Obróbka plastyczna

Wykład 3

Wykrawanie

Wytłaczanie

W procesach
technologicznych
kształtowania blach
wyróżniamy dwie
podstawowe grupy
operacji:



procesy polegające na
oddzieleniu jednej części
materiału od drugiej (np.
cięcie),



plastyczne kształtowanie
wyrobów o powierzchni
rozwijalnej (np. gięcie) i
nierozwijalnej (np.
wytłaczanie).

Cięcie

– metoda kształtowania

wyrobów polegająca
na oddzieleniu jednej
części materiału od
drugiej wzdłuż linii
zamkniętej lub
niezamkniętej zwanej
linią cięcia.

Cięcie można realizować za

pomocą:



dwu elementów tnących (np.
cięcie na nożycach,
wykrawanie na wykrojnikach),



jednego elementu tnącego
(np. okrawanie wypływki).

Rys. 1. Różne sposoby cięcia:
a) cięcie na nożycach, b)
wykrawanie na wykrojnikach, c)
okrawanie wypływki, d) wygładzanie
otworu stemplem,
e) wygładzanie powierzchni
zewnętrznej płytą tnącą.

Rys. 1 cd. Różne sposoby cięcia:
f) cięcie nożowe, g) przebijanie otworu i
wywijanie obrzeża,
h) wykrawanie gumą, i) wykrawanie
przy użyciu bardzo plastycznego metalu
(np. ołowiu, aluminium).

Schemat wykrawania na
wykrojniku:

1 – stempel, 2 – blacha, 3 – płyta
tnąca

Podstawowym parametrem
wpływającym na przebieg
procesu wykrawania jest luz
względny:

g

d

D

L

s

pt





gdzie:
D

pt

– średnica otworu płyty

tnącej,
d

s

– średnica stempla,

g – grubość blachy.

Luz względny podaje się
również w procentach.

Fazy procesu cięcia:



odkształceń
sprężystych,



odkształceń
sprężysto
plastycznych,



plastycznego
płynięcia,



pękania,



całkowitego
oddzielenia
wyciętego
przedmiotu od
blachy.

Faza odkształceń
sprężystych:

W fazie tej siły

wywierane na

blachę przez

krawędzie tnące

stempla i płyty

tnącej są

względem siebie

przesunięte, a

powstały na

skutek tego

moment zginający

powoduje wstępne

wybrzuszenie

blachy.

Faza odkształceń
sprężysto-plastycznych:

W chwili, gdy
naprężenia tnące
przekroczą
wartość graniczną
następuje
miejscowe
uplastycznienie
materiału przy
krawędziach
tnących stempla i
płyty tnącej.

Faza plastycznego
płynięcia:

W fazie tej
następuje
plastyczne
płynięcie
materiału w
otoczeniu
powierzchni
rozdzielania.

Faza pękania:

Po wyczerpaniu
zdolności materiału do
odkształceń
plastycznych
następuje pęknięcie w
miejscach, gdzie
materiał jest
najbardziej
odkształcony tj. w
pobliżu krawędzi
tnących.

Faza pękania:

Dla pewnego przedziału wartości
luzu, pęknięcia rozchodzące się od
obu krawędzi tnących spotykają się
ze sobą tworząc powierzchnię
pęknięcia. Taki luz nazywa się luzem
optymalnym (L

o

). Zazwyczaj jest on

równy od kilku do kilkunastu procent
grubości wykrawanej blachy.

Faza całkowitego
oddzielenia wyciętego
przedmiotu od blachy:

Pomimo pęknięcia wycięty
przedmiot, na skutek
wzajemnego zazębiania się
nierówności tkwi jeszcze mocno
w otaczającym materiale. Aby
nastąpiło całkowite rozdzielenie
należy odkształcić lub ściąć
występy na powierzchni
pęknięcia.

Narzędzia produkcyjne wykonuje się z
luzem mniejszym od optymalnego tzw.

luzem normalnym

. Podyktowane jest to

wycieraniem się powierzchni bocznych
stempla i płyty tnącej przez co luz ulega
powiększaniu. Zastosowanie luzu
normalnego pozwala na utrzymanie
przez dłuższy czas warunków cięcia
zbliżonych do optymalnych.

Grubość g

[mm]

do 1 1-2 2-3 3-5 5-7

L

n

[%]

5-7 6-8 7-9 8-10 9-11

Wartości luzu normalnego L

n

w %

grubości materiału wykrawanego

Mniejsze wartości luzów przyjmuje się dla
materiałów miękkich i plastycznych, większe – dla
twardych i kruchych.

Siły i praca cięcia

Maksymalna wartość siły

wykrawania:

t

R

g

l

k

P









max

gdzie:

R

t

– wytrzymałość materiału na

ścianie,

g – grubość ciętego materiału,

l – długość linii cięcia,

k=1,11,3 – współczynnik

uwzględniający
dodatkowe opory cięcia
(stan krawędzi tnących,
nierównomierność
własności
wytrzymałościowych i
grubości ciętego
materiału, nieosiowość
stempla itp.)

Cięcie za pomocą wykrojników

Wykrojnik

– tłocznik mocowany na

prasach, przystosowany do cięcia

materiału.

Wykrawanie

– sposób cięcia blachy

(najczęściej w postaci pasów lub taśm)

realizowany za pomocą wykrojników.

Pasy

są cięte z arkuszy blach.

Taśmy

są wyrobem o odpowiedniej

szerokości, produkowanym specjalnie

na potrzeby procesów tłoczenia. Są

zwijane w kręgi, wykorzystuje się je

zazwyczaj do produkcji masowej.

Cięcie za pomocą wykrojników

Za pomocą wykrojników można
wykonać osiem różnych operacji
cięcia:
wycinanie, dziurkowanie, odcinanie,
przycinanie, nadcinanie, okrawanie,
rozcinanie, wygładzanie.

Wykrojniki ze względu na znaczne
koszty wykonania stosowane są
najczęściej do produkcji dużych serii.

Wykrojniki

wielozabiegowe jednozabiegowe

wielotaktowe

jednoczesne

Wykrojniki

Wykrojniki

Wykrojniki wielotaktowe

– wyrób

kształtowany jest kolejno w czasie
kilku skoków suwaka prasy; ilość
skoków niezbędnych do
wyprodukowania jednego wyrobu
określa ilu taktowy jest wykrojnik.

Wykrojniki jednoczesne

– w czasie

jednego skoku suwaka prasy
wykonywane są wszystkie zabiegi.

Wykrojniki jednozabiegowe

Zalety: prosta konstrukcja, niski

koszt.

Wady: mała wydajność.

Wykrojniki wielotaktowe

Zalety:

wysoka wydajność, możliwość

automatyzacji.

Wady: stosunkowo niewielka dokładność wymiarowa,

występowanie zadzioru po obu stronach

przedmiotu.

Wykrojniki jednoczesne

Zalety:

wysoka wydajność, dobra dokładność

wymiarowa, dobra płaskość wyrobu,

jednostronny zadzior.

Wady: wysoki koszt, utrudniona automatyzacja

procesu.

Kształtowanie
przedmiotów o
powierzchni
nierozwijalnej

Ciągnienie i rozciąganie

Rozpatrując proces wytłaczania można
przyjąć, że przebiega on w płaskim stanie
naprężenia tj. naprężenie działające w
kierunku normalnym do powierzchni blachy
jest równe zero (

3

=0). Linia B’B’ rozdziela

cylindryczno-stożkową wytłoczkę na dwa
obszary. W kołnierzowej części występuje
tzw.

ciągnienie

, w części dennej –

rozciąganie

.

Rys. 1 Schemat
obrazujący udział
ciągnienia i
rozciągania w
procesie wytłaczania

Ciągnienie i
rozciąganie

Rozciąganie

– charakteryzuje się

występowaniem naprężeń rozciągających
zarówno w kierunku promieniowym jak i
obwodowym (

1

>0, 

2

>0). Materiał oddala

się od osi wytłoczki (pkt. CC’).

Ciągnienie

– charakteryzuje się

występowaniem naprężeń o różnych
znakach; w kierunku obwodowym występują
naprężenia ściskające (

1

<0), w kierunku

promieniowym – rozciągające (

2

>0).

Materiał przemieszcza się w kierunku osi
wytłoczki (pkt. AA’).

Rys. 1 Schemat
obrazujący udział
ciągnienia i rozciągania
w procesie wytłaczania

Kształtowanie
wytłoczek przez
rozciąganie

Kształtowanie wytłoczek poprzez
rozciąganie ma miejsce podczas
kształtowania zagłębień, jeżeli są one małe
w porównaniu z wymiarami blachy, lub gdy
jej obrzeże jest utwierdzone. Powierzchnia
wytłoczki ulega powiększeniu kosztem
zmniejszenia grubości jej ścianki.

Rys. 2 Sposoby kształtowania wytłoczek przez
rozciąganie: a) za pomocą sztywnego stempla, b)
za pomocą cieczy, c) za pomocą bardzo dużych
mocy, d) rozpychanie, e) obciąganie, f)
wyoblanie.

Kształtowanie
wytłoczek przez
ciągnienie

W większości przypadków wytłaczanie zachodzi z
dominującym udziałem ciągnienia.
W przypadku b) i c) rolę jednego z narzędzi odgrywa
ciecz, guma lub poliuretan.
W przypadku d) wytłaczanie jest realizowane
działaniem impulsu ciśnienia wywołanego w cieczy
detonacją ładunku wybuchowego lub rozładowaniem
iskrowym baterii kondensatorów.
W przypadku e) wytłaczanie przebiega za pomocą
impulsu elektromagnetycznego.

Rys. 3 Sposoby
kształtowania wytłoczek
przez ciągnienie: a) za
pomocą sztywnych
narzędzi, b)
hydrauliczne, c)
wytłaczanie gumą, d)
przy użyciu dużych
mocy, e)
elektromagnetyczne.

Wytłaczanie

Najczęściej stosowane jest wytłaczanie za pomocą
sztywnych narzędzi. Materiał wsadowy w postaci
płaskiego krążka blachy na skutek działania
stempla zmienia kształt na walcowy poprzez
odkształcenie plastyczne, przy którym zachodzi
podwójna zmiana krzywizny blachy.

Rys. 4 Poszczególne
fazy procesu
wytłaczania z
dociskaczem
naczynia
cylindrycznego.

Maksymalną siłę wytłaczania

naczyń cylindrycznych bez

kołnierza można wyznaczyć ze

wzoru:

gdzie:

d – średnica wytłoczki

zmierzona w środku grubości

ścianki,
R

m

– wytrzymałość na rozciąganie

kształtowanej blachy,
g – grubość blachy,
k – współczynnik zależny od

wartości d/D i (g/D)·100 (tab. 1).

Wytłaczanie

m

k

R

g

d

k

P













max

Wytłaczanie

Zjawiska ograniczające

proces wytłaczania:



pękanie obwodowe
ścianki,



fałdowanie kołnierza.

Rys. 6 Pękniecie obwodowe
ścianki a) oraz pofałdowanie b)

Wytłaczanie: pękanie
obwodowe ścianki

Aby nie dopuścić do pęknięcia
ścianki, proces wytłaczania musi być
realizowany przy sile tłoczenia
mniejszej od siły zrywającej:

Ogranicza to odkształcenia jakie
mogą być zrealizowane w procesie
wytłaczania, które umownie
reprezentowane są przez tzw.
współczynnik wytłaczania m

1

:

0

1

1

D

d

m 

gdzie:

d

1

– średnica zewnętrzna

wytłoczki,

D – średnica materiału

wsadowego.

zr

k

P

P



max

Wytłaczanie: pękanie
obwodowe ścianki

Jeżeli współczynnik m

1

jest większy

od pewnej granicznej wartości:

m

1

> m

gr

to proces przebiega prawidłowo.
Jeżeli ten warunek nie jest
zachowany następuje pocienienie
ścianki i pęknięcie w tzw. przekroju
niebezpiecznym znajdującym się w
pobliżu przejścia części walcowej
stempla w zaokrąglenie.

Wytłaczanie: pękanie
obwodowe ścianki

Tab. 2 Zalecane wartości współczynnika

wytłaczania m

1

dla naczyń

cylindrycznych bez kołnierza.

Względna

grubość

krążka

(g/D)·100

2,0

1,5

1,0

0,5

0,2

0,0

6

Współczynnik

wytłaczania

m

1

0,4

6

0,5

0

0,5

3

0,5

6

0,5

8

0,6

0

Wytłaczanie: pękanie
obwodowe ścianki

Niebezpieczeństwo pęknięcia zmniejsza się wówczas,

gdy zmniejsza się maksymalna siła wytłaczania i

zwiększa się wartość siły zrywającej.

Zmniejszenie maksymalnej siły wytłaczania można

osiągnąć przez:



zaokrąglenie krawędzi pierścienia ciągowego

możliwie dużym promieniem r

m

> (5÷10)g, co

zmniejsza pracę gięcia plastycznego na tej krawędzi

oraz zmniejsza występujące na niej opory tarcia,



zmniejszenie oporów tarcia między blachą a

powierzchniami roboczymi matrycy i dociskacza

przez staranne wypolerowanie i odpowiednie

smarowanie tych powierzchni,



ograniczenie do niezbędnego minimum nacisków

jednostkowych wywieranych przez dociskacz.

Zwiększenie wartości siły zrywającej można osiągnąć

przez:



wykonanie możliwie dużych promieni zaokrąglenia

krawędzi stempla

r

s

 (4÷6)g,



zwiększenie tarcia między powierzchnią boczną

stempla i kształtowaną blachą, co odciąża

niebezpieczny przekrój.

Wytłaczanie: fałdowanie
kołnierza

Fałdowanie kołnierza

jest pewną formą

plastycznego wyboczenia blachy,
zachodzącego pod wpływem ściskających
naprężeń obwodowych. Występuje
wówczas, gdy grubość blachy g jest mała w
porównaniu ze średnicą D odkształcanego
krążka.

Wytłaczanie: fałdowanie
kołnierza

Przyjmuje się , że przy wytłaczaniu
swobodnym fałdowanie kołnierza
wystąpi jeżeli zachodzi
następująca zależność jest
prawdziwa:

)

1

(

5

100

1

m

D

g







W takich przypadkach należy
stosować tzw. dociskacz.

Wytłaczanie: fałdowanie
kołnierza

Dociskacz –
dodatkowy
pierścień
dociskający blachę
do powierzchni
pierścienia
ciągowego z pewną
siła P

d

.

Dociskacz stosuje
się tylko wtedy gdy
jest to konieczne,
gdyż powoduje on
dodatkowe opory
wytłaczania i
zwiększa
niebezpieczeństwo
pęknięcia wytłoczki.

Wytłaczanie: fałdowanie
kołnierza

Bardzo ważny jest dobór siły
dociskającej. Nie może być ona zbyt
mała, gdyż dociskacz nie spełni swojego
zadania; z drugiej strony nie może być
zbyt duża, gdyż prowadzi do
nadmiernego wzrostu siły tłoczenia i
pęknięcia wytłoczki.
Siłę wywieraną przez dociskacz oblicza
się na podstawie wzoru:

gdzie: A

d

– powierzchnia, na którą działa

dociskacz,
q – nacisk jednostkowy zależny od
rodzaju materiału i jego grubości,
r

m

– promień zaokrąglenia krawędzi

matrycy.





q

r

d

D

q

A

P

m

m

d

d















2

2

)

2

(

4

Wytłaczanie: fałdowanie
kołnierza

Dociskacz zapobiega tworzeniu się fałd
jedynie na płaskim kołnierzu wytłoczki. Przy
innych kształtach niż cylindryczne, fałdy
mogą powstać poza kołnierzem, w
obszarach swobodnych. Ma to miejsce
przede wszystkim przy kształtowaniu
wytłoczek typu karoseryjnego oraz
cienkościennych naczyń o kształcie stożków
ściętych, paraboloid obrotowych itp.

Wytłaczanie: fałdowanie
kołnierza

Obwodowe naprężenia ściskające można
zmniejszyć lub nawet zupełnie usunąć
przez zwiększenie promieniowych naprężeń
rozciągających. Najczęściej uzyskuje się to
przez zastosowanie żeber lub progów
ciągowych (rys.).
Progi ciągowe powinny być tak
projektowane, aby opory kształtowania nie
były zbyt duże, gdyż prowadzi to do
pęknięcia wytłoczki.

Przetłaczanie

Jeżeli geometria wytłoczki nie
pozwala na jej wykonanie w jednej
operacji wytłaczania, to najpierw
stosuje się wytłaczanie z
zalecanym stosunkiem
wytłaczania m

1

, a następnie

operację przetłaczania.

Przetłaczanie

Najczęściej realizowany jest sposób
przetłaczania przedstawiony na rys. a.
Przetłaczanie można prowadzić tak, aby
wewnętrzna powierzchnia wytłoczki stała
się powierzchnią zewnętrzną (tzw.
przewijanie) – rys. b. Przetłaczanie,
podczas którego wytłoczka jest dociskana
do stempla cieczą pod ciśnieniem (rys. c),
wskutek korzystnego wpływu tarcia między
stemplem a cylindryczną ścianką ,
umożliwia uzyskanie w jednej operacji
znacznie wyższych wytłoczek niż przy
sposobach konwencjonalnych. Wymaga
ono jednak zastosowania specjalnej prasy.

Przetłaczanie: zjawiska
ograniczające

Proces przetłaczania ograniczony jest przez trzy
zjawiska:



pęknięcia obwodowe wytłoczki w pobliżu dna

(rys. a),



fałdowanie ścianki wytłoczki, wywołane

obwodowymi naprężeniami ściskającymi (rys. b),



wzdłużne pęknięcie ścianki przy obrzeżu

wytłoczki, będące wynikiem nadmiernego
umocnienia materiału (rys.c).

Przetłaczanie: zjawiska
ograniczające

Ze względu na występowanie obwodowego pęknięcia
ścianki wytłoczki stosunek średnic d

2

/d

1

zwany

inaczej współczynnikiem przetłaczania m

2

musi być

większy od wartości granicznej tego stosunku
(d

2

/d

1

)

gr

.

Przez wielokrotne powtarzanie operacji przetłaczania
można uzyskać stopniowo zmniejszające się średnice
wytłoczki d

2

, d

3

, ..., d

n-1

, d

n

. W każdej z tych kolejnych

operacji musi być spełniony warunek:

gr

n

n

n

n

n

d

d

d

d

m





















1

1

Przetłaczanie: zjawiska
ograniczające

Fałdowanie ścianki wytłoczki nie występuje, jeżeli

spełniony jest warunek:

Jeżeli warunek ten nie jest spełniony, to

zapobiega się fałdowaniu przez zastosowanie

dociskacza (rys.).

n

n

m

d

g

1

100

1







Przetłaczanie: zjawiska
ograniczające

Wzdłużne pęknięcie wytłoczki następuje

na skutek umocnienia materiału na skutek

odkształceń, które w kolejnych operacjach

osiągają wartości największe na obrzeżach

wytłoczki. Pęknięcia te mogą się pojawić

bezpośrednio po przetłoczeniu wyrobu

przez matrycę lub po upływie pewnego

czasu. Aby wyeliminować to zjawisko

stosuje się międzyoperacyjne wyżarzanie

rekrystalizujące. Dokładne określenie

liczby operacji bez wyżarzania jest trudne i

wymaga zwykle przeprowadzenia prób.

Gięcie – metoda kształtowania

przedmiotów z blach, prętów,

drutów i rur.

W zależności od rodzaju ruchu
narzędzia rozróżnia się następujące
podstawowe metody gięcia:



gięcie na prasach – narzędzie

wykonuje ruchu prostoliniowo-
zwrotne,



gięcie za pomocą walców –

narzędzia kształtujące wykonują
ruch obrotowy,



gięcie przez przeciąganie.

GIĘCIE

Wyginanie

Wyginanie jest podstawowym
sposobem gięcia na prasach.
Kształtowanie pasa blachy 1,
położonego na matrycy 2, odbywa
się wskutek wywarcia nacisku
przez stempel 3.

Zaginanie

Podczas zaginania blacha 1 jest
stale dociskana do powierzchni
stempla 2 za pomocą dociskacza
3. Ramiona przedmiotu ulegają
zaginaniu wskutek ślizgania się po
zaokrąglonych krawędziach
nieruchomych szczęk gnących 4.

Zwijanie

W przypadku zwijania nacisk
wywierany jest wzdłuż
płaszczyzny blachy. Zakrzywienie
blachy następuje na skutek
ślizgania się po jej wewnętrznej
walcowej powierzchni narzędzia 2.

Owijanie

Owijanie polega na zamocowaniu
jednego końca materiału w
zacisku 1 i owijaniu go wokół
wzornika 2 za pomocą rolki 3,
umieszczonej na długiej dźwigni
4.

Owijanie

Na rysunku przedstawiono różne
sposoby owijania: e) gięcie na
zaginarkach, f) zwijanie sprężyn na
trzpieniu, g) owijanie rur

Gięcie blachy za pomocą

trzech walców

Zakrzywienie materiału następuje
na skutek ruchu obrotowego
walców i działania odpowiednich
nacisków wywieranych przez te
walce na kształtowaną blachę.
Między innymi tą metodą
kształtuje się duże płaszcze
zbiorników wykonywanych z grubej
blachy.

Gięcie za pomocą

walcowania wzdłużnego

Obrabianą taśmę przepuszcza się kolejno
przez jedną, kilka lub kilkanaście par
walców ustawionych jedna za drugą.
Zginają one taśmę nadając jej stopniowo
żądany kształt. Walce mają zwykle osie
poziome i są napędzane. Pomiędzy nimi
umieszcza się często pomocnicze, nie
napędzane walce (rolki) o osiach
pionowych. Jest to bardzo wydajny
sposób gięcia stosowany do produkcji
różnego rodzaju kształtowników.

Gięcie przez przeciąganie

Na rysunku przedstawiono schemat
wzdłużnego zwijania taśmy w rurę metodą
przeciągania przez nieruchome narzędzie
o odpowiednio ukształtowanym zarysie
otworu roboczego.