Wyciskanie jest procesem obróbki plastycznej, w którym za pomocą tłoczyska lub stempla (na ogół przez przetłoczkę)wywierany jest nacisk na materiał umieszczony w pojemniku (zwanym recypientem) lub matrycy zmuszając go do w pływania przez otwór matrycy, lub szczelinę między stemplem a ściankami recypienta. Początkowo wyciskanie ze względu na bardzo duże naciski, stosowano przede wszystkim do kształtowania wyrobów z materiałów charakteryzujących się niską granicą plastyczności, a więc: Pb, Sn, Al i Cu oraz ich stopów. Dzięki rozwojowi technik wyciskania w wyniku zastosowania podgrzewania materiału wsadowego i narzędzi, jak również użycia specjalnych smarów (o wysokiej temperaturze zapłonu), stało się możliwe wyciskanie stali oraz innych metali o wysokiej temperaturze topnienia i to zarówno na zimno jak i na gorąco.
wyciskanie jest najbardziej ekonomiczną metodą z procesów obróbki plastycznej, przeznaczoną szczególnie do:
*wstępnej przeróbki plastycznej stali o niskiej plastyczności, których nie można odkształcać drogą kucia czy walcowania,
*wytwarzania prętów i wyrobów z otworami o złożonych kształtach, których otrzymanie innymi metodami jest trudne lub niemożliwe,
*łączenia różnorodnych metali i otrzymywania wyrobów wielowarstwowych o określonych grubościach poszczególnych warstw,
*wytwarzania małych partii wyrobów o dużej masie i prostych kształtach, których wytwarzanie innymi metodami jest nieekonomiczne.
Wyciskanie jest podstawową metodą wytwarzania rur, prętów i kształtowników oraz części maszyn ze stali i metali nieżelaznych. Wyroby wyciskane charakteryzują się dobrymi własnościami mechanicznymi, dużą dokładnością wymiarów, czystą i gładką powierzchnią.
klasyfikacji procesów wyciskania, m.in.: w zależności od temperatury procesu, kierunku [Author ID1: at Tue Dec 20 13:29:00 2011 ]wypływania materiału względem ruchu stempla, kształtów wyrobów, sposobu wywierania siły na materiał, itp.
Podział ze względu na temperaturę: Wsad poddany wyciskaniu może mieć temperaturę otoczenia lub może być uprzednio podgrzany. Stąd podział wyciskania na: ZIMNO, CIEPŁO, GORĄCO.
Wyciskanie wsadu o temperaturze podwyższonej różni się od wyciskania wsadu niepodgrzanego wymaganiami dotyczącymi: parametrów energetycznych, przygotowania wsadu, warunków organizacji produkcji, smarowania, konstrukcji narzędzi i pras oraz umożliwia uzyskanie wyrobów o innych własnościach użytkowych.
a) wyciskanie na zimno
Znajduje zastosowanie przede wszystkim do wyciskania gotowych części maszyn, od których wymaga się specjalnych (podwyższonych) własności mechanicznych, dużej dokładności wymiarowo-kształtowej, dobrej jakości i gładkości powierzchni oraz odpowiedniej struktury.
b) wyciskanie na ciepło
Podwyższenie temperatury wsadu pozwala na otrzymywanie wyprasek o niewiele niższej jakości powierzchni i dokładności jak w przypadku wyciskania na zimno. Jednakże większa plastyczność metalu w tych temperaturach i towarzysząca jej mniejsza wartość siły wyciskania umożliwia prowadzenie przeróbki plastycznej przy zastosowaniu znacznie większych odkształceń.
c) wyciskanie na gorąco
Stosuje się je zwykle do wyciskania hutniczego (półfabrykatów) prętów, rur i kształtowników, które w późniejszym etapie zostają poddawane innym zabiegom lub obróbkom wykańczającym. Niestety w procesach wyciskania hutniczego występują problemy z doborem odpowiedniej temperatury wlewka i narzędzi. Wyroby otrzymywane tą technologią charakteryzują się gorszymi własnościami mechanicznymi oraz jakością powierzchni, a także liczniejszymi wadami (skrzywienia i pęknięcia).
Podział procesu wyciskania ze względu kierunek wypływania materiału względem ruchu stempla:Biorąc pod uwagę kierunek płynięcia materiału względem kierunku ruchu tłoczyska rozróżnia się kilka sposobów wyciskania:
a) wyciskanie współbieżne, gdy materiał płynie w kierunku zgodnym z ruchem tłoczyska,
b) wyciskanie przeciwbieżne, gdy materiał płynie w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu tłoczyska,
c) wyciskanie z bocznym wypływem materiału, gdy materiał płynie w kierunku poprzecznym do ruchu tłoczyska,
d) wyciskanie złożone, gdy materiał płynie jednocześnie w kierunku zgodnym i przeciwnym do ruchu tłoczyska.
Podział wyciskania ze względu na kształt otrzymywanych przedmiotów: Kształty wyrobów, jakie można uzyskać metodą wyciskania można zaliczyć do jednej z grup: pręty, rury, naczynia. W praktyce przemysłowej wyciskanie współbieżne stosuje się najczęściej do wyciskania prętów i rur (wyciskanie hutnicze), a przeciwbieżne do wyciskania wyrobów typu "naczynie”.
Specjalne metody wyciskania
Do specjalnych metod wyciskania należy obecnie zaliczyć: metody hydrostatyczne, Conform, KOBO oraz odlewanie ciągłe. Przy wyciskaniu współbieżnym materiał może wypływać przez otwór matrycy nie tylko w wyniku nacisku tłoczyska, ale również przez wywieranie na materiał nacisku za pośrednictwem cieczy. Tym sposobem obniża się znacznie siły tarcia wyciskanego materiału o ścianki tulei i matrycy, a przez to również i siłę wyciskania. W tym przypadku stempel porusza się w tym samym kierunku, co w metodzie wyciskania współbieżnego, nie ma jednak bezpośredniego kontaktu z wlewkiem. Przeciskanie materiału wlewka przez matryce następuje w wyniku wysokiego ciśnienia otaczającej go cieczy. Warunkiem podstawowym dla sprawnego działania układu jest właściwe uszczelnienie przestrzeni wypełnionej cieczą. Nie jest wymagane jednak wstępne podgrzewanie wlewka, ponieważ jego deformacja pod ciśnieniem dochodzącym do 1.25 kN/mm2 powoduje jego nagrzewanie nawet do 500 °C, a prędkość wyciskania jest większa niż przy poprzednich metodach. Jednakże metoda ta znajduje zastosowanie tylko w tym przypadku, gdy ciecz może być nagrzewana do temperatury bliskiej temperatury wyciskania. Ponieważ wlewek może się swobodnie obracać w otaczającej go cieczy, bez problemu można wyciskać nie tylko proste kształtowniki, ale również śrubowe.
Inną niekonwencjonalną metodą wyciskania jest metoda Conform- Główną cechą różnicującą je od wyciskania hydrostatycznego jest to, że ciśnienie nie jest wywierane przez stempel, a przez koło cierne z rowkiem prowadzącym. W rowku tym umieszcza się stycznie do obracającego się (napędzanego) koła półprodukt będący kształtownikiem o maksymalnej średnicy 32 mm. Wahadłowo zamocowany szabot dociskając materiał do koła ciernego powoduje jego przesuw i wyciskanie przez matryce. Gotowy produkt przechodzi przez otwór wydrążony w szabocie. Tarcie między ściankami rowka na kole i materiałem powoduje jego rozgrzewanie się i wzrost ciśnienia do wartości pozwalającej na przejście przez matryce. Urządzenie to stosuje się również do wytłaczania kształtowników miedzianych. Ponadto półproduktem mogą być również granulaty i proszki. Wydajność tego typu urządzeń waha się od 390 kg/h, przy średnicy gotowego produktu równej 12.5 mm do 2040 kg/h przy 25 mm. Wielka zaletą jest tu łatwa i szybka wymiana matrycy, a także ekonomiczność wyciskania nawet małej liczby kształtowników.
Bardzo popularną w ostatnim okresie stała się metoda KOBO polegająca na technologicznej idei zewnętrznego wymuszenia zlokalizowanego plastycznego płynięcia w pasmach ścinania, poprzez nałożenie na jednokierunkowe, robocze oddziaływanie siłowe narzędzi kształtujących, dodatkowego, cyklicznie zmiennego oddziaływania. Realizacja dodatkowego oddziaływania dokonywana jest w kierunku odmiennym od kierunku ruchu roboczego danego procesu. metoda "KOBO" pozwala na energooszczędne i nadzwyczaj wydajne a przy tym ekologiczne, otrzymywanie wyrobów funkcjonalnych w procesach przeróbki plastycznej materiałów metalicznych. Szczególne jej zalety przejawiają się w rozdrabnianiu struktury do wymiarów ultra- i nanostrukturalnych a przez to generowania nadzwyczaj korzystnych własności mechanicznych. Metoda "KOBO" umożliwia wytwarzanie z materiałów trudnoodkształcalnych wyrobów o złożonej geometrii.
Płynięcie materiału podczas procesu wyciskania można obserwować za pomocą różnych metod. Jedną z nich jest metoda nanoszenia siatek koordynacyjnych na wzdłużnym przekroju wyciskanego materiału.
W wyciśniętym materiale występuje duża niejednorodność odkształceń, przejawiająca się tym, że początkowa część wyciśniętego pręta jest w mniejszym stopniu odkształcona niż dalsza oraz, że warstwy wewnętrzne materiału przemieszczają się szybciej niż warstwy zewnętrzne. Taki sposób płynięcia jest spowodowany siłami tarcia materiału o powierzchnie tulei, matrycy i przetłoczki, które utrudniają płynięcie warstw zewnętrznych materiału przylegających do powierzchni narzędzi, jak również i tym, że warstwy zewnętrzne w wyniku zetknięcia się z chłodniejszymi narzędziami mają niższą temperaturę, a przez to do ich uplastycznienia konieczne jest większe naprężenie niż dla bardziej nagrzanych warstw środkowych. W związku z tym w materiale wsadu można wyodrębnić cztery obszary charakteryzujące się różną kolejnością wypływania materiału przez matrycę.
Najpierw wypływa materiał z obszaru I tworząc wyrób o małej ilości zanieczyszczeń, następnie materiał z obszaru II posiadający dużą ilość zanieczyszczeń ze względu na utlenioną i zanieczyszczoną powierzchnie wsadu, płynie on po stożku utworzonym przez obszar III, dostając się do środka wyrobu. Materiał z obszaru III i IV tworzy piętkę.
W ten sposób w końcowej fazie wyciskania, do środka wyrobu dostają się zanieczyszczenia i tlenki z powierzchni wsadu. Przeciwdziałać temu można przez stosowanie tzw. wyciskania z koszulką, tj. wyciskania materiału za pośrednictwem przetłoczki o średnicy mniejszej od wewnętrznej średnicy tulei pojemnika.
Głównymi parametrami charakteryzującymi proces wyciskania są: siła i praca wyciskania. Ich wartość decyduje o konstrukcji oraz doborze materiałów na narzędzia oraz stanowi o parametrach siłowo-energetycznych stosowanych pras i młotów.
Analizę sił przy wyciskaniu można rozpocząć od analizy typowych wykresów tych sił w funkcji drogi stempla. Na przedstawionych przebiegach sił wyciskania można zasadniczo wyróżnić trzy przedziały:
1. Narastanie siły aż do momentu osiągnięcia lokalnego maksimum.
2. Część wykresu o prawie stałej wartości siły charakteryzująca stacjonarną fazę procesu.
3. Ostatnia część wykresu charakteryzująca się gwałtownym przyrostem siły (zwykle faza ta w praktyce przemysłowej jest pomijana).
W pierwszej fazie wyciskania pod wpływem wzrastającego nacisku tłoczyska materiał umieszczony w pojemniku ulega spęczaniu, które zachodzi do momentu oparcia się materiału o ścianki tulei pojemnika. Spęczanie to jest związane z niewielką różnicą wymiarów poprzecznych tulei i wyciskanego materiału, konieczną do swobodnego włożenia materiału do pojemnika.
W następnej fazie rozpoczyna się zasadniczy proces wyciskania. Materiał wypływający na początku procesu jest w małym stopniu odkształcony. Następnie wypływa materiał coraz bardziej odkształcony, wskutek czego charakteryzuje się większą jednorodnością struktury wewnętrznej i własności mechanicznych jest to tzw. stan ustalony. Przy wyciskaniu współbieżnym na gorąco obserwuje się w tej fazie wyciskania zmniejszenie siły wyciskania. Jest to spowodowane zmniejszeniem się sił tarcia wskutek zmniejszania długości wlewka w czasie wyciskania, w wyniku, czego maleje powierzchnia styku wlewka ze ścianką tulei recypienta. Przy wyciskaniu współbieżnym na zimno zmniejszenie siły wyciskania występuje dopiero w dalszej fazie wyciskania, bowiem początkowo obserwuje się wzrost siły wyciskania spowodowany coraz większym wzmocnieniem materiału.
Przy wyciskaniu przeciwbieżnym zarówno na gorąco jak i na zimno nie występuje spadek siły wyciskania, ponieważ powierzchnia styku materiału wyciskanego ze ścianką tulei nie zmniejsza się, a tym samym nie maleje siła tarcia. W trzeciej, końcowej fazie wyciskania występuje szybki wzrost siły wyciskania spowodowany wystąpieniem znacznych sił tarcia na czołowej powierzchni przetłoczki bądź stempla oraz na czołowej powierzchni matrycy (rys. 16b). Podobnie podczas wyciskania współbieżnego prętów, rur, kształtowników wyciskany materiał nie zostaje całkowicie wyciśnięty z tulei pojemnika, lecz pozostaje pewna część materiału, zwana piętką, którą odcina się następnie od wyrobu i przeznacza na złom. Pozostawienie piętki jest również korzystne z tego powodu, że gromadzi się w niej duża ilość zanieczyszczeń dostająca się z powierzchni materiału wyciskanego do jego środka.
Na proces wyciskania wyrobów hutniczych wpływa szereg wzajemnie uzależnionych czynników:
a) własności wyciskanego materiału,
b) stopień przerobu,
c) długość wsadu,
d) współczynnik wydłużenia,
e) prędkość procesu wyciskania,
f) temperatura,
g) przygotowanie wsadu i smarowanie,
h) konstrukcja i kształt matrycy,
i) kształt przetłoczki.
Własności wyciskanego materiału
Do wyciskania przeznacza się wiele metali i ich stopów. Najczęściej w praktyce przemysłowej poprzez wyciskanie wykonuje się wyroby z żelaza, miedzi, aluminium oraz ich stopów. Na wartość nacisków wpływa przede wszystkim skład chemiczny oraz struktura wsadu. Najdokładniejsze informacje na temat materiału wsadowego i związanego z nim naciskami jednostkowymi na narzędzia uzyskuje się wyznaczając krzywą umocnienia - płynięcia plastycznego.
Temperatura wyciskania
Przy ustalaniu temperatury należy uwzględnić następujące czynniki:
a) ilość ciepła dostarczoną przez nagrzany wsad,
b) ilość ciepła odprowadzoną przez pojemnik,
c) ilość ciepła odprowadzoną przez matrycę,
d) ilość ciepła dostarczoną w wyniku tarcia materiału o ścianki tulei i matrycy,
e) ilość ciepła dostarczoną w przez pracę odkształcenia plastycznego.
Przygotowanie i smarowanie wsadu
Smarowanie wpływa decydująco na zmianę sił tarcia w procesie wyciskania, a co za tym idzie na zmianę średnich nacisków jednostkowych na stemplu. Zmniejszenie tarcia w wyniku odpowiedniego smarowania wpływa także na trwałość narzędzi do wyciskania. Duże odkształcenia metalu występujące w procesie wyciskania mogą powodować zmniejszenie, a nawet usunięcie efektu smarowania na skutek przerwania warstewki smaru. Przed wyciskaniem na zimno wsad jest: odtłuszczany, wytrawiany, pokrywany warstewkami specjalnych związków chemicznych (np. stal pokrywa się warstewkami fosforanów cynkowych, a następnie mydłem; aluminium pokrywa się stearynianem cynku). W obróbce plastycznej na zimno używa się olejów mineralnych i roślinnych, emulsji, mydeł, dwusiarczku molibdenu i wolframu oraz dodaje się grafit. Wyciskanie hutnicze (na gorąco) stawia przed smarami dodatkowe wymagania, takie jak:
a) wysoka temperatura zapłonu,
b) małe przewodnictwo cieplne, pozwalające zabezpieczyć narzędzie przed przegrzaniem,
c) odpowiednią lepkość, a zatem i mały współczynnik tarcia,
d) zdolność usuwania zgorzeliny.
Jako smar stosuje się: grafit, teflon, szkło i inne substancje oraz metaliczne warstwy pośrednie o małym naprężeniu uplastyczniającym.
Konstrukcja i kształt matryc
W matrycach przeznaczonych do wyciskania wyodrębnia się część wejściową, kalibrującą i wyjściową (rys. 17). Część wejściowa umożliwia wprowadzenie kształtowanego materiału do części kalibrującej, której zadaniem jest ostateczne ukształtowanie przekroju poprzecznego wyrobu. Matryce mogą mieć tylko jeden otwór lub kilka i w takim przypadku z jednego wlewka wyciska się równocześnie kilka wyrobów. Matryce wielootworowe stosowane są na ogół do wyciskania wyrobów w postaci prętów o małym przekroju poprzecznym. Na wartość nacisków przy wyciskaniu wpływają jedynie te części narzędzi, które bezpośrednio stykają się z obszarem odkształceń. Przy wyciskaniu współbieżnym na wartość nacisków wpływa przede wszystkim kształt stożka matrycy, a przy wyciskaniu przeciwbieżnym - ukształtowanie zakończenia stempla. Wyniki badań wskazują na to, że naciski przy wyciskaniu prętów przez stożek wejściowy matrycy początkowo maleją wraz ze zmniejszaniem się kąta stożka, a następnie rosną. Doświadczalnie wyznaczone optymalne kąty stożka matrycy zamieniają się w granicach 45-30o .