WICZENIE NR IV

BADANIA PRZYDATNO CI MATERIAŁÓW

DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

- BADANIA WŁASNO CI TECHNOLOGICZNYCH -

1. Cel wiczenia

Celem wiczenia jest zapoznanie si z metodami bada własno ci technologicznych

materiałów do obróbki plastycznej ze szczególnym uwzgl dnieniem prób tłoczno ci blach

oraz bada przydatno ci materiałów pr towych do kształtowania plastycznego. Zwraca si

uwag na cele, zakres stosowania oraz ograniczenia bada technologicznych.

2. Tematyka prac badawczych i technicznych

Realizacja wybranych prób tłoczno ci blach oraz próby sp czania odcinków pr tów na

kowadłach rowkowanych.

3. Schemat metody badawczej

Schematy poszczególnych metod badawczych przedstawiono w Informacji merytorycznej

(p.6).

4. Zalecenia

4.1. Przedstawienie wyników pomiarów

Temat 1. Próba Erichsena

Tabela IV/1. Wyniki bada tłoczno ci metod Erichsena

Rodzaj urz dzenia badawczego: ...............................................................

....................................................................................................................

Wymiary próbki

Lp

Gatunek i stan

materiału badanego

g

0

[mm]

D

[mm]

A

[mm]

D

k

[mm]

Liczba Erichsena

IE [mm]

1

2

3

.

Uwagi:

Oznaczenia: g

0

-

grubo blachy, D

-

rednica próbki okr głej, A

-

długo

boku próbki kwadratowej, D

k

= 2r

k

-

rednica kulistego zako czenia

stempla

Temat 2. Próba Engelhardta i Grossa

Tabela IV/2. Wyniki bada tłoczno ci metod Engelhardta i Grossa

Rodzaj urz dzenia badawczego: ............................................................................................

.................................................................................................................................................

Wymiary

próbki

Lp

Gatunek

i stan

materiału

badanego

g

0

[mm]

D

0

[mm]

d

s

[mm]

d

m

[mm]

0

s

1

D

d

m

≈

P

t

[kN]

P

zr

[kN]

Miara tłoczno ci

%

100

P

P

P

T

zr

t

zr

−

=

1

2

3

.

Uwagi:

Oznaczenia: g

0

-

grubo blachy, D

0

-

rednica kr ka, d

s

-

rednica stempla, d

m

- rednica

matrycy, m

1

-

współczynnik wytłaczania, P

t

-

maksymalna siła wytłaczania, P

zr

-

siła

zrywaj ca cianki wytłoczki

Temat 3. Próba przeginania

Tabela IV/3. Wyniki prób przeginania paska blachy

Rodzaj urz dzenia badawczego ..........................................................................................

..............................................................................................................................................

Wymiary próbki

Miary tłoczno ci

Lp

Gatunek i stan

materiału badanego

Oznaczenie orientacji

linii gi cia wzgl dem

kierunku walcowania

(

⊥ lub | | )

g

0

[mm]

b

[mm]

l

[mm]

n

z

%

100

n

n

Z

z

||

z

⊥

=

1

2

3

.

Oznaczenia: g

0

-

grubo blachy, b, l

-

szeroko i długo próbki, n

z

- liczba podwójnych

zgi do momentu p kni cia, Z - wska nik anizotropii, n

z||

,

⊥

z

n

-

liczby podwójnych

zgi do momentu p kni cia przy liniach gi cia odpowiednio: równoległej

i prostopadłej do kierunku walcowania

Temat 4. Próba miseczkowania

1

Tabela IV/4. Wyniki prób miseczkowania

Rodzaj urz dzenia badawczego ...........................................................................

..............................................................................................................................
Lp

1

2

3

.....

Gatunek i stan materiału

badanego

Grubo blachy g

0

[mm]

D

01

[mm]

D

02

[mm]

rednice

wytłaczanych

kr ków

D

03

[mm]

rednica otworu w płycie

ci gowej d

m

[mm]

rednica stempla d

s

[mm]

F

1

[kN]

Siły przy wytła-

czaniu (F

1

dla

kr ka o redni-

cy D

01

, F

2

dla

kr ka o redni-

cy D

02

)

F

2

[kN]

Siła zrywaj ca

(przy wytłaczaniu

kr ka o rednicy

D

03

)

F

zr

[kN]

Maksymalna rednica

kr ka (interpolowana)

D

0max

[mm]

Minimalny współczynnik

wytłaczania m

1min

Maksymalna wysoko

wytłoczki h

max

[mm]

*)

Minimalna wysoko

wytłoczki h

min

[mm]

*)

Wska nik anizotropii
płaskiej

α [%]

(

)

(

)

01

2

02

1

01

02

zr

1

2

s

max

0

s

min

1

D

F

D

F

D

D

F

F

F

d

D

d

m

+

−

−

−

=

=

%

100

h

h

h

max

min

max

−

=

α

*)

warto ci rednie z pomiaru kilku wytłoczek

1

Temat 5 mo e by realizowany na wiczeniu nr VII.

Temat 5. Próba Fukui

Tabela IV/5. Wyniki bada tłoczno ci metod Fukui

Rodzaj urz dzenia badawczego ..............................................................................................

.................................................................................................................................................

Wymiary próbki

Miary tłoczno ci

Lp

Gatunek i stan

materiału

badanego

g

0

[mm]

D

0

[mm]

d

st max

[mm]

d

st min

[mm]

st

d

[mm]

0

st

F

D

d

=

η

D

0 max

[mm]

1

2

3

.

Uwagi:

Oznaczenia: g

0

- grubo blachy, D

0

- rednica kr ka, d

st max

, d

st min

- odpowiednio:

najwi ksza i najmniejsza warto maksymalnej rednicy sto kowej wytłoczki (w momencie

p kni cia),

2

d

d

d

min

st

max

st

st

+

=

- rednia maksymalna rednica sto kowej wytłoczki,

η

F

- wska nik Fukui, D

0max

- maksymalna rednica kr ka, z której mo na otrzyma

prawidłow wytłoczk (bez p kni cia)

Temat 6. Próba KWI

Tabela IV/6. Wyniki bada tłoczno ci metod KWI

Rodzaj urz dzenia badawczego ........................................................................................

............................................................................................................................................

Wymiary próbki

Lp

Gatunek i stan

materiału badanego g

0

[mm]

A

[mm]

d

0

[mm]

d

s

[mm]

d

max

[mm]

d

min

[mm]

d

r

[mm]

ε

KWI

[%]

1

2

3

.

Uwagi:

Oznaczenia: g

0

- grubo blachy, A - długo boku próbki kwadratowej, d

0

- rednica

otworu w rodku próbki, d

s

- rednica stempla, d

max

, d

min

, d

r

- odpowiednio: maksymalna,

minimalna i rednia rednica otworu w dnie wytłoczki w chwili pojawienia si p kni cia
na obrze u otworu,

ε

KWI

- miara tłoczno ci

%

100

d

d

d

0

0

r

KWI

−

=

ε

2

d

d

d

min

max

r

+

=

Temat 7. Próba sp czania na kowadłach rowkowanych

Tabela IV/7. Wyniki prób sp czania na kowadłach rowkowanych

Lp

Gatunek i stan

materiału badanego

d

0

[mm]

h

0

[mm]

h

1

[mm]

D

1

[mm]

D

2

[mm]

D

r

[mm]

0

r

d

D

S

=

1

2

3

.

Oznaczenia: d

0

, h

0

-

rednica i wysoko próbki przed sp czaniem, h

1

-

wysoko próbki

w momencie pojawienia si p kni cia, D

1

-

rednica próbki w pobli u p kni cia,

D

2

-

rednica zmierzona w kierunku prostopadłym do D

1

(rys. IV/11 c),

2

D

D

D

2

1

r

+

=

,

S

-

wska nik odkształcalno ci

4.2. Opracowanie wyników pomiarów

Wyniki zrealizowanych na wiczeniu pomiarów i oblicze oraz odpowiednie uwagi

nale y wpisa do odpowiednich tabel (IV/1

-

IV/7).

4.3. Wnioski

Wnioski winny dotyczy oceny przydatno ci badanych materiałów do obróbki plastycznej

na podstawie wska ników wyznaczonych podczas przeprowadzonych prób technologicznych.

5. Zagadnienia kontrolne

• Poj cie własno ci technologicznych i prób technologicznych.

• Podstawowe metody bada tłoczno ci blach: próbki, warunki realizacji bada ,

wyznaczane wska niki, urz dzenia badawcze, dokładno i powtarzalno wyników.

• Stany napr e wyst puj ce podczas bada tłoczno ci metodami: Erichsena, Engelhardta

i Grossa, Fukui oraz KWI.

• Wykorzystanie wyników bada tłoczno ci w ocenie przydatno ci materiałów do

kształtowania plastycznego w okre lonych procesach tłoczenia - rola podobie stwa

geometrycznego badanych próbek i rzeczywistych wytłoczek.

• Ocena plastyczno ci materiałów pr towych

-

próba sp czania za pomoc kowadeł

rowkowanych.

6. Informacja merytoryczna

6.1. Badania własno ci technologicznych materiałów i próby technologiczne

Celem bada

własno ci technologicznych materiałów jest okre lenie stopnia ich

przydatno ci do obróbki (przetwarzania) w konkretnym procesie lub operacji

technologicznej. Przykładowe poj cia: spawalno ci, skrawalno ci, tłoczno ci, hartowno ci

itp. dotycz własno ci technologicznych materiałów istotnych z punktu widzenia

odpowiednich procesów lub operacji (spawania, skrawania, tłoczenia, hartowania itp.).

Metody badawcze słu ce do wyznaczania własno ci technologicznych okre lane s

zazwyczaj mianem

prób technologicznych. Istot tych prób jest badanie zachowania si

modelowych próbek wykonanych z danego materiału w warunkach identycznych lub

zbli onych do wyst puj cych w konkretnym procesie lub operacji. Mówi c inaczej, próba

technologiczna polega na modelowaniu (symulacji) w laboratorium pewnych aspektów

rzeczywistego przebiegu procesu wytwarzania. Wyniki próby s zazwyczaj zbiorem

wska ników ilo ciowych (liczbowych) i/lub jako ciowych (opisowych), b d cym miar danej

własno ci technologicznej. Analiza wyników

-

polegaj ca na porównaniu warto ci

wyznaczonych wska ników z przyj tymi warto ciami granicznymi (krytycznymi)

-

pozwala

na ocen stopnia przydatno ci materiału do przetwarzania w danym procesie lub operacji

technologicznej..

Bezpo rednie wykorzystanie wyników prób technologicznych w warunkach

przemysłowych wymaga spełnienia ( ci le lub w przybli eniu) praw podobie stwa

modelowego. Zagadnienie to b dzie przedstawione bli ej w dalszym ci gu przy omawianiu

bada tłoczno ci blach.

Próby technologiczne winny spełnia nast puj ce warunki, decyduj ce o ich przydatno ci:

• modelowanie istotnych aspektów procesu lub operacji technologicznej,

• spełnienie praw podobie stwa modelowego,

• ilo ciowy charakter wyników,

• prostota próby i łatwo wykonania próbek,

• dokładno i powtarzalno wyników.

Jak si oka e w dalszym ci gu, nie wszystkie próby spełniaj te warunki. Dlatego te

wyznaczane wska niki cechuje zazwyczaj niski stopie ogólno ci.

6.2. Czy próby technologiczne s niezb dne ?

Rozwój metod komputerowych, a zwłaszcza wykorzystanie metody elementów

sko czonych (MES) w modelowaniu matematycznym rzeczywistych procesów

technologicznych stwarza szerokie mo liwo ci przewidywania zachowania si materiałów

w ró norodnych warunkach ich obróbki (przetwarzania) na podstawie znajomo ci

parametrów materiałowych okre lanych w trakcie standardowych bada strukturalnych,

bada własno ci wytrzymało ciowych, plastycznych itp. Jednak stopie komplikacji

niektórych realnych procesów technologicznych jest tak znaczny, e ich modelowanie

matematyczne napotyka trudno ci, a liczba parametrów, które musz by uwzgl dnione, aby

uzyska adekwatny opis przebiegu procesu i zachowania si materiału jest bardzo du a.

Do wiadczalna identyfikacja tych parametrów (ró norodnych stałych i funkcji

materiałowych) mo e okaza si trudna, pracochłonna i daleko wykraczaj ca poza zakres

bada standardowych. Ponadto materiały wykazuj naturalne rozrzuty własno ci, co

dodatkowo utrudnia wszelkie analizy teoretyczne. W takich przypadkach wykorzystanie

stosunkowo prostych prób technologicznych staje si w pełni uzasadnione, mimo pewnych

ogranicze przy bezpo rednim zastosowaniu ich wyników w praktyce przemysłowej. Nale y

doda , e wiele prób technologicznych, sprawdzonych w praktyce, stanowi przedmiot zalece

normatywnych, co zapewnia ustalone warunki ich realizacji. Próby realizowane

w identycznych warunkach, na takiej samej aparaturze i przy u yciu jednakowego

oprzyrz dowania wykazuj na ogół wystarczaj c dokładno i powtarzalno wyników dla

celów bada odbiorczych i porównawczych.

6.3. Badania przydatno ci materiałów do kształtowania plastycznego

Materiały przydatne do kształtowania plastycznego powinny odznacza si zdolno ci do

odkształce plastycznych przy równoczesnym zachowaniu spójno ci. Cech t okre la si

ogólnie jako

plastyczno , własno ci plastyczne lub odkształcalno . Miar odkształcalno ci

mo e by tzw.

odkształcenie graniczne, wyra one np. przez intensywno odkształce

2

w momencie i miejscu utraty spójno ci,

mo liwe do osi gni cia przy danej historii staniu

napr enia i w okre lonych warunkach termodynamicznych. Nale y doda , e warto

odkształcenia mo liwa do zrealizowania w procesie technologicznym mo e by ograniczona

nie tylko przez odkształcalno materiału (w sensie podanej wy ej definicji), lecz równie

przez zjawisko utraty stateczno ci (poprzedzaj ce proces dekohezji), wytrzymało (dora n

lub zm czeniow ) narz dzi kształtuj cych lub inne zjawiska (np. zwi zane z tarciem na

powierzchni kontaktu narz dzia z materiałem odkształcanym).

Jednoznaczne stwierdzenie, czy dany materiał nadaje si do kształtowania w konkretnym

procesie lub operacji obróbki plastycznej na podstawie znajomo ci jego własno ci

plastycznych, np. wydłu enia (całkowitego lub równomiernego) i przew enia zwykle nie

jest mo liwe. Jest to spowodowane specyficznymi cechami i warunkami realizacji procesów,

a zwłaszcza wyst powaniem zró nicowanych stanów napr enia i odkształcenia

w poszczególnych fazach kształtowania, nawet w obr bie jednego wyrobu kształtowanego.

Przykładowo: podczas wytłaczania w strefie kołnierza wyst puje ciskanie obwodowe

i rozci ganie promieniowe, w powstaj cej ciance i dnie wytłoczki - dwuosiowe rozci ganie,

oraz - dodatkowo - zginanie na zaokr glonej kraw dzi płyty ci gowej. W zwi zku z tym

materiał winien mie wysokie własno ci plastyczne i nisk granic plastyczno ci tylko

w strefie kołnierza i w obszarze gi cia - natomiast powstaj ca cianka wytłoczki powinna

mie du wytrzymało . Tak specyficzne wymagania spełniaj blachy, które charakteryzuj
si du ym współczynnikiem anizotropii normalnej R

r

≅ 2 i/lub du warto ci iloczynu nR

r

(n jest wykładnikiem funkcji pot gowej opisuj cej krzyw wzmocnienia)

3

.

Ocena przydatno ci materiału do kształtowania plastycznego wymaga wi c zwykle

wykonania dodatkowych bada w celu identyfikacji szeregu parametrów konstytutywnych

(np. parametrów ortotropii)

4

, niezb dnych w modelowaniu matematycznym zło onego

procesu kształtowania z uwzgl dnieniem zjawisk dekohezji i utraty stateczno ci.

Przykładowo, analiza mo liwo ci wykonania za pomoc tłoczenia ró norodnych wyrobów

o zło onych kształtach (np. wytłoczek karoseryjnych) wymaga znajomo ci tzw.

krzywych

odkształce granicznych (patrz p. 6.5), których wyznaczanie (do wiadczalne lub teoretyczne)

stanowi powa ny problem.

Alternatyw jest przeprowadzenie stosunkowo prostych bada własno ci

technologicznych. Dla blach s to tzw.

próby tłoczno ci. Dla materiału pr towego ocen

odkształcalno ci (zwłaszcza na zimno) przeprowadza si m. in. w

próbach sp czania

i

zginania.

Pewn ogóln koncepcj okre lania przydatno ci materiałów do kształtowania

plastycznego na zimno dla blach i pr tów zawarto w [4,5]. Polega ona na okre laniu tzw.

2

Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia I.

3

Patrz Informacja merytoryczna do wicze I, II i VII.

4

Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia II.

współczynnika pewno ci technologicznej N, który jest definiowany w zale no ci od rodzaju

zjawisk ograniczaj cych wielko odkształce plastycznych w danym procesie, np:

>

=

>

=

>

ε

ε

=

=

1

p

p

N

,

1

P

P

N

,

1

N

N

max

gr

n

max

gr

w

max

gr

p

(IV.1)

gdzie: N

p

, N

w

i N

n

- współczynniki pewno ci technologicznej, okre lane odpowiednio na

podstawie: odkształce , sił i nacisków jednostkowych na powierzchniach narz dzi
kształtuj cych,

ε

gr

, P

gr

, p

gr

- warto ci graniczne (dopuszczalne) odkształce , sił i nacisków

jednostkowych,

ε

max

, P

max

, p

max

- odpowiednie warto ci maksymalne, wyst puj ce

w realizowanym procesie technologicznym. Warunkiem poprawnej realizacji procesu jest,

aby N > 1.

Przypadek

1

N

p

≤ oznacza, e została przekroczona (osi gni ta) graniczna warto

odkształcenia, co grozi naruszeniem spójno ci materiału kształtowanego. Gdy

1

N

w

≤ -

przekroczono lub osi gni to graniczn warto siły, któr mo e przenie cz

kształtowana

- wyst pi wi c powstanie niepo danych odkształce , wzgl dnie p kni cie lub utrata

stateczno ci materiału poza wła ciw stref odkształce (np. drut ulegnie zerwaniu poza
ci gadłem, pr t przepychany ulegnie wyboczeniu przed matryc itp.). Wreszcie je eli

1

N

n

≤

- nast pi zniszczenie narz dzia kształtuj cego wskutek przekroczenia lub osi gni cia

napr e dopuszczalnych (wytrzymało ci dora nej lub zm czeniowej), wzgl dnie

pogorszenie gładko ci powierzchni wyrobu wskutek tworzenia si narostów i zacierania.

Według [4,5] współczynnik N mo na przedstawi jako funkcj

Φ, zale n od parametrów

materiałowych m

i

(i = 1, 2, ...) oraz geometrycznych g

i

(w ustalonych warunkach

termodynamicznych):

(

)

...

,

g

,

g

,

...

,

m

,

m

N

2

1

2

1

Φ

=

(IV.2)

przy czym parametry materiałowe wyznacza si zarówno na podstawie standardowych bada

własno ci wytrzymało ciowych i plastycznych, jak i w próbach technologicznych. Konkretna
posta funkcji

Φ jest ustalana w oparciu o przesłanki teoretyczne i badania do wiadczalne.

Przykładowo [5] dla procesu wytłaczania wytłoczek osiowo

- symetrycznych

współczynnik pewno ci technologicznej

N

w

mo e by okre lony ze wzoru:

m

0

3

2

1

5

4

w

r

g

6

,

0

k

k

k

k

k

N

+

µ

+

=

(IV.3)

gdzie:

(

)

(

)

(

)

(

)

n

,

R

f

k

,

g

r

f

k

m

,

D

g

f

k

m

,

n

f

k

D

d

m

R

R

2

R

4

1

R

m

,

R

f

k

r

5

0

s

4

1

0

3

1

2

0

1

1

90

45

0

r

1

r

1

=

=

=

=

=

+

+

=

=

(IV.4)

µ - współczynnik tarcia na zaokr glonej promieniem r

m

kraw dzi płyty ci gowej, g

0

- grubo

blachy, R

r

- rednia warto współczynnika anizotropii normalnej, R

0

, R

45

, R

90

- odpowiednie

współczynniki anizotropii normalnej, wyznaczone dla próbek o osiach tworz cych

z kierunkiem walcowania blachy k ty 0

o

, 45

o

i 90

o

, m

1

- współczynnik wytłaczania, d

1

-

rednica wytłoczki, D

0

- rednica kr ka blachy przed wytłaczaniem, n - wykładnik

w równaniu opisuj cym krzyw wzmocnienia, r

s

- promie zaokr glenia kraw dzi stempla

(patrz te Informacja merytoryczna do wicze : I, II, VII).

Dla kształtowania w warunkach dwuosiowego rozci gania stemplem osiowo

-

symetrycznym [5]:

s

21

20

s

gr

s

p

d

h

k

k

d

h

d

h

N

+

=

=

(IV.5)

gdzie:

=

=

g

d

,

IE

f

k

g

d

,

d

r

f

k

s

21

s

s

s

20

(IV.6)

h

- gł boko kształtowanego wybrzuszenia, d

s

- rednica stempla, IE - liczba Erichsena

(patrz p. 6.4); pozostałe oznaczenia

- jak poprzednio.

Dla operacji sp czania swobodnego na zimno pr tów osiowo

- symetrycznych [4]:

0

0

gr

0

p

d

d

k

S

d

d

d

d

N

=

=

(IV.7)

gdzie:

(

)

µ

−

+

µ

−

=

0

0

d

h

22

,

0

115

,

0

382

,

3

346

,

1

94

,

0

k

(IV.8)

d, d

0

- rednice pr ta po i przed sp czaniem, h

0

- wysoko przed sp czaniem, S - wska nik

z próby sp czania na kowadłach rowkowanych (patrz p. 6.4).

We wzorach (IV.4) i (IV.6) jednym symbolem f oznaczono ró ne funkcje odpowiednich

argumentów, zestawione w postaci tabelarycznej w [5].

Przedstawiona powy ej koncepcja pozwala na odpowiednie uogólnienie i szersze

wykorzystanie wyników niektórych prób technologicznych.

6.4. Wybrane próby tłoczno ci blach

6.4.1. Próba Erichsena

Próba Erichsena (rys. IV/1) polega na kształtowaniu wgł bienia stemplem o zarysie

kulistym. Próbka okr gła lub kwadratowa jest dociskana do matrycy za pomoc dociskacza.

Miar tłoczno ci blachy jest

liczba Erichsena (IE), która oznacza drog stempla

w milimetrach (z dokładno ci 0,1 [mm]) od chwili zetkni cia z próbk , do momentu

pojawienia si p kni cia na wskro blachy. Wi ksza liczba Erichsena oznacza oczywi cie

lepsz tłoczno .

Rys. IV/1. Schemat próby Erichsena: 1 – matryca, 2 – próbka, 3 – dociskacz, 4 – stempel

z zako czeniem kulistym

Prób wykonuje si za pomoc urz dze z nap dem hydraulicznym lub r cznym. Stosuje

si j w wielu krajach przy badaniach odbiorczych i porównawczych blach o grubo ci 0,1

- 2

[mm]. Norma [N1] podaje szczegółowe warunki wykonania próby (m. in. sposób wywarcia

nacisku dociskacza, rodzaj smarowania, moment przerwania próby, wymiary stempli

i matryc). rednice kulistych zako cze stempli D

s

= 2 r

k

wynosz 20, 15, 8 i 3 [mm] i s

dostosowane do wymiarów próbek (okr głych lub kwadratowych), które mo na pobra

z blachy. Zwykle stosuje si stemple o rednicach D

s

= 20 [mm] (chyba e bada si ta my lub

pasy o szeroko ciach mniejszych od 90 [mm]). Prób uwa a si za prawidłow , je eli

powstała wskutek p kni cia szczelina przepuszcza wiatło, a jej szeroko (stopie rozwarcia)

jest mo liwie równa i minimalna. Wymagania odno nie minimalnych warto ci IE dla blach

w ró nych kategoriach tłoczno ci (B

- blacha bardzo gł bokotłoczna, G - głebokotłoczna, T -

tłoczna, P

- płytkotłoczna) podaje norma [N2].

Próba Erichsena daje pewn ocen odporno ci blachy na p kanie poprzedzone utrat

stateczno ci (tworzeniem si bruzdy) podczas dwuosiowego rozci gania w obecno ci tarcia

na czole stempla. Poniewa podczas wgł biania stempla zachodzi wysuwanie si próbki spod

dociskacza

- w strefie kołnierza pojawiaj si równie obwodowe napr enia ciskaj ce

(podobnie jak podczas wytłaczania)

5

. Wynik próby daje dobr ocen przydatno ci blachy do

ci gnienia elementów kulistych, parabolicznych, sto kowych i o zło onych kształtach

w tłocznikach z ebrami lub progami ci gowymi oraz do ci gnienia hydraulicznego.

Do wad próby Erichsena mo na zaliczy :

5

Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia VII.

3

r

k

1

2

4

IE

[m

m

]

r

0,75

r

0,75

Kierunek obserwacji

powstaj cej bruzdy

i p kni cia

• brak podobie stwa geometrycznego - przy stosowaniu stałej rednicy D

s

kulistego czoła

stempla do badania blach o ró nych grubo ciach g

0

- stosunek g

0

/D

s

nie jest stały, wyniki

zale wi c od grubo ci blachy;

• dla stempli o ró nych rednicach otrzymuje si ró ne liczby Erichsena, przy czym nie ma

prostego sposobu wyznaczenia np. IE

20

, je eli znamy IE

8

lub IE

15

albo IE

3

(indeksy dolne

oznaczaj rednice D

s

[mm]);

• trudno wyeliminowania czynnika subiektywnego [3]: okre lenie momentu powstania

p kni cia i przerwania próby jest trudne i uzale nione od wykonuj cego badanie, st d

mo liwo rozrzutu wyników i bł dnego zakwalifikowania badanej blachy.

Poza wska nikiem liczbowym (IE) dodatkowo w próbie Erichsena ocenia si wielko

ziarna (wizualnie z obserwacji powierzchni wypukłej) oraz jednorodno materiału

- na

podstawie kształtu p kni cia (winno przebiega w przybli eniu wzdłu łuku w kierunku

obwodowym).

6.4.2. Inne próby modeluj ce stan dwuosiowego rozci gania

Próby

Olsena i Guillery ró ni si od próby Erichsena wymiarami narz dzi. W próbie

Avery miar tłoczno ci jest ró nica pomi dzy gł boko ciami wgł bie w momencie

powstania p kni cia otrzymanych w przypadku, gdy luz pomi dzy sztywn i gładk płyt

dociskacza i blach wynosi ok. 0,05 [mm] oraz przy zaci ni tym dociskaczu o powierzchni

radełkowanej. W próbie

Jovignota (rys. IV/2) wybrzuszenie jest kształtowane ci nieniem

cieczy (bez tarcia), a miar tłoczno ci jest okre lana w momencie p kni cia

liczba Jovignota

LJ, która wyra a wzgl dny przyrost powierzchni próbki (oznaczenia jak na rys. IV/2):

2

2

2

2

0

r

h

r

r

Rh

2

S

S

LJ

=

π

π

−

π

=

∆

=

(IV.9)

Rys. IV/2. Schemat próby Jovignota: 1 – matryca, 2 – próbka, 3 – komora ci nieniowa

p

R

h

r

p

1

2

3

Na podstawie próby mo na okre li maksymalne napr enia promieniowe

σ

rr

i obwodowe

σ

θθ

w blasze (przy zało eniu kulistego kształtu wybrzuszenia):

(

)

h

g

4

h

r

p

g

2

R

p

0

2

2

max

0

max

rr

+

=

=

σ

=

σ

θθ

(IV.10)

gdzie: p

max

- maksymalne ci nienie oleju w komorze ci nieniowej urz dzenia, g

0

- grubo

blachy.

W próbie

NPL (Gough, Hankins) opartej na tej samej zasadzie co próba Jovignota

rejestruje si wielko h (lub R) i ci nienie p. Dane te ł cznie ze znajomo ci odpowiednich

warto ci odkształce promieniowych na biegunie wybrzuszenia (czaszy kulistej) pozwalaj
na wyznaczenie krzywej wzmocnienia

σ

p

= f (

ε ).

6

6.4.3. Próba Engelhardta i Grossa

Próba Engelhardta i Grossa (rys. IV/3, IV/4) modeluje proces wytłaczania i jest

przeznaczona do badania blach o grubo ciach 0,5

- 2 [mm]. Przeprowadza si j za pomoc

specjalnego urz dzenia o nap dzie hydraulicznym w dwóch etapach:

• wytłaczanie z dociskaczem o odpowiednio dobranej stałej sile docisku do gł boko ci

nieco wi kszej ni ta, przy której siła wytłaczania osi ga maksimum,

• dalsze wytłaczanie po uniemo liwieniu wysuwania si materiału spod płyty dociskacza

wskutek zadziałania dodatkowego dociskacza blokuj cego - a do zerwania cianki

wytłoczki.

Rys. IV/3. Schemat próby Engelhardta i Grossa: 1 – stempel, 2 – matryca, 3 – próbka, 4 – dociskacz

płaski, 5 – dociskacz blokuj cy

6

Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia I.

2

D

0

d

s

r

s

d

1

3

r

m

4

1

5

Rys. IV/4. Zale no siły P od drogi stempla s podczas próby Engelhardta i Grossa: a – przytrzymanie

materiału przez dociskacz blokuj cy, b – p kni cie cianki wytłoczki

Urz dzenie badawcze posiada dwa manometry do automatycznego odczytu ci nie

w układzie hydraulicznym

- maksymalnego (p

t

) w pierwszym etapie próby oraz zrywaj cego

(p

zr

) w momencie p kni cia (lub odpowiednich sił P

t

i P

zr

- patrz rys. IV/4). Miar tłoczno ci

jest wska nik T:

%

100

P

P

P

T

zr

t

zr

−

=

(IV.11)

wyra aj cy wzgl dn nadwy k siły zrywaj cej nad maksymaln , wyst puj c w procesie

wytłaczania (zapas bezpiecze stwa). Wi ksza warto T oznacza lepsz tłoczno .

W badaniach stosuje si kr ki z blachy o rednicy D

0

= 52 [mm] (wycinane z pasa blachy

bezpo rednio w urz dzeniu badawczym) i stempel o rednicy d

s

= 30 [mm] oraz dwie

wymienne matryce o rednicach d

m

= 34,2 [mm] i 35.5 [mm] (odpowiednio dla blach

o grubo ciach g = 0,5 – 1,5 [mm] i 2 [mm] > g

≥ 1,5 [mm]). Współczynnik wytłaczania

m

1

≅ 0,58. W próbie mo na ocenia tak e wielko ziarna (na podstawie wygl du

powierzchni w pobli u przej cia cianki w dno wytłoczki) i jednorodno materiału (linia

p kni cia winna przebiega w kierunku obwodowym). Kształt kołnierza wytłoczki pozwala

na okre lenie stopnia anizotropii płaskiej badanej blachy.

Na podstawie próby Engelhardta i Grossa mo na wła ciwie oceni przydatno blach do

wytłaczania. Np. niektóre materiały w stanie umocnionym (m. in. aluminium) maj ni sze

warto ci minimalnych współczynników wytłaczania (patrz p. 6.4.5) i równocze nie wy sze

wska niki T w porównaniu z nie umocnionymi, co oznacza lepsz tłoczno

- podczas gdy

wyniki prób Erichsena dla blach umocnionych wskazuj

- nieprawidłowo w odniesieniu do

wytłaczania

- tłoczno ni sz . Zalet próby Engelhardta i Grossa jest mały wpływ grubo ci

blachy na uzyskane wyniki i eliminacja czynników subiektywnych, co zapewnia dobr

powtarzalno wyników.

6.4.4. Próba przeginania

Prób przeginania stosuje si do badania blach o grubo ci do 3 [mm] [N3]. Wahadłowe

zginanie (rys. IV/5) odbywa si w przyrz dzie o nap dzie mechanicznym lub r cznym,

zwykle wyposa onym w licznik podwójnych zgi . Wska nik tłoczno ci n

z

jest liczb

podwójnych zgi do momentu p kni cia. Im wi ksze n

z

, tym lepsza tłoczno . Wska nik n

z

P

zr

P

t

P

s

a

b

zale y od stosunku r/g

0

(r oznacza promie zaokr glenia kraw dzi, wokół której nast puje

zginanie) oraz od orientacji osi próbki wzgl dem kierunku walcowania blachy (dla blach

anizotropowych). Zwykle liczba podwójnych zgi n

z

jest najwi ksza, gdy linia gi cia jest

prostopadła do kierunku walcowania. Stopie anizotropii blachy mo na oceni obliczaj c

współczynnik Z:

%

100

n

n

Z

z

||

z

⊥

=

(IV.12)

gdzie:

||

z

n

,

⊥

z

n

- liczby podwójnych zgi do momentu p kni cia przy liniach gi cia

odpowiednio: równoległej i prostopadłej do kierunku walcowania. Oczywi cie im mniejszy

współcznnik Z, tym wi kszy stopie anizotropii.

6.4.5. Próba miseczkowania (AEG)

Próba (rys. IV/6) polega na wyznaczaniu minimalnych współczynników wytłaczania

m

1min

7

:

max

0

s

min

1

D

d

m

=

(IV.13)

przy czym d

s

jest rednic stempla, D

0max

oznacza maksymaln rednic , przy której mo na

jeszcze otrzyma prawidłow wytłoczk (bez p kni cia). Najcz ciej stosuje si jeden

stempel oraz wymienne matryce (dla ró nych grubo ci blach). rednic D

0max

mo na

wyznacza ró nymi sposobami. Zwykle wykonuje si 3 próby dla 3 ró nych rednic kr ków:

D

01

, D

02

i D

03

. rednice te s dobrane w ten sposób, e pierwsze dwie zapewniaj wykonanie

prawidłowej wytłoczki, a trzecia prowadzi do zerwania cianki. Mierzy si odpowiednie siły

tłoczenia: F

1

i F

2

oraz sił zrywaj c F

zr

. rednic D

0max

, któr nale y podstawi

do wzoru

7

Współczynnik wytłaczania mo e by zdefiniowany nieco inaczej (patrz np. wzory (IV.4) oraz Informacja

merytoryczna do wiczenia VII). Jednak wobec niewielkich ró nic pomi dzy rednicami stempla, otworu

w płycie ci gowej oraz rednic redni (mierzon w połowie grubo ci cianki wytłoczki) nie ma to wi kszego

znaczenia.

Rys. IV/5. Schemat próby przeginania: 1 – próbka,

2 – rolki, 3 – uchwyt przeginaj cy

r

1

3

2

g

0

(IV.13) wyznacza si przez ekstrapolacj przy zało eniu, e trzy punkty o współrz dnych:

(D

01

, F

1

), (D

02

, F

2

) i (D

0max

, F

zr

) le na jednej prostej (rys. IV/7). Ostatecznie otrzymuje si

zwi zek:

(

)

(

)

01

2

02

1

01

02

zr

1

2

s

max

0

s

min

1

D

F

D

F

D

D

F

F

F

d

D

d

m

+

−

−

−

=

=

(IV.14)

Wyniki prób miseczkowania mog by bezpo rednio wykorzystane w praktyce (np.

w projektowaniu procesów technologicznych)

- je eli spełnione s prawa podobie stwa

modelowego, co oznacza równo (dla rzeczywistych i modelowych wytłoczek)

nast puj cych parametrów: g

0

/D

0

, r

s

/g

0

, r

m

/g

0

, s/g

0

(oznaczenia jak na rys. VII/6) i redniego

nacisku jednostkowego q dociskacza

8

oraz jednakowych warunków tarcia. Zalecane warto ci

współczynników wytłaczania mo na znale m. in. w [5].

Rys. IV/6. Schemat próby miseczkowania: 1 – stempel, 2 – matryca, 3 – próbka, 4 – dociskacz

Rys. IV/7. Sposób wyznaczania rednicy D

0max

w próbie miseczkowania przez ekstrapolacj prostej AB

do punktu C (dla D

0

≥

D

0max

, P = P

zr

)

8

Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia VII.

g

0

s

r

m

d

s

r

s

d

m

D

0

1

2

3

4

P

1

P

zr

P

2

C

B

A

P

D

0

D

01

D

02

D

0max

6.4.6. Próba Fukui

Próba Fukui polega na kształtowaniu wytłoczki z płaskiego kr ka blachy o rednicy D

0

w sto kowej matrycy o k cie rozwarcia 60

o

(rys. IV/8). Stempel ma zako czenie kuliste.

Ocen tłoczno ci przeprowadza si na podstawie wska nika Fukui

η

F

:

0

min

st

max

st

0

st

F

D

2

d

d

D

d

+

=

=

η

(IV.15)

gdzie: d

st max

, d

st min

- odpowiednio: najwi ksza i najmniejsza warto maksymalnej rednicy

sto kowej wytłoczki w momencie p kni cia. Inn miar tłoczno ci jest warto D

0max

. Jest to

maksymalna rednica kr ka, z której mo na otrzyma prawidłow wytłoczk (bez

p kni cia). Mo na j wyznaczy metod kolejnych prób lub podobnie jak w próbie
miseczkowania. Mniejsze warto ci

η

F

i wi ksze D

0max

oznaczaj lepsz tłoczno . Obydwa

kryteria tłoczno ci s jednakowo przydatne i mog by stosowane alternatywnie. W próbie

nie stosuje si dociskacza, a blacha zachowuje stateczno (nie ulega pofałdowaniu wskutek

istnienia w cz ci sto kowej obwodowych napr e ciskaj cych) je eli D

0

= (50

- 70) g

0

.

Prób przeprowadza si przy stałym stosunku (d

m

+d

s

)/2D

0

dla blach o grubo ciach 0,4

- 2

[mm]. Zalet próby Fukui jest du a powtarzalno wyników, które ponadto prawie nie zale

od grubo ci blachy. Podobnie jak w próbie Erichsena, z obserwacji wypukłej powierzchni

wytłoczki w pobli u p kni cia mo na orientacyjnie okre li wielko ziarna oraz

- na

podstawie przebiegu linii p kni cia

- wnioskowa o jednorodno ci badanego materiału.

Porównanie rednic d

st max

i d

st min

dostarcza informacji o stopniu anizotropii płaskiej blachy.

Rys. IV/8. Próba Fukui: a) schemat, b) wymiary pocz tkowe i ko cowe próbki; 1 – stempel, 2 –

matryca

r

s

D

o

d

st

1

2

60

o

d

m

d

s

a)

b)

6. 4.7. Próba KWI (Siebel i Pomp, Kaiser Wilhelm Institut)

Próba KWI opracowana przez Siebela i Pompa (rys. IV/9) polega na wytłaczaniu

wytłoczki za pomoc stempla o rednicy d

s

= 40 [mm] z kwadratowej próbki o boku A = 80

[mm]. W rodku próbki jest wykonany otwór o gładkich ciankach (np. rozwiercany)

o rednicy d

0

= 12 [mm]. Podczas próby nast puje poszerzanie otworu, a do pojawienia si

na jego brzegu p kni w kierunku promieniowym. Miar tłoczno ci jest wska nik

ε

KWI

:

%

100

d

d

d

0

0

r

KWI

−

=

ε

(IV.16)

gdzie:

2

d

d

d

min

max

r

+

=

, d

max

, d

min

- odpowiednio: maksymalna i minimalna rednica otworu

w dnie wytłoczki w chwili pojawienia si p kni (rys. IV/9 b).

Rys. IV/9. Próba KWI: a) schemat, b) wymiary ko cowe próbki; 1 – stempel z pilotem, 2 – matryca,

3 – próbka kwadratowa z otworem, 4 – dociskacz

b)

d

max

d

m

in

d

0

d

s

d

m

A

p kni cie

r

m

r

s

3

2

4

1

a)

Okre lenie momentu przerwania próby jest do trudne, st d mo liwo znacznego

rozrzutu wyników. Próba modeluje stan napr e wyst puj cy w operacjach wywijania

obrze y otworów (dwuosiowe rozci ganie w dnie wytłoczki i jednoosiowe rozci ganie

w kierunku obwodowym na brzegu otworu). Wytrzymało na rozci ganie badanej blachy R

m

mo na oszacowa ze wzoru:

(

)

0

0

s

max

m

g

d

d

P

R

−

π

=

(IV.17)

gdzie P

max

jest maksymaln sił w czasie próby. Podobnie jak w próbie Erichsena dokonuje

si oceny wielko ci ziarna.

6.4.8. Inne próby tłoczno ci

Oprócz wy ej przedstawionych zaproponowano szereg prób tłoczno ci, m. in. próby

zginania i podwójnego zginania, próby polegaj ce na przeci ganiu trapezowego paska blachy

przez klinow matryc – modeluj ce odkształcenia wycinka kołnierza wytłoczki osiowo

-

symetrycznej (Sachs, Kayseler) oraz ró norodne próby wielostopniowego ci gnienia, które

sprawdzaj zachowanie si blachy przy du ych odkształceniach plastycznych bez wy arzania.

Dalsze informacje mo na znale w literaturze (obszerny wykaz publikacji z tej dziedziny

zawiera m. in. praca [2]).

6.5. Krzywe odkształce granicznych (graniczne krzywe tłoczno ci)

Krzywymi odkształce granicznych nazywamy linie na płaszczy nie odkształce

głównych (

εεεε

1

,

εεεε

2

), b d ce miejscem geometrycznym punktów utraty stateczno ci lub

naruszenia spójno ci (kierunki główne 1 i 2 le w płaszczy nie blachy). Krzywe te

opracowane po raz pierwszy przez Keelera i Goodwina (rys. IV/10) mog by wyznaczone

dla danego materiału analitycznie (na podstawie kryteriów utraty stateczno ci oraz praw

płyni cia przy zało eniu wzmocnienia izotropowego) lub do wiadczalnie. Stanowi one

cenn pomoc przy projektowaniu procesów tłoczenia

- kształtowania wytłoczek o zło onych

kształtach. Wykonuj c pomiary odkształce głównych na powierzchniach próbnych lub

modelowych wytłoczek (np. metod siatek koordynacyjnych)

9

mo na oceni , w których

miejscach wyst puje niebezpiecze stwo utraty stateczno ci lub naruszenia spójno ci.

U yteczno krzywych odkształce granicznych jest widoczna szczególnie wtedy, gdy mamy

mo liwo dokładnego modelowania matematycznego procesu

- np. metod elementów

sko czonych. Znaj c z oblicze warto ci odkształce

ε

1

i

ε

2

ju na etapie modelowania

mo emy okre li , czy dany kształt powłoki jest mo liwy do ukształtowania bez utraty

stateczno ci lub naruszenia spójno ci

- przy czym nie ma potrzeby wykonywania szeregu

tłoczników próbnych. Skraca to znacznie czas i obni a koszty przygotowania produkcji nowej

serii wytłoczek (np. karoseryjnych).

9

Metoda siatek koordynacyjnych polega na wyznaczaniu składowych tensora odkształce sko czonych na pod-

stawie pomiaru współrz dnych w złów siatki koordynacyjnej. Niezb dna jest znajomo tych współrz dnych

przed i po danym etapie odkształcenia. Siatki koordynacyjne nanosi si na powierzchni blachy sposobem

mechanicznym lub chemicznym.

Rys. IV/10. Schemat przebiegu krzywych odkształce granicznych Kellera – Goodwina na płaszczy nie
odkształce głównych

ε

1

,

ε

2

Nale y doda , e wyznaczanie krzywych odkształce granicznych stanowi powa ny

problem do wiadczalny i teoretyczny. Jest to spowodowane m. in. faktem, i moment utraty

stateczno ci (lub utraty spójno ci) zale y od historii stanu odkształcenia, a nie tylko od
ko cowych warto ci

ε

1

i

ε

2

. W ramach mi dzynarodowego programu badawczego Inco

-

Copernicus został opracowany [1] specjalny system projektowania procesów tłoczenia, który

umo liwia przewidywanie momentu utraty stateczno ci blachy na podstawie przebiegu

krzywych odkształce granicznych. Krzywe te s konstruowane teoretycznie na podstawie

warto ci napr e obliczanych metod elementów sko czonych. Konieczna jest znajomo

konkretnej postaci funkcji wyra aj cej wpływ odkształcenia i pr dko ci odkształcenia na

napr enie uplastyczniaj ce materiału. Dalsze informacje mo na znale w [1,7,8].

6.6. Próba sp czania na kowadłach rowkowanych

Próba słu y do oceny przydatno ci materiałów pr towych do kształtowania plastycznego

na zimno. Odpowiedni schemat pokazano na rys. IV/11. Próbk walcow o smukło ci h

0

/d

0

=

1,4 poddaje si sp czaniu na kowadłach rowkowanych do momentu powstania na pobocznicy

pierwszego p kni cia widocznego gołym okiem. Miar odkształcalno ci materiału jest

wska nik S:

0

r

d

D

S

=

(IV.18)

gdzie:

2

D

D

D

2

1

r

+

=

, D

1

- rednica mierzona w pobli u p kni cia, D

2

- rednica prostopadła

do D

1

(rys. IV/11 c). Im wi ksza warto S

- tym wi ksza odkształcalno .

Próbki odcina si z pr ta i obrabia powierzchnie czołowe aby zapewni ich równoległo .

Wykonuje si równie nawiercenia słu ce do centrowania na rodkowych sto kach kowadeł

(rys. IV/11 b). Pobocznice próbek pozostawia si bez obróbki. Sp czanie przeprowadza si

zwykle na maszynie wytrzymało ciowej w specjalnym przyrz dzie, zapewniaj cym

równoległo powierzchni kowadeł. Zastosowanie kowadeł rowkowanych daje efekt wzrostu

ε

1

ε

2

0

Obszar bezpieczny (

ε

2

< 0)

Obszar bezpieczny (

ε

2

> 0)

Obszar naruszenia spójno ci

Utrata stateczno ci

Utrata stateczno ci

(tworzenie bruzdy)

Utrata spójno ci

sił tarcia na powierzchniach kontaktowych, co zwi ksza obwodowe napr enia rozci gaj ce

na powierzchni swobodnej próbki i przyspiesza moment p kni cia.

7. Literatura

1.

J. Gronostajski, Z. Gronostajski, A. Niechajowicz, Z. Zimniak: Badania i projektowanie

procesów tłoczenia blach. Materiały konferencyjne XII Konferencji Sprawozdawczej

„Metalurgia’ 98”, wyd. Akapit, Kraków 1998

2.

Z. Marciniak: Odkształcenia graniczne przy tłoczeniu blach. WNT, Warszawa 1971

3.

Morawiecki, L. Sadok, E. Wosiek: Przeróbka plastyczna. Podstawy teoretyczne. Wyd.

„ l sk”, Katowice 1977, 1986

4.

Ocena materiałów hutniczych z punktu widzenia wymaga obróbki plastycznej na zimno.

Cz

I. Pr ty. Opracowanie zbiorowe pod red. A. Turno. Instytut Obróbki Plastycznej,

Pozna 1980

5.

Ocena materiałów hutniczych z punktu widzenia wymaga obróbki plastycznej na zimno.

Cz

II. Blachy. Opracowanie zbiorowe pod red. A. Turno. Instytut Obróbki Plastycznej,

Pozna 1981

6.

W. P. Romanowski: Poradnik obróbki plastycznej na zimno. WNT, Warszawa 1976

7.

F. Stachowicz: Do wiadczalne i teoretyczne wyznaczanie przebiegu krzywych

odkształcalno ci granicznej blach. Materiały konferencyjne XII Konferencji

Sprawozdawczej „Metalurgia’ 98”, wyd. Akapit, Kraków 1998

P kni cie

0,4

∅ 3,2

120

o

120

o

h

1

a)

b)

D

1

D

2

P kni cie

c)

Rys. IV/11. Próba sp czania na kowadłach

rowkowanych wg zalece CIRP ICFG oraz

INOP

[4]: a) schemat, b) rowkowana powierzchnia

kowadeł, c) sposób pomiaru rednic D

1

i D

2

8.

Z. Zimniak: System projektowania technologii trójwymiarowego tłoczenia blach. Projekty

badawcze z zakresu przeróbki plastycznej, metaloznawstwa i technologii spiekowych.

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997

8. Wykaz norm

N1. PN – 68/H – 04400

N2. PN – 69/H – 92121

N3. PN – 55/H – 04407

N4. PN – 57/H – 04408