POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

LABORATORIUM ZAGADNIENIA KONSTRUKCJI OPRZYRZĄDOWANIA DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ METALI

SPRAWOZDANIE

Temat: Tłoczenie swobodne wytłoczki osiowo-symetrycznej

Prowadzący: Wykonali

Dr inż. Janusz Tomczak Krzysztof Lewandowski

Grzegorz Piekarczyk

LUBLIN 2015

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było przeprowadzenie symulacji wytłaczania swobodnego wytłoczki osiowo-symetrycznej.

2. Wstęp teoretyczny:

Tłoczenie – szereg różnorodnych procesów obróbki plastycznej realizowanych głównie na zimno i stosowanych do rozdzielania, kształtowania i łączenia materiałów w postaci blach, folii i płyt (metalowych lub niemetalowych).Tłoczenie przeprowadza się za pomocą przyrządów zwanych tłocznikami, przeważnie na prasach mechanicznych lub hydraulicznych. Rozpatrując proces wytłaczania można przyjąć, że przebiega on w płaskim stanie naprężenia tj. naprężenie działające w kierunku normalnym do powierzchni blachy jest równe zero.

Operacje procesu tłoczenia:

Rozciąganie – charakteryzuje się występowaniem naprężeń rozciągających zarówno w kierunku promieniowym jak i obwodowym. Materiał oddala się od osi wytłoczki .

Ciągnienie – charakteryzuje się występowaniem naprężeń o różnych znakach; w kierunku obwodowym występują naprężenia ściskające, w kierunku promieniowym – rozciągające .Materiał przemieszcza się w kierunku osi wytłoczki .

Ciągnienie składa się z następujących operacji: wytłaczanie, przetłaczanie, dotłaczania

Przetłaczanie

Jeżeli geometria wytłoczki nie pozwala na jej wykonanie w jednej operacji wytłaczania, to najpierw stosuje się wytłaczanie z zalecanym stosunkiem wytłaczania, a następnie operację przetłaczania.

ograniczenia procesu:

• pęknięcia obwodowe wytłoczki w pobliżu dna,

• fałdowanie ścianki wytłoczki, wywołane obwodowymi naprężeniami ściskającymi ,

• wzdłużne pęknięcie ścianki przy obrzeżu wytłoczki, będące wynikiem nadmiernego umocnienia materiału.

Wytłaczanie

• Najczęściej stosowane jest wytłaczanie za pomocą sztywnych narzędzi. Materiał wsadowy w postaci płaskiego krążka blachy na skutek działania stempla zmienia kształt na walcowy poprzez odkształcenie plastyczne, przy którym zachodzi podwójna zmiana krzywizny blachy.

Zjawiska ograniczające:

• Pękanie obwodowe ścianki

• Fałdowanie kołnierza (zastosowanie dociskacza zapobiega powstawaniu fałd jedynie na płaskim kołnierzu wytłoczki )

Dotłaczanie

Dotłaczanie stosuje się po wytłoczeniu, jeżeli przedmiotowi należy nadać ostateczny kształt.

Cięciem nazywa się proces tłoczenia, podczas którego następuje całkowite lub częściowe oddzielenie jednej części materiału od drugiej. Operacje cięcia można podzielić na: odcinanie, wycinanie, dziurkowanie, przycinanie, okrawanie, nacinanie, rozcinanie i wygładzanie

Kształtowanie polega na nadawaniu blachom założonego z góry kształtu.

Operacje kształtowania dzieli się na: gięcie, ciągnienie, obciąganie, wywijanie, wygniatanie, rozpęczanie, obciskanie, wyoblanie, wyciskanie itp.

a) Kształtowanie wytłoczek poprzez rozciąganie ma miejsce podczas kształtowania zagłębień, jeżeli są one małe w porównaniu z wymiarami blachy, lub gdy jej obrzeże jest utwierdzone. Powierzchnia wytłoczki ulega powiększeniu kosztem zmniejszenia grubości jej ścianki

Sposoby kształtowania wytłoczek przez rozciąganie: za pomocą sztywnego stempla, za pomocą cieczy, za pomocą bardzo dużych mocy, rozpychanie, obciąganie, wyoblanie.

b) Sposoby kształtowania wytłoczek przez ciągnienie:
-za pomocą sztywnych narzędzi,
- hydrauliczne,
-wytłaczanie gumą,
-przy użyciu dużych mocy,

-elektromagnetyczne

Zastosowanie procesu tłoczenia W procesie tłoczenia wytłoczek, o kształtach prostych (np. do produkcji miseczek) lub kształtach złożonych (np.do karoserii samochodowej), najczęściej stosowane są materiały metalowe, do których należą blachy i taśmy z miękkiej stali węglowej, miedzi i jej stopów, stopów aluminium, cynku, niklu i tytanu.

Oprócz tego przez tłoczenie na zimno obrabia się mniej rozpowszechnione metale i stopy jak:

• molibden i jego stopy;

• tantal i jego stopy;

• specjalne stopy Ni - Co (inwar, platynit, kowar i inne);

• beryl, cyrkon i ich stopy;

• metale szlachetne (złoto, srebro).

3. Projekt wytłoczki oraz narzędzi oraz zastosowany materiał na wytłoczkę:

AISI-302 - w normach europejskich występuje jako X10CrNi18-8 i jest to stal nierdzewna austenityczna.

Wymiary i projekty w 2d:

Rys. 3.1 Wytłoczka

Rys. 3.2 Wsad

Rys. 3.3 Matryca

Rys. 3.4 Stempel

Projekty zrealizowane w 3d w programie Solid Edge:

Rys. 3.5 Wytłoczka 3d

Rys. 3.6 Wsad 3d

Rys. 3.7 Matryca w 3d

Rys 3.8 Matryca 3d w trybie "Model krawędziowy" w programie Solid Edge

Rys. 3.9 Stempel w 3d

4. Przebieg symulacji procesu wytłaczania w programie Deform 3d:

a) próba pierwsza:

Poniższe rysunki przedstawiają jak zachodził proces wytłaczania wsadu, którym była okrągła blacha. Widoczne są także naprężenia jak występowały w obiekcie.

Rys. 4.1 Naprężenia w 100 kroku obliczeń procesu Rys. 4.2 Naprężenia w 220 kroku obliczeń procesu

Rys. 4.3 Naprężenia w 266 kroku obliczeń procesu Rys. 4.4 Naprężenia w 278 kroku obliczeń procesu

Rys. 4.4 Naprężenia w 284 kroku obliczeń procesu Rys. 4.5 Naprężenia w 340 kroku obliczeń procesu

Jak widać na rysunkach proces tłoczenia nie udał się. Jak widzimy np. na rys. 4.3 największe naprężenia na wytłoczce występują podczas przeciskania się przez cześć roboczą matrycy (pierścień ciągowy), która nadaje wytłoczce odpowiedni kształt. Jest to spowodowane źle zaprojektowanym stemplem. Stempel miał zbyt duża średnicę co powodowało występowanie ogromnych sił tarcia i zgniatanie materiału. Między średnicą pierścienia ciągowego, a stemplem nie było wystarczająco dużej przestrzeni aby blacha mogła przejść miedzy nimi. Na skutek tego doszło do zerwania wytłoczki właśnie w tym miejscu.

b) próba druga

Na poniższych rysunkach zobaczymy jak wyglądał proces po zamianie stempla, czyli odpowiednio przeprojektowaniu go i zmniejszenie jego średnicy.

Na początku przedstawimy na rysunkach jak wyglądał proces tłoczenia z widocznymi narzędziami oraz wsadem:

Rys. 4.6 Ustawienie narzędzi oraz wsadu Rys. 4.7 Początkowa faza procesu tłoczenia

Rys. 4.8 Jedna z środkowych faz procesu tłoczenia Rys. 4.9 Końcówka procesu tłoczenia

W tej próbie udało się osiągnąć bliżej pożądany wynik. Nie doszło do zerwania. Poniższe rysunki przedstawiają wytłoczkę:

Rys. 4.10 Efekt końcowy procesu wytłaczania - wytłoczka Rys. 4.11 Widok wytłoczki w przekroju

Jak widać z Rys. 4.11 wytłoczka nie została wykonana idealnie. Możemy zauważyć zmianę grubości ścianki w różnych obszarach wytłoczki. W strefie zetknięcia wytłoczki z czołem stempla grubość pionowej ścianki jest najcieńsza. Wraz z wysokością wytłoczki grubość ścianki zwiększa się. istotny wpływ na nierównomierność odkształceń wywiera tutaj tarcie między stemplem a wytłoczką. Metal będący w kontakcie z płaską powierzchnią stempla pocienia się jednorodnie, natomiast metal znajdujący się w obszarze styku z promieniową częścią stempla — niejednorodnie. Widać też lekkie pofałdowanie kołnierza. Fałdowanie zaszło pod wpływem ściskających naprężeń obwodowych, ponieważ grubość blachy nie była dostatecznie duża w porównaniu do średnicy odkształcanego krążka.

Podczas procesu wytłaczania występowało podwyższenie temperatury, spowodowane tarciem. Tarcie jest efektem pracy stempla, który przeciska blachę przez matrycę. Gradient temperatury:

Rys. 4.12 Temperatura w początkowej fazie procesu Rys. 4.13 Temperatura podczas początkowego przechodzenia blachy przez pierścień ciągowy

Rys. 4.14 Temperatura w późniejszej fazie procesu Rys. 4.15 Gradient temperatury w końcowym etapie procesu

Największe temperatury były usytuowane w miejscu przeciągania blachy przez pierścień ciągowy. Podwyższona temperatura jest efektem tarcia, więc analogicznie tam, gdzie tarcie osiągało swoją największa wartość tam temperatura była największa.

Naprężenia wywołane tarciem:

Rys. 4.16 Wartość naprężeń w początkowej fazie Rys. 4.17 Wartość naprężeń przy przechodzeniu procesu przez pierścień ciągowy

Rys. 4.18 Wartość naprężeń w jednym z późniejszych Rys 4.19 Wartość naprężeń w końcowym etapów etapie procesu wytłaczania

Z rysunków 4.16 oraz 4.17 możemy stwierdzić, że wysokie naprężenia zaczęły dopiero występować, gdy blacha zaczynała się przeciskać przez pierścień ciągowy. Na rys. 4.18 widać jak duże naprężenia występowały w tym miejscu. Jest to spowodowane tarciem odkształcanej blachy o powierzchnię pierścienia ciągowego. Efektem tego jest wzrost nacisku wywieranego przez stempel i zwiększenie niebezpieczeństwa oderwania dna wytłoczki.

5. Wnioski:

Celem ćwiczenia było przeprowadzenie symulacji komputerowej tłoczenia swobodnego aby ustalić czy projekt wytłoczki oraz narzędzi został wykonany prawidłowo i czy można by było wykonać go w realnym środowisku. Jak widać było podczas naszej pierwszej symulacji zostały źle dobrane wymiary stempla, co spowodowało zerwanie wytłoczki. Brak odpowiedniej przestrzeni między stemplem, a częścią matrycy ( pierścieniem ciągowym) wywołało ogromne siły tarcia oraz zgniot materiału. Skutkiem tego było oderwanie dna wytłoczki. Aby nie dopuścić do pękania ścianki, proces wytłaczania musi być zrealizowany przy sile tłoczenia mniejszej od siły zrywającej. Wzrost oporów tarcia powoduje wzrost siły wytłaczania. Zmniejszenie siły osiąga się min. prze zaokrąglenie krawędzi pierścienia ciągowego możliwie dużym promieniem oraz wykonanie możliwie dużych promieni zaokrąglenia krawędzi stempla. Podczas kolejnej próby, gdy stempel został przeprojektowany uzyskaliśmy dużo lepsze efekty. Nie doszło do zerwania i w efekcie uzyskaliśmy wytłoczkę. Na wcześniej zamieszczonych rysunkach widać było wady tłoczenia swobodnego. W widoku przekroju wytłoczki można zauważyć, że grubość ścianki zmieniała się wraz z wysokością wytłoczki. Jest to spowodowane negatywnym skutkiem oddziaływania sił tarcia. Ze zwiększeniem siły tarcia zwiększa się nierównomierności odkształceń powodujące znaczne zmiany grubości wytłoczki. Istotny wpływ na nierównomierność odkształceń wywiera tutaj tarcie między stemplem a wytłoczką. Metal będący w kontakcie z płaską powierzchnią stempla pocienia się jednorodnie, natomiast metal znajdujący się w obszarze styku z promieniową częścią stempla — niejednorodnie. Siły tarcia powodują także zwiększenie temperatury, co w naszym przypadku sięgało nawet 210° C. Kolejną wadą jaką dało się dostrzec to widocznie pofałdowanie kołnierza wytłoczki. Fałdowanie jest pewną formą plastycznego wyboczenia blachy, zachodzącego pod wpływem ściskających naprężeń obwodowych wówczas, gdy grubość blachy jest mała w porównaniu ze średnicą odkształcanego krążka. Najprostszym sposobem zapobiegania fałdowaniu się płaskiego kołnierza jest zastosowanie dodatkowego pierścienia dociskającego blachę do powierzchni pierścienia ciągowego z pewną siłą P_a, a więc prowadzenie wytłaczania z dociskaczem.

Reasumując dzięki dokonanym symulacjom komputerowym możemy przekonać się czy nasz proces technologiczny zostanie odpowiednio przeprowadzony i uzyskamy zadowalające efekty. Jeżeli uzyskamy efekt nie zgodny z założeniami np. przez źle zaprojektowane narzędzia to możemy je poprawić oraz wykonać kolejne obliczenia, aż uzyskamy zadowalający efekt. Pozwala to na wyeliminowanie kosztów produkcji źle wykonanych narzędzi oraz pomaga w poprawie ich projektu, ponieważ dzięki obliczeniom możemy stwierdzić, gdzie dokładnie został wykonany błąd.

Literatura:

1. W.P. Romanowski, Poradnik obróbki plastycznej na zimno, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne Wyd. I 1976

2. R. Skoblik, Technologia II Tarcie w obróbce plastycznej, Politechnika Gdańska [online].[dostęp 23.01.2015]. Dostępny w internecie: https://www.google.pl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CCAQFjAA&url=http%3A%2F%2Fbc.pollub.pl%2FContent%2F1369%2Fmaszyny.pdf&ei=KC_FVMrUEIHsUKCigvAI&usg=AFQjCNFkqSA65D2iWm5u1bBkV_F3QNd0Aw