WYCISKANIE:

Proces wyciskania polega na tym, że metal zamknięty w pojemniku (rycypiencie) jest wyciskany przez otwór matrycy i otrzymuje kształt przekroju poprzecznego wyrobu, odpowiadający kształtowi otworu matrycy. Wyciskanie nazywa się też czasem prasowaniem wypływowym.
Przykłady:
a) współbieżne wyciskanie wyrobów pełnych,
b) współbieżne wyciskanie wyrobów wydrążonych,
c) przeciwbieżne wyciskanie wyrobów pełnych,
d) przeciwbieżne wyciskanie wyrobów wydrążonych.
Wyciskanie stosuje się do wytworzenia wyrobów pełnych i wydrążonych, o wydłużonych kształtach, w tym także rur o przekroju stałym lub zmiennym. Wyroby wyciskane zbliżone są kształtem do wyrobów otrzymywanych przez walcowanie. Wyciskanie stosuje się także do otrzymywania przedkuwek mających kształt trzpienia o stałym lub zmiennym przekroju, z pocienieniem na końcu.

Współbieżne:

Przy wyciskaniu współbieżnym metal 1 jest wypychany z pojemnika 2 w ten sposób, że płyta cisnąca 3 jest przemieszczana stemplem 4 względem ścianek pojemnika, natomiast matryca 5 nie przemieszcza się względem nich. W miarę zbliżania się stempla do matrycy wygniatany jest z niej wyrób 6. Przy wyciskaniu współbieżnym metal przemieszcza się względem ścianek pojemnika, a na powierzchni styku powstają siły tarcia przeciwdziałające temu ruchowi.
Schemat wyciskania współbieżnego:
a) wyciskanie wyrobu pełnego,
b) wyciskanie wyrobu wydrążonego.

Przeciwbieżne:

Przy wyciskaniu przeciwbieżnym wsad 1 wypychany jest matrycą 2, którą przesuwa stempel względem ścian pojemnika 4. Przy wyciskaniu przeciwbieżnym metal nie przemieszcza się względem ścian pojemnika, z wyjątkiem niewielkiej objętości w pobliżu matrycy. Dlatego tarcie metalu w procesie oraz wpływ tarcia na siły wyciskania są znacznie mniejsze niż przy wyciskaniu współbieżnym.
Schematy wyciskania przeciwbieżnego:
a) wyciskanie wyrobów pełnych,
b) wyciskanie wyrobów wydrążonych, formowanych płytą cisnącą,
c) wyciskanie wyrobów wydrążonych, formowanych iglicą.

Zalety wyciskania:
- mechaniczny schemat odkształcenia (stan wszechstronnego naprężenia ściskającego z jednym odkształceniem wydłużającym), charakteryzujący proces wyciskania, okazuje się schematem powodującym największą plastyczność odkształcanego metalu. Dlatego wyciskanie można stosować do odkształcania metali i stopów o niewielkiej plastyczności, które nie dają się odkształcać innymi metodami,
- przy wyciskaniu łatwo jest osiągnąć przejście z jednego kształtu w inny przez prostą zmianę matrycy,
- przy wyciskaniu uzyskuje się dużą dokładność wymiarów przekroju wyrobu w porównaniu z walcowaniem, gdyż sprężyste odkształcenie jest znikome.

Wady wyciskania:
- mechaniczny schemat odkształcenia, gwarantujący wysoką plastyczność wymaga zwiększonych sił potrzebnych do odkształcenia. Stwarza to bardzo trudne warunki pracy narzędzia - matryc i iglic. Przy wyciskaniu metalu gorącego siły się zmniejszają, lecz pogarszają się warunki pracy narzędzia. Dlatego wyciskanie stosuje się głównie przy wykonywaniu wyrobów z metali nieżelaznych i ich stopówl,
- wyroby otrzymane za pomocą wyciskania odznaczają się znaczną nierównomiernością własności na przekroju i długości - w wyniku nierównomiernego odkształcenia,
- w porównaniu z walcowaniem otrzymuje się przy wyciskaniu gorszy uzysk z powodu trudności doprowadzenia procesu do końca.

TŁOCZENIE:

Tłoczeniem nazywamy proces technologiczny przeróbki plastycznej na zimno lub na gorąco blach, płyt lub folii, obejmujący cięcie i kształtowanie z nich przedmiotów małej grubości w stosunku do szerokości i długości, np. powłok blaszanych, rur czy kształtowników giętych.
Przykłady:
a) cięcie na nożycach,
b) cięcie na prasach,
c) zginanie,
d) zawijanie.
e) tłoczenie.
Proces tłoczenia obejmuje zespół wszystkich podstawowych czynności tłoczenia wykonywanych na jednym przedmiocie, natomiast operacją tłoczenia jest zespół wszystkich zabiegów i czynności procesu tłoczenia, wykonywanych na jednej maszynie. Podstawowa czynność w procesie tłoczenia, wykonywana przy użyciu jednego przyrządu, bez zmiany narzędzia, gdy zachodzi tylko jedna zmiana kształtu tłoczonego przedmiotu - nazywa się zabiegiem tłoczenia.

Wykrawanie:

Wykrawanie jest to cięcie przyrządem na prasie. Spójność metalu narusza się narzędziem, którego składowymi są: stempel tnący i matryca tnąca. Siłę potrzebna do wykrawania określa się jako maksymalną na podstawie wzoru:

gdzie:

 - opór scinania,

S - powierzchnia, która ma ulec przecięciu.

Opór ścinania jest wskaźnikiem technologicznym, uwarunkowanym nie tylko fizykochemicznymi własnościami metalu, lecz także zależnym od:

- względnej grubości ciętego metalu d/g

- względnej wielkości luzu między krawędziami tnącymi z/g

- od względnej prędkości ścinania n/g

Parametr  nie jest więc stałą materiałową, gdyż zmienia się w zależności od warunków procesu wykrawania.

Gięcie:

Obejmuje operacje lub zabiegi: wyginania, zaginania, zwijania, zawijania, profilowania, skręcania, prostowania i wygniatania. Wyginanie, zaginanie, zawijanie i wygniatanie wykonywane jest wyłącznie na prasach. Zwijanie wykonuje się na zwijarkach między trzema rolkami lub przez owijanie na obracającym się bębnie. Profilowanie przeprowadza się za pomocą walcowania wzdłużnego między dwoma walcami. Skręcanie można wykonać na skręcarce lub rolkami skręcającymi, a prostowanie - na prasach (prostowanie płytami lub wyprężanie) lub prostownicach (prostowanie rolkami napędzanymi).
We wszystkich procesach gięcia rozróżnia się trzy fazy:
- gięcie sprężyste,
- gięcie plastyczne,
- dotłaczanie.
Cechą charakterystyczna gięcia jest zmiana krzywizny osi kształtowanego przedmiotu. Odkształcenia gięcia można przeprowadzać do pewnej wartości naprężenia, poza którą nastąpi uszkodzenie giętego przedmiotu. Po stronierozciągania mogą powstać pęknięcia, a po stronie ściskania fałdy. Mogą nastąpić także zmiany wymiarów przedmiotu dyskwalifikujące wyrób.

CIĄGNIENIE:

Ciągnienie zasadniczo należy do procesów przeróbki plastycznej na zimno. W wyniku tego procesu można uzyskać druty, pręty i kształtowniki, proces ciągnienia można również stosować w celu uzyskania zmiany wymiarów rur.
Zalety:
- gdy należy wykonać drut o małych średnicach (poniżej 5 mm),
- w przypadku konieczności otrzymania rur o małej grubości ścianki,
- gdy wymagane własności mechaniczne i dokładność powierzchni są wysokie.
Zastosowanie do wyrobów:
- prętów kształtowych o małych i bardzo małych przekrojach drutów cienkich o średnicach do ok. 4 mm (np. włókna żarówkowe),
- prętów okrągłych i kształtowych o dużych przekrojach, szczególnie gdy chodzi o uzyskanie wysokich własności mechanicznych, a także prętów o dużej dokładności i dużym stopniu czystości powierzchni,
- rur różnych kształtów i przekrojów, przede wszystkim rur cienkościennych o małych i bardzo małych średnicach.

Tarcie w procesie ciągnienia

Jest zjawiskiem niepożądanym i bardzo szkodliwym, wpływa nie tylko na zwiększenie siły ciągnienia, ale również na nierównomierność odkształcenia i występowanie naprężeń własnych.
W procesach plastycznej przeróbki metali rozróżniamy dwa zasadnicze rodzaje tarcia, tarcie suche i tarcie płynne, z udziałem smaru.
W procesach ciągnienia mamy z reguły do czynienia z pośrednią formą tarcia nazywanego tarciem granicznym. Tarcie to występuje w obecności smaru z dodatkiem substancji powierzchniowo czynnych. Substancje powierzchniowo czynne wykazują dużą przyczepność do powierzchni metalu, a ich cząstki przylegające do metalu nie zmieniają swego położenia pomimo działania sił dążących do ich przesunięcia.
W tradycyjnym procesie ciągnienia, ciągniony metal przechodzi przez pewną objętość smaru znajdującego się przed wejściem metalu do ciągadła pod ciśnieniem atmosferycznym. Smar dostaje się więc do strefy odkształcenia plastycznego jedynie na skutek przyczepiania się do ruchomego metalu. Duża ilość smaru odpada, nie tworzy się zatem ciągła warstewka smarna i tarcie na niektórych powierzchniach jest tarciem granicznym, lub wręcz suchym. Możliwość pocienienia warstewki smaru, a nawet jej zniszczenia jest tym większa, im większy jest kąt ciągadła.
Aby zabezpieczyć warunki tarcia płynnego oprócz swobodnego wejścia smaru do strefy odkształcenia plastycznego istnieją dwie metody, tzw. wymuszonego wejścia smaru:
- hydrostatyczne podawanie smaru
- hydrodynamiczne podawanie smaru

Hydrostatyczne podawanie smaru

Hydrostatyczne podawanie smaru pozwala na zmniejszenie naprężeń ciągnienia, zabezpieczenie odpowie dniej grubości warstewki smaru, obniżenie temperatury ciągnionego metalu i zwiększenie stabilności procesu. Występują jednak pewne trudności w prowadzeniu takiego procesu, a należą do nich:
-konieczność stosowania pomp wysokiego ciśnienia,
-stosowanie skomplikowanych uszczelnień,
-wprowadzenie drutu do ciągadła w momencie rozpoczęcia procesu ciągnienia.
Dlatego też hydrostatyczne podawanie smaru jest stosowane tylko w przypadku niemożności zastosowania innych metod, które pozwalają na stworzenie warunków tarcia płynnego.

Hydrodynamiczne podawanie smaru:

Przy zastosowaniu hydrodynamicznego podawania smaru, wielkość ciśnienia smaru, jakie wytworzy się przy wejściu metalu do strefy odkształcenia plastycznego, zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to:
-aktywność i lepkość smaru,
-długość tulejki ciśnieniowej,
-wielkość szczeliny,
-prędkość drutu w tulejce ciśnieniowej.
Hydrodynamiczne podawanie smaru polega na umieszczeniu przed ciągadłem odpowiednich tulejek, w których - na skutek zabierania smaru przez ciągniony metal - wytwarza się wysokie ciśnienie. Wytworzenie ciśnienie jest efektem wynikającym z tarcia cząsteczek smaru o zewnętrzną powierzchnię drutu. Znajdujący się w zbiorniku, umieszczony przed tulejką ciśnieniową, smar jest zabierany przez przesuwający się drut, a w szczelinie pomiędzy drutem a wewnętrzną powierzchnią tulejki wytwarza się ciśnienie.
Wymiary tulejki ciśnieniowej muszą być tak dobrane, aby wytworzone ciśnienie pozwoliło na utworzenie się w strefie odkształcenia plastycznego warstewki smaru rozdzielającej całkowicie dwie trące się powierzchnie (ciągadło i drut). W przypadku ciągnienia wyrobów o pełnym przekroju poprzecznym ciśnienie powinno być wyższe od granicy plastyczności metalu o 5,40 %.

Przeciwciąg:

Doświadczenia wykazały że zastosowanie przeciwciągu powoduje zwiększenie naprężeń rozciągających w strefie odkształcenia. Zwiększenie tych naprężeń a zatem i siły ciągnienia następuje jednak dopiero po przekroczeniu pewnej wartości przeciwciągu - przeciwciąg ten nazwano przeciwciągiem krytycznym.
Na podstawie tego można wyciągnąć wniosek, że stosując przeciwciąg mniejszy od krytycznego uzyskamy zmniejszenie nacisku metalu na ciągadło bez wzrostu siły ciągnienia - co jest zjawiskiem korzystnym. Wartość przeciwciągu krytycznego zależy od rodzaju ciągnionego materiału i wielkości stosowanego gniotu - im większy stopień odkształcenia tym większa jest wartość przeciwciągu krytycznego. Spadek nacisku metalu na ciągadło jest mniejszy niż przyłożona wartość przeciwciągu. Przy σ_σ_kr spadek ten jest w przybliżeniu równy wartości przyłożonego przeciwciągu, a przy σ_>σ_kr zawsze mniejszy niż wielkość przeciwciągu.

Ciągnienie rur:

Rury okrągłe bez szwu i ze szwem poddaje się ciągnieniu na zimno w celu:
-zmniejszenia średnicy rury (ciągnienie rur na pusto),
-uzyskania rur o dokładnych wymiarach, tak średnicy jak i ścianki (ciągnienie rur na korku cylindrycznym).

Ciągnienie rur na pusto

W procesie tym, jak w każdym innym procesie ciągnienia rur, występują trzy naprężenia główne:
σ_ - wzdłużne naprężenie rozciągające,
σ_ρ - promieniowe naprężenie ściskające,
σ_ - obwodowe naprężenie ściskające.
Charakterystyczną cechą tej metody ciągnienia jest to, że naprężenie promieniowe σ_ρ zmienia się wzdłuż grubości ścianki i przyjmuje wartości:
σ_ρ = p_n- na powierzchni styku rury z ciągadłem,
σ_ρ   - na wewnętrznej powierzchni rury.
       Zmiana omawianego naprężenia jest zmianą liniową, i w związku z tym można przyjąć, że średnia wartość naprężenia promieniowego σ_ρ (występująca w środku grubości ścianki) jest równa połowie nacisku jednostkowego p_n występującego na powierzchni styku metalu z ciągadłem.
       Wartość i znak odkształcenia _ρ zależą od stosunku naprężeń σ_l i σ_. Jeżeli na przykład naprężenia σ_ρ, malejąc od zewnętrznej do wewnętrznej powierzchni rury, będą stale mniejsze od naprężeń obwodowych σ_, to metal znajdujący się pod wpływem działania naprężeń ściskających popłynie w kierunku środka rury. Jednocześnie jednak działanie naprężeń rozciągających σ_l spowoduje wydłużenie _l, a tym samym pocienienie ścianki. W związku z tym w procesie ciągnienia rur na pusto może nastąpić pocienienie lub pogrubienie ścianki.

Ciągnienie rur na korku cylindrycznym

W celu zabezpieczenia przed przesuwaniem się korka wraz z rurą, wskutek występujących sił tarcia, korek ten zamocowany jest na tak zwanej żerdzinie, którą jednocześnie podawana jest emulsja smarna.
Proces ciągnienia rur na korku cylindrycznym podzielić można na trzy strefy odkształcenia.
Strefa I - to strefa ciągnienia rury na pusto,
Strefa II - to strefa, w której zmiana grubości ścianki z dalszą jednoczesną redukcją średnicy,
Strefa III - to strefa kalibrująca i występują w niej jedynie odkształcenia sprężyste.

WALCOWANIE:

Odkształcenie plastyczne podczas wzdłużnego walcowania odbywa się w wyniku przechodzenia metalu przez szczelinę między walcami obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Wskutek walcowania następuje zmiana wymiarów oraz postaci walcowanego przedmiotu.
W wyniku walcowania następuje:
- zmniejszenie wysokości pasma z początkowej h0 do końcowej h1,
- zwiększenie długości pasma z początkowej l0 do końcowej l1,
- zwiększenie szerokości pasma z początkowej b0 do końcowej b1.
Ponieważ w większości przypadków wysokość pasma jest znacznie mniejsza od jego szerokości, zatem przy walcowaniu metal przemieszcza się głównie w kierunku długości (w kierunku walcowania) i niewiele w kierunku szerokości.
Odkształcenie przy walcowaniu charakteryzuje się dwoma podstawowymi współczynnikami:

- gniotem względnym, czyli stosunkiem gniotu bezwzględnego do wysokości początkowej pasma

- wydłużeniem, czyli stosunkiem długości pasma po walcowaniu do początkowej długości

Siły działające na walce w momencie chwytu:

Przy chwytaniu pasma walcami na przednią krawędź pasma działają następujące siły:
- normalne N, skierowane promieniowo i działające ściskająco na przednie krawędzie pasma; składowe poziome tych sił odpychają pasmo od walców,
- styczne tarcia T, których składowe poziome wciągają pasmo w walce. W chwili chwytu pasmo ma prędkość mniejszą niż prędkość ruchu w procesie walcowania.

W miarę wzrostu powierzchni zetknięcia pasma z walcami prędkość zwiększa się, aż do momentu zapełnienia szczeliny walców metalem i utworzenia drugiego końca pasma. Ponieważ w momencie chwytu pasmo przesuwa się z przyśpieszeniem, pojawia się zatem siła bezwładności J, skierowana przeciwnie do ruchu pasma.

Siłę tę możemy obliczyć z równania

gdzie:

G - masa pasma wchodzącego w walce,

g - przyśpieszenie ziemskie (9.81 m/s2),

j - przyśpieszenie pasma w momencie chwytu.

Warunek chwytu metalu walcami:

f > tg
ρ=
f - współczynnik tarcia,

 - kąt chwytu,

ρ - kąt tarcia.

Aby nastąpił chwyt pasma, kąt tarcia powinien być większy od kąta chwytu.
Jeżeli tangens kąta chwytu będzie większy od współczynnika tarcia występującego na powierzchni zetknięcia walca i pasma, to proces walcowania okaże się niemożliwy. W takich przypadkach należy zmniejszyć wartość gniotu lub zwiększyć współczynnik tarcia f. Zwiększenie współczynnika tarcia można osiągnąć wykonując na walcach nacięcia, radełkowania (moletowania) lub napawania. Jest to jednak dopuszczalne tylko przy walcowaniu wlewków i kęsów, natomiast niedopuszczalne przy walcowaniu gotowych kształtowników.

KUCIE:

KUCIE MATRYCOWE:

Kucie - to odkształcenie metalu narzędziem wykonującym ruch posuwisto zwrotny. Przy produkcji seryjnej i masowej odkuwki wykonuje się kuciem matrycowym. Odkuwki matrycowe cechuje stałość kształtów i wymiarów oraz duża dokładność wykonania. Kucie matrycowe na młotach, prasach, kuźniarkach jest najbardziej rozpowszechnioną metodą wykonywania odkuwek matrycowych. Na młotach i prasach można wykonywać odkuwki o dowolnych kształtach.

Etapy kucia matrycowego na podstawie procesu wytwarzania korbowodu

Proces kucia można prowadzić bezpośrednio z pręta lub z przedkuwek. Przy czym można kuć po jednej sztuce lub wielokrotności. Matryce składają się z części górnej i dolnej. W młotach górne matryce mocuje się do bijaka a dolną do poduszki, szaboty młota. Wgłębienie w matrycy, które nadaje kształt odkówce nazywa się wykrojem. Wykonuje się go w dwóch częściach matrycy i wyróżnia się wykroje pomocnicze, ostateczne i wstępnie matrycujące. Wypływka tworzy się dookoła odkuwki - jest to zamknięty pierścień, który przeciwstawia się wypływaniu metalu z wykroju na zewnątrz. Wypływka wciskając się pomiędzy górną a dolną matryce stanowi zabezpieczenie przed uderzaniem jednej matrycy w drugą. Nieuniknione wahania objętości wsadu oddziałują tylko na objętość wypływki a nie tworzą braków czy przeciążenia młota.

Schematy kucia

1) w kowadłach płaskich

Materiał odkształca się nierównomiernie... W pewnych częściach odkształcanego przedmiotu powstają naprężenia rozciągające. Taki stan naprężeń może w pewnych przypadkach spowodować przejście z trójosiowego stanu naprężeń ściskających w dwuosiowy stan naprężeń (2 rozciągające, 1 ściskające) co znacznie pogarsza plastyczność metalu, zwiększa jego kruchość a przy większych odkształceniach może doprowadzić do rozerwania spójności cząstek i pojawienia się pęknięć.

2) w kowadłach kształtowych

Materiał może się swobodnie wydłużać, natomiast jego rozszerzanie jest ograniczone bocznymi ściankami narzędzia. W tym przypadku powstające dodatkowe naprężenia rozciągające są znacznie mniejsze a plastyczność metalu większa niż w przypadku kucia w kowadłach płaskich.

3) w matrycach otwartych

Rozszerzenie się materiału jest częściowo ograniczone przez boczne ścianki narzędzia. W porównaniu z kuciem w kowadłach płaskich nacisk jednostkowy jest do 3 razy większy a plastyczność metalu znacznie lepsza.

4) w matrycach zamkniętych

Rozszerzanie się materiału jest ograniczone ściankami narzędzia, dlatego w całej objętości materiału stan naprężeń jest ściskający. Nacisk jednostkowy jest 2 razy większy niż w przypadku kucia w matrycach otwartych.

Wpływ stopnia przekucia na strukturę i własności mechaniczne metalu

Stopień przekucia jest to stosunek przekroju materiału wejściowego do pola przekroju odkuwki.

Wielkość stopnia przekucia ma znaczny wpływ na zmianą własności mechanicznych i strukturę metalu.

k = 2 ÷ 3 - w rdzeniu wlewka odpowiadającym strefie wolnych kryształów występują już wyraźne włókna, gdy tymczasem w strefie kryształów iglastych oraz dendrytów w niewielkim stopniu zmieniają swój kierunek

k = 4 ÷ 6 - dendryty wyraźnie zmieniają kierunek i dopiero przy większym stopniu przekucia w przekrojach całej odkuwki można zaobserwować strukturę włóknistą. Kierunek przebiegu włókien zależy od metody kucia. W kuciu swobodnym pod młotem w skutek nierównomiernych odkształceń i dużej prędkości odkształcenia, kierunek włókien może się znacznie odchylać od kierunku płynięcia metalu. W kuciu swobodnym pod prasą hydrauliczną odchylenia te są znacznie mniejsze. W kuciu w matrycach zamkniętych kierunek włókien jest zgodny z geometrycznym kształtem wyrobu. Przy większych stopniach przekucia następuje poprawa własności w kierunku największego odkształcenia z jednoczesnym pogorszeniem własności plastycznych w kierunku poprzecznym.

Stosowane stopnie przekucia:

k = 3 ÷ 4,5 - kucie swobodne odkuwek

k = 3 ÷ 6 - kucie matrycowe

k = 10 (>10) - stosuje się w wykonywaniu wyrobów które powinny odznaczać się zupełną jednorodnością budowy, bardzo dobrymi własnościami jednokierunkowymi i wysoką granicą zmęczeniową.

KUCIE SWOBODNE:

Kucie to proces polegający na odkształcaniu metalu za pomocą nacisku lub energii uderzenia. Jeżeli urządzenie wywiera nacisk tylko na część powierzchni metalu a pozostała część powierzchni nie są ograniczone kształtem narzędzia i odkształcany metal może płynąć w różnych kierunkach to mamy do czynienia z kuciem swobodnym.

Wadami kucia swobodnego jest zbyt niska wydajność i jakość odkuwek oraz bardzo duże odpady. Dlatego kucie swobodne stosuje się przy małych seriach lub przy bardzo dużych i ciężkich odkuwkach. Przy pomocy tej metody kucia możemy otrzymywać odkuwki o dowolnej masie - do 200 t i większe.

Do wykonywania odkuwek metodami kucia swobodnego wykorzystuje się młoty sprężarkowe, młoty parowo-powietrzne i prasy hydrauliczne.

Proces technologiczny kucia swobodnego polega na wzajemnym łączeniu w dowolnej kolejności dowolnej liczby podstawowych operacji kuźniczych, do których zaliczamy:

- spęczanie,

- wydłużanie,

- dziurowanie,

- gięcie,

- cięcie,

- skręcanie,

- zgrzewanie.

Spęczanie:

Spęczanie jest operacją, przy której następuje skracanie wymiaru jednej z głównych osi przekroju w skutek, czego zwiększa się przekrój prostopadły do tej osi.
Operacje spęczania stosuje się wówczas, gdy:
- przekrój odkuwki lub jej części jest większy niż przekrój materiału wsadowego,
- żądany stopień przekucia wymaga zwiększenia przekroju przed dalszymi operacjami,
- wlewek lub kęs przygotowuje się do przebijania otworów,
- kuje się odkuwki w kształcie kostek, krążków, pierścieni,
- wymagane jest polepszenie własności mechanicznych odkuwki.

Stopień odkształcenia jaki występuje podczas spęczania wyznacza się ze wzorów:

lub

Obszary nierównomiernych odkształceń oraz schematy odkształceń i naprężeń wewnątrz tych obszarów podczas operacji spęczania próbki cylindrycznej przedstawia rysunek:

Tarcie występujące pomiędzy pracującym narzędziem a spęczanym metalem powoduje nierównomierne odkształcanie się próbki podczas spęczania w wyniku czego próbka przyjmuje kształt baryłki. Niejednorodne odkształcanie się materiału podczas spęczania ma ujemny wpływ na jakość wyrobu i obniża plastyczność, co ogranicza zakres spęcznia dla wielu metali. Dlatego też zarówno podczas operacji spęczania jak i innych operacji kuźniczych stosuje się środki zapobiegające (obniżające) niejednorodności odkształcenia. Tarcie występujące podczas spęczania można obniżyć przez stosowanie gładkich powierzchni pracujących narzędzi i środków smarujących oraz podgrzanie narzędzi do temperatury 200 ÷ 300 °C.

Siłę spęczania F [N] można wyznaczyć z poniższego wzoru:

F = p_śr * S

S - pole powierzchni przekroju materiału po spęczaniu [mm2]

p_śr - średni nacisk jednostkowy - p_śr =   R_e - [MPa],

R_e - granica plastyczności metalu,

 - współczynnik oporu odkształcenia -  = w  z  ,

w - współczynnik uwzględniający prędkość odkształcenia,

 - współczynnik wzrostu oporu - dla walca -

 - współczynnik tarcia,

h - wysokość materiału po spęczaniu [mm]

d - średnia średnica spęczonego materiału wyznaczona według wzoru:

Podstawowe zasady jakie musi spełniać dobrze zaprojektowany proces spęczania: 

- stosunek wysokości materiału spęczanego do jego średnicy,

- spęczany materiał powinien być równomiernie nagrzany w całej swej masie do najwyższej temperatury kucia,
- wlewek przed spęczaniem powinien być przekuty na okrągło,
- stopnie przekucia przy każdym uderzeniu młota lub naciśnięciu prasy należy tak dobrać by nie przekraczały wartości gniotów krytycznych,
- na powierzchniach wsadu nie dopuszczalne są wady zewnętrzne,
- powierzchnie czołowe stykające się z prowadnicami powinny być prostopadłe do osi,
- spęczanie należy wykonywać silnymi uderzeniami lub naciskami prasy.

Wydłużanie
 

Wydłużanie jest operacją, podczas której następuje wydłużenie przedmiotu w kierunku jednej jego osi, kosztem zmniejszenia przekroju prostopadłego do tej osi. W celu wydłużenia próbki kładziemy ją na dolnym kowadle i naciskamy lub uderzamy górnym kowadłem

Następnym krokiem jest obrócenie próbki o 90° wokół osi, po której następuje wydłużenie i ponowne uderzenie w miejsce, które na skutek poprzedniego uderzenia uległo poszerzeniu. Dwa kolejno po sobie następujące gnioty i jedno obrócenie próbki o 90° nazywamy przejściem. Podczas operacji wydłużania obracanie próbki może odbywać się ruchem wahadłowym w lewo i w prawo (rys. a) lub w jedną stronę (rys. b). Drugi sposób (śrubowy) stosuje się przy kuciu twardych gatunków stali i metali mających małą szybkość rekrystalizacji w temperaturze kucia. Istnieje jeszcze trzecia metoda, w której najpierw dokonuje się szeregu uderzeń po jednej stronie a dopiero po "przejściu" całej próbki obraca się ja o 90° i zaczyna kucie od początku (rys. c)

Materiał w miejscu w którym nastąpił gniot zmniejsza swoją wysokość o wartość ∆h=h₀-h, ulega poszerzeniu o ∆a=a-a₀ i wydłuża się o ∆L=L-L₀. Podczas operacji wydłużania w czasie gniotu następuje zmniejszenie przekroju poprzecznego próbki z wartości S₀=h₀*a₀ do S=h*a. Zmianę przekroju poprzecznego próbki podczas wydłużania przedstawia rysunek:

Parametry charakteryzujące proces wydłużania

- gniot jednostkowy (względny)

∆h=h₀*

- stopień przekucia (współczynnik wydłużenia)

Całkowity stopień przekucia równy jest iloczynowi stopni przekucia ₁, ₁, ₁, ..., _k poszczególnych gniotów

gdzie:

S_k - pole powierzchni przekroju poprzecznego materiału po wydłużeniu

Długość pręta po wydłużeniu (długość końcowa) L_k wynosi :

L_k=L₀* _k

- poszerzenie względne

- współczynnik kształtu

Naprężenia i odkształcenia występujące w metalu przy wydłużaniu

Rozkład naprężeń i odkształceń w równomiernie nagrzanym materiale podczas operacji wydłużania zależy od :

- wielkości współczynnika t

lub

gdzie:

H - wysokość wydłużonego materiału,

D - średnica wydłużonego materiału,

l - posuw (przesunięcie próbki po jednym uderzeniu młota).

- kształtu kowadła,

- kształtu wydłużonego materiału.

Współczynnik t (posuw względny) wpływa na kierunek działania naprężeń wzdłużnych. Na rysunku poniżej

przedstawiono wpływ współczynnika t na naprężenia w materiale, na czerwono zaznaczono strefę w materiale która uległa odkształceniu podczas jednego uderzenia młota. Dla l/H < 0,5 strefa ta będzie wklęsła (rys. a), a dla l/H > 0,6 strefa będzie baryłkowata (rys. b). Po zdjęciu obciążenia z próbki strefy odkształcone mają tendencję do powracania do postaci przedstawionych na rysunku (rys. c i d).
Najlepsze efekty wydłużania materiałów o przekroju kwadratowym między kowadłami płaskimi uzyskuje się wówczas gdy stosunek l/H=0,4÷0,6. Jeśli w czasie wydłużania stosunek l/H będzie mniejszy niż 0,4 to może się okazać że rdzeń materiału nie został przekuty w wystarczającym stopniu, a jeśli l/H będzie większe niż 0,6 to przekrój poprzeczny materiału będzie miał kształt baryłkowaty.

Wydłużanie materiałów o przekroju okrągłym najlepiej przeprowadzać w kowadłach kształtowych, gdyż podczas wydłużania między kowadłami płaskimi nierównomierność odkształceń jest znacznie większa niż w przypadku materiałów o przekroju kwadratowym.

Podstawowe zasady wydłużania

Gniot jednostkowy podczas procesu wydłużania nie może być za duży i powinno się go tak dobierać by współczynnik kształtu d wynosił 2÷2,5. Przy nieodpowiednio dobranym (za dużym) gniocie jednostkowym w wydłużanym materiale powstają zafałdowania

Wydłużanie przeprowadza się zawsze przez przekuwanie prętów na kwadrat. Jeżeli chcemy wydłużyć okrągły pręt (rys. a) to najpierw przekuwamy go na pręt kwadratowy (rys. b) o boku równym średnicy okrągłego pręta po przekuciu. Kolejnym krokiem jest przekucie pręta kwadratowego na pręt ośmiokątny (rys. c). Ostatnim etapem jest wyrównanie powierzchni pręta ośmiokątnego w kowadłach kształtowych tak by przekrój poprzeczny pręta osiągnął kształt koła i żądaną średnicę (rys. d).

Kowadła przeznaczone do wydłużania powinny mieć powierzchnie czołowe wzajemnie równoległe. Oba kowadła muszą mieć jednakową szerokość i jednakowe promienie zaokrągleń krawędzi, w przeciwnym razie oś odkuwki może ulec skrzywieniu. Operację wydłużania powinno się przeprowadzać na odpowiednio dużych młotach (prasach).

Materiał który ma być wydłużany powinien być równomiernie nagrzany do odpowiednio wysokiej temperatury. Przy odpowiedniej temperaturze materiału i dostatecznie silnych uderzeniach młota przekuciu ulegnie rdzeń materiału, który osiągnie drobnoziarnistą strukturę a końcówka materiału będzie wypukła. Jeśli kuty materiał będzie za słabo nagrzany lub uderzenia młota będą zbyt słabe to przekuciu ulegnie tylko warstwa zewnętrzna materiału a końcówka będzie wklęsła. Wpływ temperatury kutego materiału przedstawiono na rysunku:

Podczas wydłużania elementów z mniej plastycznych stali należy unikać wielokrotnych uderzeń młota w jedno miejsce, gdyż szczególnie w połączeniu ze zbyt małą energią uderzeń młota może to doprowadzić do lokalnego umacniania się materiału i powstawania wad powierzchniowych.

Podczas kantowania (wyrównywania bocznych, baryłkowatych powierzchni odkuwki) należy zwrócić szczególną uwagę na ułożenie odkuwki na kowadle. Boczne powierzchnie, które mają zostać wyrównane powinny być ułożone prostopadle do powierzchni czołowych kowadeł. W przypadku gdy odkuwka zostanie krzywo ułożona na kowadle możliwe jest pęknięcie odkuwki a także jej wyślizgnięcie się z kowadeł co może być bardzo niebezpieczne dla osób znajdujących się w pobliżu.

Nacisk prasy przy wydłużaniu

Nacisk prasy podczas wydłużania między kowadłami płaskimi można obliczyć ze wzoru:

F = R_mt * S *  * z

gdzie:

R_mt - wytrzymałość materiału na rozciąganie w temperaturze kucia [MPa],

S - pole powierzchni odkuwki znajdujące się między kowadłami,

z - współczynnik zależny od kształtu kowadeł ( z=1 dla kowadeł płaskich, z=1,25 dla kowadeł wklęsłych),

 - współczynnik wzrostu oporu odkształcenia.

S = a * l

gdzie:

a - szerokość odkówki po pierwszym gniocie [mm],

l - posuw (stosuje się l= (0,4 ÷ 0,6) / h0 ) [mm],

h0 - wysokość materiału wyjściowego [mm]

Współczynnik wzrostu oporu odkształcenia  :

gdzie:

 - współczynnik tarcia,

h - wysokość odkuwki po pierwszym gniocie [mm],

,  - współczynniki (jeśli a>l to przyjmuje się  = a i  = l, jeśli a < l to przyjmuje się  = l i  = a).

Dobór wielkości młota

Pracę młota przy pojedynczym uderzeniu można obliczyć ze wzoru:

W = w * z *  * R_mt *  * S * l

gdzie:

w - współczynnik uwzględniający wpływ szybkości odkształcenia,

z - współczynnik zależny od kształtu kowadła (dla kowadeł płaskich z=1, dla kowadeł kształtowych z=1,25),

 - współczynnik wzrostu oporu odkształcenia,

 - stopień odkształcenia

S - pole powierzchni odkuwki znajdujšce się między kowadłami

R_mt - wytrzymałosć materiału na rozcišganie w temperaturze kucia [MPa],

l - posuw

Masa części spadającej młota :

Dziurowanie

Dziurowanie jest operacją która służy do wykonywania w odkuwkach otworów lub wgłębień. Dziurowanie można przeprowadzić zasadniczo dwiema metodami: z podkładanym pierścieniem

i bez podkładanego pierścienia. Proces dziurowania bez podkładanego pierścienia można przeprowadzić przebijakiem pełnym

lub przebijakiem drążonym

Dziurowanie z podkładanym pierścieniem

Dziurowanie z podkładany pierścieniem stosuje się przy odkuwkach o niewielkiej grubości, nie przekraczającej wysokości przebijaka. Aby wykonać dziurowanie tą metodą na dolnym kowadle kładziemy pierścień i dopiero na tym pierścieniu kładziemy rozgrzaną odkuwkę. Na odkuwce w osi pierścienia ustawiamy przebijak i górnym kowadłem wciskamy go w odkuwkę do momentu aż osiągnie poziom na jakim znajduje się pierścień.

 Siłą wycinania (wzór na przybliżoną siłę wycinania) [N] :

F = (0,7 ÷ 0,8) R_mt *  *d * H

gdzie:

H - wysokość odkówki [mm]

d - średnica przebijaka [mm]

R_mt - wytrzymałość materiału na rozciąganie [MPa]

Dziurowanie przebijakiem pełnym

Dziurowany materiał ustawiamy w osi prasy i na nim ustawiamy przebijak mniejszą średnicą na materiale (rys. a). Podczas dziurowania stosuje się przebijaki o kształcie ściętego stożka odwróconego do góry dnem by zmniejszyć nacisk przy wgłębianiu. Po wgłębieniu wyjmuje się przebijak i wsypuje do powstałego w ten sposób wgłębienia miał węglowy. Miał podczas wgłębiania przebijaka ulega spalaniu i wydziela gazy, które tworzą swoistą poduszkę gazowa pomiędzy materiałem odkuwki a przebijakiem. Następnie ustawiamy ponownie przebijak we wgłębieniu i wprowadzamy na całą możliwą głębokość. Gdy nie jest już możliwe dalsze wgłębianie przebijaka to pomiędzy prasę a przebijak wkładamy nadstawki (rys. b)i kontynuujemy wgłębianie. Ilość nadstawek użytych podczas dziurowania zależy od grubości odkuwki i używamy ich tyle by denko pod przebijakiem osiągnie grubość około 10÷15% wysokości odkuwki (rys. c). Gdy denko już osiągnie żądaną grubość to wyciągamy nadstawki, obracamy odkuwkę. Na odkuwce ustawiamy teraz przebijak wycinający (rys. d), jako punku orientacyjnego używając ślad pozostawiony na dolne powierzchni odkuwki przez przebijak wgłębiający. Przebijak wycinający służy do wycięcia denka w odkuwce i wypchnięcia przebijaka wgłębiającego.

Dziurowanie przebijakiem pełnym posiada wady które mogą dyskwalifikować użycie tego procesu. Do dziurowania przebijakiem pełnym trzeba używać pras o dużych naciskach. Kolejną bardzo istotną wadą jest to iż podczas tego procesu odkuwka ulega znacznym zniekształceniom.

Dziurowanie przebijakiem drążonym

Jeśli chcemy wykonać otwór o średnicy powyżej 450 mm to dziurowanie przebijakiem pełnym wiązało by się z użyciem prasy o bardzo dużym nacisku tak więc konieczne jest zastosowanie metody dziurowania przebijakiem drążonym. Po ustawieniu wlewka na dolny kowadle delikatnie wgłębiamy przebijak (rys. a), po czym wyciągamy go, posypujemy powstałe wgłębienie miałem węglowym i w razie konieczności poprawiamy ustawienie przebijaka względem osi otworu (rys. b). Kontynuując dziurowanie korzystamy z nadstawek (rys. c), które pozwalają wprowadzać przebijak coraz głębiej. Po osiągnięciu głębokości równej 2/3 grubości odkuwki ustawiamy materiał na pierścieniu i kontynuujemy operację dziurowanie do momentu przebicia otworu na wylot (rys. d).

Wady i zalety dziurowania przebijakiem drążonym

Wady:
- trudność zdejmowania przebijaka z wyciętego rdzenia,
- nagrzewanie się i w konsekwencji odkształcanie przebijaka,
- duże odpady.

Zalety:
- w porównaniu z dziurowaniem przebijakiem pełnym wymaga użycia pras o mniejszym nacisku,
- nie zniekształca tak bardzo odkuwki jak proces dziurowania przebijakiem pełnym,
- umożliwia wycięcie rdzenia odkuwki w którym z reguły skupiają się wady materiałowe
- koszty dziurowania przebijakiem drążonym są niższe od kosztów dziurowania przebijakiem pełnym.

Siłę potrzebną do dziurowania wyznaczamy ze wzoru :

[N]

gdzie:

d - średnica przebijaka [mm]

D - średnica odkuwki przed dziurowaniem [mm]

R_mt - wytrzymałość materiału na rozciąganie [MPa]

Gięcie

Gięcie to operacja kuźnicza podczas której nadajemy odkuwce żądany kształt bez zmiany zasadniczych przekrojów. W miejscu gięcia w odkuwce włókna zewnętrzne są rozciągane, a wewnętrzne ściskane. Skutkiem gięcia jest zniekształcenie przekroju poprzecznego odkuwki, na powierzchni rozciąganej mogą powstać pęknięcia, a na części ściskanej fałdy. Aby otrzymać odkuwkę o jednakowym przekroju na całej długości należy wcześniej poddać odkuwkę operacji zgrubienia przekroju. Zgrubienie to powinno być tym większe im większy kąt gięcia i im mniejszy promień gięcia, a przy dużych promieniach gięcia i małych kątach zginania zgrubienia nie jest konieczne.

Gięcie stosuje się przy wytwarzaniu haków, kątowników itp.

Cięcie

Cięcie to operacja wykorzystywana np., do oddzielenia odpadu od wlewka, wykonywania odkuwek o bardzo złożonych kształtach i dzielenia materiału wsadowego na kilka części. W operacji cięcia wyodrębniamy takie operacje jak obcinanie, rozcinanie, wycinanie.

Rozróżniamy kilka metod cięcia:
- jednostronne,
- dwustronne,
- trójstronne,
- czterostronne.

Cięcie jednostronne: Odkuwkę kładziemy na kowadle i lekkim uderzeniem bijaka na niewielką głębokość wprowadzamy przecinak. Następnie wyjmujemy przecinak i w powstały otwór wsypujemy miał węglowy. Ponownie we wcześniej zrobionym otworze ustawiamy przecinak i uderzając bijakiem wprowadzamy go na żądaną głębokość. Po wyciągnięciu przecinaka obracamy odkuwkę i w miejscu wyznaczonym przez przebijak uderzamy bijakiem zaopatrzonym w podkładkę tak by rozdzielić odkuwkę na dwie części. Po tak przeprowadzonym cięciu pozostanie nam odpad o szerokości przecinaka a powierzchnie cięcia w odkuwce będą pozbawione zadziorów.

Cięcie dwustronne: W tej metodzie nie korzystamy z podkładki a odkuwkę przecinamy kolejno z dwu przeciwległych stron każdorazowo wprowadzając przecinak na głębokość równą połowie wysokości odkuwki. W tej metodzie powierzchnie cięcia odkuwki mają zadziory i dlatego stosuje się ją w przypadku gdy jedna z odcinanych części odkuwki jest odpadem

Ciecie trójstronne: wykorzystuje się do przecinania odkuwek o przekroju okrągłym i przeprowadza się go w kowadłach kształtowych. Pierwsze cięcie wykonujemy przecinakiem normalnym (o długości ostrza nieco większej od średnicy ciętej odkuwki) na głębokość nieco mniejszą od połowy średnicy odkuwki, po czym obraca się odkuwkę o około 135° wokół osi podłużnej odkuwki. Kolejne cięcie wykonujemy tym samym przecinakiem i obracamy odkuwkę tak by pozostała nie rozcięta część odkuwki znajdowała się ponad kowadłem. Trzecie cięcie odkuwki wykonuje się przecinakiem o ostrzu krótszym od połowy średnicy odkuwki i ściętych bokach tak by przy maksymalnym zagłębieniu w odkuwce przecinak nie dotykał kowadła.

Cięcie czterostronne: Podczas tej metody cięcia materiał tniemy przecinakiem na głębokość bliską połowie wysokości odkuwki i obracamy go o 90°. Powtarzamy tę czynność jeszcze trzy razy tnąc cały czas w jednej płaszczyźnie tak by odkuwka była rozcięta ze wszystkich stron. Następnie wprowadzając rozszerzoną końcówką przecinaka w rozcięcie wykonane w materiale rozdzielamy odkuwkę na dwie części. Cięcie czterostronne stosujemy przy przecinaniu odkuwek o dużych przekrojach.

Skręcanie

Skręcanie to operacja w czasie której dokonuje się skręcenia wokół osi jednej części odkuwki względem drugiej. Podczas skręcania jeden koniec odkuwki mocujemy w imadle, a jeśli odkuwka jest duża przyciskamy kowadłami młota. Drugi koniec skręcamy wokół osi za pomocą specjalnej dzwigni. Ponieważ skręcanie wywołuje w odkuwce niekorzystny stan naprężeń podobny do ścinania to przy nieodpowiednim doborze kąta skręcania do materiału z jakiego wykonana jest odkuwka może dojść nawet do pęknięcia odkuwki.

Podstawowe zasady skręcania

Podczas skręcania odkuwka może ulec pęknięciu, aby do tego nie dopuścić należy stosować się do poniższych zasad:
- odkuwki można skręcać tylko do określonego kąta, który zależy od tego z jakiego materiału została wykonana skręcana odkuwka,
- materiał przed skręcaniem powinien być równomiernie nagrzany do odpowiedniej temperatury,
- powierzchnie odkuwki, które będą skręcane powinny być gładkie i pozbawione takich wad jak pęknięcia czy zakucia,
- przekrój odkuwki w całej strefie, która będzie skręcana powinien być jednakowy,
- jeżeli konieczne jest skręcenie odkuwki o kąt większy niż maksymalny kąt dozwolony dla danego rodzaju materiału to skręcanie należy wykonywać etapami stosując za każdym razem dogrzewanie odkuwki. W razie konieczności pomiędzy poszczególnym etapami skręcania można wykonywać wyżarzanie międzyoperacyjne.

Siła skręcająca

       Siłę skręcającą można wyliczyć ze wzoru:

[N]

gdzie:

W - wskaźnik przekroju - dla przekroju okrągłego:

R_mt - wytrzymałość na rozciąganie [MPa]

l - długość dźwigni [mm]

Zgrzewanie

Zgrzewanie to operacja kowalska w czasie której przez dociśniecie łączone są dwa kawałki metalu. Najczęściej stosuje się dwie metody zgrzewania: zgrzewanie na zakładkę i zgrzewanie na klin.

Zgrzewanie na zakładkę rozpoczyna się od spęczenia końców części, które w będą zgrzewane (rys. a). Następnie spęczone końcówki ukosuje się (rys. b) i nagrzewa. W czasie nagrzewania konieczne jest posypywanie nagrzewanych fragmentów piaskiem, który topiąc się będzie pokrywał metal cienką warstwą płynnej otuliny. Otulina ta zapobiega utlenianiu się nagrzewanych powierzchni. Gdy nagrzewane części osiągną temperaturę ok. 1250 - 1300 °C (biały żar) wyjmuje się je, nakłada jedną na druga (rys. c) i uderzeniem młota zgrzewa (rys. d). Zgrzewanie na zakładkę można stosować do prętów o maksymalnej średnicy ok. 100 mm.

W procesie zgrzewania na klin jedną końcówkę spęcza się i wycina z niej trójkątny fragment (rys. a). Drugi koniec zaostrza się (rys. b) tak by pasował w wycięte wcześniej miejsce w pierwszej końcówce. Następnie nagrzewa się oba końce, po osiągnięciu odpowiedniej temperatury łączy (rys. c) i podobnie jak w pierwszej metodzie zgrzewa (rys. d). Zgrzewanie na klin można stosować do zgrzewania odkuwek o dużych przekrojach lub odkuwek wykonanych z różnych gatunków stali.

TARCIE W PROCESACH PP:

Tarciem nazywamy zjawisko powstawania oporu przy przesuwaniu się jednego ciała po powierzchni drugiego. Dla przezwyciężenia powstałego oporu konieczna jest określona siła, nazywana siłą tarcia [4]. Tarcie występujące w procesach przeróbki plastycznej różni się od tarcia występującego w częściach maszyn głównie naciskiem, który w przeróbce plastycznej może osiągać wartość 2500 MPa (250 kG/mm²) a w maszynach 10 ÷ 50 MPa ( 1 ÷ 5 kG/mm²).
       Na powierzchni trących się części w częściach maszyn przemieszczanie się cząstek metalu jest jednakowe we wszystkich punktach styku, natomiast w przeróbce plastycznej wielkość i prędkość przemieszczenia jest różna w różnych punktach styku. Aby odkształcić metal w obecności tarcia, konieczne jest użycie znacznie większej siły niż by to wynikało z oporu plastycznego danego materiału. Wraz ze wzrostem tarcia wzrasta zarówno siła konieczna do odkształcenia jak i zużycie energii. Tarcie jest jedną z przyczyn nierównomierności odkształcenia. W obszarach ciała, położonych w pobliżu powierzchni tarcia, działanie sił tarcia utrudniających odkształcenie jest większe niż w częściach oddalonych od styku z narzędziem [4].
       Tarcie jest przyczyną nadmiernego i nierównomiernego zużywania się narzędzi, co pozostawia ślady pogarszające powierzchnię odkształcanej próbki.

Wyróżnia się następujące mechanizmy tarcia:
- tarcie czyste - gdy na powierzchni tarcia nie ma ani tlenków, ani smaru.
- tarcie suche - gdy na powierzchni tarcia występują tlenki i zanieczyszczenia, a nie ma smaru.
- tarcie płynne - gdy powierzchnie trących się ciał są w pełni izolowane warstewką smaru.
- tarcie półsuche - gdy tylko niektóre powierzchnie trących się ciał oddzielone są lepkim środkiem.
- tarcie półpłynne - gdy po mimo obecności smaru są miejsca bezpośredniego kontaktu trących się ciał.
- tarcie graniczne - gdy warstwa ciekłego powierzchniowo czynnego smaru rozdzielająca powierzchnie jest granicznie cienka .
W procesach przeróbki plastycznej metali najczęściej występującymi mechanizmami tarcia to tarcie półsuche i tarcie półpłynne.

Modele tarcia:

Aby przesunąć jedno ciało względem drugiego ciała (rys. 1.1) należy przyłożyć siłę tarcia T, która w najprostszy sposób określana jest wzorem :

T = f * N

gdzie:

T - siła tarcia,

f - współczynnik tarcia,

N - obciążenie normalne.

Podstawowy model tarcia

Siła tarcia suchego T proporcjonalna do normalnego obciążenia N nie zależy od powierzchni zetknięcia [4]. Wzór ten jest zgodny ze wzorem T = f * N

Model tarcia Coulomba

Definicja tarcia Coulomba uwzględnia siły cząsteczkowe, które oddziałują na płaszczyznach rzeczywistego styku trących się ciał.

T = f * N + A

gdzie:

T - siła tarcia,

f - współczynnik tarcia,

N - obciążenie normalne,

A - siły cząsteczkowe.

       Ponieważ siły cząsteczkowe są bardzo małe to w praktyce są one pomijane a A = 0. Z tego więc wynika że:

gdzie:

 - naprężenia ścinające,

σ - naprężenia normalne działające na powierzchni ciała.

Model tarcia Treski

Według tego modelu strefa pomiędzy narzędziem a odkształcanym materiałem jest reprezentowana warstwą ze stałą wartością t_j. Przyjmuje się, że t_j w całej objętości materiału jest stałe i nie zależy od nacisku.

gdzie:

m - współczynnik tarcia Treski,

 - naprężenia ścinające.

Model tarcia Wanheima-Bay'a

Wanheim i Bay wykazali, że rzeczywisty kontakt pomiędzy materiałem a narzędziem zależy od wywieranego nacisku oraz siły ścinającej w trakcie kontaktu. Zdefiniowali oni średnie naprężenie tj ponad pozorną powierzchnią styku jako [8]:

gdzie:

s - rzeczywista powierzchnia styku, s=A_r/A₀,

A_r - rzeczywista powierzchnia styku,

A₀ - pozorna powierzchnia styku,

f - współczynnik tarcia Wanheima-Bay'a.

Model tarcia Nortona-Hoffa

W modelu Nortona-Hoffa zostało przyjęte, że pomiędzy materiałem a narzędziem istnieje granica lepkoplastyczna.

gdzie:

 - współczynnik tarcia według Nortona-Hoffa,

K - konsystencja warstwy granicznej.

Doświadczalne metody wyznaczania tarcia:

Wszystkie doświadczalne metody określania współczynnika tarcia dają średnie wartości współczynnika zmierzone w warunkach poślizgu, czyli w warunkach prawa Coulomba. Oprócz tego w większości metod względny ruch metalu w stosunku do narzędzia jest różny w różnych warunkach i otrzymane wyniki nie zawsze mogą być wykorzystane do obliczeń

Metoda Pawłowa

W metodzie Pawłowa próbkę, dla której będziemy badać współczynnik tarcia przymocowuje się z jednej strony za pomocą łańcucha do miernika siły a drugą stronę podaję się w walce. Gdy próbka zostanie uchwycona przez walce miernik wskaże poziomą siłę tarcia T. Wraz z pomiarem siły tarcia T dokonuje się pomiaru całkowitego nacisku na walce F. Pomiaru sił tarcia T i nacisku F powinno się dokonywać w początkowej fazie eksperymentu gdyż powierzchnia zarówno badanej próbki jak i walców może ulec starciu przez co zmianie ulegnie współczynnik tarcia.

Ze związków geometrycznych procesu walcowania wynika, że współczynnik tarcia można obliczyć za pomocą wzoru:

gdzie:

T - pozioma siła tarcia,

F - siła całkowitego nacisku na walce,

 - kąt chwytu próbki w walce.

Metoda Siebela i Pompa (stożków)

Metoda Siebela i Pompa będąca niejako rozwinięciem metody Gubkina wykorzystuje do określenia współczynnika tarcia zjawisko nierównomierności odkształcenia. Metoda ta polega na spęczaniu cylindrycznej próbki, która na swoim czole ma stożkowe wcięcia, w których umieszcza się wkładki o tym samym koncie nachylenia tworzącej. Próbki powinny być tak dobrane by stosunek ich wysokości do średnicy wynosił 2÷2,5, gdyż w przeciwnym razie może się okazać, że jest niemożliwe współosiowe ułożenie próbki i narzędzia.

Na stożkowej powierzchni działa siła normalna N i siła tarcia T. Siła tarcia utrudnia płynięcie metalu ku środkowi przez co następuje ruch cząstek ku obszarom zewnętrznym. Jeśli składowa pozioma nacisku jest większa od składowej poziomej siły tarcia, to ruch na zewnątrz jest utrudniony i uzyskamy wklęsły kształt próbki.

W zależności od wartości współczynnika tarcia można uzyskać trzy przypadki:

- przypadek I (rys.a)

Nx = Tx

N * sin = T * cos = N * f * cos

f = tg

- przypadek II (rys.b)

Nx < Tx

N * sin < N * f * cos

f > tg

- przypadek III (rys. 2c)

Nx > Tx

f < tg

Dobierając odpowiednio kąt pochylenia stożkowej wkładki tak by próbka po spęczaniu zachowała swój cylindryczny kształt można ustalić współczynnik tarcia, który w tym przypadku równy jest tangensowi kąta tworzącej (tg ).

Metoda Tarnowskiego

Metoda ta polega na spęczaniu próbki o kształcie klina z naniesionymi wcześniej na jej boczną powierzchnię pionowymi (prostopadłymi do podstawy), równoległymi rysami. Spęczanie to odbywa się pomiędzy dwiema nachylonymi względem siebie płytami. W wyniku tej operacji prawie wszystkie rysy na bocznej powierzchni próbki ulegają zakrzywieniu. Zakrzywieniu nie ulega tylko jedna rysa, która znajduje się bliżej węższego końca klina w tak zwanym przekroju neutralnym, w którym nie występuje ślizganie próbki po płycie.

Ponieważ umiejscowienie przekroju neutralnego jest zależne od współczynnika tarcia i kąta klina to znając kąt i odległość przekroju neutralnego od końców próbki można wyznaczyć współczynnik tarcia korzystając ze wzoru:

gdzie:

x', x" - odległości przekroju neutralnego od końców próbki

Współczynnik tarcia podczas walcowania

Współczynnik tarcia podczas walcowania można wyznaczyć z warunków chwytu. Próbkę w kształcie prostopadłościanu dosuwa się do walców, które mają taką nastawę, przy której nie następuje chwyt metalu w walce. Kolejnym krokiem jest podniesienie górnego walca do momentu aż nastąpi chwyt próbki i określenie w tym momencie gniotu bezwzględnego (h).

Na przedstawiono schemat sił działających podczas chwytu próbki przez walce. Siła tarcia T skierowana stycznie wciąga próbkę w szczelinę walców a siły normalne nacisku metalu na walce N skierowane promieniowo wypychają próbkę. Uchwycenie próbki nastąpi wtedy, gdy składowa pozioma siły normalnej (Nx) będzie równa lub mniejsza od składowej poziomej siły tarcia (Tx). Z tej zależności można wyprowadzić wzór, z którego można wyznaczyć współczynnik tarcia:

(3.9)

gdzie:

h - gniot bezwzględny,

D - średnica walców.

Smarowanie:

W procesach przeróbki plastycznej szerokie zastosowanie znalazły smary, które tworząc warstwę pomiędzy odkształcaną próbką a narzędziem zmniejszają współczynnik tarcia. Ponieważ w przeróbce plastycznej występują duże jednostkowe naciski, które uniemożliwiają pokrycie smarem całej trącej powierzchni to najczęściej spotykanym mechanizmem tarcia jest tarcie półpłynne.
Aby smar dobrze izolował trące powierzchnie, nie rozdzielał się i nie wyciskał - powinien mieć dobrą aktywność i lepkość. Aktywność smaru jest to zdolność do tworzenia na powierzchni tarcia ochronnej warstwy.Aby smary miały odpowiednią aktywność ich składach występują powierzchniowo aktywne związki takie jak kwasy tłuszczowe (oleinowy, stearynowy, palmitynowy) i ich sole. Dzięki odpowiedniej lepkości smar nie wycieka z miejsca kontaktu. Smary o dużej aktywności i lepkości zapewniają warunki do tarcia półpłynnego lub płynnego.
 W procesach przeróbki plastycznej na zimno, podczas których występują duże odkształcenia, duże prędkości i intensywne wydzielanie ciepła, smar musi także chłodzić narzędzie i odkształcaną próbkę. Smar taki musi charakteryzować się dużą pojemnością cieplną. Natomiast w procesach przeróbki plastycznej na gorąco, prowadzonych w wysokich temperaturach, w których występuje długi czas styku narzędzia i odkształcanej próbki, smar musi spełniać rolę izolatora. W związku z tym musi charakteryzować się małym przewodnictwem cieplnym, co zabezpieczy pracujące narzędzie przed przegrzaniem.
Ponadto smar powinien odpowiadać całemu zestawowi warunków, a mianowicie: nanosić się lekko na metal i narzędzie, być chemicznie pasywnym, pozostawiać minimalną ilość resztek, aby nie zanieczyszczać powierzchni po przeróbce plastycznej i wreszcie, nie być szkodliwym dla pracowników pracujących w atmosferze smaru [4]. W przeróbce plastycznej stosuje się następujące smary:
- smary płynne,
- smary proszkowe,
- szkło.

 Smary płynne

Do smarów płynnych zalicza się: emulsje, oleje roślinne i mineralne. Emulsje są to mieszaniny olejów z wodą stosowane w procesach o dużych prędkościach - cechuje je duża zdolność do ochładzania. W procesach z dużymi naciskami stosuje się oleje o dużej lepkości, co zapobiega wypływaniu oleju. W celu zwiększenia lepkości oleju stosuje się dodatki w postaci parafiny lub stearyny. Dla zwiększenia aktywności olejów dodaje się do nich aktywne dopełniacze (kwiat siarczanu, związki chloru).

Smary proszkowe

 Najczęściej stosowanymi smarami proszkowymi są mydła lub grafit. Mydła można stosować w postaci proszku lub płatków a grafit w postaci wodnej mieszaniny często stanowi dodatek do olejów.

Szkło

Szkło jako środek smarny można stosować w postaci proszku lub waty szklanej. Szkło po zetknięciu z gorącą powierzchnią odkształcanej próbki mięknie i szczelnie przylega do powierzchni. Oprócz klasycznej roli smaru polegającej na zmniejszeniu współczynnika tarcia szkło stanowi także swoisty izolator, który zapobiega przegrzaniu pracującego narzędzia.

---