01_Speczanie.pdf

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA

INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

PRZEDMIOT: OBRÓBKA PLASTYCZNA

ĆWICZENIA LABORATORYJNE

Ćwiczenie nr 1

SPĘCZANIE. WYZNACZANIE GRANICZNEGO WSKAŹNIKA

ODKSZTAŁCENIA PRZY SPĘCZANIU

I. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest:

− określenie plastycznej odkształcalności materiałów w operacjach spęcza-

nia,

− poznanie przebiegu procesu spęczania,

− analiza wpływu różnych czynników na proces spęczania,

− wyznaczenie wskaźnika odkształcenia w chwili pękania w próbie spęcza-

nia.

II. Wiadomości teoretyczne

1. Przebieg procesu spęczania

Przebieg procesu spęczania określony stanem naprężeń o odkształceń zależy

od:

− sposobu spęczania,

− kształtu przedmiotu spęczanego,

− prędkości odkształcenia,

− warunków tarcia.

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 po-

wierzchniach płyty i spęczanego materiału to odkształcenie jest jednorodne i

wraz ze zmniejszeniem się wysokości h, zwiększa się średnica d oraz zachowa-

ny zostaje kształt walcowy przedmiotu (rys. 1a). Nacisk jednostkowy na całej

powierzchni styku płyty i materiału jest stały i równa się naprężeniu uplastycz-

niającemu.

Rys. 1. Spęczanie pręta między płytami:

a – bez tarcia, b – z uwzględnieniem tarcia.

OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne

W rzeczywistym procesie spęczania, występujące na powierzchni styku

płyty i materiału odkształcanego tarcie, przeciwdziała odkształceniu. W rezul-

tacie zmienia się kształt przedmiotu spęczanego i rozkład nacisków jednostko-

wych (rys. 1b).

W przekroju równoległym do kierunku ruchu narzędzia można w elemencie

spęczanym wyodrębnić następujące obszary charakterystyczne /rys. 1/:

A – dwa stożki przylegające podstawami do obu powierzchni narzędzia. W ob-

szarze tym materiał przemieszcza się razem z narzędziem nie doznając od-

kształceń plastycznych,

B – obszar intensywnego odkształcenia plastycznego. W obszarze tym materiał

przemieszcza się w kierunku na zewnątrz,

C – zewnętrzny pierścień, który opasuje obszar B. W wyniku działania stożków

A stożków A w obszarze C występują znaczne naprężenia rozciągające.

Podczas spęczania w matrycach, siły tarcia występują nie tylko na czołowych

powierzchniach narzędzi, ale również na ich powierzchniach bocznych. Ponie-

waż kierunek działania sił tarcia jest przeciwny do kierunku przemieszczania

się materiału, siły te utrudniają dokładne wypełnianie zagłębień i naroży ma-

trycy. Wypełnienie tych miejsc wymaga działania odpowiednio większych na-

cisków jednostkowych.

2. Wpływ prędkości odkształcania na przebieg procesu spęczania

Wzrost prędkości odkształcania powoduje:

− wzrost naprężeń uplastyczniających σ p ,

− wzrost temperatury odkształcanego materiału. Zjawisko to należy

uwzględnić przy spęczaniu na zimno na prasach szybkobieżnych, zwłasz-

cza przy obróbce stali, dla której w zakresie temperatur tzw. kruchości na

niebiesko, opór odkształcenie wzrasta.

W przypadku obróbki plastycznej na gorąco, nawet przy dużych prędko-

ściach odkształcenie np. przy kuciu na młotach, obniżeniu temperatury

gorącego wsadu wskutek przewodnictwa i promieniowania jest znacznie

większe niż przyrost temperatury wywołany odkształceniem z dużą

prędkością,

− niejednakowe wypełnienie górnej i dolnej matrycy. Już podczas kucia

matrycowego na młotach w momencie zetknięcia się górnej matrycy ma-

jącej dużą prędkość z nieruchomym materiałem, zostaje mu nadane od-

powiednie przyspieszenie. Powstają wówczas siły bezwładności, skiero-

wane przeciwnie do kierunku ruchu matrycy ułatwiają jej wypełnienie.

3. Zjawiska ograniczające proces spęczania

Przebieg procesu spęczania może być zakłócony lub uniemożliwiony przez

następujące zjawiska:

− pękanie plastyczne materiału występujące w czasie jego odkształcenia. W

przypadku osiowo – symetrycznego ściskania pękanie materiału występu-

je na zewnętrznej powierzchni i wiąże się ze wzrostem średnicy kształ-

towanej części (rys. 2). Miara pewności, że pęknięcie nie wystąpi może

być graniczna oraz rzeczywista wartość stosunku średnicy końcowej d 0

OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne

początkowej d/d 0 . Współczynnik pewności Np., z uwagi na to zjawisko,

może być zdefiniowane jako:

⎛

⎞

⎜

⎟

⎝

⎠

Np =

/1/

⎛

⎞

⎜

⎝

⎟

⎠

rzecz

Rys. 2. Wady przedmiotów spęczanych:

a) wyboczenie, b) pęknięcie

Pękanie materiału podczas spęczania spowodowane jest pojawieniem się

obwodowych naprężeń rozciągających, a wartość stosunku (d/d 0 ) gr zależy od

rodzaju i stanu odkształcanego materiału. Największe dopuszczalne wartości

stosunku d/d 0 dla spęczania na zimno podane są w tabeli nr 1.

Tabela nr 1 Dopuszczalne odkształcenia przy spęczaniu na zimno

Materiał

h 0

⎛

⎞

φ = ln h

ε h = 1 – h

100%

⎜

⎝

⎟

⎠

stal 10,15

1,75 – 2,0

84 – 86

2,4 – 2,7

stal 25

1,38

2,0

stal 55, 40H

1,18

1,8

stal 16HG, 2H13

1,38 – 1,58

75 – 79

2,0 – 2,2

stal ŁH15

1,28

1,9

stal NC6

0,94

1,6

Al, Cu

1,98 – 2,20

86 - 89

2,7 – 3,0

− utrata stateczności procesu odkształcenia wyrażająca się w operacjach

spęczania wyboczeniem (rys. 2a). Aby podczas spęczania uniknąć

plastycznego wyboczenia przedmiotu, jego początkowa wysokość h o

nie powinna przekraczać 1,5 – 1,8 d o. Duży wpływ na graniczną war-

tość stosunku h o /d o ma dokładnie cięcie pręta (prostopadłe do osi)

oraz właściwe prowadzenie narzędzi, eliminujące przesunięcie po-

przeczne. Krótkie odcinki pręta spęczane na gorąco o powierzchniach

czołowych prostopadłych do osi mogą mieć nawet długość h o = 1,5 d o .

OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne

Kształtowanie łbów o dużych wymiarach w porównaniu ze średnica

pręta może wymagać spęczania odcinka o długości h o > 2,3 d o . W ta-

kich przypadkach nie jest możliwe wykonanie łba w jednej operacji i

zachodzi konieczność stosowania jednej lub nawet kilku operacji

wstępnego spęczania.

− natychmiastowe lub zmęczeniowe zniszczenie narzędzia spowodowa-

ne naciskiem jednostkowym wywieranym na jego powierzchnie. Kry-

terium bezpieczeństwa narzędzia m

ożna zapisa

ć ja

ko:

/2/

max

gdzie:

N n

– ws

dzia,

P gr – nacisk jaki jest w stanie przenieść narzędzie,

P max – maksymalny nacisk występujący w danej operacji.

półczynnik pewności z uwagi na możliwość zniszczenia narzę-

4. Wyznaczanie wskaźnika odkształcenia pręta w operacjach spęczania.

Wskaźnik odkształcenia pręta w operacjach spęczania jest określony stosun-

kiem:

S =

/3/

gdzie

d – końcowa średnica odkształcanego pręta wyznaczona w momencie

pękania materiału,

d 0 – początkowa średnica spęczania pręta.

Próbki mają kształt walców o stosunku wysokości do średnicy h 0 /d 0 =

1,4. Powierzchnie próbek są tłoczone. Spęczanie próbki prowadzi się etapami.

Po każdym etapie obserwuje się boczną powierzchnię próbki celem wykrycia

pęknięcia. Ujawnienie pęknięcia oznacza zakończenie próby. Miarą przydatno-

ści badanego materiału do spęczania jest wartość wskaźnika S wyznaczona z

zależności /3/.

OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne

Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie plastycznej odkształcalności materiałów

w operacjach spęczania, zaś zakres ćwiczenia obejmuje wyznaczenie wskaźni-

ka odkształcenia S w chwili pękania w próbie spęczania.

III. Przebieg ćwiczenia

1. Próbki

Do próby spęczania stosuje się próbki toczone o wymiarach Ø 12 × 168

z róż oraz ŁH15.

Do w ystuje się:

− maszynę wytrzymałościową ZD – 100

e statywem

nych gat. stali np. 10, 55 , szybkotnąca

ykonania próby spęczania wykorz

− czujnik zegarowy z

2. Wy

konanie ćwiczenia

Przed przystąpieniem do wykonania próby spęczania należy zmierzyć wyso-

kość

(z dokładnością do 0,1 mm) i średnicę (z dokładnością 0,1 mm) próbki. Pomiary

średnicy należy wykonać w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach.

Próbę spęcznia przeprowadza się etapami. Polega to na tym, że próbkę spęcza się

zmniejszając jej wysokość o h = 1 mm w każdym etapie. Pomiar wielkości spęczania

dokonuje się czujnikiem zegarowym nastawionym w stojaku na stole maszyny wy-

trzymałościowej. Notować wielkości siły spęczającej w funkcji wysokości próbki. Po

każdym kolejnym etapie obserwuje się boczną powierzchnie próbki. Jeżeli pęknięcia

nie zaobserwowano, należy spęczać próbkę w etapie kolejnym. Stwierdzenie obecno-

ści pęknięcia oznacza zakończenie próby. Po zakończeniu próby należy zmierzyć

rednice próbki d na wysokości pęknięcia w dwóch wzajemnie prostopadłych kierun-

kach (rys. 3) z dokładnością 0,1 mm oraz wysokość próbki h z dokładnością 0,1 mm.

Rys. 3. Schemat sposobu pomiaru próbki po spęczaniu.

OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: