plik

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

Strona

1 - 1

Badanie technologicz-
nych parametrów wy-
krawania

Adam Leśniewicz

Cel ćwiczenia:

zapoznanie z przebiegiem procesu cięcia blach na
przykładzie operacji wykrawania,

określenie wpływu luzu między elementami tnącymi
na siłę wykrawania i jakość powierzchni przecięcia,

nabycie umiejętności obliczania wartości parame-
trów, niezbędnych do:

−

projektowania procesu technologicznego wykra-

wania (dobór pras),

−

konstruowania wykrojników (dobór elementów

sprężystych dociskaczy).

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

WICZENIE

Strona

1 - 2

1.1 Wiadomości podstawowe

Wykrawa

Wykrawanie

nie

to operacja cięcia blach za pomocą tłoczników mo-

cowanych na prasach. UmoŜliwia otrzymanie płaskich przed-
miotów o róŜnych kształtach. Wykrawanie prowadzi się zwykle
za pomocą dwóch elementów tnących: płyty tnącej i stempla.

Rysunek 1.1 Metody ci

cia. a) na no

ycach wzdłu

linii prostej, b) na

wykrojnikach wzdłu

linii zamkni

tej, c) z drgaj

cym ru-

chem narz

dzia, d) wykrawania rowka o szeroko

ci równej

rednicy stempla, e) no

ami kr

ąż

kowymi ruchem obroto-

wym, f) narz

dziem w kształcie klina, g) wygładzanie me-

tod

skrawania naddatku, h) wygniatanie dociskaczem

rowka, i) z u

yciem materiału elastycznego (np. gumy)

Warunkiem koniecznym przecięcia materiału jest doprowadze-
nie, w Ŝądanym przekroju, do koncentracji napręŜeń ściskają-

ADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW WYKRAWANIA

Strona

1 - 3

cych lub rozciągających, koniecznych do naruszenia spójności
materiału. Sposoby realizacji procesu cięcia ilustruje rysunek
1.1.

1.1.1 Mechanizm procesu wykrawania

Przebieg procesu cięcia blachy spoczywającej na powierzchni
płyty tnącej i poddanej naciskowi stempla, moŜna podzielić na
fazy:

faza odkształceń spręŜystych:

•

wybrzuszenie materiału znajdującego się pomiędzy

stemplem a płytą tnącą pod wpływem momentu gnącego

– powstałego w wyniku przesunięcia względem siebie

sił

- oddziaływania na blachę krawędzi tnących,

•

zmniejszenie powierzchni styku blachy i elementów tną-

cych,

•

koncentracja napręŜeń i odkształceń w pobliŜu krawędzi

tnących,

faza odkształceń plastycznych (rysunek 1.2):

•

miejscowe uplastycznienie materiału ze wzrostem naci-

sków powyŜej granicy plastyczności,

•

przesunięcie obszaru odkształceń plastycznych w głąb

materiału,

•

umocnienie materiału,

•

zwiększenie powierzchni przylegania pod stemplem,

•

3-osiowy stan nierównomiernego ściskania pod krawę-

dzią stempla – plastyczna płynięcie materiału,

pękanie materiału:

•

pierwsze pęknięcia przy krawędzi płyty tnącej, wywołane

stanem napręŜeń z promieniowymi napręŜeniami rozcią-
gającymi nad krawędzią tnącą płyty tnącej,

•

pęknięcia w pobliŜu krawędzi tnącej stempla (podczas

dalszej kontynuacji procesu),

•

połączenie pęknięć,

usuwanie oddzielonego materiału (dla cięcia wzdłuŜ linii
zamkniętej):

•

odkształcenie występów zazębiających się wzajemnie na

powierzchni pęknięcia,

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

WICZENIE

Strona

1 - 4

•

spadek wartości momentu gnącego,

•

zmniejszenie (w konsekwencji) wybrzuszenia przedmiotu

wykrawanego, zwiększenie jego wymiarów i rozpychanie
w otworze płyty tnącej.

Rysunek 1.2 Schemat fazy plastycznej procesu wykrawania

1.1.2 Dobór luzu w procesie wykrawania

Luz

to róŜnica wymiarów otworu płyty tnącej

pł

i stempla

L = D

pł

– d

(1.1)

Rysunek 1.3 Wpływ luzu na powierzchni

przeci

cia i schemat p

kni

cia

Wielkość luzu wpływa na:

•

przebieg procesu cięcie,

•

wygląd powierzchni przecięcia (rysunek 1.3).

Przy pewnej wielkości luzu optymalnego ze względu na pękanie
materiału (rysunek 1.3c) pęknięcia rozchodzące się od obu

ADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW WYKRAWANIA

Strona

1 - 5

krawędzi tnących tworzą jedną powierzchnię. Wielkość luzu
optymalnego zaleŜy od rodzaju materiału i grubości blachy. Je-
śli materiał jest twardy, to wartość odkształcenia plastycznego
jest mniejsza i pęknięcia następują wcześniej, a więc luz musi
być odpowiednio większy. Jeśli blacha jest grubsza to luz musi
być odpowiednio większy, gdyŜ kąt rozchodzenia się pęknięć
dla danego materiału jest stały.

Zgodnie z rysunkiem 1.4 wartość luzu optymalnego określana
jest wzorem:

= 2 (g – s) tgα

(1.2)

gdzie:
dla materiałów miękkich:

= (5 ÷ 6)°,

= (0,4 ÷ 0,5) g;

dla materiałów średniej twardości:

= (4 ÷ 5)°,

= (0,2 ÷ 0,4) g;

dla materiałów twardych:

= (3 ÷ 4)°,

= (0,1 ÷ 0,2) g;

Rysunek 1.4 Wpływ grubo

ci ci

tego materiału na wielko

ść

luzu

Charakterystyczne strefy powierzchni rozdzielenia dla wykra-
wania z luzem optymalnym (rysunek 1.3c):

zaokrąglenia w sąsiedztwie miejsca przecięcia, powstała na
początku fazy plastycznej,

błyszcząca i gładka powierzchnia walcowa z ewentualnymi
rysami biegnącymi równolegle do osi, powstała podczas
plastycznego płynięcia,

matowa i chropowata, stoŜkowa powierzchnia pęknięcia,

zadzior, ostry występ biegnący wzdłuŜ krawędzi przecięcia,
będący wynikiem wykrawania z niewłaściwym luzem lub
zaokrągleniem (stępieniem) krawędzi tnących.

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

WICZENIE

Strona

1 - 6

Charakterystyczne strefy powierzchni rozdzielenia dla wykra-
wania z luzem znacznie mniejszym od optymalnego (rysunek
1.3a):

•

błyszcząca,

•

pasek o matowej powierzchni złomu,

•

błyszcząca,

•

zadzior.

Charakterystyczne strefy powierzchni rozdzielenia dla wykra-
wania z luzem większym od optymalnego (rysunek 1.3d):

•

wysoka strefa błyszcząca

•

duŜego pochylenia powierzchni pęknięcia

•

gruby, wygięty zadzior.

Zakresy luzów stosowanych w praktyce:

luz normalny

– stosowany w wykrojnikach obsługiwanych

ręcznie, o wartościach nieznacznie mniejszych od luzu opty-
malnego, celem przedłuŜenia Ŝywotności wykrojnika (tab. 1.1),

luz zmniejszony o około 50% w stosunku do luzu normalnego

–

stosowany w wykrojnikach pracujących automatycznie (więk-
sza rezerwa na zuŜycie, eliminuje moŜliwość cofnięcia się wy-
krojonego materiału za powracającym stemplem),

luz stosowany przy wygładzaniu i cięciu czystym

(od wartości

ujemnych do max 2% grubości blachy), mający zapewnić moŜ-
liwie prostopadłe powierzchnie ścinania i wysoką gładkość cię-
cia.

Tabela 1.1 Warto

ci luzów normalnych, mi

dzy otworem w płycie tn

cej

a stemplem w % grubo

ci blachy

[2]

Rodzaj

materiału

Grubość materiału w [mm]

do 1

1 ÷ 2

2 ÷ 3

3 ÷ 5

5 ÷ 7

7 ÷ 10

Stal miękka

(0,1

0,2%C),

mosiądz miękki

Stal śr.twardości

(0,2

0,4%C),

mosiądz twardy

Stal twarda

(0,4

0,6%C),

brąz twardy

ADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW WYKRAWANIA

Strona

1 - 7

1.1.3 Wyznaczanie siły wykrawania

Podczas projektowania jakiegokolwiek procesu technologiczne-
go i konstruowania wykrojników niezbędna jest znajomość:

•

wartości luzu, który decyduje o jakości powierzchni rozdzie-
lenia,

•

składowych i przebiegu siły wykrawania, która jest nie-
zbędna do realizacji procesu cięcia.

Siła wykrawania

jest ściśle związana z wymiarami i własno-

ściami wykrawanej blachy. Odpowiada ona chwilowej drodze
suwaka

na odcinku, który jest równy sumie grubości materia-

łu

i wysokości powierzchni walcowej matrycy

Rysunek 1.5 Przebieg krzywej siły wykrawania P(s) i siły dopuszczalnej

prasy P

dop

(s).

1. faza odkształce

spr

ęż

ystych,

2. faza odkształce

plastycznych,

3. p

kanie materiału,

4. wypychanie przedmiotu,
5. przepychanie materiału przez powierzchni

walcow

otworu tn

cego.

Zgodnie  z  rysunkiem  1.5  w  fazie  odkształceń  spręŜystych  i  na
początku  następnej  –  fazy  plastycznej,  siła  nacisku  stempla
stale  rośnie  aŜ  do  momentu  uplastycznienia  materiału,  gdzie
osiąga wartość

na całej grubości materiału.

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

WICZENIE

Strona

1 - 8

Dalsza zmiana nacisku stempla uzaleŜniona jest od

współczy

współczyn-

nika umocnienia

ciętego materiału. Gdyby materiał nie podle-

gał  umocnieniu,  to  nacisk  stempla  w  fazie  odkształceń  pla-
stycznych  zmniejszałby  się  stopniowo  w  miarę  zmniejszania
grubości ścinanej warstwy,  jak  to  przedstawia linia  przerywa-
na (rysunek 1.5).

JednakŜe  większość  materiałów  doznaje  umocnienia,  czyli
wzrostu granicy plastyczności ze wzrostem odkształcenia. Dla-
tego  teŜ  siła  nacisku  stempla  rośnie  osiągając  na  końcu  fazy
odkształceń  plastycznych  wartość  maksymalną

max

. Na war-

tość tej siły istotny wpływ ma wielkość luzu l. Zastosowanie lu-
zu mniejszego od optymalnego powoduje wzrost

max

sięgający

2 ÷ 2,5 razy dla luzów ujemnych.

Siła w fazie pękania zaleŜy od rodzaju i grubości materiału. Dla
materiałów miękkich i plastycznych (ołów, cyna) pęknięcie mo-
Ŝe w ogóle nie nastąpić. Wtedy występuje rozdzielenie materia-
łu poprzez plastyczne płyniecie. Dla materiałów twardych i
kruchych pęknięcie (czyli utrata spójności) moŜe nastąpić juŜ
na samym początku procesu odkształceń plastycznych.

Wartość siły wypychania

wykrawanego przedmiotu z aŜuru

blachy i przepychania przez powierzchnię cylindryczną płyty
tnącej zaleŜy głównie od wartości luzu.

Znajomość  maksymalnej  wartości  siły  wykrawania  oraz  jej
przebiegu  pozwala  na  prawidłowy  dobór    prasy  zapewniającej
realizację procesu.

Dla pras hydraulicznych wartość siły dopuszczalnej na całej
długości skoku jest stała i równa naciskowi nominalnemu pra-
sy P

, która jest podstawą do obliczeń konstrukcyjnych pras.

≈ const.

(1.3)

Dla pras mechanicznych (korbowe, mimośrodowe) w wyniku
zmian zastępczego ramienia nacisku, w pewnym przedziale
skoku suwaka prasy, siła dopuszczalna

dop

przyjmuje wartości

zmienne, mniejsze do wartości siły normalnej

(rys. 9.5.).

dop

≠ const.

dop max

= P

(1.4)

ADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW WYKRAWANIA

Strona

1 - 9

Aby prasa w sposób właściwy realizowała proces wykrawania,
krzywa która określa przebieg siły wykrawania w funkcji sko-
ku suwaka prasy musi przebiegać poniŜej wykresu przebiegu
siły dopuszczalnej

dop

dla danej prasy, zgodnie z rys. 9.5.

W praktyce składowe siły wykrawania oblicza się wg przybli-
Ŝonych zaleŜności:

max

= k L g R

. [N]

(1.5)

gdzie:

–

współczynnik równy 1,15 ÷ 1,3, uwzględniający wpływ
dodatkowych oporów cięcia spowodowanych np. zmniej-
szonym luzem, stępieniem krawędzi tnących itp.
długość linii cięcia [mm],
grubość ciętego materiału [mm],
wytrzymałość na ścinanie materiału [MPa] wg tabeli 1.2.

Tabela 1.2 Wytrzymało

ść

cinanie R

Materiał, R

[MPa]

Stan

WyŜarzony

Twardy

Blachy stalowe  tłoczne
  stal 0,2%C
  stal 0,4%C
  stal 0,5%C
Blachy grube
  stal 0,3%C
  stal 0,6%C
Stal nierdzewna

260 – 340
290 – 410
420 – 510
440 – 590

310 – 380
400 – 500
520 – 560

-
-
-
-
-
-

600 – 800

Aluminium
  Al Mn 1
  Al Mg 3
  Al Mg 5
  Al Cu5 Mg1
Miedź
Mosiądz M 63

60 – 90

80 – 120

150 – 200
190 – 240
200 – 350

min 170

250 – 320

100 – 150
140 – 200
220 – 270

320 – 370

min 240

360 – 480

Siła wypychania

przedmiotu z aŜuru i otworu płyty tnącej,

w przeciętnych warunkach wykrawania:

= k

dop

c/g. [N]

(1.6)

gdzie:

–

współczynnik wypychania równy 0,05 ÷ 0,10, zaleŜny od
wielkości luzu i rodzaju materiału (wartości wyŜsze dla
mniejszych luzów i bardzo miękkich materiałów),

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

WICZENIE

Strona

1 - 10

cccc

–

c/g

–

wysokość walcowej części otworu tnącego,
ilość zaciśniętych przedmiotów w płycie tnącej.

Po zakończeniu procesu wykrawania na skutek istnienia od-
kształceń spręŜystych odpad (aŜur blachy) zostaje zaciśnięty na
stemplu.

Siłę

potrzebną do zepchnięcia odpadu ze stempla przy jego

powrocie do górnego zwrotnego punktu , określa się z zaleŜno-
ści:

= k

max

[N]

(1.7)

gdzie:

– współczynnik spychania zaleŜny o szerokości obrzeŜa ma-

teriału zaciśniętego na stemplu, rodzaju wykrojnika, lu-
zu między krawędziami tnącymi , rodzaju materiału,
grubości materiału; określany wg tabeli 1.3.

Tabela 1.3 Warto

ść

współczynnika k

[3]

Rodzaj

wykrojnika

Grubość materiału [mm]

do 1

Od 1 do 5

ponad 5

Jednostemplowy

0,02 ÷ 0,06

0,06 ÷ 0,08

0,10 ÷ 0,12

Wielotaktowy

0,06 ÷ 0,08

0,10 ÷ 0,12

0.12 ÷ 0,15

Wielostemplowy

0,08 ÷ 0,10

0,12 ÷ 0,15

0,15 ÷ 0,20

1.2 Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie polega na określeniu wpływu luzu pomiędzy stem-
plem a otworem w płycie tnącej na siły:

max

ssss

oraz jakość

powierzchni przecięcia. Operacja wykrawania jest przeprowa-
dzana w wykrojniku z wymiennymi stemplami, ustawionym na
stole prasy hydraulicznej, wyposaŜonej w urządzenie do reje-
stracji wielkości siły w funkcji skoku suwaka.

Postępowanie przy realizacji ćwiczenia:
1.

Pomiar grubości

zadanych pasów blach wykonanych z

róŜnych materiałów,

ADANIE TECHNOLOGICZNYCH PARAMETRÓW WYKRAWANIA

Strona

1 - 11

Pomiar średnicy

wymiennych stempli i otworu

– pły-

ty tnącej oraz wysokości c walcowej części otworu tnącego.

Ustawienie wykrojnika (z prowadzeniem bezpośrednim) na
stole prasy hydraulicznej,

Wykrawanie krąŜków z pasów blach przy uŜyciu wskaza-
nych przez prowadzącego wymiennych stempli; odczyt sił
wykrawania

max

, P

Określenie na podstawie wykresów wartości siły wypchnię-
cia

Pomiar średnicy strefy błyszczącej krąŜka

i otworu

oraz oszacowanie procentowego udziału stref błyszczących

(rys.9.6.),

Obliczenie z wykorzystaniem programów teoretycznej siły
wykrawania

max

,, wartości luzu optymalnego i

normalnego i wymiarów narzędzi tnących,

10.

Rysowanie szkiców wyciętego otworu i krąŜka przy luzie:

•

optymalnym,

•

większym od optymalnego,

•

mniejszym od optymalnego,

11.

Wypełnienie karty zestawienia wyników,

12.

Opracowanie wniosków (ocena zgodności wyliczeń teore-
tycznych z praktyką doświadczalną, zalecenia odnośnie
konstrukcji wykrojników).

Sprawozdanie powinno zawierać punkty wymienione powyŜej
wraz z obliczeniami i szkicami.

ABORATORIUM

ECHNOLOGII

WICZENIE

Strona

1 - 12

Rysunek 1.6 Wymiary kr

ąż

ka i wyci

tego otworu: d

–

rednica stempla,

– najmniejsza

rednica wyci

tego otworu, D

– najwi

sza

rednica wyci

tego otworu, D

pł

–

rednica płyty tn

cej,

– najmniejsza

rednica kr

ąż

ka, D

– najwi

ksza

rednica

ąż

ka, s

– wysoko

ść

strefy błyszcz

cej wyci

tego otworu,

– wysoko

ść

strefy błyszcz

cej kr

ąż

ka, c – wlot walcowy

płyty tn

cej.

Literatura:

Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z.,

Techniki wytwa-

rzania. Obróbka plastyczna

, PWN Warszawa 1981,

Marciniak Z.,

Konstrukcja tłoczników

, Ośrodek Tech-

niczny A. Marciniak Sp. Z o. o. Warszawa 2002,

Erbel S., Kuczyński K., Olejnik L.,

Technologia obróbki

plastycznej. Laboratorium

. OWPW Warszawa 2003.