Obróbka plastyczna metali

Istota i znaczenie obróbki plastycznej

Obróbka plastyczna metali jest jedną z najstarszych technologu, jaką stosowa) człowiek do wyrobu przedmiotów. Wykorzystuje ona jedną z cenniejszych własności metali, jaką jest ich zdolność do odkształceń trwałych, czyli plastycznych. Umożliwia ona przeróbkę odlanych wlewków na różnego rodzaju półwyroby, jak blachy, pręty i kształtowniki, oraz produkcję szeregu wyrobów metalowych, jak nity, śruby, naczynia blaszane itp. Stosowanie obróbki plastycznej w procesach wytwarzania przynosi znaczne korzyści ekonomiczne, np. w porównaniu z obróbką skrawaniem wymaga użycia znacznie mniejszej ilości obrabiarek oraz powoduje powstawanie znacznie mniej odpadów materiałowych.

Rozwój obróbki plastycznej w Polsce, zwłaszcza walcownictwa, postępował równolegle z rozwojem hutnictwa

Obecnie obróbka plastyczna metali jest szeroko stosowana w hutnictwie i w przemyśle metalowym w postaci walcownictwa, kuźnictwa, tłocznictwa, ciągarstwa itp. W niektórych gałęziach przemysłu metalowego udział obróbki plastyczne; w procesach wytwarzania docho­dzi do 60 i więcej procent.

Obróbka plastyczna polepsza własności mechaniczne i strukturę materiału, powodując rozdrobnienie gruboziarnistej struktury odlewu, rozciągnięcie skupionych zanieczyszczeń niemetalicznych oraz sprasowanie drobnych porów i pęcherzy.

Rozróżnia się obróbkę plastyczną na zimno, w czasie której odkształca się materiał mający najczęściej normalną temperaturę, oraz obróbkę plastyczna na gorąco, polegającą na odkształcaniu materiału nagrzanego do odpowiednio wysokiej temperatury.

Do najważniejszych procesów obróbki plastycznej należą: walcowanie, prasowanie, kucie, tłoczenie i przeciąganie.

Mechanizm odkształceń plastycznych

Pod wpływem działania sił zewnętrznych, np. podczas walcowania lub kucia, materia! zmienia swa postać zachowując jednocześnie spójność (nie pęka). Podczas odkształcania metalu poszczególne kryształy dzielą się na szereg równoległych warstw, które się po sobie ślizgają (rys. l).

Rys. l. Odkształcenia plastyczne wskutek    

                                                                                                        poślizgu

Ten sposób odkształcania się nazywamy poślizgiem. Poślizgi zachodzą w płaszczyznach, na których znajduje się w krysztale największa ilość atomów (rys. 2).

Rys. 2. Płaszczyzny poślizgu w siatce przestrzennej: a) regularnej płasko-centrycznej, b) regularnej przestrzennie centrycznej,  c)  heksagonalnej

Odkształcenia trwale W poszczególnych kryształach mogą być również wywołane przez tzw. bliźniakowanie, polegające na obrocie jednej części kryształu w stosunku do drugiej, tak te obie części kryształu przyjmują symetryczne położenie (rys. 3).

Rys. 3. Schemat bliźniakowania

Zgniot metali i jego skutki

Odkształcenia plastyczne zachodzące na zimno w metalu podczas walcowania, ciągnienia, tłoczenia itp. wywołują szereg zmian własności mechanicznych, fizycznych i chemicznych. Zmiany te są tym większe, im większemu odkształceniu podlega materiał. Równocześnie tworzy się tzw. struktura włóknista, charakteryzująca się silnie wydłużonymi kryształami. Wszystkie te zjawiska zachodzące podczas obróbki plastycznej na zimno (w temperaturze poniżej temperatury rekrystalizacji dla danego materiału) nazywać będziemy zgniotem.

W przypadku walcowania lub przeciągania wielkość odkształcenia

Z     =   F0 – F ×   100%

F0

gdzie: F0 — przekrój początkowy materiału, F — przekrój po zgniocie.

Pod wpływem zgniotu materiał staje się sprężysty, wzrasta jego twardość i wytrzymałość na rozciąganie, natomiast własności plastyczne, jak wydłużenie oraz przewężenie, maleją.

Zmiany zachodzące w strukturze polegają na powstawaniu wewnątrz ziarn coraz większej ilości poślizgów oraz na coraz większym wydłużaniu się ziarn. Przy dużych zgniotach tworzy się uporządkowana orientacja krystalograficzna ziarn, tzw. tekstura, której towarzyszy zjawisko anizotropowoici zgniecionego materiału (materiał ma różne własności w różnych kie­runkach).

Obróbka plastyczna na gorąco

Celem zmniejszenia nacisków potrzebnych do wywołania odkształceń trwałych materiał przed obróbką plastyczną podgrzewa się, gdyż plastyczność materiału jest znacznie większa w wysokich temperaturach. Temperatura obróbki plastycznej na gorąco jest zawsze wyższa od temperatury rekrystalizacji, wskutek czego utwardzenie materiału w czasie przeróbki nie następuje. Niekiedy obserwuje się w pewnym zakresie temperatur zjawisko tzw. kruchości na gorąco; materiał przerabiany w tym zakresie temperatur pęka.

Wyciskanie prętów

Wyciskanie stosuje się do wyrobu prętów, kształtowników i rur 2 metali nieżelaznych np. z miedzi, mosiądzu, aluminium, magnezu lub ołowiu.

Schemat wyciskania przedstawia rys. 4. Materiał w postaci wlewka, nagrzany do odpowiedniej temperatury i umieszczony w matrycy prasy hydraulicznej, wypływa pod naciskiem tłoka w postaci pręta o przekroju zależnym od kształtu otworu matrycy.

Przy wyciskaniu współbieżnym kierunek wypływania materiału oraz kierunek ruchu tłoka są zgodne. Istnieje również metoda wyciskania przeciwbieżnego różniąca się tym, że pręt

wypływa przez otwór umieszczony w tłoku prasy. Proces wyciskania stosowany jest również do nakładania powłoki ołowianej na kabel elektryczny.

Rys. 4. Schemat procesu wyciskania pręta

Kużnictwo

Kuciem nazywamy proces technologiczny, w którym materiał jest odkształcany za pomocą uderzeń młota lub nacisku narzędzi. Kucie ma na celu nie tylko nadanie przekuwanemu materiałowi odpowiedniego kształtu, lecz również odpowiedniej struktury i własności  mechanicznych.

Kucie wykonuje się na młotach oraz na prasach hydraulicznych i mechanicznych, najczęściej na gorąco. Własności i struktura przekuwanego materiału w wysokim stopniu zależą od prawidłowego nagrzewania materiału. Nieodpowiednie nagrzewnic może wywołać w materiale pęknięcia, przegrzanie lub przepalenie. Zależnie od rodzaju i wielkości odkuwek oraz sposobu kucia stosuje się piece grzewcze różnej konstrukcji, ogrzewane paliwem stałym, płynnym lub gazowym. Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajdują piece elektryczne.

Kucie swobodne

Kuciem swobodnym nazywamy kucie za pomocą narzędzi o. gładkich powierzchniach umożliwiających płynięcie materiału wzdłuż tych powierzchni. Kucie swobodne może być ręczne lub maszynowe.

Przy kuciu swobodnym rozróżniamy szereg podstawowych zabiegów kowalskich, przez połączenie których możemy odkuwać złożone kształty odkuwck. Do zabiegów tych należą:

wydłużanie, spęczanie, odsądzanie, przebijanie, cięcie i zgrzewanie.

Wydłużanie polega na zwiększeniu długości pod wpływem powtarzanych uderzeń, kosztem zmniejszenia przekroju poprzecznego.

Przy szczaniu wzrastają wymiary poprzeczne pręta, zmniejsza się natomiast jego długość. Odsądzanie ma na celu nagle zmniejszenie przekroju pięta. Przebijanie otworów w odkuwkach polega na wykonaniu otworu przebijakiem.

Cięcie polega na wytworzeniu w materiale takiego stanu naprężeń, by w żądanym miejscu nastąpiło jego pęknięcie, poprzedzone zazwyczaj odkształceniem plastycznym. Rozróżnia się następujące rodzaje cięcia (rys. 5):

a) Cięcie za pomocą dwu krawędzi tnących (rys. 5a), na przykład stempla i płyty tnącej, które zbliżając się do siebie powodują przecięcie obrabianego materiału.

b) Cięcie cienkiej warstwy metalu jedną krawędzią tnącą. Ten rodzaj cięcia występuje przy okrawaniu odkuwek (rys. 5b) i wygładzaniu (rys. 5c).

c) Cięcie gumą, podczas którego blachę dociska się do wzornika (szablonu) o ostrych krawędziach ciśnieniem wywieranym przez warstwę gumy. Następuje odgięcie obrzeża wystającego poza krawędź wzornika, a następnie urwanie się materiału na krawędzi (rys. 5d).

d) Cięcie nożowe (rys. 5e), polegające na zagłębianiu się noża w materiale spoczywającym na miękkim podłożu. W ten sposób tnie się skórę, filc, tekturę itp.

e) Przebijanie otworów, któremu towarzyszy wywinięcie pękniętego brzegu (rys. 5f). Zabiegi cięcia. Cięcie służyć może do oddzielenia żądanego przedmiotu od reszty materiału wyjściowego; mówimy Wówczas o wycinaniu, gdy linia cięcia jest zamknięta lub odcinaniu, gdy linia ta nie jest zamknięta.

Rys. 5. Schematy różnych sposobów cięcia: M—materiał kształtowany, St—stempel, Pt—płyta tnąca, G—guma, N—nóż, P—przebijak

Wycięte lub odcięte przedmioty mogą być dalej kształtowane przez dawkowanie, tj. wykrawanie otworów, przycinanie materiału wzdłuż linii niezamkniętej oraz nadcinaniu, gdy linia cięcia nie powoduje całkowitego oddzielenia materiału na dwie oddzielne części. Wyrównanie obrzeża przedmiotów przez usunięcie nadmiaru materiału odkształconego w poprzednich operacjach nazywamy okrawaniem. Aby nadać powierzchni przecięcia wymaganą gładkość. Stosuje się wygładzanie, polegające na skrawaniu naddatku materiału.

Rozróżnia się następujące sposoby przeprowadzania zabiegów cięcia:

a) Cięcie na prasach za pomocą wykrojników. Przedmiot wykonywany jest w czasie jednego skoku prasy za pomocą narzędzi tnących (stempli i płyty tnącej), których zarys odpowiada żądanej linii cięcia. Do każdego kształtu przedmiotu konieczne jest wykonanie specjalnego wykrojnika.

b) Cięcie na specjalnych maszynach, bez zmiany elementów tnących, żądany kształt przedmiotu uzyskuje się przez odpowiednie przesuwanie materiału w czasie cięcia. Do takich maszyn należą: nożyce gilotynowe, przeznaczone do cięcia arkuszy blach na pasy, nożyce do ciecia prętów i kształtowników na odcinki odpowiedniej długości, nożyce skokowe, zaopatrzone w krótkie noże wykonujące krótkie, lecz bardzo szybkie ruchy oraz dziurkarki, służące do wykrawania otworów na śruby lub nity.

c) Cięcie na nożycach krążkowych. Materiał zostaje rozcięty przechodząc między dwoma krążkami, których ostre krawędzie tnące zachodzą nieco na siebie. Krążki mące obracają się w przeciwnych kierunkach.

Gięcie

Podczas gięcia następuje trwała zmiana krzywizn przedmiotu obrabianego. Jeżeli w wyniku gięcia otrzymamy przedmiot zakrzywiony, to mówimy o wyginaniu, jeżeli natomiast gięcie powoduje wyprostowanie zakrzywionego przedmiotu, zachodzi prostowanie. Odmianą wyginania jest zwijanie, polegające na zakrzywianiu blachy w kształt rury.

Sposoby gięcia są następujące:

a) Gięcie na prasach za pomocą tłoczników. Materiał jest wyginany między odpowiednio ukształtowanymi powierzchniami matrycy i stempla, który w czasie ruchu roboczego prasy zbliża się do matrycy.

b) Gięcie na prasach krawędziowych (krawędziarkach), umożliwiające gięcie wzdłużne długich pasów. W ten sposób można wyginać blachę w kształtki o dowolnym zarysie.                                                                      

c) Owijanie na wzorniku (szablonie). Materiał owija się stopniowo na wzorniku, którego kształt odpowiada wymaganemu zarysowi części. Dociskanie materiału do wzornika odbywa się za pomocą wałeczków lub klocków ślizgowych. Przy owijaniu stosuje się czasem jednoczesne rozciąganie nawijanego pasa materiajtu.

d) Gięcie na walcach polega na przepuszczeniu arkusza blachy, taśmy, pręta lub drutu między walcami (najczęściej trzema) o osiach równoległych. Przy odpowiednim ustawieniu osi walców uzyskuje się wymagane zakrzywienie wychodzącego materiału.

e) Kształtowanie taśm krążkami polega na wzdłużnym gięciu taśmy między parami krążków, ustawionymi kolejno jedna za drugą. Między każdą parą krążków następuje częściowe wygięcie taśmy zgodnie z zarysem krążków. Metoda ta pozwala wyrabiać kształtowniki o dowolnym zarysie i znacznej długości.

Wytłaczanie i przetłaczanie

Wytłaczanie jest zabiegiem, podczas którego materiał wyjściowy w postaci płytki przekształca się w przedmiot o kształcie naczynia, tzw. wytłoczkę. Sposoby wytłaczania są następujące:

a) Wytłaczanie bez dociskania polega na przepychaniu materiału wyjściowego za pomocą stempla ciągowego przez zwężający się otwór pierścienia ciągowego. Obrzeże materiału wystające poza powierzchnię stempla odgina się i zmniejsza swą średnicę, tworząc boczne ścianki naczynia (6a).

b) Wytłaczanie z dociskaniem. Aby uniknąć fałdowania się kołnierza przy wytłaczaniu stosunkowo cienkich materiałów, dociska się blachę do powierzchni pierścienia ciągowego za pomocą specjalnego dociskacza (rys. 6c).

Rys. 6. Sposoby wytłaczania

Nacisk dociskacza uzyskuje się bądź za pomocą sprężyn (przy prasach pojedynczego działania), bądź też układu krzywkowego lub kolankowego (przy prasach podwójnego działania).

XIX-m/19. Parowo-powietrzny młot matrycowy typu MPM 1000A (producent Huta „Zygmunt"). Ciężar części spadającej 1000 kG. XIX-m/22. Ogólny widok pionowej prasy hydraulicznej potrójnego działania.

Maszyny do obróbki plastycznej.

Do obróbki plastycznej stosuje się różnego rodzaju maszyny, które ze względu na rodzaj ruchu roboczego można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

a) maszyny o ruchu prostoliniowo-zwrotnym, obejmujące mioty, prasy mechaniczne i prasy hydrauliczne,

b) maszyny o obrotowym ruchu roboczym, do których należą przede wszystkim wszelkiego rodzaju urządzenia do walcowania.

l. Młoty

Plastyczne odkształcenie metalu uzyskuje się na miotach kosztem energii kinetycznej spadającego bijaka miota. Zależnie od przeznaczenia rozróżnia się: młoty do kucia swobodnego, mioty do kucia matrycowego i mioty do tłoczenia blach. Zależnie od sposobu unoszenia bijaka i sposobu napędu rozróżniamy:

a) Młoty deskowe (rys. 7a), w których unoszenie bijaka odbywa się za pośrednictwem drewnianej deski osadzonej w bijaku i przechodzącej pomiędzy dwoma napędzającymi walcami.

b) Mioty linowe (rys. 7b), w których bijak jest podnoszony za pomocą liny owiniętej na bębnie napędzanym przez silnik. Według takiej samej zasady działania pracują mioty pasowe (rys. 7c).

c) Mioty sprężynowe (rys. 7d), w których bijak miota jest napędzany od mimośrodu za pośrednictwem sprężystej dźwigni.

d) Mioty sprężarkowe (rys. 7e). Elementem sprężystym ]est w tym przypadku powietrze zawarte pomiędzy tłokiem bijaka miota i tłokiem sprężarki. Regulację siły uderzeń miota uzyskuje się przez dławienie przepływającego powietrza.

Rys. 7. Rodzaje młotów i ich elementy: B—bijak, P—prowadnice bijaka. K— kowadło,

Sz – szabota, 1—deska, 2—walce cierne, 3—lina, 4—chwyt, 5—pas, S—krążek dociskowy, 7 — sprężyna resorowa, 8 — napęd mimośrodowy, 9 — tłok bijaka, 10 — tłok sprężarki, 11—korbowód

e) Młoty parowo-powietrzne, napędzane parą lub sprężonym powietrzem. Ciśnienie pary lub powietrza może być wykorzystywane tylko do podnoszenia bijaka (w młotach o jednostronnym działaniu pary) lub także do nadania bijakowi większej szybkości spadania, gdy para działa w czasie ruchu roboczego na górną powierzchnię tłoka (w młotach o dwustronnym działaniu pary).

2. Prasy mechaniczne i hydrauliczne

W zależności od układu kinematycznego prasy mechaniczne dzielą się na następujące rodzaje: dźwigniowe, krzywkowe, zębatkowe, korbowe i mimosrodowe, kolanowe oraz śrubowe (rys. 8). Najczęściej buduje się prasy korbowe i mimosrodowe.

Rys 8. Rodzaje napędów pras mechanicznych: a) dźwigniowy, b) krzywkowy, c) zębatkowy, d) korbowy, e) kolanowy, f) śrubowy

Zależnie od przeznaczenia rozróżnia się prasy uniwersalne, na których można wykonywać różnorodne zabiegi tłoczenia, oraz prasy specjalne, przeznaczone do pewnych tylko operacji lub do produkcji określonych wyrobów. Spośród pras specjalnych największe znaczenie zyskały :

a) Kuźniarki (rys. 9) — poziome prasy korbowe zaopatrzone w dodatkowe urządzenie do zaciskania obrabianych prętów. Służą one do kucia przedmiotów z prętów głównie przez

spęczanie.

b) Prasy ...