TECHNOLOGIA II TARCIE W OBRÓBCE PLASTYCZNEJ dr inż. Robert Skoblik Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny
Ogólne wiadomości o tarciu Tarciem nazywamy zjawisko powstawania oporu przy przesuwaniu się jednego ciała po powierzchni drugiego. Dla przezwyciężenia powstałego oporu konieczna jest określona siła, nazywana siłą tarcia. W procesach przeróbki plastycznej występuje tarcie ślizgania, które znacznie różni się od tarcia ślizgania występującego w częściach maszyn. W przeróbce plastycznej na powierzchni tarcia działają wysokie naciski sięgające 2500 MPa (2500 MN/m2). W łożyskach ślizgowych i innych częściach maszyn występują naciski 10 MPa (10 MN/m2). W bardzo obciążonych łożyskach walcarek naciski sięgają 20 do 50 MPa (20—50 MN/m2).
Mechanizm tarcia 1. Tarcie czyste występuje wtedy, gdy na powierzchni tarcia nie ma ani tlenków, ani smaru. Tarcie czyste może mieć więc miejsce tylko w warunkach doświadczalnych. 2. Tarcie suche występuje w przypadku, gdy na powierzchni styku metalu z narzędziem istnieją tlenki i zanieczyszczenia, nie ma natomiast smarów. 3. Tarcie płynne występuje wtedy, kiedy powierzchnie trących się ciał są w pełni izolowane warstewką smaru. 4. Tarcie półsuche występuje w takim przypadku, gdy na powierzchniach trących tylko niektóre powierzchnie oddzielone są lepkim ośrodkiem. 5. Tarcie półpłynne występuje, jeśli w obecności smaru istnieją bezpośrednie kontakty trących się ciał. 6. Tarcie graniczne występuje wtedy, kiedy warstwa ciekłego smaru rozdzielająca powierzchnie jest granicznie cienka, smar zaś jest powierzchniowo czynny. W przeróbce plastycznej spotykamy się zazwyczaj z tarciem półsuchym lub półpłynnym.
Skutki działania sił tarcia Tarcie zewnętrzne, występujące między powierzchnią roboczą narzędzia, a odkształcanym plastycznie metalem wpływa na: przebieg odkształcenia plastycznego, a przez to na własności użytkowe wyrobu, na trwałość narzędzi. pole naprężeń w odkształcanym plastycznie metalu nie jest jednorodne, niejednorodność odkształceń powoduje z kolei niejednorodność własności wyrobu. geometryczne, jak i kinematyczne ograniczenia w realizacji procesów obróbki plastycznej, np. takie wielkości jak: -minimalna grubość walcowanej blachy, -maksymalny stopień spęczania, kąt stożka ciągadła itp., ograniczenie w stosowaniu np. zbyt dużych prędkości ciągnienia
Rodzaj występującego tarcia zewnętrznego między odkształcanym plastycznie metalem i narzędziem wpływa w sposób istotny na uszkodzenie powierzchni wyrobu. Tworzące się na powierzchni narzędzia narosły (połączenia tarciowe) są przyczyną powstawania rys i zadziorów na powierzchni wyrobu (np. przy tłoczeniu, walcowaniu) i pogarszają jego jakość. W wyniku istnienia oporów tarcia występuje zużycie narzędzi, przy czym zarówno mechanizm, jak też intensywność zużycia .narzędzi są funkcją oporów i rodzaju tarcia. Z występowaniem sił tarcia wiążą się również straty energii. Ogólnie można więc stwierdzić, że skutki działania sił tarcia są prawię zawsze niekorzystne, a tarcie z reguły utrudnia prowadzenie procesów obróbki plastycznej. Dlatego podstawowym zagadnieniem w obróbce plastycznej metali jest regulowanie, a głownie zmniejszenie występujących oporów tarcia przez stosowanie odpowiednio dobranych smarów i metod; smarowania (np. ciągnienie drutu przy hydrodynamicznym smarowaniu.), polerowanie powierzchni roboczych narzędzi itp.
Specyfika zjawiska tarcia występującego w procesach obróbki plastycznej Zjawisko tarcia, z którym spotykamy się w procesach obróbki plastycznej, różni się w sposób zasadniczy od tarcia występującego w węzłach mechanizmów ze względu na takie czynniki jak: — duże naciski normalne (przewyższające granicę plastyczności jednego z metali pary trącej), — duże odkształcenia i wynikający stąd odmienny niż w mechanizmach charakter styku, — ciągłą zmianę powierzchni trących, — małe prędkości względne, — w przypadku procesów obróbki plastycznej na gorąco — wysoką temperaturę i związaną z tym obecność dużej ilości tlenków, —-inną rolę i funkcję smarów. W procesach obróbki plastycznej występuje przesuwanie się uplastycznionego metalu o małej twardości po powierzchni narzędzia o znacznie większej twardości, a więc jest to zjawisko współpracy pary trącej składającej się z ciała stałego (sztywnego), którym jest narzędzie, z ciałem plastycznym, tzn. odkształcanym metalem.
Rola tarcia w prowadzeniu procesów obróbki plastycznej Powszechnie panuje przekonanie, że skutki oddziaływania sił tarcia są niekorzystne. Takie stwierdzenie jest jednak niepełne i nieścisłe. Podobnie jak w przyrodzie, tak i w technice, a w tym zakresie również w przypadku procesów obróbki plastycznej, można wykazać dodatni wpływ tarcia na przebieg niektórych procesów, np. w procesie walcowania, tłoczenia, wyciskania. Aby świadomie i programowo kierować zjawiskiem tarcia, należy poznać jego mechanizm i specyfikę. W odniesieniu do procesów obróbki plastycznej interesujące byłoby znalezienie odpowiedzi na następujące pytania: — Jak należy prowadzić procesy obróbki plastycznej, aby wyeliminować ujemny wpływ tarcia, np. przez regulowanie i właściwy dobór zakresu prędkości roboczej narzędzi, temperatury odkształcanego metalu rodzaju smarów i sposobów smarowania oraz innych parametrów procesu? — Jak regulować i dobierać opory tarcia, np. przez właściwy dobę par trących (m. in. powłok przeciwadhezyjnych), smarowanie, aby prowadzenie procesu było najekonomiczniejsze? — W jakich przypadkach i w jaki sposób wykorzystać dodatni wpływ oporów tarcia na kształtowanie właściwych cech użytkowych wyrobi przez świadome i celowe kształtowanie własności warstwy wierzchniej?
Ciągnienie (przeciąganie) Ciągnienie - proces, obróbki plastycznej na zimno, w którym zmienia się kształt lub pole przekroju poprzecznego materiału w postaci drutu, pręta lub rury w wyniku przeciągania go przez otwór narzędzia nazywanego ciągadłem. Z mechanicznego, a szczególnie kinematycznego punktu widzenia jest to jeden z najbardziej stabilnych procesów realizowany przy ustalonych parametrach: naprężenia, prędkości, a także w znacznej mierze temperatury. Schemat procesu ciągnienia prętów ilustruje, rys.1. Warunki kinematyczne procesu ciągnienia prętów, mające decydujący wpływ na warunki tarcia: narzędzie (ciągadło) jest nieruchome, odkształcany metal wykonuje ruch posuwisty, przy czym kontakt odkształcanego metalu z narzędziem ma charakter ciągły, cała powierzchnia narzędzia styka się z przeciąganym metalem, w kontakt z powierzchnią roboczą narzędzia wchodzą coraz to inne (nowe) partie przeciąganego metalu.
Rys.1. schemat procesu ciągnienia prętów
Rozkład prędkości w przekroju ciągnionego elementu Przy ciągnieniu profili płaskich występuje liniowy wzrost prędkości, a przy ciągnieniu prętów okrągłych prędkość rośnie parabolicznie, przy czym materiał wchodzi w ciągadło z prędkością u1, a wychodzi z prędkością u2. Wraz ze zmianą średnicy rośnie prędkość u2 zgodnie z zasadą zachowania stałej objętości. Zmiana prędkości przemieszczania się odkształcanego metalu w stożku ciągadła zależy od takich wielkości jak: stopień odkształcenia, kąt ciągadła i opory tarcia. Znacznie bardziej złożony jest proces ciągnienia, rur, gdzie odkształcany metal styka się z dwoma powierzchniami roboczymi narzędzia: stożkiem ciągadła oraz trzpieniem lub korkiem. Schematy różnych odmian procesu ciągnienia rur ilustruje rys. 2. W procesie ciągnienia rur występuje zmiana średnicy i grubości rury, w związku z czym rośnie prędkość przemieszczania odkształcanego metalu po powierzchni narzędzia.
Rys.2. Schematy różnych rodzajów ciągnienia rur: a) ciągnienie swobodne, b) ciągnienie z korkiem, c) ciągnienie z trzpieniem, d) ciągnienie z korkiem swobodnym, e) ciągnienie w ciągadłach kulkowych
Wpływ tarcia na prowadzenie procesu Oddziaływanie tarcia w procesie ciągnienia należy zaliczyć do efektów niekorzystnych. W wyniku istnienia oporów tarcia występuje: „hamowanie" płynięcia metalu w strefie kontaktu" narzędziem, otrzymuje się niejednorodne pole naprężeń i odkształceń w przekroju ciągnionego pręta. Gradient tych zmian jest szczególnie duży w zewnętrznych strefach warstwy wierzchniej. Opory tarcia rzutują na: wartość dopuszczalnych gniotów, regulowanych przez dobór kąta stożka ciągadła, ograniczają zarówno stopień zgniotu, jak również dopuszczalną, najmniejszą wartość końcowych wymiarów poprzecznych pola przekroju, pracę sił zewnętrznych, zużytą na pokonanie oporów tarcia należy uznać za pracę traconą, zamiana pracy mechanicznej na ciepło prowadzi o wzrostu temperatury ciągnionego drutu lub pręta, z czym wiąże się występowanie naprężeń własnych I rodzaju.
Identyfikacja procesu ciągnienia zależy od prawidłowego sterowania procesami tarcia, m. in. przez zapewnienie hydrodynamicznych warunków smarowania, wprowadzenie wirujących ciągadeł, bądź też zastosowanie drgań. Warunki tarcia w procesie ciągnienia mają również wpływ na własności wyrobu, a zwłaszcza na własności warstwy wierzchniej. Szczególnie wyraźny jest wpływ oporów tarcia na mikrogeometrię powierzchni wyrobu. Dlatego w tym procesie technologicznym dąży się do maksymalnego ograniczenia oporów tarcia. Istnieje ścisły związek między oporami tarcia (wyrażonymi współczynnikiem tarcia), optymalnym kątem stożka ciągadła a i wynikającą stąd wartością dopuszczalnych gniotów. Można zatem znaleźć minimum funkcji dFc/da i wyznaczyć optymalny kąt stożka ciągadła a dla zadanej wartości m.
Rys.3. Wpływ oporów tarcia i przeciwciągu na optymalny kąt ciągnienia: 1 - aopt = f(m), 2 - aopt = f(q), a — kąt stożka ciągadła, q — współczynnik przeciwciągu
Skutki działania sit tarcia Do ujemnych skutków tarcia w procesie ciągnienia można zaliczyć: — nierównomierność odkształceń w przekroju ciągnionego elementu (drutu, pręta); —pogorszenie stanu powierzchni wyrobu; — wzrost siły ciągnienia i wynikające stąd niebezpieczeństwo pękania drutu (pręta); — nierównomierne pole temperatury w przekroju ciągnionego pręta i związane z tym występowanie naprężeń cieplnych, bądź też zmiany strukturalne w ciągnionym wyrobie; — nadmierne zużycie ciągadeł. Aby zatem poprawić sprawność energetyczną procesu ciągnienia, uzyskać optymalną jakość ciągnionego wyrobu oraz zwiększyć trwałość narzędzi, przy zachowaniu odpowiedniej pewności technologicznej (wyeliminowanie pękania), należy dążyć do zmniejszenia ujemnego oddziaływania tarcia. Można to osiągnąć m. in. przez zapewnianie hydrodynamicznych warunków smarowania, przy zastosowaniu specjalnej konstrukcji ciągadeł, m. in. przez wprowadzenie przeciwciągu. Zastosowanie przeciwciągu umożliwia prawie dwukrotne zmniejszenie nacisków jednostkowych, co wpływa korzystnie na trwałość ciągadeł.
Tłoczenie Tłoczenie - jeden z podstawowych procesów obróbki plastycznej na zimno obejmującym: cięcie, kształtowanie blach, folii i płyt metalowych lub przedmiotów o małej, w stosunku do innych wymiarów, grubości. Procesy tłoczenia mogą być przeprowadzone: — przy naruszaniu spójności materiału (odcinanie, wycinanie, dziuro- wanie, okrawanie, nacinanie), — bez naruszania spójności materiału (gięcie, wytłaczanie i kształtowanie). Ze względu na to, że najbardziej charakterystyczne dla tej grupy procesów jest wytłaczanie, do tego procesu zostaną odniesione dalsze rozważania. Schemat możliwych stanów naprężenia i odkształcenia przy wytłaczaniu sztywnymi narzędziami z dociskaczem ilustruje rys. 4 a przemieszczanie się materiału w procesie wytłaczania z dociskaczem rys. 5, oddziaływanie sił tarcia rys. 6.
Rys.4. Schemat stanów naprężenia i odkształcenia przy wytłaczaniu sztywnymi narzędziami z dociskaczem
Rys. 5. Schemat ilustrujący ruch narzędzia i przemieszczanie wytłoczki w procesie wytłaczania z dociskaczem: Vs — prędkość ruchu narzędzia (stempla), Vm — prędkość ruchu materiału, Fd — siła docisku, Fw- — siła wytłaczania
Rys.6. Schemat oddziaływania sił tarcia w procesie wytłaczania z dociskaczem
W procesie wytłaczania mogą wystąpić zarówno jedno, dwu jak i trójosiowe stany naprężenia i odkształcenia, przy czym w denku i części walcowej wytłoczki przeważają naprężenia rozciągające, natomiast w kołnierzu (pod dociskaczem) oprócz naprężeń rozciągających występują również naprężenia ściskające. Proces wytłaczania jest realizowany na ogół na prasach, przy czym jeden element narzędzia (stempel) wykonuje ruch. Z uwagi na warunki mechaniczne i kinematyczne proces tłoczenia należy do procesów mało stabilnych, gdyż w czasie każdego cyklu wytłaczania ulegają zmianie zarówno "wartość siły wytłaczania, jak również prędkość i temperatura. Kontakt narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter cykliczny.
Wpływ tarcia na prowadzenie procesu W procesie wytłaczania należy pokonać opory tarcia występujące: — w dociskaczu, —na krawędzi ciągowej matrycy, — w szczelinie ciągownika, — na stemplu. Zależnie od schematu procesu i warunków technologicznych siły tarcia mogą wywierać wpływ zarówno dodatni, jak i ujemny, co ilustruje rys. 7. Tarcie występujące w dociskaczu wpływa na zwiększenie naprężeń osiowych s2. Opory tarcia w dociskaczu wywierają niekorzystny wpływ i mogą prowadzić do zerwania wytłoczki. Tarcie odkształcanej blachy o powierzchnię pierścienia ciągowego "(na krawędzi ciągowej oraz w szczelinie ciągownika) powoduje wzrost nacisku wywieranego przez stempel i zwiększa niebezpieczeństwo oderwania dna wytłoczki (niebezpieczny przekrój A—A rys. 6).
Rys.7. Dodatni i ujemny wpływ tarcia w procesie wytłaczania: a) wytłaczanie sztywnymi narzędziami, b) wytłaczanie w niesztywnej matrycy z dociskaczem, e) wywijanie kołnierza, d) wytłaczanie z zastosowaniem progów ciągowych, e) wytłaczanie niesztywnym stemplem z dociskaczem, f) wytłaczanie niesztywnym stemplem bez dociskacza, g) wygniatanie niesztywnym stemplem, h) rozpęczanie niesztywnym stemplem, i) wywijanie kołnierza niesztywnym stemplem
Tarcie powoduje zwiększenie siły wytłaczania Fw, a przez to pogorszenie współczynnika sprawności energetycznej procesu. Tarcie odkształcanej blachy o powierzchnię stempla wywiera wpływ dodatni, gdyż zwiększa siłę Fzr (siła konieczna do zerwania wytłoczki), a więc jest czynnikiem ułatwiającym tłoczenie. Tarcie wywiera wpływ na odkształcalność graniczną oraz na zmianę grubości ścianek, przy czym zmiany te są różne w różnych obszarach wytłoczki. Zmianę grubości blachy pod dociskaczem ilustruje rys. 8. Wyraźne zmiany grubości wy tłoczki występują także w strefie zetknięcia z czołem stempla, przy czym istotny wpływ na nierównomierność odkształceń wywiera tutaj tarcie między stemplem a wytłoczką. Metal będący w kontakcie z płaską powierzchnią stempla pocienia się jednorodnie, natomiast metal znajdujący się w obszarze styku z promieniową częścią stempla — niejednorodnie – rys. 9. W procesie wytłaczania występuje także nierównomierne obciążenie narzędzi (stempla i pierścienia ciągowego). Rozkład nacisków przy wytłaczaniu ze ścienieniem ścianek i bez ścienienia ilustruje rys. 10.
Rys.8. Schemat zmiany grubości blachy w procesie wytłaczania z dociskaczęm
Rys.9. Zmiany grubości blachy w różnych obszarach wytłoczki
Rys.10. Strefy występowania maksymalnych nacisków w procesie: a) wytłaczania (bez cienienia ścianek), b) wyciągania
Czynniki ograniczające proces wytłaczania Wpływ tarcia jest szczególnie istotny przy głębokim tłoczeniu, gdy siła tłoczenia jest odpowiednio duża, by spowodować pęknięcie wytłoczki. Aby w procesie wytłaczania nie nastąpiło zerwanie wytłoczki, maksymalna siła wywierana przez stempel Fw musi być mniejsza niż siła zrywającą denko wytłoczki Fzr, czyli Fw<Fzr Warunek ten ogranicza maksymalną średnicę krążka, z którego można wytłoczyć naczynie o wymaganej średnicy bez obawy zerwania wytłoczki. Wzrost oporów tarcia powoduje wzrost siły wytłaczania. Aby zapewnić większą stateczność procesu wytłaczania oraz realizować proces przy minimalnym zużyciu energii, należy dążyć do zmniejszenia oporów tarcia w dociskaczu, na krawędzi gnącej oraz w szczelince ciągownika, nie eliminując tarcia między stemplem a odkształcaną blachą.
Skutki oddziaływania sił tarcia Efekty oddziaływania sil tarcia w procesie wytłaczania można zaliczyć zarówno do pozytywnych, jak i negatywnych. Do negatywnych skutków oddziaływania sił tarcia należą: — zwiększenie nierównomierności odkształceń, powodujące znaczne zmiany grubości wytłoczki, a nawet pękanie (oderwanie dna wytłoczki), — wzrost naprężeń promieniowych s2, powodujący niebezpieczeństwo powstawania pęknięć w wytłoczce, — wzrost siły wytłaczania Fw, spowodowany oporami tarcia w dociskaczu i ciągowniku, — Wzrost temperatury w obszarze styku w granicach 30—80°C i pogorszenie warunków smarowania (na: skutek zmiany lepkości smaru), — pogorszenie gładkości powierzchni wytłoczki (rysowanie), — obniżanie trwałości narzędzi. Pozytywnym efektem jest oddziaływanie sił tarcia występujących między odkształcanym metalem a stemplem. Szczególny przypadek wytłaczania. przy wykorzystywaniu sił tarcia przedstawiono na rys. 11. W tym procesie tłoczenia stempel jest zastąpiony ściskanym pierścieniem gumowym wypychającym wytłoczkę siłami tarcia.
Rys. 11. Wytłaczanie siłami tarcia: 1 — oprawa, 2 — pierścień gumowy, 3 — krążek wyjściowy, 4 — wytłoczka, 5 — pierścień ciągowy
Kucie Kucie jest typowym procesem obróbki plastycznej, w którym wyrób kształtuje się przez zgniatanie uderzeniem, a nacisk wywierany przez narzędzie ma charakter dynamiczny. Proces kucia realizowany jest na ogół powyżej temperatury rekrystalizacji, w wyniku czego odkształcany metal nie umacnia się. Oddziaływanie wysokiej temperatury utrudnią jednak stosowanie skutecznych smarów, co znacznie pogarsza warunki tarcia. Z uwagi na warunki mechaniczne i kinematyczne kucie należy zaliczyć do procesów najmniej stabilnych, gdyż w każdym cyklu kucia ulegają zmianie: nacisk, prędkość i temperatura, przy czym przebieg tych zmian jest bardzo szybki. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje kucia: - swobodne, matrycowe. W obydwu przypadkach dolna część narzędzia (z wyjątkiem miotów przeciwbieżnych) jest nieruchoma, a górna część narzędzia umocowana w bijaku młota wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. W związku z tym kontakt odkształcanego metalu z narzędziem ma charakter przerywany, cykliczny, przy czym w wyniku odkształceń częściowych po każdym uderzeniu zmienia się (rośnie) powierzchnia rzeczywistego styku i coraz to nowe partie metalu wchodzą w kontakt z narzędziem.
Wpływ tarcia na proces kucia Opory tarcia występujące w procesach kucia są duże (m = 0,2—0,4). Wynika to głównie z obecności dużej ilości zgorzeliny i małej skuteczności smarowania w wysokich temperaturach. Duże opory tarcia powodują, że w niektórych obszarach odkształcanej odkuwki ruch materiału jest w ogóle zahamowany i występuje tzw. przywieranie. Schemat działania sił tarcia w najbardziej typowych operacjach kuria swobodnego: spęczania pręta i spęczania pierścienia ilustrują rys.12 i 13. Ruch odkształcanego metalu po narzędziu jest determinowany oporami tarcia i może się zmieniać począwszy od całkowitego poślizgu, aż do zupełnego przywierania. W centralnej części odkuwki w osi symetrii Istnieje punkt neutralny, w którym prędkość równa się zeru. Gdy odkształcenie odbywa się w warunkach beztarciowych materiał przemieszczą się, płynąc na boki z prędkością rosnącą liniowo w kierunku promienia, a nacisk materiału na narzędzie ma stałą wartość .
Rys.12. Schemat oddziaływania sił tarcia, rozkład nacisków i prędkości w procesie spęczania pręta a) bez tarcia, b) z tarciem; Vn— prędkość ruchu narzędzia, Vm — prędkość ruchu odkształcanego materiału
Rys. 13. Schemat oddziaływania sił tarcia, rozkład nacisków i prędkości w procesie spęczania pierścienia: a) bez tarcia, b) przy dużych, oporach tarcia; Vn — prędkość ruchu narzędzia, Vm — prędkość ruchu odkształcanego materiału
Ruch odkształcanego metalu po narzędziu jest determinowany oporami tarcia i może się zmieniać począwszy od całkowitego poślizgu, aż do zupełnego przywierania. W centralnej części odkuwki w osi symetrii Istnieje punkt neutralny, w którym prędkość równa się zeru. Gdy odkształcenie odbywa się w warunkach beztarciowych materiał przemieszczą się, płynąc na boki z prędkością rosnącą liniowo w kierunku promienia, a nacisk materiału na narzędzie ma stałą wartość. W przypadku spęczania pręta z udziałem sił tarcia w centralnej części odkuwki występuje przywieranie, a płyną jedynie zewnętrzne warstwy materiału. Istnienie oporów tarcia powoduje zatem niejednorodność naprężeń oraz występowanie stref o różnym stopniu odkształcenia (rys. 12b. Zewnętrznym dowodem nierównomierności odkształceń przy spęczaniu wywołanych tarciem jest beczkowatość spęczanego elementu.
Przy spęczaniu pierścienia z udziałem sił tarcia rys Przy spęczaniu pierścienia z udziałem sił tarcia rys. 13b materiał przemieszcza się zarówno w kierunku środka (osi próbki) jak też na zewnątrz i występuje beczkowatość zarówno zewnętrzna jak i wewnętrzna. W pewniej odległości od środka próbki r c występuje tzw. linia neutralna, gdzie prędkość przemieszczania materiału względem narzędzia równa się zeru. W tym obszarze występują także największe naciski jednostkowe. Przy bardzo dużych oporach tarcia zamiast linii neutralnej może wystąpić tzw. strefa przywierania. Bardzo duży wpływ na wartość nacisków jednostkowych, poza oporami tarcia, wywiera także, stosunek średnicy do wysokości spęczanego elementu r/h (rys. 14).
Rys. 14. Zależność nacisków od wymiarów próbki i współczynnika tarcia
Efekt oddziaływania sił tarcia w procesach kucia matrycowego jest znacznie bardziej złożony niż przy kuciu swobodnym. Poza niekorzystnym, hamującym oddziaływaniem, sił tarcia na powierzchniach bocznych wykrojów, gdzie tarcie utrudnia płynięcie metalu i tym samym dobre wypełnienie wykroju, można wskazać takie obszary wykroju matrycy, gdzie tarcie ma wpływ korzystny, np. w mostku wypływki. Dodatni efekt występowania sił tarcia w mostku wypływki polega na tym, że hamowanie płynięcia metalu na zewnątrz wykroju sprzyja dobremu wypełnieniu wykroju, a więc umożliwia uzyskanie wyrobu o większej dokładności wymiarowo-kształtowej. Schemat oddziaływania sił tarcia w procesie kucia matrycowego pokazano na rys.15, przy czym dodatni wpływ tarcia na wypełnienie wykroju oznaczono znakiem „+", a ujemny wpływ tarcia na płynięcie metalu oznaczono znakiem „—".
Rys.15. Schemat oddziaływania sit tarcia w procesie kucia matrycowego
Czynniki ograniczające proces kucia Do czynników ograniczających przebieg procesu kucia można zaliczyć: — zbyt duże opory tarcia i związane z tym występowanie stref przywierania, utrudniających prawidłowe wypełnienie wykroju i powodujące zakleszczanie odkuwki; — zbyt duże opory tarcia, powodujące występowanie osiowych naprężeń rozciągających z możliwością wystąpienia pęknięć obwodowych (występujących głównie przy spęczaniu swobodnym); — zbyt małe opory tarcia w mostku wypływki i wynikające z tego niewłaściwe wypełnienie wykroju; —intensywne zużycie narzędzi. Jak z tego wynika, poza poprawnością doboru parametrów geometrycznych (kształt i wymiary materiału wyjściowego, wymiary wykrojów) jednym z istotnych czynników warunkujących realizację procesów kucia jest tarcie. Dlatego poszukiwane są metody i środki umożliwiające zmniejszenie oporów tarcia.
Wyciskanie W zależności od kierunku, płynięcia metalu względem kierunku ruchu stempla można rozróżnić: — wyciskanie współbieżne, w którym materiał płynie w kierunku zgodnym z ruchem stempla; — wyciskanie przeciwbieżne, gdy materiał płynie w kierunku przeciwnym do ruchu stempla; — wyciskanie złożone, gdy materiał płynie w różnych kierunkach. Wyciskanie jest procesem bardzo szeroko stosowanym, zarówno przy kształtowaniu stali, jak i metali nieżelaznych, przy czym metale takie jak: Pb, Zn, Ąl, Cu, mosiądze są wyciskane w temperaturze otoczenia, natomiast wyciskanie stali odbywa się w temperaturach podwyższonych, ze względu na duże opory odkształcenia plastycznego. W procesie wyciskania matryca jest w zasadzie nieruchoma, natomiast stempel wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. Kontakt narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter przerywany (cykliczny), przy czym w czasie jednego cyklu odkształcenia cała powierzchnia narzędzia styka się z odkształcanym metalem.
Rozpowszechnienie procesu wyciskania spowodowało, że opracowano kilkanaście wersji tego procesu takich jak: wyciskanie klasyczne z zastosowaniem smarów i pokryć wstępniaków powłokami zmniejszającymi opory tarcia; wyciskanie izotermiczne, prowadzone w narzędziach podgrzewanych przy zachowaniu stałej temperatury odkształcanego materiału; — wyciskanie hydrostatyczne, w którym funkcję narzędzia przejmuje w pewnym zakresie ciecz wypełniająca cylinder; — wyciskanie w polu ultradźwiękowym, — wyciskanie z wykorzystaniem aktywnego oddziaływania sił tarcia. Schemat działania sił w procesie wyciskania współbieżnego i przeciwbieżnego przedstawia rys. 16.
Rys.16. Schemat oddziaływania sił tarcia, zmiana siły i prędkości w procesie wyciskania; a) współbieżnego, b) przeciwbieżnego: Vn — prędkość ruchu narzędzia, Vm — prędkość ruchu odkształcanego materiału, F— siła wyciskania
Wpływ tarcia na proces wyciskania Tarcie zewnętrzne, występujące w strefie kontaktu odkształcanego metalu z narzędziem, wywiera istotny wpływ zarówno na sposób płynięcia wyciskanego materiału, jak też i siłę wyciskania. W procesie wyciskania współbieżnego można rozróżnić trzy fazy odkształcania: —fazę I—zbliżoną do procesu spęczania, — fazę II — właściwe wyciskanie, — fazę III — końcowy etap wyciskania. W procesie wyciskania współbieżnego występują bardzo duże opory tarcia: — między odkształcanym metalem a ściankami bocznymi cylindra, — w oczku kształtującym matrycy, — między odkształcanym metalem a stemplem. Ponadto występują także opory tarcia między powierzchnią boczną stempla a ściankami cylindra. W procesie wyciskania przeciwbieżnego materiał przemieszcza się w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu stempla, przy czym w przypadku odpowiedniej konstrukcji narzędzia styk materiału z bocznymi ściankami matrycy jest znacznie ograniczony. W wyniku czego opory tarcia są dużo mniejsze niż przy wyciskaniu współbieżnym.
Ze względu na charakter płynięcia i zasięg stref o ograniczonej odkształcalności rozróżnia się trzy typy wyciskania: — typ I — wyciskanie materiału jednorodnego przy małych oporach tarcia, — typ II - wyciskanie materiału jednorodnego przy stosunkowo dużych oporach tarcia, — typ-III— wyciskanie materiału niejednorodnego przy dużych oporach tarcia. Sposób płynięcia metalu w poszczególnych typach wyciskania ilustruje rys. 17.
Rys.17. Schemat płynięcia metalu w różnych typach wyciskania: a) wyciskanie współbieżne przy małych oporach tarcia, b) wyciskanie współbieżne przy średnich oporach tarcia, c) wyciskanie współbieżne przy dużych oporach tarcia w matrycy z chłodzonymi ściankami zewnętrznymi, d) wyciskanie przeciwbieżne przy małych oporach tarcia
Ważną rolę odgrywają opory tarcia występujące w oczku kalibrującym matrycy. W oczku matrycy występują największe zakłócenia w płynięciu metalu spowodowane: — gwałtowną zmianą przekroju i związaną z tym zmianą (wzrostem) prędkości płynięcia metalu, —znacznym umocnieniem, — obniżeniem temperatury (przy wyciskaniu na gorąco) i pogorszeniem się własności plastycznych metalu. Przy zbyt dużych oporach tarcia w oczku matrycy występuje bardzo duża nierównomierność płynięcia metalu, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Wpływ smaru na zmianę odkształceń w strefie wyjścia materiału z oczka matrycy ilustruje rys. 18.
Rys.18. Wpływ smaru na zmianę odkształcenia w strefie wyjścia materiału z oczka matrycy: a) ze smarem szklanym, b) smar olejowy z wypełniaczem", c) bez smaru
Rys.19. Schemat działania sił tarcia przy wyciskaniu z ruchomą matrycą: a) wyciskanie przeciwbieżne w stałej matrycy, b) wyciskanie przeciwbieżne w ruchomej matrycy, c) wyciskanie złożone w stałej matrycy, d) wyciskanie złożone przy stałym stemplu
Skutki działania sił tarcia Skutki działania sił tarcia w procesie wyciskania należy zaliczyć do ujemnych. Wyrażają się one: — zwiększeniem nierównomierności płynięcia odkształcanego metalu, powodującym powstawanie naprężeń własnych, bądź też do wystąpienia pęknięć powierzchniowych; — powstawaniem wad wewnętrznych wyrobów (rozwarstwień) spowodowanych zbyt dużą nierównomiernością płynięcia; — występowaniem mechanicznych uszkodzeń powierzchni wyrobu (rys, zadrapań itp.) spowodowanych obecnością zendry lub innych zanieczyszczeń; — nadmiernym zużyciem (głównie pękaniem) części roboczych narzędzi; — znacznymi stratami energii i pogorszeniem współczynnika sprawności energetycznej procesu.
Walcowanie Walcowanie - proces obróbki plastycznej na zimno lub na gorąco, w którym materiał kształtuje się przez zgniatanie obracającymi się walcami (tarczami lub rolkami), a więc jest to jeden z niewielu procesów technologicznych, w których narzędzie wykonuje ruch obrotowy. Rozróżnia się następujące zasadnicze rodzaje walcowania: — walcowanie wzdłużne, gdy materiał wykonuje ruch postępowy, — walcowanie okresowe, gdy materiał wykonuje ruch postępowy lub postępowy zwrotny, — walcowanie skośne, gdy materiał wykonuje ruch śrubowy, — walcowanie poprzeczne, gdy materiał wykonuje ruch obrotowy. Największy udział w procesach walcowania ma walcowanie wzdłużne (około 90%).
Rys.20. Rozkład sił w chwili chwytu materiału przez walce: a) metal jest wciągany między walce, b) chwyt metalu jest niemożliwy
Wpływ tarcia na prowadzenie procesu W procesie walcowania wzdłużnego metal jest odkształcany między dwoma walcami o osiach równoległych, obracających się w przeciwnych kierunkach. Kontakt narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter ciągły, z tym, że tylko część powierzchni roboczej walca wchodzi w styk z walcowanym wyrobem. Czynnikiem, który wywiera dodatni wpływ na prowadzenie procesu (w pewnym sensie nawet warunkuje prowadzenie procesu) jest tarcie. W wyniku wywiązujących się w strefie kontaktu sił tarcia metal zostaje wciągany między walce i doznaje odkształceń w kotlinie odkształcenia.
Skutki działania sit tarcia Występowanie oporów tarcia w procesie walcowania jest niezbędne do tego, aby proces mógł być w ogóle realizowany (z uwagi na warunki chwytu), jednak pozostałe skutki oddziaływania sił tarcia w tym procesie są niekorzystne. Występowanie oporów tarcia między odkształcanym metalem, a walcami prowadzi do nierównomierności odkształceń w walcowanym elemencie (taśmach, profilach ciągłych itp.), co daje anizotropię własności, a w niektórych przypadkach powoduje nawet rozwarstwienie walcowanej blachy.
Efektem oddziaływania sił tarcia są defekty i uszkodzenia mechaniczne powierzchni walców, takie jak: —nalepienie odkształcanego materiału, szczególnie przy walcowaniu na gorąco i niedostatecznym smarowaniu, — mikrowykruszenia, — nadmierne zużycie wykrojów walców. W wyniku istnienia oporów tarcia występują uszkodzenia powierzchni walcowanego materiału, powodujące pogorszenie jakości wyrobu, co ma szczególne znaczenie przy walcowaniu bardzo cienkich taśm i folii. Pokonanie oporów tarcia związane jest ze stratami energii, co wymaga zwiększenia mocy walcarek.
Uszkodzenia powierzchni taśmy (lub innego walcowanego profilu) mogą powstać: 1) w czasie podawania taśmy (na rolkach podających lub podajnikach); 2) w czasie procesu walcowania, przy czym uszkodzenia taśmy mogą być spowodowane przez: — nalepiony materiał znajdujący się na walcach, — rozkruszone cząstki zgorzeliny, — zanieczyszczenia znajdujące się w smarze, 3) w czasie nawijania na bęben — ruch względny między nawijaną taśmą a walcem może powodować zerwanie lub inne uszkodzenia powierzchniowe, jeżeli między walcem a taśmą będą się znajdowały twarde produkty oddziałujące ściernie; — nieregularność (niekołowość) zarysu walca powoduje dodatkowe ruchy względne między walcem a taśmą, w wyniku czego powstają miejscowe poszerzenia, zwężenia itp.
Podsumowanie Na podstawie przedstawionej analizy głównych procesów obróbki plastycznej, przeprowadzonej w aspekcie wpływu tarcia na realizację procesu, można wysunąć następujące wnioski. — Z uwagi na stan naprężenia i związany z nim stan odkształcenia, procesów obróbki plastycznej nie można opisać za pomocą jednego prostego modelu. W różnych procesach obróbki plastycznej występują różne, na ogół złożone stany naprężenia, przy czym przeważają procesy technologiczne, w których odkształcany metal znajduje się w trój osiowym stanie naprężeń — głównie ściskających. Ponadto nawet w obrębie tego samego przedmiotu pole naprężeń nie jest jednorodne i cechuje je bardzo złożona struktura. — Występujące na powierzchni styku opory tarcia zewnętrznego hamują swobodne płynięcie odkształcanego metalu, w wyniku czego w objętości odkształcanego elementu można wyróżnić strefy o różnym stopniu odkształcenia.
— Z uwagi na makrogeometrię styku, można wyróżnić procesy obróbki plastycznej, w których stosunek nominalnej powierzchni styku Sn do objętości odkształcanej jest: a) bardzo duży (np. procesy tłoczenia) b) duży (procesy przeciągania) c) średni (pozostałe procesy). We wszystkich procesach obróbki plastycznej występuje styk powierzchniowy. — Ze względu na warunki kinematyczne procesy obróbki plastycznej można podzielić na dwie główne grupy: a) procesy, w których styk narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter ciągły — np. przeciąganie, walcowanie, b) procesy, w których styk narzędzia z odkształcanym metalem ma charakter przerywany (cykliczny) — pozostałe procesy. — Ze względu na rodzaj ruchu względnego odkształcanego metalu po powierzchni narzędzia w procesach obróbki plastycznej dominuje ślizganie z tym jednak, że prawie w każdym procesie technologicznym można wyodrębnić obszary, w których z uwagi na bardzo duże opory tarcia poślizg jest utrudniony i materiał przywiera do powierzchni narzędzia.
— Rozpatrując warunki dynamiczne można rozróżnić: a) procesy, w których obciążenie wywierane na narzędzie jest stałe w czasie trwania procesu, b) procesy, w których obciążenie wywierane na narzędzie jest cyklicznie zmienne; w procesach tych obciążenie przykładane do narzędzia rośnie od O do maksimum i następnie maleje do O, przy czym charakter zmian siły jest zależny od typu zastosowanej maszyny i rodzaju procesu. — Z uwagi na warunki tarcia i wynikający stąd rodzaj tarcia, procesy obróbki plastycznej można podzielić na: a) procesy, w których możliwe jest do zrealizowania tarcie płynne (np. przeciąganie drutów przez ciągadła ciśnieniowe), b) procesy, w których występuje tarcie graniczne lub mieszane (np. tłoczenie, wyciskanie, walcowanie na zimno), c) procesy, w których dominuje tarcie technicznie suche (kucie, walcowanie na gorąco, wyciskanie na gorąco).
— Istnieje ścisła korelacja między warunkami tarcia, a warunkami geometrycznymi, kinematycznymi i dynamicznymi w danym procesie technologicznym, np. kąt chwytu przy walcowaniu jest zależny od kąta tarcia, optymalny kąt ciągadła jest funkcją oporów tarcia przy ciągnieniu. — Prawie w każdym procesie technologicznym można wykazać obszary, w których oddziaływanie sił tarcia jest dodatnie. Należy zatem tak sterować oporami tarcia, aby wyeliminować tarcie tam, gdzie ono jest zbędne i wykorzystać dodatni wpływ tarcia w tych obszarach, gdzie jest ono pożądane. — Mimo korzystnego (dodatniego) wpływu oporów tarcia na realizację niektórych procesów obróbki plastycznej, w każdym procesie technologicznym występują ujemne skutki oddziaływania oporów tarcia sprowadzające się do: a) anizotropii odkształcenia i związanej z tym anizotropii własności wyrobów, a zwłaszcza wystąpienia dużego gradientu naprężeń własnych w warstwie wierzchniej, b) występowania wad powierzchni wyrobów, c) nadmiernego zużycia narzędzi, d) pogorszenia współczynnika sprawności energetycznej procesu.