OBRÓBKA PLASTYCZNA

Obróbka plastyczna metali zajmuje czołowe miejsce w produkcji wyrobów metalowych w tym wyrobów hutniczych, elementów maszyn i wyrobów powszechnego użycia. Jest nowoczesną techniką wytwarzania, która w szerokim zakresie znajduje zastosowanie w różnych przemysłach gospodarki m.in. w przemyśle maszynowym, metalowym, samochodowym, lotniczym, elektrycznym i elektronicznym.

Jest to technika wytwarzania a zarazem nauka o technologii, w której kształtowanie, podzielenie lub połączenie materiału uzyskuje się przez odkształcenie plastyczne. Za pomocą obrabiarki plastycznej uzyskuje się również zmianę własności fizyko-chemicznych (np. wytrzymałości, twardości, gładkości powierzchni, struktury).

Kształtowanie za pomocą obrabiarki plastycznej charakteryzuje:

• Możliwość nadania wyrobom różnorodnych kształtów, często nieosiągalnych innymi metodami

• Oszczędność materiału przy małej ilości odpadów

• Możliwość wytwarzania wyrobów o określonych własnościach mechanicznych i technologicznych

• Wyroby mogą posiadać odpowiednio wysoką dokładność i wysokiej jakości powierzchnię

• Niski koszt wytwarzania dla produkcji seryjnej i masowej (wyższy dla produkcji jednostkowej)

PLASTYCZNOŚĆ – podatność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonego zewnętrznego obciążenia. Plastyczność metali jest wynikiem budowy krystalicznej metali, a odkształcenie plastyczne jest możliwe dzięki przemieszczaniu się dyslokacji w polikryształach w płaszczyznach poślizgu lub za pomocą bliźniakowania pod wpływem naprężeń wywołanych zewnętrznym obciążeniem.

Plastyczność danego materiału zależy od:

• Składu chemicznego

• Struktury

• Temperatury

• Stanu naprężenia (doświadczenie Karmana)

Plastyczność tego samego materiału jest różna w różnych procesach: najmniejsza w próbie rozciągania, mała dla ciągnienia, większa dla walcowania, znacznie większa dla kucia i największa dla wyciskania. Plastyczność wpływa na liczbę zabiegów kształtowania wyrobu.

ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE – odkształcenie trwałe, które zmienia kształt i wymiary materiału i pozostaje po usunięciu zewnętrznego obciążenia. Do uzyskania odkształcenia plastycznego niezbędne jest wytworzenie określonego stanu naprężenia, co określa warunek plastyczności Hubera-Misesa-Hencky’ego (HMH).

Odkształcenie plastyczne w procesach przeróbki plastycznej jest najczęściej niejednorodne i różne w różnych miejscach ukształtowanego wyrobu, a odkształcenie końcowe jest sumą kolejnych odkształceń.

Do określenia zmian wymiarów odkształcanego materiału stosowane są wskaźniki odkształcenia, które wiążą ze sobą odpowiednie wymiary przed (l₀,b₀,h₀) i po odkształceniu (l₁,b₁,h₁). W obróbce plastycznej stosuje się:

Współczynnik odkształcenia	Wydłużenia Poszerzenia Gniotu	λ=l1/l0 β=b1/b0 γ=h1/h0
Rzeczywiste odkształcenie	Wydłużenie Poszerzenie Gniot	ϕl=ln(l1/l0) ϕb=ln(b1/b0) ϕh=ln(h1/h0)

ZASADA STAŁEJ OBJĘTOŚCI

Odkształcany materiał posiada taką samą objętość przed i po odkształceniu: V₀=V₁

Z zasady tej wynikają następujące zależności:

λ* β* γ=1 ϕ_l+ ϕ_b + ϕ_h =0

Miarą wartości odkształcenia plastycznego w założonych stanach odkształcenia jest odkształcenie zredukowane (intensywność odkształcenia) ϕ_H:

$$\varphi_{H} = \sqrt{\frac{2}{3}}*\sqrt{\varphi_{1}^{2} + \varphi_{2}^{2} + \varphi_{3}^{2}}$$

ϕ_1-3 – składowe stanu odkształcenia

Wskaźniki odkształcenia i zależności między nimi są podstawą projektowania procesów przeróbki plastycznej oraz pozwalają np. ustalić wymiary materiału wsadowego.

NAPRĘŻENIE UPLASTYCZNIAJĄCE σ_p – jest własnością materiału (podobnie jak R_e, R_m) i jest chwilową granicą plastyczności w określonych warunkach odkształcenia. Wyznacza się w próbach plastometrycznych.

Wartość naprężenia uplastyczniającego wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się (dla stali w temp. 1200^oC jest ok. 8-10 razy mniejsze od R_m) a rośnie z prędkością odkształcenia.

$$\sigma_{p} = f\left( M,\ T,\ \varphi_{H},\ {\dot{\varphi}}_{H} \right)$$

Naprężenie uplastyczniające jest podawane w postaci funkcji lub tabel do wyznaczenia siły, pracy i mocy procesów przeróbki plastycznej metali.

Krzywa umocnienia i jej stałe:

σ_p = C * φⁿ

C,n – stałe materiałowe

Ze względu na temperaturę kształtowania i zjawiska zachodzące w strukturze materiału obróbkę plastyczną można podzielić:

• Na „gorąco” w temp. (0,6÷0,9)T_t – mała dokładność, małe siły

• Na „pół gorąco” w temp. (0,4÷0,6)T_t – średnia dokładność

• Na „zimno” w temp. <0,4 T_t – duża dokładność, duże siły

W trakcie odkształcenia plastycznego na gorąco następuje dynamiczna rekrystalizacja materiału, powodująca przebudowę struktury. Zwiększa się plastyczność. Naprężenia uplastyczniające są niskie i zależą w mniejszym stopniu od odkształcenia, a w większym od szybkości odkształcenia.

Odkształcenie plastyczne na zimno umacnia materiał, powodując zmianę struktury (wydłużenie i ukierunkowanie ziaren) połączone ze zmianami własności fizycznych metalu. W wyniku odkształcenia następuje wzrost naprężenia uplastyczniającego, granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, twardości oraz występuje spadek plastyczności i maleje udarność materiału.

Granicę plastyczności umocnionego materiału można wyznaczyć z krzywej umocnienia, przykładowo dla stali ze wzoru w postaci σ_p=689ϕ^0,246.

Dla taśmy stalowej odkształconej przez walcowanie odkształcenie ϕ_H=0,3936, a wartość naprężenia uplastyczniającego wyniesie σ_p=547,7 MPa. Wartość ta stanowi granicę plastyczności odkształconego materiału.

WARUNEK PLASTYCZNOŚCI - związek między stanem naprężenia występującym w kształtowanym materiale, a przejściem tego materiału w stan plastyczny czyli wywołaniem odkształcenia plastycznego. Stosuje się często warunek HMH:

$$\sigma_{p} = \sigma_{H} = \frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{{(\sigma_{1} - \sigma_{2})}^{2} + {(\sigma_{2} - \sigma_{3})}^{2} + {(\sigma_{3} - \sigma_{1})}^{2}}$$

Postać uproszczona: σ₁ − σ₃ = η * σ_p

σ_1, σ_{2 ,} σ₃ –stan naprężenia w osiach głównych (σ₁>σ₂ > σ₃)

η=1÷1,15 – współczynnik zależny od wartości σ_2.

PRAWO PŁYNIĘCIA – wiąże stan odkształcenia ze stanem naprężenia w zakresie plastycznym wg zależności:

$$\frac{d\varphi_{H}}{\frac{2}{3}\sigma_{p}} = \frac{d\varphi_{1}}{\sigma_{1} - \sigma_{m}} = \frac{d\varphi_{2}}{\sigma_{2} - \sigma_{m}} = \frac{d\varphi_{3}}{\sigma_{3} - \sigma_{m}}$$

σ_m- naprężenie średnie

ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃- stan odkształcenia w osiach głównych.

Prawo to mówi, że materiał płynie intensywniej w kierunku mniejszych oporów. Przy kształtowaniu opory mogą pochodzić od tarcia i reakcji bocznych ścianek wykroju narzędzi.

TARCIE – w procesach obróbki plastycznej odgrywa istotną rolę, ponieważ wytwarza dodatkowe opory płynięcia, zwiększając siłę, pracę i moc w procesach obróbki plastycznej. Tarcie wpływa na kierunek płynięcia materiału, zgodnie z prawem płynięcia. Tarcie również decyduje o gładkości powierzchni kształtowanego wyrobu i intensywności zużycia narzędzi.

Tarcie w pewnych procesach jest niezbędne (np. walcowanie, zwłaszcza na gorąco),a w pewnych zbędne, niekorzystne (np. ciągnienie, wyciskanie). Zatem w określonych procesach obróbki należy dążyć do optymalnego tarcia, przede wszystkim przez stosowanie odpowiednich smarów i płynów smarująco- chłodzących.

SIŁA ODKSZTAŁCENIA – w większości procesów przeróbki plastycznej można wyznaczyć z zależności:

P=p_śr*F_d

P_śr=q*σ_p

p_śr – średni nacisk jednostkowy na styku materiału i narzędzi
F_d – rzut powierzchni styku materiału z narzędziem
q>1 – współczynnik uwzględniający opory tarcia przy odkształceniu
σ_p – naprężenie uplastyczniające

PRACA ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO

L=V*p_śr*ϕ_H

V – odkształcana objętość

Praca odkształcenia zamieniana jest w ok. 90% na ciepło. Wydzielane ciepło, w skutek odkształcenia plastycznego i tarcia oraz wymiana ciepła z otoczeniem (narzędzia, chłodziwo, powietrze) powoduje wzrost lub spadek temperatury i ma wpływ na kształtowanie materiału poprzez zmiany naprężenia uplastyczniającego σ_p i przemiany strukturalne.

WYTWARZANIE WYROBÓW METALOWYCH

Wytwarzanie większości wyrobów metalowych na drodze przeróbki plastycznej można podzielić na dwa zasadnicze etapy:

• Masowe wytwarzanie wyrobów hutniczych ze stali i materiałów nieżelaznych, które mogą być wykorzystane bezpośrednio na konstrukcje maszyn i budowli oraz służą jako wsad do dalszego przetwarzania w drugim etapie kształtowania.

• Wytwarzanie gotowych elementów maszyn i wyrobów użytkowych lub półproduktów do dalszej obróbki np. skrawaniem.

PODZIAŁ WYROBÓW HUTNICZYCH (stalowych)

1. Półwyroby hutnicze (odlewane w COS lub walcowane z wlewką)

• Kęsiska, kęsy (kwadratowe o boku 320-42 mm, płaskie, okrągłe) stosuje się je do dalszej przeróbki plastycznej.

1. Wyroby hutnicze walcowane:

• Pręty (okrągłe φ300-10 mm, kwadratowe, kształtowe)

• Walcówka (zwinięte w kręgi – okrągła φ32-5 mm)

• Kształtowniki (duże 120-600, średnie, małe 25-50)

• Blachy grube i średnie (powyżej 4-120 mm)

• Blachy cienkie – walcowane na gorąco (4-1,5 mm)

• Blachy cienkie – walcowane na zimno (0,1-4 mm)

• Taśmy i bednarka ( 4-0,05 x 300)

1. Wyroby hutnicze inne:

• Rury bez szwu (φ400x30-45x4mm) walcowane na gorąco

• Rury bez szwu (φ90-8) walcowane na zimno

• Pręty i odkuwki swobodnie kute na gorąco

1. Wyroby przetwórstwa hutniczego:

• Taśmy cięte

• Blachy powlekane

• Blachy profilowane

• Kształtowniki gięte

• Rury ze szwem (φ1420-10)

PODZIAŁ OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

Obróbkę plastyczną jako technologię stosowaną do wytwarzania wyrobów metalowych w postaci wyrobów hutniczych, elementów maszyn i wyrobów użytkowych, ze stali i metali nieżelaznych ze względu na sposób kształtowania i rodzaj wyrobów można podzielić na:

• Walcowanie (hutnicze i poza hutnicze)

• Kucie

• Wyciskanie

• Tłoczenie

• Ciągnienie

WALCOWANIE – obróbka plastyczna na zimno lub gorąco, w której materiał kształtuje się przez zgniatanie materiału obracającymi się walcami lub innymi narzędziami.

Podział ze względu na rodzaj produkowanych wyrobów:

1. Hutnicze:

• Walcowanie wzdłużne, stosowane do walcowania blach, prętów, walcówki, kształtowników i rur,

• Walcowanie skośne, stosowane np. w produkcji rur bez szwu,

• Walcowanie specjalne, stosowane np. w produkcji pierścieni kuto- walcowanych,

WALCOWANIE WZDŁUŻNE WYROBÓW HUTNICZYCH

Całkowity współczynnik wydłużenia λ_c wynosi:

$$\lambda_{c} = \frac{l_{n}}{l_{0}} = \frac{F_{0}}{F_{n}}$$

l₀, l_n, F₀, F_n – początkowa i końcowa długość i przekrój pasma

Liczbę przepustów n można wyznaczyć ze wzoru:

$$n = \frac{\ln\lambda_{c}}{\ln\lambda_{sr}}$$

λ_śr – średni współczynnik wydłużenia w całym procesie walcowania.

Do walcowania stosuje się walcarki wzdłużne, wyposażone w odpowiednie walce robocze, niekiedy podparte walcami oporowymi.

Ze względu na liczbę walców zabudowanych w walcarce rozróżnia się walcarki:

1. –duo

2. -trio

3. - kwarto

4. –dwudziestowalcowa (Sendzimira)

Walce do walcowania blach posiadają gładką beczkę, a do walcowania prętów i kształtowników posiadają bruzdy. Prześwit pomiędzy dwoma współpracującymi bruzdami nazywa się wykrojem, który walcuje pasmo.

WALCOWANIE BLACH GRUBYCH NA GORĄCO

Blachy grube walcuje się ze wsadu w postaci kęsiska płaskiego z COS. Proces produkcyjny odbywa się następująco:

• Nagrzewanie wsadu (piec gazowy, 1150÷1250^oC)

• Zbijanie zgorzeliny

• Walcowanie w zespole walcowniczym (7 do kilkunastu przepustów)

Blacha gruba po walcowaniu przechodzi przez chłodnię wodną oraz schładzana jest w chłodni powietrznej. Następnie prostowana i cięta na odpowiednie arkusze. Niektóre blachy dla określonych gatunków mogą być obrabiane cieplnie.

Zespół walcowniczy do walcowania blach grubych zależnie od zakresu wymiarowego produkowanych blach i wydajności może się składać z:

• Jednej walcarki kwarto, wydajność do ok. 400 tys. t/rok

• Dwóch walcarek kwarto w układzie posobnym, wydajność do ok. 800 tys. t/rok

• Walcarek kwarto w układzie ciągłym w jednej lub dwóch grupach, wydajność 1-3 Mt/rok

SCHEMAT WALCOWANIA BLACH GRUBYCH NA GORĄCO SYSTEMEM POSOBNYM

$$\begin{matrix} sklad \\ \text{wsadu} \\ \end{matrix} \Rightarrow piec \Rightarrow \begin{matrix} lamacz \\ \text{zg}\text{orzeliny} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} \text{pierwsza} \\ \text{walcarka} \\ \text{kwarto} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} \text{druga} \\ \text{walcarka} \\ \text{kwarto} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} chlodnia \\ \text{wodna} \\ \end{matrix}$$

SCHEMAT WALCOWANIA BLACH GRUBYCH NA GORĄCO SYSTEMEM CIĄGŁYM

$$\begin{matrix} sklad \\ \text{wsadu} \\ \end{matrix} \Rightarrow piec \Rightarrow \begin{matrix} lamacz \\ \text{zgorzeliny} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} uklad\ ciagly \\ 4 - 8\ walcarek \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} chlodnia \\ \text{wodna} \\ \end{matrix}$$

SCHEMAT ZINTEGROWANEGO ODLEWANIA I WALCOWANIA BLACH GRUBYCH NA GORĄCO

$$\begin{matrix} kadz \\ \text{odlewnicza} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} kadz \\ posrednia \\ \end{matrix} \Rightarrow krystalizator \Rightarrow \begin{matrix} \text{piec} \\ \text{dogrzewczy} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} \text{walcarki} \\ w\ ukladzie\ ciaglym \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} chlodnia \\ \text{wodna} \\ \end{matrix}$$

WALCOWANIE BLACH ŚREDNICH I CIENKICH NA GORĄCO

Do walcowania tych blach stosuje się wsad walcowany w postaci blachy grubej lub cienki wlewek z COS. Proces produkcyjny składa się z etapów:

• Nagrzewanie wsadu

• Walcowanie w zespole walcowniczym (walcarki kwarto):

  • Walcarka wstępna i walcarka pracująca z dwoma zwijarko-rozwijarkami umieszczonymi w piecach tzw. Układ Steckla

  • 5-8 walcarek w układzie ciągłym ze zwijarką

• Chłodzenie blachy

• Prostowanie i ewentualnie cięcie na arkusze

SCHEMAT WALCOWANIA BLACH CIENKICH W UKŁADZIE STECKLA

$$\begin{matrix} sklad \\ \text{wsadu} \\ \end{matrix} \Rightarrow piec \Rightarrow \begin{matrix} \text{zbijacz} \\ \text{zgorzeliny} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} \text{walcarka\ } \\ wstepna \\ \end{matrix} \Rightarrow samotoki \Rightarrow \begin{matrix} \text{walcarka} \\ \text{kwarto} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} \text{rolki} \\ ciagnace \\ \end{matrix} \Rightarrow piec\backslash n$$

$$\Rightarrow zwijarka \Rightarrow \begin{matrix} \text{chodnia} \\ \text{wodna} \\ \end{matrix} \Rightarrow zwijarka$$

SCHEMAT WALCOWANIA BLACH CIENKICH W UKŁADZIE CIĄGŁYM

$$\begin{matrix} sklad \\ \text{wsadu} \\ \end{matrix} \Rightarrow piec \Rightarrow \begin{matrix} \text{zbijacz} \\ \text{zgorzeliny} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} uklad\ ciagly\ \\ w\text{alcarek\ kwarto} \\ \end{matrix} \Rightarrow \begin{matrix} chlodnia \\ \text{wodna} \\ \end{matrix} \Rightarrow \text{zwijarka}\backslash n$$

WALCOWANIE BLACH NA ZIMNO (>3,5 mm)

Wsadem jest blacha cienka walcowana na gorąco wytrawiona (biała). Walcowanie odbywa się w walcarkach kwarto pracujących w układzie Steckla lub w układzie ciągłym. Liczba walcarek w układzie ciągłym zależy od końcowej grubości blachy (1 lub 2 zespoły po 4-6 walcarek kwarto). Proces walcowania jest sterowany komputerowo (gnioty, prędkość walcowania, naciągi, regulacja płaskości). Gotowa blacha w stanie umocnionym zwijana jest w kręgi. W zależności od gatunku i przeznaczenia blacha może być wyżarzana w celu usunięcia skutków zgniotu. Wyżarzanie przeprowadza się dla kręgów w piecach kołpakowych lub w piecach ciągłych z atmosferą ochronną. Blacha z kręgów może być prostowana i cięta na arkusze.

Blachy walcowane na zimno przeznaczone do tłoczenia, a zwłaszcza karoseryjne, wykonywane są ze specjalnych gatunków stali (np. ULC – niskowęglowa, DP – dwufazowe) w kategoriach tłoczności P, T, G, B. Gotowa blacha może być zwinięta w kręgi lub rozcinana na taśmy, może być też prostowana i cięta na arkusze oraz pakowana w pakiety.

W celu uzyskania dobrych własności tłocznych oraz zapobiegania tworzenia się linii Ludersa, blachy po wyżarzaniu rekrystalizującym poddaje się walcowaniu wygładzającemu (λ= 1,01÷1,03) w celu usunięcia tzw. przystanku plastyczności.

DOKŁADNOŚĆ WALCOWANYCH BLACH CIENKICH

Walcowanie blach cienkich na gorąco i na zimno odbywa się z automatyczną regulacją grubości z naciągiem pasma, co obniża naciski na walce, zmniejsza ugięcie wałków oraz prostuje pasmo. Ponadto ugięcie walców pod działaniem siły walcowania jest kompensowane odpowiednim układem, w celu uzyskania odpowiedniej płaskości i dokładności wymiarowej blachy. Najczęściej regulację płaskości blach uzyskuje się za pomocą: przeginania walców, krzyżowania walców lub poosiowego przemieszczania kształtowych sinusoidalnych walców.

WYROBY WALCOWNI BRUZDOWYCH

Pręty oraz walcówkę walcuje się masowo w walcowniach bruzdowych o różnej wydajności i programie produkcyjnym. Walcowanie prętów grubych i średnich odbywa się z kęsisk kwadratowych z COS, natomiast pręty drobne i walcówka walcowana jest z kęsów kwadratowych 240 mm z COS. Nagrzany wsad walcowany jest w walcarkach duo i trio ułożonych w różnych układach walcowniczych (np. ciągłym, posobnym).

Walcowanie prętów i walcówki przeprowadza się w walcach bruzdowych z wykrojami:

• Wstępne walcowanie w wykrojach skrzynkowych

• Pośrednie walcowanie w wykrojach owal-kwadrat

• Wykańczające walcowanie w wykrojach owal-okrąg dla okrągłego, romb-kwadrat dla kwadratowego itd.

Pręty po walcowaniu chłodzi się, prostuje i tnie na odcinki. Walcówkę po walcowaniu można chłodzić na powietrzu lub wodą i układa w pętle na transporterze i chłodzi powietrzem (metoda Stelmor), następnie układa w kręgi.

WALCOWANIE KSZTAŁTOWNIKÓW

Kształtowniki są grupą wyrobów o bardzo zróżnico