of 59 /59
PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO Opracowanie: prof. dr hab. inż. Jan Sińczak Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Materiały pochodzą z książki Podstawy procesów przeróbki plastycznej opracowanej pod redakcją prof. dr hab. Inż. Jana Sińczaka - Wydawnictwo naukowe AKAPIT, Kraków 2010.

PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO · prasom Maxi jest, aby sztywność ich była jak największa, tzn. żeby miały jak naj- mniejszą sprężystość, ponieważ od tego zależy dokładność

  • Author
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO · prasom Maxi jest, aby sztywność ich była jak największa, tzn....

  • PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO

    Opracowanie: prof. dr hab. inż. Jan Sińczak

    Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

    Materiały pochodzą z książki Podstawy procesów przeróbki plastycznej opracowanej pod

    redakcją prof. dr hab. Inż. Jana Sińczaka - Wydawnictwo naukowe AKAPIT, Kraków 2010.

  • PROCESY KUCIA MATRYCOWEGO

    6.1. Charakterystyka procesu

    Przedmioty metalowe, w zależności od przeznaczenia, masy, wielkości serii

    można wykonywać różnymi metodami: odlewaniem, obróbką skrawaniem lub za po-

    mocą kucia. Jeżeli przedmiot ma wyróżniać się wysokimi własnościami wytrzymało-

    ściowymi i nie mieć wad, jakie występują w odlewach, to należy go wykonać za po-

    mocą kucia swobodnego lub matrycowego, nawet gdy wykończenie będzie wymagać

    kosztownej obróbki skrawaniem.

    Kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym daje duże korzyści -

    przy porównywalnej serii i wielkości otrzymywanych odkuwek. Biorąc pod uwagę

    powyższe założenia, kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym ma nastę-

    pujące zalety:

    – możliwość stosowania mniejszych naddatków technologicznych,

    – większą dokładność wykonania odkuwek,

    – możliwość nadawania kształtów odkuwce, jakich nie można nadać przez kucie

    swobodne,

    – możliwość łatwego i szybkiego odkuwania przedmiotów o kształtach skompliko-

    wanych, małą pracochłonność oraz dużą wydajność,

    – znaczną oszczędność w kosztach robocizny,

    – możliwość zatrudnienia pracowników mniej wykwalifikowanych,

    – dużą powtarzalność kształtu odkuwek,

    – łatwość określenia czasu wykonania odkuwki, co umożliwia dokładną kalkulację

    kosztów.

    Wady kucia matrycowego są następujące:

    – konieczność stosowania maszyn kuźniczych o podwyższonej dokładności prowa-

    dzenia matryc,

    – dodatkowe koszty związane z prasami do okrawania wypływki,

    – duży koszt oprzyrządowania,

    – opłacalność przy dużych seriach odkuwek,

    – niewielkie wymiary wykonywanych odkuwek.

  • 270 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Odkuwki matrycowe wykonuje się przeważnie z wsadu uprzednio walcowanego

    i pociętego na odcinki odpowiadające masie pojedynczej odkuwki lub kilku odkuw-

    kom w zależności od wymagań opracowanego procesu technologicznego.

    Rys. 6.1. Schematy kucia [23]: a – w kowadłach płaskich, b – w kowadłach kształtowych, c – w matry-

    cach otwartych, d – w matrycach zamkniętych, e – w procesie wyciskania

    Kucie matrycowe, podobnie jak kucie swobodne charakteryzuje się trójosiowym

    stanem naprężenia, przy czym wszystkie naprężenia główne są ściskające (rys. 6.1).

    Jednak proces odkształcania w matrycach z reguły rozpoczyna się od spęczania. Nie-

    które etapy procesu kucia matrycowego odkuwek wydłużonych można rozpatrywać

    jako wydłużanie w kowadłach kształtowych. W ostatnim etapie natomiast może za-

  • 6. Procesy kucia matrycowego 271

    chodzić wyciskanie. Rozpatrzymy te procesy pod kątem rozkładu naprężeń w od-

    kształcanym materiale. Podczas kucia w kowadłach płaskich (rys. 6.1a) w materiale

    w pewnych obszarach mogą wystąpić naprężenia rozciągające. Podczas kucia w ko-

    wadłach kształtowych (rys. 6.1b) materiał może się swobodnie wydłużać, natomiast

    jego rozszerzanie jest częściowo ograniczone przez boczne ścianki narzędzia. W tym

    przypadku powstające dodatkowe naprężenia rozciągające są mniejsze, a plastyczność

    metalu większa niż podczas kucia w kowadłach płaskich [4]. Podczas kucia w matry-

    cach otwartych (rys. 6.1c) rozszerzanie się materiału jest częściowo ograniczone

    wskutek nacisku wywieranego przez boczne ścianki narzędzia. W porównaniu z ku-

    ciem w kowadłach płaskich jednostkowy nacisk jest 1,5 3 razy większy, a plastycz-

    ność metalu znacznie lepsza. Przy matrycowaniu odkuwek o kształtach złożonych

    rozkład odkształceń jest nierównomierny, co sprzyja powstawaniu dość znacznych

    naprężeń rozciągających. W takich przypadkach w celu uniknięcia pęknięć wykonuje

    się odkuwki z przedkuwek.

    Podczas kucia w matrycach zamkniętych (rys. 6.1d) rozszerzanie się materiału

    jest ograniczone ściankami narzędzia. Dlatego w całej objętości materiału panuje stan

    trójosiowego ściskania. W przypadku kucia w matrycach zamkniętych jednostkowy

    nacisk jest dwukrotnie większy niż przy kuciu w matrycach otwartych, a 3 6 razy

    większy w porównaniu z kuciem swobodnym. W etapie wyciskania materiału (rys.

    6.1e) płynięcie odbywa się bez poprzecznego rozszerzenia, któremu przeciwdziała

    boczny nacisk ścian matrycy. W materiale panuje trójosiowy stan naprężenia o bardzo

    dużych wartościach naprężeń. Jednostkowy nacisk powodujący odkształcenia pla-

    styczne jest około 15 razy większy od nacisku występującego w kuciu swobodnym.

    Materiał wyciskany ma bardzo dużą plastyczność.

    6.2. Maszyny do kucia matrycowego

    Młoty matrycowe charakteryzują się tym, że wszystkie ich elementy składowe

    tworzą z szabotą jedną całość. Konstrukcja ich jest zwarta i mocna oraz zapewnia

    bijakowi dobre prowadzenie. Ogólny schemat konstrukcji młota matrycowego przed-

    stawiono na rys. 6.2.

    Składa się on z szaboty 1, na której są umocowane stojaki 2, a na nich płyty 3

    i mechanizm napędowy 4 (parowo-powietrzny, mechaniczny lub hydrauliczny). Sto-

    jaki są połączone elastycznie z szabotą i mechanizmem napędowym za pomocą śrub 6

    i 7 ze sprężynami. Dzięki temu zmniejsza się w stojakach naprężenia występujące

    w czasie kucia. Natomiast w płaszczyźnie poziomej stojaki są sztywno połączone

    z szabotą za pomocą klinów 8. Prowadnice bijaka 5 są nastawialne, dzięki czemu uzy-

    skać można dokładne osiowe prowadzenie bijaka. Rozróżniamy następujące typy mło-

  • 272 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    tów matrycowych: parowo-powietrzne (jednostronnego i dwu-stronnego działania),

    parowo-powietrzne przeciwbieżne, wysokoenergetyczne, z indywidualnym napędem.

    Rys. 6.2. Schemat konstrukcji młota matrycowego [26]: 1 – szabota, 2 – stojak, 3 – płyta, 4 – mechanizm

    napędowy (cylinder), 5 – bijak, 6 – śruba, 7 – sprężyna, 8 – klin, 9 – płyta wyrównawcza

    Prasy cierno-śrubowe charakteryzują się tym, że energia kinetyczna nagroma-

    dzona w kole zamachowym przenosi się za pośrednictwem wrzeciona, suwaka i na-

    rzędzia na materiał podlegający odkształceniu (rys. 6.3). Prędkość bijaka w momencie

    zetknięcia się z materiałem jest największa, podobnie jak w młotach. Koło zamacho-

    we może być uruchomione za pomocą mechanizmu ciernego, hydraulicznego lub bez-

    pośrednio od silnika elektrycznego. Prasy śrubowe są używane do kucia na gorąco,

    gięcia, prasowania i prostowania. Można na nich wykonywać odkuwki typu śrub,

    nitów, zaworów samochodowych i odkuwki o niewielkich występach i niewysokich

    żebrach. Istnieje wiele odmian pras śrubowych, w których wrzeciono wykonuje tylko

    ruch obrotowy i postępowy, a nakrętka jest ruchoma lub nieruchoma. Większość do-

    tychczas stosowanych pras jest wyposażona w napęd cierny; w ostatnich latach napęd

  • 6. Procesy kucia matrycowego 273

    ten jako mało wydajny zaczyna być zastępowany napędem hydraulicznym lub elek-

    trycznym.

    Rys. 6.3. Przesuw matrycy w prasach śrubowych [3]: a – śrubowy, b – obrotowy, c – postępowy. Ozna-

    czenia: koło zamachowe, 2 – śruba, 3 – nakrętka, 4 – suwak prasy

    Prasy kuźnicze korbowe typu Maxi są to maszyny używane do dokładnego ku-

    cia odkuwek produkowanych w dużych seriach. Podstawowym warunkiem stawianym

    prasom Maxi jest, aby sztywność ich była jak największa, tzn. żeby miały jak naj-

    mniejszą sprężystość, ponieważ od tego zależy dokładność wykonania odkuwek.

    Sprężynowanie prasy powodują: w ⅓ – korpus, a w ⅔ – wał korbowy, łożyska, kor-

    bowód i suwak. Problem zmniejszania sprężystości został w znacznej mierze rozwią-

    zany w nowej konstrukcji dzięki zastosowaniu napędu klinowego. Prasy korbowe,

    w porównaniu z młotami parowo-powietrznymi, mają następujące zalety:

    – dają większą dokładność kucia, ze względu na dobre prowadzenie suwaka

    i sztywność korpusu,

    – pracują spokojnie, nie powodując powstawania rytmicznych drgań; nie wymagają

    budowy kosztownych fundamentów,

    – eliminują wpływ człowieka na jakość wyrobu,

    – dają możność ścisłego ustalenia zgniotu, a tym samym wielkości ziarna,

    – ułatwiają mechanizację i automatyzację procesów kucia, dzięki czemu istnieje

    możliwość wykorzystania każdego suwu roboczego,

    – dają niższy koszt ruchu w porównaniu z odpowiedniej wielkości młotem parowo-

    powietrznym przy ręcznej obsłudze maszyny,

    – przy zmechanizowanej pracy koszt ruchu jeszcze znacznie się obniża.

  • 274 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Prasy nie są jednak maszynami tak

    uniwersalnymi jak młoty i można na nich

    wykonywać jedynie pewne typy odku-

    wek. Na prasach Maxi odkuwki powinny

    być wykonywane w kilku przejściach.

    Jeżeli odkuwka ma kształty wydłużone,

    to wstępne odkuwki muszą być wykona-

    ne poza prasą jako okresowo walcowane

    albo ukształtowane na walcarkach kuźni-

    czych. Proces kucia na prasach

    korbowych może być zmechanizowany

    z użyciem odpowiednich przyrządów.

    Działanie ich polega na przenoszeniu

    materiału lub przedkuwek z wykroju do

    wykroju. Dzięki temu każdy suw robo-

    czy może być wykorzystany. Wydajność

    tak zmechanizowanej prasy jest rzędu

    milionów sztuk rocznie. Dlatego mecha-

    nizacja procesu kucia jest opłacalna przy

    dużej produkcji. Schemat kinematyczny

    prasy korbowej typu MAXI przedsta-

    wiono na rysunku 6.4.

    Prasy kolanowe służą do wykonywania tych operacji na zimno i gorąco, które

    wymagają dużych nacisków na niewielkim odcinku drogi suwaka, a więc do płytkiego

    kucia, wyciskania, dotłaczania i prostowania. W kuźniach stosuje się je do dotłaczania

    odkuwek na zimno i gorąco. Duże zastosowanie znajdują w przemyśle zbrojeniowym

    do wyrobu amunicji oraz w mennicach do wybijania monet. Prasy odznaczają się

    sztywnym korpusem, dużym naciskiem w pobliżu dolnego martwego położenia oraz

    stosunkowo długim czasem stykania się narzędzia z tłoczonym przedmiotem, co daje

    w efekcie produkt o wysokiej klasie dokładności.

    Rys. 6.4. Prasa korbowa typu MAXI [23]:

    1 – silnik, 2 – koło zamachowe, 3 – przekładnia

    zębata, 4 – wał korbowy, 5 – sprzęgło pneuma-

    tyczne, 6 – hamulec, 7 – korbowód, 8 – suwak,

    9 – stół prasy, 10 – podkładka regulująca narzę-

    dzie robocze

  • 6. Procesy kucia matrycowego 275

    Kuźniarki pod względem konstrukcyj-

    nym należą do grupy pras mechanicznych

    o układzie korbowym i o dwóch suwakach

    poruszających się względem siebie pod kątem

    prostym [24]. Kuźniarki buduje się z piono-

    wym i poziomym podziałem matryc. Ostatnio

    coraz szersze zastosowanie znajdują kuźniarki

    z poziomym podziałem matryc. Obecnie bu-

    dowane są dwa typy kuźniarek tego rodzaju,

    w których górna część matrycy porusza się

    pionowo po linii prostej oraz po łuku.

    Walcarki kuźnicze są maszynami, które

    budową i sposobem pracy przypominają lek-

    kie walcarki hutnicze dwuwalcowe. Pod

    względem konstrukcyjnym dzieli się je na:

    wysięgowe, ramowe, ramowo-wysięgowe

    oraz wieloklatkowe automaty walcownicze.

    Odmiennym typem są walcarki kopiujące

    i śrubowe. Walcarki kuźnicze są wyposażone

    w specjalne stoły z prowadnicami i zderzakami, które służą do właściwego ułożenia

    materiału podczas walcowania (rys. 6.5). W produkcji wielkoseryjnej i masowej sto-

    suje się wieloklatkowe automaty walcownicze.

    6.3. Matryce – materiały i konstrukcja

    Narzędzia kuźnicze, a w szczególności matryce stosowane do kucia na młotach,

    są narażone na działanie wysokiej temperatury i naprężeń zmiennych – dynamicznych.

    Z tych względów na matryce stosuje się stale o dobrych własnościach mechanicznych,

    odpowiednio przekute i wolne od wad wewnętrznych i powierzchniowych. Matryce

    do pras i kuźniarek są narażone na mniejsze naprężenia dynamiczne, natomiast na

    większe naprężenia termiczne i z tego względu są one mniej odporne na ścieranie.

    Matryce stosowane do kucia na gorąco na młotach konwencjonalnych, prasach

    kuźniczych i kuźniarkach wykonuje się z narzędziowej stali węglowej. Matryce prze-

    znaczone do kucia na gorąco z dużymi prędkościami wykonuje się ze stali chromowo-

    molibdenowo-wanadowych.

    Poprawne opracowanie procesu technologicznego kucia matrycowego polega na

    zaprojektowaniu i wykonaniu odpowiednich wykrojów tzw. pomocniczych i matrycu-

    jących w oparciu o analizę uwzględniającą:

    Rys. 6.5. Zasada działania walców kuźni-

    czych okresowych [23]: a – moment wpro-

    wadzenia materiału do walców (v1),

    b – koniec cyklu roboczego (v2). Oznaczenia:

    1 – materiał wsadowy, 2, 3 – segmenty ma-

    tryc, 4 – opór stały (zderzak)

  • 276 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    – kształt odkuwki (osiowo symetryczne zwarte, wydłużone, złożone) i masę od-

    kuwki,

    – kinematykę płynięcia materiału na różnych maszynach kuźniczych (młoty, prasy,

    kuźniarki, zespoły agregatów),

    – własności plastyczne i mechaniczne odkształcanego materiału z uwzględnieniem

    temperatury kucia (na zimno lub na gorąco),

    – konstrukcję matryc (otwarte i zamknięte – rys. 6.6).

    Rys. 6.6. Wykrój matrycujący [23]: a – otwarty,

    b – zamknięty

    Rys. 6.7. Matryca jednowykrojowa do kucia na

    młocie [23]: 1 – matryca dolna, 2 – matryca górna,

    3 – oprawa matrycy, 4 – poduszka szaboty,

    5 – klin matrycy dolnej, 6 – klin matrycy górnej,

    7 – szabota

    Z wymienionymi wyżej zagadnie-niami wiążą się następujące pojęcia:

    – powierzchnia podziału matryc – jest to powierzchnia dzieląca matryce na górną

    i dolną (rys. 6.6);

    – wykrój - wgłębienie w matrycy, które nadaje odkuwce żądany kształt (rys. 6.7);

    – skosy matrycowe - pochylenie ścian bocznych zewnętrznych i wewnętrznych

    wykroju umożliwiające wyjęcie odkuwki z matrycy (rys. 6.8).

    Przy kuciu w matrycach otwartych tworzy się wypływka, którą obcina się bez-

    pośrednio po kuciu (rys. 6.9). Kucie w matrycach zamkniętych odbywa się bez two-

    rzenia wypływki. Wsad do kucia w matrycach zamkniętych musi być cięty z podwyż-

    szoną dokładnością. Rolę wypływki w procesie kucia w matrycach zamkniętych pełni

    kompensator umieszczany w obszarze wykroju najpóźniej zapełniającym się metalem.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 277

    Rys. 6.8. Kąty pochylenia ścian: zewnętrznej ()

    i wewnętrznej () wykroju matrycy [23]

    Rys. 6.9. Proces okrawania wypływki [23]:

    1 – odkuwka, 2 – wypływka, 3 – płyta tnąca,

    4 – stempel, 5 – oprawa płyty tnącej, 6 – stół prasy

    7 – suwak, 8, 9 – klin

    Do tej grupy procesu kucia matrycowego zalicza się kucie precyzyjne np. stopów

    tytanu i kucie w niekonwencjonalnych warunkach materiałów nadplastycznych oraz

    kucie proszków metali.

    Wypływka ma podstawowe znaczenie przy kuciu w matrycach otwartych. Jej za-

    dania są następujące: tworzy wokół odkuwki pierścień zamknięty, który przeciwsta-

    wia się wypływaniu metalu z wykroju na zewnątrz, zabezpiecza matryce przed bez-

    pośrednim wzajemnym uderzaniem i uszkodzeniem i magazynuje nadmiar wsadu po

    wypełnieniu wykroju.

    Wypływka składa się z mostka i magazynu. Mostek hamuje wypływanie wsadu,

    magazyn służy do pomieszczenia jego nadmiaru. Kształt i wymiary wypływki zależą

    od trudności procesu kucia, kształtu odkuwki i jej wielkości (rys. 6.10). Magazyn wy-

    konuje się w górnej matrycy (rys. 6.10a). Magazyn wykonuje się w dolnej matrycy

    (rys. 6.7b), jeśli odkuwkę obraca się o 180o do obcinania wypływki. Wypływka z po-

    większonym magazynem (rys.6. 10c) jest stosowana dla odkuwek o złożonych kształ-

    tach i tylko na tych częściach obwodu, gdzie przewiduje się duży wypływ metalu.

    Pozostałe kształty wypływki stosuje się w przypadkach, gdy należy hamować nad-

    mierny wypływ metalu z wykroju (rys. 6.10d, f, h, i) lub dla odkuwek prostych (rys.

    6.10e, g).

  • 278 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.10. Konstrukcje elementów rowków na wypływkę: mostek – symetryczny (a, b, c) lub niesyme-

    tryczny (d), klinowy (e, g), podwójny (f), V-niesymetryczny (h), V-symetryczny (i) oraz magazyn –

    niesymetryczny (w górnej (a, g, h, i) lub dolnej (b, e) matrycy), lub symetryczny (c, d, f – w obu matry-

    cach)

    Wymiary rowka na wypływkę oblicza się w zależności od wymiarów odkuwki

    i jej kształtu [26]. W przybliżeniu wysokość mostka wypływki h jest funkcją po-

    wierzchni odkuwki w płasz-czyźnie podziału matryc. Przy obliczaniu objętości wsadu

    uwzględnia się 70 % wypeł-nienie magazynu wypływki. Rowek na wypływkę wyko-

    nuje się tylko w matrycującym wykroju wykańczającym.

    Wykonanie w odkuwkach otworu przelotowego jest trudne lub niemożliwe, stąd

    konstruuje się denka o kształtach przedsta-wionych na rysunku 6.11. Jest to naddatek

    technologiczny, który uwzględnia się przy obliczaniu objętości wsadu.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 279

    Rys. 6.11. Rodzaje i wielkość denek [26]: a – denko płaskie, b – denko wklęsłe, c denko z jednostron-

    nym wypukłym magazynkiem, d – denko z wypukłym magazynkiem

    6.4. Metody i etapy wypełniania wykroju matrycowego

    Wykrój matrycujący może być wypełniany przez spęczanie, dziurowanie lub

    wyciskanie (rys. 6.12). W przypadku odkuwek mających kształt prosty (rys. 6.12a)

    wykrój wypełnia się wyłącznie przez spęczanie. Jeżeli odkuwka ma jedno- lub dwu-

    stronne wgłębienie, to wypełnienie wykroju następuje przez spęczanie i dziurowanie

    (rys. 6.12b, c). Odkuwki z występami wykonuje się z przewagą procesu spęczania,

    jeżeli wsad jest wysoki (rys. 6. 12d), lub wyciskania, jeżeli wsad jest niski (rys.

    6.12e). W przypadku pokazanym na rys. 6.12f wypełnianie wykroju jest złożone

    i odbywa się przez spęczanie, dziurowanie oraz wyciskanie.

  • 280 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.12. Sposoby wypełniania wykroju wykańczającego [23]: a – spęczanie, b – jednostronne wgłębia-

    nie, c – dwustronne wgłębianie, d – spęczanie połączone z wyciskaniem, e – wyciskanie, f – wgłębianie

    połączone z wyciskaniem. Oznaczenia: 1 – odkuwka, 2 – wsad

    Rys. 6.13. Etapy wypełniania wykroju wykańczającego

    w matrycach z wypływką [23]: a – spęczanie swobodne,

    b – wypełnianie wykroju matrycy, c – tworzenie wy-

    pływki, d – uzyskanie wymiaru wysokości odkuwki

  • 6. Procesy kucia matrycowego 281

    6.4.1. Wypełnianie wykroju matrycującego otwartego

    Wypełnianie wykroju matrycującego otwartego można podzielić na kilka eta-

    pów. Jeśli kucie odbywa się w matrycach otwartych (z wypływką), wyróżnia się czte-

    ry etapy (rys. 6.13):

    – pierwszy etap (rys. 6.13a) rozpoczyna się z chwilą zetknięcia się matrycy górnej

    z metalem ułożonym w wykroju matrycy dolnej. Najczęściej następuje swobodne

    spęczanie metalu, a w przypadkach bardziej złożonych niewielkie jego wyciska-

    nie. Obniżanie matrycy górnej wywołuje powstawanie beczułkowatości, podobnie

    jak przy spęczaniu swobodnym. Świadczy to o tym, że metal odkształca się nie-

    równomiernie. Najbardziej odkształcają się jego warstwy środkowe. W pewnych

    obszarach odkształcanego materiału mogą powstać naprężenia rozciągające, co

    przy większych odkształceniach może doprowadzić do pojawienia się pęknięć.

    Naciski w pierwszym etapie wypełniania wykroju są niewielkie. Etap ten kończy

    się z chwilą zetknięcia się metalu z boczną ścianką wykroju;

    – w drugim etapie (rys. 6.13b) metal płynąc na boki, wypełnia wykrój. Etap ten

    kończy się, gdy nadmiar metalu zacznie wypływać między matryce. Pod koniec

    drugiego etapu wykrój jest już wypełniony, z wyjątkiem naroży. W tym etapie na-

    stępuje wzrost nacisków spowodowany zwiększeniem siły tarcia na ściankach

    bocznych wykroju;

    – w trzecim etapie (rys. 6.13c) nadmiar metalu wypływa na zewnątrz i tworzy wy-

    pływkę. Wypływanie metalu na zewnątrz jest hamowane siłą tarcia na mostku

    wypływki i na ściankach bocznych wykroju w pobliżu wypływki. Utrudnione wy-

    pływanie metalu w obszarze wypływki powoduje wypełnianie naroży wykroju.

    Jeżeli matryca jest skonstruowana prawidłowo i wsad nie jest dobrany z dużym

    nadmiarem, to po wypełnieniu naroży kończy się proces kucia. Jednak w praktyce

    najczęściej występuje pewien nadmiar wsadu, z tego względu odkuwka nie osią-

    gnęła wysokości zgodnej z żądaną, dlatego matryca górna powinna być dalej

    przemieszczana. Siła w tym etapie kucia zwiększa się znacznie;

    – w czwartym etapie (rys. 6.13d) wysokość odkuwki zmniejsza się o h4, co wiąże

    się z wyciskaniem nadmiaru metalu w wypływkę. W tym etapie naciski gwałtow-

    nie wzrastają i osiągają wartość maksymalną, co stanowi ok. 50 % całkowitej

    energii uderzenia. Bezwzględne odkształcenie odkuwki h4 w tym etapie nie

    przekracza zwykle 2 mm. Plastycznie odkształca się tylko wypływka i część środ-

    kowa odkuwki, a pozostała część metalu odkształca się sprężyście. Proces kucia

    przebiega najkorzystniej, gdy czwarty etap jest możliwie krótki. W tym przypadku

    zużycie materiału wyjściowego i energii potrzebnej do ostatecznego wypełnienia

    wykroju jest minimalne. Czwarty etap kucia można skrócić do minimum, gdy:

    dobierze się dokładnie objętość wsadu,

  • 282 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    ustali się prawidłowy kształt przedkuwki,

    ustali się w wyniku obliczeń i prób optymalne wymiary wypływki.

    Mechanizm wypełniania wykrojów bardziej złożonych odbywa się w sposób

    analogiczny do omówionego. Jeśli odkuwka posiada otwór, dwa pierwsze etapy kucia

    ulegają zmianie, ponieważ zamiast spęczania metalu występuje dwustronne dziurowa-

    nie (rys. 6.12c) lub dziurowanie oraz wyciskanie (rys. 6.12f).

    Przykład złożonego kształtu odkuwki, przy wykonaniu której występuje wyci-

    skanie pokazano na rysunku 6.14, przy czym linie siatek po odkształceniu (rys. 6.14a)

    i rozkład naprężeń (rys. 6.14b) w wykroju obliczono programem FORM2D.

    Rys. 6.14. Rozkład linii płynięcia (a) i naprężeń (b – liczby w MPa) na powierzchni wykroju, obliczony

    programem FORM2D [10]

    Wypełnienie wykroju w matrycy otwartej jest zależne również od wymiarów

    i kształtu przedkuwki. Na rysunku 6.15 przedstawiono sposób płynięcia metalu do

    wykroju matrycy przy zastosowaniu wsadu niskiego (rys. 6.15a), optymalnego (rys.

    6.15b) i wysokiego (rys. 6.15c). W pierwszym przypadku środkowa część wykroju nie

    została wypełniona, metal przemieścił się do wypływki. W trzecim przypadku naj-

    pierw została wypełniona środkowa część odkuwki, a nadmiar metalu w ostatnim

    etapie kucia z tego obszary był przemieszczany do wypływki.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 283

    Rys. 6.15. Wpływ smukłości wsadu na wypełnienie wykroju w matrycy otwartej: a – wsad

    niski (niewypełnienie obszaru A i B), b – wsad optymalny (jednoczesne wypełnianie obszaru N

    i wypływki Q), c – wsad wysoki (przemieszczanie nadmiaru metalu z obszaru N do wypływki

    Q)

    6.4.2. Wypełnienie wykroju wykańczającego w matrycach zamkniętych

    Wypełnienie wykroju wykańcza-jącego (matrycującego) w matry-cach zamknię-

    tych [4] można podzielić na trzy etapy. Dwa pierwsze przebiegają identycznie jak

    podczas kucia w matrycach otwartych. W trzecim etapie następuje całkowite wypeł-

    nienie wykroju i etap ten kończy się z chwilą pojawienia się w szczelinie zamka nie-

  • 284 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    znacznej wypływki. W procesie tym nie stosuje się dobijania odkuwki, tj. czwartego

    etapu kucia, gdyż grozi to uszkodzeniem matryc.

    Na rysunku 6.16 przedstawiono schematycznie proces wypełnienia wykroju pod-

    czas kucia odkuwki z otworem. W etapie pierwszym następuje swobodne spęczanie

    materiału połączone z dwustronnym swobodnym przebijaniem odkuwki. Drugi etap

    rozpoczyna się z chwilą zetknięcia się metalu z bocznymi zewnętrznymi ścianami

    wykroju. W etapie tym następuje dalsze przebijanie odkuwki. Metal płynie na boki,

    napotyka przeszkodę w postaci ścian wykroju i zmienia kierunek płynięcia, wchodząc

    w cylindryczną przestrzeń między matrycami. W etapie trzecim zachodzi ostateczne

    wykonanie odkuwki - całkowite wypełnienie wykroju matrycy. Przykład linii płynię-

    cia i wypełnienia wykroju dla dwóch różnych kształtów matrycy zamkniętej pokazano

    na rysunku 6.16e,f.

    Rys. 6.16. Etapy wypełniania wykroju matrycującego zamkniętego [11]: a – ułożenie wsadu,

    b – swobodne spęczanie połączone z przebijaniem, c – wypełnianie wykroju matrycy, d – wypływ nad-

    miaru metalu do kompensatora, e,f – siatka po odkształceniu obliczona programem FORM2D

    Zasadniczą wadą kucia w matrycach otwartych jest duże zużycie materiału. Ma-

    teriał wsadowy jest większy od objętości odkuwki o objętość wypływki i objętość

    traconą na zgorzelinę, jeśli kucie odbywa się na gorąco. W zależności od kształtu od-

    kuwki zużycie metalu przy kuciu w matrycach zamkniętych zmniejsza się o 10

    15 %, a masa odkuwki o 2 5 %.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 285

    Podczas kucia w matrycach otwartych schemat główny naprężeń przedstawia się

    jako trójosiowy stan naprężenia o nierównomiernym wszechstronnym ściskaniu [25].

    Jednak wobec nieznacznego oddziaływania ścian bocznych wykroju na odkształcany

    metal wielkości drugiego i trzeciego głównego naprężenia ściskającego są mniejsze

    niż w matrycy zamkniętej. Przy zbyt intensywnym płynięciu metalu na boki może

    powstać taki stan naprężenia, w którym dwa główne naprężenia będą naprężeniami

    rozciągającymi. Taki stan naprężenia, zwłaszcza w częściach odkuwki położonej

    w pobliżu wypływki, przy odpowiednich wartościach naprężeń może doprowadzić do

    wewnętrznych naderwań materiału. Natomiast podczas kucia w matrycach zamknię-

    tych trójosiowy stan naprężenia o dużych naprężeniach ściskających nie ulega zmianie

    w całej objętości przekuwanego materiału. W związku z tym nie występują tutaj we-

    wnętrzne naderwania lub rozwarstwienia metalu, jak to ma miejsce podczas kucia

    w matrycach otwartych. Poza tym wszechstronne ściskanie podwyższa znacznie pla-

    styczność i równomierność odkształcenia metalu [22].

    Odkuwki wykonane w matrycach zamkniętych mają korzystniejszy przebieg

    włókien, a tym samym lepsze własności mechaniczne niż odkuwki wykonane w ma-

    trycach otwartych. Włókna odkuwki wykonanej w matrycach zamkniętych tworzą

    ciągłe linie i są równomiernie rozłożone wewnątrz odkuwki, natomiast włókna od-

    kuwki wykonanej w matrycy otwartej są poprzerywane i skupiają się u wylotu wy-

    pływki.

    Energia uderzenia młota podczas kucia w matrycach zamkniętych jest zamienia-

    na na pracę odkształcenia plastycznego odkuwki i pokonanie oporów tarcia, natomiast

    w matrycach otwartych również na odkształcanie wypływki [12, 19]. Przez zastoso-

    wanie kucia w matrycach zamkniętych odpada obcinanie wypływki, a tym samym

    skraca się cykl produkcyjny.

    Kucie w matrycach zamkniętych ma też pewne wady, do których zalicza się ni-

    ska trwałość matryc spowodowaną większym obciążeniem jednostkowym, mniejszą

    uniwersalnością itp. W końcowym etapie kucia bezwypływkowego, po wypełnieniu

    wykroju metalem, występują duże naciski, które powodują sprężyste odkształcenie

    matrycy i odkuwki. Z chwilą wypełnienia wykroju metalem proces kucia powinno się

    zakończyć. Nieprzestrzeganie tego warunku jest przyczyną częstych uszkodzeń ma-

    tryc w postaci pęknięć. Pęknięcia mogą również być spowodowane wypływem metalu

    w obszar zamka matrycy. Wadą kucia w matrycach zamkniętych jest także mniejsza

    uniwersalność w porównaniu z kuciem w matrycach otwartych na młotach. Metodą tą

    wykonuje się przeważnie odkuwki okrągłe i najprostsze wydłużone. Kucie w matry-

    cach zamkniętych odkuwek o złożonych kształtach wymaga specjalnie przygotowa-

    nych przedkuwek i odbywa się z reguły w kilku operacjach. Kucie w matrycach za-

    mkniętych wymaga również większych dokładności cięcia wsadu. Nadmiar materiału

    jest przemieszczany do kompensatora, który umieszcza się w obszarze najpóźniej

  • 286 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    zapełniającym się metalem (rys. 6.17). Przykład konstrukcji matrycy otwartej i za-

    mkniętej do wykonania tej samej odkuwki przedstawiono na rysunku 6.18. W celu

    zmniejszenia ilości zgorzeliny, stosuje się nagrzew indukcyjny lub w piecach z atmos-

    ferą ochronną.

    Rys. 6.17. Typy kompensatorów i ich zastosowanie w różnych konstrukcjach (a-f) matrycy [7]: 1 – wy-

    rzutnik dolny, 2 – wyrzutnik górny, 3 – pierścień ustalający, 4 – kompensator

    Rys. 6.18. Konstrukcja matrycy do kucia koła zębatego: a – otwarta (z wypływką), b – zamknięta

    (z kompensatorem)

  • 6. Procesy kucia matrycowego 287

    6.5. Projektowanie technologii kucia matrycowego

    Odkuwki matrycowe posiadają różne kształty. Do najprostszych zalicza się

    osiowo symetryczne typu pierścieni, do złożonych wydłużone rozwidlone z występa-

    mi. W celu uproszczenia opracowania procesu technologicznego i konstrukcji oprzy-

    rządowania odkuwki matrycowe dzieli się na grupy w zależności od ich kształtów [16,

    18]. Kształt odkuwki determinuje ilość i rodzaj operacji kucia. Rodzaj operacji kucia

    zależy również od maszyny kuźniczej. Najbardziej uniwersalnymi maszynami kuźni-

    czymi są młoty, dlatego posiadają one duże możliwości zastosowania różnych opera-

    cji kształtowania przedkuwki. Ostateczny kształt odkuwki uzyskuje się w wykroju

    matrycującym na gotowo (wykańczającym).

    6.5.1. Dobór wykrojów pomocniczych

    Przedkuwki odkuwek wydłużonych kutych na młotach wykonuje się w wykro-

    jach pomocniczych [23]. Dzieli się je na cztery grupy:

    Grupa I – stosuje się dla odkuwek o zmiennym przekroju poprzecznym:

    – wykrój wydłużający,

    – wykrój przewężający,

    – wykrój rolujący otwarty i zamknięty.

    Grupa II – stosuje się je dla odkuwek wymagających gięcia i niesymetrycznego

    przemieszczania metalu:

    – wykrój kształtujący,

    – wykrój gnący.

    Grupa III – stosuje się dla odkuwek wymagających spęczania:

    – płaszczyzna do płaszczenia.

    Grupa IV – stosuje się dla odkuwek o złożonym kształcie poprzecznym:

    – wykrój rolująco-wydłużający,

    – rolujaco-kształtujący,

    – kształtująco-wydłużający.

    Do odcinania uchwytu na kleszcze lub odcinania odkuwek kutych z pręta na bo-

    ku matrycy umieszcza się nóż do odcinania. Sposób przemieszczania materiału

    w wykrojach pomocniczych przedstawiono na rysunku 6.19 na przykładzie wykroju

    kształtująco-wydłużajacego.

  • 288 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.19. Wykrój kształtujaco-wydłużający (d – średnica wsadu) [17]

    Wykroje matrycujące na młotach są dwa: wykrój wstępnie matrycujący – stoso-

    wany dla odkuwek o złożonych kształtach przed końcowym matrycowaniem, i matry-

    cujący (wykańczający) – stosowany do ostatecznego wykonania odkuwek. Wykrój

    matrycujący wykańczający wykonuje się z wypływką, jeśli kucie odbywa się w ma-

    trycach otwartych.

    6.5.2. Przykłady technologii kucia odkuwki matrycowej

    Przykład kucia wielowykrojowego na młocie odkuwki wydłużonej pokazano

    na rysunku 6.20. Odkuwki zwarte, w tym osiowo symetryczne wykonuje się najczę-

    ściej w jednym wykroju. W celu usunięcia zgorzeliny z wsadu na boku matrycy

    umieszcza się płaszczyznę do płaszczenia. Kucie na młocie złożonych odkuwek osio-

    wo symetrycznych, np. kół zębatych, krzyżaków itp., odbywa się w dwóch wykrojach

    matrycujących (wstępnie matrycującym i wykańczającym), po uprzednim spęczaniu

    na płaszczyźnie do płaszczenia.

    Podczas kucia na prasach stosuje się tylko te operacje, które są możliwe do reali-

    zowania za pomocą jednego ruchu suwaka prasy, np.: matrycowanie wstępne i wy-

    kańczające, spęczanie, przewężanie, gięcie i kształtowanie (formowanie). Powyższe

    operacje prowadzi się analogicznie jak na młotach. Proces kucia na prasie odkuwki

    osiowosymetrycznej w trzech wykrojach przedstawiono na rysunku 6.21. W celu wy-

    jęcia odkuwki z wykroju na prasie stosuje się wyrzutnik.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 289

    Rys. 6.20. Przebieg wielowykrojowego kucia na młocie dźwigni z pręta [23]: a – odkuwka, b – matryca

    dolna, c – wsad, d – kolejne zabiegi, e – wykrój rolujący. Oznaczenia: 1 – wykrój wydłużający (wydłuża-

    nie), 2 – wykrój rolujący (rolowanie), 3 – wykrój gnący (gięcie), 4 – wykrój wstępnie matrycujący (ma-

    trycowanie wstępne), 5 – wykrój matrycujący na gotowo (matrycowanie wykańczające), 6 – nóż do odci-

    nania uchwytu

    Rys. 6.21. Proces kucia na prasie w trzech przejściach odkuwki osiowo symetrycznej [23]: a – wsad,

    b – spęczanie połączone z kształtowaniem, c – wstępne matrycowanie, d – matrycowanie wykańczające

  • 290 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.22. Promienie zaokrągleń w odkuwkach [23]

    Poprawne opracowanie procesu technologicznego kucia matrycowego zależy

    również od właściwej konstrukcji odkuwki [21], w tym od promieni zaokrągleń i nad-

    datków technologicznych, w tym konstrukcji denka. W odkuwkach rozróżnia się trzy

    rodzaje promieni zaokrągleń: zewnętrzne r1, wewnętrzne r2 i w miejscach zmiany

    przekroju odkuwki r3 (rys. 6.22). Promienie zaokrągleń mają duży wpływ na proces

    kucia i trwałość oprzyrządowania. Zewnętrzne promienie zaokrągleń odkuwki odpo-

    wiadają wewnętrznym promieniom wykroju. Gdy promienie te są zbyt małe, stają się

    źródłem karbów i przedwczesnych mikropęknięć matrycy. Poza tym łuki o małych

    promieniach łatwo się zanieczyszczają i utrudniają płynięcie metalu w naroża wykro-

    ju, a tym samym wymagają większych nacisków w czasie matrycowania. Gdy pro-

    mienie r1 są zbyt małe, odkuwki mają przeważnie niewypełnione krawędzie. We-

    wnętrzne promienie zaokrągleń odkuwki odpowiadają wierzchołkom zaokrągleń ze-

    wnętrznych wykroju, mają one na celu stworzenie dogodnych warunków przepływu

    metalu z jednej części wykroju w drugi.

    Im większe są te promienie, tym metal płynie swobodniej. Gdy promienie r2 są

    zbyt małe krawędzie wykroju szybko zniekształcają się i powodują zmniejszenie po-

    chylenia ścian bocznych wykroju. Z tego powodu odkuwki zaczynają przyklejać się

    do matrycy i wykrój wymaga naprawy. Zbyt małe promienie wewnętrzne mogą spo-

    wodować nieprawidłowe płynięcie metalu i przez to mogą doprowadzić do wytworze-

    nia się w odkuwce zawinięć i podłamów [14].

    Na przykład zbyt mały promień r2 (rys. 6.23A) przy kuciu odkuwki koła zębate-

    go powoduje, że metal początkowo płynie ze środka wykroju na boki. Następnie napo-

    tykając przeszkodę w postaci bocznych ścian wykroju płynie do góry (rys. 6.23b,c),

    a po zetknięciu się z górnym dnem wykroju płynie w dół (rys. 6.23d). Równocześnie

    spod czopa metal płynie do góry wykroju. W miejscach zetknięcia się metalu pły-

    nącego z góry i z dołu powstaje podłam (rys. 6.23e). Przy odpowiednio dużym pro-

    mieniu r2 (rys. 6.23B) metal płynie w jednym kierunku, tj. tylko do góry, wypełniając

    dobrze wykrój i tworząc odkuwkę bez podłamów.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 291

    Rys. 6.23. Mechanizm powstawania podłamów [23]: A – małe promienie zaokrągleń, B – duże promienie

    zaokrągleń. Oznaczenia: a – ułożenie wsadu, b – pierwszy etap styku materiału z boczną ścianą wykroju,

    c – drugi etap styku materiału z boczną ścianą wykroju, d – trzeci etap styku materiału z dnem górnego

    wykroju, e – zamknięcie podłamu

    W celu wyeliminowania zakuć w odkuwkach, których kształt sprzyja niepożąda-

    nemu płynięciu metalu w końcowym etapie kucia, należy stosować dodatkowe opera-

    cje kucia zmieniające kinematykę płynięcia metalu w wykroju matrycującym na go-

    towo. Przykład technologii eliminującej zakucie przedstawiono na rysunku 6.24.

    Technologia poprawna wymaga zastosowania wykroju wstępnie matrycującego (rys.

  • 292 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    6.24c), dzięki czemu strefa zagrożona zakuciem staje się strefą obojętną, a w ostatnim

    etapie kucia materiał płynie do obszaru środkowego (q) i wypływki.

    Rys. 6.24. Proces kucia kołnierza [14]: a, b – zakucie (z) w odkuwce z zastosowaniem wsadu walcowego

    wysokiego (a) i niskiego (b), c – odkuwka bez wad z przedkuwki, wykonanej w wykroju wstępnie matry-

    cującym

    Ponadto ostre lub mało zaokrąglone krawędzie wykroju powodują przecinanie

    się włókien w odkuwkach i własności wytrzymałościowe takich odkuwek są znacznie

    niższe niż odkuwek wykonanych w wykroju o prawidłowo zaokrąglonych krawę-

    dziach. Najmniejsze dopuszczalne wielkości promieni zaokrągleń wyznacza się na

    podstawie wartości podanych w normie PN-76/H-94301 [8], w której podane są

    również pozostałe warunki konstrukcji rysunku odkuwki matrycowej, w tym naddatki

    na obróbkę skrawaniem (rys. 6.25).

    Obliczanie objętości wsadu odkuwek dokonuje się metodą analityczną lub wy-

    kreślną. Metoda analityczna wykorzystuje opcje wbudowane w edytory graficzne

    konstrukcji rysunków. Metoda wykreślna służy do konstruowania idealnej przedkuwki

    odkuwek wydłużonych o złożonych kształtach (rys.6.26). Idealną przedkuwką nazywa

    się przedkuwkę przedstawiającą bryłę obrotową mającą poprzeczne przekroje równe

    sumie odpowiednich przekrojów odkuwki i wypływki. Na podstawie idealnej przed-

  • 6. Procesy kucia matrycowego 293

    kuwki opracowuje się proces technologiczny – dobiera się rodzaj i liczbę zabiegów,

    określa się wymiary materiału wyjściowego i projektuje wykroje pomocnicze.

    Rys. 6.25. Naddatki na obróbkę skrawaniem [23]: n – naddatki normalne, n1 – naddatki związane ze

    skosami matrycowymi

    Rys. 6.26. Konstrukcja wykresu przekro-jów idealnej odkuwki wydłużonej [23]

    6.6. Dobór wielkości maszyny do kucia matrycowego

    Wielkość młota do kucia w matrycach otwartych dobiera się w oparciu o energię

    uderzenia [23]

  • 294 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    pL

    U (6.1)

    gdzie:

    Lp – praca odkształcenia plastycznego odkuwki z wypływką w ostatnim uderzeniu,

    – współczynnik sprawności uderzenia młota ( = 0,8 0,9).

    Pracę Lp można wyznaczyć ze wzorów [25]:

    – dla odkuwek okrągłych w płaszczyźnie podziału

    p22

    po dd001,075,0d

    21,1d005,0118L

    (6.2)

    gdzie:

    d – średnica odkuwki, cm,

    σp – naprężenie uplastyczniające materiału w danej temperaturze kucia.

    – dla odkuwek wydłużonych

    psksr

    2

    sk

    2

    sk

    skpw db

    l011d001,075,0

    d

    21,1d005,0118L

    (6.3)

    gdzie:

    l – długość odkuwki, cm,

    dsk – zastępcza średnica odkuwki, dsk = S13,1 , cm,

    bśr = S/l – średnia szerokość odkuwki, cm,

    S – powierzchnia odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc, cm2.

    Masę części spadających wyznacza się ze wzoru

    n

    Lm

    p (6.4)

    gdzie n = 1,4 2,3 – współczynnik zależny od konstrukcji młota.

    Podobnie jak w matrycach otwartych, wielkość młota podczas kucia w matry-

    cach zamkniętych dobiera się na podstawie pracy odkształcenia plastycznego w ostat-

    nim uderzeniu. Praca ta może być mniejsza od pracy kucia w matrycach otwartych,

    gdyż całkowita energia ostatniego uderzenia jest zużyta wyłącznie na odkształcenie

    odkuwki (z uwzględnieniem strat występujących przy uderzeniu). Nadmiar energii

    uderzenia jest raczej szkodliwy, gdyż zużywa się ją na sprężyste odkształcenie matry-

    cy i odkuwki, powodując gwałtowny wzrost nacisków w wykroju. Szczególnie szko-

    dliwe są ostatnie uderzenia, a zwłaszcza dobijanie odkuwki.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 295

    Wielkość prasy dobiera się w oparciu o maksymalną siłę występującą w końco-

    wym etapie kucia

    SqF p (6.5)

    gdzie:

    F – siła nacisku prasy, MN,

    S – powierzchnia odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc (bez wypływki), m2,

    p – naprężenie uplastyczniające materiału odkuwki w temperaturze zakończenia pro-

    cesu kucia, MPa.

    Podczas kucia z wypływką wielkość współczynnika q można wyznaczyć ze wzo-

    ru:

    – dla odkuwek okrągłych w płaszczyźnie podziału

    2

    2o d

    201,1d001,018q

    (6.6)

    – dla odkuwek wydłużonych

    sr

    2

    2

    sr

    srwb

    l1,01

    d

    201,1d001,018q (6.7)

    gdzie:

    d – średnica maksymalna odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc, mm,

    l – największa długość odkuwki w płaszczyźnie podziału, mm

    dśr = 1,13 S – średnia średnica, mm,

    bśr = S/l – średnia szerokość odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc, mm.

    6.7. Procesy kucia dokładnego

    6.7.1. Matryce składane

    Niezależnie od sposobu realizacji procesu kucie dokładne ma na celu ograni-

    czenie zużycia surowca oraz pracochłonnej obróbki skrawaniem [13]. Charaktery-

    styczny kształt odkuwki wykonywanej według dwóch alternatywnych technologii, tj.

    kucia w matrycach otwartych i zamkniętych przedstawiono na rysunku 6.27. W przy-

    padku odkuwki kutej w matrycach otwartych (rys. 6.27a) wypełnienie wykroju odby-

    wa się z przewagą procesu wyciskania, a naddatki technologiczne w postaci skosów

    matrycowych zapewniają łatwe wyjmowanie odkuwki z wykroju. Kształt odkuwki

    pokazanej na rysunku 6.27b odpowiada kształtowi gotowego elementu. Uzyskano go

  • 296 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    dzięki kuciu w matrycach dzielonych, gdy wypełnianie wykroju w tym przypadku

    odbywa się w procesie złożonego wyciskania.

    Rys. 6.27. Odkuwka kuta konwencjonalnie (a) i dokładnie (b) [9]

    Zaletą tego procesu jest zwiększenie uzysku kuźniczego i wyeliminowanie pra-

    cochłonnej obróbki skrawaniem. Kucie dokładne zazwyczaj odbywa się w matrycach

    zamkniętych, a na końcowy kształt i wymiary odkuwki wpływa wiele wzajemnie po-

    wiązanych czynników, które można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej zalicza się

    związane z materiałem odkształcanym (temperatura, odporność na pękanie pod wpły-

    wem odkształcenia, czułość na prędkość odkształcenia itp.), natomiast do drugiej

    związane z charakterystyką maszyny kuźniczej (prędkość przesuwu narzędzia rucho-

    mego, sztywność korpusu maszyny, konstrukcja narzędzia itp.).

    Należy również zaznaczyć, że technolog – opracowujący proces kucia, musi

    uwzględnić wymagania co do rozkładu włókien w odkuwkach o specjalnym przezna-

    czeniu oraz rozkładu własności na przekroju poprzecznym odkuwek i dokładność

    uzyskiwanych wymiarów.

    Warunkiem otrzymywania w procesie kucia dokładnego w matrycach zamknię-

    tych odkuwek bez wad kształtu jest cięcie wsadu z dokładnością ± 0,5%. Ponadto

    należy uwzględnić, że podczas nagrzewania materiału do kucia na gorąco powstaje

    zgorzelina, którą musi się całkowicie usunąć przed włożeniem materiału do wykroju,

    gdyż w przeciwnym wypadku otrzyma się wadliwe przedmioty z wgnieceniami zgo-

    rzeliny na powierzchni. Korzystniejszym sposobem jest zapobieganie powstawaniu

    zgorzeliny, co można osiągnąć przez stosowanie atmosfer ochronnych lub szybkie

    nagrzewanie elektryczne (indukcyjne lub oporowe).

    Konstrukcja matryc stosowanych w złożonym procesie wyciskania jest odmien-

    na od konstrukcji matryc otwartych. Płaszczyzna podziału matryc w tym przypadku

    przebiega tak, aby wykroje w czasie całego procesu kucia tworzyły przestrzeń za-

  • 6. Procesy kucia matrycowego 297

    mkniętą. Jednym z zasadniczych elementów każdej matrycy zamkniętej jest zamek,

    który zapobiega wypływaniu metalu poza przestrzeń wykroju oraz prowadzi górną

    matrycę lub stempel, uniemożliwiając przesadzenie odkuwki. Wypływanie metalu

    z wykroju matryc zamkniętych jest utrudnione. Wzdłuż linii podziałowej matryc może

    jednak pozostać niewielka wypływka. Powstaje ona w wyniku stosowania niezbędne-

    go luzu na złożeniu matryc podczas ich zamykania. Luz zapobiega zbyt dużemu tarciu

    i chroni matryce przed uszkodzeniem.

    Dla odkuwek o złożonym kształcie zaleca się stosowanie matryc dzielonych.

    Przykład matrycy dzielonej przedstawiono na rysunku 6.28. W matrycach zamknię-

    tych dzielonych istnieje możliwość stosowania kompensatorów – przestrzeni miesz-

    czących ewentualny nadmiar materiału. Kompensatory umieszcza się w obszarach

    odkuwki najpóźniej zapełniających się metalem.

    Rys. 6.28. Matryca dzielona

    Projektowanie procesu technologicznego kucia dokładnego w matrycach składa-

    nych powinno również uwzględniać rozkład odkształceń w przekroju poprzecznym

    odkuwki. Szczególną uwagę należy zwrócić na powstawanie tzw. stref martwych.

    Strefy martwe, w zależności od konstrukcji matryc i kształtu odkuwki, można podzie-

    lić na dwie grupy. Do pierwszej grupy zalicza się strefy martwe (rys. 6.29a), nie po-

    wodujące wad zewnętrznych w odkuwkach, natomiast duże zróżnicowanie rozkładu

    odkształceń w niektórych przypadkach może być uznane za wadę dyskwalifikującą

    dany wyrób. Do drugiej grupy zalicza się strefy martwe (rys. 6.29b) na granicach,

    których powstają nieciągłości spowodowane przeważnie wciąganiem zgorzeliny.

  • 298 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.29. Położenie stref martwych (I) i płynięcia (II) w odkuwkach osiowosymetrycznych (a) i z bocz-

    nym występem (b)

    Rys. 6.30. Technologia kucia kołnierza w matrycy dzielonej

    Matryca składana pozwala na wykonanie bez wad odkuwki o złożonym kształcie

    w jednym wykroju (rys. 6.30). Narzędzia ruchome N1 i N2 przemieszczają się z róż-

    nymi prędkościami, dzięki czemu uzyskuje się najbardziej korzystną kinematykę pły-

    nięcia metalu w matrycy dzielonej N3, eliminującą skłonność do powstawania zakuć

    i jednocześ-nie uzyskuje się najbardziej równomierny rozkład odkształceń w całej

    objętości odkuwki.

    6.7.2. Matryce z ruchomą wkładką

    W celu zwiększenia równomierności płynięcia metalu w procesie złożonego wy-

    ciskania, stosuje się matryce z ruchomą wkładką.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 299

    Konstrukcja matrycy powinna zapewnić płynięcie metalu w obszar kompensatora

    po uprzednim całkowitym wypełnieniu wykroju. Gwarantuje to – prócz zachowania

    wymaganego kształtu odkuwki, również bezawaryjną pracę narzędzia dla dużych serii

    odkuwek.

    Dodatkowe zastosowanie przeciwnacisku sprzyja zwiększeniu równomierności

    odkształcenia oraz podwyższa odporność na pękanie niektórych trudno odkształcal-

    nych materiałów. Podwyższony koszt narzędzia w tym przypadku rekompensuje do-

    bra jakość wyrobów.

    Przykład konstrukcji matrycy z ruchomą wkładką przedstawiono na rysunku

    6.31. Wymienne wkładki (5 i 8) pozwalają na wykonywanie odkuwek osiowosyme-

    trycznych z występami osiowymi lub bocznymi np. kół zębatych o zębach prostych

    lub stożkowych.

    Rys. 6.31. Konstrukcja matrycy z ruchomą wkładką [12]: l – korpus, 2 – matryca dolna, 3 – matryca

    górna, 4 – stempel, 5 – wkładka górna, 6 – wsad, 7 – odkuwka, 8 – wkładka boczna

    Rys. 6.32. Rozkład intensywności odkształcenia w procesie kucia odkuwki z bocznymi występami:

    a, b, c – etapy wypełniania wykroju

  • 300 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rozkład intensywności odkształcenia w odkuwce, wykonanej w matrycy z ru-

    chomą wkładką, przedstawiono na rysunku 6.32. Wartości tego rozkładu określono

    metodą wizjoplastyczności dla kilku etapów wypełniania wykroju w procesie kucia

    odkuwki koła zębatego prostego.

    Rys. 6.33. Model matrycy do kucia koła zębatego

    z zębami prostymi: l – matryca górna, 2 – matryca

    dolna, 3 – stempel, I, II, III, IV – strefy odkuwki

    Rys. 6.34. Wpływ kształtu występu na wartość

    współczynnika B

    W oparciu o ten rozkład wyróżnić można cztery podstawowe strefy o przybliżo-

    nej wielkości odkształcenia (rys. 6.33), w których zakłada się taką samą wartość naci-

    sku jednostkowego. W oparciu o przyjęte założenia można wyznaczyć całkowitą siłę

    nacisku [12]

    p4

    dF p

    2

    (6.8)

    w którym pσ jest współczynnikiem wzrostu oporu odkształcenia plastycznego wystę-

    pu-jącego na stemplu

    h3

    d

    d

    H2B

    d

    dln1

    pp

    p

    p

    (6.9)

    gdzie:

    p – nacisk jednostkowy,

  • 6. Procesy kucia matrycowego 301

    σp – naprężenie uplastyczniające,

    dp, d, H, h – wymiary odkuwki (rys. 6.33),

    B – współczynnik (rys. 6.34),

    μ – współczynnik tarcia.

    W praktyce wygodnie jest posługiwać się nomogramem przedstawionym na ry-

    sunku 6.35.

    Rys. 6.35. Nomogram do określenia współczynnika wzrostu oporu odkształcenia plastycznego odkuwek

    osiowosymetrycznych z bocznymi występami

  • 302 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    6.7.3. Obciążenie narzędzi przy kuciu dokładnym

    Odkuwka przedstawiona na rysunku 6.36 stanowi połączenie dwóch detali pier-

    ścieni łożysk tocznych i jest zaliczana do wyrobów kutych dokładnie. Proces techno-

    lo-giczny tego typu nazywa się kuciem wielokrotnym (jednoczesnym). Kucie wielo-

    krotne zazwyczaj odbywa się w prasach w kilku operacjach. Ucięty z pręta wsad

    o ściśle określonej objętości najpierw się spęcza a następnie poddaje kształtowaniu

    w jednym lub dwóch zabiegach kucia i wycina denko. Podczas kucia nie przewiduje

    się tworzenia wypływki. Charakter procesu odpowiada kuciu w matrycach zamknię-

    tych. Dzięki temu uzyskuje się dobre wypełnienie wykroju. Jednocześnie w ostatnim

    etapie kształtowania odkuwki należy się spodziewać gwałtownego przyrostu siły

    i dużego obciążenia narzędzi. Aby uzyskiwać niewielkie odchyłki wymiarowe odku-

    wek przy małych naddatkach na obróbkę skra-waniem i przy zadawalającej powta-

    rzalności dużej serii odkuwek, narzędzia powinny być odporne na ścieranie oraz po-

    siadać konstrukcję kompensującą sprężyste odkształcenia układu: narzędzia – maszy-

    na kuźnicza [27]. Sprężyste odkształcenia narzędzi zależą od wielkości i rozkładu

    naprężeń na powierzchni wykroju, a te z kolei, od zastosowanego procesu technolo-

    gicznego.

    Rys. 6.36. Proces kucia jednoczesnego dwóch pierścieni [15]: a – w dwóch zabiegach, b – w trzech za-

    biegach

    Obciążenie narzędzi kuźniczych dla dwóch wariantów technologii kucia odkuwki

    (rys. 6.36) i dwóch konstrukcji narzędzi (rys. 6.37) podano na rysunku 6.38.

    Pierwsza technologia polega na wstępnym spęczaniu i kuciu w wykroju (rys.

    6.36a).

  • 6. Procesy kucia matrycowego 303

    Druga technologia różni się od pierwszej dodatkowym kształto-waniem w wy-

    kroju matrycującym (rys. 6.36b).

    Rys. 6.37. Konstrukcja wykroju matrycy do jednoczesnego kucia dwóch pierścieni: a – otwarta (z wy-

    pływką pionową), b – zamknięta

    Obydwie technologie można wykonać alternatywnie w dwóch konstrukcjach

    wykrojów narzędzi: otwartej (rys. 6.37a) i zamkniętej (rys. 6.37b). W konstrukcji

    otwartej zastosowano kompensator osiowy w postaci szczeliny między stemplem

    i matrycą o szerokości 0,5 mm. W pierwszym przypadku konstrukcji matrycy metal

    może płynąć do szczeliny, w drugim natomiast proces kucia jest zakończony po cał-

    kowitym zapełnieniu metalem przestrzeni wykroju.

    Konstrukcja matrycy nie ma tak istotnego wpływu na wymaganą końcową siłę

    nacisku przy kuciu tego typu odkuwek, jak sposób prowadzenia procesu kucia. Proces

    dwuzabiegowy dla analizowanej odkuwki wymaga prawie trzykrotnie większej siły

    nacisku w końcowym etapie kucia w porównaniu z procesem trójzabiegowym. Duże

    siły nacisku w przypadku kucia w procesie dwuzabiegowym są konse-kwencją wystę-

    powania dużych nacisków jednostkowych w obszarze denka (rys. 6.38a i 6.38c). Dla

    procesu trójzabiegowego maksymalne naciski jednostkowe występują w obszarze

    zamka matrycy (rys. 6.38b i 6.38d). Przyczyną dużego lokalnego obciążenia matrycy

    w ostatnim etapie kucia jest wymuszone przemieszczanie odkształcanego metalu.

    W procesie dwuzabiego-wym w ostatnim etapie kucia metal przemieszcza się z obsza-

    ru denka w kierunku zamka.

    Natomiast w procesie trójzabie-gowym w ostatnim etapie kucia występuje ko-

    rzystna strefa zmiany kierunku płynięcia metalu, dzięki czemu metal nie ma wymu-

    szonego przemieszczania jednokierunkowe-go. Dodatkową korzyścią tej ostat-niej

    technologii jest zmniejszone tarciowe zużycie narzędzi.

  • 304 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.38. Rozkład nacisków jednostkowych (liczby w MPa) na powierzchni wykroju końcowego

    w ostatnim etapie kucia w procesie: dwuzabiegowym (a, c) w matrycy: otwartej (a) i zamkniętej (c) oraz

    trójzabiegowym (b, d) w matrycy: otwartej (b) i zamkniętej (d)

    Wskutek obciążenia mechanicznego i cieplnego matryce w procesie kucia zmie-

    niają swoje wymiary, co w sposób bezpośredni wpływa na dokładność wykonania

    odkuwek. Fakt ten posiada szczególne znaczenie w przypadku produkcji odkuwek

    dokładnych, bez naddatków na obróbkę mechaniczną. W tym przypadku przy projek-

    towaniu konstrukcji oprzyrządowania kuźniczego niezbędne staje się określenie wiel-

    kości odkształceń sprężystych i cieplnych matryc. Wyeliminowanie zbyt dużych naci-

    sków jednostkowych w pewnych obszarach wykroju matrycy ogranicza możliwość

    uszkodzenia narzędzi, jak również eliminuje niekorzystne przeciążenia maszyny kuź-

    niczej.

    Szczególnie duże naciski jednostkowe występują w środkowej części odkuwki,

    dlatego w przypadkach odkuwek o kształtach, umożliwiających odpowiednią kon-

    strukcję matryc należy dążyć do ich obniżenia, a tym samym zmniejszenia całkowitej

    siły nacisku potrzebnego do wykonania odkuwki. Cztery różne konstrukcje matryc do

    wykonania tej samej odkuwki stożkowego koła zębatego przedstawiono na rysunku

    6.39. Trzy pierwsze konstrukcje matryc różnią się grubością denka, zaś czwarta kon-

    strukcja (rys. 6.39d) polega na tym, że odkuwkę kształtuje się po uprzednim wycięciu

    w przedkuwce otworu o średnicy równej średnicy denka.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 305

    Rys. 6.39. Konstrukcje matryc do wykonania odkuwki stożkowego koła zębatego [22]: a – z denkiem,

    b – z wgłębieniem, c – bez denka, d – z otworem

    Obliczenia obciążenia matryc wykonano metodą elementów skończonych. Na

    rysunku 6.40 pokazano kształt matrycy dolnej i część matrycy górnej z naniesioną

    siatką trójkątnych elementów skończonych. Charakterystyczne dla analizowanych

    wariantów technologii przypadki rozkładu obciążenia matryc przedstawiono w postaci

    map naprężeń średnich na rysunku 6.41. W obszarze denka dla wszystkich przypad-

    ków występują naprężenia ściskające. Ich wartość bezwzględna, w przypadku matryc

    do kucia odkuwki z denkiem, jest wysoka i wynosi ponad 2,3 GPa (rys. 6.41a) i ok.

    1,2 GPa dla matryc stosowanych do kucia odkuwki z otworem. We wszystkich kon-

    strukcjach matryc występują obszary naprężeń rozciągających, przy czym ich wartość

    bezwzględna nie przekracza 0,75 GPa (rys. 6.41b). Biorąc pod uwagę wartość bez-

    względną naprężeń średnich oraz zakres występowania, najkorzystniejszą konstrukcją

    jest matryca do kucia odkuwek z otworem.

  • 306 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.40. Siatka MES w stemplu i matry-

    cy zastosowana do obliczeń obciążenia

    mechanicznego narzędzi

    Rys. 6.41. Mapy naprężeń średnich w matrycach przy

    maksymalnej sile nacisku w procesie kucia odkuwek [licz-

    by w MPa]: a – z denkiem, b – z otworem

    Rys. 6.42. Wypadkowe przemieszczenie w przekroju pionowym matrycy dolnej przy maksymalnej sile

    nacisku w procesie kucia odkuwki [liczby w mm]: a – z denkiem, b – z otworem

  • 6. Procesy kucia matrycowego 307

    Mapy wypadkowych przemieszczeń matrycy dolnej podano na rysunku 6.42. We

    wszystkich przypadkach analizowanych matryc charakter przemieszczeń jest zbliżony.

    Stosunkowo duże różnice występują natomiast w zakresie wartości bezwzględnych.

    Maksymalne wypadkowe przemieszczenie matrycy dolnej przy powierzchni wykroju,

    w procesie kucia odkuwek z denkiem, wynosi 0,5 mm (rys. 6.42a), natomiast dla od-

    kuwki z otworem – ok. 0,2 mm (rys. 6.42b).

    Z powyższego wynika, że w rozpatrywanych przypadkach najkorzystniejsze wa-

    runki pracy matryc uzyskano dla kształtowania odkuwek z otworem. Kucie odkuwek

    z cienkimi denkami wywołuje nie tylko znaczny wzrost obciążeń mechanicznych, lecz

    również znaczną nierównomierność odkształceń sprężystych i znaczne przemieszcze-

    nia matryc.

    6.7.4. Proces kucia korbowodu w zespole agregatów: walcarka kuźnicza – prasa

    W procesie kucia matrycowego technologia jest opracowywana z reguły pod ką-

    tem minimalizacji liczby operacji pośrednich. Takie podejście do procesu nie może

    być głównym kryterium optymalizującym koszt produkcji. Ostateczną decyzję podej-

    muje się w oparciu o bilans kosztów uwzględniający szereg innych czynników, w tym

    uzysk kuźniczy, trwałość narzędzi oraz wielkość maszyny stosowanej do kucia matry-

    cowego na gotowo [6]. Z praktyki przemysłowej wynika, że dla odkuwek wydłużo-

    nych o znacznej różnicy przekroju poprzecznego zastosowanie walcowanej przed-

    kuwki podwyższa wydajność procesu średnio dwukrotnie, uzysk zwiększa się do

    20 %, żywotność narzędzi wzrasta o 50 %, natomiast koszt robocizny zmniejsza się

    o ok. 15 %. Mniej wymiernymi parametrami tej technologii są własności mechaniczne

    finalnych produktów, które można prognozować w oparciu o rozkład odkształceń

    i zmiany temperatury z uwzględnieniem czasu trwania cyklu kucia.

    Wymienione czynniki analizowano na przykładzie kucia korbowodu z przed-

    kuwki walcowanej wzdłużnie ze wsadu przeznaczonego na jedną odkuwkę. Korbo-

    wód posiada charakterystyczny kształt odkuwki wydłużonej z dwoma zgrubieniami

    o maksymalnym przekroju poprzecznym kilkakrotnie większym w stosunku do prze-

    kroju minimalnego. Żebra usztywniające trzonu korbowodu są trudne do kształtowa-

    nia, co niekiedy wymaga stosowania wykroju wstępnie matrycującego. Wyelimino-

    wanie wykroju wstępnie matrycującego przy kuciu korbowodu jest możliwe, jeśli

    zastosuje się ściśle określony kształt wsadu w przekroju poprzecznym, np. kwadrato-

    wy lub prostokątny.

    Należy zaznaczyć, że przedkuwki odkuwek typu korbowodu wykonuje się także

    przez walcowanie poprzeczne walcami klinowymi. Proces walcowania walcami kli-

    nowymi jest bardzo wydajny, lecz przedkuwka ma przekrój poprzeczny kołowy. Pod-

    wyższenie wydajności kucia matrycowego można osiągnąć również przez zastosowa-

  • 308 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    nie kucia wielokrotnego. W tym przypadku o kształcie przedkuwki decyduje sposób

    ułożenia odkuwek w wykroju matrycującym na gotowo. Podana niżej analiza procesu

    kucia korbowodu jest oparta o obliczenia numeryczne. Kształt korbowodu, przedsta-

    wionego na rysunku 6.43a, charakteryzuje się znacznym zróżnicowaniem przekroju

    poprzecznego (rys. 6.43b). W związku z tym istotnym zagadnieniem jest zastosowanie

    odpowiedniego kształtu przedkuwki do kucia w wykroju matrycującym na gotowo.

    W rozważaniach zastosowano trzy kształty wsadu: pręt okrągły (rys. 6.44a) oraz dwa

    kształty przedkuwki walcowanej (rys. 6.44b i c). Średnicę wsadu przyjęto przy zało-

    żeniu, że wypływka stanowi ok. 5 % maksymalnego przekroju poprzecznego odkuw-

    ki. Przy kuciu z pręta długość wsadu wynosi 155 mm. Przy kuciu ze wsadu walcowa-

    nego, na końcu współczynnik redukcji przekroju wynosi 2,3. W przypadku wsadu

    walcowanego w środku, stopień redukcji wynosi 3,6. Wymagany całkowity stopień

    redukcji w tym obszarze wynosi 8,2. Do walcowania przedkuwki przyjęto system

    owal – koło. Uzyskanie wymaganego przekroju poprzecznego przy walcowaniu końca

    otrzymuje się w dwóch wykrojach, przy walcowaniu środka w dalszych czterech wy-

    krojach.

    Rys. 6.43. Odkuwka korbowodu: a – kształt, b – wykres pól przekroju poprzecznego

  • 6. Procesy kucia matrycowego 309

    Rys. 6.44. Wymiary wsadu do kucia odkuwki w wykroju matrycującym [19]: a – pręt, b – walcowany

    w dwóch wykrojach, c – walcowany w sześciu wykrojach

    Rys. 6.46. Siła nacisku prasy w funkcji drogi odkształcenia w procesie kucia korbowodu ze wsadu:

    a – pręt okrągły, b – przedkuwka walcowana w dwóch wykrojach, c – przedkuwka walcowana w środku

  • 310 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    Rys. 6.45. Rozkład naprężeń średnich w końcowym etapie kucia korbowodu w matrycy ze wsadu: a –

    pręt okrągły, b – przedkuwka walcowana w dwóch wykrojach, c – przedkuwka walcowana w środku (w

    sześciu wykrojach)

    Obliczenia numeryczne wykonano programem QForm3D. We wszystkich trzech

    przypadkach wykonywanych obliczeń przyjęto takie same warunki brzegowe procesu

    kucia. Początkową temperaturę nagrzewu wsadu (stal 45) przyjęto 1150 oC. Rysunek

    6.45 przedstawia kształt odkuwki wraz z wypływką z rozkładem izolinii przemiesz-

    czenia metalu w obszar wypływki. Zarys odkuwki wraz z wypływką dla trzech anali-

    zowanych kształtów wsadu, przedstawiony na rysunku 6.45, wskazuje, że najmniejsze

    straty materiału na wypływkę są przy zastosowaniu przedkuwki walcowanej na wal-

    carce kuźniczej w sześciu przepustach (rys. 6.45 c). Kształt wsadu ma również wpływ

    na całkowitą siłę nacisku (rys. 6.46). Nawet przy znacznym niedokuciu wysokości,

    przy grubości mostka wypływki 3 mm, dla skoku suwaka prasy 45 mm, całkowita siła

    nacisku jest ponad dwukrotnie większa przy kuciu z pręta (rys. 6.46 krzywa a), niż ze

    wsadu walcowanego również w obszarze trzonu korbowodu (rys. 6.46 krzywa c).

    W ocenie kosztów wytwarzania nie można pominąć wielkości uzysku kuźnicze-

    go, który w analizowanych procesach wynosi 0,3 dla odkuwki kutej z pręta, dla od-

    kuwki kutej ze wsadu walcowanego w dwóch wykrojach wynosi 0,5 oraz dla odkuwki

    kutej z wsadu walcowanego w sześciu wykrojach wynosi 0,7. Masa analizowanego

    korbowodu wynosi ok. 0,7 kg, a strata materiału – przy uzysku 0,3, wynosi 1,6 kg.

    6.7.5. Proces kucia matrycowego z przedkuwki wykonanej w wykroju rolującym

    Zagadnienie zostanie omówione na przykładzie odkuwki grota (rys. 6.47c). Pro-

    ces technologiczny kucia matrycowego grota, składa się z dwóch zasadniczych zabie-

    gów: kucia swobodnego i półswobodnego [4], umożliwiającego osiowe i promieniowe

    przemieszczenie materiału, oraz końcowego kucia w wykroju matrycy. W praktyce

    odkuwki tego typu [1] wykonuje się również z wsadu pociętego na odpowiedni kształt

  • 6. Procesy kucia matrycowego 311

    (rys. 6.47a) i kuje bezpośrednio w wykroju matrycującym na gotowo (rys. 6.47b).

    Uzysk kuźniczy w takim przypadku jest znacznie mniejszy, niż w procesie kucia

    z przedkuwki wykonanej: w wykroju rolującym (rys. 6.48a), wydłużanej na stożek

    (rys. 6.48b) lub ciętej wstępnie na profil trapezowy (rys. 6.48c).

    Rys. 6.47. Odkuwka grota wykonana z wsadu ciętego na profil trapezowy: a – wsad, b – odkuwka

    z wypływką, c – grot po obcięciu wypływki

    Rys. 6.48. Warianty obliczeń numerycznych procesu kucia grota z wsadu: a – rolowanego, b – wydłuża-

    nego na stożek, c – ciętego na profil trapezowy

    Obliczenia numeryczne wykonane dla trzech wyżej wymienionych kształtów

    przedkuwki wykazały, że najkorzystniejszy wskaźnik uzysku, wynoszący 86,8 %,

    otrzymano dla wsadu zgodnego z kształtem idealnej przedkuwki. Przemieszczenie

    wzdłużne materiału wsadowego w postaci pręta uzyskać można w wykroju rolującym

  • 312 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    zamkniętym w procesie kucia na młocie lub w procesie walcowania wzdłużnego lub

    poprzecznego. Rolowanie jest procesem energo- i pracochłonnym, natomiast walco-

    wanie wymaga zastosowania zespołu agregatów. Z tego względu opłacalność tej tech-

    nologii może wynikać z bardzo dużej serii wykonywanych odkuwek lub przy mniej-

    szych seriach, gdy koszt materiału jest wysoki. Zbliżoną technologią do poprzedniej

    jest wydłużanie z obracaniem. Jednak kształt wsadu i związany z tym uzysk jest

    znacznie mniejszy i wynosi ok. 73 %, przy porównywalnej do poprzedniej praco-

    chłonności procesu kucia wstępnego.

    Rys. 6.49. Obliczona numeryczne siła nacisku w procesie kucia grota z wsadu: a – rolowanego, b – wy-

    dłużanego na stożek, c – ciętego na profil trapezowy

    Technologia kucia, polegająca na przygoto-waniu wsadu przez spłaszczanie

    w kowadłach zbieżnych oraz stosowana w praktyce, mają zbliżony uzysk, wynoszący

    ok. 64 %. Przygotowanie wsadu jest w obydwu przypadkach mniej pracochłonne, lecz

    o ich wyborze mogą decydować inne składniki kosztów całkowitych, np. trwałość

    narzędzi lub wielkość nacisku wymaganego do uzyskania żądanych wymiarów od-

    kuwki.

    Kolejnym parametrem decydującym o wyborze kształtu przedkuwki jest wiel-

    kość siły w ostatnim etapie kucia. Wynik obliczeń nume-rycznych tego parametru dla

    grota, wykona-nego trzema analizowanymi technologiami, przedstawiono na rysunku

    6.49. Charaktery-styczną cechą wszystkich procesów jest niewielki przyrost siły przy

    przemieszczeniu matrycy ok. 70 % całkowitego założonego odkształcenia. Siła naci-

  • 6. Procesy kucia matrycowego 313

    sku w ostatnim etapie kucia, przy końcowej grubości wypływki 2 mm, jest najmniej-

    sza dla wsadu przygotowanego przez rolowanie i wynosi 2,7 MN (rys. 6.49, krzywa

    a).

    6.7.6. Proces kucia matrycowego z przedkuwki wykonanej w wykroju kształtującym

    Gięcie wsadu w wykroju pomocniczym znacznie poprawia wskaźniki technicz-

    no-ekonomiczne procesu kucia matrycowego. Zagadnienie zostanie omówione na

    przykładzie procesu kucia wału korbowego przedstawionego na rysunku 6.50. Wał

    korbowy składa się z czopów łożyskowych połączonych ramionami. Podstawowe

    czopy służą do zamocowania łożysk oporowych, pozostałe do montażu korbowodów.

    Na ramionach wykorbienia w strefie łożyska wału umieszczone są przeciwciężary

    spełniające rolę równoważenia mas wału korbowego w czasie obracania, co zapobiega

    przegięciom wału. Jeżeli wał korbowy opiera się w korpusie tylko na dwóch podpo-

    rach, to siły dynamiczne powodują jego przeginanie. Przeciwciężary zmniejszają

    przegięcie wału ok. 1,5-krotnie.

    Rys. 6.50. Wał korbowy z trzema wykorbie-

    niami

    Rys. 6.51. Powierzchnia podziału matryc do kucia

    wału korbowego z jednoczesnym skręcaniem wykor-

    bień: A, B, C: rozkład intensywności odkształcenia

    w przekrojach poprzecznych czopów łożyskowych

    Proces kucia matrycowego wałów korbowych stosowanych w silnikach małej

    mocy jest realizowany w kilku zabiegach. Główny zabieg kucia, nadający ostateczny

    kształt wału, jest poprzedzany kształtowaniem wsadu w wykroju wstępnie matrycują-

    cym na prasie lub przez walcowanie na walcarce kuźniczej. Matrycowanie końcowe

  • 314 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    wałów mniej złożonych odbywa się z przemieszczeniem wykorbień do wymaganego

    położenia. Wykorbienia wałów złożonych są skręcane po obcięciu wypływki na spe-

    cjalnej skręcarce. W pierwszym przypadku kucia powierzchnia podziału matryc jest

    bardzo złożona. W drugim przypadku podział matryc wykroju matrycującego jest

    w jednej płaszczyźnie. Opracowanie poprawnej technologii kucia matrycowego wału

    korbowego, w której odkuwka jest pozbawiona wad, głównie zakuć, wymaga zasto-

    sowania odpowiedniego kształtowania w wykroju wstępnie matrycującym.

    Dla porównania przyjęto dwa warianty technologii kucia z wsadu o jednakowej

    objętości i różnym kształcie przedkuwki. W pierwszym zastosowano wsad kwadrato-

    wy o zmiennym przekroju poprzecznym, składającym się z trzonu i głowy. Natomiast

    w drugim wariancie zastosowano wsad okrągły kształtowany w wykroju wstępnie

    matrycującym. Kucie wszystkich trzech wykorbień wału ze skręceniem o kąt wyprze-

    dzenia 1200 odbywa się w zabiegu matrycowania końcowego. Konsekwencją kształ-

    towania wykorbień z jednoczesnym skręcaniem jest złożona powierzchnia podziału

    matryc. Rysunek 6.51 przedstawia rozkład odkształceń w przekroju poprzecznym dla

    trzech korb.

    Kolejne etapy procesu technologicznego kucia matrycowego wału korbowego

    z wsadu o zmiennym przekroju poprzecznym przedstawiono na rysunku 6.52. Wsad

    przedstawiony na rysunku a otrzymuje się w procesie walcowania kuźniczego syste-

    mem kwadrat-owal-kwadrat [23]. Proces gięcia wsadu przedstawia rysunek 6.52b.

    Początek tworzenia wypływki rozpoczyna się stosun-kowo wcześnie z uwagi na spo-

    sób ułożenia wsadu (rys. 6.52c). Na rysunku 6.52d widać zarys linii podziału matryc

    w ostatnim etapie kucia, a na rysunku 6.52e widok odkuwki z góry z utworzoną wy-

    pływką.

    Ułożenie przedkuwki w wykroju matrycującym na gotowo w procesie kucia wału

    korbowego z wsadu wstępnie kształtowanego przedstawiono na rysunku 6.53a. Widok

    z góry przedkuwki w trzech kolejnych etapach procesu kucia wału korbowego przed-

    stawiono na rysunkach od 6.53b do 6.53e. Zarys linii podziału matryc w ostatnim

    etapie kucia (rys. 6.53f) różni się nieznacznie od uzyskanego w poprzednio omawia-

    nym wariancie technologii (rys. 6.53d). Przyczyna różnicy w zarysie linii podziału

    matryc w obszarze wypływki będzie omówiona szczegółowo w analizie wyników

    obliczeń.

    Zadawalające wypełnienie wykroju matrycy uzyskano przy kuciu wału z wsadu

    wstępnie kształtowanego (rys. 6.54b). Wsad o przekroju poprzecznym kwadratowym i

    zmiennym na długości nie zapewnia wymaganego kształtu wykorbienia w obszarze

    zaznaczonym owalem na rysunku 6.54a. Nie wynika to z asymetrycznego położenia

    wsadu w pierwszym etapie kucia, gdyż po przeciwnej stronie osi głównej wału nie

    stwierdzono zbytniego nadmiaru metalu w obszarze wypływki. Z kształtu wypływki

    przedstawionej na rysunku 6.54 wynika, że większą symetrię zarysu zewnętrznego

  • 6. Procesy kucia matrycowego 315

    uzyskuje się dla odkuwki wykonanej z wsadu o przekroju poprzecznym kwadrato-

    wym. Jednak nie jest to wystarczające kryterium optymalizacji kształtu przedkuwki.

    Stwierdzono, że charakter przebiegu krzywych związanych z parametrami energe-

    tycznymi procesu kucia pozwala na ocenę poprawności przyjętego kształtu przedkuw-

    ki.

    Rys. 6.52. Kucie wału korbowego w jednym

    wykroju matrycującym: a, b, c, d – kolejne etapy

    procesu kucia, e – widok odkuwki z góry z czę-

    ściową wypływką

    Rys. 6.53. Kucie wału korbowego z wsadu wstęp-

    nie kształtowanego: a, f – widok z boku (pierwszy

    i ostatni etap kucia), b, c, d, e – widok z góry

    (pośrednie etapy procesu kucia)

    Dla obydwóch analizowanych procesów kucia wału siła nacisku prasy w wykroju

    matrycującym na gotowo ma przebieg podobny (rys. 6.55). Złożony kształt odkuwki

    powoduje, że nie występują cztery odrębne jednoznacznie zaznaczone etapy procesu

    kucia w matrycy otwartej, związane ze stopniem przemieszczania metalu do wypływ-

    ki. Charakter wzrostu siły nacisku w funkcji przemieszczenia matrycy świadczy, że do

    mostka wypływki metal wpływa przy gniocie ok. 60% dla wsadu o przekroju kwadra-

    towym (rys. 6.55 poz. a) i przy gniocie ok. 70 % dla wsadu wstępnie kształtowanego

  • 316 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    (rys. 6.55 poz. b). Świadczy to o tym, że przy założeniu takiej samej objętości wsadu

    większa jego objętość wpływa do wykroju w procesie kucia z wsadu wstępnie kształ-

    towanego. Można na tej podstawie wnioskować, że położenie krzywych charakteryzu-

    je stopień poprawności przyjętego kształtu wsadu. Drugi charakterystyczny etap gwał-

    townego przyrostu siły przy niewielkim przemieszczeniu matrycy świadczy o znaczą-

    cym, względem całkowitego nacisku, udziale siły odkształcania mostka i magazynka

    wypływki tworzących się w tym etapie procesu odkształcania. Mniejsza końcowa siła

    nacisku dla krzywej oznaczonej literą a na rysunku 6.55 jest efektem niewypełnienia

    metalem jednego wykorbienia pokazanego na rysunku 6.54a.

    Rys. 6.54. Odkuwka wału korbowego przed

    obcięciem wypływki: a – kucie w jednym

    wykroju matrycującym (brak wypełnienia

    wykroju w obszarze zaznaczonym owalem),

    b – kucie z wsadu wstępnie kształtowanego

    Rys. 6.55. Siła w procesie kucia wału korbowego:

    a – kucie w jednym wykroju matrycującym, b – kucie

    z wsadu wstępnie kształtowanego

    Przedstawiona technologia kucia wału korbowego z jednoczesnym skręcaniem

    w ostatnim zabiegu wymaga sztywnego trzymania wsadu w pierwszym etapie kucia,

    co jest trudne z uwagi na skłonność do przesunięć z powodu złożonego kształtu po-

    wierzchni podziału matryc. Z tego względu kucie odkuwek wałów korbowych odby-

    wa się na prasach korbowych, co w porównaniu z kuciem na młotach obniża zużycie

    wsadu o 5 ÷ 10 % i skraca obróbkę skrawaniem o 25 ÷ 35 %.

    Proces kucia wałów korbowych jest wielozabiegowy, tj. wymaga kilku operacji

    kucia. Np. proces kucia stosunkowo prostego wału czterocylindrowego szeregowego

    silnika składa się z następujących zabiegów: przygotowanie wsadu, wstępne kucie,

    końcowe kucie, obcięcie wypływki, kalibrowanie. Na prasie wykonuje się tyko część

    zabiegów (wstępne i końcowe kucie, obcięcie wypływki). Pozostałe operacje wykonu-

    je się na walcach kuźniczych (wstępne kształtowanie) i prasie do kalibrowania.

  • 6. Procesy kucia matrycowego 317

    W zależności od kształtu odkuwki wału proponowany proces kucia w pierwszym

    i końcowym etapie jest zbliżony, natomiast w części zasadniczej kształtowania może

    się różnić. Otrzymanie dokładności kucia i rozmiarów odkuwki wału przy zastosowa-

    niu danej technologii pozwala osiągnąć gotowy wymiar w obszarze ramion korby, co

    eliminuje obróbkę skrawaniem na przeciwwagach i obniża jej masę o ok. 5 %. Jest to

    możliwe przy położeniu wszystkich opraw łożysk w jednej płaszczyźnie (jednorzędo-

    wych czterocylindrowych).

    Ocena różnych wariantów technologicznego procesu w zakresie wytypowania

    operacji koniecznych do odkształcania odkuwki nie jest jednoznaczna. Dotyczy to

    głownie zastosowania walcowania wstępnego w przypadku, gdy odkuwka nie podlega

    skręcaniu. Dlatego wybór optymalnego wariantu technologii, i w ślad za tym zastoso-

    wanie odpowiedniej linii technologicznej, należy ocenić łącznie z wymaganiami doty-

    czącymi dodatkowego oprzyrządowania.

    Przy decyzji o wymaganym stopniu dokładności wykonania odkuwek należy

    brać pod uwagę problemem głębokości zalegania zakuć analizowany w niniejszej

    pracy. Stąd nie jest celowe podwyższanie dokładności i sztywności prasy, jeśli nie

    osiąga się pełnej gwarancji wyeliminowania tego typu wad związanych z płynięciem

    metalu w procesie kucia.

    Powtarzalność odkuwek można osiągnąć przy pełnej dyscyplinie założonych pa-

    rametrów technologicznych i rytmiczności produkcji. Stąd dla danej partii odkuwek

    należy zachować takie same parametry i warunki procesu kucia. Istotną rolę odgrywa

    tu temperatura wsadu i temperatura narzędzi. Utrzymanie powtarzalności jest najko-

    rzystniejsze przy automatyzacji procesu, co uniezależnia rytmiczność od kowala.

    Dzięki temu osiąga się stabilizację temperatury wsadu i narzędzi, a powtarzalność

    zwiększa o 10 ÷ 12 %. Jeżeli automatyzacja procesu jest połączona z zachowaniem

    innych dokładności, np. przy kuciu precyzyjnym, eliminuje się obróbkę skrawaniem.

    W tak prowadzonym procesie należy nagrzewać z dokładnością do 10 oC, stosować

    dozowane smarowanie, zachować cięcie z dokładnością do 1%. Dzięki temu dwukrot-

    nie zwiększy się dokładność wyrobu po kuciu.

    Korzystne jest inwestowanie w linie produkcyjne częściowo lub całkowicie zau-

    tomatyzowane. W procesie kucia wałów korbowych w liniach pras stosuje się chwy-

    taki lub roboty kuźnicze.

    6.7.7. Zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej w kuciu matrycowym

    Połączenie odkształcenia plastycznego i obróbki cieplnej, określane jako prze-

    róbka plastyczna z kontrolowanym chłodzeniem lub obróbka cieplno-plastyczna, jest

    efektywnym sposobem poprawy własności mechanicznych stali. Stanowi podstawę

    dla technologii, które zapewniają utworzenie mikrostruktury korzystnej do uzyskania

  • 318 Podstawy procesów kształtowania plastycznego

    optymalnej kombinacji wytrzymałości oraz ciągliwości, zwiększonej udarności oraz

    zwiększonej odporności na korozję lub zmęczenie mechaniczne. Dzięki temu uzyskuje

    się materiały o wyższej jakości i lepszych własnościach użytkowych. Korzyści wyni-

    kające ze stosowania przeróbki plastycznej i zintegrowanej obróbki cieplnej są po-

    wszechnie znane, stąd kontrolowane chłodzenie jest obecnie w coraz większym stop-

    niu technologią wdrażaną w zakładach przemysłowych. Jednocześnie ciągły rozwój

    inżynierii materiałowej oraz będące jego wynikiem nowe gatunki stali, ze stalami

    mikrostopowymi włącznie, powodują nieustanne badania w zakresie określenia wa-

    runków obróbki cieplnoplastycznej mające na celu wykorzystanie możliwości pod-

    wyższenia własności wytrzymałościowych i minimalizację kosztów wytwarzania.

    Opracowywane są nowe technologie przetwórstwa materiałów, które opierają się na

    kontrolowanych warunkach odkształcania celem uzyskania żądanej struktury ziarn

    austenitu oraz chłodzenia, które zapewnić mają odpowiedni przebieg kinetyki prze-

    mian w stali. Duża część z nich polega na wykorzystaniu stali z mikrododatkami, któ-

    re zapewniają uzyskanie wysokiej wytrzymałości przy obniżonej zawartości węgla,

    odpowiadającej stalom nisko lub średniowęglowym. Utwardzenie wydzieleniowe

    osiągane jest w nich poprzez dodatki krzemu i manganu. Mikrododatki wanadu, nio-

    bu, tytanu lub aluminium zapewniają uzyskanie drobnoziarnistego austenitu, hamując

    jego rozrost dzięki nierozpuszczonym wydzieleniom, które następnie powodują

    umocnienie wydzieleniowe materiału, co zapewnia uzyskanie drobnoziarnistej struk-

    tury ferrytyczno-perlitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej z austenitem szcząt-

    kowym po schłodzeniu do temperatury otoczenia [20].

    Obecnie – korzyści wynikające ze stosowania obróbki termomechanicznej, spo-

    wodowały szerokie ich wykorzystywanie w technologiach walcowania. Wykorzysta-

    nie obróbki cieplnoplastycznej w technologiach kuźniczych jest ciągle niewielkie.

    Różnorodność kształtów i wymiarów wytwarzanych odkuwek powoduje konieczność

    określania minimalnych temperatur kucia oraz schematu chłodzenia dla każdego

    przypadku indywidualnie, co stanowi barierę upowszechnienia metody, szczególnie

    przy niewielkich seriach odkuwek. Złożony kształt detali maszyn powoduje duży gra-

    dient odkształcenia w objętości odkuwki. Również występuje znaczna niejednorod-

    ność temperatury spowodowana lokalnym wydzielaniem ciepła odkształcenia oraz

    odprowadzaniem ciepła z wsadu do narzędzi. Te czynniki stwarzają niekorzystne wa-

    runki dla kinetyki przemian strukturalnych zachodzących w procesie kucia matryco-

    wego. Oprócz zjawisk związanych z rozwojem mikrostruktury, należy rozwiązać sze-

    reg problemów technologicznych, w tym minimalizujących liczbę operacji kucia przy

    maksymalnej jednorodności odkształcenia w całej objętości odkuwki.

    Rozwiązanie złożonego problemu zastosowania obróbki cieplnoplastycznej

    w procesach kucia matrycowego w niniejszej pracy przedstawiono na przykładzie

    odkuwki kołnierza. Odkuwka ta charakteryzuje się dużą powierzchnią przekroju po-

  • 6. Procesy kucia matrycowego 319

    przecznego w płaszczyźnie podziału matryc przy jednocześnie niewielkiej grubości

    kołnierza oraz stosunkowo dużą masą skupioną w środkowej części (rys. 6.56d). Przy

    przyjętej smukłości wsadu jego czoło w pierwszym etapie kucia styka się z dnem ma-

    trycy (rys. 6.56a), co powoduje, że pierwszy etap kucia polega na spęczaniu (rys.

    6.56b), natomiast kołnierz jest wypełniany przez wyciskanie boczne (rys. 6.56c). Za-

    sadność przyjętych parametrów procesu obróbki cieplnoplastycznej dla analizowanej

    odkuwki oceniono w oparciu o badania własności mechanicznych i plastycznych,

    natomiast rozkład temperatury i odkształceń określono w oparciu o obliczenia nume-

    ryczne. Dodatkowo w oparciu o obliczenia numeryczne przedstawiono analizę obcią-

    żenia narzędzi.

    Rys. 6.56. Charakterystyczne etapy procesu kucia kołnierza

    Odkuwkę kołnierza wykonano ze stali o następującym składzie chemicznym:

    0,3% C, 0,94% Mn, 1,05% Si, 0,9% Cr, 0,05% Ni, 0,05% Ti, 0,022% P, 0,018% S.

    Temperatura austenityzacji wynosiła 950C. Dla danego składu chemicznego stali

    temperatury przemian wynosiły: AC1 750C, AC3 840C, Ms 340C. Po n