Technologia procesów przeróbki plastycznej
Teoretyczne podstawy kształtowania plastycznego
Metale poddane działaniu wzrastającego obciążenia, początkowo odkształcają się sprężyście co oznacza, że po odjęciu przyłożonych sił ciało powraca do pierwotnych wymiarów. Odkształcenie sprężyste następuje wskutek przymusowej zmiany odległości między atomami poprzez odchylenie atomów od położenia Równowagi. Przy wzroście sił, gdy naprężenia przez nie wywołane przekroczą wartość granicy plastyczności, metal zaczyna odkształcać się plastycznie. Odkształcenie to jest trwałe i nie zanika po odjęciu sił zewnętrznych. Do mechanizmów wywołujących odkształcenie plastyczne należą (rys. 1.23)
- poślizg dyslokacyjny,
- bliźniakowanie,
- pełzanie dyslokacyjne,
- pełzanie dyfuzyjne,
- poślizg po granicach ziaren.
Udział poszczególnych mechanizmów odkształcenia plastycznego zależy przede wszystkim od temperatury odkształcenia, rodzaju materiału oraz przyłożonego naprężenia. Dla wielu materiałów zostały sporządzone tzw. mapy mechanizmów dkształcenia plastycznego. Rysunek 1.23 przedstawia przykładową mapę mechanizmów odkształcenia dla czystego żelaza wykazującego odmiany alotropowe. Na mapach tych podano zależności przeważającego mechanizmu odkształcenia plastycznego od tzw. temperatury homologicznej tj. stosunku temperatury T do temperatury topnienia metalu Tt w skali bezwzględnej, i naprężenia redukowanego, tj. stosunku rzeczywistego naprężenia a do wartości wskaźnika sprężystości postaciowej G.
Poślizg. Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg (rys. 1.24). Polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje nie zmieniona. Przemieszczenie się dyslokacji podczas poślizgu odbywa się w określonych systemach poślizgu, to znaczy w płaszczyznach poślizgu {hkl} i kierunkach poślizgu (uvw). Płaszczyznami i kierunkami poślizgu są najczęściej płaszczyzny sieciowe i kierunki o najgęstszym ułożeniu atomów. W przypadku zablokowania poślizgu w tych płaszczyznach, poślizg może zachodzić w płaszczyznach o mniej gęstym ułożeniu atomów. Poślizg jest podstawowym mechanizmem odkształcenia polikryształów na zimno. Przypadkowa orientacja krystalograficzna ziaren i blokujące działanie granic ziaren, zwłaszcza szerokokątowych, decydują o jednoczesnym odkształceniu plastycznym w licznych systemach poślizgu, odkształcenie plastyczne polikryształów rozpoczyna się w ziarnach o systemie poślizgu zorientowanym zgodnie z kierunkiem przyłożenia obciążenia, jeszcze przed osiągnięciem makroskopowej granicy plastyczności. Dopiero po osiągnięciu makroskopowej granicy plastyczności, odkształcenie plastyczne następuje we wszystkich ziarnach.
Bliźniakowanie. W przypadku zahamowania poślizgu, zwłaszcza w metalach o sieciach A2 i A3, mechanizmem odkształcenia plastycznego na zimno o dużym znaczeniu może być bliźniakowanie, polegające na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części odkształconej j w taki sposób, że ich regularnej ściennie centrowanej Al [12] struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).
Pełzanie dyslokacyjne. Mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu dla plastycznej przeróbki metali w podwyższonych temperaturach jest pełzanie dyslokacyjne. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie, usuwające częściowo lub niemal całkowicie skutki umocnienia zgniotowego, tj.: zdrowienie dynamiczne i rekrystalizacja dynamiczna. Odkształcenie plastyczne metali na gorąco jest zapoczątkowane, podobnie jak na zimno, przez poślizg dyslokacji w licznych systemach poślizgu. W ślad za poślizgiem przebiegają intensywnie zjawiska aktywowane cieplnie tj. wspinanie dyslokacji i poślizg poprzeczny.
Poślizg poprzeczny polega na zmianie płaszczyzny poślizgu przez dyslokacje śrubowe, pod działaniem dostatecznie dużych naprężeń. Poślizgu poprzecznego mogą doznawać tylko dyslokacje śrubowe wtedy, gdy płaszczyzny poślizgu pierwotnego i porzecznego mają wspólny kierunek poślizgu.
Pełzanie dyfuzyjne. Pełzanie dyfuzyjne i poślizg po granicach ziaren jako mechanizmy odkształcenia plastycznego metali nie są zwykle wykorzystywany podczas przeróbki plastycznej. Występują one natomiast jako niekontrolowane i nie pożądane procesy niszczenia metali, decydujące np. o pełzaniu metali. Wyjątek stanowi tzw. odkształcenie nadplastyczne – wykorzystywane w niektórych przypadkach nawet na skale przemysłową. Przebiega ono w wysokich temperaturach, z bardzo małymi szybkościami odkształcenia, a stopień odkształcenia sięga kilkuset procent.
Pełzanie dyfuzyjne zachodzi w temperaturze homologicznej wyższej od 0,6Ttop. w warunkach niehydrostatycznego stanu naprężenia. Wówczas wskutek oddziaływania składowej normalnej naprężeń występują lokalne różnice potencjału chemicznego wakansów wyrównujące się podczas pełzania dyfuzyjnego. Przepływ wakansów odpowiada dyfuzyjnemu przepływowi masy w odwrotnym kierunku i w rezultacie prowadzi do odkształcenia ziaren przez wydłużenie ich w kierunku rozciągania.
Poślizg po granicach ziaren. Poślizgu po granicach ziaren nie ujęto na mapie mechanizmów odkształcenia plastycznego ze względu na jego ograniczone znaczenie. Poślizg po granicach ziaren polega na przesuwaniu się i obrotach ziaren wzdłuż ich granic szeroko-kątowych. Poślizg po granicach ziaren w polikryształach odkształcanych plastycznie na gorąco jest wyłącznie skutkiem ruchu wzdłuż granic ziaren dyslokacji granic ziaren lub dyslokacji sieciowych.
Procesy przeróbki plastycznej
Kształtowanie plastyczne jest procesem prowadzonym dla osiągnięcia założonego kształtu i wymiarów pasma, zachodzącym pod wpływem przyłożenia zewnętrznych sił odkształcających, wywołujących w metalu określone naprężenia, powodujące przejście metalu w stan plastyczny, jednakże bez zmiany jego gęstości i naruszenia spójności.
Wykonywanie przedmiotów metodami przeróbki (obróbki) plastycznej pozwala nadać im nie tylko odpowiedni i pożądany kształt, ale również wpływać na ich własności użytkowe, które zależą nie tylko od rodzaju przerabianego tworzywa, ale również od technologii i warunków technologicznych prowadzonego procesu plastycznego kształtowania, jak i od zabiegów cieplno-plastycznych prowadzonych podczas tego procesu oraz bezpośrednio po nim, bądź na wykańczalni wyrobów gotowych. Według rodzaju maszyn do przeróbki plastycznej, ich budowy i kinematyki w węzłach mechanicznych oraz kształtu narzędzi roboczych, bezpośrednio wykonujących operację odkształcenia plastycznego, rozróżnia się cztery główne grupy technologicznych procesów przeróbki plastycznej.
WALCOWANIE - polega na zgniataniu materiału przeznaczonego do obróbki pomiędzy obracającymi się walcami lub przesuwającymi się szczękami. Istotą procesu walcowania jest charakterystyczny ruch metalu w kotlinie odkształcenia, wywołany przez aktywne siły tarcia, przekazywane od napędzanego walca lub szczęki. Podstawową maszyną do walcowania jest walcarka. W zależności od kinematyki ruchu narzędzi roboczych i płynięcia metalu w kotlinie odkształcenia rozróżnia się następujące odmiany procesu:
- walcowanie wzdłużne (na gorąco lub na zimno), w którym kierunek płynięcia metalu jest zgodny z kierunkiem wektora obwodowej prędkości walców, których osie są wzajemnie równoległe, a ich kierunek obrotu jest wzajemnie przeciwny;
- walcowanie poprzeczne (na gorąco lub na zimno), w którym metal wykonuje ruch obrotowy, a kierunek jego płynięcia jest prostopadły do kierunku wektora obwodowej prędkości walców, których osie leżą w jednej płaszczyźnie i mają zgodny kierunek obrotów, przy czym zgniatanie realizuje się poprzez zmienną okresowo średnicę beczki, obracających się walców roboczych, tworzących zmienny wykrój, albo poprzez przemieszczanie się metalu w kierunku szczeliny pomiędzy walcami roboczymi;
- walcowanie skośne (na gorąco), w którym wskutek specyficznego kalibrowania beczek walców, wykazujących zgodny kierunek obrotów, jednakże nachylonych, zarówno w płaszczyźnie pionowej (pod kątem zukosowania, przeciwnym dla obu walców), jak i w płaszczyźnie poziomej (pod kątem rozwalcowania, przeciwnym dla obu walców), powstają osiowe składowe aktywnych sił tarcia, wciągające metal w strefę odkształcenia, wskutek czego pasmo jednocześnie wykonuje ruch postępowy - w kierunku osiowym, i obrotowy
- w kierunku obwodowym, wskutek czego zachodzi gniot poprzeczny pasma, ale na drodze zbliżonej do kształtu śrubowego (widocznego na powierzchni zewnętrznej tulei rurowej).
KUCIE - będące metodą plastycznego kształtowania metalu na gorąco, zachodzącego pod uderzeniem lub naciskiem narzędzia roboczego. Ze względu na charakter ruchu roboczego narzędzia odkształcającego, wywołującego określony charakter płynięcia metalu, maszyny kuźnicze dzieli się na: młoty, prasy i walcarki kuźnicze. Z uwagi na rodzaj ruchu postępowego, wykonywanego przez narzędzie robocze, wyróżnia się:
- młotowanie, w którym kształtowanie plastyczne ma charakter dynamiczny - dzięki energii zmagazynowanej w bijaku młota, przy czym elementem bezpośrednio uderzającym w metal jest kowadło lub matryca;
- prasowanie, w którym kształtowanie zachodzi statycznie pod naciskiem stempla prasy, do którego zamontowano kowadło lub matrycę. Ze względu na kształt narzędzi roboczych i związane z tym ograniczenie swobody płynięcia metalu w obszarze odkształcenia procesy kucia dzieli się na:
- kucie swobodne, w którym metal kształtuje się między równoległymi kowadłami – płaskimi lub kształtowymi, nie odpowiadającymi założonemu kształtowi kutego wyrobu, lecz częściowo ograniczającymi jego swobodne płynięcie w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu narzędzia roboczego;
- kucie matrycowe, w którym metal kształtuje się między matrycami (otwartymi lub zamkniętymi) o wykrojach, odpowiadających kształtowanej przedkuwce lub odkuwce, jednakże całkowicie ograniczających jego płynięcie poprzeczne, które ma dodatkowo zapewnić jego pełne i prawidłowe wypełnienie;
- wyciskanie, w którym kształtowanie polega na wypływie metalu - poddanego ściskaniu w zamkniętej przestrzeni pojemnika, będącego pod działaniem stempla roboczego, przez oczko matrycy, o kształcie ściśle odpowiadającym przekrojowi poprzecznemu wyrobu. Ze względu na kierunek płynięcia metalu względem ruchu stempla rozróżnia się: wyciskanie współbieżne (ruch zgodny) lub wyciskanie przeciwbieżne (ruch przeciwny).
CIĄGNIENIE - będące metodą plastycznego kształtowania metalu (na ogół na zimno), w którym odkształcenie plastyczne następuje w wyniku działania osiowej siły ciągnącej, wywieranej przez ciągarkę, i obwodowych sił ściskających, wywieranych przez ciągadło, o kształcie oczka, odpowiadającego profilowi wytwarzanego wyrobu: pełnego lub z otworem. Ruch postępowy mechanizmu ciągnącego jest zgodny z ruchem odkształcanego metalu.
Maszyną do ciągnienia jest ciągarka, składająca się z ciągadła oraz mechanizmu ciągnącego, o różnej konstrukcji.
W przypadku ciągnienia rur, wewnętrznym narzędziem odkształcającym może być korek lub trzpień, dodatkowo wywierający wpływ na zmianę średnicy wewnętrznej. W związku z czym rozróżnia się następujące technologie ciągnienia rur:
- ciągnienie swobodne (na pusto);
- ciągnienie na korku (pływającym lub stałym);
- ciągnienie na trzpieniu (długim).
TŁOCZENIE - obejmuje sposoby przeróbki plastycznej blach, taśm i folii (głównie na zimno), polegające na kształtowaniu ich w przestrzenne wyroby typu: powłok blaszanych, kształtowników giętych - otwartych lub ze szwem, i innych. Przy projektowaniu tego typu kształtowania plastycznego należy znać zarówno tłoczność, jak i własności sprężyste blach. Tłoczenie obejmuje szeroką gamę zabiegów i czynności tłoczenia w zakresie procesów technologicznych, różniących się sposobem działania sił, rodzajem zmiany kształtu oraz stosowanymi urządzeniami i narzędziami. Jest to technologia szczególnie szybko rozwijająca się w świecie i wykazująca znaczny postęp technologiczny.
Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z.: Obróbka plastyczna. Warszawa, PWN 1981
Praca zbiorowa pod redakcją DR HAB. INŻ. J. Sińczak, „Procesy przeróbki plastycznej”, AKAPIT 2001
Obecnie jest tworzona treśc tel zakładki.