TŁOCZENIE

Tłoczenie jest procesem technologicznym obróbki plastycznej na zimno lub rzadziej na gorąco, obejmujące kształtowanie różnych elementów maszyn i wyrobów metalowych wykonywanych z blach, taśm, rur, prętów i drutu. Operacje tłoczenia przeprowadza się na specjalizowanych lub specjalnych maszynach oraz w specjalnych przyrządach, zwanych tłocznikami, mocowanych na prasach.

Operacje tłoczenia dzieli się na:

• cięcie (kształtowanie wyrobów z naruszeniem spójności materiału),

• kształtowanie wytłoczek, które obejmuje:

- gięcie,

- wytłaczanie i przetłaczanie,

- kształtowanie miejscowe wytłoczek,

- inne metody tłoczenia.

CIĘCIE

Cięcie jest procesem kształtowania wyrobów, polegającym na częściowym lub całkowitym oddzieleniu jednej części materiału od drugiej, poprzez wytworzenie odpowiedniego naprężenia ścinającego za pomocą ostrych narzędzi w postaci: noży, stempli i matryc.

Operacje cięcia można przeprowadzać stosując:

• cięcie na nożycach, które są maszynami specjalnymi,

• cięcie w wykrojnikach i w narzędziach mocowanych na specjalizowanych i uniwersalnych prasach.

Cięcie można podzielić na:

• cięcie zwykłe, które pozwala na wykonanie wyrobów średnio dokładnych i dokładnych,

• wygładzenie i cięcie dokładne, pozwalające na wykonanie wyrobów dokładnych,

• specjalne metody cięcia, takie jak cięcie nożowe, cięcie gumą.

CIĘCIE NA NOŻYCACH

Nożyce są maszynami specjalizowanymi, które stosuje się w produkcji jednostkowej i seryjnej do cięcia blach na pasy lub taśmy oraz na przygotówki (np. krążki) do tłoczenia.

Ze względu na konstrukcję maszyn rozróżnia się nożyce:

• gilotynowe,

• krążkowe,

• skokowe, które mogą być ręczne lub stacjonarne i służą do cięcia pomocniczego po linii prostej lub zakrzywionej .

CIĘCIE NA NOŻYCACH GILOTYNOWYCH

Nożyce gilotynowe służą do cięcia blach o szerokości dochodzącej do 6 m i grubości do 60 mm. Nożyce mogą posiadać noże o krawędziach tnących równoległych lub skośnych o kącie złożenia ω_n>10°, przy czym geometria noży oraz luz między nożami zależy od twardości i grubości ciętego materiału.

Schemat nożycy gilotynowej

1- nóż górny, 2- nóż dolny, 3- materiał.

CIĘCIE NA NOŻYCACH KRĄŻKOWYCH

Nożyce krążkowe mają noże w postaci napędzanych krążków, które współpracują parami. Liczba par i wzajemne ustawienie noży krążkowych zależy od przeznaczenia nożyc. Rozróżnia się: nożyce z równoległymi osiami - nożyce wielokrążkowe, do cięcia (po linii prostej) taśmy.

Schemat nożycy wielokrążkowej

1- wał, 2- nóż krążkowy, 3- tuleja.

CIĘCIE NA NOŻYCACH KRĄŻKOWYCH

Nożyce z osiami równoległymi jednokrążkowe - do cięcia po linii prostej	Nożyce z osiami ukośnymi jednokrążkowe - do cięcia po linii zakrzywionej

CIĘCIE W WYKROJNIKACH

Produkowanie wyrobów i półwyrobów za pomocą wykrawania czyli cięcia na prasach uniwersalnych lub specjalizowanych odbywa się w specjalnie zaprojektowanych przyrządach zwanych wykrojnikami.

Wykrojniki posiadają narzędzia tnące: stempel i matryca (lub płyta tnąca), wraz z innymi elementami konstrukcyjnymi tłoczników.

W zależności od żądanej dokładności i trwałości wykrojniki mogą być :

• bez prowadzenia,

• z prowadzeniem słupowym,

• z prowadzeniem bezpośrednim.

Wykrojnik bez prowadzenia 1, 2 - stempel składany i monolityczny, 3 - matryca, 4, 5 -pierścień mocujący matrycę.	Wykrojnik z prowadzeniem słupowym 1 - stempel, 2 - prowadzenie taśmy, 3 - matryca, 4 - słup prowadzący.

Rodzaje wykrojników i tłoczników

Zabiegi cięcia i tłoczenia mogą być wykonywane w:

• wykrojnikach (tłocznikach) jednozabiegowych w produkcji małoseryjnej,

• wykrojnikach (tłocznikach) wielotaktowych, w których zabiegi cięcia są wykonywane jeden po drugim i mogą być łączone z innymi operacjami tłoczenia; wykrojniki te stosuje się w produkcji wielkoseryjnej i masowej drobnych elementów np. dla elektrotechniki i elektroniki,

• wykrojnikach (tłocznikach) równoczesnych, w których zabiegi cięcia są wykonywane za pomocą kilku stempli równocześnie w jednym suwie; stosuje się je w produkcji wielkoseryjnej i masowej.

WYKRAWANIE

Cięcie w wykrojnikach nazywa się wykrawaniem. Proces wykrawania przebiega w charakterystyczny sposób, w wyniku działania nacisku z siłą P stempla (1) na materiał (2) ułożony na matrycy (3). Między stemplem a otworem matrycy musi być zachowany luz dwustronny L = d_s. - D_m .





Rys. Schemat wykrawania

Wykrawanie

Aby otrzymać najlepszą powierzchnię przecięcia, pęknięcia powstałe na krawędziach stempla i matrycy muszą się zejść dając stożkową powierzchnię. Dlatego stosuje się optymalny luz wykrawania, który zależy od twardości i grubości ciętej blachy.

Luz ten wynosi 0,05÷0,12 grubości blachy, przy czym mniejsze wartości dotyczą blach z materiałów plastycznych o grubości poniżej 0,5 mm, natomiast większe wartości dotyczą blach twardych o grubości powyżej 10 mm.

Przebieg wykrawania

a) faza odkształceń sprężystych, b) faza odkształceń sprężysto-plastycznych, c) faza plastycznego płynięcia, d) faza pękania (dwa pęknięcia powinny się ze sobą zejść), f ) faza całkowitego oddzielenia materiału.

Wykrawanie - powierzchnia przecięcia

Elementy wykrawane w wykrojnikach charakteryzują się nierówną powierzchnią przecięcia i średnią dokładnością. Dokładność wyrobów: 9-12 kl., chropowatość: Ra = 32 - 125.




Rys. Strefy występujące na powierzchni przecięcia

a - zaokrąglenie krawędzi, b - strefa cylindryczna - plastycznego płynięcia, c - strefa stożkowa - pęknięcia, d - zadzior.

Parametry technologiczne wykrawania

Przy wykrawaniu elementów ustala się odpowiedni rozkrój, dla zminimalizowania odpadu, oraz przyjmuje się minimalne odległości od krawędzi taśmy lub blachy i odległości między elementami. Odległości te zwykle wynoszą 1 ÷1,5 gr. blachy.

Maksymalną siłę wykrawania wyznacza się z zależności:




gdzie: k = 1,1 ÷ 1,25 - współczynnik uwzględniający wzrost siły wykrawania w wyniku tarcia i stępienia narzędzi,

R_t -wytrzymałość na ścinanie; R_t = (0,6 ÷ 0,8) R_m,

l - długość linii cięcia,

g - grubość materiału.

Siła spychania ażuru (odpadu) ze stempla: P_s = (0,05÷0,2)* P

WYGŁADZENIE

Aby otrzymać wyroby o dokładniejszych wymiarach oraz gładkiej i prostopadłej powierzchni przecięcia, należy stosować dodatkową operację - wygładzania.

Wygładzanie przeprowadza się w wykrojnikach ścinając niewielki naddatek odpowiadający wielkości pochylenia. Można również wygładzać za pomocą plastycznego odkształcania warstwy zewnętrznej przez przepychanie przez odpowiednią matrycę lub przeciskając przez otwór odpowiedni stempel.




Rys. Sposoby wygładzania

a - wygładzanie zewnętrzne, b - wygładzanie wewnętrzne otworu, c,d - wygładzanie plastyczne

CIĘCIE DOKŁADNE

Dokładne wyroby wykrawane otrzymuje się również stosując jednooperacyjne wykrawanie ze ściskaniem dociskaczami płaskimi lub dociskaczami z granią . Do takiego wykrawania stosuje się specjalne prasy potrójnego działania, które wywierają dodatkowe naciski na dociskacz i przeciwstempel. Dodatkowy docisk i wgniatanie się grani w materiał powoduje podczas cięcia trójosiowy ściskający stan naprężeń, co prowadzi do wyeliminowania fazy pękania i uzyskania gładkiej powierzchni cięcia. Dokładność wyrobów: 7-9 kl., chropowatość: Ra = 1,6 - 3,2.




Rys. Schemat wykrawania dokładnego i gładkiego

1 - stempel, 2 - matryca, 3 - dociskacz, 4 - przeciwstempel

GIĘCIE

W zależności od rodzaju narzędzia i jego kinematyki rozróżnia się następujące sposoby gięcia:

• gięcie stemplem i matrycą na prasach; stempel wykonuje ruch posuwisto-zwrotny,

• gięcie za pomocą owijania,

• gięcie za pomocą walców; (zwijanie, profilowanie wzdłużne, prostowanie ),

• gięcie za pomocą przeciągania ( ciągnienia).

Podstawowymi sposobami gięcia na prasach jest wyginanie (a) i zaginanie (b). Operacje te przeprowadza się w specjalnych przyrządach zwanych giętownikami na uniwersalnych prasach i specjalnych automatach do gięcia.

Wyginanie przygotowanego odcinka blachy lub pręta odbywa się przez nacisk stempla na materiał, przy czym materiał zakrzywia się pod działaniem momentu gnącego, a w końcowej fazie dogniatania w matrycy, materiał przyjmuje żądany kąt wygięcia ramion.




Schematy gięcia

a) wyginanie, b) zaginanie, c) owijanie, d) zwijanie walcami

Po usunięciu obciążenia po gięciu następuje zwiększenie kąta wygięcia ramion o kąt zwany kątem sprężynowania. Kąt sprężynowania najczęściej jest niekorzystny, powoduje pewne niedokładności, i jest tym większy im jest: większe R_e , większy kąt i promień gięcia, mniejsza grubość. Można go zmniejszyć stosując dogniatanie w miejscu gięcia lub zwiększając kąt gięcia.

WYTŁACZANIE

Wytłaczanie jest operacją, w której specjalnie wycięta płaska blacha (np. krążek) jest stopniowo przekształcana w wytłoczkę, w wyniku plastycznego płynięcia, za pomocą nacisku najczęściej dwóch narzędzi: stempla i matrycy.

Wytłaczanie można przeprowadzać różnymi sposobami: za pomocą dwóch sztywnych narzędzi stempla i matrycy, lub zastępując jedno narzędzie cieczą (tłoczenie hydrostatyczne) lub narzędziem elastycznym (np. poliuretanem).

Za pomocą wytłaczania (w jednej operacji) kształtuje się płytkie wytłoczki cylindryczne, prostokątne i inne mniej złożone wytłoczki np. elementy karoserii samochodów. Kształtowanie wytłoczek głębokich i  bardziej złożonych wymaga stosowania większej liczby operacji tłoczniczych np. przetłaczania, dotłaczania lub miejscowego kształtowania.

Najczęściej stosuje się wytłaczanie za pomocą stempla i matrycy mocowanych w tłocznikach na prasach uniwersalnych lub w oprawach na prasach specjalnych do tłoczenia.

Wytłaczanie naczynia cylindrycznego odbywa się z krążka o średnicy D wyznaczonej z zasady stałej objętości:




gdzie: d - średnica wytłoczki,

h -wysokość wytłoczki.

Maksymalne odkształcenie, jakie można uzyskać w tym procesie określa się za pomocą współczynnika wytłaczania:




Wartość m zależy od: materiału i jego tłoczności, g / D i wynosi od 0,46 do 0,6.

Wytłaczanie naczynia cylindrycznego grubościennego może odbywać się swobodnie (a). Natomiast wytłaczanie naczyń cienkościennych przeprowadza się z dociskaczem (b), w celu zapobiegania fałdowania się bocznych ścianek wytłoczki.

Dociskacz stosuje się przy spełnionej zależności:




a) Wtłaczanie swobodne	b) Wytłaczanie z dociskaczem

PRZETŁACZANIE

Przetłaczanie swobodne lub dociskaczem stosuje się jako następne operacje po wytłaczaniu, najczęściej przy wytwarzaniu głębokich naczyń cylindrycznych, prostokątnych lub o innej podstawie. Dopuszczalną redukcję średnic, w kolejnych operacjach przetłaczania, określają współczynniki przetłaczania:
, które wynoszą od 0,7 do 0,86, w zależności od liczby przetłoczeń i grubościenności wytłoczki.





Przetłaczanie swobodne (bez dociskacza)

Przetłaczanie z pocienieniem ścianki

Przetłaczanie z pocienieniem ścianki, zwane wyciąganiem, stosuje się po przetłaczaniu w celu uzyskania mniejszej grubości ścianki naczynia niż grubość początkowa wsadu (np. puszki do napojów). W tym procesie zazwyczaj następuje nieznaczne zmniejszenie średnicy oraz znaczna redukcja (do 30%) grubości ścianki naczynia.




Przetłaczanie z pocienieniem ścianki

Przetłaczanie z przewijaniem

Przetłaczanie z przewijaniem, stosuje się w celu intensyfikacji procesu tłoczenia lub w celu uzyskania podwójnej ścianki wyrobu np.: obudowa łożysk, termosy metalowe.




Rys. Przetłaczanie z przewijaniem

Kształtowanie miejscowe wytłoczek

Stosuje się w celu uzyskania miejscowej zmiany kształtu wytłoczki np. obciskanie, roztłaczanie, rozpęczanie, wywijanie kołnierza i wiele innych operacji.

Obciskanie	Roztłaczanie

Zjawiska ograniczające kształtowanie wytłoczek

Prawidłowy przebieg wytłaczania i przetłaczania może być ograniczony następującymi zjawiskami:

• obwodowe pękanie wytłoczki w pobliżu dna, - zbyt duża redukcja średnic (za małe m),

• fałdowanie ścianek wytłoczek, należy stosować dociskacze,

• pękanie ścianek przy obrzeżu wytłoczki, zbyt duża liczba zabiegów, należy stosować wyżarzanie międzyoperacyjne.

Inne sposoby kształtowania wytłoczek

Wyoblanie jest procesem kształtowania wytłoczek za pomocą wyoblaka, kształtując ją przez stopniowe odkształcenie na wzorniku. Stosuje się do wytłoczek małych (elementy żyrandoli) i do bardzo dużych (dennice zbiorników), w produkcji jednostkowej i małoseryjnej, które przeprowadza się na zimno lub gorąco (butle gazowe). Wyoblanie stosuje się w celu uzyskania określonego kształtu lub miejscowej zmiany kształtu wyrobu. Może być przeprowadzane ręcznie lub na wyoblarkach automatycznych.




Rys. Wyoblanie

Zgniatanie obrotowe jest procesem kształtowania wytłoczek które jest podobne do wyoblania, przy czym następuje pocienienie ścianki wyrobu.

Kształtowanie wytłoczek może odbywać się również za pomocą wielu innych procesów np. tłoczenia wybuchowego, tłoczenia elektro-hydro-dynamicznego, elektro-dynamicznego i innych.

CIĄGNIENIE

Ciągnienie jest procesem kształtowania wyrobów długich, takich jak druty, pręty okrągłe i kształtowe, kształtowniki i rury, które polega na przeciąganiu materiału przez narzędzie zwane ciągadłem lub między ciągadłem a trzpieniem.

Ciągnienie przeprowadza się przede wszystkim na zimno w celu nadania odpowiedniego kształtu, zmniejszenia przekroju lub/i w celu zwiększenia dokładności, gładkości oraz zmiany własności wyrobom.

Przeprowadza się na ciągarkach ławowych lub bębnowych. Do ciągnienia używa się narzędzi w postaci ciągadeł monolitycznych (ze stali narzędziowych, węglików spiekanych, diamentowych) lub rolkowych. Podczas ciągnienia muszą być zachowane określone warunki takie jak: czysta powierzchnia, bardzo dobre smarowanie, określona prędkość ciągnienia, dopuszczalny współczynnik ciągnienia ( zwykle λ < 1,4) , wyżarzanie międzyoperacyjne.

Wytwarzanie drutu

Wytwarzanie drutu i prętów ciągnionych (wg PN) polega na wielokrotnym przeciąganiu przez ciągadło na ciągarkach bębnowych z wsadu walcowanego tz. walcówki. Pręty o większym przekroju i kształtowe ciągnie się na ciągarkach ławowych.

Proces technologiczny wytwarzania prętów i drutu składa się z następujących operacji:

• przygotowanie powierzchni wsadu do ciągnienia ( trawienie, płukanie , zobojętnianie),

• nanoszenie powłoki podsmarnej (miedziowanie, fosforanowanie),

• zaostrzanie końca pręta lub drutu w celu przeprowadzenia materiału przez ciągadło,

• ciągnienie w odpowiedniej liczbie ciągów (zwykle kilka do kilkunastu) wraz z jednoczesnym smarowaniem podczas ciągnienia za pomocą smarów stałych (proszkowych np. mydło szare) lub smarów płynnych,

• w celu dalszego ciągnienia na np. mniejszą średnicę stosuje się wyżarzanie międzyoperacyjne (np. rekrystalizacyjne),

• ponownie wykonuje się kolejne wcześniej wymienione operacje.




Rys. Schemat ciągadła i ciągnienia drutu i pręta

1-część wejściowa (smarująca), 2-część zgniatająca, 3- szęść kalibrująca, 4-część wyjściowa

Ciągnienie rur

Zakres średnic ciągnionych rur jest bardzo szeroki i obejmuje zarówno rury stalowe i z metali nieżelaznych, kapilarne ( o średnicy poniżej 1mm), jak i rury o dużych średnicach (ok. 180 mm) i grubościach ścianek ( 10-12 mm).

W praktyce stosuje się kilka podstawowych sposobów ciągnienia rur:

1. ciągnienie swobodne (bez trzpienia), głównie w celu zmniejszenia średnicy, przy czym może nastąpić zmiana gr. Ścianki; jest najmniej dokładnym sposobem ciągnienia rur,

2. ciągnienie na trzpieniu stałym, jest dokładną metodą ciągnienia, pozwalająca na redukcję średnicy i ścianki rury,

3. ciągnienie na trzpieniu swobodnym, jest dokładną metodą ciągnienia, pozwalająca na redukcję średnicy i ścianki rur o znacznych długościach i ciągnionych w kręgach,

4. ciągnienie na trzpieniu ruchomym, stosowane rzadko do celów specjalnych.

Proces ciągnienia rur odbywa się na specjalnych zautomatyzowanych ciągarkach wielożyłowych lub do ciągnienia niektórych rur stalowych i z metali nieżelaznych o małych przekrojach na ciągarkach jednobębnowych.

Przygotowanie rur do ciągnienia odbywa się podobnie jak dla prętów z tym, że w przypadku ciągnienia rur na trzpieniu musi być przygotowana również powierzchnia wewnętrzna rur.

Zaostrzanie rur wykonuje się zazwyczaj przed każdym ciągnieniem przez:

• zaostrzanie na specjalnych walcarko-zaostrzarkach,

• zakuwanie w kowarkach (lub na młotach dla dużych średnic),

• przez wciskanie bezpośrednio w ciągadło, za pomocą specjalnych wciskarek.

Do ciągnienia prętów i rur stosuje również inne metody ciągnienia np. ciągnienie w ciągadłach rolkowych, ciągnienie hydrostatyczne i hydrodynamiczne.




Schematy ciągnienia rur

a) ciągnienie swobodne, b) ciągnienie na trzpieniu stałym, c) ciągnienie na trzpieniu rychomym,

d) ciągnienie na trzpieniu swobodnym

D_m

---