Ćwiczenie 3, Politechnika Poznańska, Mechatronika, SEMESTR II, Obróbka plastyczna
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
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 prze-
biegu procesu kucia i właściwościach otrzymywanych wyrobów.
1.
W
STĘP
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 odkształce-
niem metalu przez zgniatanie go miedzy powierzchniami kowadeł dolnego i górnego.
W procesie tym płynięcie metalu na boki jest nieograniczone, przez co powstają nie-
równomierne pola odkształceń powodujące w pewnych częściach odkształcanego
przedmiotu naprężenia rozciągające. Taki stan naprężeń może w pewnych przypad-
kach spowodować przejście z trójosiowego ściskania w różnoimienny stan naprężenia
(rys. 5), co znacznie pogarsza plastyczność metalu, co z kolei przy większych od-
kształceniach może doprowadzić do rozerwania spójności cząstek i pojawienia się
pęknięć.
Kucie swobodne w kowadłach kształtowych
(rys. 1b, c)
charakteryzuje się swo-
bodnym wydłużeniem metalu , natomiast jego rozszerzanie jest częściowo ograniczo-
ne 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 więk-
szy, a plastyczność metalu znacznie lepsza. Przedkuwka ma większą objętość od go-
towego wyrobu, nadmiar materiału w trakcie procesu kucia wypełnia rowek na wyp
ływkę. W przypadku wykonywania odkuwek o złożonych kształtach rozkład odkształ-
ceń jest nierównomierny, co sprzyja wytwarzaniu się dość znacznych naprężeń roz-
ciągających. W takich przypadkach w celu zapobieżenia powstawania pęknięć wyko-
nuje się odkuwki z przedkuwek.
Kucie w matrycach zamkniętych
(rys. 2b)
charakteryzuje się tym, że rozszerza-
nie 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 sto-
pów 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 laborato-
rium „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 na-
grzewania dzieli się na procesy nagrzewania wsadu cienkiego i wsadu grubego. Wsa-
dem 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 pod-
czas szybkiego grzania występują duże naprężenia mogące spowodować pęknięcia
materiału.
Jakość odkuwek, ich właściwości i struktura, w dużym stopniu zależą od prawi-
dłowego 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 prze-
ciwnie na opór plastyczny: umocnienie i zdrowienie. Szybkość umocnienia wyznacza
się szybkością odkształcania, a szybkość zdrowienia – szybkością rekrystalizacji, za-
leżną od temperatury.
W zależności od wzajemnej szybkości obu procesów opór plastyczny przy danej
temperaturze zmienia się. Jeżeli szybkość odkształcania jest zbyt duża i proces od-
kształcania 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 gra-
nicach 1÷10
2
s
-1
.
2.
K
UCIE SWOBODNE
Kucie swobodne może być realizowane ręcznie lub maszynowo.
Do najczęściej stosowanych operacji kucia swobodnego należą: spęczanie, wydłu-
żanie, przebijanie, poszerzanie, wgłębianie, przebijanie, rozkuwanie, odsadzanie,
przesadzanie, gięcie, przecinanie, skręcanie, zgrzewanie.
Spęczanie
jest operacją mającą na celu zwiększenie przekroju poprzecznego mate-
riału 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 (poje-
dyncze 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 odkuw-
ki, 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 wsku-
tek kucia siatka prostokątna b) obszary odkształceń i stan naprężeń w poszczególnych strefach; I obszar
małych odkształceń II i III obszary dużych odkształceń
[ Pobierz całość w formacie PDF ]