SVEUILITE U MOSTARU

FAKULTET STROJARSTVA I RAUNARSTVA

- strojarstvo

Kolegij: Proizvodni postupci, strojevi i oprema

Specifini postupci oblikovanja

Seminarski rad

Mostar, veljaa 2016. godine A

5.1 Samarenje

Takvo povrinsko tretiranje mogue je realizirati statikim ili dinamikim (udarnim) nainom.U statike spadaju postupci hladnog razvaljavanja, provlaenje trna kroz otvor, zaglaivanje, a u dinamiko samarenje, obrada ultrazvukom, udarno razvaljivanje, vibraciono udarna obrada povrine Svi udarni naini koriste se za serijsku i masovnu proizvodnju. Razmotrit e se djelovanje kugle koju utiskujemo u povrinu. Bez obzira da li je utiskivanje kugle (alat) izvreno statikim ili udarnim djelovanjem na povrini e se pojaviti otisak kugle. Tvrda kugla pod djelovanjem sile F u poetku e izazvati elektrinu, a zatim plastinu deformaciju materijala povrine. Prestankom djelovanja sile F, a zbog djelovanja elastinih sila, ostaje trajna plastina deformacija otiska kugle promjera d i dubine h1. Plastino deformirana zona ispod povrine utisnine je uniformno rasporeena. Strukture elinog materijala imaju razliite sposobnosti ovrenja. Kod martenzita je dubina plastino deformirane zone vea nego kod drugih struktura. Sorbit daje najmanju dubinu Stupanj ovrenja razliitih strukturaizraen relativnim prirastom tvrdoe HV/HV, a postignut pod inae jednakim uvjetima, za razliite stukture prikazan je kvalitativno:

Slika 5.1: Prikaz stupnja ovrenja razliitih struktura

Dubina deformirane zone praktiki je ista bez obzira je li postignuta statikim ili udarnim nainom uz uvjet da je promjer kugle jednak.

Slika 5.2: Prikaz dubine deformirane zone

Udarno optereenje povrine odreeno je energijom udara alata i brzinom deformacije. Energiju udara postiemo razliitim nainima: komprimiranim zrakom (u struji kojeg se nalazi sama), tlakom tekuine ili koritenjem centrifugalne sile. Pri tome treba voditi rauna da mora biti na raspolaganju do 30% vie energije od one koja je nuna za plastinu deformaciju. Gubitci nastaju zbog elastinog odraza alata i savladavanja sile trenja. Oprez kodobrade PPD stvara se toplina deformacijskog rada uloenog za plastinu deformaciju i savladavanje trenja. Toplina deformacije stvara se u zoni deformacije, a trenja u povrinskoj zoni kontakta. Razumljivo je da e na brzinu zagrijavanja biti od najznaajnijeg utjecaja ne samo brzina, nego i tlak te dimenzije alata za PPD. Kod intenzivnih reima obrade lokalne temperature povrinskih slojeva dostiu ak 800 do 1000C. Takvo zagrijavanje moe izazvatitermoplastinu deformaciju i sve one pojave koje smanjuju efekt ovrenja. Obrada PPD izaziva vrlo sloene strukture i fazne pretvorbe u povrinskom sloju. On je definiran nizom geometrijskih i fizikalno-kemijskih parametara. Geometrijski su hrapavost i valovitost, a fizikalno kemijski su struktura, sastav faza, kemijski sastav, deformacija, zaostala naprezanja. Osnovni uzrok ovrivanja je razvoj dislokacija koje se nagomilavaju u blizini linija smicanja, a gibanje im je oteano zaprekama stvorenim u toku deformacije. Deformacijom prezasienih tvrdih otopina nastupa djelomino njihov raspad, a rezultat je izluivanje sitnih estica novih strukturnih tvorbi. Kad se one nau na kliznim plohama, blokiraju smicanje. Na temelju ovih saznanja slijedi nunost paljivog odabira reima izvoenja PPD s obzirom na obraivani materijal i stanje u kojem se on nalazi.

5.2 Oblikovanje djelovanjem fluida

Oblikovanje djelovanjem fluida je ekonomian nain proizvodnje dijelova iz oblikovljivih metala kao to su bakrene i aluminijske legure. Dobiveni proizvodi odlikuju se malom masomte povoljnim mehanikim svojstvima. Najvea uporaba oblikovanja fluidom pronalazi se u automobilskoj industriji gdje se ovim postupkom proizvode sloeni oblici malih masa i dobrihmehanikih svojstava. Takoer, ovu tehniku esto susreemo kod oblikovanja aluminijskih cijevi te okvira bicikla.

Oblikovanje fluidom je specijalan tip oblikovanja u kalupu koritenjem visokog tlaka radnog fluida koji na sobnoj temperaturi utiskuje materijal u kalupu upljinu.

Slika 5.3: Postupak oblikovanja metalne ploe(1. faza-okvir se otvara, 2. faza-dolazi metalnaploa koja se sa gornje strane tlai sa vodom, 3. faza-metalna ploa poprima oblik kalupa, 4.

faza-okvir se otvara metalna ploa izlazi)

Oblikovanje fluidom dijeli se s obzirom na vrstu obratka u dvije skupine:

Oblikovanje lima

Oblikovanje cijevi

Oblikovanje lima

Oblikovanje lima moe biti uz pomo membrane ili bez membrane. Ukoliko membrana postoji, nema izravnog kontakta izmeu radnog fluida i obratka. Ako nema membrane, kontakt je prisutan. Membrana postoji: radni komad smjeten je na tlanom prstenu ispod kojeg se nalazi ig. Radni fluid okruuje obradak pod relativno niskim inicijalnim pritiskom i potiskuje ga prema igu. Oblikovanje se ostvaruje kada se ig pone kretati prema komori ispunjenoj radnim fluidom. Tlak u komori se tada poveava (15000 psi to odgovara 103 MPa, 1034 bara) i pod tako visokim tlakom fluid oblikuje izradak oko iga. Nakon procesa oblikovanja tlak se smanjuje, ig se povlai u poetni poloaj i proces je zavren.

Oblikovanje cijevi

Kod oblikovanja cijevi pritisak se primjenjuje u unutranjosti cijevi. Cijev je privrena unutar kalupa eljeznog oblika i presjeka. Kada su kalupi privreni za cijev, ona se puni radnim fluidom, a unutranji pritisak uzrokuje oblikovanje cijevi prema konturama kalupa.

igovi eventualno mogu biti inkorporirani u alat (kalup) kako bi vrili pritisak na eljenim mjestima i oblikovali udubljenja u stjenci cijevi.

Slika 5.4: Primjer oblikovanja cijevi

Slika 5.5: Primjer moguih visina cijevi,mogua visina cijevi opada sapoveanjem stupnja sloenosti [7]

Zatvaranje

Suprotstavljeni tlani dio

Cijev

Gornja i donja polovica

Poveavanje

Kontrola tlaka,kontrola hidraulikog udara na horizontalne

Otvaranje prese,izbacivanje izratka

Utiskivanje

Sekundarna kontura

T-spoj

Slika 5.6: Primjer okvirne hidromehanike prese

Prednosti oblikovanja fluidom:

Uteda na alatu.

Kod oblikovanja lima potrebni su samo tlani prsten i ig. Membrana iza koje se nalazi fluid pod tlakom preuzima ulogu matrice. Na taj nain mogue je varirati debljinu materijala bez potrebe prilagoavanja alata.

Kod oblikovanja cijevi potreban je alat iz dva dijela kako bi se mogao otvarati i zatvarati.

Prilikom izrade alata potrebno je voditi rauna o tome da alat bude fino poliran.

Kompleksni oblici mogu biti oblikovani u samo jednoj fazi pomou oblikovanja fluidom.

Oblikovanje lima s membranom omoguava izradu gotovo neogranienih geometrija.

Oblikovanje cijevi ukljuuje nekoliko ograniavajuih faktora: tlak radnog fluida, debljina stjenke cijevi, vrstoa materijala, konstrukcija kalupa.

5. 3 Oblikovanje elektromagnetskim poljem

Ventil za punjenjePomini cilindar

Kliza

Pomono kolo

Horizontalni

Dio koji se suprotstavlja tlaku prese

U procesu oblikovanja elektromagnetskim poljem inducira se kratkotrajna struja u zavojnici koritenjem kapaciteta kondenzatora i visokobrzinskih prekidaa (strujni impulsivisoke frekvencije). Ova struja inducira magnetsko polje koje prodire u oblinji radni komad(materijal radnog komada takoer je vodi) u kojem se generira vrtlona struja. Magnetsko polje zajedno s vrtlonom strujom inducira pojavu Lorentzove sile koja uzrokuje deformiranje radnog komada (sile izmeu radnog komada i zavojnice su odbojnebudui da su inducirane struje suprotnog smjera). U procesu oblikovanja koritenjem elektromagnetskog polja materijal moe dostii brzinu od 100 m/s za manje od 0,1 ms.

Dinamika procesa, ukljuujui udarac u kalupu, poveava oblikovljivosti radnog komada iumanjuje pojavu elastinog povrata.

U osnovi, postupak EMF bi se mogao koristiti za oblikovanje lima u vrlo kompleksne izratke. Takova primjena bi naravno zahtijevala konstruiranje sofisticiranih sustava kojimabi bilo mogue kontrolirati prostornu i vremensku distribuciju magnetskog polja te time i silu oblikovanja koja djeluje na obradak. Budui da je izrada takovih sustava komplicirana, EMF postupak je ogranien na proizvodnju uglavnom osnosimetrinih izradaka.

Sustav se sastoji od niskonaponskog elektrinog kruga s visokim kapacitetom i visokobrzinskim prekidaima koji ga opskrbljuju visokofrekventnim strujnim impulsima uradnoj zavojnici. Metalni obradak (vodi) izloen je jakom trenutanom magnetnom polju. Lorentzova sila gura obradak od zavojnice. Modifikatori polja su masivni induktori koji modificiraju magnetno polje u eljenu konfiguraciju.

Slika 5.7: Shematski prikaz EMF sistema za izradu cjevastih izradaka [7]

INDUKTIVNOOPTEREENJE RADNO MJESTO POLJE-OBLIKOVANJ

NAPAJANJE

KONDENZATOR

PREKIDA

JEZGRA

Slika 5.8: Primjer EMF primjene oblikovanje cijevi pomou elektromagnetskog toka [8]

Problematika matematikog opisivanja procesa

Razumijevanje MF procesa zahtijeva rjeavanje viedimenzionalnog problema s elktro-magneto-termo-mehanikim interakcijama. Zahvaljujui jednostavnosti zavojnice koja se koristi za induciranje EM polja te jednostavnoj geometriji radnog komada, mnogi pokuajimatematikog opisivanja pretpostavili se vei dio procesa deformiranja dogaa nakon stvaranja elektromagnetskog impulsa. Ova je pretpostavka rezultirala razdvajanjem elektromagnetskog i mehanikog odgovora na problem. U nekim matematikim modelimasila oblikovanja promatrana je kao jednolini pritisak po povrini obratka sa sinusoidalnom zavisnou o vremenu. Ovo pojednostavljenje temeljeno je na pretpostavci da se promjene magnetnog polja dogaaju toliko brzo da magnetno polje ima minimalnu penetraciju u radni komad te da generira vrtlone struje u vrlo lokaliziranoj verziji (skin effect).

Sukladno tome, kod osnosimetrinih obradaka male debljine nije potrebno odreivati volumensku distribuciju EM polja.

MAGNETSKI TOK

RAVNA JEZGRA

IZRADAKPOLJE OBLIKOVANJA

KONTURA RAVNI DIO

JEZGRA

Na taj nain problem se matematiki moe opisati kao klasian proces oblikovanja sa odreenim ravnomjerno rasporeenim pritiskom po povrini. U praksi se pokazalo kako opisani matematiki model ne zadovoljava sloenije procese. Danas su u uporabi znatno sloeniji matematiki modeli kojima se uglavnom raunalno vri odreivanje moguih parametara procesa.

Slika 5.9: Primjer eksperimentalnog i stvarnog ponaanja izratka nakon obrade [8]

Prednosti oblikovanja elektromagnetskim poljem:

poboljana oblikovljivost,

poboljana raspodjela naprezanja,

smanjenje uestalosti nabiranja,

aktivna kontrola elastinog povrata,

greke na lokaliziranim oblicima su minimizirane.

5.4 Oblikovanje eksplozijom

Pri oblikovanju eksplozijom kemijska energija eksplozivne tvari koristi se za generiranje udarnih valova u nekom mediju (najee se radi u vodi) koji se usmjeravaju prema radnom komadu i deformiraju ga vrlo velikim brzinama. Oblikovanje eksplozijom koristi se za proizvodnju kompleksnih oblika te identinih zakrivljenja na relativno jednostavan nain. Gotovo svi tipovi metala: aluminij, elik, nehrajui elik, nikal i titan, mogu se

Vrijeme(s)

Tlak(Mpa)

Vrijeme(s)

Visina(h/ro)

oblikovati eksplozijom. Ova tehnologija datira iz 1888.godine ka je koritena za rezbarenje eljeznih ploa. Taj tip oblikovanja eksplozijom stavlja eksplozivno sredstvo u direktan kontakt s obratkom. Nakon Drugog svjetskog rata oblikovanje eksplozijom koristi se u avioindustriji za kompleksne komponente kao to je glava rakete Saturn V, za filtre goriva, naborane (valovite) ploe itd.

Mogunosti oblikovanja eksplozijom

Veliki izratci, dimenzija i do 10 m, mogu se oblikovati u samo jednoj fazi

Takoer se mogu oblikovati i vrlo debele ploe-elik debljine do 6 cm

Oblikovanje eksplozijom posebice je pogodno za proizvodnju malih serija, ali se takoer i velike serije mogu proizvoditi istovremenim oblikovanjem nekoliko komada

Postoje dva naina oblikovanja:

Direktni eksplozivna tvar smjetena je direktno na oblikovanom komadu. Detonacija proizvodi pritisak na povrinu obratka i potiskuje ga u kalup. Direktni pritisci na povrinu mogu iznositi i do 3500 MPa. Ovaj tip oblikovanja ukljuuje i veliki rizik od pogreke na obratku.

Indirektni eksplozija se dogaa u tekuini. Ploa koja se oblikuje smjetena je u kalupu, a upljina izmeu kalupa i ploe je vakumirana. Sustav se uranja u tekuinu. Eksploziv se nalazi u tekuini iznad ploe, na unaprijed odreenoj udaljenosti, gdje se detonira, a sile potiskuju plou unutar kalupne upljine. Pritisak na povrinu obratka iznosi do 1000 MPa.

Slika 5.10: Shematski prikaz direktnog postupka oblikovanja eksplozivom [8]

Slika 5.11: Shematski prikaz indirektnog postupka oblikovanja eksplozivom [8]

ICE DETONATORA

EKSPLOZIV

DRA

MATRICA

VAKUMSKA CIJEV

SIGURNA UDALJENOSTPRAZNI

NA

RAZINA VODE

SPREMNIK

Formirani

Hidroformni postupak

Kalup

Vakuum

Ne formirani metal

Eksploziv

Voda

Otvori za ventilaciju

Eksplozivni naboj

Zona

Slika 5.12: Primjer oblikovanja eksplozivom pomou matrice [8]

Prednosti oblikovanja eksplozijom

Postizanje finih tolerancija

Izbjegavanje skupih zavarivanja

Mogunost kontrole kvalitete dobivenih kontura

Smanjenje trokova izrade alata

Jeftinija alternativa superplastinom oblikovanju

Materijal alata

Materijali koji se koriste za izradu kalupa kod oblikovanja eksplozijom su: visokovrsti alatni elici, plastike, beton. Kalupi manje vrstoe koriste se za male proizvodne serije i ako se ne zahtijevaju vrlo uske tolerancije izratka. Za vee serije koriste se materijali vee vrstoe.

Tablica 2: Materijal za izradu alata i podruje primjene [8]

MATERIJAL ALATA PODRUJE PRIMJENE

Al-Zn legure Niski tlakovi, mali broj dijelova

Stakloplastika Niski tlakovi, mali broj dijelova

Stakloplastika i beton Niski tlakovi, veliki izratci

Smola i beton Niski tlakovi, veliki izratci

Pijesak

CijevMatrica(dva dijela)

Duktilni elik Visoki tlakovi, veliki broj dijelova

Beton Srednji tlakovi, veliki izratci

5.5 Mikrooblikovanje

Unutar posljednjih 10 godina dogaa se minijaturizacija proizvodnih tehnologija. Ova pojava dovodi do inovativnih proizvoda koji se koriste u automobilskoj industriji, zdravstvu, monitoringu okolia, vojnoj industriji itd. MIKROOBLIKOVANJE se definira kao proizvodnja dijelova, ije najmanje dvije dimenzije ne prelaze l mm. Istraivanja u podruju mikrooblikovanja pokazala su znaajne razlike u karakteristikama kako materijala, tako i proizvodnog procesa izmeu mikrodimenzija i konvencionalnih dimenzija. Ove razlike rastu u zavisnosti o razliitim faktorima kao to su veliina kristalnog zrna te hrapavost povrine.

Slika 5.13: Primjer razliitih metalnih dijelova koritenih u industriji [8]

Kada proces oblikovanja deformiranjem skrene u podruje mikrodimenzija, mikrostruktura radnog komada i topologija povrine ostaju nepromijenjene. Meutim, materijal radnog komada se vie ne moe smatrati kontinuumom budui da je veliki udio volumena zauzet pojedinanim kristalnim zrnom. Zbog toga su ogranienja proizvodnog procesa uvelike odreena dimenzijama radnog komada to se u literaturi naziva size effect.

Ponaanje materijala tijekom procesa nije openito opisano kao to je to sluaj s konvencionalnim procesima oblikovanja, nego se ispituje svaki proces zasebno.

Nekoliko je znanstvenika nastojalo istraiti utjecaj dimenzija obratka na ponaanje materijala i meudjelovanje povrina: Tiesler i Engel prouavali su utjecaj, minijaturizacije na volumensko oblikovanje kroz seriju pokusa ekstruzije CuZn15 legure. Koriteni uzorci varirali su u dimenzijama izmeu 0.5 i 4 mm, ali su meusobno zadravali geometrijsku slinost. Rezultat: autori su otkrili da je smanjenje dimenzija uzorka povealo faktor trenja do 20 puta. Takoer su bili u mogunosti odrediti da je poveanje hrapavosti povrine i poveanje veliine kristalnog zrna ~15O m naspram 50 m uzrokovalo i poveanje faktora trenja.

Raulea je istraivao efekte koji se odnose na omjer veliine zrna kod aluminija u odnosu na debljinu lima u dva eksperimenta: jednoosni tlani test u kojem je veliina zrna bila konstantna, a mijenjala se debljina lima i pokus savijanja u kojem se mijenjala veliina zrna, a debljina uzorka je ostajala konstantna. Rezultati su pokazali smanjenje naprezanja na granici ' teenja materijala sa smanjenjem broja kristalnih zrna po debljini uzorka. Ali, s druge strane, za veliinu zrna veu od debljine uzorka, naprezanje na granici teenja raste s poveanjem veliine kristalnog zrna.

Slika 5.14: Shematski prikaz ekstrudiranog trna za dva sluaja (manji trn i vei) [8]

5.6 Superplastino oblikovanje

Dvadesetih i tridesetih godina prolog stoljea u Engleskoj zapoinje istraivanje superplastinosti kada je primijeena neuobiajena duktilnost jedne ternarne eutektike legure Zn-Al-Cu te isto takovo ponaanje eutektikih legura Pb-Zn i Bi-Zn. Nakon II.svj.rata zapoeto je istraivanje ovog fenomena na legurama Al-Zn, a poetkom 70-ih u cijelom se svijetu poinje istraivati superplastinost u tehnolokoj primjeni. Cilj ovih istraivanja je ustanovljavanje proizvodnih uvjeta pod kojima se moe oblikovati materijalu superplastinom stanju.

Superplastino oblikovanje je danas najee u svojoj primjeni proces oblikovanja lima. Odvija se u skladu s teorijom superplastinosti, to znai da istezljivost koritenog materijala (metala) iznosi vie od 100%. Kako bi se omoguilo superplastino

Dimenzije

Veliki trn

Mali trn

oblikovanje, materijal mora imati vrlo malu veliinu kristalnog zrna (obino se radi o veliini zrna manjoj od 20 m). On se tada zagrijava, titan na temperaturu i oko 900 C , aluminij na temperaturu i izmeu 450 C i 520 C . Pod tim temperaturama vrstoa materijala je smanjena pa se koriste u procesima kao to je oblikovanje stlaenim zrakom (obino se radi o argonu), oblikovanje uz pomo vakuuma te duboko vuenje.

Slika 5.15: Primjer superplastinog oblikovanja pod tlakom [8]

Kod SPF aluminija zagrijavanje na 70-90% temperature taljenja brzina deformacije 1O-4 do 1O-2 mm u sekundi. Vrijeme trajanja proizvodnje jednog komada 30-120 minuta. Temperatura mora biti vrlo paljivo odreena i regulirana. Mogua je pojava upljina i pukotina. Ukoliko tlak nije primijenjen na obje strane lima, smanjenje tlaka i dalje uzrokuje teenje materijala.

Superplastino oblikovanje

Glavne prednosti procesa:

Proces se odvija u jednoj fazi.

Moe se koristiti za oblikovanje kompleksnih komponenti na oblik koji je vrlo blizak konanoj dimenziji.

Poveana istezljivost materijala. `

Eliminacija suvinih spojeva i zavara.

Pod

5

3

1 sat

Smanjenje naknadne potrebe za obradom.

Minimizacija koliine karta.

Slika 5.16: Shematski prikaz SPF procesa [9]

Uporaba superplastinog oblikovanja: Proces se uestalo koristi u avioindustriji kao nain proizvodnje vrlo kompleksnih

geometrija.

U automobilskoj industriji za dijelove karoserija.

U oblikovanju polimernih materijala.

Za oblikovanje sloenih dijelova kao to su okviri prozora te sjedala.

Inertni

Kalup

Tlak

Oblikovanimetalni lim

Superplastini metalni lim

Slika 5.17: Proizvodi dobiveni superplastinim oblikovanjem

Slika 5.18: Proizvodi dobiveni superplastinim oblikovanjem