Wytwarzanie części metodą obróbki plastycznej. Pomiar twardości po wykonaniu niektórych operacji metodą obróbki plastycznej.

Obróbka plastyczna nazywana jest też przeróbką plastyczną albo obróbką bezwiórową, czyli praktycznie bezodpadową. Charakteryzuje się tym, że w jej trakcie zmienia się kształt obrabianego przedmiotu, natomiast ilość zawartego w nim materiału pozostaje bez zmian. Podstawowym warunkiem przy tym jest, aby przemieszczenia te przebiegały bez naruszenia całości metali i spójności pomiędzy jego poszczególnymi cząstkami.

Celem wszystkich procesów przeróbki plastycznej jest wytworzenie wyrobu o:

v  odpowiednim kształcie i wymiarach,

v  żądanych własnościach mechanicznych,

v  wysokiej jakości i klasie wykonania,

v  zdolnego do dalszego przerobu.

Obróbka plastyczna jest coraz częściej stosowana w procesach wytwarzania różnych części maszyn. Wynika to z takich jej zalet, jak:

v  bardzo duża wydajność,

v  tworzenie się struktury włóknistej w materiale obrabianych, przedmiotów, korzystnie

v  wpływającej na ich własności mechaniczne,

v  znaczna oszczędność materiału w porównaniu z obróbką wiórową

Metodą tą formuje się przedmioty wykonane z metali lub tworzyw sztucznych. Prócz zyskiwania nowego kształtu niektóre materiały na skutek zastosowania odpowiednich rodzajów obróbki plastycznej zmieniają także swoje właściwości mechaniczne (np. twardość, wytrzymałość). Technologia obróbki plastycznej była już znana 3000 lat przed naszą erą. Obecnie jest uważana za jedną z ważniejszych technologii obróbki metali.

            Działanie sił na przedmioty metalowe powoduje ich odkształcania. Do pewnej wartości nacisku przedmiot po ustaniu działania siły powraca do swego pierwotnego kształtu. Mamy więc do czynienie z tak zwanymi odkształceniami sprężystymi. Gdy obciążenie przekroju prostopadłego do kierunku działającej siły przekroczy pewną wartość, powrót do poprzedniego kształtu nie następuje. Mówimy wówczas, że zostaje przekroczona granica plastyczności.

            W trakcie obróbki plastycznej stosuje się naciski przekraczające granicę plastyczności dla uzyskania pożądanych trwałych odkształceń materiału. Jednak jego naturalna sprężystość nie ulega przy tym likwidacji. Po ustaniu nacisku odkształcenia zawsze okazują się mniejsze, niż podczas jego trwania. Innym komplikującym obróbkę zjawiskiem jest niejednorodność odkształceń, którą należy wcześniej przewidywać i na podstawie obliczeń korygować.

            Podczas obróbki występują także zmiany ogólnej objętości przetwarzanego materiału, związane z przekształceniem się jego wewn. struktury krystalograficznej. W praktyce mają one jednak znacznie większy wpływ na wytrzymałość niż kształt wyrobu. Dlatego przedmioty kute, walcowane i dogniatane mają zawsze większą wytrzymałość niż odlewane z takiej samej masy identycznego materiały. Istotne ze względów wytrzymałościowych są również naprężenia wewnętrzne, powstające nieuchronnie podczas odkształceń plastycznych.

Do podstawowych metod obróbki plastycznej należą:

v  Walcowanie

v  Kucie

v  Dogniatanie powierzchniowe

v  Tłoczenie

v  Ciągnięcie

Według zasięgu odkształcenia obróbki plastycznej wyróżniamy:

a) kształtowanie powierzchniowe (zasięg odkształcenia ogranicza się do powierzchni

przedmiotu bez zmiany jego zasadniczego kształtu - walcowanie gwintów, wybijanie

monet),

b) kształtowanie materiału jako bryły (obejmuje swym zasięgiem cały przedmiot przy

zmianie jego kształtów – walcowanie blach i prętów, kucie, przeciąganie drutów),

c) kształtowanie powłok (ma miejsce, gdy grubość przedmiotu jest bardzo mała w

stosunku do innych jego wymiarów – gięcie, wywijanie i wytłaczanie blach,

przeciąganie rur).

W dalszej części swojej pracy postaram się przedstawić najbardziej powszechne metody obróbki plastycznej.

Kucie

Jest to najstarszy rodzaj obróbki plastycznej i wciąż w wielu przypadkach niezastąpiony. Kucie polega na szybkim, udarowym zgniataniu materiału między dwoma twardymi powierzchniami roboczymi. Obróbkę tę można prowadzić na zimno i na gorąco, czyli po wstępnym podgrzaniu w wypadku stali do temp. 1100  do 1300 stopni C.

Na efekt kucia na gorąco wpływa nie tylko temperatura wstępnego podgrzania, ale i czas jej uzyskiwania, który musi być na tyle długi, aby zniwelować różnicę temperatur między zewnętrznymi i wewnętrznymi warstwami materiału.

W zależności od metody kształtowania obrabianego przedmiotu rozróżnia się:

− kucie swobodne,
podczas którego wyrób jest kształtowany przez zgniatanie kowadłami nie ograniczającymi przesuwania się materiału w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ich ruchu; kucie takie jest stosowane głównie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej;

− kucie matrycowe,
podczas którego swobodne przesuwanie się materiału jest ograniczone ściankami wykroju matrycy; kucie takie jest stosowane w produkcji wielkoseryjnej i masowej

Kucie swobodne stosuje się w szczególności dla następujących przypadków:

• przy produkcji jednostkowej, gdzie wykonywanie matryc jest nieopłacalne;
• przy wykonywaniu odkuwek, których masa i wymiary przekraczają możliwości produkcyjne najcięższych dysponowanych zespołów matrycowych;
• przy wstępnej obróbce plastycznej wlewków ze stali stopowych lub stopów o specjalnych własnościach na kęsiska i kęsy kute;
• przy wykonywaniu części zamiennych i do celów remontowych;
• przy szeroko pojętej regeneracji narzędzi i sprzętu warsztatowego

Formowanie przez kucie wymaga od wykonawcy wielkiej wprawy, a mimo to przy odkuwaniu precyzyjnych detali może pełnić wyłącznie rolę obróbki wstępnej.

Przy pomocy kucia swobodnego można dokonywać następujących odkształceń obrabianego przedmiotu:

·         cięcia

·         spęczania (czyli zwiększania grubości)

·         wydłużania

·         przebijania otworów

·         żłobienia rowków i zagłębień

Cięcie jest to proces technologiczny stosowany najczęściej w obróbce materiałów metalowych polegający na wytworzeniu takiego stanu naprężenia w żądanym miejscu aby nastąpiło w nim pęknięcie obrabianego materiału, poprzedzone zazwyczaj odkształceniem plastycznym.

Wyróżniamy następujące rodzaje cięć:

·         cięcie za pomocą dwóch krawędzi tnących np. stempla i matrycy, które zbliżając się do siebie powodują przecięcie obrabianego materiału

• cięcie cienkiej warstwy metalu jedna krawędzią tnącą np. przy okrawaniu odkuwek wygładzaniu
• cięcie gumą przy którym blachę dociska się do wzornika (szablonu) o ostrych krawędziach ciśnieniem wywieranym przez warstwę gumy. Następuje odgięcie obrzeża wystającego poza krawędź wzornika i urwanie się materiału na krawędzi
• cięcie nożowe; zagłębienie się noża w materiale spoczywającym na miękkim podłożu (tnie się w ten sposób takie materiały jak skóra, filc itp.)
• przebijanie otworów; któremu towarzyszy wywinięcie pękniętego brzegu
• cięcie metodami spawalniczymi: za pomocą spawarki elektrycznej lub palnika gazowego

Sposoby przeprowadzania cięcia:

·         cięcie na prasach za pomocą wykrojników

• cięcie na specjalnych maszynach, bez zmiany elementów tnących. Takie maszyny to np. nożyce gilotynowe, dziurkarki itp.
• cięcie na nożycach krążkowych

Warto również wspomnieć o kuciu matrycowym.
Polega na kształtowaniu wyrobu w matrycy. Dolna część matrycy spoczywa na nieruchomej części młota mechanicznego, zwanej szabotą. Górna część matrycy, umocowana w ruchomej części młota, zwanej bijakiem może podnosić się ku górze. Jeżeli w czasie pracy młota zostanie w obszarze wykroju dolnej części matrycy umieszczony nagrzany materiał, to uderzenie górnej części matrycy spowoduje wypełnienie wykroju matrycy materiałem. Powstaje wówczas produkt zwany odkuwką.
Kucie matrycowe ma zastosowanie do wyrobu odkuwek o ciężarze nieprzekraczającym kilkuset kilogramów. Zaletami procesu kucia matrycowego są: niewielki czas wykonania wyrobu, możliwość produkowania odkuwek o skomplikowanych kształtach.

Tłoczenie

Tłoczenie to proces, który obejmuje szereg różnorodnych procesów obróbki plastycznej realizowanych głównie na zimno i stosowanych do rozdzielania, kształtowania i łączenia materiałów w postaci blach, folii i płyt.
Tłoczenie przeprowadza się za pomocą przyrządów zwanych tłocznikami, przeważnie na prasach mechanicznych lub hydraulicznych. Ponieważ jeden z wymiarów (grubość) półwyrobu jest istotnie mniejszy od dwóch pozostałych - stan naprężenia (poza pewnymi wyjątkami) można uważać za płaski.
Procesy tłoczenia, podczas których nie dochodzi do rozdzielania materiału stanowią oddzielną grupę (tzw. tłoczenie - kształtowanie).

Materiał podczas obróbki zachowuje się podobnie, jak gęsta ciecz: dopasowuje się do kształtów naczynia tworzonego miedzy roboczymi powierzchniami formującymi.

Metoda ta jest powszechnie stosowana w przemyśle samochodowym, szczególnie przy wytwarzaniu nadwozi oraz wszelkich innych detali o cienkościennej konstrukcji.

Zalety tej metody to:

·         szybkość obróbki

·         możliwość uzyskania części jednolitych o złożonych kształtach

·         precyzja, lekkość i wytrzymałość wykonania

·         minimalna ilość odpadów powst. przy produkcji

Wadą jest bardzo wysoki koszt oprzyrządowania, znajdujący uzasadnienie tylko w warunkach produkcji wielkoseryjnej.

Walcowanie

Walcowanie polega na kształtowaniu materiału między obracającymi się walcami, tarczami, rolkami lub przemieszczającymi się względem siebie narzędziami płaskimi.

Sposoby walcowania:

·         wzdłużne

• poprzeczne
• poprzeczno-klinowe
• pielgrzymowe
• kuźnicze
• skośnie

W wyniku walcowania półwyrobów otrzymuje się wyroby walcownicze. Podstawowymi wyrobami walcowniczymi są:

• pręty: okrągłe, kwadratowe, prostokątne, półokrągłe, półeliptyczne, sześciokątne, ośmiokątne oraz do zbrojenia betonu itp.,
• kształtowniki: kątowniki, teowniki, ceowniki, dwuteowniki, zetowniki, szyny kolejowe oraz tramwajowe itp.,
• blachy grube (wysokość > 4,75 mm) i cienkie (wysokość≤4,75 mm),
• taśmy, które mają prostokątny przekrój poprzeczny o wymiarach: szerokość ≤150 mm, wysokość ≤4 mm,

·         rury

Inny podział ze względu na temperaturę walcowanego materiału:

·         walcowanie na zimno

• walcowanie na gorąco
• walcowanie na ciepło

Proces walcowania odbywa się w urządzeniach zwanych walcarkami.
Są to maszyny do obróbki plastycznej metodą walcowania wsadu na półfabrykat lub wyrób ostateczny. Walcarka składa się z klatki roboczej i elementów napędowych przenoszących ruch obrotowy od silnika na walce oraz elementów mocujących je do fundamentów.
W przemyśle stosuje się wiele typów tych urządzeń, różniących się znacznie między sobą. Różnice te jednak nie dotyczą charakteru pracy i zasady działania głównych elementów roboczych. Podstawowymi elementami konstrukcyjnymi decydującymi o przebiegu procesu są walce zależnie od rodzaju walcowania mogą mieć różne kształty i wymiary.

Ciągnięcie

Ciągnięcie jest jednym z procesów technologicznych przeróbki plastycznej na zimno, stosowanym dla zmiany przekroju poprzecznego lub kształtu wyrobów uprzednio przerobionych plastycznie na gorąco. Ten sposób przeróbki plastycznej znajduje zastosowanie do rur, prętów, kształtowników, przede wszystkim zaś do drutów.

Proces ciągnienia przeprowadza się na specjalnych maszynach, zwanych ciągarkami, składających się z ciągadła oraz mechanizmu ciągnącego.

Na ciągnięcie składa się:
Wyciąganie

Wyciąganie nazywa się obróbkę plastyczną metali w stanie zimnym za pomocą ciągnienia, zwanego również przeciąganiem. Polega ono na ciągnieniu przez ciągadło materiałów  otrzymanych za pomocą uprzedniego walcowania na gorąco. Wskutek ciągnienia materiał  przeciska się przez otwór ciągadła. Rezultatem takiej operacji jest zmniejszenie się jego przekroju poprzecznego z  jednoczesnym wzrostem długości.

W procesach tłoczenia ciągnieniem nazywamy głębokie kształtowanie wyrobu. Roz­różnia się dwie podstawowe operacje ciągnienia - wytłaczanie i przetłaczanie. Operacją wy­kańczającą po ciągnieniu jest dotłaczanie.

Wytłaczanie

Podczas wytłaczania z płaskiego krążka pod działaniem stempla tworzy się miseczka odpowiadająca  kształtem kształtowi stempla. Podczas wytłaczania miseczki  z blachy cienkiej należy stosować urządzenie przytrzymują­ce, które uniemożliwia powstawania fałd. Do chwili ostatecznego ukształtowania miseczki dociskacz  dociska blachę do powierzchni matrycy i zapobiega uno­szeniu się obrzeży krążka oraz jego pofałdowaniu.

Aby zmniejszyć liczbę operacji ciągnienia  podczas wytłaczania, staramy się otrzy­mać miseczkę o stosunkowo dużej wyso­kości i o małej średnicy denka.

Miseczki z blach grubych można wytłaczać w matrycach bez dociskacza. Kształt ma­trycy jest tak dobrany, że przez cały czas wytłaczania obrzeże tworzącej się mi­seczki przylega do matrycy. Nacisk materiału na matrycę zmniejsza w znacznym stopniu  skłonność blachy do fałdowania się. Wytłaczaną miseczkę poddaje się operacji przetłaczania.  Stosuje się ciągowniki z dociskaczem zapobiegającym tworzeniu się fałd. W przy­padku przedstawionym na rysunku zmianie ulega średnica miseczki i jej wysokość, nie następu­je natomiast zmiana grubości ścianki.

Dotłaczanie

Po operacjach przetłaczania wyrób o kształcie zbliżonym do ostatecznego poddaje się operacji końco­wej, zwanej dotłaczaniem. Ma ono na celu otrzymanie ostatecznego kształtu wyrobu, dokładnych wymiarów oraz odpowiednio gładkiej powierzchni. Powierzchnie robocze narzędzi do dotłaczania mają wymiary ściśle odpowiadające wymiarom gotowego wyrobu.

Ciągadło składa się czterech podstawowych części :

§  stożka smarującego, który ma doprowadzić odpowiednią ilość smaru do części roboczej ciągadła;

§  stożka roboczego, w którym odbywa się całe odkształcenie materiału;

§  pierścienia kalibrującego, który nadaje przeciąganemu materiałowi żądany wymiar;

§  stożka wyjściowego.

Podsumowując do podstawowych maszyn do obróbki plastycznej należą:

·         ciągarki

·         giętarki

·         kowarki

·         kuźniarki

·         młoty mechaniczne

·         obciągarki

·         prasy

·         prostownice rolkowe

·         walcarki

·         wyoblarki

·         zaginarki

·         zgniatarki obrotowe

·         zwijarki

·         żłobiarki

Parametry charakterystyczne maszyn do obróbki plastycznej.

Parametry maszyn określają „możliwości technologiczne” w odniesieniu do obciążenia, pracy użytecznej, kinematyki, przestrzeni roboczej itp. Wielkościami tymi, które charakteryzują maszyny do obróbki plastycznej są:

v  Nacisk nominalny P_nom [N lub MN] maszyny, tj. największy nacisk dozwolony w normalnych warunkach eksploatacji, jaki może być wywierany przez suwak prasy na materiał obrabiany bez obawy jej przeciążenia wytrzymałościowego.
Najczęściej suwak prasy wywiera nacisk nominalny tylko na pewnym odcinku skoku s, zawsze P_nom >_P_max. Parametr ten jest charakterystyczny dla maszyn zwłaszcza z napędem hydraulicznym.

v  Praca użyteczna W_uż [Nm] maszyny, tj. taka, którą można uzyskać w jednym skoku suwaka, odpowiadająca pracy tłoczenia, bez obawy przeciążenia źródła energii np. silnika elektrycznego. Ten parametr jest szczególnie typowy dla młotów i pras śrubowych i w mniejszym stopniu dla pras korbowych.

v  Skok s [mm] suwaka lub bijaka, tj. skok określający drogę narzędzia między jego górnym i dolnym zwrotnym położeniem. Łączny skok suwaka jest sumą, dobiegu skoku roboczego i niekiedy wybiegu.

v  Liczba skoków n suwaka (bijaka) na minutę, tj. liczba określająca wydajność
maszyny. Łącznie długość skoku i liczba skoków stanowią wskaźnik kinematyki
maszyny.

v  Wymiary przestrzeni roboczej maszyny jak: wymiar stołu AxB, suwaka A1xB1,
odległość pomiędzy prowadnicami lub wysięg W, odległość D suwaka od stół w jego
dolnym zwrotnym położeniu i inne określające wymiary przestrzeni pod zabudowę
tłoczników, matryc

Po wykonaniu obróbki plastycznej warto pamiętać o wykonaniu pomiaru twardości. Twardość jest jedną z tych właściwości, których nie można jednoznacznie zdefiniować w oparciu o znane wielkości fizyczne. W praktyce przez twardość rozumie się odporność na odkształcanie plastyczne przy oddziaływaniu skupionego nacisku w postaci ściśle określonego wgłębnika.

Można wyróżnić następujące metody badań twardości:

ü  metoda ryskowa

ü  metody statyczne

ü  metody dynamiczne

Metoda ryskowa. Jest jedna z najstarszych metod i polega na przyrównywaniu twardości badanego materiału do twardości wybranych minerałów. Zaproponowana została przez Mohsa, który wybranym minerałom przyporządkował kolejne liczby od 1 do 10. Tworzą one skale twardości minerałów. O tym który minerał reprezentuje większa twardość decyduje możliwość jego zarysowania. Na przykład kwarc zarysowuje ortoklaz,
natomiast jest zarysowywany przez topaz i stad jego miejsce w skali Mohsa jest miedzy tymi
dwoma minerałami.

Metody statyczne. W metodach tych twardość materiału określa sie w zależności od wartości siły obciążającej wgłębnik i wielkości odkształcenia trwałego wywołanego działaniem tej siły. Do najbardziej rozpowszechnionych metod statycznych zalicza się metody: Brinella, Rockwella i Vickersa. Wybór metody zależy od twardości badanego materiału oraz od grubości badanego elementu lub badanej warstwy.

Metody dynamiczne. Dynamiczne pomiary twardości wykonywane są znacznie rzadziej niż statyczne. Bezpośrednią przyczyna takiej sytuacji jest ich mniejsza dokładność. Wykorzystuje sie je przeważnie dla celów kontroli pracy i jakości materiałów. Dynamiczny pomiar twardości polega na udarowym działaniu wgłębnika na badana powierzchnie. Wyróżnić tu można metodę Shore’a oraz metodę porównawcza za pomocą młotka Poldi’ego.

Podczas prac związanych z obróbką cieplną należy przestrzegać zasad BHP.
Oto ogólne wymagania BHP dotyczące parku maszynowego do obróbki plastycznej:

• określenie przez pracodawcę zasad i kryteriów doboru oprzyrządowania i wyposażenia ochronnego,
• montaż i eksploatacja maszyn w miejscu pracy powinno być zgodna z dokumentacją techniczno-ruchową lub instrukcją obsługi,
• dostęp do wyposażenia elektrycznego maszyn powinien być uniemożliwiony przez zastosowanie środków wymagających użycia specjalnych narzędzi (np. klucza), który powinien być w dyspozycji osób upoważnionych przez pracodawcę, posiadających odpowiednie kwalifikacje.
• obudowy wyposażenia elektrycznego powinny zapewnić wymagany stopień ochrony przed wnikaniem pyłów i cieczy (IP54 wg PN-EN 60529).
• skrzynka (obudowa) wyposażenia elektrycznego powinna być oznakowana znakiem „błyskawicy”, a elementy wyposażenia elektrycznego powinny być odpowiednio oznakowane. Schemat wyposażenia elektrycznego powinien być umieszczony wewnątrz obudowy lub niezwłocznie dostępny. Każda maszyna powinna mieć aktualne badania ochrony przeciw porażeniowej. W protokole z tych badań powinna być określona data następnego badania.
• prowadzenie naprawy, oczyszczania i regulacji elementów maszyn powinno się odbywać po ich zatrzymaniu,
• oznakowanie stref niebezpiecznych maszyny barwami i znakami bezpieczeństwa,
• sprawdzenie przed przystąpieniem do pracy funkcjonowanie urządzeń ochronnych zainstalowanych na maszynie,
• naprawy maszyn powinny być dokonywane wyłącznie przez osoby upoważnione przez pracodawcę i posiadające odpowiednie kwalifikacje,
• nie dopuszczalne jest samodzielne naprawianie uszkodzeń w maszynach, a w przypadku zauważenia usterki lub nieprawidłowego funkcjonowania maszyny należy postępować zgodnie z instrukcją bhp lub fakt ten natychmiast zgłosić przełożonemu.