pobieranie: 01_Speczanie
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: OBRÓBKA PLASTYCZNA ĆWICZENIA LABORATORYJNE Ćwiczenie nr 1 SPĘCZANIE. WYZNACZANIE GRANICZNEGO WSKAŹNIKA ODKSZTAŁCENIA PRZY SPĘCZANIU I. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest: − określenie plastycznej odkształcalności materiałów w operacjach spęczania, − poznanie przebiegu procesu spęczania, − analiza wpływu różnych czynników na proces spęczania, − wyznaczenie wskaźnika odkształcenia w chwili pękania w próbie spęczania. II. Wiadomości teoretyczne 1. Przebieg procesu spęczania Przebieg procesu spęczania określony stanem naprężeń o odkształceń zależy od: − sposobu spęczania, − kształtu przedmiotu spęczanego, − prędkości odkształcenia, − warunków tarcia. Najprostszym przypadkiem jest spęczanie między płaskimi płytami o równoległych powierzchniach roboczych prętów o małej smukłości. Jeśli nie uwzględni się zjawiska tarcia występującego na stykających się ze sobą powierzchniach płyty i spęczanego materiału to odkształcenie jest jednorodne i wraz ze zmniejszeniem się wysokości h, zwiększa się średnica d oraz zachowany zostaje kształt walcowy przedmiotu (rys. 1a). Nacisk jednostkowy na całej powierzchni styku płyty i materiału jest stały i równa się naprężeniu uplastyczniającemu.
a) b)
Rys. 1. Spęczanie pręta między płytami: a – bez tarcia, b – z uwzględnieniem tarcia.
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne 1
W rzeczywistym procesie spęczania, występujące na powierzchni styku płyty i materiału odkształcanego tarcie, przeciwdziała odkształceniu. W rezultacie zmienia się kształt przedmiotu spęczanego i rozkład nacisków jednostkowych (rys. 1b). W przekroju równoległym do kierunku ruchu narzędzia można w elemencie spęczanym wyodrębnić następujące obszary charakterystyczne /rys. 1/: A – dwa stożki przylegające podstawami do obu powierzchni narzędzia. W obszarze tym materiał przemieszcza się razem z narzędziem nie doznając odkształceń plastycznych, B – obszar intensywnego odkształcenia plastycznego. W obszarze tym materiał przemieszcza się w kierunku na zewnątrz, C – zewnętrzny pierścień, który opasuje obszar B. W wyniku działania stożków A stożków A w obszarze C występują znaczne naprężenia rozciągające. Podczas spęczania w matrycach, siły tarcia występują nie tylko na czołowych powierzchniach narzędzi, ale również na ich powierzchniach bocznych. Ponieważ kierunek działania sił tarcia jest przeciwny do kierunku przemieszczania się materiału, siły te utrudniają dokładne wypełnianie zagłębień i naroży matrycy. Wypełnienie tych miejsc wymaga działania odpowiednio większych nacisków jednostkowych. 2. Wpływ prędkości odkształcania na przebieg procesu spęczania Wzrost prędkości odkształcania powoduje: − wzrost naprężeń uplastyczniających σ p , − wzrost temperatury odkształcanego materiału. Zjawisko to należy uwzględnić przy spęczaniu na zimno na prasach szybkobieżnych, zwłaszcza przy obróbce stali, dla której w zakresie temperatur tzw. kruchości na niebiesko, opór odkształcenie wzrasta. W przypadku obróbki plastycznej na gorąco, nawet przy dużych prędkościach odkształcenie np. przy kuciu na młotach, obniżeniu temperatury gorącego wsadu wskutek przewodnictwa i promieniowania jest znacznie większe niż przyrost temperatury wywołany odkształceniem z dużą prędkością, − niejednakowe wypełnienie górnej i dolnej matrycy. Już podczas kucia matrycowego na młotach w momencie zetknięcia się górnej matrycy mającej dużą prędkość z nieruchomym materiałem, zostaje mu nadane odpowiednie przyspieszenie. Powstają wówczas siły bezwładności, skierowane przeciwnie do kierunku ruchu matrycy ułatwiają jej wypełnienie. 3. Zjawiska ograniczające proces spęczania Przebieg procesu spęczania może być zakłócony lub uniemożliwiony przez następujące zjawiska: − pękanie plastyczne materiału występujące w czasie jego odkształcenia. W przypadku osiowo – symetrycznego ściskania pękanie materiału występuje na zewnętrznej powierzchni i wiąże się ze wzrostem średnicy kształtowanej części (rys. 2). Miara pewności, że pęknięcie nie wystąpi może być graniczna oraz rzeczywista wartość stosunku średnicy końcowej d 0
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne 2
początkowej d/d 0 . Współczynnik pewności Np., z uwagi na to zjawisko, może być zdefiniowane jako:
⎛ d ⎜ ⎜d ⎝ 0 ⎛ d ⎜ ⎜d ⎝ 0 b) ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ gr
Np =
⎞ ⎟ ⎟ ⎠ rzecz.
>1
/1/
a)
Rys. 2. Wady przedmiotów spęczanych: a) wyboczenie, b) pęknięcie
Pękanie materiału podczas spęczania spowodowane jest pojawieniem się obwodowych naprężeń rozciągających, a wartość stosunku (d/d 0 ) gr zależy od rodzaju i stanu odkształcanego materiału. Największe dopuszczalne wartości stosunku d/d 0 dla spęczania na zimno podane są w tabeli nr 1.
Tabela nr 1 Dopuszczalne odkształcenia przy spęczaniu na zimno h h φ = ln 0 εh = 1 – 0 100% Materiał h h
⎛ d ⎜ ⎜d ⎝ 0
⎞ ⎟ gr ⎟ ⎠
stal 10,15 stal 25 stal 55, 40H stal 16HG, 2H13 stal ŁH15 stal NC6 Al, Cu
1,75 – 2,0 1,38 1,18 1,38 – 1,58 1,28 0,94 1,98 – 2,20
84 – 86 75 69 75 – 79 72 61 86 - 89
2,4 – 2,7 2,0 1,8 2,0 – 2,2 1,9 1,6 2,7 – 3,0
− utrata stateczności procesu odkształcenia wyrażająca się w operacjach spęczania wyboczeniem (rys. 2a). Aby podczas spęczania uniknąć plastycznego wyboczenia przedmiotu, jego początkowa wysokość h o nie powinna przekraczać 1,5 – 1,8 d o. Duży wpływ na graniczną wartość stosunku ho /d o ma dokładnie cięcie pręta (prostopadłe do osi) oraz właściwe prowadzenie narzędzi, eliminujące przesunięcie poprzeczne. Krótkie odcinki pręta spęczane na gorąco o powierzchniach czołowych prostopadłych do osi mogą mieć nawet długość h o = 1,5 d o .
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne 3
Kształtowanie łbów o dużych wymiarach w porównaniu ze średnica pręta może wymagać spęczania odcinka o długości h o > 2,3 d o . W takich przypadkach nie jest możliwe wykonanie łba w jednej operacji i zachodzi konieczność stosowania jednej lub nawet kilku operacji wstępnego spęczania. − natychmiastowe lub zmęczeniowe zniszczenie narzędzia spowodowane naciskiem jednostkowym wywieranym na jego powierzchnie. Kryterium bezpieczeństwa narzędzia można zapisać jako:
Nn= Pgr Pmax >1
/2/
gdzie: N n – ws półczynnik pewności z uwagi na możliwość zniszczenia narzędzia, P gr – nacisk jaki jest w stanie przenieść narzędzie, P max – maksymalny nacisk występujący w danej operacji. 4. Wyznaczanie wskaźnika odkształcenia pręta w operacjach spęczania. Wskaźnik odkształcenia pręta w operacjach spęczania jest określony stosunkiem:
S= d do
/3/
gdzie : d – końcowa średnica odkształcanego pręta wyznaczona w momencie pękania materiału, d 0 – początkowa średnica spęczania pręta.
Próbki mają kształt walców o stosunku wysokości do średnicy h 0 /d 0 = 1,4. Powierzchnie próbek są tłoczone. Spęczanie próbki prowadzi się etapami. Po każdym etapie obserwuje się boczną powierzchnię próbki celem wykrycia pęknięcia. Ujawnienie pęknięcia oznacza zakończenie próby. Miarą przydatności badanego materiału do spęczania jest wartość wskaźnika S wyznaczona z zależności /3/.
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne
4
Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest określenie plastycznej odkształcalności materiałów w operacjach spęczania, zaś zakres ćwiczenia obejmuje wyznaczenie wskaźnika odkształcenia S w chwili pękania w próbie spęczania. III. Przebieg ćwiczenia 1. Próbki Do próby spęczania stosuje się próbki toczone o wymiarach Ø 12× 168 z różnych gat. stali np. 10, 55 , szybkotnąca oraz ŁH15. Do wykonania próby spęczania wykorzystuje się: − maszynę wytrzymałościową ZD – 100 − czujnik zegarowy ze statywem 2. Wykonanie ćwiczenia Przed przystąpieniem do wykonania próby spęczania należy zmierzyć wysokość (z dokładnością do 0,1 mm) i średnicę (z dokładnością 0,1 mm) próbki. Pomiary średnicy należy wykonać w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Próbę spęcznia przeprowadza się etapami. Polega to na tym, że próbkę spęcza się zmniejszając jej wysokość o h = 1 mm w każdym etapie. Pomiar wielkości spęczania dokonuje się czujnikiem zegarowym nastawionym w stojaku na stole maszyny wytrzymałościowej. Notować wielkości siły spęczającej w funkcji wysokości próbki. Po każdym kolejnym etapie obserwuje się boczną powierzchnie próbki. Jeżeli pęknięcia nie zaobserwowano, należy spęczać próbkę w etapie kolejnym. Stwierdzenie obecności pęknięcia oznacza zakończenie próby. Po zakończeniu próby należy zmierzyć średnice próbki d na wysokości pęknięcia w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach (rys. 3) z dokładnością 0,1 mm oraz wysokość próbki h z dokładnością 0,1 mm.
Rys. 3. Schemat sposobu pomiaru próbki po spęczaniu.
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne
5
III. Analiza wyników Wyniki pomiarów zapisać w tabeli pomiarowej.
Tabela pomiarowa
Materiał
P [N]
σ [MPa]
Wymiary próbki dśr h d [mm] [mm] [mm]
S
ε [%]
φ
Uwagi
Z pr zeprowadzonego ć wiczenia należy wykonać sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − krótki opis przebiegu ćwiczenia, − charakterystykę materiałów z których były wykonane próbki skład chemiczny, stan technologiczny, − tabelę pomiarów wraz z obliczeniami, − wykres σ = f (ε) dla każdej próbki, − wnioski . Literatura: 1. Wyrzykowski, E. Pleszakow, I. Sieniawski – Odkształcanie i pękanie metali WNT W–wa,1999 2. PN – 57/H-04320 – Próba statyczna ściskania metali
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne
6
01_Speczanie
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: OBRÓBKA PLASTYCZNA ĆWICZENIA LABORATORYJNE Ćwiczenie nr 1 SPĘCZANIE. WYZNACZANIE GRANICZNEGO WSKAŹNIKA ODKSZTAŁCENIA PRZY SPĘCZANIU I. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest: − określenie plastycznej odkształcalności materiałów w operacjach spęczania, − poznanie przebiegu procesu spęczania, − analiza wpływu różnych czynników na proces spęczania, − wyznaczenie wskaźnika odkształcenia w chwili pękania w próbie spęczania. II. Wiadomości teoretyczne 1. Przebieg procesu spęczania Przebieg procesu spęczania określony stanem naprężeń o odkształceń zależy od: − sposobu spęczania, − kształtu przedmiotu spęczanego, − prędkości odkształcenia, − warunków tarcia. Najprostszym przypadkiem jest spęczanie między płaskimi płytami o równoległych powierzchniach roboczych prętów o małej smukłości. Jeśli nie uwzględni się zjawiska tarcia występującego na stykających się ze sobą powierzchniach płyty i spęczanego materiału to odkształcenie jest jednorodne i wraz ze zmniejszeniem się wysokości h, zwiększa się średnica d oraz zachowany zostaje kształt walcowy przedmiotu (rys. 1a). Nacisk jednostkowy na całej powierzchni styku płyty i materiału jest stały i równa się naprężeniu uplastyczniającemu.
a) b)
Rys. 1. Spęczanie pręta między płytami: a – bez tarcia, b – z uwzględnieniem tarcia.
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne 1
W rzeczywistym procesie spęczania, występujące na powierzchni styku płyty i materiału odkształcanego tarcie, przeciwdziała odkształceniu. W rezultacie zmienia się kształt przedmiotu spęczanego i rozkład nacisków jednostkowych (rys. 1b). W przekroju równoległym do kierunku ruchu narzędzia można w elemencie spęczanym wyodrębnić następujące obszary charakterystyczne /rys. 1/: A – dwa stożki przylegające podstawami do obu powierzchni narzędzia. W obszarze tym materiał przemieszcza się razem z narzędziem nie doznając odkształceń plastycznych, B – obszar intensywnego odkształcenia plastycznego. W obszarze tym materiał przemieszcza się w kierunku na zewnątrz, C – zewnętrzny pierścień, który opasuje obszar B. W wyniku działania stożków A stożków A w obszarze C występują znaczne naprężenia rozciągające. Podczas spęczania w matrycach, siły tarcia występują nie tylko na czołowych powierzchniach narzędzi, ale również na ich powierzchniach bocznych. Ponieważ kierunek działania sił tarcia jest przeciwny do kierunku przemieszczania się materiału, siły te utrudniają dokładne wypełnianie zagłębień i naroży matrycy. Wypełnienie tych miejsc wymaga działania odpowiednio większych nacisków jednostkowych. 2. Wpływ prędkości odkształcania na przebieg procesu spęczania Wzrost prędkości odkształcania powoduje: − wzrost naprężeń uplastyczniających σ p , − wzrost temperatury odkształcanego materiału. Zjawisko to należy uwzględnić przy spęczaniu na zimno na prasach szybkobieżnych, zwłaszcza przy obróbce stali, dla której w zakresie temperatur tzw. kruchości na niebiesko, opór odkształcenie wzrasta. W przypadku obróbki plastycznej na gorąco, nawet przy dużych prędkościach odkształcenie np. przy kuciu na młotach, obniżeniu temperatury gorącego wsadu wskutek przewodnictwa i promieniowania jest znacznie większe niż przyrost temperatury wywołany odkształceniem z dużą prędkością, − niejednakowe wypełnienie górnej i dolnej matrycy. Już podczas kucia matrycowego na młotach w momencie zetknięcia się górnej matrycy mającej dużą prędkość z nieruchomym materiałem, zostaje mu nadane odpowiednie przyspieszenie. Powstają wówczas siły bezwładności, skierowane przeciwnie do kierunku ruchu matrycy ułatwiają jej wypełnienie. 3. Zjawiska ograniczające proces spęczania Przebieg procesu spęczania może być zakłócony lub uniemożliwiony przez następujące zjawiska: − pękanie plastyczne materiału występujące w czasie jego odkształcenia. W przypadku osiowo – symetrycznego ściskania pękanie materiału występuje na zewnętrznej powierzchni i wiąże się ze wzrostem średnicy kształtowanej części (rys. 2). Miara pewności, że pęknięcie nie wystąpi może być graniczna oraz rzeczywista wartość stosunku średnicy końcowej d 0
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne 2
początkowej d/d 0 . Współczynnik pewności Np., z uwagi na to zjawisko, może być zdefiniowane jako:
⎛ d ⎜ ⎜d ⎝ 0 ⎛ d ⎜ ⎜d ⎝ 0 b) ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ gr
Np =
⎞ ⎟ ⎟ ⎠ rzecz.
>1
/1/
a)
Rys. 2. Wady przedmiotów spęczanych: a) wyboczenie, b) pęknięcie
Pękanie materiału podczas spęczania spowodowane jest pojawieniem się obwodowych naprężeń rozciągających, a wartość stosunku (d/d 0 ) gr zależy od rodzaju i stanu odkształcanego materiału. Największe dopuszczalne wartości stosunku d/d 0 dla spęczania na zimno podane są w tabeli nr 1.
Tabela nr 1 Dopuszczalne odkształcenia przy spęczaniu na zimno h h φ = ln 0 εh = 1 – 0 100% Materiał h h
⎛ d ⎜ ⎜d ⎝ 0
⎞ ⎟ gr ⎟ ⎠
stal 10,15 stal 25 stal 55, 40H stal 16HG, 2H13 stal ŁH15 stal NC6 Al, Cu
1,75 – 2,0 1,38 1,18 1,38 – 1,58 1,28 0,94 1,98 – 2,20
84 – 86 75 69 75 – 79 72 61 86 - 89
2,4 – 2,7 2,0 1,8 2,0 – 2,2 1,9 1,6 2,7 – 3,0
− utrata stateczności procesu odkształcenia wyrażająca się w operacjach spęczania wyboczeniem (rys. 2a). Aby podczas spęczania uniknąć plastycznego wyboczenia przedmiotu, jego początkowa wysokość h o nie powinna przekraczać 1,5 – 1,8 d o. Duży wpływ na graniczną wartość stosunku ho /d o ma dokładnie cięcie pręta (prostopadłe do osi) oraz właściwe prowadzenie narzędzi, eliminujące przesunięcie poprzeczne. Krótkie odcinki pręta spęczane na gorąco o powierzchniach czołowych prostopadłych do osi mogą mieć nawet długość h o = 1,5 d o .
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne 3
Kształtowanie łbów o dużych wymiarach w porównaniu ze średnica pręta może wymagać spęczania odcinka o długości h o > 2,3 d o . W takich przypadkach nie jest możliwe wykonanie łba w jednej operacji i zachodzi konieczność stosowania jednej lub nawet kilku operacji wstępnego spęczania. − natychmiastowe lub zmęczeniowe zniszczenie narzędzia spowodowane naciskiem jednostkowym wywieranym na jego powierzchnie. Kryterium bezpieczeństwa narzędzia można zapisać jako:
Nn= Pgr Pmax >1
/2/
gdzie: N n – ws półczynnik pewności z uwagi na możliwość zniszczenia narzędzia, P gr – nacisk jaki jest w stanie przenieść narzędzie, P max – maksymalny nacisk występujący w danej operacji. 4. Wyznaczanie wskaźnika odkształcenia pręta w operacjach spęczania. Wskaźnik odkształcenia pręta w operacjach spęczania jest określony stosunkiem:
S= d do
/3/
gdzie : d – końcowa średnica odkształcanego pręta wyznaczona w momencie pękania materiału, d 0 – początkowa średnica spęczania pręta.
Próbki mają kształt walców o stosunku wysokości do średnicy h 0 /d 0 = 1,4. Powierzchnie próbek są tłoczone. Spęczanie próbki prowadzi się etapami. Po każdym etapie obserwuje się boczną powierzchnię próbki celem wykrycia pęknięcia. Ujawnienie pęknięcia oznacza zakończenie próby. Miarą przydatności badanego materiału do spęczania jest wartość wskaźnika S wyznaczona z zależności /3/.
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne
4
Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest określenie plastycznej odkształcalności materiałów w operacjach spęczania, zaś zakres ćwiczenia obejmuje wyznaczenie wskaźnika odkształcenia S w chwili pękania w próbie spęczania. III. Przebieg ćwiczenia 1. Próbki Do próby spęczania stosuje się próbki toczone o wymiarach Ø 12× 168 z różnych gat. stali np. 10, 55 , szybkotnąca oraz ŁH15. Do wykonania próby spęczania wykorzystuje się: − maszynę wytrzymałościową ZD – 100 − czujnik zegarowy ze statywem 2. Wykonanie ćwiczenia Przed przystąpieniem do wykonania próby spęczania należy zmierzyć wysokość (z dokładnością do 0,1 mm) i średnicę (z dokładnością 0,1 mm) próbki. Pomiary średnicy należy wykonać w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Próbę spęcznia przeprowadza się etapami. Polega to na tym, że próbkę spęcza się zmniejszając jej wysokość o h = 1 mm w każdym etapie. Pomiar wielkości spęczania dokonuje się czujnikiem zegarowym nastawionym w stojaku na stole maszyny wytrzymałościowej. Notować wielkości siły spęczającej w funkcji wysokości próbki. Po każdym kolejnym etapie obserwuje się boczną powierzchnie próbki. Jeżeli pęknięcia nie zaobserwowano, należy spęczać próbkę w etapie kolejnym. Stwierdzenie obecności pęknięcia oznacza zakończenie próby. Po zakończeniu próby należy zmierzyć średnice próbki d na wysokości pęknięcia w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach (rys. 3) z dokładnością 0,1 mm oraz wysokość próbki h z dokładnością 0,1 mm.
Rys. 3. Schemat sposobu pomiaru próbki po spęczaniu.
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne
5
III. Analiza wyników Wyniki pomiarów zapisać w tabeli pomiarowej.
Tabela pomiarowa
Materiał
P [N]
σ [MPa]
Wymiary próbki dśr h d [mm] [mm] [mm]
S
ε [%]
φ
Uwagi
Z pr zeprowadzonego ć wiczenia należy wykonać sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − krótki opis przebiegu ćwiczenia, − charakterystykę materiałów z których były wykonane próbki skład chemiczny, stan technologiczny, − tabelę pomiarów wraz z obliczeniami, − wykres σ = f (ε) dla każdej próbki, − wnioski . Literatura: 1. Wyrzykowski, E. Pleszakow, I. Sieniawski – Odkształcanie i pękanie metali WNT W–wa,1999 2. PN – 57/H-04320 – Próba statyczna ściskania metali
OBRÓBKA PLASTYCZNA – ćwiczenia laboratoryjne
6
