6. Informacja merytoryczna

6.1. Procesy wyciskania

Podczas wyciskania materiał umieszczony w pojemniku lub matrycy i poddany naciskowi stempla lub tłoczyska (poprzez przekładkę, zwaną także przetłoczką, względnie płytą naciskową) wypływa przez otwór matrycy lub szczelinę pomiędzy stemplem i matrycą, doznając wydłużenia kosztem zmniejszenia przekroju poprzecznego. Stan naprężenia w przeważającej części obszaru uplastycznionego jest trójosiowym nierównomiernym ściskaniem. Możliwe są więc duże odkształcenia plastyczne bez naruszenia spójności materiału. Jest to główna zaleta procesów wyciskania. Z drugiej strony duże odkształcenia wymagają ogromnych sił. Głównym ograniczeniem wielkości odkształceń możliwych do uzyskania w jednej operacji wyciskania nie jest zjawisko dekohezji materiału (jak w wielu innych procesach), lecz wytrzymałość narzędzi.

Przy dużych odkształceniach stosuje się wyciskanie na gorąco. Podczas wyciskania na zimno siły są tak znaczne, że mogą spowodować zniszczenie narzędzi. Duże odkształcenia mogą być zrealizowane na zimno tylko dla materiałów miękkich (np. czystego aluminium).

Rozróżnia się następujące rodzaje procesów wyciskania:

• współbieżne, gdy zwroty prędkości stempla v_s i materiału v_m wypływającego przez otwór w matrycy są zgodne (rys. VI/2),

• przeciwbieżne, gdy zwroty prędkości stempla v_s i materiału v_m wypływającego przez otwór w matrycy (rys. VI/3 a) lub szczelinę pomiędzy stemplem i matrycą (rys. VI/3 b) są przeciwne,

• z bocznym (poprzecznym, promieniowym) wypływem materiału, gdy matryca lub matryce znajdują się w bocznych ścianach pojemnika (rys. VI/6), względnie materiał wpływa do szczelin matrycy w kierunku poprzecznym (prostopadle do kierunku ruchu stempla),

• złożone, gdy materiał równocześnie wypływa z matrycy zgodnie i przeciwnie do ruchu stempla (rys. VI/7),

• specjalne (wyciskanie hydrostatyczne, z ruchomym pojemnikiem, bez pojemnika i inne, np. wyciskanie osłon kabli, wyciskanie proszków metali - rys. VI/8 - VI/13).

Tzw. wyciskanie z koszulką (rys. VI/14) stosuje się przy wyciskaniu na gorąco, aby uniknąć przedostawania się do wyrobu materiału z powierzchni wsadu, który może być zanieczyszczony i utleniony.

Przekrój poprzeczny wyrobu wyciskanego odpowiada przekrojowi otworu matrycy lub szczeliny pomiędzy stemplem i matrycą. Możliwe jest wyciskanie wyrobów o przekroju zmieniającym się w pewnym zakresie wzdłuż osi w sposób ciągły lub skokowo (rys. VI/4, VI/5).

6.2. Odkształcenia, siła i naprężenie wyciskania

Stopień odkształcenia podczas wyciskania określa współczynnik wydłużenia , wydłużenie rzeczywiste ₁, lub względny ubytek przekroju z:

(VI.1)

(VI.2)

(VI.3)

Wartości powyższe określają średnie miary odkształcenia. W rzeczywistości rozkład odkształceń w wyciskanym wyrobie odznacza się niejednorodnością, której stopień jest uzależniony głównie od wartości sił tarcia, kształtu matrycy i ubytku przekroju (rys. VI/15).

Średnie naprężenie wyciskania σ_w określa wzór:

(VI/4)

gdzie: l₁, F₁ - długość i przekrój wyrobu po wyciskaniu, l₀, F₀ - długość i przekrój wstępniaka, P_w - siła wyciskania. Smukłością _w wstępniaka walcowego o średnicy d₀ nazywamy stosunek:

(VI.5)

Siłę i naprężenie wyciskania można oszacować w przybliżeniu stosując metodę energetyczną (patrz ćw. I):

(VI.6)

gdzie: ψ - współczynnik wypełnienia wykresu krzywej wzmocnienia:

(VI.7)

σ_k - naprężenie uplastyczniające materiału dla odkształcenia ₁ = ln  (po wyciskaniu),
σ_p() - równanie krzywej wzmocnienia, η - współczynnik sprawności:

(VI.8)

przy czym: L_p - praca odkształceń plastycznych, L_t - praca wykonana przeciwko siłom tarcia, L - praca całkowita, potrzebna do realizacji procesu i równa pracy siły wyciskania. Współ-czynnik η zależy od sił tarcia działających pomiędzy materiałem wyciskanym i pojemnikiem oraz matrycą, a więc od sposobu smarowania, stopnia odkształcenia, kształtu matrycy i smukłości wstępniaka _w (przy wyciskaniu współbieżnym).

Jeżeli krzywą wzmocnienia opisuje równanie: σ_p = Cⁿ, to współczynnik ψ jest stały
i wynosi:

(VI.9)

Gdy materiał nie ulega wzmocnieniu (np. podczas wyciskania na gorąco), to ψ = 1 oraz
σ_pk = σ_p(T), gdzie T jest temperaturą wyciskania.

Podane wyżej zależności pozwalają na przybliżone określenie sił i naprężeń podczas wyciskania. Dokładniejsze rozwiązania, pozwalające na wyznaczenie rozkładu nacisków jednostkowych na powierzchniach matrycy i pojemnika, pola prędkości płynięcia i rozkładu od-kształceń w materiale z uwzględnieniem rzeczywistych warunków procesu i własności materiału (tarcia, wzmocnienia, wpływu temperatury itp.) można otrzymać za pomocą metody elementów skończonych (MES).

Schemat zależności siły wyciskania współbieżnego od drogi stempla pokazano na rys. VI/16 (krzywa 1). W fazie I następuje spęczanie wstępniaka w pojemniku i wypełnianie stożka wejściowego matrycy (niestacjonarny etap procesu). Podczas fazy II wypływanie materiału z matrycy ma charakter stacjonarny, a pewien spadek siły wyciskania jest wywołany obniżeniem sił tarcia o pojemnik wskutek zmniejszania się długości wstępniaka, a więc powierzchni, na której działa tarcie. Przy wyciskaniu przeciwbieżnym (krzywa 2 na rys. VI/16) po-wierzchnia działania tarcia jest prawie stała, więc w fazie II siła wyciskania nie zmienia się. W etapie III, gdy stempel zbliża się do dna pojemnika lub matrycy, następuje szybki wzrost siły wyciskania. Aby nie dopuścić do nadmiernego obciążenia narzędzi, proces należy przerwać przed końcem etapu II.

6.3. Materiały i wyroby wyciskane. Warunki wyciskania

6.3.1. Wyciskanie na gorąco kształtowników ze stali

6.3.2. Wyciskanie na gorąco stopów aluminium

6.3.3. Wyciskanie na zimno

7. Literatura

1. S. Erbel, K. Kuczyński, Z. Marciniak: Obróbka plastyczna. PWN, Warszawa 1981

2. N. Fromm: Das Warmstrangpressen von Stahl zu Profilen - Möglichkeiten und Grenzen. Schwerter Profil 4, 1962

3. Lehrbuch der Umformtechnik. Band 2 Massivumforming (red. K. Lange). Springer - Ver-lag, Berlin, Heidelberg, New York 1974

4. Obróbka plastyczna metali. Praca zbiorowa pod red. J. Gronostajskiego. Politechnika Wrocławska, Wrocław 1973

5. W. P. Romanowski: Poradnik obróbki plastycznej na zimno. WNT, Warszawa 1976

---