- 1 -
NIERÓWNOMIERNOŚĆ ODKSZTAŁCENIA NA PODSTAWIE
OPERACJI SPĘCZANIA
RozróŜnia się dwie zasadnicze metody spęczania: spęczanie swobodne i spęczanie w
matrycy. Podczas spęczania swobodnego materiał przemieszcza się swobodnie w kierunku
prostopadłym do ruchu narzędzia, natomiast podczas spęczania w matrycy przemieszczenie
materiału w końcowej fazie procesu jest ograniczone ściankami matrycy.
Spęczanie jest operacja w której zwiększa się przekrój poprzeczny materiału wsadowego w
skutek czego zmniejsza się wysokość lub długość materiału. Spęczaniu moŜna poddawać
odcinek pręta na całej jego długości (moŜe być tylko prowadzone dla dostatecznie krótkich
odcinków prętów) lub tylko na pewnej jej części.
Operacje spęczania stosuje się wówczas, gdy:
-
przekrój odkuwki lub jej części jest większy niŜ przekrój materiału wsadowego
-
Ŝą
dany stopień przekucia wymaga zwiększenia przekroju przed dalszymi operacjami
-
wlewek lub kęs przygotowuje się do przebijania otworów
-
kuje się odkuwki w kształcie kostek, krąŜków, pierścieni
-
wymagane jest polepszenie własności mechanicznych odkuwki
Zmiany przekroju poprzecznego próbki cylindrycznej podczas operacji spęcznia:
h
h
d
d
h
4
d
h
4
d
V
V
0
0
2
0
2
0
0
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
π
π
Przebieg procesu spęczania zaleŜy od:
− sposobu spęczania,
− kształtu przedmiotu spęczanego,
− prędkości odkształcenia,
− warunków tarcia.
Tarcie występujące pomiędzy pracującym narzędziem a spęczanym metalem powoduje
nierównomierne odkształcanie się próbki podczas spęczania w wyniku czego próbka przyjmuje
kształt baryłki. Niejednorodne odkształcanie się materiału podczas spęczania ma ujemny
wpływ na jakość wyrobu i obniŜa plastyczność, co ogranicza zakres spęcznia dla wielu metali.
Dlatego teŜ zarówno podczas operacji spęczania jak i innych operacji kuźniczych stosuje się
ś
rodki zapobiegające (obniŜające) niejednorodności odkształcenia. Tarcie występujące podczas
- 2 -
spęczania moŜna obniŜyć przez stosowanie gładkich powierzchni pracujących narzędzi i
ś
rodków smarujących oraz podgrzanie narzędzi do temperatury 200 ÷ 300 °C.
Najprostszym przypadkiem jest spęczanie między płaskimi płytami o równoległych
powierzchniach roboczych prętów o małej smukłości. Jeśli nie uwzględni się zjawiska tarcia
występującego na stykających się ze sobą powierzchniach płyty i spęczanego materiału to
odkształcenie jest jednorodne i wraz ze zmniejszeniem się wysokości h, zwiększa się średnica
d oraz zachowany zostaje kształt walcowy przedmiotu. Nacisk jednostkowy na całej
powierzchni styku płyty i materiału jest stały i równa się napręŜeniu uplastyczniającemu.
W rzeczywistym procesie spęczania, występujące na powierzchni styku płyty i materiału
odkształcanego tarcie, przeciwdziała odkształceniu. W rezultacie zmienia się kształt
przedmiotu spęczanego i rozkład nacisków jednostkowych. Średnice przekrojów poprzecznych
elementu spęczanego w pobliŜu zetknięcia z powierzchniami narzędzia powiększają się wolniej
niŜ średnice przekrojów bardziej oddalonych od tych powierzchni i w rezultacie spęczany
przedmiot przyjmuje kształt beczkowaty. W środkowej strefie powierzchni zetknięcia
materiału
i
narzędzia
wzrasta
nacisk
jednostkowy
ponad
wartość
napręŜenia
uplastyczniającego:
Nierównomierność odkształceń przy ściskaniu.
Siły tarcia wywołują przestrzenny stan napręŜeń i prowadzą do nierównomiernego rozkładu
odkształceń w objętości ściskanego walca. Zewnętrznym przejawem nierównomiernego
odkształcania jest zewnętrzna sferyczność powierzchni bocznej, tzw. beczkowatość,
ś
wiadcząca o tym, Ŝe kaŜda warstwa walca równoległa do powierzchni czołowych jest
odkształcana niejednakową wartością odkształcenia. Wielkość beczkowatości oraz jej kształt
zaleŜą od stosunku d/h ściskanego walca oraz współczynnika tarcia. Beczkowatość ściskanej
próbki jest związana z wytworzeniem się kilku stref odkształceń:
W poszczególnych strefach odkształcenia lokalne slok mogą być większe lub mniejsze
od odkształcenia średniego równego gniotu s". Przejścia między strefami nie są stopniowe i nie
da się wytyczyć między nimi wyraźnych granic. Ich wielkość i kształt zaleŜą głównie od
stosunku d/h oraz występującego tarcia.
- 3 -
I
– Strefa przypowierzchniowa ograniczonych odkształceń; dwa stoŜki przylegające
podstawami do obu powierzchni narzędzia. W ziarna materiału, dzięki oporowi wywołanemu
tarciem o narzędzie spęczające (kowadło, młot), nie ulegają prawie Ŝadnym odkształceniom,
tworząc strefy zastoju.
II
– Strefa środkowa odkształceń maksymalnych; obszar intensywnego odkształcenia
plastycznego. W obszarze tym ziarna stopniowo coraz silniej zostają odkształcone. Na granicy
tego obszaru sięgającego do krawędzi próbki występują silne poślizgi.
III
– Strefa zewnętrzna odkształceń pośrednich; obszar ten ulega równomiernemu
przesunięciu i zostaje jakby wytłoczony na zewnątrz, do czego przyczyniają się stoŜkowe
ukształtowane obszary I, zwane równieŜ stoŜkami poślizgowymi. Na jego zewnętrznej
powierzchni powstają przy tym napręŜenia rozciągające, powodujące ujawnienie lub
powiększenie się drobnych wad na powierzchni materiału, jak np. otwieranie się pęcherzy, rys i
pęknięć.
IV
– Strefa nieodkształcona; występująca dla próbek smukłych.
- 4 -
Obok rysunku zostały przedstawione schematy stanu odkształcenia w poszczególnych
obszarach, rozpatrując zmiany elementu próbki w postaci elementarnego sześcianu
odkształceń. W obszarze II elementarny sześcian ulega zgniataniu wskutek czego jego wymiar
zmniejsza się w kierunku zgniatania, a powiększa się jego wymiar w kierunkach
prostopadłych. Jest to stan odkształcenia trójosiowego skręcającego. W obszarze III
elementarny sześcian równieŜ ulega zgniataniu ale jeszcze poddawany jest odkształceniom w
kierunku promieniowym w skutek nacisku materiału na obszar II, wobec czego ulega
równocześnie wydłuŜaniu w kierunku obwodowym próbki – jest to stan odkształcenia
trójosiowego wydłuŜającego.
Prosty proces ściskania
W wielu procesach obróbki plastycznej (np. kucie czy walcowanie) kształtowanie materiału
realizowane jest przez jego zgniatanie. Podstawą analizy tego typu procesów jest proste
ś
ciskanie, przy którym walec o wymiarach początkowych ho, do zmienia się w geometrycznie
dokładny walec o większej średnicy d i mniejszej wysokości h.
Odwzorowanie takiego sposobu odkształcenia byłoby moŜliwe przy spełnieniu następujących
idealnych warunków:
a)
ś
ciskanie przebiega bez tarcia na powierzchniach styku,
b)
materiał jest jednorodny w całej objętości,
c)
stan fizyczny materiału w całej objętości jest identyczny (temperatura, struktura, itp.),
d)
wielkość odkształcenia jednostkowego na przekroju prostopadłym do osi jest
jednakowa (zachowana równoległość powierzchni stykowych narzędzia i walca),
e)
ś
ciskaniu podlega jednocześnie cała powierzchnia (płyta ściskająca powinna nakrywać
całą powierzchnię czołową walca).
O ile warunki b-e moŜna w praktyce zbliŜyć do idealnych, to nie ma sposobu
wykonania ściskania bez tarcia. Tarcie moŜna jedynie zmniejszyć przez stosowanie
polerowanych płyt ściskających, odpowiednich smarów, ale całkowite jego wyeliminowanie
jest niemoŜliwe.
Stopień odkształcenia
ε
h
jaki występuje podczas spęczania wyznacza się ze wzorów:
%
100
0
1
0
0
⋅
−
=
∆
=
h
h
h
h
h
h
ε
Siła spęczania P w czasie trwania procesu stale wzrasta poniewaŜ jest to spowodowanie
zwiększaniem się poprzecznego przekroju spęczanego przedmiotu. Siłę spęczania P [N] moŜna
wyznaczyć z poniŜszego wzoru:
S
p
F
ś
r
⋅
=
gdzie:
S
– pole powierzchni przekroju materiału po spęczaniu [mm
2
]
p
śr
– średni nacisk jednostkowy:
Re
x
p
ś
r
⋅
=
gdzie:
Re
– granica plastyczności metalu
- 5 -
x
– współczynnik oporu odkształcenia:
t
z
w
x
⋅
⋅
=
gdzie:
w
– współczynnik uwzględniający prędkość odkształcenia
t
– współczynnik wzrostu oporu
Wzrost prędkości odkształcania powoduje:
-
wzrost napręŜeń uplastyczniających
p
σ
-
wzrost temperatury odkształcanego materiału. Zjawisko to naleŜy uwzględnić przy
spęczaniu na zimno na prasach szybkobieŜnych, zwłaszcza przy obróbce stali, dla
której w zakresie temperatur tzw. kruchości na niebiesko, opór odkształcenie wzrasta.
W przypadku obróbki plastycznej na gorąco, nawet przy duŜych prędkościach
odkształcenie np. przy kuciu na młotach, obniŜeniu temperatury gorącego wsadu
wskutek przewodnictwa i promieniowania jest znacznie większe niŜ przyrost
temperatury wywołany odkształceniem z duŜą prędkością
-
niejednakowe wypełnienie górnej i dolnej matrycy. JuŜ podczas kucia matrycowego na
młotach w momencie zetknięcia się górnej matrycy mającej duŜą prędkość z
nieruchomym materiałem, zostaje mu nadane odpowiednie przyspieszenie. Powstają
wówczas siły bezwładności, skierowane przeciwnie do kierunku ruchu matrycy
ułatwiają jej wypełnienie.
Przebieg procesu spęczania moŜe być zakłócony lub uniemoŜliwiony przez następujące
zjawiska:
-
pękanie plastyczne materiału występujące w czasie jego odkształcenia. W przypadku
osiowo symetrycznego ściskania, pękanie materiału występuje na zewnętrznej
powierzchni i wiąŜe się ze wzrostem średnicy kształtowanej części. Miara pewności, Ŝe
pęknięcie nie wystąpi moŜe być graniczna oraz rzeczywista wartość stosunku średnicy
końcowej do początkowej
0
d
d
. Współczynnik pewności Np., z uwagi na to zjawisko,
moŜe być zdefiniowany jako:
1
d
d
d
d
N
rzecz
0
gr
0
p
>
=
Pękanie materiału podczas spęczania spowodowane jest pojawieniem się obwodowych
napręŜeń rozciągających, a wartość stosunku
gr
0
d
d
zaleŜy od rodzaju i stanu
odkształcanego materiału. Największe dopuszczalne wartości stosunku
0
d
d
dla
spęczania
na
zimno
podane
są
w
tabeli:
- 6 -
Materiał
φ
= ln
h
h
0
ε
h
= 1 –
h
h
0
100%
gr
0
d
d
stal 10,15
1,75 – 2,0
84 – 86
2,4 – 2,7
stal 25
1,38
75
2,0
stal 55,40H
1,18
69
1,8
stal 16HG, 2H13
1,38 – 1,58
75 – 79
2,0 – 2,2
stal ŁH15
1,28
72
1,9
stal NC6
0,94
61
1,6
Al.,cu
1,98 – 2,20
86 - 89
2,7 – 3,0
-
utrata stateczności procesu odkształcenia wyraŜająca się w operacjach spęczania
wyboczeniem. Aby podczas spęczania uniknąć plastycznego wyboczenia przedmiotu,
jego początkowa wysokość
0
h nie powinna przekraczać 1,5 – 1,8
0
d
.
DuŜy wpływ na
graniczną wartość stosunku
0
0
d
h
ma dokładnie cięcie pręta (prostopadłe do osi) oraz
właściwe prowadzenie narzędzi, eliminujące przesunięcie poprzeczne. Krótkie odcinki
pręta spęczane na gorąco o powierzchniach czołowych prostopadłych do osi mogą mieć
nawet długość
0
h
= 1,5
0
d . Kształtowanie łbów o duŜych wymiarach w porównaniu ze
ś
rednica pręta moŜe wymagać spęczania odcinka o długości
0
h
> 2,3
0
d . W takich
przypadkach nie jest moŜliwe wykonanie łba w jednej operacji i zachodzi konieczność
stosowania jednej lub nawet kilku operacji wstępnego spęczania.
-
natychmiastowe lub zmęczeniowe zniszczenie narzędzia spowodowane naciskiem
jednostkowym wywieranym na jego powierzchnie. Kryterium bezpieczeństwa narzędzi
ją moŜna ja zapisać jako:
1
P
P
N
max
gr
n
>
=
gdzie:
N
n
– współczynnik pewności z uwagi na moŜliwość zniszczenia narzędzia
P
gr
– nacisk jaki jest w stanie przenieść narzędzie
P
max
– maksymalny nacisk występujący w danej operacji
Podstawowe zasady jakie musi spełniać dobrze zaprojektowany proces spęczania:
-
stosunek wysokości materiału spęczanego do jego średnicy:
5
,
2
0
0
≤
d
h
-
spęczany materiał powinien być równomiernie nagrzany w całej swej masie do
najwyŜszej temperatury kucia
-
wlewek przed spęczaniem powinien być przekuty na okrągło
-
stopnie przekucia przy kaŜdym uderzeniu młota lub naciśnięciu prasy naleŜy tak dobrać
by nie przekraczały wartości gniotów krytycznych
-
na powierzchniach wsadu nie dopuszczalne są wady zewnętrzne
-
powierzchnie czołowe stykające się z prowadnicami powinny być prostopadłe do osi
-
spęczanie naleŜy wykonywać silnymi uderzeniami lub naciskami pras
- 7 -
Metody słuŜące do oceny nierównomierności odkształcenia w objętości
ściskanej próbki walcowej.
Dla oceny nierównomierności odkształceń w objętości ściskanej próbki stosowane są
metody nasadzanych sworzni lub gwintów, zatapianych siatek, prób warstwowych, rozkładu
twardości, wytrawiania dla wyjawienia przebiegu włókien oraz rekrystalizowanego ziarna.
1.
Metoda wkręcanych sworzni - odkształcenie lokalne w tym przypadku wyraŜa się
zmianą skoku gwintu sworznia przed i po odkształceniu.
2.
Metoda składanych próbek - odkształcenie wewnątrz rozpatrywanej objętości określa
się zmianą siatki współrzędnych utworzonej przez składane pierścienie w osiowym
przekroju próbki.
3.
Metoda rozkładu twardości - opiera się na zjawisku umocnienia materiału ze wzrostem
odkształcenia plastycznego. Jeśli w przekroju poprzecznym dokona się pomiaru
twardości (HV, HB lub HR) to ich wyniki, jako odzwierciedlenie stopnia umocnienia,
ś
wiadczą o rozkładzie odkształceń, a w oparciu o krzywą wzorcową s = f(H),
sporządzoną dla przypadku równomiernego odkształcenia mogą być określone
liczbowo.
4.
Metoda wytrawiania dla wyjawienia przebiegu włókien - polega na głębokim
trawieniu powierzchni przekroju poprzecznego próbki odkształconej plastycznie.
Uzyskany przebieg włókien określa kierunki płynięcia metalu, czyli linie poślizgu, co
pozwala na jakościową ocenę nierównomierności odkształceń.
PrzybliŜona ocena nierównomierności odkształceń moŜe być równieŜ oparta o zmianę
zewnętrznych wymiarów ściskanego walca (pomiar beczkowatości). Jej miarą jest stosunek
objętości wybrzuszenia V
b
do całkowitej objętości V.
,%
100
4
4
4
0
2
0
1
2
0
2
0
0
2
0
1
2
0
2
0
0
0
h
d
h
d
h
d
h
d
h
d
h
d
V
V
V
V
V
s
s
s
o
b
−
=
−
=
−
=
=
Λ
π
π
π