Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest przedstawienie i wyjaśnienie tematów: cięcie, wykrawanie, wytłaczanie, wszystkich procesów i operacji powstających na ich skutek, oraz obliczanie wszystkich parametrów na podstawie niezbędnych wzorów.

I Część teoretyczna

1. Cięcie.

Cięcie jest to proces obróbki plastycznej, polegającym na oddzielaniu - wskutek naruszenia spójności materiału - jednej jego części od drugiej. Operacje cięcia można podzielić na: odcinanie, wycinanie, dziurkowanie, przycinanie, okrawanie, nacinanie, rozcinanie i wygładzanie. Występuje kilka sposobów cięcia metali. Najprostszy sposób cięcia metali uzyskujemy dzięki zastosowaniu nożyc. Proces ten polega na wprowadzeniu materiału między dwa noże ustawione symetrycznie każdy z innej strony ciętego materiału oraz na działaniu wystarczająco wielką siłą, która powoduje wgłębienie ostrzy noża w materiał.

Nożyce składają się z dwóch noży, które wciskając się w materiał początkowo tną a następnie przerywają go. Przed przystąpieniem do cięcia należy wytrasować w blasze zarys wycinanego przedmiotu. Do cięcia blach grubości 3 mm o skomplikowanym kształcie i małych krzywiznach znajdują zastosowanie nożyce elektryczne.

Rys.1 Schemat cięcia nożycami

Rys 2 Kolejne fazy cięcia a) nacisk b) przesunięcie materiału c) rozdzielenie materiału

Do cięcia blach powszechnie stosuje się nożyce dźwigniowe lub gilotynowe o nożach prostych lub skośnych. Nożyce o nożach skośnych nie wymagają do ciecia materiału dużej siły w przeciwieństwie do nożyc o nożach prostych (im większy jest kąt rozwarcia nożyc, tym mniej siły trzeba użyć aby ściąć materiał, lecz zbyt duże kąty powodują wymykanie się materiału spod nożyc podczas cięcia, żeby temu zapobiec kąt rozwarcia nożyc musi być mniejszy od kąta tarcia).

Niekiedy do cięcia blach używa się nożyce krążkowe. Pod wpływem siły tarcia materiał zostaje wciągnięty miedzy obracające się krążki nożyc, które powodują jego cięcie. Nożyce krążkowe o osiach równoległych umożliwiają cięcie blach głównie po liniach prostych, natomiast cięcie po łukach powinno się odbywać nożycami krążkowymi o osiach skośnych. Nożyce krążkowe umożliwiają cięcie blach o nieograniczonej długości.

a)
b)

Rys.3 Schemat cięcia nożycami krążkowymi: a) o osiach równoległych do powierzchni blachy

b) pochylonymi o pewien kąt do powierzchni blachy

Opisując cięcie oraz maszyny przeznaczone do cięcia można wymienić obcinaki do rur, służące do przecinania rur grubościennych o dużych średnicach. Narzędziem tnącym są tu noże krążkowe. Rurę mocuje się w specjalnym imadle, zakłada obcinak i dociska krążek do rury pokrętką, potem obraca się obcinak dookoła rury, stale dociskając krążek aż do całkowitego obcięcia.

Rys.4 Cięcie rur obcinakiem

Do przecinania materiałów o większych przekrojach, przeważnie w celu przygotowania materiału wyjściowego do dalszej obróbki oraz w celu przygotowa­nia odpowiednich odcinków materiałów kształtowych do konstrukcji metalowych, są stosowane piły mechaniczne ramowe, tarczowe, taśmowe i cierne.

Piły ramowe są obrabiarkami do cięcia metali, w których narzędzie - brzeszczot wykonuje ruch postępowo-zwrotny. Brzeszczot jest zamocowany w suwaku. Suwak przesuwa się w prowadnicach ramienia ruchem postępowo-zwrotnym za pośrednictwem mechanizmu mimośrodowego napędza­nego silnikiem elektrycznym. Materiał przeznaczony do cięcia mocuje się w imadle i ogranicza zderzakiem. Brzeszczoty do pił ra­mowych są uzębione tylko na jednej krawędzi. Długość brzeszczotów wynosi 300-600 mm.

Bardzo wydajnymi obrabiarkami do cięcia metali na zimno są piły tarczowe. Wadą pił tarczowych jest stosunkowo duża strata materiału podczas cięcia. Narzędzie (piła tarczowa) wykonuje ruch roboczy obrotowy i ruch posuwowy. Materiał przeznaczony do cięcia jest mocowany w imadle. Docisk szczęk imadła może być mechaniczny lub hydrauliczny.. Podczas cięcia większej liczby od­cinków o jednakowej długości korzysta się ze zderzaka. Posuw belki w dół i przyspieszony powrót do góry po przecięciu odbywa się za pomocą mechanizmu hydraulicznego. Piłą tarczową można przecinać materiały o średnicy do 250 mm.

Rys.5 Piła tarczowa

Piły taśmowe są stosowane przede wszystkim do wycinania przedmiotów o skomplikowanych kształtach, a szczególnie otworów kształtowych oraz do obcinania nadlewów ze stopów aluminium. Narzędziem jest tu piła osadzona na dwóch tarczach. Tarcza dolna jest napędzająca, tarcza górna natomiast może się przesuwać co umożliwia zakładanie i naprężanie taśmy. Mała grubość taśmy powoduje małe straty materiału co jest niewątpliwie zaletą tej piły.

Cięcia metali możemy dokonywać również za pomocą tlenu, przy użyciu specjalnych palników, które podgrzewają przecinany metal, a następnie struga tlenu spowoduje intensywne utlenianie i spalanie metalu, którego tlenki w stanie płynnym zostaną siłą podmuchu strugi tlenu wyrzucone na zewnątrz. Dużą zaletą cięcia przy użyciu tlenu jest czystość i względnie dobry stopień gładkości powierzchni ścian przekroju przeciętego metalu. Tlenowe cięcie umożliwia przy użyciu prostych urządzeń przecinanie bloków do grubości 300 mm, a przy użyciu urządzeń specjalnych o grubości do 1500 mm.

Główną wielkością charakteryzującą proces cięcia jest siła. Siła niezbędna do rozdzielenia materiału jest zależna od pola przekroju ścinanego S i wytrzymałości materiału na ścinanie R_t

F = S • R_t

S - pola przekroju ścinanego

R_t - wytrzymałości materiału na ścinanie

W praktyce przyjmujemy, że ścięcie nastąpi na pewno, gdy siła nacisku noży będzie większa od obliczonej o 30%. Wprowadzając do wzoru na siłę ścinającą współczynnik 1,3 uwzględniamy nie­zadowalający stan krawędzi tnących oraz niedokładność procesu cięcia. Ostateczny zatem wzór na siłę ścinającą przybierze postać:

F= 1,3a•s•R_t

a,s - boki płaskownika o przekroju w kształcie prostokąta

Kiedy urządzenia do cięcia nie mogą wywierać tak dużego nacisku, to zmieniając sposób cięcia można spowodować cięcie tego płaskownika mniejszą siłą. W tym celu należy zastosować nożyce pochylone względem siebie pod kątem α, w takim przypadku ścinaniu podlega w danej chwili tylko przekrój trójkątny płaskownika o powierzchni

S=s²/2tgα

Stąd siła potrzebna do cięcia będzie wynosić:

F=1,3s²/2tgα•R_t

s- grubość blachy z której wykonany jest płaskownik

α - kąt pochylenia noża

Nacisk prasy p w kG potrzebny do cięcia na nożycach gilotynowych oblicza się ze wzoru:

P=1,25•0,5g² R_t/ tgα

1,25- współczynnik zależny od zakleszczenia się noży

g - grubość ciętego materiału

R_t - wytrzymałości materiału na ścinanie

α- kąt nachylenia krawędzi tnącej górnego noża w stopniach

2. Wykrawanie

Wykrawanie - jest to cięcie materiału (np. blachy, tektury) na prasie za pomocą tłocznika zwanego wykrojnikiem.

Odmiany wykrawania to: wycinanie, dziurkowanie, odcinanie itp.

Rys.6 Sposób pękania materiału podczas wykrawania

Wykrojnik składa się z dwóch zasadniczych części, dolnej zamocowanej do stołu prasy oraz części górnej zamocowanej w oprawie na końcu śru­by lub suwaka prasy. Dolną część wykrojnika nazywamy matrycą, górną zaś stemplem.

Rys.7 Schemat wykrojnika

Między stemplem wprowadzonym do matrycy a wymiarem otworu matrycy powinien istnieć pewien określony luz. Wielkość tego luzu zależy od rodzaju, grubości i twardości materiału. Im grubszy i twardszy materiał, tym większy. Dla blachy miedzianej, mosiężnej lub aluminiowej można przyjąć z pewnym błędem wielkość luzu jak dla miękkiej stali.

Podczas procesu wycinania stempel naciskając na blachę powoduje w pierwszej chwili zginanie jej w granicach, na które zezwoli wielkość luzu między wykrojnikiem a stemplem, później dopiero następuje ścina­nie materiału.

Kiedy wycinamy otwory w taśmie albo w arkuszu blachy, musimy je tak rozmieścić aby najmniejsze odległości między brzegami blachy a otworami nie były większe niż:

α=0,5s+1mm

Zbyt wielkie odległości między otworami w taśmie lub blasze spowo­dują złe jej wykorzystanie, natomiast zbyt małe odległości utrudnią wycinanie lub będą przyczyną braków produkcyjnych.

Rozróżniamy wykrojniki bez prowadzenia lub z prowadzeniem płytowym ( w których stempel jest prowadzony w górnej płycie) lub z prowadzeniem słupkowym ( w których stempel z płytą jest prowadzony na słupkach).

Wykrojnik bez prowadzenia przeznaczony jest do mniej dokładnego wykrawania. Stempel zamocowany jest w suwaku prasy, a płyta tnąca na stole prasy dokładnie w osi stępla.

Rys.8 Wykrojnik bez prowadzenia

1-stempel 1

2 - płyta tnąca

2

W wykrojniku z prowadzeniem stempel jest zamocowany w głowicy prowadzonej w dwóch słupach. Płyta tnąca jest zamocowana na płycie podstawowej mocowanej do stołu prasy. Czop jest zamocowany w suwaku prasy.

Rys.9 Schemat wykrojnika z prowadzeniem słupkowym

Wykrojniki z prowadzeniem zapewniają większą dokładność wycinania.. Wykrojniki służą nie tylko do wycinania otworów w blachach metalowych ale również w cienkich płytach z różnych materiałów takich jak twarda tektura, tworzywa sztuczne itp.

W zależności od rodzaju wycinania materiału oraz jego grubości każdorazowo dobiera się najodpowiedniejsze luzy między stemplem a otworem matrycy.

Wycinanie otworów w materiałach bardzo cienkich i miękkich zupełnie dobrze wykonuje się na deszczułce drewnianej za pomocą prostych narzędzi. Do takiego rodzaju wycinania nie potrzebne jest stosowanie pras lecz jedynie uderzanie młotkiem w główkę stempla wykrojnika ręcznego.

Rys.10 Schemat wykrojnika ręcznego

Nacisk w kG potrzebny do wykonania wycięcia przy równoległych płaskich powierzchniach roboczych stempla i płyty tnącej przyjmuje się zależnie od wielkości części, grubości i własności materiału wykrawanego, a także od wielkości luzu i ustawienia części narzędzia i ob­licza się ze wzorów:

P = l,25πdgR_t (dla obrysów okrągłych)

P = l,25LgR_t (dla obrysów nieokrągłych)

1,25 — współczynnik zwielokrotniający zależny od zakleszczania się stempla w płycie tnącej,

d — średnica wycięcia w mm,

L — długość linii cięcia w mm,

g — grubość materiału w mm,

R_t— wytrzymałość materiału na ścinanie w kG/mm²

π— stała 3,14159.

W celu zmniejszenia potrzebnej siły przy wycinaniu części o większych rozmiarach wykonuje się skosy w płycie tnącej. Jakkolwiek nie zmniejsza się praca odkształcenia plastycznego potrzebna do wykonania wycięcia, lecz zmniejsza się siła wykrawania, i zwiększa się skok ruchu roboczego suwaka prasy.

3. Wytłaczanie

W czasie procesu wytłaczania następuje przekształcenie płaskiej bla­chy w naczynie przez użycie tłocznika, który wykonując ruch posuwisty przetłacza materiał przez matrycę. W czasie przetłaczania blachy wykazu­je ona na obrzeżu tendencję do zniekształceń. Zjawisko to powoduje wy­stąpienie w pofałdowanej części przetłaczanej blachy naprężeń ściskają­cych. Graniczna wielkość tych naprężeń nie może być przekroczona i dla­tego stosuje się pewien stosunek wymiarów średnicy otworu matrycy do średnicy materiału wstępnego, stosunek ten nazywamy modułem ciągu:

Moduł ciągu m= średnica otworu matrycy/ średnica materiału wstępnego

Moduł ten określa jaki może być stosunek średnicy otwo­ru matrycy do średnicy materiału wstępnego, aby mógł się odbyć proces wytłaczania bez obawy zniszczenia blachy.

Wytłaczanie bez pocieniania ścianki polega na przekształceniu płaskiego krążka w wytłoczkę o grubości ścianki równej grubości materiału wyjściowego. Przy naciskaniu symetrycznie stemplem na krążek blachy jest on stopniowo wciskany w otwór matrycy. Część środkowa krążka ciągnie za sobą dalszą część krąż­ka (kołnierz) dopóty, dopóki cała wytłoczka nie zostanie przeciągnięta przez otwór w matrycy .

W celu zmniejszenia koncentracji naprężeń występujących podczas ciągnienia materiału stosuje się promienie zaokrągleń w miejscach przej­ścia w stemplu i w matrycy. Do ciągnienia krążków stalowych o grubości mniejszej niż 3 mm przyjmuje się promienie zaokrąglenia w matrycy i stemplu

R_M=r_st=(6-10)g

a dla innych materiałów nieznacznie mniejsze. Promień zaokrąglenia stem­pla w przypadku przetłaczania wytłoczek przyjmuje się

r_st = 0,5(d_n-d_n+1)

gdzie:

g — grubość materiału,

d_n+1— średnica wy tłoczki po operacji n+1,

d — średnica wytłoczki po operacji n.

W celu zmniejszenia potrzebnej siły ciągnienia i niebezpieczeństwa pękania ścianki przyjmuje się pewien luz z między stemplem a otworem w matrycy. Wielkość luzu zależy od grubości materiału z = (1,1 — 1,3) g. Pękanie wytłoczki podczas ciągnienia wpływa ograniczająco na wiel­kość maksymalnej średnicy krążka. Im większa jest średnica krążka, tym trudniej jest wciągnąć kołnierz w otwór matrycy. Podczas wytłaczania kołnierz wytłoczki jest ściskany naprężeniami promieniowymi i rozciągany naprężeniami osiowymi. Dlatego grubość wy­tłoczki podczas ciągnienia ulega zmianie. W wytłoczce grubość ścianki ze wzrostem wysokości wytłoczki ulega nieznacznemu pogrubieniu, a w dol­nej części (w pobliżu denka) ulega pocienieniu.

Rys.11 Schemat ciągnienia: a) pierwsze wytłaczanie b) powstanie fałd c) zastosowanie dociskacza przy wytłaczaniu krążka w matrycy d) przetłaczanie bez dociskacza e) przetłaczanie z dociskaczem

W celu zapobieżenia powstawaniu pofałdowań kołnierza stosuje się pierścień dociskający, tzw. dociskacz, który dociskając kołnierz do ma­trycy z siłą przeciwstawiającą się powstawaniu fałd gwaran­tuje wysoką jakość wykonania wytłoczki. Niebezpieczeństwo powstawania fałd jest tym większe, im większy jest stosunek szerokości kołnierza do grubości materiału wyjściowego.

Przy wytłaczaniu często dąży się do zmniejszenia tarcia między me­talem a ściankami matrycy i stempla, które wytwarza w materiale naprę­żenia wzdłużne powodujące oderwanie denka. Dlatego stosuje się smary, które obniżają współczynnik tarcia. Jako smary stosuje się oleje mineralne zarówno czyste jak i zmieszane z grafitem, kredą lub talkiem. Współczynnik ciągnienia dla końcowych operacji przetła­czania przyjmuje się mniejszy niż dla pierwszej operacji wytłaczania o tyle, o ile zmniejsza się plastyczność odkształcanego materiału.

Średnicę materiału wyjściowego przyjmuje się z założenia, że po­wierzchnia końcowa wytłoczki jest równa powierzchni krążka materiału wyjściowego. Siłę ciągnienia (przybliżoną) oblicza się ze wzoru:

P = FR_mk

Gdzie:

F - powierzchnia krążka wyjściowego

R_{m -} wytrzymałość materiału na rozciąganie,

k - stosunek średnicy krążka (lub wytłoczki I) do średnicy wytłoczki II po ciągnieniu.

Wytłaczanie z pocienieniem ścianki odróżnia się od wcześniej omówionego wytłaczania tym, że luz między stemplem a otwo­rem w matrycy jest mniejszy od grubości ścianki półwyrobu, a matryca ma część roboczą ukształtowaną stożkowo. Półwyrobami do wy­tłaczania z pocienieniem są wytłoczki otrzymane za pomocą wytłaczania. Luz między stemplem a matrycą w ostatniej operacji powinien być równy grubości ścianki wytłoczki.

Rys.12 Schemat ciągnienia z jednoczesnym pocienianiem ścianki

Części otrzymywane za pomocą wytłaczania z pocienieniem ścianki charakteryzują się tym, że grubość denka wytłoczki jest zawsze większa od największej grubości ścianki.

Przy tej metodzie ciągnienia zmniejszenie wymiaru wytłoczki jest z zasady niewielkie, a znaczne jest zwiększenie wysokości części w porów­naniu z wysokością wytłoczki otrzymaną za pomocą ciągnienia bez pocie­nienia ścianki.

Dopuszczalne względne zmniejszenie grubości ścianki wytłoczki w cza­sie ciągnienia powinno być równe wartości obliczonej ze wzoru:

g_o-g/g_o•100%=40-60%

II Wnioski

Obróbka plastyczna metodą ciecia, a zwłaszcza ciecie przy pomocy wykrojników jako stosunkowo łatwa do wykonania, oraz łatwa do zmechanizowania nadaje się zwłaszcza dla produkcji wielkoseryjnej, dzięki czemu uzyskuje się znaczne oszczędności materiału, oraz usprawnia sam proces. On sam, przy przestrzeganiu reżimu technologicznego (właściwy dobór obrabianego materiału, odpowiednia wielkość luzu, jego dopasowanie do parametrów materiału) może mieć bardzo różnorodne zastosowanie.

Cięcie oraz wykrawanie mogą być stosowane jako czynności pomocnicze przy innych metodach obróbki, jak to ma miejsce np. w przypadku okrawania odkuwek.

Ograniczeniem tego typu procesów jest stopień komplikacji wykonanego przedmiotu, który nie może być zbyt duży.

III Literatura

1. Stefan Okoniewski „technologia maszyn”

2. „Podstawowe techniki wytwarzania w przemyśle maszynowym” - praca zbiorowa

3. Aleksander Górecki „Technologia ogólna”

4. Zbigniew Muszyński „Zarys technologii metali”

---