Konstrukcja matryc składanych.pdf

792

MECHANIK NR 10/2008

Konstrukcja matryc składanych

do kucia bezwypływkowego na prasach śrubowych

PIOTR SKUBISZ

JAN SIŃCZAK *

Przedstawiono innowacyjne rozwiązania narzędzi do ku-

cia dokładnego metodą bezwypływkową. Układy matryc

z podwójnym zamknięciem i kompensacją nadmiaru ma-

teriału na długości odkuwki oraz układ działający na

zasadzie zrównoważonych ciśnień pozwalają kształtować

odkuwki symetryczne (lub częściowo symetryczne).

Odpowiednia konstrukcja matryc z ruchomymi wkład-

kami oraz dobór prędkości poszczególnych narzędzi, jak

również wartości przeciwnacisków wywieranych przez

elementy matryc składanych zapewniają zwiększenie pla-

styczności materiału i umożliwiają kucie bezwypływkowe

w jednej operacji. Pozwala to wytwarzać odkuwki o kształ-

cie porównywalnym z uzyskiwanymi na urządzeniach

wielooperacyjnych typu Hatebur i eliminuje obróbkę skra-

waniem do niezbędnego minimum.

Dążenia do poprawy ekonomiczności procesów kucia

oraz jakości wyrobów kutych sprawia, że konwencjonalne

procesy kucia w coraz większym stopniu zastępowane są

kuciem dokładnym (z wypływką lub bez wypływki). Uzys-

kiwanie odkuwek charakteryzujących się wysokim współ-

czynnikiem kształtu, definiowanym jako stosunek powie-

rzchni do objętości, w procesach kucia w matrycach

otwartych wymaga zastosowania wielu naddatków. Są to

naddatki na obróbkę skrawaniem, skosy matrycowe, den-

ko, zaokrąglenia naroży, naddatki technologiczne umoż-

liwiające kucie części geometrycznych, takich jak: wkłęs-

łości lub podcięcia, wąskie szczeliny i otwory oraz wypły-

wki [1]. Jak wynika z porównania tradycyjnych technologii

kucia z kuciem precyzyjnym (rys. 1), naddatki techno-

[1, 4]. Ma to duże znaczenie zwłaszcza dla odkuwek,

które produkuje się w dużych seriach (np. śrubki, nakrę-

tki, elementy armatury).

W związku z małymi promieniami zaokrągleń naroży,

uzyskanie kształtu odkuwki bliskiego kształtowi wyrobu

finalnego w procesie kucia precyzyjnego wiąże się z zape-

wnieniem odpowiedniej plastyczności wsadu oraz odpo-

wiedniego schematu płynięcia odkształcanego metalu.

Wskutek zmniejszenia promieni zaokrągleń krawędzi we-

wnętrznych wypełnienie wykroju jest utrudnione; z kolei

małe wartości promieni zewnętrznych mogą być przyczyną

defektów w postaci zakuć lub podłamów [5]. Z tych wzglę-

dów kucie precyzyjne na ogół realizuje się w kilku wy-

krojach. Wysoka wydajność jest zapewniana przez za-

stosowanie szybkobieżnych pras mechanicznych lub agre-

gatów, np. na horyzontalnych prasach wielowykrojowych,

osiągających szybkość do 200 uderzeń na minutę [6].

W artykule przedstawiono nowe rozwiązania bezwyp-

ływkowego kucia odkuwek o złożonym kształcie w proce-

sie jednooperacyjnym dotyczące:

kucia w układzie z podwójnym zamknięciem matryc

wraz z kompensacją nadmiaru materiału na długości

odkuwki;

technologii

kucia

bezwypływkowego

zasadzie

zrównoważonych ciśnień.

Wspólną cechą tych technologii jest optymalne wyko-

rzystanie materiału wsadowego, przez co możliwe jest

wytwarzanie gotowych elementów podczas jednej opera-

cji kucia. Rozwiązania te pozwoliły na zminimalizowanie

liczby operacji technologicznych, ograniczając obróbkę

skrawaniem do niezbędnych zabiegów, np. gwintowania

lub wiercenia otworów. Odpowiednia konstrukcja matryc

z ruchomymi wkładkami pozwala na wykonanie odkuwek

o skomplikowanych kształtach, w tym odkuwek z cienkimi

ściankami bez pochyleń, co w tradycyjnej technologii jest

trudno osiągalne. Przykłady odkuwek wykonywanych za

pomocą omówionych metod kucia bezwypływkowego po-

kazano na rys. 2.

Rys. 1. Naddatki stosowane podczas kucia: a) w matrycach zamknię-

tych z kompensatorem w obszarze zamka, b) przedstawionymi meto-

dami kucia bezwypływkowego, c) kształt finalny wyrobu gotowego

Rys. 2. Przykłady odkuwek uzyskiwanych przedstawionymi metoda-

mi kucia bezwypływkowego [6]

logiczne (kolor czerwony) wraz z wypływką obniżają

uzysk kuźniczy nawet o kilkadziesiąt procent [2]. Za-

stosowanie odpowiedniej technologii kucia umożliwia wy-

eliminowanie wielu naddatków, których obecność w tra-

dycyjnych procesach kucia w matrycach otwartych jest

nieunikniona, nawet w przypadku relatywnie prostych

kształtów [3]. W przypadku bardziej złożonych wyrobów

– zawierających usztywnienia, wąskie wnęki lub pod-

cięcia – oszczędności materiałowe są jeszcze większe

Założenia konstrukcji matryc

do kucia bezwypływkowego

Jednym z podstawowych problemów kucia precyzyj-

nego w procesach bezwypływkowych jest bardzo dokład-

na kontrola objętości wsadu do kucia, który powinien

mieć objętość odpowiadającą objętości odkuwki. Brak

wypływki, która w konwencjonalnych procesach kucia

matrycowego stanowi magazyn nadmiaru materiału, pro-

wadzi w procesie kucia bezwypływkowego do powsta-

wania wysokich naprężeń ściskających w odkształcanym

* Dr inż. PIOTR SKUBISZ, dr hab. inż. JAN SIŃCZAK – Wydział

Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hut-

niczej w Krakowie.

794

MECHANIK NR 10/2008

materiale, czego konsekwencją jest nadmierne obciąże-

nie narzędzi.

W przypadku przedstawionej technologii kucia z po-

dwójnym zamknięciem matryc, a także technologii kucia

bezwypływkowego na zasadzie zrównoważonych ciśnień

nadmiar materiału (różnica objętości pomiędzy wsadem

a odkuwką) jest kompensowany zależnie od kształtu

odkuwki – jej wysokością lub głębokością otworu. Spo-

soby kompensowania nadmiaru materiału zostały przed-

stawione na rys. 3. Rys. 3 a przedstawia sposób kompen-

sowania materiału długością odkuwki (stała grubość den-

ka), natomiast rys. 3 b – głębokością otworu (stała wyso-

kość odkuwki).

stwień lub pęknięć w wyniku działania naprężeń ścis-

kających. Odpowiednio dobrana wartość przeciwnacisku

pozwala wyeliminować wady związane z płynięciem me-

talu oraz wypełnić obszary wykroju trudno zapełniające

się metalem.

W zależności od sposobu kompensacji nadmiaru mate-

riału, pozostałe narzędzia (kompensator, stempel) mogą

być podtrzymywane hydraulicznie lub sztywno połączone

z korpusem prasy. Praktyczne rozwiązania mogą być

różne i zależą od kształtu odkuwki. Od kształtu odkuwki

zależy również wybór sposobu kompensacji nadmiaru

metalu.

Kontrola parametrów kinematycznych procesu kucia

Powodzenie kucia bezwypływkowego w układzie wielo-

narzędziowym, w przeciwieństwie do typowych procesów

kucia bezwypływkowego, nie zależy tylko od dokładnego

doboru masy wsadu do kucia. Aby zapewnić optymalny

schemat płynięcia metalu, prędkości narzędzi, wartość

nacisków i przeciwnacisków kompensatora oraz jego po-

łożenie muszą być ściśle określone i kontrolowane w

całym cyklu odkształcania. Stąd przedstawiona technika

kucia z tzw. podwójnym zamknięciem matryc oraz wyko-

rzystująca zasadę zrównoważonych ciśnień wymaga do-

kładnego sterowania parametrami procesu kucia.

Schematyczne przedstawienie parametrów, które pod-

legają dokładnej kontroli oraz monitoringowi podczas ku-

cia, przedstawiono na rys. 5. Nieodpowiedni dobór sił

podtrzymania lub prędkości narzędzi może być przyczyną

defektów w odkuwkach lub prowadzić do przeciążenia

maszyny i narzędzi.

Rys. 3. Sposoby kompensacji nadmiaru materiału: a) długością od-

kuwki, b ) głębokością otworu

Idea precyzyjnego kucia bezwypływkowego polega na

wymuszeniu drogi odkształcenia plastycznego w taki spo-

sób, aby w pierwszej fazie kucia następowało całkowi-

te wypełnienie wykroju, a następnie płynięcie materiału

w obszarze kompensatora. Tym samym proces odkształ-

cania plastycznego odbywa się w całkowicie zamkniętych

matrycach, co powoduje wytworzenie stanu trójosiowego

ściskania. Ten korzystny stan naprężeń zwiększa plas-

tyczność materiału, pozwalając nadawać częściom w jed-

nej operacji kucia skomplikowane kształty, porównywalne

z kształtami uzyskiwanymi na urządzeniach wieloopera-

cyjnych typu Hatebur.

Ogólny schemat konstrukcji narzędzi pokazano na

rys. 4. Rys. 4 a przedstawia narzędzia do kucia bezwyp-

ływkowego z kompensacją nadmiaru materiału na długo-

ści odkuwki, natomiast rys. 4 b– z kompensacją nadmiaru

materiału na głębokości odkuwki. Hydrauliczne podtrzy-

manie matrycy dolnej pewną siłą F 1 , która uniemożliwia

rozdzielenie matryc podczas kucia, gwarantuje odkształ-

canie plastyczne w całkowicie zamkniętych matrycach.

Przeciwnacisk F 2 wywierany przez kompensator powodu-

je zwiększenie stopnia zamknięcia przestrzeni swobod-

nej, zapewniając wprowadzenie składowych hydrostaty-

cznych stanu naprężenia. W przypadku złożonych kształ-

tów odkuwek zamknięcie przestrzeni odkształcenia meta-

lu zapobiega tworzeniu się zakuć, jak również rozwar-

Rys. 5. Parametry mierzone w czasie

kucia: v 1 – prędkość matrycy górnej, v 2

– prędkość matrycy dolnej, v 3 – pręd-

kość kompensatora wewnętrznego, F 1 –

siła podtrzymania matrycy dolnej, F 2 –

siła

podtrzymania

kompensatora

we-

wnętrznego

Kontrolowanie prędkości poszczególnych narzędzi ru-

chomych pozwala zapewnić synchronizację ich względ-

nego przemieszczenia poprzez określenie ich optymal-

nego położenia dla zadanej wartości ciśnienia podtrzyma-

nia. Zmiany ciśnienia podtrzymania oraz wysokości kom-

pensatora wewnętrznego podczas jednego cyklu kucia

przedstawiono na rys. 6 a , a ciśnienia docisku matrycy

dolnej oraz jej położenia – na rys. 6 b . Jak widać na

przedstawionych wykresach, możliwe jest dokładne wy-

odrębnienie poszczególnych etapów kształtowania odku-

wki. Przy ciągłej kontroli i rejestracji tych parametrów

procesu kucia możliwe jest porównanie wykresów ich

przebiegów w kolejnych cyklach kucia, a przez to ocena

powtarzalności procesu dla indywidualnych odkuwek lub

określonych partii wyrobów (rys. 6 c ). Przy stałej objętości

wsadu i stałej temperaturze istnieje możliwość stwier-

dzenia występowania niektórych rodzajów wad w odkuw-

ce na podstawie przebiegu wykresów, co umożliwia wpro-

wadzenie korekty on-line.

Rys. 4. Schemat na-

rzędzi do kucia bez-

wypływkowego meto-

dą: a ) zrównoważo-

nych ciśnień, b) z po-

dwójnym domknię-

ciem matryc, gdzie:

1 – stempel, 2 – kom-

pensator wewnętrz-

ny, 3 – matryca dol-

na, 4 – matryca górna

796

MECHANIK NR 10/2008

cie lub (ewentualnie) jest akumulowany przez układy

antyprzeciążeniowe. Wymusza to konieczność dokładne-

go doboru energii odkształcenia oraz energii potrzebnej

do pokonania tarcia śruby, czyli znajomość bilansu ener-

gii procesu kucia.

Dokładna znajomość bilansu energii jest szczególnie

ważna w przypadku zastosowania układów z przeciw-

naciskiem hydraulicznym lub podtrzymaniem matryc skła-

danych oraz kompensatora. W zastosowanych rozwiąza-

niach kucia dokładnego całkowita energia prasy śrubowej

zawiera dodatkowo energię zużywaną na docisk matryc

E d oraz podtrzymanie materiału przez kompensator we-

wnętrzny E k (kompensator nadmiaru wsadu). Ostatecznie

charakterystyka prasy podczas kucia ma przebieg przed-

stawiony na rys. 7 b . Aby określić potrzebną energię E c ,

względem energii potrzebnej do kucia E u należy dodać

energię związaną z tarciem śruby E t oraz energię docisku

matryc E d i kompensację nadmiaru wsadu E k . Podczas

odkształcenia wyjściowa energia maleje z szybkością

zależną od pracy odkształcenia. Nadmiar energii E s (róż-

nica pomiędzy energią zadaną a teoretyczną energią

potrzebną do przeprowadzenia procesu) jest pochłaniany

przez układ jako energia kompensatora energii, chroniąc

narzędzia przed uszkodzeniem.

Rys. 7. Zmiany ener-

gii narzędzia górne-

go w czasie kucia na

prasie śrubowej:

a) przypadek ogólny,

b) przy wykorzystaniu

metody zrównoważo-

nych ciśnień

Rys. 6. Wykresy prędkości oraz nacisków poszczególnych narzędzi

w czasie kucia: a) wysokość oraz ciśnienie kompensatora wewnętrz-

nego, b) położenie suwaka prasy i ciśnienie domknięcia matryc,

c) zestawienie pomiarów dla serii kilku cykli kucia

Zastosowany system pomiarowo-sterujący umożliwia

dokładne określenie energii potrzebnej do poprawnego

przeprowadzenia procesu odkształcenia poprzez pomiar

energii kompensatora oraz energii przeznaczonej na

domknięcie matryc. Znając wielkość składowych energii

oraz energię wyznaczoną podczas pracy maszyny bez

obciążenia, pochłanianą przez tarcie śruby, można wy-

znaczyć energię zużywaną na pracę odkształcenia (wraz

ze stratami na tarcie na powierzchni wsad/narzędzie),

sporządzając bilans energetyczny dla przedstawionych

rozwiązań kucia. Suma energii związanej z odkształce-

niem plastycznym wsadu i nadmiaru energii przekazane-

go do układu stanowi 80% całkowitej energii wymaganej

do uzyskania pełnego kształtu odkuwki i założonej grubo-

ści denka (rys. 8). Energia związana z zastosowaniem

kompensatora wewnętrznego oraz domknięcia części

matrycy składanej wynosi łącznie 15% energii całkowitej.

W praktyce oznaczać to może ograniczenia w możliwych

do uzyskania wymiarach odkuwek lub kuciu precyzyjnym

materiałów wysoko wytrzymałych.

Bilans energii procesu kucia

Kucie na prasie śrubowej przypomina kucie na młocie,

z tym że całkowita energia koła zamachowego prasy

śrubowej zużywana jest na proces odkształcenia (pracę

odkształcenia wraz z energią pochłanianą przez siły tar-

cia materiału na powierzchni matryc), pokonanie sił tarcia

na śrubie napędzającej matrycę, odkształcenie sprężyste

matryc i ugięcie sprężyste różnych elementów prasy.

Bilans energii podczas kucia można przedstawić za

pomocą wykresu energia – siła lub energia – przemiesz-

czenie [7]. W przypadku ogólnym wykres zmian energii

narzędzia górnego wygląda jak na rys. 7 a . Jak wynika

z wykresu, energia użyteczna, potrzebna do procesu

kształtowania E u jest zwiększona o energię potrzebną do

pokonania sił tarcia na śrubie E t . W momencie zakoń-

czenia uderzenia energia koła zamachowego jest równa

zeru, co oznacza, że ewentualny nadmiar energii E s jest

przekazywany do układu prasy oraz powoduje jego ugię-

798

MECHANIK NR 10/2008

kucia bezwypływkowego konieczna jest dokładna kontrola

położenia, prędkości poszczególnych narzędzi oraz nacis-

ków. Rejestracja i monitorowanie wymienionych paramet-

rów umożliwiają ocenę powtarzalności wyrobów i wykrywa-

nie defektów na podstawie wykresów ich przebiegów w cza-

sie kucia. Przy automatyzacji procesu daje to możliwość

dokonywania korekt warunków procesu kucia on-line.

Energia pochłaniana na domknięcie matryc i podtrzy-

manie wkładek kompensujących stanowi ok. 15% cał-

kowitej energii procesu kucia. Tym samym zastosowanie

przeciwnacisku oraz domknięcia składanych matryc wy-

maga zwiększenia energii kucia.

Praca wykonana w ramach działalności statutowej nr 11.11.110.859

Rys. 8. Bilans energii w procesie kucia bezwypływkowego odkuwki

reduktora

LITERATURA

1. J. KULON, D.J. MYNORS, P. BROOMHEAD: A knowledge-based

engineering design tool for metal forging. Journal of Materials

Processing Technology 177 (2006), s. 331 ÷ 336.

2. M. TRZEPAK, J. SIŃCZAK, P. SKUBISZ: Technologia bezwyp-

ływkowego kucia śrub z łbem sześciokątnym. Referaty laureatów

XLII sesji SKN Pionu Hutniczego AGH, Wyd. STN 2005, s.

277

Przedstawione rozwiązania układów narzędzi do kucia

precyzyjnego z podwójnym zamknięciem matryc, wykorzy-

stujące zasadę zrównoważonych ciśnień, pozwalają na

wytwarzanie odkuwek osiowo-symetrycznych lub o zbliżo-

nych kształtach z zapewnieniem wąskich tolerancji wymia-

rowych otrzymywanych w jednej operacji kucia. Kompen-

sacja nadmiaru materiału odbywa się na długości odkuwki

lub grubości denka, zależnie od kształtu odkuwki.

Odpowiedni dobór położenia pełniących rolę kompen-

satora ruchomych wkładek zapewnia całkowite zamknię-

cie odkształcanego materiału w matrycy, przez co zwięk-

sza się jego plastyczność oraz zapobiega się powstawa-

niu defektów płynięcia metalu. Umożliwia to prowadzenie

kucia w obniżonych temperaturach, jak również kucie

materiałów o niższej plastyczności.

W celu wykorzystania możliwości wynikających z za-

stosowania przedstawionych rozwiązań technologicznych

284.

3. F. FERESHTEH-SANIEE, B. DANESHZAD-MOGHADDAM: A new

CAD system for finisher die design of an axisymmetric forging

component with arbitrary profile. Journal of Materials Processing

Technology 153

163.

4. W. W. ADLOF: Schmiedeteile – Gestaltung, Anwendung, Bei-

spiele. Deutsche zuverlassig schmiedetechnik 1995, s. 200.

5. N. Biba, S. Stebounov, A. Lishiniy: Cost effective implementation

of forging simulation. Journal of Materials Processing Technology

113 (2001), s. 34 ÷ 39.

6. G. MESSMER, S. HUBER: Hot Forging on Horizontal Multi-stage

Presses. Corporate Media GmbH 2007, s. 70.

7. http://synchro.slask.pl (stan na kwiecień 2008).

8. P. SKUBISZ: Określenie warunków kształtowania objętościowego

stopów Mg-Al-Zn na ciepło. Praca doktorska, AGH, Kraków 2007.

154 (2004), s. 157

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: