Ciągnienie z zastosowaniem ultradźwięków.

Do procesu ciągnienia stosuje się przetworniki o mocy 0,5-30 kW wytwarzające drgania ultradźwiękowe. Przetworniki mogą wykorzystywać odwrotny efekt piezo­elektryczny lub zjawisko magnetostrykcji. Zjawisko magnetostrykcji polega na tym, że materiały ferromagnetyczne zmieniają swoje wymiary pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Praktycznie stosowany w procesie ciągnienia zakres częstotliwości drgań wynosi 13-24kHz

W celu zwiększenia amplitudy drgań przetwornik łączony jest z tzw. koncentratorem drgań. Koncentrator jest to zwykle stalowy pręt o zmiennym przekroju poprzecznym posiadającym długość rezonansową.

Można wyróżnić kilka schematów pozwalających na wprowadzenie ciągadła w drgania ultradźwiękowe.

Najczęściej stosowane są rozwiązania ze wzdłużnym drganiem ciągadła, chociaż można również stosować drgania poprzeczne oraz obwodowe. Przy ciągnieniu rur na korku można wprowadzić w drgania zarówno ciągadło, jak i korek. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych do procesów ciągnienia drutów i rur prowadzi do wyraźnego obniżenia naprężenia ciągnienia, zmian własności mechanicznych oraz jakości ciągnionego wyrobu.

Schemat ciągnienia drutu z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych (drgania wzdłużne)

Szczegół A

1 - ciągniony drut,

2 -ciągadło

3, 4 - koncentrator (składany)

5 - przetwornik

6 - reflektor rezonansowy (rolki)

Obniżenie naprężenia ciągnienia pod wpływem drgań ultradźwięków spowodowane jest nakładaniem się kilku efektów:

-obniżenia naprężenia uplastyczniającego

-zmniejszenia sił tarcia na powierzchni styku metal - narzędzie

-obniżenia naprężenia uplastyczniającego w wyniku generowania się ciepła

w obszarze odkształcenia.

W licznych badaniach stwierdzono, że zmniejszenie siły ciągnienia jest zróżnicowane w zależności od rodzaju ciągnionego materiału oraz od zmiennych parametrów procesu takich jak:

-prędkość ciągnienia

-wielkość gniotu

-kierunek drgań w stosunku do kierunku ciągnienia

-energia drgań

-częstotliwość drgań

Badania wykazały, że zastosowanie drgań o odpowiedniej energii może spowodować obniżenie siły ciągnienia. Przy stałej wartości energii drgań doprowadzonych do układu, wzrost prędkości ciągnienia, powoduje mniejsze obniżenie siły ciągnienia. Siła ciągnienia maleje, gdyż ze wzrostem prędkości ciągnienia maleje również ilość energii drgań przypadająca na jednostkę objętości ciągnionego wyrobu.

Podobny wpływ wywiera zmiana gniotu. Wzrost odkształcenia (przy stałej energii drgań powoduje mniejsze obniżenie siły ciągnienia. Należy sądzić, że wzrost siły ciągnienia spowodowany wzrostem gniotu powoduje zjawisko tłumienia drgań ultradźwiękowych.

Wzrost energii drgań (wzrost amplitudy drgań) powoduje większe obniżenie siły ciągnienia, w szczególności dla materiałów o mniejszej temperaturze topnienia, dla których ciepło generowane przez drgania ultradźwiękowe powoduje znaczące obniżenie naprężenia uplastyczniającego.

Ciepło generowane w obszarze odkształcenia ma wpływ na zmiany własności mechanicznych ciągnionego wyrobu. Oddziaływanie to jest szczególnie widoczne przy ciągnieniu metali kolorowych.

Oprócz ciepła, na własności mechaniczne wyrobów wpływają również:

-efekt akustycznego umocnienia,

-zmiany niejednorodności odkształcenia spowodowane obecnością drgań

ultradźwiękowych

Dla materiałów o niskiej temperaturze rekrystalizacji zastosowanie drgań ultradźwiękowych powoduje obniżenie własności wytrzymałościowych i wzrost własności plastycznych.

Wyniki obserwacji przemysłowych wykazały, że drgania ultradźwiękowe wywierają korzystny wpływ na proces ciągnienia, gdyż powodują:

-możliwość zwiększenia gniotów

-poprawę jakości powierzchni wyrobów

-obniżenie siły ciągnienia

-zawężenie tolerancji wymiarowych

-możliwość ciągnienia cienkich drutów ze stali i stopów trudno odkształcalnych

(np. stopy cyrkonu, niobu)

- możliwość ciągnienia rur o bardzo dużej cienkościenności

Wymienione korzystne efekty drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia są głównie spowodowane obniżeniem współczynnika tarcia oraz zjawiskiem akustycznego odprężenia.

Ciągnienie stali w podwyższonych temperaturach

W tej technologii ciągnienia materiał jest wstępnie podgrzewany do temperatur wyższych od temperatury otoczenia i niższych od temperatury rekrystalizacji. W takim zakresie temperatur występuje zwykle wyraźna poprawa plastyczności stali, a także obniżenie własności wytrzymałościowych. Poprawa plastyczności jest spowodowana głównie aktywacją dyslokacji w wyniku doprowadzenia energii cieplnej, podobnie jak w przypadku ciągnienia z zastosowaniem ultradźwięków.

Ciągnienie na ciepło stosuje się głównie w przypadku ciągnienia tzw. stali trudno odkształcalnych, które charakteryzują się małą plastycznością w temperaturze otoczenia.

Do takich stali można zaliczyć m.in.:

- stale narzędziowe,

- stale szybkotnące,

- stale zaworowe,

- niektóre metale odporne na korozję.

Przeróbka plastyczna na zimno takich stali wymaga stosowania małych gniotów częściowych i sumarycznych, co z kolei powoduje konieczność wielu wyżarzań międzyoperacyjnych. Należy pamiętać, że każde wyżarzanie związane jest ze wzrostem kosztów produkcji, a dodatkowo mogą wystąpić niekorzystne zmiany w materiale np. odwęglenie Zwykle po operacji wyżarzania należy usunąć zgorzelinę i nałożyć odpowiednie warstwy podsmarowe.

Podwyższenie plastyczności stali poprzez podniesienie temperatury przeróbki plastycznej może doprowadzić do wyeliminowania wyżej wymienionych niekorzystnych zjawisk.

Wprowadzenie ciągnienia na ciepło wymaga jednak rozwiązania szeregu problemów technologicznych, do których należy zaliczyć:

-dobór temperatury przeróbki plastycznej,

-sposób nagrzewania materiału przed ciągnieniem,

-dobór warstwy podsmarowej oraz smarów,

-ocenę własności mechanicznych wyrobu po ciągnieniu na ciepło,

-ocenę zużycia narzędzi.

Dobór właściwej temperatury ciągnienia stali w podwyższonych temperaturach jest najbardziej skomplikowanym problemem technicznym. Temperatura powinna być tak dobrana, aby zapewnić:

-możliwość zrealizowania kilku ciągów bez międzyoperacyjnej obróbki cieplnej

-właściwe warunki smarowania, z czym związane są bezpośrednio jakość powierzchni wyrobu i zużycie ciągadeł;

-żądane przez odbiorcę własności gotowego wyrobu

-rozpatrując zagadnienie doboru temperatury ciągnienia, należy również wziąć pod uwagę sposób nagrzewania materiału przed ciągnieniem. Sposób nagrzewania ma bowiem wpływ na grubość i jakość powstającej zgorzeliny oraz na niejednorodność temperatury na przekroju poprzecznym nagrzewanego wyrobu.

Urządzenia nagrzewające są najczęściej wbudowane w jedną linię z maszyną ciągarską (jednociąg lub wielociąg).

W charakterze urządzeń grzewczych stosuje się najczęściej:

-wanny z ołowiem lub roztopionymi solami,

-przelotowe piece gazowe,

-przelotowe piece elektryczne,

-generatory do grzania indukcyjnego lub oporowego.

Stosowanie przelotowych pieców gazowych i elektrycznych nie jest dobrym rozwiązaniem, ze względu na tendencję do tworzenia się znacznej ilości zgorzeliny oraz na możliwość przegrzania materiału, szczególnie, gdy nagrzewane są małe przekroje.

Wanny z ołowiem lub roztopionymi solami, pomijając oczywiście problem ochrony środowiska, posiadają szereg zalet:

-nie tworzy się zgorzelina na nagrzewanym materiale,

-nie występuje zjawisko przegrzewania materiału

-cienka warstwa ołowiu lub soli pozostająca na powierzchni po opuszczeniu

wanny stanowi pewnego rodzaju warstwę podsmarową.

Podstawowymi wadami wanien ołowiowych jest wysoka toksyczność par Pb oraz ograniczenie temperatury nagrzewania do wartości maksymalne 500 - 550 C

Za najbardziej nowoczesne i efektywne sposoby nagrzewania uważa się nagrzewanie indukcyjne i kontaktowo-oporowe. W przypadku nagrzewania indukcyjnego wykorzystuje się generatory wysokiej częstotliwości, które często umieszczone są podobnie, tzn. jeden za drugim. Takie rozwiązanie stwarza możliwość szybkiego nagrzewania wyrobu do temperatury ok. 700 C

Nagrzewanie kontaktowo-oporowe zapewnia szybkie i skuteczne nagrzanie wyrobu do temp. 1OOO C w krótkim czasie i przy niewielkiej ilości tworzącej się zgorzeliny. Stosowanie dużych mocy generatorów (rzędu kilkuset kVA) wiąże się z możliwością wystąpienia lokalnego przegrzania materiału w miejscu styku z rolką (elektrodą) doprowadzającą prąd elektryczny.

Schemat ciągarki jednostopniowej do ciągnienia drutu w podwyższonych temperaturach (z nagrzewaniem indukcyjnym)

1-beben rozwijający

2-drut

3-prostownica rolkowa

4-induktor

5-smarownica

6-ciągadło

7-bęben odbierający (ciągnący)

Przeróbka plastyczna Kraków 18,05,2005 r.

III rok

Seminarium

„Nowości w ciągarstwie”

Wykonanie:

Mirosław Leśniewski

Tomasz Lewandowski

Ireneusz Ludwik

Szymon Siupa

Tomasz Skrzypek

---