BADANIA WŁASNOŚCI TECHNOLOGICZNYCH

WICZENIE NR IV
BADANIA PRZYDATNO CI MATERIAŁÓW
DO OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
- BADANIA WŁASNO CI TECHNOLOGICZNYCH 1. Cel wiczenia
Celem wiczenia jest zapoznanie si z metodami bada własno ci technologicznych
materiałów do obróbki plastycznej ze szczególnym uwzgl dnieniem prób tłoczno ci blach
oraz bada przydatno ci materiałów pr towych do kształtowania plastycznego. Zwraca si
uwag na cele, zakres stosowania oraz ograniczenia bada technologicznych.
2. Tematyka prac badawczych i technicznych
Realizacja wybranych prób tłoczno ci blach oraz próby sp czania odcinków pr tów na
kowadłach rowkowanych.
3. Schemat metody badawczej
Schematy poszczególnych metod badawczych przedstawiono w Informacji merytorycznej
(p.6).
4. Zalecenia
4.1. Przedstawienie wyników pomiarów
Temat 1. Próba Erichsena
Tabela IV/1. Wyniki bada tłoczno ci metod Erichsena
Rodzaj urz dzenia badawczego: ...............................................................
....................................................................................................................
Lp
Gatunek i stan
Wymiary próbki
Dk
Liczba Erichsena
materiału badanego
[mm]
IE [mm]
D
A
g0
[mm] [mm] [mm]
1
2
3
.
Uwagi:
Oznaczenia: g0 - grubo blachy, D - rednica próbki okr głej, A - długo
boku próbki kwadratowej, Dk = 2rk - rednica kulistego zako czenia
stempla
Temat 2. Próba Engelhardta i Grossa
Tabela IV/2. Wyniki bada tłoczno ci metod Engelhardta i Grossa
Rodzaj urz dzenia badawczego: ............................................................................................
.................................................................................................................................................
Lp Gatunek
Wymiary
ds
dm
Pt
Pzr
Miara tłoczno ci
ds
i stan
próbki
[mm] [mm] m1 ≈
[kN] [kN]
P − Pt
D0
T = zr
100 %
materiału
g0
D0
Pzr
badanego [mm] [mm]
1
2
3
.
Uwagi:
Oznaczenia: g0 - grubo blachy, D0 - rednica kr ka, ds - rednica stempla, dm - rednica
matrycy, m1 - współczynnik wytłaczania, Pt - maksymalna siła wytłaczania, Pzr - siła
zrywaj ca cianki wytłoczki
Temat 3. Próba przeginania
Tabela IV/3. Wyniki prób przeginania paska blachy
Rodzaj urz dzenia badawczego ..........................................................................................
..............................................................................................................................................
Lp
Gatunek i stan
Wymiary próbki
Miary tłoczno ci
materiału badanego
g0
b
l
nz
n z ||
Z=
100 %
Oznaczenie orientacji [mm]
[mm]
[mm]
n
z
⊥
linii gi cia wzgl dem
kierunku walcowania
( ⊥ lub | | )
1
2
3
.
Oznaczenia: g0 - grubo blachy, b, l - szeroko i długo próbki, nz - liczba podwójnych
zgi do momentu p kni cia, Z - wska nik anizotropii, nz||, n z ⊥ - liczby podwójnych
zgi
do momentu p kni cia przy liniach gi cia odpowiednio: równoległej
i prostopadłej do kierunku walcowania
Temat 4. Próba miseczkowania 1
Tabela IV/4. Wyniki prób miseczkowania
Rodzaj urz dzenia badawczego ...........................................................................
..............................................................................................................................
Lp
1
2
3
.....
Gatunek i stan materiału
badanego
Grubo blachy g0 [mm]
rednice
D01 [mm]
wytłaczanych
D02 [mm]
kr ków
D03 [mm]
rednica otworu w płycie
ci gowej dm [mm]
rednica stempla ds [mm]
Siły przy wytłaF1
czaniu (F1 dla
[kN]
kr ka o rednicy D01, F2 dla
F2
kr ka o redni[kN]
cy D02)
Siła zrywaj ca
Fzr
(przy wytłaczaniu [kN]
kr ka o rednicy
D03)
Maksymalna rednica
kr ka (interpolowana)
D0max [mm]
Minimalny współczynnik
wytłaczania m1min
Maksymalna wysoko
wytłoczki hmax [mm] *)
Minimalna wysoko
wytłoczki hmin [mm] *)
Wska nik anizotropii
płaskiej α [%]
ds
d s (F2 − F1 )
m1 min =
=
D 0 max Fzr (D 02 − D 01 ) − F1 D 02 + F2 D 01
h
− h min
α = max
100 %
h max
*)
warto ci rednie z pomiaru kilku wytłoczek
1
Temat 5 mo e by realizowany na wiczeniu nr VII.
Temat 5. Próba Fukui
Tabela IV/5. Wyniki bada tłoczno ci metod Fukui
Rodzaj urz dzenia badawczego ..............................................................................................
.................................................................................................................................................
Lp
Gatunek i stan
Wymiary próbki dst max dst min
Miary tłoczno ci
d st
[mm] [mm] [mm]
materiału
g0
D0
D0 max
d st
ηF =
badanego
[mm]
[mm]
[mm]
D0
1
2
3
.
Uwagi:
Oznaczenia: g0 - grubo blachy, D0 - rednica kr ka,
najwi ksza i najmniejsza warto maksymalnej rednicy sto
d st max + d st min
p kni cia), d st =
- rednia maksymalna
2
ηF - wska nik Fukui, D0max - maksymalna rednica kr
prawidłow wytłoczk (bez p kni cia)
dst max, dst min - odpowiednio:
kowej wytłoczki (w momencie
rednica sto kowej wytłoczki,
ka, z której mo na otrzyma
Temat 6. Próba KWI
Tabela IV/6. Wyniki bada tłoczno ci metod KWI
Rodzaj urz dzenia badawczego ........................................................................................
............................................................................................................................................
Lp
Gatunek i stan
Wymiary próbki
ds
dmax dmin
dr
εKWI
materiału badanego g0
A
d0 [mm] [mm] [mm] [mm]
[%]
[mm] [mm] [mm]
1
2
3
.
Uwagi:
Oznaczenia: g0 - grubo blachy, A - długo boku próbki kwadratowej, d0 - rednica
otworu w rodku próbki, ds - rednica stempla, dmax, dmin, d r - odpowiednio: maksymalna,
minimalna i rednia rednica otworu w dnie wytłoczki w chwili pojawienia si p kni cia
na obrze u otworu, εKWI - miara tłoczno ci
d − d0
d + d min
ε KWI = r
100 %
d r = max
d0
2
Temat 7. Próba sp czania na kowadłach rowkowanych
Tabela IV/7. Wyniki prób sp czania na kowadłach rowkowanych
Lp
Gatunek i stan
d0
h0
h1
D1
D2
materiału badanego [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]
Dr
[mm]
S=
Dr
d0
1
2
3
.
Oznaczenia: d0, h0 - rednica i wysoko próbki przed sp czaniem, h1 - wysoko próbki
w momencie pojawienia si p kni cia, D1 - rednica próbki w pobli u p kni cia,
D + D2
D2 - rednica zmierzona w kierunku prostopadłym do D1 (rys. IV/11 c), D r = 1
,
2
S - wska nik odkształcalno ci
4.2. Opracowanie wyników pomiarów
Wyniki zrealizowanych na wiczeniu pomiarów i oblicze oraz odpowiednie uwagi
nale y wpisa do odpowiednich tabel (IV/1 - IV/7).
4.3. Wnioski
Wnioski winny dotyczy oceny przydatno ci badanych materiałów do obróbki plastycznej
na podstawie wska ników wyznaczonych podczas przeprowadzonych prób technologicznych.
5. Zagadnienia kontrolne
•
•
•
•
•
Poj cie własno ci technologicznych i prób technologicznych.
Podstawowe metody bada tłoczno ci blach: próbki, warunki realizacji bada ,
wyznaczane wska niki, urz dzenia badawcze, dokładno i powtarzalno wyników.
Stany napr e wyst puj ce podczas bada tłoczno ci metodami: Erichsena, Engelhardta
i Grossa, Fukui oraz KWI.
Wykorzystanie wyników bada tłoczno ci w ocenie przydatno ci materiałów do
kształtowania plastycznego w okre lonych procesach tłoczenia - rola podobie stwa
geometrycznego badanych próbek i rzeczywistych wytłoczek.
Ocena plastyczno ci materiałów pr towych - próba sp czania za pomoc kowadeł
rowkowanych.
6. Informacja merytoryczna
6.1. Badania własno ci technologicznych materiałów i próby technologiczne
Celem bada własno ci technologicznych materiałów jest okre lenie stopnia ich
przydatno ci do obróbki (przetwarzania) w konkretnym procesie lub operacji
technologicznej. Przykładowe poj cia: spawalno ci, skrawalno ci, tłoczno ci, hartowno ci
itp. dotycz własno ci technologicznych materiałów istotnych z punktu widzenia
odpowiednich procesów lub operacji (spawania, skrawania, tłoczenia, hartowania itp.).
Metody badawcze słu ce do wyznaczania własno ci technologicznych okre lane s
zazwyczaj mianem prób technologicznych. Istot tych prób jest badanie zachowania si
modelowych próbek wykonanych z danego materiału w warunkach identycznych lub
zbli onych do wyst puj cych w konkretnym procesie lub operacji. Mówi c inaczej, próba
technologiczna polega na modelowaniu (symulacji) w laboratorium pewnych aspektów
rzeczywistego przebiegu procesu wytwarzania. Wyniki próby s
zazwyczaj zbiorem
wska ników ilo ciowych (liczbowych) i/lub jako ciowych (opisowych), b d cym miar danej
własno ci technologicznej. Analiza wyników - polegaj ca na porównaniu warto ci
wyznaczonych wska ników z przyj tymi warto ciami granicznymi (krytycznymi) - pozwala
na ocen stopnia przydatno ci materiału do przetwarzania w danym procesie lub operacji
technologicznej..
Bezpo rednie wykorzystanie wyników prób technologicznych w warunkach
przemysłowych wymaga spełnienia ( ci le lub w przybli eniu) praw podobie stwa
modelowego. Zagadnienie to b dzie przedstawione bli ej w dalszym ci gu przy omawianiu
bada tłoczno ci blach.
Próby technologiczne winny spełnia nast puj ce warunki, decyduj ce o ich przydatno ci:
• modelowanie istotnych aspektów procesu lub operacji technologicznej,
• spełnienie praw podobie stwa modelowego,
• ilo ciowy charakter wyników,
• prostota próby i łatwo wykonania próbek,
• dokładno i powtarzalno wyników.
Jak si oka e w dalszym ci gu, nie wszystkie próby spełniaj te warunki. Dlatego te
wyznaczane wska niki cechuje zazwyczaj niski stopie ogólno ci.
6.2. Czy próby technologiczne s niezb dne ?
Rozwój metod komputerowych, a zwłaszcza wykorzystanie metody elementów
sko czonych (MES) w modelowaniu matematycznym rzeczywistych procesów
technologicznych stwarza szerokie mo liwo ci przewidywania zachowania si materiałów
w ró norodnych warunkach ich obróbki (przetwarzania) na podstawie znajomo ci
parametrów materiałowych okre lanych w trakcie standardowych bada strukturalnych,
bada własno ci wytrzymało ciowych, plastycznych itp. Jednak stopie komplikacji
niektórych realnych procesów technologicznych jest tak znaczny, e ich modelowanie
matematyczne napotyka trudno ci, a liczba parametrów, które musz by uwzgl dnione, aby
uzyska adekwatny opis przebiegu procesu i zachowania si materiału jest bardzo du a.
Do wiadczalna identyfikacja tych parametrów (ró norodnych stałych i funkcji
materiałowych) mo e okaza si trudna, pracochłonna i daleko wykraczaj ca poza zakres
bada standardowych. Ponadto materiały wykazuj
naturalne rozrzuty własno ci, co
dodatkowo utrudnia wszelkie analizy teoretyczne. W takich przypadkach wykorzystanie
stosunkowo prostych prób technologicznych staje si w pełni uzasadnione, mimo pewnych
ogranicze przy bezpo rednim zastosowaniu ich wyników w praktyce przemysłowej. Nale y
doda , e wiele prób technologicznych, sprawdzonych w praktyce, stanowi przedmiot zalece
normatywnych, co zapewnia ustalone warunki ich realizacji. Próby realizowane
w identycznych warunkach, na takiej samej aparaturze i przy u yciu jednakowego
oprzyrz dowania wykazuj na ogół wystarczaj c dokładno i powtarzalno wyników dla
celów bada odbiorczych i porównawczych.
6.3. Badania przydatno ci materiałów do kształtowania plastycznego
Materiały przydatne do kształtowania plastycznego powinny odznacza si zdolno ci do
odkształce plastycznych przy równoczesnym zachowaniu spójno ci. Cech t okre la si
ogólnie jako plastyczno , własno ci plastyczne lub odkształcalno . Miar odkształcalno ci
mo e by tzw. odkształcenie graniczne, wyra one np. przez intensywno odkształce 2
w momencie i miejscu utraty spójno ci, mo liwe do osi gni cia przy danej historii staniu
napr enia i w okre lonych warunkach termodynamicznych. Nale y doda , e warto
odkształcenia mo liwa do zrealizowania w procesie technologicznym mo e by ograniczona
nie tylko przez odkształcalno materiału (w sensie podanej wy ej definicji), lecz równie
przez zjawisko utraty stateczno ci (poprzedzaj ce proces dekohezji), wytrzymało (dora n
lub zm czeniow ) narz dzi kształtuj cych lub inne zjawiska (np. zwi zane z tarciem na
powierzchni kontaktu narz dzia z materiałem odkształcanym).
Jednoznaczne stwierdzenie, czy dany materiał nadaje si do kształtowania w konkretnym
procesie lub operacji obróbki plastycznej na podstawie znajomo ci jego własno ci
plastycznych, np. wydłu enia (całkowitego lub równomiernego) i przew enia zwykle nie
jest mo liwe. Jest to spowodowane specyficznymi cechami i warunkami realizacji procesów,
a zwłaszcza wyst powaniem zró nicowanych stanów napr enia i odkształcenia
w poszczególnych fazach kształtowania, nawet w obr bie jednego wyrobu kształtowanego.
Przykładowo: podczas wytłaczania w strefie kołnierza wyst puje ciskanie obwodowe
i rozci ganie promieniowe, w powstaj cej ciance i dnie wytłoczki - dwuosiowe rozci ganie,
oraz - dodatkowo - zginanie na zaokr glonej kraw dzi płyty ci gowej. W zwi zku z tym
materiał winien mie wysokie własno ci plastyczne i nisk granic plastyczno ci tylko
w strefie kołnierza i w obszarze gi cia - natomiast powstaj ca cianka wytłoczki powinna
mie du wytrzymało . Tak specyficzne wymagania spełniaj blachy, które charakteryzuj
si du ym współczynnikiem anizotropii normalnej R r ≅ 2 i/lub du warto ci iloczynu nR r
(n jest wykładnikiem funkcji pot gowej opisuj cej krzyw wzmocnienia)3.
Ocena przydatno ci materiału do kształtowania plastycznego wymaga wi c zwykle
wykonania dodatkowych bada w celu identyfikacji szeregu parametrów konstytutywnych
(np. parametrów ortotropii)4, niezb dnych w modelowaniu matematycznym zło onego
procesu kształtowania z uwzgl dnieniem zjawisk dekohezji i utraty stateczno ci.
Przykładowo, analiza mo liwo ci wykonania za pomoc tłoczenia ró norodnych wyrobów
o zło onych kształtach (np. wytłoczek karoseryjnych) wymaga znajomo ci tzw. krzywych
odkształce granicznych (patrz p. 6.5), których wyznaczanie (do wiadczalne lub teoretyczne)
stanowi powa ny problem.
Alternatyw
jest przeprowadzenie stosunkowo prostych bada
własno ci
technologicznych. Dla blach s to tzw. próby tłoczno ci. Dla materiału pr towego ocen
odkształcalno ci (zwłaszcza na zimno) przeprowadza si m. in. w próbach sp czania
i zginania.
Pewn ogóln koncepcj okre lania przydatno ci materiałów do kształtowania
plastycznego na zimno dla blach i pr tów zawarto w [4,5]. Polega ona na okre laniu tzw.
2
Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia I.
Patrz Informacja merytoryczna do wicze I, II i VII.
4
Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia II.
3
współczynnika pewno ci technologicznej N, który jest definiowany w zale no ci od rodzaju
zjawisk ograniczaj cych wielko odkształce plastycznych w danym procesie, np:
N = Np =
ε gr
ε max
> 1, N w =
Pgr
Pmax
> 1, N n =
p gr
p max
>1
(IV.1)
gdzie: Np, Nw i Nn - współczynniki pewno ci technologicznej, okre lane odpowiednio na
podstawie: odkształce , sił i nacisków jednostkowych na powierzchniach narz dzi
kształtuj cych, εgr, Pgr, pgr - warto ci graniczne (dopuszczalne) odkształce , sił i nacisków
jednostkowych, εmax, Pmax, pmax - odpowiednie warto ci maksymalne, wyst puj ce
w realizowanym procesie technologicznym. Warunkiem poprawnej realizacji procesu jest,
aby N > 1.
Przypadek N p ≤ 1 oznacza, e została przekroczona (osi gni ta) graniczna warto
odkształcenia, co grozi naruszeniem spójno ci materiału kształtowanego. Gdy N w ≤ 1 przekroczono lub osi gni to graniczn warto siły, któr mo e przenie cz
kształtowana
- wyst pi wi c powstanie niepo danych odkształce , wzgl dnie p kni cie lub utrata
stateczno ci materiału poza wła ciw stref odkształce (np. drut ulegnie zerwaniu poza
ci gadłem, pr t przepychany ulegnie wyboczeniu przed matryc itp.). Wreszcie je eli N n ≤ 1
- nast pi zniszczenie narz dzia kształtuj cego wskutek przekroczenia lub osi gni cia
napr e
dopuszczalnych (wytrzymało ci dora nej lub zm czeniowej), wzgl dnie
pogorszenie gładko ci powierzchni wyrobu wskutek tworzenia si narostów i zacierania.
Według [4,5] współczynnik N mo na przedstawi jako funkcj Φ , zale n od parametrów
materiałowych mi (i = 1, 2, ...) oraz geometrycznych gi (w ustalonych warunkach
termodynamicznych):
N = Φ (m 1 , m 2 , ... , g 1 , g 2 , ...)
(IV.2)
przy czym parametry materiałowe wyznacza si zarówno na podstawie standardowych bada
własno ci wytrzymało ciowych i plastycznych, jak i w próbach technologicznych. Konkretna
posta funkcji Φ jest ustalana w oparciu o przesłanki teoretyczne i badania do wiadczalne.
Przykładowo [5] dla procesu wytłaczania wytłoczek osiowo - symetrycznych
współczynnik pewno ci technologicznej Nw mo e by okre lony ze wzoru:
Nw =
k4k5
(IV.3)
g
k 1 k 2 + µk 3 + 0,6 0
rm
gdzie:
1
(R 0 + 2 R 45 + R 90 )
4
k 1 = f (R r , m 1 )
R
g
k3 = f
, m1
D0
r
k 4 = f s , k 5 = f (R r , n )
g0
r
=
m1 =
d1
D0
k 2 = f (n, m 1 )
(IV.4)
µ - współczynnik tarcia na zaokr glonej promieniem rm kraw dzi płyty ci gowej, g0 - grubo
blachy, R r - rednia warto współczynnika anizotropii normalnej, R0, R45, R90 - odpowiednie
współczynniki anizotropii normalnej, wyznaczone dla próbek o osiach tworz cych
z kierunkiem walcowania blachy k ty 0o, 45o i 90o, m1 - współczynnik wytłaczania, d1 rednica wytłoczki, D0 - rednica kr ka blachy przed wytłaczaniem, n - wykładnik
w równaniu opisuj cym krzyw wzmocnienia, rs - promie zaokr glenia kraw dzi stempla
(patrz te Informacja merytoryczna do wicze : I, II, VII).
Dla kształtowania w warunkach dwuosiowego rozci gania stemplem osiowo symetrycznym [5]:
Np =
h
ds
gr
h
ds
=
k 20 + k 21
h
ds
(IV.5)
gdzie:
k 20 = f
rs d s
,
ds g
k 21 = f IE,
ds
g
(IV.6)
h - gł boko kształtowanego wybrzuszenia, ds - rednica stempla, IE - liczba Erichsena
(patrz p. 6.4); pozostałe oznaczenia - jak poprzednio.
Dla operacji sp czania swobodnego na zimno pr tów osiowo - symetrycznych [4]:
Np =
d
d0
d
d0
gr
=
Sk
d
d0
(IV.7)
gdzie:
k = 0,94 1,346 − 3,382µ + (0,115 − 0,22µ )
h0
d0
(IV.8)
d, d0 - rednice pr ta po i przed sp czaniem, h0 - wysoko przed sp czaniem, S - wska nik
z próby sp czania na kowadłach rowkowanych (patrz p. 6.4).
We wzorach (IV.4) i (IV.6) jednym symbolem f oznaczono ró ne funkcje odpowiednich
argumentów, zestawione w postaci tabelarycznej w [5].
Przedstawiona powy ej koncepcja pozwala na odpowiednie uogólnienie i szersze
wykorzystanie wyników niektórych prób technologicznych.
6.4. Wybrane próby tłoczno ci blach
6.4.1. Próba Erichsena
Próba Erichsena (rys. IV/1) polega na kształtowaniu wgł bienia stemplem o zarysie
kulistym. Próbka okr gła lub kwadratowa jest dociskana do matrycy za pomoc dociskacza.
Miar tłoczno ci blachy jest liczba Erichsena (IE), która oznacza drog stempla
w milimetrach (z dokładno ci 0,1 [mm]) od chwili zetkni cia z próbk , do momentu
pojawienia si p kni cia na wskro blachy. Wi ksza liczba Erichsena oznacza oczywi cie
lepsz tłoczno .
Kierunek obserwacji
powstaj cej bruzdy
i p kni cia
2
IE [mm]
1
r 0,75
3
r 0,75
rk
4
Rys. IV/1. Schemat próby Erichsena: 1 – matryca, 2 – próbka, 3 – dociskacz, 4 – stempel
z zako czeniem kulistym
Prób wykonuje si za pomoc urz dze z nap dem hydraulicznym lub r cznym. Stosuje
si j w wielu krajach przy badaniach odbiorczych i porównawczych blach o grubo ci 0,1 - 2
[mm]. Norma [N1] podaje szczegółowe warunki wykonania próby (m. in. sposób wywarcia
nacisku dociskacza, rodzaj smarowania, moment przerwania próby, wymiary stempli
i matryc). rednice kulistych zako cze stempli Ds = 2 rk wynosz 20, 15, 8 i 3 [mm] i s
dostosowane do wymiarów próbek (okr głych lub kwadratowych), które mo na pobra
z blachy. Zwykle stosuje si stemple o rednicach Ds = 20 [mm] (chyba e bada si ta my lub
pasy o szeroko ciach mniejszych od 90 [mm]). Prób uwa a si za prawidłow , je eli
powstała wskutek p kni cia szczelina przepuszcza wiatło, a jej szeroko (stopie rozwarcia)
jest mo liwie równa i minimalna. Wymagania odno nie minimalnych warto ci IE dla blach
w ró nych kategoriach tłoczno ci (B - blacha bardzo gł bokotłoczna, G - głebokotłoczna, T tłoczna, P - płytkotłoczna) podaje norma [N2].
Próba Erichsena daje pewn ocen odporno ci blachy na p kanie poprzedzone utrat
stateczno ci (tworzeniem si bruzdy) podczas dwuosiowego rozci gania w obecno ci tarcia
na czole stempla. Poniewa podczas wgł biania stempla zachodzi wysuwanie si próbki spod
dociskacza - w strefie kołnierza pojawiaj si równie obwodowe napr enia ciskaj ce
(podobnie jak podczas wytłaczania) 5. Wynik próby daje dobr ocen przydatno ci blachy do
ci gnienia elementów kulistych, parabolicznych, sto kowych i o zło onych kształtach
w tłocznikach z ebrami lub progami ci gowymi oraz do ci gnienia hydraulicznego.
Do wad próby Erichsena mo na zaliczy :
5
Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia VII.
•
brak podobie stwa geometrycznego - przy stosowaniu stałej rednicy Ds kulistego czoła
stempla do badania blach o ró nych grubo ciach g0 - stosunek g0/Ds nie jest stały, wyniki
zale wi c od grubo ci blachy;
• dla stempli o ró nych rednicach otrzymuje si ró ne liczby Erichsena, przy czym nie ma
prostego sposobu wyznaczenia np. IE20, je eli znamy IE8 lub IE15 albo IE3 (indeksy dolne
oznaczaj rednice Ds [mm]);
• trudno wyeliminowania czynnika subiektywnego [3]: okre lenie momentu powstania
p kni cia i przerwania próby jest trudne i uzale nione od wykonuj cego badanie, st d
mo liwo rozrzutu wyników i bł dnego zakwalifikowania badanej blachy.
Poza wska nikiem liczbowym (IE) dodatkowo w próbie Erichsena ocenia si wielko
ziarna (wizualnie z obserwacji powierzchni wypukłej) oraz jednorodno materiału - na
podstawie kształtu p kni cia (winno przebiega w przybli eniu wzdłu łuku w kierunku
obwodowym).
6.4.2. Inne próby modeluj ce stan dwuosiowego rozci gania
Próby Olsena i Guillery ró ni si od próby Erichsena wymiarami narz dzi. W próbie
Avery miar tłoczno ci jest ró nica pomi dzy gł boko ciami wgł bie w momencie
powstania p kni cia otrzymanych w przypadku, gdy luz pomi dzy sztywn i gładk płyt
dociskacza i blach wynosi ok. 0,05 [mm] oraz przy zaci ni tym dociskaczu o powierzchni
radełkowanej. W próbie Jovignota (rys. IV/2) wybrzuszenie jest kształtowane ci nieniem
cieczy (bez tarcia), a miar tłoczno ci jest okre lana w momencie p kni cia liczba Jovignota
LJ, która wyra a wzgl dny przyrost powierzchni próbki (oznaczenia jak na rys. IV/2):
∆S 2 πRh − πr 2 h 2
=
= 2
S0
πr 2
r
(IV.9)
2
1
3
p
h
LJ =
R
r
p
Rys. IV/2. Schemat próby Jovignota: 1 – matryca, 2 – próbka, 3 – komora ci nieniowa
Na podstawie próby mo na okre li maksymalne napr enia promieniowe σrr i obwodowe
σθθ w blasze (przy zało eniu kulistego kształtu wybrzuszenia):
σ rr = σ θθ =
(
p max R p max r 2 + h 2
=
2g 0
4g 0 h
)
(IV.10)
gdzie: pmax - maksymalne ci nienie oleju w komorze ci nieniowej urz dzenia, g0 - grubo
blachy.
W próbie NPL (Gough, Hankins) opartej na tej samej zasadzie co próba Jovignota
rejestruje si wielko h (lub R) i ci nienie p. Dane te ł cznie ze znajomo ci odpowiednich
warto ci odkształce promieniowych na biegunie wybrzuszenia (czaszy kulistej) pozwalaj
na wyznaczenie krzywej wzmocnienia σp = f ( ε ). 6
6.4.3. Próba Engelhardta i Grossa
Próba Engelhardta i Grossa (rys. IV/3, IV/4) modeluje proces wytłaczania i jest
przeznaczona do badania blach o grubo ciach 0,5 - 2 [mm]. Przeprowadza si j za pomoc
specjalnego urz dzenia o nap dzie hydraulicznym w dwóch etapach:
• wytłaczanie z dociskaczem o odpowiednio dobranej stałej sile docisku do gł boko ci
nieco wi kszej ni ta, przy której siła wytłaczania osi ga maksimum,
• dalsze wytłaczanie po uniemo liwieniu wysuwania si materiału spod płyty dociskacza
wskutek zadziałania dodatkowego dociskacza blokuj cego - a do zerwania cianki
wytłoczki.
1
3
ds
5
4
rs
rm
2
d1
D0
Rys. IV/3. Schemat próby Engelhardta i Grossa: 1 – stempel, 2 – matryca, 3 – próbka, 4 – dociskacz
płaski, 5 – dociskacz blokuj cy
6
Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia I.
P
a
b
Pzr
Pt
s
Rys. IV/4. Zale no siły P od drogi stempla s podczas próby Engelhardta i Grossa: a – przytrzymanie
materiału przez dociskacz blokuj cy, b – p kni cie cianki wytłoczki
Urz dzenie badawcze posiada dwa manometry do automatycznego odczytu ci nie
w układzie hydraulicznym - maksymalnego (pt) w pierwszym etapie próby oraz zrywaj cego
(pzr) w momencie p kni cia (lub odpowiednich sił Pt i Pzr - patrz rys. IV/4). Miar tłoczno ci
jest wska nik T:
T=
Pzr − Pt
100 %
Pzr
(IV.11)
wyra aj cy wzgl dn nadwy k siły zrywaj cej nad maksymaln , wyst puj c w procesie
wytłaczania (zapas bezpiecze stwa). Wi ksza warto
T oznacza lepsz tłoczno .
W badaniach stosuje si kr ki z blachy o rednicy D0 = 52 [mm] (wycinane z pasa blachy
bezpo rednio w urz dzeniu badawczym) i stempel o rednicy ds = 30 [mm] oraz dwie
wymienne matryce o rednicach dm = 34,2 [mm] i 35.5 [mm] (odpowiednio dla blach
o grubo ciach g = 0,5 – 1,5 [mm] i 2 [mm] > g ≥ 1,5 [mm]). Współczynnik wytłaczania
m1 ≅ 0,58. W próbie mo na ocenia tak e wielko
ziarna (na podstawie wygl du
powierzchni w pobli u przej cia cianki w dno wytłoczki) i jednorodno materiału (linia
p kni cia winna przebiega w kierunku obwodowym). Kształt kołnierza wytłoczki pozwala
na okre lenie stopnia anizotropii płaskiej badanej blachy.
Na podstawie próby Engelhardta i Grossa mo na wła ciwie oceni przydatno blach do
wytłaczania. Np. niektóre materiały w stanie umocnionym (m. in. aluminium) maj ni sze
warto ci minimalnych współczynników wytłaczania (patrz p. 6.4.5) i równocze nie wy sze
wska niki T w porównaniu z nie umocnionymi, co oznacza lepsz tłoczno - podczas gdy
wyniki prób Erichsena dla blach umocnionych wskazuj - nieprawidłowo w odniesieniu do
wytłaczania - tłoczno ni sz . Zalet próby Engelhardta i Grossa jest mały wpływ grubo ci
blachy na uzyskane wyniki i eliminacja czynników subiektywnych, co zapewnia dobr
powtarzalno wyników.
6.4.4. Próba przeginania
Prób przeginania stosuje si do badania blach o grubo ci do 3 [mm] [N3]. Wahadłowe
zginanie (rys. IV/5) odbywa si w przyrz dzie o nap dzie mechanicznym lub r cznym,
zwykle wyposa onym w licznik podwójnych zgi . Wska nik tłoczno ci nz jest liczb
podwójnych zgi do momentu p kni cia. Im wi ksze nz, tym lepsza tłoczno . Wska nik nz
zale y od stosunku r/g0 (r oznacza promie zaokr glenia kraw dzi, wokół której nast puje
zginanie) oraz od orientacji osi próbki wzgl dem kierunku walcowania blachy (dla blach
anizotropowych). Zwykle liczba podwójnych zgi nz jest najwi ksza, gdy linia gi cia jest
prostopadła do kierunku walcowania. Stopie anizotropii blachy mo na oceni obliczaj c
współczynnik Z:
Z=
n z ||
nz⊥
(IV.12)
100 %
gdzie: n z || , n z ⊥ - liczby podwójnych zgi
do momentu p kni cia przy liniach gi cia
odpowiednio: równoległej i prostopadłej do kierunku walcowania. Oczywi cie im mniejszy
współcznnik Z, tym wi kszy stopie anizotropii.
g0
1
3
Rys. IV/5. Schemat próby przeginania: 1 – próbka,
2 – rolki, 3 – uchwyt przeginaj cy
2
r
6.4.5. Próba miseczkowania (AEG)
Próba (rys. IV/6) polega na wyznaczaniu minimalnych współczynników wytłaczania
m1min7:
m 1 min =
ds
D 0 max
(IV.13)
przy czym ds jest rednic stempla, D0max oznacza maksymaln rednic , przy której mo na
jeszcze otrzyma prawidłow wytłoczk (bez p kni cia). Najcz ciej stosuje si jeden
stempel oraz wymienne matryce (dla ró nych grubo ci blach). rednic D0max mo na
wyznacza ró nymi sposobami. Zwykle wykonuje si 3 próby dla 3 ró nych rednic kr ków:
D01, D02 i D03. rednice te s dobrane w ten sposób, e pierwsze dwie zapewniaj wykonanie
prawidłowej wytłoczki, a trzecia prowadzi do zerwania cianki. Mierzy si odpowiednie siły
tłoczenia: F1 i F2 oraz sił zrywaj c Fzr. rednic D0max, któr nale y podstawi do wzoru
7
Współczynnik wytłaczania mo e by zdefiniowany nieco inaczej (patrz np. wzory (IV.4) oraz Informacja
merytoryczna do wiczenia VII). Jednak wobec niewielkich ró nic pomi dzy rednicami stempla, otworu
w płycie ci gowej oraz rednic redni (mierzon w połowie grubo ci cianki wytłoczki) nie ma to wi kszego
znaczenia.
(IV.13) wyznacza si przez ekstrapolacj przy zało eniu, e trzy punkty o współrz dnych:
(D01, F1), (D02, F2) i (D0max, Fzr) le na jednej prostej (rys. IV/7). Ostatecznie otrzymuje si
zwi zek:
m 1 min =
ds
D 0 max
=
Fzr (D 02
d s (F2 − F1 )
− D 01 ) − F1 D 02 + F2 D 01
(IV.14)
Wyniki prób miseczkowania mog by bezpo rednio wykorzystane w praktyce (np.
w projektowaniu procesów technologicznych) - je eli spełnione s prawa podobie stwa
modelowego, co oznacza równo
(dla rzeczywistych i modelowych wytłoczek)
nast puj cych parametrów: g0/D0, rs/g0, rm/g0, s/g0 (oznaczenia jak na rys. VII/6) i redniego
nacisku jednostkowego q dociskacza 8 oraz jednakowych warunków tarcia. Zalecane warto ci
współczynników wytłaczania mo na znale m. in. w [5].
3
1
4
ds
rs
g0
rm
2
s
dm
D0
Rys. IV/6. Schemat próby miseczkowania: 1 – stempel, 2 – matryca, 3 – próbka, 4 – dociskacz
P
Pzr
P2
B
C
A
P1
D01
D02 D0max
D0
Rys. IV/7. Sposób wyznaczania rednicy D0max w próbie miseczkowania przez ekstrapolacj prostej AB
do punktu C (dla D0 ≥ D0max , P = Pzr)
8
Patrz Informacja merytoryczna do wiczenia VII.
6.4.6. Próba Fukui
Próba Fukui polega na kształtowaniu wytłoczki z płaskiego kr ka blachy o rednicy D0
w sto kowej matrycy o k cie rozwarcia 60o (rys. IV/8). Stempel ma zako czenie kuliste.
Ocen tłoczno ci przeprowadza si na podstawie wska nika Fukui ηF:
ηF =
d st d st max + d st min
=
D0
2D 0
(IV.15)
gdzie: dst max, dst min - odpowiednio: najwi ksza i najmniejsza warto maksymalnej rednicy
sto kowej wytłoczki w momencie p kni cia. Inn miar tłoczno ci jest warto D0max . Jest to
maksymalna rednica kr ka, z której mo na otrzyma prawidłow wytłoczk (bez
p kni cia). Mo na j wyznaczy metod kolejnych prób lub podobnie jak w próbie
miseczkowania. Mniejsze warto ci ηF i wi ksze D0max oznaczaj lepsz tłoczno . Obydwa
kryteria tłoczno ci s jednakowo przydatne i mog by stosowane alternatywnie. W próbie
nie stosuje si dociskacza, a blacha zachowuje stateczno (nie ulega pofałdowaniu wskutek
istnienia w cz ci sto kowej obwodowych napr e ciskaj cych) je eli D0 = (50 - 70) g0.
Prób przeprowadza si przy stałym stosunku (dm+ds)/2D0 dla blach o grubo ciach 0,4 - 2
[mm]. Zalet próby Fukui jest du a powtarzalno wyników, które ponadto prawie nie zale
od grubo ci blachy. Podobnie jak w próbie Erichsena, z obserwacji wypukłej powierzchni
wytłoczki w pobli u p kni cia mo na orientacyjnie okre li wielko ziarna oraz - na
podstawie przebiegu linii p kni cia - wnioskowa o jednorodno ci badanego materiału.
Porównanie rednic dst max i dst min dostarcza informacji o stopniu anizotropii płaskiej blachy.
b)
a)
60
o
2
1
Do
dst
ds
rs
dm
Rys. IV/8. Próba Fukui: a) schemat, b) wymiary pocz tkowe i ko cowe próbki; 1 – stempel, 2 –
matryca
6. 4.7. Próba KWI (Siebel i Pomp, Kaiser Wilhelm Institut)
Próba KWI opracowana przez Siebela i Pompa (rys. IV/9) polega na wytłaczaniu
wytłoczki za pomoc stempla o rednicy ds = 40 [mm] z kwadratowej próbki o boku A = 80
[mm]. W rodku próbki jest wykonany otwór o gładkich ciankach (np. rozwiercany)
o rednicy d0 = 12 [mm]. Podczas próby nast puje poszerzanie otworu, a do pojawienia si
na jego brzegu p kni w kierunku promieniowym. Miar tłoczno ci jest wska nik εKWI:
ε KWI =
d r − d0
100 %
d0
(IV.16)
d max + d min
, dmax, dmin - odpowiednio: maksymalna i minimalna rednica otworu
2
w dnie wytłoczki w chwili pojawienia si p kni (rys. IV/9 b).
gdzie: d r =
a)
dm
3
d0
rm
2
4
rs
ds
1
b)
A
dmin
p kni cie
dmax
Rys. IV/9. Próba KWI: a) schemat, b) wymiary ko cowe próbki; 1 – stempel z pilotem, 2 – matryca,
3 – próbka kwadratowa z otworem, 4 – dociskacz
Okre lenie momentu przerwania próby jest do trudne, st d mo liwo znacznego
rozrzutu wyników. Próba modeluje stan napr e wyst puj cy w operacjach wywijania
obrze y otworów (dwuosiowe rozci ganie w dnie wytłoczki i jednoosiowe rozci ganie
w kierunku obwodowym na brzegu otworu). Wytrzymało na rozci ganie badanej blachy Rm
mo na oszacowa ze wzoru:
Rm =
Pmax
π(d s − d 0 )g 0
(IV.17)
gdzie Pmax jest maksymaln sił w czasie próby. Podobnie jak w próbie Erichsena dokonuje
si oceny wielko ci ziarna.
6.4.8. Inne próby tłoczno ci
Oprócz wy ej przedstawionych zaproponowano szereg prób tłoczno ci, m. in. próby
zginania i podwójnego zginania, próby polegaj ce na przeci ganiu trapezowego paska blachy
przez klinow matryc – modeluj ce odkształcenia wycinka kołnierza wytłoczki osiowo symetrycznej (Sachs, Kayseler) oraz ró norodne próby wielostopniowego ci gnienia, które
sprawdzaj zachowanie si blachy przy du ych odkształceniach plastycznych bez wy arzania.
Dalsze informacje mo na znale w literaturze (obszerny wykaz publikacji z tej dziedziny
zawiera m. in. praca [2]).
6.5. Krzywe odkształce granicznych (graniczne krzywe tłoczno ci)
Krzywymi odkształce granicznych nazywamy linie na płaszczy nie odkształce
głównych (ε1,ε2), b d ce miejscem geometrycznym punktów utraty stateczno ci lub
naruszenia spójno ci (kierunki główne 1 i 2 le w płaszczy nie blachy). Krzywe te
opracowane po raz pierwszy przez Keelera i Goodwina (rys. IV/10) mog by wyznaczone
dla danego materiału analitycznie (na podstawie kryteriów utraty stateczno ci oraz praw
płyni cia przy zało eniu wzmocnienia izotropowego) lub do wiadczalnie. Stanowi one
cenn pomoc przy projektowaniu procesów tłoczenia - kształtowania wytłoczek o zło onych
kształtach. Wykonuj c pomiary odkształce głównych na powierzchniach próbnych lub
modelowych wytłoczek (np. metod siatek koordynacyjnych)9 mo na oceni , w których
miejscach wyst puje niebezpiecze stwo utraty stateczno ci lub naruszenia spójno ci.
U yteczno krzywych odkształce granicznych jest widoczna szczególnie wtedy, gdy mamy
mo liwo dokładnego modelowania matematycznego procesu - np. metod elementów
sko czonych. Znaj c z oblicze warto ci odkształce ε1 i ε2 ju na etapie modelowania
mo emy okre li , czy dany kształt powłoki jest mo liwy do ukształtowania bez utraty
stateczno ci lub naruszenia spójno ci - przy czym nie ma potrzeby wykonywania szeregu
tłoczników próbnych. Skraca to znacznie czas i obni a koszty przygotowania produkcji nowej
serii wytłoczek (np. karoseryjnych).
9
Metoda siatek koordynacyjnych polega na wyznaczaniu składowych tensora odkształce sko czonych na podstawie pomiaru współrz dnych w złów siatki koordynacyjnej. Niezb dna jest znajomo tych współrz dnych
przed i po danym etapie odkształcenia. Siatki koordynacyjne nanosi si na powierzchni blachy sposobem
mechanicznym lub chemicznym.
ε1
Obszar naruszenia spójno ci
Utrata spójno ci
Utrata stateczno ci
Utrata stateczno ci
(tworzenie bruzdy)
Obszar bezpieczny (ε2 < 0)
Obszar bezpieczny (ε2 > 0)
ε2
0
Rys. IV/10. Schemat przebiegu krzywych odkształce granicznych Kellera – Goodwina na płaszczy nie
odkształce głównych ε1, ε2
Nale y doda , e wyznaczanie krzywych odkształce granicznych stanowi powa ny
problem do wiadczalny i teoretyczny. Jest to spowodowane m. in. faktem, i moment utraty
stateczno ci (lub utraty spójno ci) zale y od historii stanu odkształcenia, a nie tylko od
ko cowych warto ci ε1 i ε2. W ramach mi dzynarodowego programu badawczego Inco Copernicus został opracowany [1] specjalny system projektowania procesów tłoczenia, który
umo liwia przewidywanie momentu utraty stateczno ci blachy na podstawie przebiegu
krzywych odkształce granicznych. Krzywe te s konstruowane teoretycznie na podstawie
warto ci napr e obliczanych metod elementów sko czonych. Konieczna jest znajomo
konkretnej postaci funkcji wyra aj cej wpływ odkształcenia i pr dko ci odkształcenia na
napr enie uplastyczniaj ce materiału. Dalsze informacje mo na znale w [1,7,8].
6.6. Próba sp czania na kowadłach rowkowanych
Próba słu y do oceny przydatno ci materiałów pr towych do kształtowania plastycznego
na zimno. Odpowiedni schemat pokazano na rys. IV/11. Próbk walcow o smukło ci h0/d0 =
1,4 poddaje si sp czaniu na kowadłach rowkowanych do momentu powstania na pobocznicy
pierwszego p kni cia widocznego gołym okiem. Miar odkształcalno ci materiału jest
wska nik S:
S=
Dr
d0
(IV.18)
D1 + D 2
, D1 - rednica mierzona w pobli u p kni cia, D2 - rednica prostopadła
2
do D1 (rys. IV/11 c). Im wi ksza warto S - tym wi ksza odkształcalno .
Próbki odcina si z pr ta i obrabia powierzchnie czołowe aby zapewni ich równoległo .
Wykonuje si równie nawiercenia słu ce do centrowania na rodkowych sto kach kowadeł
(rys. IV/11 b). Pobocznice próbek pozostawia si bez obróbki. Sp czanie przeprowadza si
zwykle na maszynie wytrzymało ciowej w specjalnym przyrz dzie, zapewniaj cym
równoległo powierzchni kowadeł. Zastosowanie kowadeł rowkowanych daje efekt wzrostu
gdzie: D r =
sił tarcia na powierzchniach kontaktowych, co zwi ksza obwodowe napr enia rozci gaj ce
na powierzchni swobodnej próbki i przyspiesza moment p kni cia.
a)
b)
120o
P kni cie
h1
120o
∅ 3,2
0,4
c)
P kni cie
D1
Rys. IV/11. Próba sp czania na kowadłach
rowkowanych wg zalece CIRP ICFG oraz INOP
[4]: a) schemat, b) rowkowana powierzchnia
kowadeł, c) sposób pomiaru rednic D1 i D2
D2
7. Literatura
1. J. Gronostajski, Z. Gronostajski, A. Niechajowicz, Z. Zimniak: Badania i projektowanie
procesów tłoczenia blach. Materiały konferencyjne XII Konferencji Sprawozdawczej
„Metalurgia’ 98”, wyd. Akapit, Kraków 1998
2. Z. Marciniak: Odkształcenia graniczne przy tłoczeniu blach. WNT, Warszawa 1971
3. Morawiecki, L. Sadok, E. Wosiek: Przeróbka plastyczna. Podstawy teoretyczne. Wyd.
„ l sk”, Katowice 1977, 1986
4. Ocena materiałów hutniczych z punktu widzenia wymaga obróbki plastycznej na zimno.
Cz
I. Pr ty. Opracowanie zbiorowe pod red. A. Turno. Instytut Obróbki Plastycznej,
Pozna 1980
5. Ocena materiałów hutniczych z punktu widzenia wymaga obróbki plastycznej na zimno.
Cz
II. Blachy. Opracowanie zbiorowe pod red. A. Turno. Instytut Obróbki Plastycznej,
Pozna 1981
6. W. P. Romanowski: Poradnik obróbki plastycznej na zimno. WNT, Warszawa 1976
7. F. Stachowicz: Do wiadczalne i teoretyczne wyznaczanie przebiegu krzywych
odkształcalno ci granicznej blach. Materiały konferencyjne XII Konferencji
Sprawozdawczej „Metalurgia’ 98”, wyd. Akapit, Kraków 1998
8. Z. Zimniak: System projektowania technologii trójwymiarowego tłoczenia blach. Projekty
badawcze z zakresu przeróbki plastycznej, metaloznawstwa i technologii spiekowych.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997
8. Wykaz norm
N1. PN – 68/H – 04400
N2. PN – 69/H – 92121
N3. PN – 55/H – 04407
N4. PN – 57/H – 04408