L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Strona
3 - 1
3
Ciągnienie wytłoczek
cylindrycznych
Adam Leśniewicz
Cel ćwiczenia:
o
zapoznanie z procesem kształtowania, podczas któ-
rego następuje przekształcenie płaskiego półwyrobu
w powłokę trójwymiarową o powierzchni nierozwijal-
nej czyli wytłoczkę,
o
wyznaczenie dopuszczalnego przeformowania, ko-
nieczności zastosowania dociskacza, sił wytłaczania i
docisku,
o
nabycie umiejętności obliczania wartości parame-
trów, niezbędnych do:
−
projektowania procesu technologicznego wytła-
czania,
−
konstruowania tłoczników do wytłaczania.
L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Ć
WICZENIE
3
Strona
3 - 2
Wykaz oznaczeń:
d
mm d = d
s
+ g średnica walcowej części wytłoczki mierzona
pośrodku grubości ścianek
d
w
mm d
w
= d – 2r
h
mm wysokość gotowej wytłoczki
h
c
mm całkowita wysokość gotowej wytłoczki
g
mm początkowa grubość blachy
r
mm promień zaokrąglenia dna wytłoczki
a
mm naddatek na okrawanie
D
mm średnica krążka wyjściowego
m
m=1/β współczynnik ciągnienia
β
β = D/d wskaźnik wytłaczania
m
c
całkowity współczynnik ciągnienia
r
s
mm promień zaokrąglenia krawędzi stempla
r
m
mm promień zaokrąglenia krawędzi ciągowej matrycy
d
s
mm średnica stempla
d
m
mm średnica matrycy
q
MPa nacisk jednostkowy zależny od materiału i jego grubości
z, z
gr
%
zgniot, zgniot graniczny
R
r
MPa wytrzymałość odkształcanego materiału na rozciąganie
R
t
MPa wytrzymałość materiału na cięcie
α
kąt pochylenia stycznej do zarysu powłoki w punkcie le-
żącym na średnicy d
F
doc
N
powierzchnia, na którą działa dociskacz
P
kmax
N
maksymalny nacisk stempla występujący w czasie od-
kształcania kołnierza
P
kpl
N
nacisk stempla potrzebny do uplastycznienia kołnierza
P
zr
N
siła powodująca oderwanie denka wytłoczki
P
doc
N
siła wywierana przez dociskacz na materiał
n
kpl
n
kpl
= P
kpl
/ (d · g · R
r
·cos α) wskaźnik siły osiowej po-
trzebnej do zapoczątkowania płynięcia kołnierza (bez
uwzględnienia wpływu dociskacza)
n
kdoc
wzrost wskaźnika siły osiowej spowodowany działaniem
dociskacza
n
kmax
n
kmax
= P
kmax
/ (d · g · Rr) wskaźnik siły osiowej odpowia-
C
IĄGNIENIE WYTŁOCZEK CYLINDRYCZNYCH
Strona
3 - 3
dający maksymalnej wartości siły
n
numer kolejnej operacji procesu ciągnienia
3.1 Wiadomości podstawowe
Kształtowanie - to procesy tłoczenia, podczas których nie do-
chodzi do rozdzielenia materiału.
Typowe operacje kształtowania na prasach wytłoczek o po-
wierzchniach nierozwijalnych to:
wytłaczanie – stosowane do przekształcenia płaskiego
półwyrobu w powłokę trójwymiarową czyli wytłoczkę o
powierzchni nierozwijalnej, moŜe być realizowane z za-
stosowaniem dociskacza lub bez niego,
przetłaczanie – stosowane w celu zmniejszenia średnicy
walcowej ścianki uprzednio uzyskanej wytłoczki w ope-
racji wytłaczania (wytłoczka jest osiowo rozciągana),
wywijanie – płaskie obrzeŜe wyciętego uprzednio otworu
zostaje przekształcone w walcowy kołnierz.
ciągnienie wytłoczek – jest to proces wytłaczania połą-
czony z procesem przetłaczania.
W procesie ciągnienia wytłoczki cylindrycznej płaskie obrzeŜe
wykrojki pod działaniem stempla ulega uplastycznieniu i stop-
niowo przemieszcza się w głąb płyty ciągowej, przekształcając
je w walcową ściankę.
a)
b)
c)
Rysunek 3.1.1 Przebieg procesu wytłaczania z dociskaczem wytłoczki
cylindrycznej
L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Ć
WICZENIE
3
Strona
3 - 4
Podczas wytłaczania w wytłoczce panuje złoŜony, zróŜnicowany
stan napręŜenia (rysunek 3.1.2):
a)
w kołnierzu występują promieniowe napręŜenia rozcią-
gające i obwodowe napręŜenia ściskające,
b)
w dolnej odkształconej części walcowej stan jednoosio-
wego rozciągania,
c)
w dnie wytłoczki dwuosiowe napręŜenie rozciągające.
Rysunek 3.1.2 Stan napr
ęż
e
ń
w wytłoczce w trakcie procesu odkształ-
cania
3.2 Projektowanie procesu cią-
gnienia
Celem projektowania procesu ciągnienia wytłoczek kołowo-
symetrycznych jest sprawdzenie czy wykonanie danej wytłoczki
jest moŜliwe w operacji wytłaczania czy naleŜy poddać ją kolej-
nym operacjom przetłaczania.
Wyznaczenie średnicy krążka wyjściowego D
....
Na początku projektowania wylicza się średnicę krąŜka wyj-
ściowego
D
jako pierwszego półwyrobu do dalszych operacji.
Dla prostego kształtu walcowego z zaokrągleniem przy dnie
(miseczka bez kołnierza, rysunek 3.2.1, moŜna zastosować
wzór:
C
IĄGNIENIE WYTŁOCZEK CYLINDRYCZNYCH
Strona
3 - 5
D
=
+ 4
d(h+a
) + 2
π
d
w
r
+ 8
r
2
(3.2.1)
W tabeli 3.2.1 podane są naddatki na okrawanie
a
miseczek
bez kołnierza.
Tablica 3.2.1 Naddatek na okrawanie (a) miseczek bez kołnierza [1]
wysokość
h
[mm]
20 25 50 75 90 100 125 150 > 150
naddatek
a
[mm]
2,0 2,5 3,5 4,5
5
6
7
8
5%
Rysunek 3.2.1 Wytłoczka cylindryczna bez kołnierza
Przebieg procesu ciągnienia wytłoczek cylindrycznych bez koł-
nierza
Proces ciągnienia powinien być przeprowadzony w taki sposób,
aby nie wystąpiły wady wytłoczki, tzn. pękanie, fałdowanie,
oderwanie dna.
Rysunek 3.2.2 Wady wytłoczek
L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Ć
WICZENIE
3
Strona
3 - 6
Oderwanie dna wytłoczki
W celu uniknięcia pękania wytłoczki w czasie wytłaczania oraz
przetłaczania naleŜy zastosować współczynnik wytłaczania m
1
oraz współczynniki przetłaczania
m
2
, …,
m
n
większe od gra-
nicznych.
Dla pierwszej operacji współczynnik ten wynosi:
m
1
=
d
1
/D
(3.2.2)
Dla kolejnych operacji:
m
n
= d
n
/ d
n-1
(3.2.3)
(gdzie:
n
– kolejny numer operacji,
d
n
oraz
d
n-1
– średnice uzyskane w kolejnych opera-
cjach).
Tabela 3.2.2 Minimalne współczynniki ci
ą
gnienia dla wytłoczek bez koł-
nierza [4]
g/D
×
100
2÷1
1÷0,3
0,3÷0,08
m
1
=
d
1
/D
0,48÷0,53
0,53÷0,58
0,58÷0,63
m
2
= d
2
/d
1
0,73÷0,76
0,76÷0,79
0,79÷0,82
m
3
= d
3
/d
2
0,76÷0,79
0,79÷0,81
0,81÷0,84
m
4
= d
4
/d
3
0,78÷0,81
0,81÷0,83
0,83÷0,86
m
5
= d
5
/d
4
0,80÷0,84
0,84÷0,86
0,86÷0,88
Do wyliczenia, ile operacji naleŜy wykonać trzeba zastosować
wzór na całkowity współczynnik ciągnienia, który wynosi:
m
c
=
d / D
(3.2.4)
m
c
=
m
1
·
×
m
2
×
m
3
×
…m
n
(3.2.5)
W przypadku, gdy stosunek
d / D
nie pokrywa się z iloczynem
m
1
·
×
m
2
×
m
3
×
…m
n
współczynniki naleŜy skorygować.
Pęknięcia wytłoczki
Aby uniknąć pękania wytłoczki naleŜy równieŜ stosować odpo-
wiedni promień krawędzi ciągowej
r
m
i stempla
r
s
. Przy wytła-
czaniu przyjmuje się promień
r
m
= (5÷10)
g
, a promień
r
s
>
C
IĄGNIENIE WYTŁOCZEK CYLINDRYCZNYCH
Strona
3 - 7
(4÷6)
g
. Przy przetłaczaniu promienie te moŜna zmniejszyć o
10÷30%.
Fałdowanie kołnierza
W celu zapobiegania fałdowaniu kołnierza podczas wytłaczania
przy
g
< 0,015
D
naleŜy zastosować dociskacz. W przypadku,
gdy
g
> 0,02
D
fałdowanie nie występuje i moŜna stosować wy-
tłaczania swobodne. Dla 0,015
D
<
g
< 0,02
D
moŜliwe jest wy-
tłaczanie zarówno swobodne jak i z dociskaczem. ZaleŜy to od
współczynnika wytłaczania m
1
oraz od rodzaju materiału. Im
mniejszy współczynnik oraz im bardziej miękki materiał tym
większe prawdopodobieństwo pofałdowania.
Przy przetłaczaniu naleŜy zastosować dociskacz, gdy
g
< 0,01
d
n-1
(gdzie
d
n-1
to średnica wytłoczki przed bieŜącą operacją
przetłaczania), natomiast dla
g
> 0,015
d
n-1
stosuje się przetła-
czanie swobodne. Dla 0,01
d
n-1
<
g
< 0,015
d
n-1
rodzaj przetła-
czania podobnie jak przy wytłaczaniu zaleŜy od wartości współ-
czynnika ciągnienia oraz od rodzaju materiału.
Rysunek 3.2.3 Proces wytłaczania z dociskaczem
W celu obliczenia siły dociskacza naleŜy posłuŜyć się poniŜszym
wzorem:
P
doc
=
F
doc
×
q
=
4
π
[
D
2
– (
d
m
+ 2
r
m
)
2
]
×
q
(3.2.6)
L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Ć
WICZENIE
3
Strona
3 - 8
Wartość nacisków jednostkowych
q
powinna być tym większa
im większa jest skłonność blachy do fałdowania.
Tablica 3.2.3 Warto
ś
ci jednostkowych nacisków dociskaczy [1]
Materiał
Nacisk
jednostkowy
q
[MPa]
Materiał
Nacisk
jednostkowy
q
[MPa]
Stal miękka
g
<1mm
2,5÷3,0
Miedź
1,2÷1,8
Stal miękka
g
>1mm
1,5÷2,5
Aluminium
0,8÷1,2
Mosiądz
1,5÷2,0
Brąz
2,0÷2,5
Wzdłużne pęknięcia brzegu
WzdłuŜne
WzdłuŜne
WzdłuŜne
WzdłuŜne pękanie moŜe
pękanie moŜe
pękanie moŜe
pękanie moŜe nastąpić
nastąpić
nastąpić
nastąpić na skutek utraty własności
plastycznych przez materiał, dlatego, aby pękanie to nie nastę-
powało powinien być spełniony poniŜszy warunek.
Dla operacji wytłaczania:
z
= (1 –
m
1
) 100% < z
gr
Dla kolejnych operacji przetłaczania:
z
= (1 –
m
1
·
×
m
2
×
m
3
×
…m
n
) 100% < z
gr
(3.2.8)
Tabela 3.2.4 Warto
ś
ci dopuszczalnego zgniotu granicznego z
gr
[4]
Materiał
z
gr.
[%]
Stal miękka
60÷70
Mosiądz
50÷70
Aluminium
60÷80
Miedź
60÷80
Nacisk stempla
Nacisk stempla potrzebny do zapoczątkowania plastycznego
płynięcia kołnierza wytłoczki wyrazić moŜna wzorem:
P
kpl
=
π
d
1
g
(
n
kpl
+ n
kdoc
)
R
r
cos
α
(3.2.9)
W miarę zmniejszania się średnicy kołnierza siła nacisku
stempla początkowo rośnie, osiągając
P
kmax
– wartość maksy-
C
IĄGNIENIE WYTŁOCZEK CYLINDRYCZNYCH
Strona
3 - 9
malną, a następnie maleje. Maksymalną wartość siły (przyjmu-
jąc
cos
α
= 1) określa wzór:
P
kmax
=
π
d
1
g
(
n
kmax
+ n
kdoc
)
R
r
(3.2.10)
Wartości wskaźników
n
kmax
,
n
kdoc
,
n
kpl
naleŜy odczytać z wykre-
su (rysunek 3.2.4).
Rysunek 3.2.4 Warto
ś
ci wska
ź
ników n
k
max
, n
k
doc
, n
k
pl
w funkcji D/d
L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Ć
WICZENIE
3
Strona
3 - 10
3.3 Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie realizowane jest w dwóch części:
⇒
doświadczalnej – w celu sprawdzania poprawności wzo-
rów i danych tablicowych operacji wytłaczania,
⇒
projektowej – w celu nabycia umiejętności projektowa-
nia procesu technologicznego i konstruowania tłoczni-
ków do wytłaczania.
Badania doświadczalne wytłaczania
Postępowanie przy realizacji ćwiczenia:
1.
Zmierzyć średnice i grubości otrzymanych krąŜków oraz
średnicę otworu matrycy.
2.
Obliczyć względną grubość blachy (
g
o
/
D
o
)• 100% i wybrać z
tabeli 3.2.2 wartości współczynników granicznych
m
1
.
Ob-
liczyć rzeczywiste współczynniki
m
1
=
d / D.
3.
Określić spodziewany wynik wytłaczania dla kaŜdego
krąŜka, niebezpieczeństwo zerwania dna wytłoczki lub fał-
dowania kołnierza.
4.
Obliczyć siłę dociskacza
P
d
oraz maksymalną siłę wytłacza-
nia
P
kmax
.
5.
Umieścić posmarowany krąŜek w przyrządzie i dokręcić
śruby dociskacza.
Rysunek 3.3.1 Tłocznik stosowany w
ć
wiczeniu
C
IĄGNIENIE WYTŁOCZEK CYLINDRYCZNYCH
Strona
3 - 11
6.
Przeprowadzić wytłaczanie na prasie hydraulicznej, zano-
tować maksymalną siłę wytłaczania.
7.
Postępując analogicznie do w/w punktów przeprowadzić
wytłaczanie wszystkich krąŜków.
8.
Opisać zaobserwowane zjawiska i wyciągnąć wnioski doty-
czące prób ciągnienia.
Projekt procesu technologicznego wytłoczki
Rys. 3.3.2 Program projektowania procesu technologicznego wytłoczek
Postępowanie przy realizacji ćwiczenia:
1.
Na podstawie otrzymanego rysunku tulei obliczyć średnicę
wykroju wstępnej.
2.
Obliczyć względną grubość blachy (
g
o
/
D
o
)• 100%, obliczyć
całkowity współczynnik ciągnienia
m
c
i wybrać z tabeli
3.2.2 wartości współczynników
m
1
–
m
5
.
3.
Określić ilość operacji, średnice
d
n
po przetłoczeniach, ko-
nieczność zastosowania dociskaczy i operacji wyŜarzania.
4.
Obliczyć siłę dociskacza
P
d
oraz maksymalną siłę wytłacza-
nia
P
kmax
.
L
ABORATORIUM
T
ECHNOLOGII
Ć
WICZENIE
3
Strona
3 - 12
5.
Porównać otrzymane wyniki z rezultatami obliczeń pro-
gramu komputerowego
Projekt procesu technologicznego
wytłoczki
.
Literatura
1.
Praca zbiorowa pod red. Sobolewskiego J.:
Projektowanie
technologii maszyn
Oficyna Wydawnicza PW, 2007, War-
szawa.
2.
Marciniak Z.,
Konstrukcja tłoczników
, Ośrodek Techniczny
A. Marciniak Sp. z o.o., Warszawa, 2002,.
3.
Marciniak Z.,
Odkształcenia graniczne przy tłoczeniu blach
.
Warszawa. 1971. WNT.
4.
Erbel E., Kuczyński K., Marciniak Z.,
Obróbka plastyczna
na zimno.
Warszawa 1975.