ĆWICZENIE NR V

KSZTAŁTOWANIE OBJĘTOŚCIOWE

- KUCIE MATRYCOWE -

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z technologią kucia matrycowego ze szczególnym uwzględnieniem kucia w matrycach otwartych. Zwraca się uwagę na następujące zagadnienia:

• konstrukcję matryc kuźniczych,

• wpływ wymiarów rowka na wypływkę i innych czynników na stopień wypełnienia matrycy kuźniczej,

• podstawy projektowania odkuwek i procesów technologicznych kucia matrycowego,

• rodzaje maszyn kuźniczych.

2. Tematyka prac badawczych i technicznych

Tematyka prac badawczych i technicznych obejmuje:

• pokaz przykładowych odkuwek,

• badania procesu kucia modelowej odkuwki osiowo - symetrycznej w matrycy otwartej.

3. Schemat badanego procesu

Rys. V/1. Schemat kształtowania modelowej odkuwki osiowo - symetrycznej: 1 - połówki matrycy otwartej, 2 - materiał wsadowy, 3 - odkuwka, 4 - trzpień wyrzutnika, 5 - wypływka

4. Zalecenia

4.1. Przedstawienie wyników pomiarów

Temat 1. Badania procesu kucia modelowej odkuwki osiowo - symetrycznej

Tabela V/1-1. Wyniki badań zależności przemieszczenia górnej połówki matrycy od siły kucia lub energii uderzenia
Rodzaj maszyny kużniczej: ............................................. Materiał odkuwki: ........................... Wymiary materiału wsadowego(odcinka pręta): D0 = ..... [mm], H0 = ..... [mm] Temperatura kucia: t = ...... [^oC]
Wykres zależności przemieszczenia s górnej połówki matrycy od siły kucia F^1 lub energii uderzenia E^2 od przemieszczenia s górnej połówki matrycy				Rysunek matrycy
				Szerokość mostka l = ......... [mm]
Nr etapu kucia	I	II	III	IV
s [mm]
F [kN]^1
E [kJ]

Tabela V/1-2. Wyniki badań stopnia wypełnienia matrycy

Nr etapu kucia	s [mm]	F^1 [kN]	E [kJ]	Rysunek odkuwki po danym etapie kucia	Uwagi
I
II
III
IV
Warunki kucia i szerokość mostka: jak w tab. V/1-1.

4.2. Opracowanie wyników pomiarów

Wykres zależności przemieszczenia górnej połówki matrycy od siły kucia lub energii uderzenia, rysunek matrycy oraz współrzędne punktów wykresu F(s) lub E(s) dla wybranych etapów kucia przedstawić w tab. V/1-1, a wyniki badań stopnia wypełnienia matrycy (zwymiarowane szkice odkuwek po kolejnych etapach kucia oraz odpowiednie uwagi) - w tab. V/1-2. Tab. V/1-1 i V/1-2 należy wypełnić oddzielnie dla różnych szerokości mostka l i/lub wymiarów materiału wsadowego (D₀, H₀).

4.3. Wnioski

Wnioski winny dotyczyć przebiegu zależności przemieszczenia górnej połówki matrycy od siły kucia (prasowania) lub energii uderzenia oraz wpływu czynników badanych (szerokości mostka, wymiarów materiału wsadowego) na wielkość siły kucia i stopień wypełnienia matrycy po wybranych etapach kucia.

5. Zagadnienia kontrolne

• Klasyfikacja procesów kuźniczych.

• Ogólna charakterystyka kucia matrycowego na młotach i prasach.

• Rodzaje maszyn kuźniczych.

• Wpływ temperatury, wielkości odkształceń i prędkości odkształcania na przebieg procesów kucia i własności odkuwek.

• Czynniki wpływające na stopień wypełnienia matrycy kuźniczej.

• Znaczenie wypływki i rowka na wypływkę.

• Czynniki wpływające na pracę i siłę kucia.

• Zasady doboru materiału wsadowego i sporządzania rysunku odkuwki.

• Konstrukcja wykrojów matryc kuźniczych.

• Projektowanie odkuwek z osią wydłużoną - dobór wykrojów pomocniczych na podstawie wymiarów idealnej odkuwki wstępnej.

6. Informacja merytoryczna

6.1. Procesy kucia

W procesach kucia kształtuje się na gorąco lub na zimno wyroby zwane odkuwkami, które mają charakter brył trójwymiarowych o zróżnicowanych kształtach i wymiarach. Rozróżnia się następujące rodzaje kucia:

• kucie swobodne i półswobodne,

• kucie matrycowe (w matrycach: otwartych i zamkniętych, jedno - i wielowykrojowych, kucie wielokrotne).

Ponadto procesy kuźnicze ze względu na zastosowany rodzaj maszyny kuźniczej dzieli się na:

• kucie na młotach,

• kucie na prasach mechanicznych (śrubowych, korbowych, kolanowych i innych),

• kucie na prasach hydraulicznych,

• kucie na kuźniarkach,

• kucie na kowarkach,

• kucie na automatach kuźniczych i innych maszynach specjalnych.

Kucie na prasach nazywa się też prasowaniem.

Kucie swobodne przeprowadza się zwykle na gorąco na młotach i prasach hydraulicznych za pomocą kowadeł (płaskich lub kształtowych) oraz zestawu narzędzi kuźniczych, takich samych dla różnych odkuwek. Materiał kształtowany jest w różnorodnych operacjach kucia swobodnego (spęczanie, wydłużanie, gięcie, skręcanie, cięcie, przebijanie, zgrzewanie). Charakterystyczną cechą kucia swobodnego jest względnie mała powierzchnia styku kowadła lub narzędzia kuźniczego z materiałem w porównaniu z całkowitą powierzchnią odkuwki (możliwość swobodnego odkształcania się materiału wsadowego w kilku kierunkach). Pozwala to na obniżenie sił kucia i umożliwia kształtowania odkuwek o bardzo dużych masach i wymiarach gabarytowych. Stopniowe odkształcanie materiału wsadowego w kolejnych przejściach (zabiegach) wymaga długiego czasu. Przebieg odkształcania się materiału, możliwość wykonania odkuwki, jej ostateczny kształt i dokładność są całkowicie zależne od umiejętności kowala manipulującego odkuwką i sterującego pracą prasy lub młota. Kucie swobodne stosuje się:

• w produkcji jednostkowej lub niewielkich serii odkuwek,

• gdy masa i wymiary gabarytowe odkuwek są bardzo duże (np. przy kuciu bezpośrednio z wlewków).

Kucie półswobodne realizuje się m. in. za pomocą przyrządów kuźniczych, w których stosuje się wymienne elementy robocze dostosowane do kształtu wykonywanych odkuwek. Swobodne odkształcanie się materiału wsadowego jest częściowo ograniczone przez powierzchnie elementów roboczych. Zakres stosowania kucia półswobodnego jest podobny jak kucia swobodnego, jednak dokładność kucia jest wyższa (mniejsze naddatki na obróbkę), a czas wykonania odkuwki - krótszy. Przykładem kucia półswobodnego jest kucie wałów korbowych o dużych gabarytach na prasach hydraulicznych metodą TR.

Jeżeli wielkość programu produkcyjnego jest dostatecznie duża - opłacalne staje się kształtowanie odkuwek w specjalnie wykonanych matrycach (kucie matrycowe). Podczas kucia matrycowego materiał wsadowy pod działaniem nacisku suwaka prasy lub podczas kolejnych uderzeń bijaka młota ulega odkształcaniu w wykroju (lub w kolejnych wykrojach) matrycy kuźniczej. Ostateczny kształt odkuwki wynika z odwzorowania kształtu wykroju, a jej dokładność nie jest już uzależniona od umiejętności kowala. Powierzchnia styku materiału z matrycą w końcowym etapie kucia jest zbliżona do całkowitej powierzchni odkuwki (przy kuciu w matrycach otwartych), a w pewnych przypadkach może być jej równa (przy kuciu w matrycach zamkniętych bez kompensatorów). Siły i praca potrzebna do realizacji procesu kucia matrycowego są więc znacznie większe niż przy kuciu swobodnym, co stanowi pewne ograniczenie dla wykonania tą metodą odkuwek o dużej masie i gabarytach (gdy nie dysponujemy maszyną kuźniczą o dostatecznej energii lub nacisku nominalnym, względnie nie jest możliwe wykonanie matryc o wymaganych, bardzo dużych wymiarach). Procesy kucia matrycowego realizowane na gorąco lub na zimno za pomocą różnorodnych maszyn kuźniczych (młoty, prasy, kuźniarki, kowarki, specjalne automaty kuźnicze) cechuje duża wydajność oraz odpowiednia dokładność i powtarzalność wymiarów odkuwek. W dokładnych procesach kucia na zimno istnieje możliwość kształtowania wyrobów gotowych, spełniających wysokie wymagania odnośnie dokładności wymiarowo - kształtowej i chropowatości powierzchni.

6.2. Warunki termodynamiczne

6.2.1. Zakres temperatur kucia

Zakres temperatur kucia mieści się pomiędzy górną graniczną temperaturą nagrzania wsadu (t_g) i dolną graniczną temperaturą zakończenia kucia (t_d). Ustalenie zakresu temperatur kucia jest zagadnieniem dość złożonym, gdyż musimy wziąć pod uwagę skład chemiczny, skłonność do rozrostu ziaren, jakość metalurgiczną materiału wsadowego i inne czynniki. Dla stali węglowych:

(V.1)

gdzie: t_s - temperatura odpowiadająca linii solidus. Na podstawie wykresu równowagi fazowej żelazo - cementyt można stwierdzić, że:

• temperatura t_g oraz przedział t_g ÷ t_d zmniejszają się ze wzrostem zawartości węgla,

• kucie stali o zawartości 0,4 ÷ 1 % węgla odbywa się w zakresie jednej fazy (austenit),

• zakończenie kucia stali o zawartości węgla mniejszej od 0,4 % lub większej od 1 % może odbywać się w zakresie dwóch faz,

• różnica t_g - t_d dla stali niskowęglowych wynosi ok. 600 [^oC], dla stali eutektoidalnej - 400 ÷ 500 [^oC], a dla nadeutektoidalnej - 200 ÷ 300 [^oC].

Dla stali wysoko stopowych temperaturę t_d należy zwiększyć do 850 ÷ 900 [^oC]:

t_g - t_d = 100 ÷ 150 [^oC] (V.2)

Zwykle staramy się prowadzić kucie w zakresie jednej fazy, gdyż otrzymuje się wtedy równomierne odkształcenia i dobre własności mechaniczne odkuwek. Jedynie dla stali o dużej zawartości węgla i dla stali stopowych zakończenie kucia w zakresie dwóch faz jest korzystne ze względu na rozdrobnienie węglików. Zalecane temperatury kucia dla różnych gatunków stali stopowych podano w tab. V/2. Podgrzanie materiału wsadowego pozwala na znaczne obniżenie sił i pracy kucia, co wynika ze spadku naprężenia uplastyczniającego (tab. V/3, wg [12]).

Zakres temperatur kucia na półgorąco dla stali węglowych i niskostopowych wynosi ok. 600 ÷ 700 [^oC] (0,5 ÷ 0,7 temperatury rekrystalizacji). W tych warunkach rekrystalizacja zachodzi jedynie częściowo, utlenienie powierzchni odkuwek jest nieznaczne, a naprężenie uplastyczniające materiału obniża się o ok. 40 ÷ 50 % [12].

Tabela V/2. Zalecane zakresy temperatur kucia dla wybranych gatunków stali (wg [11])

Rodzaj stali	Oznaczenie	Zakres temperatur kucia [^oC]
Stale węglowe konstrukcyjne zwykłej jakości	St3S, St5	1250 - 750
Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości	10, 30, 45, 50, 55	1150 - 850
Stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania	15H, 20HG, 18H2N2	1150 - 800
Stale konstrukcyjne stopowe do ulepszania	30H, 40H, 35HGS	1050 - 850
cieplnego	45H, 50H	1050 - 800
	45HN	1000 - 800
	40HNMA, 45HNMF	1150 - 840
Stale na łożyska toczne	ŁH15, ŁH15SG	1100 - 850
Stale odporne na korozję,	1H13, 3H13	1150 - 900
nierdzewne i kwasoodporne	H18	1150 - 850
Stale żaroodporne (zaworowe)	H9S2	1200 - 900
	50H21G9N4	1180 - 1100

Tabela V/3. Zależność naprężenia uplastyczniającego stali węglowych od temperatury (wg [11])

Rm [MPa]	σp (t) [MPa]
		600 ^oC	700 ^oC	800 ^oC	900 ^oC	1000 ^oC	1100 ^oC	1200 ^oC	1300 ^oC
400	150	85	65	45	30	25	20	15
600	240	150	110	75	55	35	25	20
800	380	250	165	110	75	50	35	25
1000	500	340	230	159	100	70	45	30
Rm - wytrzymałość stali w temperaturze otoczenia

6.2.2. Odkształcenia całkowite i prędkość odkształcenia

Stopień odkształcenia na gorąco wpływa na przebieg rekrystalizacji. Dla odkuwek kutych swobodnie z wlewków metodą wydłużania wprowadza się pojęcie stopnia przekucia (stopnia przerobu):

(V.3)

gdzie: F₀ - przekrój początkowy (wlewka), F_k - przekrój końcowy (odkuwki). Odpowiednią drobnoziarnistą strukturę odkuwki ze stali węglowej otrzymuje się, jeżeli:

K = 3 ÷ 5 (V.4)

Dla stali szybkotnącej w stanie lanym ze względu na konieczność rozdrobnienia węglików przyjmuje się K ≈ 10. Zamiast (V.3) stosuje się także inne miary odkształcenia, np. wydłużenie rzeczywiste (logarytmiczne) ₁:

(V.5)

gdzie l₀ i l_k oznaczają odpowiednie długości odkuwki: początkową i końcową. Jeżeli warunek (V.4) nie jest spełniony (np. gdy F₀ jest za małe), wlewek przed wydłużaniem należy poddać spęczaniu. W tym przypadku:

(V.6)

gdzie: l_0s - początkowa wysokość odkuwki, l_1s - wysokość odkuwki po spęczaniu, l_2w - długość odkuwki po wydłużaniu. Jeżeli mamy założony z góry stopień przerobu K, to:

(V.7)

Prędkość kształtowania V (nie mylić z prędkością odkształcenia) jest prędkością przemieszczania się narzędzia kształtującego (ruchu roboczego) i zależy od rodzaju zastosowanej maszyny kuźniczej (tab. V/4).

Tabela V/4. Orientacyjne wartości prędkości V i średnie wartości zastępczej

prędkości odkształcenia
przy wysokości odkuwki h = 0,2 [m]

Rodzaj maszyny kuźniczej	V [m/s]	[s^-1]
Młot parowo - powietrzny podwójnego działania	5 - 6	25 - 30
Młot pracujący z dużą prędkością	18 - 40	90 - 200
Prasa korbowa	0,5	2,5
Prasa hydrauliczna	0,15 - 0,20	0,75 - 1,00

Zjawisko wrażliwości materiału na prędkość odkształcenia (patrz Informacja merytoryczna do ćw. I) powoduje wzrost sił i pracy potrzebnej do realizacji procesu kucia w warunkach dużych prędkości kształtowania. Jednak podczas kucia na gorąco stosowanie dużych prędkości kształtowania może okazać się korzystne z kilku powodów:

• praca odkształceń plastycznych dyssypuje się w krótkim czasie (duża moc dyssypowana), co powoduje lokalne dogrzewanie materiału w miejscach o dużym odkształceniu; ułatwia to kształtowanie fragmentów odkuwek o małych przekrojach, które są szczególnie narażone na szybki odpływ ciepła do ścianek matrycy,

• w zakresie temperatur kucia wartości sił i energii, mimo ich wzrostu spowodowanego wrażliwością materiału na prędkość odkształcenia, nie są zbyt duże,

• krótki czas styku materiału nagrzanego z matrycą zapobiega nadmiernemu spadkowi temperatury materiału oraz wzrostowi temperatury matryc.

6.2.3. Siły i praca odkształcenia podczas kucia w matrycowego

Procesy kucia w matrycach otwartych są niezwykle skomplikowane z punktu widzenia panujących warunków termodynamicznych. Gorący materiał o temperaturze rzędu 1000 [^oC] styka się z matrycą podgrzaną do ok. 300 [^oC]. Następuje chłodzenie materiału spowodowane odpływem ciepła do otoczenia i równoczesne podgrzewanie wskutek dyssypacji energii odkształcenia. Procesy są niestacjonarne - charakteryzują się zmiennością w czasie i niejednorodnością pól temperatur, naprężeń, odkształceń i prędkości odkształceń. Cały czas zmienia się powierzchnia styku materiału z matrycą i warunki tarcia. Procesy kucia na młotach i prasach przebiegają w odmiennych warunkach ze względu na różnice czasów styku materiału z matrycą. Zmienne warunki termodynamiczne powodują skomplikowany przebieg ewolucji struktury i własności materiału wskutek zachodzących procesów zdrowienia i rekrystalizacji (patrz ćw. I). Uwzględnienie podczas modelowania komputerowego przebiegu kucia wszystkich ww. czynników jest bardzo trudne i wymaga zgromadzenia szeregu danych w postaci adekwatnych parametrów i funkcji opisujących konkretny materiał oraz przepływ ciepła i warunki tarcia. Analizy tego rodzaju są obecnie możliwe do przeprowadzenia z wykorzystaniem metody elementów skończonych i odpowiedniego oprogramowania (np. [1]). W efekcie można określić wartości całkowitych sił lub pracy odkształcenia, co stanowi podstawę doboru nacisku nominalnego prasy lub energii uderzenia młota. Należy podkreślić, że w wyniku modelowania komputerowego można prześledzić cały przebieg procesu i wykryć ewentualne przypadki wadliwego wypełnienia matrycy, np. tworzenie się zawinięć i tzw. podłamów (patrz p. 6.4). Można więc skorygować już na etapie projektowania kształty wykrojów (np. zmienić promienie zaokrągleń krawędzi), wprowadzić potrzebne wykroje pomocnicze itp. Otrzymujemy również szereg informacji dotyczących rozkładów nacisków jednostkowych i temperatury na powierzchniach kontaktu matrycy z materiałem, co pozwala określić najbardziej wytężone miejsca i dokonać ewentualnych korekt a nawet prognozować przebieg zużycia matrycy.

W praktyce inżynierskiej do obliczeń sił i pracy odkształcenia korzysta się często z szeregu zależności przybliżonych, które zostały wyprowadzone przy założeniu stałej temperatury kucia i kształtu strefy odkształcenia plastycznego, obejmującej w końcowych etapach kucia wypływkę i część środkową odkuwki [12]. W efekcie dla końcowych wartości sił kucia otrzymuje się następujące związki:

- dla odkuwek o zarysie okrągłym (w płaszczyźnie podziału):

(V.8)

- dla odkuwek o z osią wydłużoną:

(V.9)

gdzie: σ_p(t) - naprężenie uplastyczniające w stałej temperaturze kucia (tab. V/3), S_wo, S_wL - odpowiednie pola wypływek:

S_wo =  (d + l) l (V.10)

S_wL = 2 l L (V.11)

l - szerokość mostka, h - grubość wypływki (patrz rys. V/1), d, L, a, S - odpowiednio: średnica, długość, szerokość i powierzchnia odkuwki w płaszczyźnie podziału.

Pracę odkształcenia oblicza się ze wzoru:

(V.12)

Szereg zależności podobnych do (V.8) lub (V.9) i innych, o charakterze empirycznym, można znaleźć m. in. w [9,12]. Przy kuciu z dużymi prędkościami należy skorygować wartość σ_p(t), uwzględniając wrażliwość materiału na prędkość odkształcenia (ćwicz. I).

6.3. Kucie w matrycach otwartych i zamkniętych - ogólna charakterystyka

Charakterystyczną cechą matrycy otwartej (rys. V/2 a) jest rowek na wypływkę, otaczający wykrój w płaszczyźnie podziału. Mieści on nadmiar materiału oraz ułatwia wypełnienie wykroju matrycy (materiał tworzący wypływkę napotyka w rowku silny opór wywołany siłami tarcia w warunkach dużych nacisków występujących w trakcie odkształcania cienkiej warstwy szybko stygnącego materiału). Ponadto tworząca się wypływka powoduje, że połówki matrycy nie zderzają się bezpośrednio.

Rodzaj i wymiary zastosowanego rowka na wypływkę (rys. V/3) zależą głównie od masy i kształtu odkuwki, przy czym zasadniczą rolę odgrywają wymiary mostka. Im bardziej skomplikowany jest kształt odkuwki - tym większą przyjmuje się szerokość l. Wysokość h (grubość wypływki) oblicza się ze wzoru:

(V.13)

Pozostałe wymiary oraz pola przekrojów poprzecznych rowków są stablicowane (patrz np. [12]), przy czym tym samym wartościom h odpowiadają trzy różne szerokości l.

Przy prawidłowo usytuowanej powierzchni podziału matryc, właściwej objętości wsadu i wymiarach rowka - objętość wypływki nie powinna przekraczać 5 - 10 % objętości odkuwki. Grubość tworzącej się wypływki w magazynku powinna być mniejsza niż jego głębokość (suma wymiarów: b + h/2 wg rys. V/3 a).

Matryca zamknięta (rys. V/2 b) nie posiada rowka na wypływkę, w związku z tym objętość wsadu winna odpowiadać objętości wykroju. Wymiary zamka pokazano na rys. V/4.

Porównanie cech charakterystycznych (wad i zalet) kucia w matrycach otwartych i zamkniętych zawiera tab. V/5.

Rys. V/2. Schemat jednowykrojowej matrycy kuźniczej otwartej (a) i zamkniętej (b) oraz sposób ich mocowania na młocie: W - wykrój, R - rowek na wypływkę, J - jaskółczy ogon, Z - zamek, B - bijak młota, P - poduszka szaboty, K - klin; 1 - matryca górna, 2 - matryca dolna

Rys. V/3. Rodzaje i wymiary rowków na wypływkę: a) wymiary typowego (zalecanego) rowka: h i l -wysokość i szerokość mostka, b) rowek dla odkuwek niskich o prostych kształtach stosowany też w przypadku odwracania odkuwki do okrawania, c) dla wypływki o dużej objętości, d) dla odkuwek o dużych wymiarach i złożonych kształtach, e) bez magazynka dla prostych odkuwek okrągłych i kwadratowych (wg [12])

Tabela V/5. Porównanie procesów kucia w matrycach otwartych i zamkniętych

Lp	Cecha procesu	Kucie w matrycach otwartych	Kucie w matrycach zamkniętych
1	Zużycie materiału	10 - 50 % odpadów (wypływka i uchwyty na kleszcze, strata na zgorzelinę)	Strata na zgorzelinę: 0,5 - 3 %*
2	Stan naprężeń w końcowych etapach kucia	Możliwość wystąpienia (lokalnie) obszarów z dodatnim naprężeniem średnim	Brak obszarów z dodatnim naprężeniem średnim
3	Powstawanie pęknięć w odkuwce	Mogą wystąpić	Nie występują
4	Naciski jednostkowe na ściankach matryc	Niższe	Wyższe
5	Całkowita energia lub maksymalna wartość siły kucia	Niższa	Wyższa
6	Trwałość matryc	Dobra	Obniżona**
7	Operacje dodatkowe	Okrawanie wypływki, usuwanie denek, dobijanie	Tylko usuwanie denek
8	Uniwersalność	Dobra	Obniżona***
9	Przygotowanie wsadu	Cięcie na prasach	Cięcie z podwyższoną dokładnością
10	Przebieg włókien****	Mniej korzystny	Korzystny
11	Własności wytrzymałościowe odkuwek	Niższe	Wyższe
12	Jednorodność odkształceń	Niższa	Wyższa
13	Dokładność odkuwek	Niższa	Wyższa
14	Wykonanie odkuwek o skomplikowanych kształtach	Kucie w matrycach wielowykrojowych	Kucie z przedkuwek
15	Niebezpieczeństwo przeciążenia pras mechanicznych	Niższe	Wyższe
16	Niebezpieczeństwo zużycia wytrzymałościowego (pękania) matryc	Niższe	Wyższe
* W zależności od sposobu nagrzewania - w piecach komorowych gazowych: 2,5 ÷ 3 %, w piecach elektrycznych: 1 ÷ 1,5 %, nagrzewanie elektryczne oporowe lub indukcyjne: 0,5 ÷ 1 % [12]. ** Przy wykonaniu matryc zamkniętych i otwartych z tego samego materiału. *** Niektóre odkuwki, np. o przekrojach poprzecznych okrągłych, owalnych, kwadratowych (prostokątnych) nie powinny być wykonywane w matrycach zamkniętych (nie można skonstruować zamka bez ostrych krawędzi narażonych na szybkie zużycie). **** Przebieg włókien (tzw. zawłóknienie) w odkuwce oznacza kierunkowy rozkład zanieczyszczeń (wtrąceń niemetalicznych odkształcalnych w temperaturze kucia, np. siarczków żelaza i manganu w stalach). Przy materiałach o dobrej jakości metalurgicznej cecha ta nie występuje wyraźnie.

6.4. Kucie w matrycach otwartych na młotach

6.4.1. Informacje podstawowe

Na rys. V/5 przedstawiono konstrukcję wykroju matrycy otwartej (a) dla odkuwki osiowo - symetrycznej (b) z otworem.

Rys. V/5. Konstrukcja wykroju matrycy otwartej do kucia odkuwki osiowo - symetrycznej (a) i przekrój odkuwki (b); kolorem szarym zaznaczono przekrój części gotowej ( n, n₁ - naddatki, r₁ - promień zewnętrzny, r₂ - promień wewnętrzny, r₃ - promień w miejscu zmiany przekroju)

Można wymienić następujące cechy odkuwki, odróżniające ją od gotowego wyrobu:

• naddatki na obróbkę,

• naddatki technologiczne,

• promienie zaokrągleń krawędzi,

• skosy matrycowe,

• denka w otworach.

Naddatki na obróbkę daje się tylko na powierzchniach wymagających wykańczającej obróbki wiórowej lub ściernej. Wielkość naddatku (jednostronnego), który może mieścić się w granicach od 1,5 do 7 [mm] [12] zależy głównie od: kształtu i wymiarów odkuwki, rodzaju kutego materiału i sposobu jego nagrzewania, dokładności prowadzenia bijaka młota oraz dokładności wykonania i stopnia zużycia matryc. Wartości minimalnych naddatków w zależności od klasy dokładności wykonania odkuwki (Z - zwykła, P - podwyższona) oraz trudności wykonania (dwa stopnie, uzależnione od gatunku kutej stali: M₁ do 0,65 % C i M₂ ponad 0,65 % C) można znaleźć w [N6]. Zawiera ona również tolerancje wymiarów oraz inne dopuszczalne odchyłki (np. przesadzenie, pozostałość wypływki itp.).

Naddatki technologiczne stosuje się w celu umożliwienia bądź ułatwienia wykonania odkuwki. Nie jest opłacalne (ze względu na zużycie matryc) wykonywanie wgłebień, otworów i rozwidleń o zbyt małych wymiarach; nie można ich wykonać w kierunkach równoległych do powierzchni podziału. Ponadto naddatek technologiczny (np. n₁ na rys. V/5) powstaje wskutek zastosowania skosów matrycowych.

Trzy rodzaje promieni zaokrągleń (dla wykroju i odkuwki) pokazano na rys. V/5. Zbyt małe promienie r₁ powodują trudności wypełnienia wykroju i stwarzają niebezpieczeństwo pękania matryc wskutek koncentracji naprężeń. Jeżeli promienie r₂ w wykroju są zbyt małe, to krawędzie te są narażone na lokalne odkształcenia, co utrudnia usuwanie odkuwek z wykroju. Ponadto nadmierne zmniejszenie promieni r₂ może spowodować wadliwe wypełnienie wykroju (tzw. podłam, rys. V/6).

Rys. V/6. Schemat wadliwego wypełnienia wykroju przy zbyt małym promieniu r₂ (tworzenie tzw. podłamu); 1 - matryca górna, 2 - matryca dolna

Przy kuciu na młotach, gdy nie stosuje się wyrzutników, skosy matrycowe (pochylenia ścian matrycy) są niezbędne, gdyż umożliwiają wyjęcie odkuwki z wykroju. Wartości skosów matrycowych są uzależnione od stosunku H/d (rys. V/5) lub H/a (mniejszym wartościom tych stosunków odpowiadają mniejsze skosy). Ponadto większe kąty nachylenia przyjmuje się dla ścian wewnętrznych ( > , rys. V/5), co jest związane ze zmianami wymiarów odkuwki podczas stygnięcia.

Wykonywanie otworów przelotowych w odkuwkach kutych na młotach nie jest możliwe. W związku z tym kształtując otwory pozostawia się denka (rys. V/7), które są wycinane podczas okrawania wypływki (rys. V/8). Grubość pozostawionego denka nie może być zbyt mała, gdyż niepotrzebnie zwiększa się siła kucia, a elementy matryc wykonujące wgłębienia szybciej się zużywają. Z drugiej strony grubsze denka trudniej jest usunąć

Skosy matrycowe i zalecane wymiary denek dla odkuwek stalowych kutych na młotach podano w [N6].

Rys. V/7. Denka w otworach: a) płaskie, b) wklęsłe, c) z magazynkiem (jednostronnie wypukłe), d) dwustronnie wypukłe (dla odkuwek niskich)

Rys. V/8. Schemat okrawania odkuwki osiowo - symetrycznej na prasie do okrawania za pomocą okrojnika jednoczesnego (następuje równoczesne okrojenie wypływki i wycięcie denka): 1 - stempel górny okrojnika, 2 - stempel dolny, 3 - płyta tnąca, 4 - wypływka po okrawaniu, 5 - wycięte denko, 6 - odkuwka po okrawaniu

7. Literatura

1. J. A. Boczarow: Prasy śrubowe. WNT, Warszawa 1980

2. W. Dobrucki: Zarys obróbki plastycznej metali. Wyd. "Śląsk", Katowice 1975

3. Encyklopedia techniki. Metalurgia. Red. J. Czerwiński, wyd. Śląsk, Katowice 1978

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

5. Ocena materiałów hutniczych z punktu widzenia wymagań obróbki plastycznej na zimno. Część I. Pręty. Opracowanie zbiorowe pod red. A. Turno. Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań 1980

6. L. Gosztowtt, A. Karaszkiewicz: Prasy hydrauliczne. Wyd. Politechnika Warszawska, Warszawa 1972

7. T. Lipski: Kucie na kowarkach. WNT, Warszawa 1979

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

9. Procesy przeróbki plastycznej. Praca zbiorowa pod red. J. Sińczaka, WN AKAPIT, Kraków 2003

10. R. Szyndler, Z. Gogółka: Kuźnictwo. AGH, skrypty uczelniane nr 516, Kraków 1976

11. P. Wasiunyk: Kucie na kuźniarkach.WNT, Warszawa 1973

12. P. Wasiunyk: Kucie matrycowe. WNT, Warszawa 1987

8. Wykaz norm

N1. PN - 68/H - 04400

N2. PN - 69/H - 92121

N3. PN - 55/H - 04407

N4. PN - 57/H - 04408

N5. ZN - 90/MP - 29 - 24075

N6. PN - 74/H - 94301

W przypadku kucia na prasie.

W przypadku kucia na młocie.

Nazwa pochodzi od nazwiska prof. Tadeusza Ruta, twórcy metody i autora wielu patentów krajowych i zagranicznych, zwłaszcza dotyczących sposobów kucia i konstrukcji przyrządów kuźniczych.

Wykroje dzielimy na: wstępne i wykańczające. Przy kuciu wielokrotnym wykrój odwzorowuje kształt kilku odkuwek naraz.

Kompensatorem nazywa się fragment wykroju matrycy zamkniętej służący do pomieszczenia nadmiaru materiału wsadowego.

Powiększona o straty na zgorzelinę powstające podczas nagrzewania.

2

1

3

F

D₀

s

H₀

4

5

l

h

a)

b)

Z

K

R

B

P

J

W

l₂

a = h/2

d)

e)

c)

b)

a)

h/2

h/2

(1,5 - 1,75) l

l

l

l₂

R 4 - 5 mm

b

a

b

R

R

b

h/2

h

l

b

mostek

magazynek

R₁

R₂



δ

h

b

1

2

d

r₃

r₂

r₂

g

W

b)

a)





n

n

n

n

n

n₁

n₁

n₁

r₃

r₁

r₁

r₁

r₁

r₁

Powierzchnia nieciągłości

r₂

1

2

H

D

D

r

r₁

h₁

1₁

r₁

h₁

r

D

r₂

g_min

g_max

r₂

h

d

g_max

g_min

g

1

4

3

5

6

2

Rys. V/4. Wymiary zamka: wysokość h = 30 ÷ 50 [mm], szerokość b = (1,5 ÷ 2) h, luz δ = 0,1 ÷ 0,15 [mm], kąt pochylenia  = 1 ÷ 7 ^o, promienie: R₁ = 4 ÷ 8 [mm], R₂ = 6 ÷ 10 [mm]

---