4.1.1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wybranych parametrów procesu kucia swo­bodnego:

- wartości odkształceń i nacisków w kolejnych uderzeniach bijaka młota,

- stopnia wykorzystania energii młota,

- wpływu prędkości odkształcenia na wartość nacisków jednostkowych,

- przybliżonej wartości współczynnika tarcia.

4. l.2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

W praktyce mamy dwa zasadnicze sposoby spęczania: spęczanie swobodne i spęczanie w matrycy. Podczas spęczania swobodnego w kierunku działania siły następuje zmniejszenie wymiaru materiału, a w pozostałych kierunkach materiał przemieszcza się swobodnie.

Najprostszym sposobem spęczania jest ściskanie krótkich odcinków pręta mię­dzy dwiema płytami o równoległych powierzchniach roboczych. Przebieg procesu zależy od wymiarów materiału i tarcia na powierzchni styku materiału z narzędziem. W procesie swobodnego spęczania tarcie powoduje, że materiał odkształca się nierównomiernie, nierównomierny jest również rozkład nacisków jednostkowych na powierzchni spęczanego materiału.

Rozważmy proces spęczania próbki cylindrycznej. Gdyby proces ten odbywał się bez tarcia, wówczas materiał byłby odkształcony jednorodnie i próbka zachowa­łaby kształt cylindryczny, a naciski jednostkowe na powierzchni styku byłyby jednakowe w każdym punkcie i równe naprężeniu uplastyczniającemu cl). W czasie procesu spęczania bez tarcia siła P stale wzrasta, ponieważ zwiększa się pole

W procesie spęczania próbki o prawidłowo dobranym stosunku ho/dg w wyniku działania tarcia promieniowe przemieszczanie się cząstek materiału jest utrudnione. co powoduje, że przekroje poprzeczne w pobliżu zetknięcia z powierzchniami narzędzia powiększają się wolniej niż przekroje bardziej oddalone od tych powierz­chni. Spęczany materiał przyjmuje kształt beczki, a rozkład nacisków na powierzchni nie jest równomierny, wzrasta w środkowej strefie powierzchni styku ponad wartość naprężenia uplastyczniającego.

Na rysunku 4.4 pokazana jest spęczana próbka walcowa, w której można wyodrębnić trzy charakterystyczne obszary:

- dwa stożki przylegające do obu powierzchni narzędzia, które przemieszczają się wraz z narzędziem, nie ulegające większym odkształceniom (I),

- obszar intensywnego płynięcia plastycznego, w którym materiał przemieszcza się w kierunku swobodnych powierzchni zgodnie ze strzałkami pokazanymi na rysunku (II),

- obszar zewnętrzny, w którym panują znaczne obwodowe naprężenia rozciąga­jące (III).

Rys. 4.4. Przemieszczanie się cząstek materiału podczas spęczania walca w warunkach dużego tarcia oraz rozkład nacisków na powierzchni

Kucie swobodne na młocie opadowym

Najczęściej stosowaną operacją kucia swobodnego jest spęczanie. Takie opera­cje, jak wydłużanie lub poszerzanie mogą być również uważane za szereg następu­jących po sobie niewielkich częściowych spęczeń.

Przy kuciu swobodnym na miocie opadowym energię uderzenia określa się ze wzoru:

E=H„;Gk (4.27)

gdzie: H,^ = H - ho - rzeczywista wysokość spadania bijaka miota, H - wysokość uniesienia bijaka,

ho - początkowa wysokość odkształcanej próbki, G - ciężar bijaka młota,

k - współczynnik uwzględniający straty energii na skutek tarcia bijaka w pro­wadnicach oraz przekazania pewnej części energii szabocie i fundamen­towi.

Stopień wykorzystania energii młota opadowego można wyrazić przez współ­czynnik sprawności uderzenia k„:

ku = -^ (4.28) gdzie V- - tzw. objętość przesunięta,

Vp=Voln-^¹ (4.29)

gdzie: Vp - objętość próbki,

h„. j, h„ - wysokość próbki po kolejnych uderzeniach bijaka. Gdy zna się energię uderzenia młota, wówczas można obliczyć wartość sił nacisku na metal z zależności:

P=^Ji- (4.30) Ah„

Średni nacisk jednostkowy bijaka na metal

U,^⁴^ ^(4J1) Ttd^

gdzie d„ - średnica próbki po n-tym uderzeniu liczona z zasady stałej objętości,

d,,=do(ho/h„)°-⁵ (4.3:

Średnie ciśnienie p^r wywierane na jednostkę powierzchni odkuwki w cel pokonania oporu odkształcenia jest proporcjonalne do wartości naprężenia upli styczniającego w danej temperaturze, czyli

Pśr=KCTp (4.33

gdzie k - współczynnik oporu odkształcenia, który można wyrazić za pomocą trzeć] czynników,

K=T1^T (4.34

gdzie: t| - współczynnik uwzględniający wpływ prędkości odkształcenia (tab. 4.2), ^ - współczynnik zależny od kształtu narzędzia, dla kowadeł płaskich przyj

muje się C, = l, dla kowadeł półokrągłych t, •=• 1,25,

t - współczynnik wzrostu oporu odkształcenia na skutek tarcia materiału o powierzchnię narzędzi.

Tabela 4.2 Wartości współczynnika prędkości odkształcenia

Prędkość odkształcenia (p, s'' 0.1-0.25 0.25-0.75 1.0 > 1.0 Wartość współczynnika f\______1.0-1.6 1.6-2.0 2.6 3-4

Dla spęczanego walca T wyraża się według wzoru:

T=l+^ (4.35) gdzie u. - współczynnik tarcia.

Po podstawieniu do równania (4.33) wartości z równania (4.34) otrzymuje się:

PiSr=n^Op (4.36)

gdzie (j- - naprężenie uplastyczniające dla danej wartości odkształcenia.

Po porównaniu wartości nacisków średnich q^ i średniego ciśnienia p^,. mo/na oblicy.yć wartość współczynnika prędkości odks/tatcenia:

n^ (4.37)

Prędkość odkształcenia przy kuciu swobodnym na młocie opadowym określa się według zależności:

^zf ^(4J8)

gdzie v = (2 g H^) ' - prędkość spadania bijaka w momencie zetknięcia się z materiałem.

4. l.3. WYKONANIE ĆWICZENIA

Ćwiczenie zostanie zrealizowane na laboratoryjnym młocie opadowym, którego schemat przedstawiono na rys. 4.11. Dane charakterystyczne młota:

- ciężar bijaka G = 350 N,

- wysokość spadania H^,^ = 1,7 m,

- sprawność k = 0,9.

Zasadniczymi elementami roboczymi laboratoryjnego młota opadowego są bijak l i kowadło 2, spoczywające na szabocie 3. Bijak podnoszony jest do góry w prowadnicach 7, ręcznie z użyciem elektromagnesu 5, poprzez nawijanie liny na bęben 6 osadzony na wspólnym wale z hamulcem tarczowym. Aby bijak podnieść

3. Położyć próbkę na kowadle. Usunąć poprzeczkę zabezpieczającą. Wyłączyć dopływ prądu do elektromagnesu. Po uderzeniu bijaka podnieść go na ustaloną wysokość i ponownie umieścić nad kowadłem poprzeczkę zabezpieczającą.

4. Zdjąć próbkę z kowadła. Zmierzyć mikrometrem wysokość próbki, a za pomocą mikroskopu warsztatowego średnicę maksymalną Dy i minimalną D^ prób­ki.

5. Cykl powtarzać 5-krotnie. Po kolejnych uderzeniach mierzyć jedynie wyso­kość próbki. Wyniki notować w tab. 4.3.

6. Pomiary przeprowadzić dla trzech różnych wysokości spadania bijaka młota.

4. l .4. OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Obliczyć wartość współczynnika tarcia według zależności (4.26).

2. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczyć wartości:

- energii uderzenia bijaka,

- prędkości odkształcenia,

- objętości przesuniętej,

- współczynnika sprawności uderzenia,

- odkształceń i nacisków średnich,

- nacisków jednostkowych,

- współczynnika prędkości odkształcenia. Wyniki notować w tab. 4.4.

3. Wykonać wykresy zależności:

- objętości przesuniętej i współczynnika sprawności uderzenia od kolejnych uderzeń młota,

- zależności nacisków średnich i współczynnika prędkości odkształcenia od prędkości odkształcenia.

przekroju poprzecznego spęczanego walca. Jeżeli proces jest prowadzony na zimno, wzrost siły jest bardziej intensywny, ze względu na zjawisko umocnienia materiału. Pomijając tarcie, siłę spęczania można określić ze wzoru:

ho P=SOpk=So-^-Opk (4.1)

gdzie: sq - przekrój początkowy próbki,

S - przekrój próbki po odkształceniu, ho i h - wysokość próbki przed i po odkształceniu, Op^ - naprężanie uplastyczniające w końcowej fazie spęczania. W rzeczywistym procesie próbka przybiera różne kształty w zależności od wymiarów i działania siły tarcia (rys. 4.3). Jeżeli stosunek wysokości do średnicy jest większy od jedności, a mniejszy od dwóch, to cylindryczna próbka przyjmie po spęczaniu kształt beczkowaty (rys. 4.3a). Przy stosunku wysokości do średnicy większym od dwóch, ale mniejszym od trzech próbka może przyjąć po spęczeniu kształt podwójnej beczki (rys. 4.3b). Natomiast gdy ho/do >3 .wówczas próbka ulega wyboczeniu.

Rys. 4.3. Kształt walcowej próbki po spęczaniu między płytami

---