9. CIGNIENIE I PRZEPYCHANIE 9.1. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z przygotowaniem oraz technologią wytwarzania drutów i prętów metodą ciągnienia. 9.2. Wprowadzenie 9.2.1. Charakterystyka procesów Wyroby walcowane lub wyciskane na gorąco, mianowicie pręty, niewielkie kształtowniki, poddaje się dalszej obróbce plastycznej, polegającej na ciągnieniu przez otwór w narzędziu, zwanym ciągadłem. Ciągnienie przeprowadza się głównie na zimno. Stosuje się je w celu uzyskania: " małych wymiarów przekroju, nieosiągalnych podczas walcowania lub wyciskania na gorąco, " zmiany kształtu przekroju poprzecznego, " minimalnych odchyłek wymiarowych, " gładkiej i czystej powierzchni, " polepszenie własności mechanicznych. Za pomocą ciągnienia przerabia się przede wszystkim węglowe stale miękkie, ale także stale o większych zawartościach węgla - nawet do 1,2%, również stale stopowe konstrukcyjne i narzędziowe z zawartością wolframu, chromu, niklu, manganu itp. oraz metale nieżelazne, jak: miedz oraz brązy i mosiądze, nikiel i jego stopy, aluminium i jego stopy, cynk, ołów, wolfram, molibden itp. Podstawowe schematy ciągnienia związane są z rodzajem wyrobu, a także ze sposobem realizacji odkształcenia. Są to przedstawione na rys. 9.1: ciągnienie prętów i drutów o przekroju pełnym (a), ciągnienie rur swobodne ( na pusto ) (b), ciągnienie na trzpieniu długim (c), krótkim (d) i swobodnym ( korku swobodnym ) (e). Zasadniczy proces odkształcenia plastycznego odbywa się w czasie przeciągania zaostrzonego pręta (rury) przez odpowiednio ukształtowany otwór narzędzia, zwanego ciągadłem. Kształt otworu roboczego ciągadła jest jednym z podstawowych czynników wpływających na proces ciągnienia. Ze względu na kształt części roboczej ciągadła dzielimy na stożkowe i łukowe (patrz ćwiczenie maszyny do obróbki plastycznej - rys. 1.12). Częściej stosowane są ciągadła stożkowe. Materiałem do ich wyrobu są głównie węgliki spiekane i diament techniczny. Do ciągnienia elementów o dużych przekrojach można wykonywać ciągadła ze stali narzędziowych. Znajdujący się w ciągadle metal ściskany jego ściankami zmniejsza swoje wymiary poprzeczne, a powiększa długość. Plastyczne odkształcanie materiału następuje w otworze na odcinku A-B pod wpływem rozciągających naprężeń osiowych, (rys. 9.2 a), wywołanych siłą F, przyłożoną do wychodzącego z narzędzia końca pręta, oraz ściskających naprężeń promieniowych 2 = 3, wywołanych naciskiem ścianek stożkowatego otworu ciągadła. Rozkład naprężeń 1 i 2 wzdłuż osi pręta przedstawiono na rys. 9.2 b. 142 Rys. 9.1. Podstawowe schematy ciągnienia Rys. 9.2. Ciągnienie pręta: a) schemat ciągnienia, b) rozkład naprężeń wzdłuż osi pręta 143 9.2.2. Obliczanie siły ciągnienia Aby wyznaczyć siłę F, konieczną do przeciągnięcia pręta o początkowym przekroju S0 przez ciągadło o polu otworu S, porównujemy pracę L= F"h1, wykonaną przez siłę F, w czasie gdy koniec pręta przesunął się o wielkość h0, z pracą zużytą w tym czasie na plastyczne wydłużenie odcinka pręta o długości h0 i objętości V=S0 " h0 = S1 " h1 L F " h1 = (9.1)
przy czym jest współczynnikiem energetycznej sprawności procesu ciągnienia. Korzystając z wzoru na pracę L = "V " " (9.2) p gdzie : - współczynnik określany doświadczalnie, zależny głównie od rodzaju materiału, p - naprężenie uplastyczniające, S0 = ln - odkształcenie rzeczywiste, S równanie (9.1) zapisać można w postaci S0 F " h1 = " S1 " ln (9.3) p S Jak wynika z tego wzoru, siła F jest tym większa, im większą wartość osiąga stosunek S0 . S Wartości siły ciągnienia F nie można dowolnie zwiększać, ponieważ po przekroczeniu pewnej wielkości mogłoby nastąpić zerwanie pręta. Względne ubytki przekroju, stosowane w praktyce dla jednej operacji ciągnienia zależą od stanu i rodzaju materiału. Dla prętów i drutów o przekroju okrągłym wynoszą one: " dla miedzi, aluminium, mosiądzu, brązu i stali niskowęglowej w stanie miękkim 25 30%, " dla miedzi, kobaltu, stali niskowęglowej w stanie półtwardym 20 25%, " dla stali niskowęglowej w stanie twardym, stali stopowych, wolframu, molibdenu 10 20%. W celu uzyskania większego ubytku przekroju poprzecznego, niż to jest możliwe do osiągnięcia w jednorazowym ciągu, konieczne jest wielokrotne przepuszczanie materiału przez szereg ciągadeł o stopniowo zmniejszających się wymiarach ciągadła i stosowanie wyżarzania międzyoperacyjnego. 9.2.3. Technologia ciągnienia Technologia ciągnienia oprócz samego procesu ciągnienia obejmuje procesy przygotowania materiału do ciągnienia, wybór właściwej metody ciągnienia oraz procesy wykończeniowe wyrobów ciągnionych. Powierzchnia materiałów wyjściowych, przeznaczonych do ciągnienia, takich jak walcówka lub prasówka, pokryta jest warstwą tlenków, która usuwa się przez trawienie w roztworach kwasów. Po wytrawieniu materiał 144 wyjściowy powinien być płukany w wodzie i kąpieli neutralizującej działanie roztworów trawiących. Bardzo często na tym etapie przygotowań na powierzchnię materiałów nakłada się powłoki smarne, metaliczne lub fosforanowe Tak przygotowany materiał zostaje zaostrzony przez walcowanie na zaostrzarce walcowej lub przez kucie i zaciągnięty w otwór ciągadła. 9.2.4. Tarcie i smarowanie w procesie ciągnienia Tarcie w procesie ciągnienia jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym. Wpływa na zwiększenie siły ciągnienia jak również na nierównomierność odkształcenia i występowania naprężeń własnych. Na pokonanie sił tarcia zużywa się około 30 50% całkowitej siły ciągnienia. Występowanie nierównomierności odkształcenia powoduje nierównomierności własności na przekroju ciągnionego wyrobu. Z nierównomiernością odkształcenia jest ściśle związane zjawisko powstawania naprężeń własnych. Naprężenia własne powodują określone wady materiału jak np. pękanie powierzchniowe, łuski, pęknięcia głębokie sięgające środka materiału itp. Nadmierne tarcie jest przyczyną szybkiego zużycia ciągadeł i utrudnia uzyskanie odpowiedniej gładkości powierzchni gotowego wyrobu. Zmniejszenie tarcia uzyskujemy poprzez zastosowanie odpowiednich środków smarujących. W procesach ciągnienia najczęściej stosowane są smary ciekłe będące kompozycją różnych olejów lub smary stałe, których głównym składnikiem są mydła. Typowe smary ciągarskie na bazie olejów mineralnych zawierają pewne aktywne dodatki, które znacznie poprawiają własności smarów. Takie substancje jak grafit i siarczek molibdenu mają dobre własności smarujące a ponadto dużą odporność na działanie wysokich temperatur. 9.2.5. Przepychanie Proces przepychania różni się od ciągnienia miejscem przyłożenia siły i większym oporem tarcia. Operację przepychania stosuje się w praktyce przemysłowej raczej rzadko, częściej występuje w sposób ukryty w procesach kucia lub wyciskania. Przepychanie można stosować w produkcji wałków przekładniowych (gładkich, z odsadzeniami, a nawet z wielowypustami), rozpychania, obciskania i zamykania końcówek rur (np. butle gazowe). Przykłady przepychania zestawiono na rys. 9.3. Rozkład naprężeń osiowych i promieniowych wzdłuż osi pręta pokazano na rys. 9.4. Jak wynika z porównania rys. 9.2 i 9.4 naprężenia 2 przyjmują znacznie większe wartości dla przepychania niż dla ciągnienia (przy tej samej wartości ubytku przekroju poprzecznego kształtowanego pręta). Oznacza to, że naciski jednostkowe wywierane przez materiał na ścianki narzędzia są także większe podczas procesu przepychania. Siłę w procesie przepychania określa się wg podobnego wzoru jak w przypadku ciągnienia: 2 2 # ś# ĄD0 psr D0 ś# ź# Fp = " " lnś# ź# (9.4) 4 t # d1 # p gdzie: D0 - średnica przed odkształceniem, d1 - średnica po odkształceniu, p sr - średnia granica plastyczności, p - sprawność procesu wynikająca z niejednorodności odkształceń pla- stycznych, 145 t - sprawność procesu wynikająca z oporów tarcia. Rys. 9.3. Operacje przepychania (przykłady) Rys. 9.4. Przepychanie: a) schemat przepychania, b) rozkład naprężeń wzdłuż osi pręta Dopuszczalne zmniejszenie przekroju poprzecznego jest ograniczone wartością siły F, która nie może przekroczyć wytrzymałości na ściskanie nieodkształconego odcinka materiału. Dla celów praktycznych przyjmuje się, że dopuszczalny ubytek przekroju w jednej operacji przepychania nie powinien przekraczać około 25%, co odpowiada stosunkowi średnic D0/d1H"1,15. Opór tarcia przepychania (t) jest większy niż w przypadku ciągnienia, gdyż w części zgniatającej i kalibrującej narzędzia występują ściskające naprężenia w kierunku wzdłużnym (1), które zwiększają nacisk materiału na ścianki robocze narzędzia, co wywołuje 146 zwiększenie siły tarcia. W przypadku ciągnienia naprężenia wzdłużne są naprężeniami rozciągającymi, a więc zmniejszającymi wielkość nacisku materiału na ścianki narzędzia. Utrata prostoliniowości powstaje w części zgniatającej narzędzia, w której materiał będący w stanie plastycznym ulega ugięciu przy stosunkowo małym momencie gnącym. Moment taki wywołują różnice oporu tarcia na obwodzie ciągadła. Podatność na ugięcia ulega znacznemu zmniejszeniu, jeżeli proces przepychania prowadzony jest bez konieczności uplastyczniania rdzenia (np. przy kształtowaniu wielowypustu). Duże naciski wywierane przez materiał na ścianki robocze narzędzia powodują wypychanie smaru na zewnątrz. Istnieje duża podatność do tworzenia narostów na powierzchni narzędzia. Narosty rysują wyrób obniżając jego jakość i jednocześnie zacznie zwiększają siłę przepychania. Do przepychania należy stosować smary posiadające bardzo dużą przyczepność do materiału. 9.3. Pomoce i urządzenia " ciągarka bębnowa, " ciągarka łańcuchowa, " ciągadła do ciągnienia drutów i prętów, " narzędzia do przepychania, " druty i pręty, " maszyna wytrzymałościowa, 9.4. Instrukcja do ćwiczenia " przygotowanie drutów i prętów do ciągnienia i przepychania, " ciągnienie drutów, " ciągnienie prętów, " wyznaczanie siły ciągnienia, " przepychanie odcinków rur, " przepychanie pręta, " określenie wielkości odkształcenia odcinków rur, " określenie wielkości odkształcenia pręta. 9.5. Sprawozdanie W sprawozdaniu należy umieścić: " schemat układu: przedmiot - narzędzie - ciągarka, " teoretyczne wyznaczanie siły ciągnienia i porównanie jej z siłą pomiarową, " szkic narzędzia do przepychania, " rysunek uzyskanej próbki. Literatura [23,24,29,30,34,37,38,40] 147