziaływania sił tarcia w
tym procesie są niekorzystne.
Występowanie oporów tarcia między odkształcanym metalem, a
walcami prowadzi do nierównomierności odkształceń w walcowanym
elemencie (taśmach, profilach ciągłych itp.), co daje anizotropię
własności, a w niektórych przypadkach powoduje nawet
rozwarstwienie walcowanej blachy.
Efektem oddziaływania sił tarcia są defekty i uszkodzenia mechaniczne
powierzchni walców, takie jak:
—nalepienie odkształcanego materiału, szczególnie przy walcowaniu na
gorąco i niedostatecznym smarowaniu,
— mikrowykruszenia,
— nadmierne zużycie wykrojów walców.
W wyniku istnienia oporów tarcia występują uszkodzenia powierzchni
walcowanego materiału, powodujące pogorszenie jakości wyrobu, co ma
szczególne znaczenie przy walcowaniu bardzo cienkich taśm i folii.
Pokonanie oporów tarcia związane jest ze stratami energii, co wymaga
zwiększenia mocy walcarek.
Uszkodzenia powierzchni taśmy (lub innego walcowanego profilu)
mogą powstać:
1) w czasie podawania taśmy (na rolkach podających lub podajnikach);
2) w czasie procesu walcowania, przy czym uszkodzenia taśmy mogą
być spowodowane przez:
— nalepiony materiał znajdujący się na walcach,
— rozkruszone cząstki zgorzeliny,
— zanieczyszczenia znajdujące się w smarze,
3) w czasie nawijania na bęben
— ruch względny między nawijaną taśmą a walcem może powodować
zerwanie lub inne uszkodzenia powierzchniowe, jeżeli między walcem
a taśmą będą się znajdowały twarde produkty oddziałujące ściernie;
— nieregularność (niekołowość) zarysu walca powoduje dodatkowe
ruchy względne między walcem a taśmą, w wyniku czego powstają
miejscowe poszerzenia, zwężenia itp.
Podsumowanie
Na podstawie przedstawionej analizy głównych procesów obróbki plastycznej,
przeprowadzonej w aspekcie wpływu tarcia na realizację procesu, można
wysunąć następujące wnioski.
— Z uwagi na stan naprężenia i związany z nim stan odkształcenia, procesów
obróbki plastycznej nie można opisać za pomocą jednego prostego modelu. W
różnych procesach obróbki plastycznej występują różne, na ogół złożone stany
naprężenia, przy czym przeważają procesy technologiczne, w których
odkształcany metal znajduje się w trój osiowym stanie naprężeń — głównie
ściskających. Ponadto nawet w obrębie tego samego przedmiotu pole
naprężeń nie jest jednorodne i cechuje je bardzo złożona struktura.
— Występujące na powierzchni styku opory tarcia zewnętrznego hamują
swobodne płynięcie odkształcanego metalu, w wyniku czego w objętości
odkształcanego elementu można wyróżnić strefy o różnym stopniu
odkształcenia.
— Z uwagi na makrogeometrię styku, można wyróżnić procesy obróbki
plastycznej, w których stosunek nominalnej powierzchni styku Sn do objętości
odkształcanej jest:
a) bardzo duży (np. procesy tłoczenia)
b) duży (procesy przeciągania)
c) średni (pozostałe procesy).
We wszystkich procesach obróbki plastycznej występuje styk
powierzchniowy.
— Ze względu na warunki kinematyczne procesy obróbki plastycznej można
podzielić na dwie główne grupy:
a) procesy, w których styk narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter
ciągły — np. przeciąganie, walcowanie,
b) procesy, w których styk narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter
przerywany (cykliczny) — pozostałe procesy.
— Ze względu na rodzaj ruchu względnego odkształcanego metalu po
powierzchni narzędzia w procesach obróbki plastycznej dominuje ślizganie z
tym jednak, że prawie w każdym procesie technologicznym można wyodrębnić obszary, w których z uwagi na bardzo duże opory tarcia poślizg jest
utrudniony i materiał przywiera do powierzchni narzędzia.
— Rozpatrując warunki dynamiczne można rozróżnić:
a) procesy, w których obciążenie wywierane na narzędzie jest stałe w
czasie trwania procesu,
b) procesy, w których obciążenie wywierane na narzędzie jest
cyklicznie zmienne; w procesach tych obciążenie przykładane do
narzędzia rośnie od O do maksimum i następnie maleje do O, przy
czym charakter zmian siły jest zależny od typu zastosowanej maszyny
i rodzaju procesu.
— Z uwagi na warunki tarcia i wynikający stąd rodzaj tarcia, procesy
obróbki plastycznej można podzielić na:
a) procesy, w których możliwe jest do zrealizowania tarcie płynne (np.
przeciąganie drutów przez ciągadła ciśnieniowe),
b) procesy, w których występuje tarcie graniczne lub mieszane (np.
tłoczenie, wyciskanie, walcowanie na zimno),
c) procesy, w których dominuje tarcie technicznie suche (kucie, walcowanie na gorąco, wyciskanie na gorąco).
— Istnieje ścisła korelacja między warunkami tarcia, a warunkami
geometrycznymi, kinematycznymi i dynamicznymi w danym procesie
technologicznym, np. kąt chwytu przy walcowaniu jest zależny od kąta tarcia,
optymalny kąt ciągadła jest funkcją oporów tarcia przy ciągnieniu.
— Prawie w każdym procesie technologicznym można wykazać obszary, w których
oddziaływanie sił tarcia jest dodatnie. Należy zatem tak sterować oporami tarcia,
aby wyeliminować tarcie tam, gdzie ono jest zbędne i wykorzystać dodatni wpływ
tarcia w tych obszarach, gdzie jest ono pożądane.
— Mimo korzystnego (dodatniego) wpływu oporów tarcia na realizację
niektórych procesów obróbki plastycznej, w każdym procesie technologicznym
występują ujemne skutki oddziaływania oporów tarcia sprowadzające się do:
a) anizotropii odkształcenia i związanej z tym anizotropii własności wyrobów, a
zwłaszcza wystąpienia dużego gradientu naprężeń własnych w warstwie
wierzchniej,
b) występowania wad powierzchni wyrobów,
c) nadmiernego zużycia narzędzi,
d) pogorszenia współczynnika sprawności energetycznej procesu.