TOB - Opracowanie2.doc

1.Ogólnie trendy rozwoju współczesnych technik wytwarzania.

Przejście do jak największej specjalizacji produkcji oraz jak największa elastyczność w produkcji. Obecnie stara się jak najbardziej zautomatyzować procesy. Zakłada się, że koszty rozpoczęcia produkcji powinny się zwrócić w najbliższych latach, ponieważ prędkość rozwoju technologii nie pozwala na długotrwałe oczekiwanie amortyzacji kosztów. W procesach wytwarzania jednym z najważniejszych trendów jest maksymalne zmniejszenie kosztów produkcji przy jak największej wydajności produkcji. Stosuje się również taki sposób otrzymywania wyrobów gdzie półwyrób jest jak najbardziej zbliżony formą i kształtem do wyrobu końcowego(Near net shape forming).

2. Co rozumiemy pod pojęciem przeróbki plastycznej metali; co stanowi o jej istocie i znaczeniu?

Termin obróbka plastyczna (lub przeróbka plastyczna) odnosi się do szeregu procesów, w czasie, których dochodzi do zmiany kształtu półwyrobu bez zmiany jego masy i składu chemicznego. Do najbardziej charakterystycznych cech procesów obróbki plastycznej należą:

   1. Duża wartość naprężeń koniecznych do kształtowania wyrobów. Naprężenia osiągają wartość od 50 do 2500 MPa w zależności od  rodzaju procesu i gatunku kształtowanego materiału.

   2. Możliwość całkowitego przeformowania materiału (duże wartości odkształceń). Wymaga to stosowania urządzeń pozwalających uzyskać dużą wartość nacisków - zatem maszyn wielkogabarytowych, ciężkich i co za tym idzie -drogich.. Plastyczne kształtowanie wyrobów odpowiedniej jakości wymaga stosowania maszyn bardzo precyzyjnych. Dlatego też zakłady stosujące procesy obróbki plastycznej muszą mieć odpowiednio wyposażoną narzędziownię.

   3. Zastosowanie procesów tylko do produkcji wielkoseryjnej ze względu na duży koszt maszyn i urządzeń do obróbki plastycznej. Jeżeli jest spełniony ten warunek, to można w pełni wyeksponować zalety obróbki plastycznej jako techniki wytwarzania:

a) dużą wydajność (krótki czas produkcji),

b) wysoką dokładność, wąski zakres tolerancji wymiarów i kształtu,

c) dobre właściwości mechaniczne wykonanych części.

Wyroby wykonywane z zastosowaniem procesów obróbki plastycznej są często stosowane - wyróżnia się następujące grupy tychże wyrobów:

-1. Części pojazdów mechanicznych, maszyn i urządzeń precyzyjnych.

-2. Narzędzia ręczne, takie jak młotki, klucze, pilniki, narzędzia chirurgiczne.

-3. Części łączne i mocujące.

-4. Różnego typu naczynia i pojemniki.

-5. Części konstrukcyjne stosowane w budownictwie, drogownictwie i górnictwie.

-6. Części wyposażenia mieszkań i części dekoracyjne.

Wymienione typy wyrobów są wykonywane z różnego rodzaju materiałów metalowych - począwszy od różnych gatunków stali, poprzez stopy metali nieżelaznych, aż do najnowocześniejszych materiałów kompozytowych.

Celem większości procesów obróbki plastycznej jest nadanie materiałowi wyjściowemu żądanego kształtu, a więc wywołanie odpowiednich odkształceń plastycznych materiału bez naruszenia jego spójności. Uzyskanie żądanych odkształceń jest możliwe tylko wówczas, gdy materiał zostanie poddany działaniu naprężeń określonej wartości. Dlatego też do opracowania procesów obróbki plastycznej jest niezbędna znajomość związków między naprężeniami a odkształceniami plastycznymi.

Właściwości wyrobu z określonego gatunku materiału kształtowanego metodami obróbki plastycznej zależą od sposobu kształtowania i warunków prowadzenia procesu. Do warunków tych należy przede wszystkim zaliczyć temperaturę kształtowania, wartość odkształcenia i prędkość odkształcenia oraz stan wyjściowy materiału.

Technologia obróbki plastycznej stwarza szczególnie duże możliwości wpływania na właściwości użytkowe. Odpowiedni dobór operacji obróbki plastycznej i ewentualnie obróbki cieplnej oraz cieplno-chemicznej pozwala uzyskać pożądany rozkład umocnienia, korzystny układ naprężeń własnych, właściwy przebieg włóknistych zanieczyszczeń.

Granica plastyczności odkształcanego materiału w dostatecznie niskiej temperaturze wzrasta w sposób ciągły w miarę zwiększającego się odkształcenia. Zwiększenie temperatury odkształcenia do temperatury rekrystalizacji lub wyższej, umożliwiającej wystąpienie procesów odnowy struktury, powoduje wielokrotne zmniejszenie oporu plastycznego materiału oraz eliminuje umocnienie półwyrobów. Stąd też przyjęto podział obróbki plastycznej na tzw. obróbkę na zimno i na gorąco. Obróbką plastyczną na gorąco nazywa się kształtowanie materiału w temperaturze równej temperaturze rekrystalizacji lub wyższej od niej. Procesy kształtowania przebiegające w temperaturze niższej są zaliczane do obróbki plastycznej na zimno.

W celu wyeliminowania takich wad obróbki plastycznej na gorąco jak intensywne utlenianie powierzchni półwyrobów i mała dokładność wymiarowa, z jednoczesnym zachowaniem możliwie małych oporów plastycznego kształtowania w porównaniu z wytrzymałością narzędzi, wprowadzono tzw. obróbką plastyczną na pół gorąco.

3.Podaj definicje wyraźnej i umownej granicy plastyczności materiału.

Wyraźna granica plastyczności materiału – Re jest to naprężenie rozciągające, po osiagnięciu ,którego następuje wyraźny wzrost rozciąganej próbki bez wzrostu, lub przy minimalnym spadku obciążenia. Może wystąpić tylko w czasie pierwszego etapu obciążania próbki. Wyraźna granica plastyczności liczona jest ze wzoru:

Umowna granica plastyczności - stale wysoko-węglowe i kruche nie posiadają wyraźnej granicy plastyczności, w tych przypadkach wprowadza się jako kryterium porównawcze dla praktycznej oceny materiałów umowną granice plastyczności  R0,2. Przez umowna granice plastyczności rozumiemy taka wartość naprężenia rozciagjacego, która wywołuje w próbce umowne wydłużenie trwale x=0,2% pierwotnej długości pomiarowej próbki.

4.Znaczenie normalizacji warunków przeprowadzania statycznej próby rozciągania i zawartość polskiej normy

Podstawową próbą w badaniach materiałów, a zwłaszcza metali jest statyczna próba rozciągania. Wyznaczone w próbie własności mechaniczne umożliwiają odbiór techniczny metali i stopów, pozwalają na porównanie i klasyfikacją według przewidywanych zastosowań oraz ocenę skuteczności przeprowadzonych procesów technologicznych. Wyniki badań własności mechanicznych są wykorzystywane również przez konstruktorów w procesie projektowania elementów konstrukcyjnych. Zaletą tej próby jest między innymi to, że w prosty sposób pozwala określić szereg parametrów, które dzięki stosowaniu próbek znormalizowanych, można porównywać. Próbę wykorzystuje się również do badania własności mechanicznych i reakcji na obciążenie gotowych elementów konstrukcyjnych takich jak liny, druty, łańcuchy czy elementy złączne.

Próba polega na wolnym rozciąganiu próbki materiału na maszynie wytrzymałościowej, na ogół aż do rozerwania.

Jeżeli nie ustalono inaczej próbę należy prowadzić w temperaturze otoczenia od 10 oC do 35oC. Przy zaostrzonych wymaganiach próbę przeprowadza się w temperaturze 23±5 oC. Próbki powinny być zamocowane w odpowiednich uchwytach tak aby zapewnić osiowe działanie siły. Szczegółowe wytyczne dotyczące przeprowadzania próby rozciągania podaje norma PN-EN 10002-1+AC1:1998 [81].

Próbki do badań

Kształt i wymiary próbek zależą od kształtu i wymiarów wyrobów metalowych, których własności mają być określone. Próbkę zwykle wykonuje się z wyrobu lub półwyrobu poprzez obróbkę mechaniczną, prasowanie albo odlewanie. Wyroby o niezmiennym przekroju poprzecznym (profile, pręty, druty itp.) jak i próbki odlane (np. z żeliwa i metali nieżelaznych} mogą być badane bez obróbki mechanicznej. Przekrój poprzeczny próbki powinien być okrągły, kwadratowy, prostokątny lub pierścieniowy. W szczególnych przypadkach dopuszczalny jest jednak inny kształt przekroju poprzecznego.

Próbki dla których początkowa długość pomiarowa L0 jest związana z początkową powierzchnią przekroju poprzecznego S0 i obliczona na podstawie równania ,określa się jako proporcjonalne. Przyjęto, że wartość k wynosi 5,65.

Jeżeli przekroje poprzeczne próbek zmieniają się, powinny one mieć łagodne przejścia między długością roboczą, a główkami, Kształt główek próbki może być dowolny, odpowiednio przystosowany do uchwytów maszyny wytrzymałościowej (szczękowych bądź pierścieniowych).

Próbki z różnych materiałów powinny być pobrane i wykonane zgodnie z wymaganiami odpowiednich norm. Normy te podają również zalecane wymiary i tolerancje wymiarowe próbek.

W czasie próby rozciągania dokonuje się rejestracji siły oraz wydłużenia próbki. W praktyce wykonuje się to poprzez wykreślenie krzywoliniowej zależności w układzie współrzędnych siła F wydłużenie ΔL.

Spośród własności mechanicznych wyodrębnić można dwie grupy. Pierwsza, to własności wytrzymałościowe będące reakcją materiału na przyłożoną silę, których miernikiem jest naprężenie. Druga grupa to własności plastyczne określane w oparciu o zmianę wymiarów odkształcanej próbki.

Na podstawie punktów charakterystycznych wykresu rozciągania oraz stosownych pomiarów próbki przed i po próbie rozciągania, zgodnie z normą dokonuje się wyznaczenia własności mechanicznych (wytrzymałościowych i plastycznych) badanego materiału :

5.Omów stan wytężenia materiału w złożonym stanie obciążenia i na tym tle podaj warunek plastyczności.

Wytężenie materiału to stan materiału obciążonego siłami zewnętrznymi, w którym istnieje możliwość przejścia w stan plastyczny, czyli przekroczenie granicy sprężystości bądź utrata spójności jeśli materiał nie posiada granicy sprężystości. Wytężenie materiału określa się poprzez redukcje złożonego stanu naprężeń do jednego zredukowanego lub zastępczego naprężenia. Do redukcji stosuje się hipotezy wytężeniowe. Najczęściej jest to hipoteza energii odkształcenia ( Hubera ). Zakłada ona, że ciało jest doskonale sprężyste i praca naprężenia zredukowanego jest równa sumie prac naprężeń składowych. Hipoteza energii odkształcenia czysto postaciowego głosi, że miarą wytężenia materiału w dowolnym punkcie obciążonego (siłami) ciała sprężystego jest ta część energii sprężystej materiału, która jest związana z odkształceniem postaciowym – tylko ten rodzaj odkształcenia ma wpływ na osiągniecie stanu krytycznego
 

6.Miary odkształceń w procesie odkształcenia plastycznego. Warunek zachowania stałej objętości.

Zakładając, że początkowo wymiary próbki wynosiły h0 b0 l0 końcowe zaś h1 b1 l1

Tak obliczamy odkształcenia rzeczywiste.

Stosunki wymiarów odkształconego elementu do odpowiednich wymiarów przed odkształceniem, nazywamy:

- współczynnik gniotu

- współczynnik poszerzenia

- współczynnik wydłużenia

Współczynniki te określają zasadę stałej objętości, którą w najprostszy sposób wyrażamy:

V0 = V1

b0 · h0 · l0 = b1 · h1 · l1

Jednym z podstawowych założeń teorii plastyczności jest zasada stałej objętości, którą można zapisać za pomocą odkształceń rzeczywistych:

δl  +  δ b +  δh  = 0

7.Wpływ obróbki plastycznej na zimno na własności mechaniczne odkształcanego materiału – krzywa umocnienia.
Obróbka plastyczna na zimno powoduje, że przy wtórnym obciążeniu występującym w warunkach pracy materiału, wyrób wykazuje znacznie wyższą granice plastyczności niż przed obróbką. Podczas obróbki plastycznej na zimno wzrasta gęstość defektów w sieci krystalograficznej co powoduje zablokowanie dyslokacji, a co za tym idzie wzrost twardości i podniesienie granicy plastyczności.

Pojęciem umocnienia określa się przyrost plastycznego oporu odkształconego materiału przejawiający się przede wszystkim we wzroście granicy plastyczności Re. Najistotniejszą ze zmian własności umocnionego metalu jest wzrost granicy plastyczności. Wzrost naprężenia uplastyczniającego wpływa bezpośrednio na zwiększenie naprężeń i nacisków w procesach technologicznych. W procesach przeróbki  plastycznej  przez granicę plastyczności  określa  się naprężenia rzeczywiste uzyskane w próbie jednoosiowego naprężenia (ściskanie, rozciąganie) warunkujące powstanie odkształceń trwałych.

Krzywa umocnienia jest to zależność naprężenia umacniającego od odkształcenia pozyskanego w próbie jednoosiowego rozciągania w szerokim zakresie odkształceń.

Umacnianie się materiału pod wpływem odkształceń plastycznych na zimno można opisać za pomocą przybliżonego równania krzywej  umocnienia. W zastosowaniach praktycznych najczęściej spotyka się dwa rodzaje równań: 

- dla materiałów wyżarzonych,

- dla materiałów wstępnie odkształconych, gdzie:

n - wykładnik umocnienia,

C - współczynnik umocnienia,

φ0- odkształcenie wstępne

8.Rola tarcia w procesach przeróbki plastycznej.

Tarcie występujące w procesach przeróbki plastycznej może osiągać wartość 2500 MPa (250 kG/mm2). Na powierzchniach trących 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. Tarcie jest przyczyną nadmiernego i nierównomiernego zużywania się narzędzi, co pozostawia ślady pogarszające powierzchnię odkształcanej próbki.

Ciągnienie:

Na maksymalną wielkość gniotu, jaką można zastosować w jednym ciągu, duży wpływ wywiera kształt ciągadła i długość części kalibrującej. Im mniejszy jest kąt stożka ciągadła, tym większa jest - przy analogicznych zgniotach i jednakowej średnicy wyjściowej - powierzchnia styku pomiędzy ciągadłem a drutem i tym większe są siły tarcia. Siła tarcia jest skierowana przeciwnie do kierunku siły ciągnienia, a tym samym powoduje jej wzrost. Nadmierne zwiększenie kąta stożka zgniatającego powoduje wzrost oporu ciągnienia wywołany zmienionym stanem odkształcenia, przez co również zwiększa się wartość siły ciągnienia.

Siły tarcia zależą od rodzaju materiału ciągadła i przeciąganego materiału, rodzaju środka smarującego, jakości smarowania i temperatury. W celu zmniejszenia siły tarcia stosuje się substancje smarujące stałe i ciekłe.

Wyciskanie:

Przy wyciskaniu współbieżnym metal przemieszcza się względem ścian pojemnika, a na powierzchni styku powstają siły tarcia przeciwdziałające temu  ruchowi.

Podczas wyciskania przeciwbieżnego metal nie przemieszcza się względem ścian pojemnika z wyjątkiem niewielkiej ilości w pobliżu matrycy. Dlatego tarcie metalu w tym procesie oraz wpływ tarcia na wartość siły wyciskania są znacznie mniejsze niż podczas wyciskania współbieżnego.

Kucie:

Podczas kucia swobodnego na powierzchniach styku materiału i kowadłami powstają siły tarcia przeciwdziałające płynięciu materiału. Wywołuje to tworzenie się stref, w których nie występują odkształcenia plastyczne lub są one bardzo małe, oraz stref znacznych odkształceń plastycznych.

W rezultacie w środkowej zewnętrznej części materiału powstają znaczne naprężenia rozciągające. Naprężenia te zwiększają niebezpieczeństwo powstania pęknięć rozdzielczych, co ogranicza możliwości uzyskania dużych odkształceń plastycznych podczas kucia swobodnego. Dlatego też kucie takie może być stosowane niemal wyłącznie do kształtowania materiałów bardzo plastycznych. Ażeby zmienić stan naprężenia w odkuwanym materiale na bardziej korzystny, stosuje się kowadła kształtowe - dzięki czemu można uzyskać wyraźnie większe stopnie odkształcenia.

walcowanie:

9.Podstawowe rodzaje procesów przeróbki plastycznej i ich krótka charakterystyka.

Kucie - proces technologiczny, polegający na odkształcaniu materiału za pomocą uderzeń lub nacisku narzędzi. Narzędzia - czyli matryce lub bijaki umieszczane są na częściach ruchomych narzędzi. Proces ten również może być realizowany w specjalnych przyrządach kuźniczych. W procesie tym nadaje się kutemu materiałowi odpowiedni kształt, strukturę i własności mechaniczne. Materiałem wsadowym jest przedkuwka, natomiast produktem jest odkuwka

Walcowanie - rodzaj obróbki plastycznej metali wykonywany na walcarkach. Walcowanie polega na kształtowaniu materiału między obracającymi się walcami, tarczami, rolkami lub przemieszczającymi się względem siebie narzędziami płaskimi.

Ciągnienie - to proces technologiczny stosowany w metalurgii polegający na formowaniu drutu lub pręta poprzez przeciąganie materiału wyjściowego w postaci: walcówki, prasówki, lub krajki poprzez otwór ciągadła, którego pole przekroju jest mniejsze niż przekrój poprzeczny przeciąganego materiału. W wyniku tego następuje zmniejszenie średnicy obrabianego przedmiotu oraz jego wydłużenie, może też nastąpić zmiana kształtu przekroju. Podczas ciągnienia obserwujemy umocnienie materiału (zwiększenie własności wytrzymałościowych okupione zmniejszeniem własności plastycznych).

Wyciskanie - rodzaj obróbki plastycznej metali. Materiał pod naciskiem stempla wypływa przez otwór lub otwory w narzędziu albo przez szczeliny utworzone przez narzędzia. Podczas wyciskania materiał umieszczony w pojemniku lub matrycy i poddany naciskowi stempla (lub tłoczyska - poprzez przekładkę, zwaną także przetłoczką, względnie płytą naciskową) wypływa przez otwór matrycy lub szczelinę pomiędzy stemplem i matrycą, doznając wydłużenia kosztem zmniejszenia przekroju poprzecznego. Stan naprężenia w przeważającej części obszaru uplastycznionego jest trójosiowym nierównomiernym ściskaniem. Możliwe są więc duże odkształcenia plastyczne bez naruszenia spójności materiału (maksymalne współczynniki wydłużenia są rzędu 300, średnie - ok. 50). Jest to główna zaleta procesów wyciskania. Z drugiej strony duże odkształcenia wymagają ogromnych sił. Głównym ograniczeniem wielkości odkształceń możliwych do uzyskania w jednej operacji wyciskania nie jest zjawisko dekohezji materiału (jak w wielu innych procesach), lecz wytrzymałość narzędzi. Przy dużych odkształceniach stosuje się wyciskanie na gorąco, gdyż podczas wyciskania na zimno siły są tak znaczne, że narzędzia nie wytrzymują obciążeń. Duże odkształcenia mogą być zrealizowane na zimno tylko dla materiałów miękkich (np. czystego aluminium).

10.Kryteria decydujące o wyborze rodzaju obróbki plastycznej i ich krótka charakterystyka.

-Koszty danej obróbki i opłacalność jej zastosowania w stosunku do ilości zamówień

-Wydajność – również w stosunku do zapotrzebowania, czy nie będzie wystarczająca lub zbyt duża/mała

-Dokładność wykonania zamówionego produktu (być może nie można uzyskać wystarczająco dobre gatunkowo      metody w ekonomiczniejszy sposób)

-Rodzaj materiału – dostateczna plastyczność, parametry umożliwiające obróbkę

11.Proces kucia – zakres stosowania, urządzenia.

Kucie polega na zgniataniu metalu umieszczonego na kowadle lub w matrycy. Podczas kucia, w wyniku dużej prędkości bijaka, odkształcenie materiału jest dynamiczne. Siła nacisku, dzięki sile bezwładności, może osiągać wartość wielokrotnie większą od ciężaru bijaka.

Procesy kucia przeprowadza się zwykle na gorąco ze względu na lepsze właściwości plastyczne materiału oraz mniejsze naciski występujące podczas kucia. Jakość odkuwek, ich właściwości i struktura w dużym stopniu zależą od prawidłowego nagrzania materiału. Nieodpowiednie nagrzewanie prowadzi do przegrzania i przepalenia oraz nadmiernego utlenienia powierzchni.

W wyniku kucia oprócz zmiany kształtu następuje rozdrobnienie struktury i poprawa właściwości mechanicznych materiału. W zależności od kształtu narzędzi i sposobu ich działania na odkształcany metal, kucie dzieli się na swobodne i matrycowe.

Maszyny do kucia swobodnego:

Młoty- charakterystyczną cechą jest brak sztywnego połączenia szaboty ze stojakiem. Dlatego to cięższe młoty maja oddzielne fundamenty dal stojaków i szaboty. Ze względu na łatwość wytwarzania dużych energii młoty są najtańszymi maszynami do kształtowania materiału na gorąco. Charakterystyczna cech młotów jest to, że nie mogą być nigdy przeciążane. Do ich wad można zaliczyć małą sprawność i wysoki koszt fundamentów;

Prasy hydrauliczne- charakteryzują się stosunkowo wolnym przesuwem narzędzi roboczych i dużą przestrzenią roboczą;

Urządzenia mechanizujące- procesy kucia dzielą się na: transportowe, załadowcze, wyładowcze, podające. Do uniwersalnych urządzeń zaliczane są suwnice. Stosuje się również żurawie obrotowe oraz urządzenia obsługujące proces kucia- manipulatory (szynowe, bezszynowe) transport odbywa się często przy pomocy szyn podwieszonych i przenośników taśmowych. Kuźnie zmechanizowane są wyposażone w automaty i półautomaty – roboty kuźnicze. Transport kolejowy jest stosowany do dużych wlewków i odkuwek miedzy oddziałami kuźni.

Narzędzia do kucia swobodnego ręcznego:

-Kleszcze, przecinaki, przebijaki

Narzędzia do kucia swobodnego:

Kowadła płaskie zaokrąglone. Zależnie od rodzaju wykonywanej operacji używa się kowadeł o odpowiednim kształcie. W czasie kucia na gorąco kowadła nagrzewają się do 3000C, a przy powierzchni do 600-7000C. Z tego względu wykonuje się je ze stali narzędziowej do pracy na gorąco;

Odsadzki – służą do nadcinania materiału w celu wykonywania przejścia z grubszego przekroju do cieńszego. Mogą być prawe i lewe;

Przecinaki (siekiery) służą do przecinania i nadcinania gorących rygli o większych przekrojach. Przecinaki mogą być proste lub kształtowane. Maja trzonki stałe lub wymienne;

Przebijaki maszynowe służą do przebijania otworów o różnych kształtach. Mogą mieć kształt walcowy, klinowy a dla większych otworów – pierścienia. Podczas wykonywania głębokich otworów za pomocą przebijaka pierścieniowego w miarę wbijania go w materiał nakłada się następne przebijaki.

Maszyny do kucia matrycowego:

młoty matrycowe - charakteryzują się tym, że wszystkie ich elementy skład...