WYKRAWANIE, Technologie wytwarzania


ĆWICZENIE NR VIII

OBRÓBKA PLASTYCZNA BLACH

- WYKRAWANIE -

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z technologią wykrawania.

2. Tematyka prac badawczych i technicznych

3. Schemat badanego procesu

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic

0x08 graphic

Rys. VIII/1. Schemat wykrawania: 1 - stempel, 2 - płyta tnąca, 3 - materiał wykrawany, s - szczelina, g - grubość materiału wykrawanego

4. Zalecenia

4.1. Przedstawienie wyników pomiarów

Temat 1. Badania wpływu luzu względnego L na siły wykrawania i wygląd powierzchni rozdzielenia

Tabela VIII/1. Wyniki badań wpływu luzu względnego L na siły wykrawania i wygląd powierzchni rozdzielenia

Materiał wykrawany: ..............................................................................................................

Lp

g

[mm]

dm

[mm]

ds

[mm]

L

[%]

Pw

[kN]

gc

[mm]

gcw

[mm]

ψ

[%]

Szkic powierzchni rozdzielenia

1

2

3

Materiał wykrawany: ..............................................................................................................

1

2

3

0x01 graphic
- luz względny (procentowy)

0x01 graphic
- współczynnik charakteryzujący łączny udział stref cięcia na powierzchni rozdzielenia materiału: gc - grubość strefy cięcia, gcw - grubość strefy cięcia wtórnego

4.2. Opracowanie wyników pomiarów

Zmierzone wartości sił wykrawania i grubości poszczególnych stref oraz szkice powierzchni rozdzielenia materiału należy umieścić w tabl. VIII/1. Zbadane dla poszczególnych materiałów zależności ψ(L) i Pw(L) przedstawić w formie wykresów.

4.3. Wnioski

Wnioski winny dotyczyć wpływu luzu względnego na siły wykrawania oraz wygląd powierzchni rozdzielenia badanych materiałów.

5. Zagadnienia kontrolne

6. Informacja merytoryczna

6.1. Wykrawanie

Wykrawanie jest sposobem cięcia blachy (najczęściej w postaci pasów lub taśm), realizowanym za pomocą specjalnych przyrządów - wykrojników, zwykle na prasach mechanicznych (mimośrodowych i korbowych). Rozdzielenie materiału następuje poprzez działanie krawędzi tnących stempla i płyty tnącej w wyniku celowo wywołanego procesu dekohezji (pękania) wzdłuż pewnej linii (zamkniętej lub otwartej), zwanej linią cięcia.

Podstawowym parametrem wpływającym na przebieg procesu wykrawania (rys. 1) jest luz względny L:

0x01 graphic
(VIII.1)

Luz względny podaje się także w procentach grubości materiału wykrawanego. Odległość krawędzi tnących stempla i płyty tnącej s nazywamy szczeliną. Podwojona wartość szczeliny 2s = l (różnica wymiarów płyty tnącej dm i stempla ds) nazywa się luzem bezwzględnym.

Stan naprężenia przy wykrawaniu można określić jako ścinanie ze zginaniem (gdy L > 0), przy czym udział zginania jest tym większy, im większy jest luz. Przykładowy przebieg procesu ilustruje rys. VIII/2. Pod działaniem stempla (1) krawędzie tnące zagłębiają się w materiale wywołując odkształcenia plastyczne. Po wyczerpaniu zdolności materiału do odkształceń plastycznych następuje dekohezja. Utrata spójności zachodzi prędzej (przy mniejszych odkształceniach i sile), jeżeli udział zginania jest znaczny (czyli przy większym luzie). Pęknięcia rozwijają się od strony krawędzi płyty tnącej, gdzie występują naprężenia rozciągające, wywołane zginaniem (poniżej warstwy obojętnej). Pęknięcia te dla pewnego przedziału wartości luzu tworzą jedną powierzchnię pękania, a powierzchnia rozdzielenia składa się z 2 części (rys. VIII/3 a):

Opisany przypadek ma miejsce, gdy luz L ≥ Lo, gdzie Lo jest luzem optymalnym (od kilku do kilkunastu % g, w zależności od rodzaju materiału i jego grubości). Przy zastosowaniu tzw. luzów zmniejszonych (Lzm << Lo) pęknięcia od strony płyty tnącej nie kończą się na krawędzi tnącej stempla, lecz zatrzymują się wewnątrz materiału w strefie naprężeń ściskających (powyżej warstwy obojętnej). Wtedy ostateczne oddzielenie elementu wykrawanego odbywa się ponownie wskutek odkształcenia plastycznego za pomocą krawędzi płyty tnącej. W efekcie powierzchnia rozdzielenia będzie składać się z 3 części (rys. VIII/3 b):

Wyjątkowo przy luzach zmniejszonych i dużych grubościach wykrawanych materiałów może pojawić się więcej stref cięcia wtórnego, oddzielonych strefami pękania. Strefy cięcia i cięcia wtórnego charakteryzują się gładką i błyszczącą powierzchnią o kierunkowej strukturze chropowatości powierzchni. Strefy pękania są matowe, pozbawione kierunkowej struktury chropowatości. Łączny udział gładkich stref cięcia w całej powierzchni rozdzielenia charakteryzuje współczynnik:

0x01 graphic
(VIII.2)

gdzie sumuje się grubości stref cięcia wtórnego, gdy jest ich więcej niż jedna. Współczynnik ten można również wyrażać w procentach. Wartość ψ maleje ze wzrostem luzu.

W większości przypadków stan powierzchni rozdzielenia (powierzchni bocznej) wyrobów wykrawanych jest nieistotny z punktu widzenia ich jakości użytkowej (obróbka wykańczająca sprowadza się do stępienia krawędzi przez bębnowanie). W związku z tym w procesie wykrawania nie dąży się do uzyskania dużych wartości współczynnika ψ, jest raczej przeciwnie. Duża wartość ψ oznacza bowiem duże odkształcenia plastyczne poprzedzające proces dekohezji (i ewentualnie występujące po nim), a tym samym duże siły wykrawania, czyli obniżoną trwałość stempli i płyt tnących. Uzyskanie wysokiej trwałości narzędzi jest możliwe przy zastosowaniu luzów optymalnych, przy których dekohezja następuje już przy niewielkich odkształceniach plastycznych i tworzy się tylko jedna strefa cięcia (pierwotnego). Zwiększanie luzu ponad wartości optymalne, mimo iż pozwala na dalsze zmniejszenie sił wykrawania nie jest wskazane, gdyż powoduje wyginanie wyrobów i duże zukosowanie powierzchni przecięcia. Można zatem stwierdzić, że kryterium optymalizacji luzów przy wykrawaniu stanowi minimalna siła wykrawania (maksymalna trwałość narzędzi), przy czym warunki ograniczające stanowią: wymagana płaskość wyrobu i dopuszczalne zykosowanie powierzchni przecięcia. Luz w nowych wykrojnikach (luz normalny Ln - tabl. VIII/2) przyjmuje się w dolnej granicy luzów optymalnych lub nieco mniejszy. Dzięki temu duża liczba przedmiotów jest wykrawana w warunkach zbliżonych do optymalnych (w trakcie pracy wykrojnika luz stopniowo się powiększa).

Tabela VIII/2. Wartości luzu normalnego Ln w % grubości materiału wykrawanego [10]

Grubość g [mm]

do 1

1 - 2

2 - 3

3 - 5

5 - 7

Ln [%]

5 - 7

6 - 8

7 - 9

8 - 10

9 - 11

Mniejsze wartości luzów przyjmuje się dla materiałów miękkich i plastycznych, większe - dla twardych i kruchych

Stępienie krawędzi tnących powoduje powstawanie zadzioru na górnej krawędzi wyrobu (od strony stempla). Wysokość zadzioru stanowi kryterium technologiczne zużycia. Ostrzenie stempli i płyt tnących polega na szlifowaniu ich powierzchni czołowych aż do uzyskania ostrych krawędzi tnących.

Siłę wykrawania można obliczyć w przybliżeniu ze wzoru:

0x01 graphic
(VIII.3)

gdzie: S = gΣl - powierzchnia ścinana, g, Rt - odpowiednio: grubość i wytrzymałość na ścinanie materiału wykrawanego, Σl - suma długości linii cięcia, k - współczynnik zależny od luzu (k ≈ 1,1 - 1,3), Rt ≈ 0,8 Rm (Rm - wytrzymałość na rozciąganie).

Siła Pz potrzebna do zepchnięcia materiału ze stempli wynosi od ok. 0,02 Pw (przy cienkich blachach i jednym stemplu) do ok. 0,2 Pw (przy grubych blachach i wielu stemplach). Siłę przepchnięcia Pp wykrojonego wyrobu przez płytę tnącą można oszacować ze wzoru:

0x01 graphic
(VIII.4)

gdzie a jest wysokością walcowej części otworu płyty tnącej (rys. VIII/1). Współczynnik kp jest równy ok. 0,05 - 0,1 przy przepychaniu wyrobu w kierunku ruchu stempla, albo 0,07 - 0,15 przy przepychaniu przeciwnie do kierunku ruchu stempla (np. za pomocą wyrzutnika).

Pracę wykrawania określa wzór:

0x01 graphic
(VIII.5)

gdzie: P(s) - zależność siły od drogi stempla, S - skok suwaka prasy, δ - głębokość wnikania stempla w otwór płyty tnącej. Współczynnik wypełnienia wykresu dla siły wykrawania: 0x01 graphic
jest rzędu 0,45 - 0,65 (rys. VIII/4).

6.2. Konstrukcja wykrojników

Tłoczniki do wykrawania noszą nazwę wykrojników. Warunkiem poprawnej pracy wykrojnika jest utrzymanie jednakowej szczeliny wzdłuż całej linii cięcia. Wymaga to odpowiedniego wykonania, ustawienia i prowadzenia względem siebie stempla i płyty tnącej. Tylko najprostsze wykrojniki nie mają własnego prowadzenia (stemple i płyty tnące są mocowane odpowiednio do suwaka i stołu prasy - prowadzenie zapewniają prowadnice maszyny). Rys. VIII/5 - VIII/10 przedstawiają schematy konstrukcji wykrojników różniących się stopniem komplikacji, rodzajem prowadzenia stempli i sposobem pracy. Przy okazji pokazano szereg elementów składowych wykrojników. Wykrojniki do produkcji złożonych elementów o kilku liniach cięcia można podzielić na jednoczesne i wielotaktowe. Wykrojnik jednoczesny (rys. VIII/9) dzięki swej konstrukcji uniezależnia dokładność wzajemnego położenia poszczególnych linii cięcia od dokładności podawania pasa lub taśmy. Inaczej jest w przypadku wykrojnika wielotaktowego (rys. VIII/10), gdzie pas lub taśma musi zatrzymywać się po przesunięciu o określony skok. Dokładność ustalenia wzajemnego położenia poszczególnych linii cięcia można zwiększyć stosując pilot (4) umieszczony na powierzchni czołowej stempla (3) wykrawającego zarys zewnętrzny (pilot wchodzi w otwór wykonany stemplem (5)). Wykrojniki jednoczesne i wielotaktowe mogą pracować ze zbliżoną wydajnością przy jednorzędowym rozmieszczeniu wykrojów w taśmie lub pasie, zwykle jednak wyższe wydajności osiąga się przy zastosowaniu wykrojników wielotaktowych. Jest to związane z czasem potrzebnym na usuwanie wyrobów i odpadów z przestrzeni roboczej wykrojników jednoczesnych za pomocą dodatkowych urządzeń mechanicznych lub sprężonego powietrza, po zadziałaniu spychaczy i wyrzutników. Problem usuwania wyrobów i odpadów zwykle nie występuje w wykrojnikach wielotaktowych (rys. VIII/10), gdzie wyroby razem z częścią odpadów są usuwane przez otwory przelotowe w płycie podstawowej (2), a pozostała część taśmy lub pasa (tzw. ażur) jest spychana ze stempli za pomocą płyty spychacza (9). Bez trudności można stosować wielorzędowy układ wykrojów w taśmie, a także tzw. układ wielotaktowo - wielokrotny (jednorzędowe rozmieszczenie kilku takich samych układów stempli), co podwyższa wydajność. Dlatego też wykrojniki wielotaktowe są powszechnie stosowane w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Wykrojniki jednoczesne są natomiast niezastąpione przy wykrawaniu wyrobów dokładnych (unika się błędów położenia względem siebie poszczególnych linii cięcia oraz wyginania przedmiotów). Koszty wykonania precyzyjnych wykrojników jednoczesnych są na ogół wyższe niż wielotaktowych. Wykrojniki wielotaktowe są droższe tylko w przypadku wykrawania przedmiotów o skomplikowanych zarysach.

Projektowanie i konstruowanie wykrojników obejmuje szereg zagadnień, począwszy od wyboru ogólnej koncepcji rozwiązania konstrukcyjnego, uwzględniającej program produkcyjny, kształt, wymiary i dokładność wyrobu, optymalizację rozkroju i wybór prasy aż po ostateczne rozwiązanie konstrukcyjne, spełniające wymagania poprawnej i bezawaryjnej pracy z uwzględnieniem szerokiego wykorzystania typowych (dostępnych jako handlowe) i znormalizowanych elementów tłoczników, współpracy z podajnikami itp. [5,6,7,9,10].

6.3. Rozmieszczenie wykrojów w pasach lub taśmach i optymalny rozkrój

Materiałem wyjściowym do wykrawania mogą być pasy lub taśmy. Pasy otrzymuje się przez pocięcie (np. na nożycach) arkuszy blach na wymaganą szerokość. Taśma jest wyrobem specjalnie wykonywanym na potrzeby procesów tłoczenia, zwłaszcza dla produkcji masowej. Producent wyrobów wykrawanych kupuje gotową taśmę o potrzebnej szerokości i grubości, zwijaną w kręgi. Arkusze i taśmy posiadają określone przez normy wymiary i tolerancje, stan powierzchni oraz własności mechaniczne.

Liczba, kształt i ustawienie wzajemne stempli oraz skok podawania taśmy lub pasa przy wykrawaniu wielotaktowym są uzależnione od rozmieszczenia wykrojów, które z kolei wpływa na wydajność i straty materiału. Zwykle rozróżnia się wykrawanie:

Podstawowe układy wykrojów są następujące:

Podawanie pasa lub taśmy może być ręczne lub zmechanizowane (za pomocą podajników). Wykrojnik winien być wyposażony w elementy umożliwiające prawidłowe podawanie, prowadzenie i ustalanie położenia materiału podczas wykrawania (zderzaki, elementy ustalające, dociskacze boczne, listwy prowadzące itp.) [5,6,10].

Przykłady rozmieszczenia wykrojów pokazują rys. VIII/11 - VIII/15 (zakreskowano przekroje stempli). Są to przykłady klasyczne, często przedstawiane w literaturze (patrz np. [5,10]. Obrazują one możliwości wykrawania wielotaktowego, sposoby zmniejszania odpadów i podwyższania wydajności. Przy wykrawaniu z odpadem między wykrojami pozostawia się odstępy (mostki) o szerokości a (przy wykrawaniu małych przedmiotów o zarysach prostych) lub a1 (dla dużych przedmiotów lub między wykrojami o zarysach złożonych). Wymiary odstępów bocznych (pomiędzy wykrojami i brzegami taśmy) wynoszą b (przy stosowaniu bocznego docisku taśmy) lub b1 (bez docisku). Najmniejsze wymiary odstępów podano w tab. VIII/3. Podziałką rozmieszczenia wykrojów h w układzie prostym nazywamy sumę największej szerokości C przedmiotu wykrawanego w kierunku przesuwania taśmy i odpowiedniego odstępu:

0x01 graphic
VIII.6)

Tabela VIII/3. Najmniejsze wymiary odstępów [10]

Grubość materiału g

[mm]

Odstępy

Grubość materiału g

[mm]

Odstępy

a = b [mm]

a1 = b1 [mm]

a = b [mm]

a1 = b1 [mm]

0,3

1,4

2,3

4,0

2,5

3,5

0,5

1,0

1,8

5,0

3,0

4,0

1,0

1,2

2,0

6,0

3,5

4,5

1,5

1,4

2,2

7,0

4,0

5,0

2,0

1,6

2,5

8,0

4,5

5,5

2,5

1,8

2,8

9,0

5,0

6,0

3,0

2,0

3,0

10

5,5

6,5

3,5

2,2

3,2

Szerokość taśmy lub pasa przy stosowaniu bocznego docisku taśmy oblicza się ze wzoru [10]:

0x01 graphic
(VIII.7)

gdzie: A - maksymalna szerokość wyrobu w kierunku prostopadłym do kierunku przesuwu taśmy, TB jest tolerancją szerokości (chodzi o to, aby zapewnić najmniejsze wartości odstępów, gdyż taśma jest wykonana z ujemną odchyłką). Gdy docisku się nie stosuje, to:

0x01 graphic
(VIII.8)

gdzie z jest luzem konstrukcyjnym pomiędzy listwami prowadzącymi i taśmą (pasem). Obliczoną wartość B zaokrągla się zwykle w górę do 0,5 lub 1 mm ze względu na dostępne wymiary gotowych taśm. Odległość D pomiędzy listwami prowadzącymi wynosi:

0x01 graphic
VIII.9)

Z analizy rys. VIII/11 - VIII/15 wynika m. in. że:

Ponadto rozmieszczenia wykrojów pokazane na rys. VIII/11 - 4, 6 mogą być stosowane tylko wtedy, gdy dopuszcza się pewne wady (uskoki lub inne niedokładności) zarysu. Zasady rozmieszczenia stempli przy wykrawaniu wielotaktowo - wielokrotnym podano w tabl. VIII/4. Na początku taśmy lub pasa otrzymuje się wyrób bez otworu.

Tabela VIII/4. Odstępy między osiami stempli przy wykrawaniu wielotaktowo - wielokrotnym

Krotność

wykrawania

n

Skok podawania

H

Odstępy między osiami stempli

Do wykrawania

zarysów zewnętrznych

Do wykrawania otworów

Do wykrawania

zarysów zewnętrznych

i do otworów

2

3h

3h

3h

2h

3

2h

2h

2h

4

3h

3h

3h

Zagadnienie tzw. optymalnego rozkroju w przypadku wykrawania z taśm i pasów sprowadza się zwykle do wyboru układu wykrojów z minimalną wartością iloczynu B*H lub maksymalną wartością odpowiedniego współczynnika wykorzystania materiału (tabl.VIII/5). Dla układów pochyłych należy znaleźć kąt nachylenia wykroju  minimalizujący iloczyn B*H.

Tabela VIII/5. Współczynniki określające stopień wykorzystania materiału

Współczynnik

Uwagi

0x01 graphic

Ocena typu rozmieszczenia wykrojów

0x01 graphic

Wykrawanie z pasa lub taśmy

0x01 graphic

Wykrawanie jednorzędowe z pasa lub taśmy bez końcowych odpadów

0x01 graphic

Ocena wykorzystania arkusza blachy pociętego na pasy

0x01 graphic

Ocena wykorzystania arkusza blachy pociętego na pasy do wykrawania k różnych przedmiotów

Oznaczenia: f - powierzchnia wyrobu, n - liczba wyrobów wykrawanych podczas jednego skoku suwaka prasy, nt - całkowita liczba wyrobów otrzymanych z pasa lub taśmy o długości L (uwzględnia się nie wykorzystane końce), m - liczba przedmiotów otrzymanych z arkusza z uwzględnieniem nie wykorzystanych końców pasów i odpadów przy cięciu arkusza na pasy, La, Ba - odpowiednio: długość i szerokość arkusza.

6.4. Prasy do wykrawania

6.4.1. Prasy mimośrodowe - budowa i działanie

Procesy wykrawania realizowane są najczęściej na prasach mechanicznych mimośrodowych lub korbowych. Schemat kinematyczny prasy mimośrodowej pokazano na rys. VIII/16. Prasa posiada mechanizm korbowy o zmiennym skoku (tzw. mechanizm mimośrodowy), w którym skok S nastawia się przez obrót tulei mimośrodowej (rys. VIII/17) w zakresie: Smax = 2(r +e) ≥ S ≥ Smin = 2(r - e). Długość korbowodu (8) można zmieniać poprzez wkręcanie lub wykręcanie łącznika (9) (rys. VIII/16). Odległość suwaka od płyty stołu prasy mieści się w granicach od Hmin do Hmax, przy czym:

0x01 graphic
(VIII.10)

(M jest zakresem zmian długości korbowodu - rys. VIII/18).

Działanie prasy korbowej lub mimośrodowej polega na wykorzystaniu w czasie skoku suwaka pewnej części energii kinetycznej ruchu obrotowego koła zamachowego. Podczas biegu jałowego silnik elektryczny (1) (rys. VIII/16) napędza koło zamachowe (2), wał prasy (5) jest unieruchomiony za pomocą hamulca (10) zaciśniętego sprężyną (11). W celu wykonania cyklu roboczego należy zluzować hamulec i równocześnie połączyć koło zamachowe z wałem za pośrednictwem sprzęgła (4). Poprawne działanie układu sprzęgło - hamulec wymaga synchronizacji: zluzowanie hamulca winno nastąpić w tym samym czasie co zasprzęglenie wału (i odwrotnie: rozłączenie sprzęgła ma zachodzić równocześnie z zahamowaniem wału). Synchronizację taką zapewnia odpowiedni układ sterowania siłownikami pneumatycznymi luzującymi hamulec i dociskającymi tarcze sprzęgła. Inny sposób polega na sztywnym połączeniu elementu dociskającego tarcze sprzęgła z elementem ściskającym sprężynę hamulca za pomocą popychacza (synchronizacja mechaniczna). Sterowanie prasy umożliwia pracę ruchem ciągłym lub przerywanym, przy którym po każdym obrocie wału następuje zatrzymanie wału (rozłączenie sprzęgła i zadziałanie hamulca).

Korpusy pras mimośrodowych uniwersalnych budowane są zwykle jako wysięgowe stałe lub przechylne (rys. VIII/18), a także z ruchomym stołem (podnoszonym lub opuszczanym za pomocą mechanizmu śrubowego). Podstawową zaletą korpusu wysięgowego jest łatwy dostęp do przestrzeni roboczej (z trzech stron, a dodatkowo z tyłu przy korpusie przelotowym), co zwiększa zakres stosowania prasy, ułatwia jej obsługę, umożliwia montaż podajników dowolnego rodzaju, usuwanie wyrobów itp. Ujemną cechą korpusu wysięgowego jest występowanie odkształcenia kątowego pod działaniem siły wykrawania (rys. VIII/19), co powoduje przesunięcie krawędzi płyty tnącej względem stempla. W skrajnym przypadku gdy s > s może dojść do uszkodzenia wykrojnika. Dlatego też prasy o dużych naciskach nominalnych posiadają korpusy ramowe. Z rys. VIII/19 widać, że niekorzystny wpływ odkształceń kątowych można ograniczyć ustawiając górny poziom płyty tnącej w odpowiedniej odległości h0 od stołu prasy.

6.4.2. Dobór prasy mimośrodowej do realizacji określonego procesu obróbki plastycznej

Do najważniejszych parametrów charakteryzujących prasę mimośrodową zalicza się:

Dobór prasy do określonej operacji technologicznej uwzględnia:

Nacisk nominalny PN prasy mimośrodowej (lub korbowej) jest to maksymalna siła, którą może być obciążona prasa (siłę tę przyjmuje się do obliczeń korpusu i wału korbowego na sztywność i wytrzymałość). Naciskiem dopuszczalnym Pdop nazywamy siłę działającą w dowolnym momencie skoku prasy, której odpowiada stały maksymalny moment skręcający Mmax na wale, przyjęty w obliczeniach sprzęgła i przekładni (także wału, na skręcanie ze zginaniem). Nacisk dopuszczalny jest więc funkcją kąta obrotu wału ( lub położenia (a) suwaka względem dolnego punktu zwrotnego (DPZ). Wykres nacisków dopuszczalnych (rys. VIII/20 b) sporządza się, określając dla kolejnych kątów obrotu wału lub położeń suwaka wartość siły Pdop, równoważącej stały maksymalny moment na wale (Ms = const. = Mmax).

Załóżmy w uproszczeniu brak sił tarcia w węzłach mechanizmu oraz brak odkształceń elementów prasy. Z rys. VIII/20 a wynika:

0x01 graphic
(VIII.11)

a więc:

0x01 graphic
(VIII.12)

Z (VIII.11) widać, że w pobliżu DPZ ( → 0) prasa może wywierać dowolnie duży nacisk (oczywiście tylko przy założonej nieskończenie dużej sztywności elementów prasy). Z tego powodu dla małych kątów  wykres nacisków dopuszczalnych musi być ograniczony od góry. Zwykle przyjmuje się, że dla 0 <  < N i S = Smax:

Pdop = const. = PN (VIII.13)

gdzie kąt nominalnyN = 30o. Związek pomiędzy Mmax i PN ma postać (sin N = 0,5):

0x01 graphic
(VIII.14)

Przy S < Smax siła obciążająca prasę może być równa naciskowi nominalnemu również dla  > N. Jeżeli dla danej prasy stosunek Smax/Smin = 2, to dla skoku Smin i  = 90o:

0x01 graphic
(VIII.15)

gdzie wykorzystano (VIII.14). W tym przypadku przy S = Smin prasa może być obciążona siłą równą naciskowi nominalnemu w zakresie 0 <  < 90o. Z powyższego wynika ważny wniosek: na prasie mimośrodowej należy nastawiać minimalny skok umożliwiający realizację zaplanowanej operacji technologicznej.

Oczywiście wykresy nacisków dopuszczalnych dla konkretnych pras sporządza się stosując związki bardziej złożone, uwzględniające tarcie w węzłach mechanizmu (patrz np. [9]).

Rys. VIII/21 przedstawia typowe wykresy zależności sił potrzebnych do realizacji różnych procesów obróbki plastycznej od położenia suwaka na tle wykresu nacisków dopuszczalnych prasy korbowej (lub mimośrodowej dla maksymalnego skoku). Widać, że prasy tego typu nadają się głównie do realizacji operacji nie wymagających dużych skoków lub takich, gdzie maksymalna siła kształtowania występuje w pobliżu DPZ (wykrawanie, płytkie ciągnienie, gięcie itp.). Przykładowe procesy głębokiego tłoczenia (4) i wyciskania współbieżnego (5) przy tych samych wartościach sił maksymalnych co pozostałe nie mogą być zrealizowane wskutek przekroczenia nacisków dopuszczalnych na opadającej części wykresu Pdop(a).

Dobór nacisku nominalnego prasy wymaga więc znajomości zależności siły P obciążającej suwak od jego położenia (a) lub kąta obrotu wału (). Siłę kształtowania plastycznego należy oczywiście powiększyć o wszystkie siły występujące dodatkowo (np. potrzebne do ściskania sprężyn wyrzutników i dociskaczy, poduszek pneumatycznych, do pokonania sił tarcia w prowadnicach itp.):

P(a) = Pt(a) + Pw(a) lub: P() = Pt() + Pw() (VIII.16)

gdzie: Pt(), Pt(a) - siły kształtowania w danej operacji technologicznej, Pw(), Pw(a) - suma wszystkich sił dodatkowych.

Przeciążenie naciskiem prasy mimośrodowej lub korbowej (odnosi się to również do innych typów pras mechanicznych) występuje, gdy:

P() > Pdop(), 0 <  < 90o lub: P(a) > Pdop(a), 0 < a < S/2 (VIII.17)

Przekroczenie nacisku dopuszczalnego może nastąpić w pobliżu DPZ na prostoliniowym odcinku wykresu nacisków dopuszczalnych: P > PN. Jeżeli prasa nie posiada zabezpieczenia przed przeciążeniem, to wystąpią nadmierne odkształcenia, względnie pęknięcie wału lub korpusu prasy. Inny typ przeciążenia powstanie, gdy siła P przewyższy nacisk dopuszczalny P > Pdop() na opadającej części wykresu. Spowoduje to zwiększenie momentu Ms powyżej wartości Mmax i awarię w układzie napędowym (sprzęgła lub przekładni).

Z powyższego wynika, że przy dużych skokach lub dużych wartościach sił w początkowej fazie kształtowania nacisk nominalny prawidłowo dobranej prasy może znacznie przewyższać maksymalną wartość siły P.

Naciski nominalne pras mimośrodowych są stopniowane wg ciągu Renarda o ilorazie 0x01 graphic
, np.: 63, 100, 160, 250, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 [kN] itd.

Po ustaleniu nacisku nominalnego należy sprawdzić, czy prasa dysponuje wystarczającą pracą Lu, możliwą do wykonania w czasie jednego suwaka prasy. Prasa jest dobrana poprawnie, jeżeli:

0x01 graphic
(VIII.18)

Gdy praca niezbędna do realizacji procesu L > Lu, to z koła zamachowego prasy pobiera się więcej energii, niż jest to dopuszczalne (przeciążenie pracą). Następuje nadmierny spadek prędkości kątowej koła zamachowego, co powoduje niedopuszczalny poślizg siłnika elektrycznego i jego przegrzanie aż do zniszczenia izolacji i trwałego uszkodzenia. Pracę użyteczną można określić ze wzoru:

0x01 graphic
(VIII.19)

gdzie: Ek - dopuszczalny spadek energii kinetycznej mas wirujących o momencie bezwładności I, ω0, ω1 - odpowiednio: nominalna i najmniejsza dopuszczalna prędkość kątowa koła zamachowego:

0x01 graphic
(VIII.20)

Dopuszczalny procentowy spadek prędkości kątowej p przy pracy przerywanej ustala się na 20 %, a przy pracy ciągłej - na 10 % [10] (przy pracy przerywanej silnik elektryczny ma więcej czasu na rozpędzenie koła zamachowego do nominalnej prędkości kątowej).

6.4.3. Prasy automatyczne

W produkcji masowej wykorzystuje się prasy automatyczne z dolnym napędem wyposażone w podajniki taśmy (walcowe lub zaciskowe) (rys. VIII/22) oraz prasy szybkobieżne z kołowym lub eliptycznym ruchem suwaka i bezkorbowodowe (rys. VIII/23). Są to prasy automatyczne o małych naciskach nominalnych przeznaczone do wykrawania i wytłaczania drobnych przedmiotów, pracujące z częstotliwościami 1200 - 3000 skoków na minutę. Przy tak dużych częstotliwościach klasyczne podawanie taśmy ruchem przerywanym nie znajduje zastosowania ze względu na zbyt duże przyspieszenia taśmy i części ruchomych podajnika oraz związane z tym siły bezwładności. Elementy tłocznika związane z suwakami pras wykonują ruchy złożone (po kole lub elipsie) i realizują samoczynny przesuw taśmy (rys. VIII/24). Prasy szybkobieżne mogą pracować bez sprzęgła i hamulca, w zasadzie zbędne są również podajniki. Stosując bardzo wysokie częstotliwości skoków należy liczyć się z silnym nagrzewaniem stempli i obniżeniem ich trwałości. Ze względu na duże siły bezwładności związane z przyspieszeniami części ruchomych pras szybkobieżnych niezbędne jest statyczne i dynamiczne wyrónoważenie mas wirujących oraz stosowanie pneumatycznych odciążaczy suwaków.

6.5. Wykrawanie dokładne

6.5.1. Charakterystyka procesu

W procesie wykrawania dokładnego rozdzielenie materiału następuje w drodze odkształceń plastycznych, bez udziału dekohezji (ψ = 1). Powierzchnia rozdzielenia ma małą chropowatość (Ra < 0,6 [m]), a materiał w warstwie wierzchniej jest wzmocniony. Można wykrawać części gotowe o złożonych zarysach (są to np. płyty z otworami o dokładnych wymiarach i rozstawieniu, koła zębate, krzywki, części precyzyjnych mechanizmów, maszyn włókienniczych i biurowych, aparatów fotograficznych itp.) z blach o grubościach 1 - 30 [mm] (rys. VIII/25). Efektywny proces wykrawania dokładnego zastępuje pracochłonne operacje obróbki wiórowej i ściernej.

Realizacja wykrawania dokładnego wymaga modyfikacji stanu naprężenia w strefie cięcia w taki sposób, aby bardzo duże odkształcenia plastyczne niezbędne do rozdzielenia materiału nie wywoływały dekohezji. Możliwość uzyskiwania dużych odkształceń plastycznych bez utraty spójności istnieje w stanie trójosiowego ściskania. Stan ten osiąga się wprowadzając do strefy cięcia naprężenia ściskające. Jednym ze sposobów wykrawania dokładnego jest tzw. wykrawanie z poprzecznym ściskaniem (rys. VIII/26). Naprężenia ściskające powstają wskutek wgłębiania w materiał wokół linii cięcia grani klinowej dociskacza. Dodatkowo stosuje się przeciwstempel dociskający z materiał z odpowiednią siłą do powierzchni czołowej stempla. Przeciwstempel pełni równocześnie rolę wyrzutnika i zapewnia płaskość wyrobu. Aby wyeliminować naprężenia rozciągające pochodzące od zginania stosuje się bardzo mały („zerowy”) luz (szczelina jest rzędu kilku mikrometrów).

Wykrawanie dokładne z poprzecznym ściskaniem może być stosowane do wielu gatunków materiałów metalowych, jednak - ze względu na rodzaj wytwarzanych części maszyn - najważniejsze jest wykrawanie stali konstrukcyjnych węglowych wyższej jakości i stali stopowych. Od materiałów przeznaczonych do wykrawania dokładnego wymaga się jednak - oprócz określonej wytrzymałości - również dobrych własności plastycznych, gdyż ułatwia to otrzymanie powierzchni rozdzielenia o wysokiej gładkości. Szczególnie dobre wyniki uzyskuje się dla stali po wyżarzaniu sferoidyzującym, gdzie węgliki mają postać drobnych cząstek o kształcie kulistym. Podwyższeniu plastyczności materiału wykrawanego sprzyja rónież stosowanie małych prędkości odkształcenia (a więc również obniżonych prędkości stempli wykrawających).

Do podstawowych parametrów charakteryzujących proces wykrawania z poprzecznym ściskaniem zalicza się:

Tabela VIII/6. Wymiary grani klinowej dociskacza (rys. VIII/25) [10]

Grubość materiału wykrawanego g [mm]

Wysokość grani h [mm]

Odległość wierzchołka grani od linii cięcia b [mm]

2

0,6

1,0

4

1,0

1,5

6

1,2

2,0

8

1,8

2,8

10

2,4

3,2

12

3,0

4,0

Uwagi:

  • dla g ≤ 4 [mm] stosuje się grań z jednej strony materiału (na dociskaczu), gdy g > 4 [mm] - z dwóch stron (na dociskaczu i powierzchni płyty tnącej, wierzchołki grani przesunięte względem siebie o 0,2 - 0,3 [mm]);

  • jeżeli szerokość ewentualnej wklęsłości linii cięcia jest większa od 4 g, to grań dociskacza jest równoległa do linii cięcia; przy wklęsłościach węższych grań nie wchodzi do wklęsłości (np. przy wykrawaniu kół zębatych o małych modułach i tarcz kołowych z drobnymi wycięciami na obwodzie grań ma kształt okręgu odległego o b od wierzchołków uzębienia).

Tab. VIII/7. Siła wgłębiania grani klinowej dociskacza (na jednostkę długości) w zależności od grubości i gatunku materiału wykrawanego [10]

Materiał

Siła wgłębiania grani klinowej [N/mm] przy grubości g [mm]

2

4

6

8

10

12

Aluminium

250

400

600

800

1000

1200

Stal niskowęglowa

1000

1600

2000

2800

3600

4200

Stal nierdzewna

2000

3500

4000

5000

6500

8400

Naprężenia ściskające można wprowadzać do strefy cięcia również sposobem termicznym przez wytworzenie gradientu temperatury. Materiał nagrzany podaje się do wykrojnika, a następnie chłodzi (np. natryskiem cieczy) na zewnątrz linii cięcia. Po upływie pewnego czasu potrzebnego na odpływ ciepła i wytworzenie naprężeń ściskających w strefie cięcia następuje wykrawanie. Sposób ten (rys. VIII/27) nosi nazwę wykrawania z termicznym ściskaniem [8,11]. Podstawową jego zaletą jest możliwość realizacji na prasach pojedynczego działania (ewentualnie wyposażonych w poduszkę pneumatyczną), a więc przy produkcji niewielkich serii wyrobów, gdy zakup drogiej prasy wielokrotnego działania jest nieopłacalny. Do wad można zaliczyć ograniczoną wydajność (wymagany jest określony czas chłodzenia), oraz barwy nalotowe powstające przy nagrzewaniu na powierzchni wykrawanych części stalowych.

Innym sposobem otrzymywania gładkiej powierzchni przecięcia jest tzw. wygładzanie. Wygładzanie powierzchni otworów polega na ich ponownym wykrawaniu stemplem o nieco większym wymiarze, przez co ścinaniu ulega niewielki naddatek. Zarys zewnętrzny wygładza się podobnie, przepychając stemplem wykrojony wyrób przez płytę tnącą o mniejszym wymiarze, przez co również usuwa się naddatek. Dobrą jakość powierzchni wygładzanej uzyskuje się stosując prasy pulsacyjne.

Oprócz wyżej opisanych istnieje szereg innych sposobów wykrawania dokładnego. Dalsze informacje można znaleźć m. in. w [7].

6.5.2. Prasy i wykrojniki do wykrawania dokładnego

W produkcji wielkoseryjnej i masowej do wykrawania dokładnego stosuje się prasy mechaniczne lub hydrauliczne wielokrotnego działania, zapewniające wywieranie niezależnych obciążeń na stemple, przeciwstemple i wyrzutniki. Niektóre prasy mechaniczne posiadają specjalnie zaprojektowane mechanizmy napędowe, realizujące zmniejszoną prędkość ruchu suwaka podczas wykrawania przy dostatecznie dużej wydajności (rys. VIII/28). Przebieg wykrawania przedstawia rys. VIII/29. Prasy są wyposażone w podajniki zaciskowe lub walcowe. Prasy mechaniczne są bardziej wydajne, natomiast prasy hydrauliczne (szczególnie przydatne w zakresie dużych nacisków nominalnych) zapewniają dobrą trwałość narzędzi. Należy dodać, że proces wykrawania dokładnego ze względu na brak dekohezji może być bez problemów realizowany na prasach hydraulicznych, w przeciwieństwie do klasycznego procesu wykrawania, przy którym w momencie pęknięcia materiału następuje nagły zanik ciśnienia w cylindrze roboczym prasy, powodujący niekorzystne zjawiska dynamiczne w układzie hydraulicznym.

Stosowanie „zerowych” luzów stawia wysokie wymagania odnośnie sztywności pras i dokładności prowadzenia suwaków oraz stempli wykrojników względem płyt tnących. W konstrukcji wykrojników stosuje się prowadnice toczne bez luzu (elementy toczne są montowane z lekkim wciskiem). Przy ustalaniu położeń tulei prowadzących, płyt i tulejek tnących względem płyt podstawowych i głowicowych wykorzystuje się tworzywa sztuczne chemoutwardzalne. W tym celu gniazda w płytach służące do osadzania ustalanych elementów wykonuje się o większych wymiarach, a pozostawione szczeliny zalewa się tworzywem sztucznym po wprowadzeniu stempli w otwory płyt tnących i kontroli szczeliny (rys. VIII/30).

6.6. Specjalne sposoby wykrawania

Do specjalnych sposobów wykrawania zalicza się:

Wykrojniki nożowe (rys. VIII/31) służą głównie do wykrawania materiałów niemetalowych i o strukturze włóknistej (skóra, preszpan, tektura, papier, filc, guma itp.), dla których wykrawanie dwoma krawędziami tnącymi nie daje dobrych rezultatów. Nóż wykrojnika przecina kolejne warstwy materiału aż do podatnego podłoża, które stanowi tworzywo sztuczne, drewno lub miękki metal.

Wykrawanie gumą (rys. VIII/32 a, b) polega na zastosowaniu poduszki gumowej zastępującej płytę tnącą (wzornik spełnia rolę stempla). Rolę płyty tnącej może również spełniać podłoże z miękkiego metalu (rys. VIII/32 c). Unika się w ten sposób wykonania płyty tnącej, co obniża koszt oprzyrządowania w produkcji niewielkich serii wyrobów.

Podczas wykrawania wybuchowego wykorzystuje się ciśnienie na froncie fali uderzeniowej spowodowanej detonacją materiału wybuchowego miotającego w ośrodku ciekłym. Materiał wykrawany winien szczelnie przylegać do płyty tnącej. Stemple są zbędne. Wykrawanie wybuchowe znajduje zastosowanie w produkcji małych serii wyrobów do równoczesnego wykrawania wielu otworów w metalach i stopach o wysokiej wytrzymałości. Schemat metody jest analogiczny jak dla tłoczenia wybuchowego (patrz ćw. VII, rys. VII/23, oczywiście matrycę zastępuje płyta tnąca z otworami).

6.7. Technologiczność wyrobów wykrawanych

Pojęcie technologiczności wyrobu oznacza łatwość jego wykonania w konkretnej operacji technologicznej przy niskich kosztach jednostkowych. Najważniejsze wymagania technologiczne przy konstruowaniu wyrobów wykrawanych podano w tab. VIII/8 w formie ograniczeń ich kształtu i wymiarów.

Przestrzeganie zasad podanych w tab. VIII/8 powoduje, że proces wykrawania przebiega bez zakłóceń i awarii, a trwałość narzędzi jest wystarczająca. Dodatkową poprawę technologiczności wyrobów wykrawanych można uzyskać przez korekty zarysu wyrobów, umożliwiające zastosowanie wykrawania bezodpadowego.

Tabela VIII/8. Ograniczenia kształtu i wymiarów przedmiotów wykrawanych

Element zarysu części

Szkic

Ograniczenie

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
Szerokość części

o wydłużonym zarysie

b ≥ 2 g

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
Stała szerokość części wydłużonej

b ≥ 3 g

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
Wierzchołki naroży

a)

c)

a) r ≥ 0,5 g

b) r ≥ 0,5 g przy wykrawaniu całego zarysu

c) r = 0 przy wykrawaniu bez-odpadowym lub przy płytach tną-cych składanych

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
Otwory okrągłe

i prostokątne

Stal twarda: d ≥ 1,3 g (0,5 g),

a ≥ 1,0 g (0,4 g)

Stal miękka: d ≥ 1,0 g (0,35 g),

a ≥ 0,7 g (0,3 g)

Aluminium: d ≥ 0,8 g (0,3 g),

a ≥ 0,5 g (0,28 g)

(wymiary w nawiasach dotyczą wykrawania z dociskiem i specjal-nym prowadzeniem stempli)

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
Odległości krawędzi otworów od siebie

i od zarysu zewnętrz-nego

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

a ≥ 1,0 g (dla otworów okrągłych i kształtowych)

b ≥ 1,5 g (gdy krawędź otworu jest równoległa do krawędzi zewnętrznej przedmiotu)

c = (2 - 3) g (przy wykrawaniu jednoczesnym)

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
Odległość krawędzi otworu od linii gięcia

lub ścianki wytłoczki

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

a ≥ r + 2 g

b ≥ r + 0,5 g (wykrawanie po ciągnieniu)

7. Literatura

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

  2. Feinschneiden (Feinstanzen). Handbuch fr die Praxis. (oprac. J. Haack). Feintool AG, Lyss 1970

  3. T. Golatowski: Tłoczenie wielotaktowe. WNT, Warszawa 1974

  4. Materiały i prospekty firm: Feintool, H. Schmidt, Essa, Hydomat

  5. Z. Marciniak: Konstrukcja wykrojników. WNT, Warszawa 1970

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

  7. Z. Polański: Wykrawanie. Podstawy teoretyczne i metody rozwojowe. WNT, Warszawa 1978

  8. Z. Polański, T. Sołkowski: Tłocznik do dokładnego wykrawania z termicznym ściskaniem. Biul. Inf. Obr. Plast. 4, 1972

  9. Prasy mechaniczne. Konstrukcja, eksploatacja i modernizacja. Praca zbiorowa (red. T. Golatowski). WNT, Warszawa 1970

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

  11. T. Sołkowski, Z. Polański: Sposób wykrawania wyrobów o wysokiej gładkości po-wierzchni cięcia i wykrojnik służący do realizacji tego sposobu. Patent PRL nr 73220 z dn. 9. 02. 1976 r.

Wyginanie przedmiotów można ograniczyć lub wueliminować przez stosowaniu wykrojników jednoczesnych (patrz rys. VIII/9).

a

d

Kąty proste

b)

r

b

dm

ds

g

2

3

1

a

s

r

g

b

b

b

r

r

a

b

r

a

c



Wyszukiwarka