1. Wstęp

2. Cel i zakres pracy

3. Charakterystyka wyrobu – łyżeczki

   1. Charakterystyka stali 1.4301

   2. Budowa, charakterystyka i przeznaczenie łyżeczki

4. Warianty wykonania łyżeczki

   1. Ogólna klasyfikacja tłoczników i ich budowa

   2. Dobór tłocznika do wykonania danego przedmiotu

   3. Wariant I – tłocznik i wykrojnik jako jedno narzędzie

   4. Wariant II – tłoczenie i wykrawanie w dwu osobnych operachjach

   5. Wariant III – tłoczenie i wykrawanie w tłoczniku dwutaktowym

      1. Tłoczenie, później wykrawanie

      2. Wykrawanie, później tłoczenie

5. Tok postępowania przy konstruowaniu tłocznika wielotaktowego

6. Budowa podzespołów i całego tłocznika

   1. Matryca

   2. Stempel

7. Wnioski

1. Wstęp

Tłoczenie jest bardzo powszechną i szeroko wykorzystywaną metodą tworzenia wyrobów z blach i taśm. Ma zastosowanie w wyrobie sprzętów AGD¹, przemyśle samochodowym², artystycznym i wielu innych. Tłoczenia najczęściej używa się w produkcji wielkoseryjnej i masowej³.

Według Romanowskiego jedną z najbardziej postępowych metod produkcji jest tłoczenie na zimno. Umożliwia między innymi:

• otrzymywanie przedmiotów o złożonych kształtach, których wyrób byłby trudniejszy za pomocą innych metod,

• ominięcie w procesie produkcyjnym skrawania,

• wytwarzanie przedmiotów lekkich, a zarazem wytrzymałych i sztywnych

• masowe wytwarzanie, niski koszt wyrobów

• oszczędne wykorzystanie materiału,

• obsługiwanie prasy przez robotników o niskich kwalifikacjach⁴.

Postęp cywilizacyjny sprawił, że istnieje zapotrzebowanie na przedmioty o kształtach doskonale zgodnych z kształtami wymaganymi. Często wchodzą w grę także czas i pieniądze, których może braknąć, jeśli proces produkcyjny będzie polegał na ciągłym testowaniu i modyfikowaniu narzędzi do tłoczenia zakończonym prawidłowo wytworzoną wytłoczką⁵.

W moim przypadku mniej istotny jest jednak stuprocentowo dokładny wyrób. Cel niniejszej pracy jest ostatecznie stricte dydaktyczny; tłocznik ma mieć funkcję właściwie wyłącznie demonstracyjną, co przesuwa punkt ciężkości moich zainteresowań z ostatecznej formy wyrobu na sam tłocznik. Korzystam więc z tradycyjnych, uznanych opracowań⁶ dotyczących przedmiotu moich badań i pomijam nowocześniejsze metody, za pomocą których tłoczenie danego wyrobu byłoby szybsze, łatwiejsze i dokładniejsze.

2. Cel i zakres pracy

Celem pracy jest zaprojektowanie tłocznika wielotaktowego do wykonania łyżeczki. Tłocznik będzie przeznaczony do celów dydaktycznych, jako przykład tłocznika wielotaktowego dla Zakładu Inżynierii Procesów Kształtowania Plastycznego w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji – jako przedmiot instruktażowy w zajęciach laboratoryjnych z Technik Wytwarzania – Przeróbki Plastycznej. Zakres pracy obejmuje następujące zagadnienia:

• przegląd tłoczników,

• dobór tłocznika,

• opis wariantów wykonania łyżeczki,

• projekt matrycy, dobór materiału, rysunek wykonawczy,

• projekt stempla, dobór materiału, rysunek wykonawczy,

• dobór rodzaju prowadzenia,

• model 3D tłocznika.

3. Charakterystyka wyrobu – łyżeczki

3.1 Charakterystyka stali 1.4301

Zgodnie z polską normą PN-EN 10088 stal 1.4301 to stal X10CrNi18-10, czyli stal stopowa austenityczna z dodatkiem stopowym chromu 17-19% i niklu 8-10%. Ten gatunek stali jest jednym z bardziej popularnych ze względu na różnorodność zastosowań w przemyśle. Głównym zastosowaniem jest przechowywanie i obróbka artykułów spożywczych, ale także produkcja wyposażenia szpitalnego. Stal 1.4301 jest stalą kwasoodporną dzięki zawartości austenitu, możliwego do utrzymania dzięki dużej zawartości chromu (powyżej 17%) i niklu (powyżej 8%). Budowę austenityczną osiąga się (poza wpływem dodatków stopowych) za pomocą obróbki cieplnej, zwanej przesycaniem. Przesycanie polega na wygrzewaniu stopów w temperaturze powyżej granicznej rozpuszczalności składnika stopowego (tutaj austenitu), a później gwałtownym ochłodzeniu, zazwyczaj w wodzie. Taka stal ze względu na strukturę austenityczną z bliźniakami (rys 3.1.1) ma dobre właściwości plastyczne do obróbki na zimno i na gorąco.

Rys. 3.1.1 Austenit stopowy z bliźniakami rekrystalizacji w stali X2CrNiMo17-12-2. Trawione wodą królewską, pow 500x⁷

Własności stali 1.4301 według norm:

• Wytrzymałość na rozciąganie: R_m = 500 − 750 MPa

• Granica plastyczności: R_P0, 2 = 300 MPa

• Ciągliwość A=52%

• Gęstość $\ \rho = \ 7,9\frac{g}{\text{cm}^{3}}$

3.2 Budowa, charakterystyka i przeznaczenie łyżeczki

Materiałami wejściowymi do procesu tłoczenia są blachy i taśmy. Najbardziej rozpowszechnionymi metalami w tłocznictwie są m.i. stale, miedź i jej stopy, aluminium i jego stopy. Materiał powinien odpowiadać warunkom eksploatacyjnym i przeznaczeniu przedmiotu. Ponadto bardzo ważne są własności materiału. Na własności wpływ ma skład chemiczny, struktura stopu i wielkość ziarna, rodzaj przeprowadzonej obróbki cieplnej i stopień zgniotu. Strukturalna postać węgla ma istotny wpływ na tłoczność blachy. Np. swobodny cementyt czy grube ziarno powodują defekty wytłaczanego przedmiotu. Gruboziarnista struktura prowadzi do wyraźnych zmian powierzchni w postaci bruzd, tzw. pomarańczowej skórki, natomiast nieumocnienie metalu przy odkształceniu prowadzi do poślizgu pod wpływem naprężeń rozciągających, co widoczne jest w postaci pasów w makrostrukturze. Materiały powinny charakteryzować się dobrą tłocznością, czyli zdolnością do plastycznego kształtowania bez powstawania wad wyrobu, na którą główny wpływ ma granica plastyczności R_p. Wskaźnikiem plastyczności jest współczynnik przewężenia c w próbie rozciągania. Wadą wytłoczki jest niechciane przewężenie, mikro lub makropęknięcie, fałdowanie itp. Podsumowując – na tłoczność metali wpływa przede wszystkim kształt i wielkość faz strukturalnych plastycznych i nieplastycznych, brak struktury pasmowej i wolnego cementytu oraz wtrąceń niemetalicznych.

Przedmiotem do wytłoczenia jest część łyżeczki deserowej (czasza) wraz z kawałkiem trzonka. Pozostała część łyżeczki (trzonek) zostanie wtryśnięta z tworzywa sztucznego.

Rys. 3.2.1 Model 3D łyżeczki, zrzut obrazu z programu Autodesk Inventor Fusion 2012

Charakterystyczne wykończenie trzonka (niesymetrycznie ustawione wgłębienia i otwór na końcu) służą lepszej stabilizacji plastikowej rączki. Wyrób będzie wytłoczony w blasze, a następnie wykrojony przy pomocy tłocznika dwutaktowego. Szerokość blaszanej taśmy ze stali 1.4301 o grubości 1,5 mm obliczona jest wedle wzoru:

B = D_max + 2a + T = 34mm + 2 * 1, 4mm + 0, 5mm = 37, 3mm

gdzie:

B – szerokość taśmy

D_max – szerokość maksymalna wyrobu

a – odstęp boczny

T – odchyłka szerokości materiału odczytana z tablicy⁸

Wartości a i T dobrane odpowiednio z tabeli 4.29 i 4.27⁹.

Charakterystyka łyżeczki:

• materiał: stal 1.4301,

• powierzchnia: 15, 7 cm²,

• klasa dokładności: IT18 – mało dokładna, dopuszczalne odchyłki wymiarowe 3,9 mm,

• masa: 18,6 g.

4. Warianty wykonania łyżeczki

4.1 Ogólna klasyfikacja tłoczników, budowa i zasady doboru tłocznika

Tłoczeniem nazywamy szereg procesów obróbki plastycznej na zimno prowadzących do kształtowania i odseparowania lub łączenia materiałów w postaci blach, folii lub płyt. Tłoczenie przeprowadza się za pomocą narzędzi zwanych tłocznikami, składającymi się z matrycy i stempla, mocowanych w różnego rodzaju prasach.

Tłocznenie na zimno można wykonywać za pomocą:

• wykrojników,

• tłoczników gnących,

• ciągowników,

• tłoczników złożonych.

Każdy z wyżej wymienionych tłoczników można sklasyfikować ze względu na rodzaj wykonywanych operacji i sposób prowadzenia stempla względem matrycy.

Sposób prowadzenia stempla względem matrycy przedstawia poniższa tabela.

Rys 4.1.1 Sposób prowadzenia stempla względem matrycy¹⁰

Za pomocą tłocznenia można wykonać następujące operacje:

• cięcie,

• kształtowanie,

• łączenie.

CIĘCIE	KSZTAŁTOWANIE	TŁOCZENIE
dziurkowanie nacinanie odcinanie okrawanie przycinanie rozcinanie wycinanie wygładzanie	dogniatanie dotłaczanie obciąganie obciskanie (obtłaczanie) profilowanie prostowanie przebijanie przetłaczanie przewijanie punktowanie rozpęczanie (roztłaczanie) skręcanie wybijanie wyciąganie wyciskanie wyginanie wygniatanie wyoblanie wywijanie zaginanie zawijanie zgniatanie obrotowe znakowanie zwijanie	zaginanie skręcanie wywijanie zawijanie obrzeża obciskanie rozpęczanie zaprasowanie spajanie na zimno

Tab. 4.1.1 Operacje wykonywane w procesie tłoczenia¹¹

Części, które składają się na tłocznik, zostały sklasyfikowane i przedstawione na poniższym grafie:

Rys. 4.1.2 Rodzaj i klasyfikacja części tłoczników¹²

Wybór odpowiedniego narzędzia do wykrawania i kształtowania blachy zależy od wielu czynników. To, jakie przeznaczenie będzie miał wyrób, jaka będzie wielkość produkcji, z jakiego materiału tłoczymy (czynniki wyrobu wpływające na dobór tłocznika), jak i koszty wykonania samego tłocznika w zależności od rodzaju tłocznika, trudność wykonania tłocznika i w końcu rodzaj prasy, na której dany tłocznik może pracować – mają bardzo istotny wpływ na wybór tłocznika. Przez wzgląd na ekonomię produkcji, w zakładach przemysłowych wyboru dokonuje się na podstawie poniższego wzoru, przy czym należy brać pod uwagę wszystkie możliwe rozwiązania, a spośród nich wybrać to, w którym koszt jednostkowy wytłoczki będzie najniższy:

K_j = K_s + M + B + R + K_w + K_o + K_z

K_j − koszt jednostkowy wytloczki

K_s − koszty specjalne (koszty wykonania tlocznikow)

M − koszt materialu

B − straty na braki

R − koszt robocizny

$$K_{w} - koszty\ wydzialowe\ (K_{w} = \frac{N_{w}R}{100})$$

$$K_{o} - koszty\ ogolnozakladowe\ (K_{o} = \frac{N_{o}}{100}(R + K_{w}\ ))$$

K_z − koszt sprzedazy

N_w − procentowy narzut kosztow wydzialowych

N_o − procentowy narzut kosztow ogolnozakladowych

W praktyce stosowany jest jeszcze wzór na obliczenie różnicy kosztów dwu różnych wariantów, jednak nie przytoczę go tutaj ze względu na jego obszerność i małą istotność.

Tłoczniki dobiera się przez wzgląd na charakterystykę wyrobu. W zależności od tego, czy jest to wyrób skomplikowany, czy prosty, możliwości wykonania jest wiele. Proste wytłoczki można wykonać w kilku operacjach na różnych tłocznikach lub na jednym tłoczniku używając różnych matryc i stempli. Dla skomplikowanych produktów o wielu krzywiznach i otworach najlepiej stosować tłoczniki wielotaktowe, które wykonują na pasie blachy kilka operacji jednocześnie odcinając element na końcu lub na początku procesu, wtedy tłocznik wielotaktowy może mieć dodatkowe wypychacze, które po każdym takcie będą powtórnie wciskać przedmiot w taśmę.

Rys. 4.1.3 Przykładowy element wykonywany przez tłocznik wielotaktowy

Ze względu na dydaktyczne przeznaczenie projektowanego tłocznika narzucone zostało, by mimo mniej skomplikowanych możliwości wykonania przedmiotu był to tłocznik wielotatkowy składający się z dwutaktu.

Rys. 4.1.1 Przykład wykrojnika wielotaktowego¹³

4.2. Wariant wykonania I – tłoczenie i wykrawanie w jednej operacji

Jak już zostało wspomniane, tłoczenie możliwe jest w wielu kombinacjach. Jedną z nich jest wytłoczenie i wykrojenie łyżeczki w jednej operacji, przy użyciu jednego narzędzia – tłocznika złożonego jedoczesnego – ze względu na nieskomplikowany kształt łyżeczki (proste wycinanie i małe wygięcie). Tłoczenie jednoczesne charakteryzuje się tym, że podczas jednego ruchu roboczego maszyny następują dwie lub więcej zmiany kształtu, bez przesuwania materiału. Ze względu na duży koszt wykonania tłoczników złożonych, znajdują zastosowanie w produkcji wielkoseryjnej i masowej – dzięki czemu poprzez zmniejszenie liczby operacji uzyskiwana jest wysoka wydajność tłoczenia przy równoczesnym zmniejszeniu kosztów gotowego wyrobu. Tłoczniki złożone nadają się jednak tylko do małych grubości materiału.

Zalety tej metody:

• wysoka wydajność tłocznika,

• zwrot kosztów i ekonomiczne rozwiązanie przy produkcji wielkoseryjnej i masowej,

• wykorzystanie tylko jednej prasy do całego procesu produkcji omawianej części łyżeczki,

• oszczędność czasu.

Wady tej metody:

• wysoki stopień skomplikowania wykonania tłocznika,

• wysoki koszt tłocznika,

• nieopłacalne przy produkcji jednostkowej i małoseryjnej.

4.3 Wariant wykonania II – tłoczenie i wykrawanie w osobnych operacjach

Kolejnym rozwiązaniem jest tłoczenie w dwu osobnych operacjach przy użyciu kilku narzędzi. Tutaj zastosować można również tłoczenie przy użyciu tłocznika i wykrojnika zamontowanych na dwu różnych prasach. Na jednej z nich przedmiot byłby wykrawany, na drugiej wytłaczany. Jest to rozwiązanie mniej ekonomiczne głównie ze względu na zastosowanie osobnych pras, co stanowi dużą część kosztów poniesionych przez pracownie czy zakład, ale również ze względu na wykonanie narzędzi, czas transportu między jedną a drugą maszyną i czas przygotowywania półwyrobu do kolejnej operacji. Na podstawie klasyfikacji operacji tłoczenia ze względu na rodzaj podstawowego odkształecenia i typ tłoczonych przedmiotów wiemy, że to przedmiot wygięty wykonany cięciem i gięciem.

Zalety tej metody:

• niski koszt wykonania tłocznika – koszty matryc i stempli.

Wady tej metody:

• wydłużony czas procesu,

• zastosowanie dwu pras lub zmiana narzędzia po wykonaniu serii jednej operacji.

4.3 Wariant wykonania III – tłoczenie i wykrawanie za pomocą tłocznika wielotaktowego

Tłoczenie wielotaktowe charakteryzuje się tym, że w czasie jednego ruchu roboczego jest wykonywanych kilka operacji. Różni się tym od tłoczenia jednoczesnego, że operacje nie są wykonywane na jednym wyrobie, a każda operacja skutkuje przesunięciem pasa blachy, tym samym doprowadzeniem półwyrobu do następnej operacji. Innymi słowy tłocznik jest zbudowany z kolejno ułożonych po sobie matryc i stempli, które podczas jednego ruchu roboczego wykonują szereg operacji w ilości taktów odpowiadającej liczbie potrzebnych do wykonania całego procesu tłoczenia. Dzięki temu przy użyciu jednego narzędzia mamy n rozpoczętych operacji na n półwyrobach. W przypadku wytłaczania łyżeczki tłocznik będzie dwutaktowy. W pierwszej operacji wyrób będzie wytłaczany, w drugim wycinany i wypychany z pasa blachy. Mamy zatem do czynienia z tłocznikiem złożonym z tłocznika gnącego i wykrojnika.

Zalety tej metody (podobne do tłoczenia jednoczesnego):

• jedna prasa do całego procesu techologicznego,

• ekonomiczność czasowa,

• wysoka wydajność procesu tłoczenia,

• zwrot kosztów przy produkcji wiekloseryjnej i masowej.

Wady tej metody:

• wysoki koszt wyrobu narzędzia,

• mała opłacalość przy produkcji małoseryjnej i jednkostkowej.

5. Tok postępowania przy konstruowaniu tłocznika wielotaktowego

Według Albumu konstrukcji tłoczników, aby określić rozmiar płytki wyjściowej należy postępować wedle niżej opisanego schematu. Na początku należy się zająć analizą postawionego zadania. Pierwszym krokiem jest określenie technologiczności przedmiotu, czyli analiza pod kątem wykonywalności wyrobu w procesie tłoczenia. Łyżeczka jest prostym elementem możliwym do wykonania w procesie tłoczenia. Należy podjąć tutaj decyzję, czy przedmiot najpierw będzie tłoczony, później wykrawany, czy odwrotnie. Wycięcie przedmiotu w pierwszym takcie będzie skutkowało potrzebą zastosowania wypychacza, który umiejscowi wyciętą płytkę w płaszczyźnie pasa. W drugiej operacji konieczny będzie wypychacz, który po wytłaczaniu wybije z pasa wytłoczkę już jako gotowy wyrób. W odwrotnym wariancie (najpierw tłoczenie, później wycinanie) mamy możliwość zastosowania matryc i stempli o podobnych wymiarach. Kształt części roboczych tłocznika gnącego, jak i wykrojnika będzie odwzorowywał kształt gotowej łyżeczki. Przy pierwszej operacji blacha zostanie wygięta w oczekiwanym kształcie, a po przesunięciu do nastepnego narzędzia odcięta w postaci gotowego wyrobu. Natępnym krokiem jest zaplanowanie układu wykrojów w pasie lub arkuszu blachy. W tym wypadku jest to pas ze względu na cele, dla których ten tłocznik jest stworzony. Układ wykrojów blachy przedstawia rys …. Ostatnim z działań w analizie procesu jest dobór optymalnej maszyny – prasy. W tym wypadku jest to prasa (uniwersalna) ze względu na rodzaj pras, którymi dysponuje PWr. Kolejnym z etapów działania jest konstruowanie. Tutaj należy ustalić kształt i wymiary części roboczych tłocznika (matrycy i stempla). Następnie trzeba dobrać poszczególne podzespoły tłocznika, wymienione na rys 4.1.2.

5.1 Obliczenia sił tłoczenia i wykrawania

Tłoczenie blachy jest procesem, który polega na pokonaniu granicy sprężystości metalu i stałym odkształceniu – miejscowej zmianie struktury poprzez wykorzystanie własnosci plastycznych metalu. Według Wybranych zagadnień technologii tłoczenia i oprzyrządowania siła wytłaczania powinna być obliczona wg wzoru:

F_w = A * k * R_m = 210 * 1, 5 * 0, 6 * 500 = 94, 5 kN

gdzie: F_w − sila wytlaczania

A − pole obwodowe wyrobu − iloczyn obwodu i grubosci wyrobu

k − wspolczynnik dobrany z tabeli 4.42

R_m − maksymalne naprezenie rozciagajace,  przy ktorym nastapil zlom

Siła wykrawania powinna być większa niż granica R_m, czyli należy ją policzyć z podstawowego wzoru wytrzymałościowego na naprężenia ścinające:

$$\tau = \ \frac{F}{A} \leq k_{t}$$

---

1. Zob. How it’s made. Barbecues, http://www.youtube.com/watch?v=eS1sJ8N734k, dostęp : 11.02.2014.↩

2. Zob. www.sandvik.coromant.com/pl-pl/industrysolutions/automotive/stampingdies/pages/default.aspx, dostęp: 11.02.2014.↩

3. W. Romanowski, Tłoczenie na zimno, tłum. K. Szopski, Warszawa 1964, s. 8.↩

4. Tamże, s. 7.↩

5. Z. Zimniak, System wspomagania projektowania, zapewnienia jakości i diagnozowania procesów tłoczenia blach, Wrocław 2005, s. 7.↩

6. Głównie: E. Markiewicz, F. Wajda, Album konstrukcji tłoczników, Warszawa 1974.↩

7. T. Grzegorzewicz, K. Hainmann, Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwa, red. W. Dudziński, K. Widanka, Wrocław 2009.↩

8. T. Golatowski, B. Kwaśniewski, Wybrane zagadnienia z technologii tłoczenia i oprzyrządowania, Warszawa 1983, s. 207↩

9. T. Golatowski, B. Kwaśniewski, Wybrane zagadnienia z technologii tłoczenia i oprzyrządowania, Warszawa 1983, s. 208↩

10. Markiewicz E., Wajda F., Album konstrukcji tłoczników, Warszawa 1974, s. 10.↩

11. http://pl.wikipedia.org/wiki/T%C5%82oczenie_(obr%C3%B3bka_plastyczna), dostęp: 13.02.2014.↩

12. Markiewicz E., Wajda F., Album konstrukcji tłoczników, Warszawa 1974, s. 12.↩

13. http://www.bialystok.edu.pl/cen/archiwum/mat_dyd/technika/algorytm_projektowania/wybor.9.gif, dostęp: 11.02.2014.↩