skripta omd plancic 2011

UNIVERZITET U ZENICI MAŠINSKI FAKULTET

Viši asistent mr. sci. Ibrahim Plančić

OBRADA METALA DEFORMISANJEM - skripta -

Zenica, januar 2011. godine

Skripta: Obrada metala deformisanjem: Sadržaj

2

S A D R Ž A J

1. TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG DEFORMISANJA−UVODNE DEFINICIJE I NAPOMENE.......................................................................................................... 5

1.1 Podjela postupaka OMD...................................................................................................7 1.2 Primjeri primjene TPD ......................................................................................................7 1.3 Primjeri mašina i alata ......................................................................................................14

2. TEORIJSKE OSNOVE POSTUPAKA OMD (TPD) ................................................. 19 2.1 PRETPOSTAVKE U TPD.................................................................................................19 2.2 NAPONI............................................................................................................................20

2.2.1 Vrste naponskih stanja i njihove mehaničke šeme .....................................................21 2.3 DEFORMACIJE................................................................................................................22

2.3.1 Deformaciona stanja i njihove šeme ...........................................................................23 2.4 BRZINA DEFORMACIJE I BRZINA DEFORMISANJA ....................................................24 2.5 VEZA IZMEĐU NAPONA I DEFORMACIJA ....................................................................24 2.6 USLOVI PLASTIČNOSTI .................................................................................................24

2.6.1 Energetski uslov plastičnosti .......................................................................................25 2.6.2 Uslov najvećeg smičućeg napona ..............................................................................25

2.7 DEFORMACIONO OJAČAVANJE I KRIVE OJAČAVANJA.............................................26 2.7.1 Hladno i toplo deformisanje ........................................................................................26 2.7.2 Krive ojačavanja..........................................................................................................27 2.7.3 Aproksimacije krivih ojačavanja ..................................................................................29

2.8 DEFORMABILNOST ........................................................................................................30 2.9 PARAMETRI PROCESA ..................................................................................................31 2.10 KONTAKTNO TRENJE I GRANIČNI USLOVI ...............................................................33

3. OBRADA RAZDVAJANJEM (SHEARING) ............................................................ 35 3.1 ODSJECANJE..................................................................................................................35

3.1.1 Odsecanje na makazama sa pravim paralelnim noževima.........................................36 3.1.2 Odsecanje na makazama sa pravim nagnutim noževima ..........................................37 3.1.3 Odsjecanje na makazama sa kružnim noževima........................................................38

3.2 PROSJECANJE I PROBIJANJE ......................................................................................39 3.2.1 Deformaciona sila i rad prosjecanja (probijanja).........................................................40 3.2.2 Mogućnosti za smanjenje sile prosjecanja..................................................................41 3.2.3 Principi racionalnog korištenja materijala pri prosjecanju ...........................................42 3.2.4 Osnovne napomene o alatima za prosjecanje i probijanje .........................................43

3.3 VIBRACIONO RAZDVAJANJE ........................................................................................46 3.4 FINO PROSJECANJE......................................................................................................46

4. SAVIJANJE (Bending) ........................................................................................... 50 4.1 UGAONO SAVIJANJE .....................................................................................................50

4.1.1 Naponi i deformacije ...................................................................................................55 4.1.2 Neutralna osa i razvijeno stanje..................................................................................56 4.1.3 Momenti savijanja .......................................................................................................57


3

4.1.4 Minimalni i maksimalni radijus savijanja .....................................................................57 4.1.5 Elastična povratnost....................................................................................................58 4.1.6 Momenti spoljnih sila i sile savijanja ...........................................................................58

4.1.6.1 Dvougaono savijanje ............................................................................................59 4.1.6.2 Jednougaono savijanje u zatvorenom alatu .........................................................60

4. 2 PROFILNO SAVIJANJE NA SPECIJALNIM PRESAMA.................................................61 4.3 KRUŽNO SAVIJANJE ......................................................................................................63

4.3.1 Kružno savijanje profila na valjcima............................................................................65 4.4 PROFILNO SAVIJANJE LIMOVA POMOĆU VALJAKA ..................................................69 4.5 SAVIJANJE CIJEVI ..........................................................................................................70 4.6 SAVIJANJE DIJELOVA MANJIH DIMENZIJA NA SPECIJALNIM MAŠINAMA...............73

5. DUBOKO IZVLAČENJE (Deep Drawing) .............................................................. 75 5.1 DUBOKO IZVLAČENJE OSNOSIMETRIČNIH KOMADA................................................78

5.1.1 Pokazatelji stepena deformisanja ...............................................................................80 5.1.2 Naponi i deformaciona sila izvlačenja.........................................................................81

5.1.2.1 Radijalni napon na obodu.....................................................................................82 5.1.2.2 Napon usljed trenja na obodu...............................................................................82 5.1.2.3 Napon usljed trenja na zaobljenju matrice............................................................83 5.1.2.4 Napon usljed savijanja i ispravljanja .....................................................................84

5.1.3 Naknadne operacije izvlačenja ...................................................................................85 5.1.4 Izvlačenje drugih tijela pravilnog geometrijskog oblika ...............................................86 5.1.5 Određivanje oblika i dimenzija polaznog komada.......................................................87 5.1.6 Alati za duboko izvlačenje...........................................................................................88 5.1.7 Mašine za duboko izvlačenje ......................................................................................91 5.1.8 Posebni postupci dubokog izvlačenja .........................................................................95

5.1.8.1 Hidromehaničko duboko izvlačenje ......................................................................96 5.1.8.2 Izvlačenje uz pomoć gume ...................................................................................97 5.1.8.3 Oblikovanje razvlačenjem.....................................................................................98 5.1.8.4 Rotaciono izvlačenje.............................................................................................98 5.1.8. 5 Razna oblikovanja izvlačenjem............................................................................100

5.1.9 Duboko izvlačenje sa stanjenjem (Ironing) .................................................................101 5.1.10 Osnovni elementi projektovanja tehnološkog procesa dubokog izvlačenja ..............103 5.1.11 Primjer tehnološkog postupka dobijanja konzerve za pića .......................................104

B. MASIVNO (ZAPREMINSKO) OBLIKOVANJE (Bulk Forming)............................. 105 6. OBRADA SABIJANJEM (Upsetting) ..................................................................... 105

6.1 POKAZATELJI DEFORMACIJA I GRANIČNE MOGUĆNOSTI OBLIKOVANJA PRI SABIJANJU VALJKA .......................................................................................................105

6.2 DEFORMACIONA SILA I RAD ZA SABIJANJE VALJKA.................................................107 7. PLASTIČNO DEFORMISANJE KOVANJEM U TOPLOM STANJU

(FORGING) ........................................................................................................... 108 7.1 SLOBODNO KOVANJE ...................................................................................................109 7.2 KOVANJE U KALUPIMA ..................................................................................................110


4

7.2.1 Kovanje u tzv. otvorenim kalupima .............................................................................117 7.2.1.1 Definisanje geometrije (crteža) otkovka................................................................119

7.3 ODREĐIVANJE PARAMETARA ZA IZBOR MAŠINA PRI KOVANJU U KALUPIMA ......123 7.3.1 Završno kovanje na kovačkim čekićima......................................................................123 7.3.2 Završno kovanje na kovačkim presama......................................................................123

7.4 OSNOVNI REDOSLJED TEHNOLOŠKIH OPERACIJA PRI KOVANJU .........................124 7.5 SPECIJALNI POSTUPCI KOVANJA................................................................................126

7.5.1 Orbitalno kovanje ........................................................................................................126 7.5.2 Horizontalne kovačke mašine .....................................................................................126

8. ISTISKIVANJE (Cold Extrusion)............................................................................ 127 8.1 ISTOSMJERNO ISTISKIVANJE (PUNIH KOMADA) .......................................................129 8.2 SUPROTNOSMJERNO ISTISKIVANJE...........................................................................131

9. VUČENJE ŽICE (Wire Drawing)............................................................................. 134 10. TOPLO ISTISKIVANJE PROFILA, ŠIPKI I CEVI (Hot Extrusion) ....................... 135 11. IZRADA I IZBOR POLUFABRIKATA ................................................................... 137 12. SPECIFIČNI POSTUPCI OBLIKOVANJA ............................................................ 139

12.1 OBLIKOVANJE EKSPLOZIVNIM DEJSTVOM ..............................................................139 12.2 ELEKTROHIDRAULIČNO OBLIKOVANJE ....................................................................140 12.3 ELEKTROMAGNETNO OBLIKOVANJE ........................................................................140 12.4 OBLIKOVANJE LOKALNIM UDARNIM DEJSTVOM (PEEN FORMING)......................140 12.5 ULTRAZVUČNO OBLIKOVANJE...................................................................................141 12.6 SUPERPLASTIČNO OBLIKOVANJE.............................................................................142 12.7 THIXO – DEFORMISANJE (THIXO-FORMING)............................................................142

13. NOVE TEHNOLOGIJE ZASNOVANE NA TEHNOLOGIJI BRZE IZRADE PROTOTIPOVA (RAPID PROTOTYPING – RP).................................. 144

13.2 KONKURENTNI INŽENJERING (CONCURRENT ENGINEERING - CE) .....................144 13.3 REVERZIBILNI INŽENJERING (REVERSE ENGINEERING – RE) ..............................145 13.4 INTEGRACIJA „BRZIH” TEHNOLOGIJA I REVERZIBILNOG INŽENJERSTVA ...........147 13.5 POSTUPCI BRZE IZRADE PROTOTIPOVA (RAPID PROTOTYPING – RP) ...............148

13.5.1 Postupak stereolitografije (SL)..................................................................................150 13.5.2 Izrada modela nanošenjem istopljenog materijala (Fuse Deposition Modeling-

FDM)........................................................................................................................154 13.5.3 Selektivno lasersko sinterovanje (Selective Laser Sintering – SLS).........................156 13.5.4 3D štampanje (3D Printing – 3DP)............................................................................158 13.5.5 Termojet Printing (Multijet Printing)...........................................................................161 13.5.6 Postupci sa korišćenjem čvrstih materijala u vidu folija (Laminated Object

Manufacturing-LOM)................................................................................................161 13.5.7 Upoređenje pojedinih RP tehnologija i upoređenje RP tehnologija sa klasičnim

tehnologijama izrade modela i prototipova................................................................161 14. BRZA IZRADA ALATA (RAPID TOOLING – RT)................................................. 164

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 1. Uvodne definicije i napomene

5

1. TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG DEFORMISANJA−UVODNE DEFINICIJE I NAPOMENE

U obradu metala deformisanjem spadaju procesi kod kojih se potrebni oblik i dimenzije predmeta dobijaju plastičnim deformisanjem polaznog materijala - pripremka. Kod svih vrsta obrade deformisanjem zajedničko je da moraju postojati alat i mašina. Alat, koji se najčešće izrađuje kao specijalni za određeni predmet, daje geometrijski oblik predmetu, a mašina ostvaruje potrebne sile i kretanja. Danas se u literaturi i praksi susreće veći broj terminoloških izraza koji podrazumijevaju navedene tehnoške postupke izrade bez odvajanja materijala, kao što su: - OBRADA METALA DEFORMISANJEM (OMD), - TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG DEFORMISANJA (TPD), - TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG OBLIKOVANJA (TPO), - PLASTIČNO DEFORMISANJE METALA (PDM), - TEHNOLOGIJA PLASTIČNOSTI i sl. Na nekim stranim jezicima ova tehnologija se izražava kao: - METAL FORMING (eng.), - UMFORMUNG (UMFORMTECHNIK) (nem.), - ОБРАБОТКА МЕТАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (рус.) Tehnologija plastičnog deformisanja (TPD) metala obuhvata procese kod kojih se pod dejstvom dovoljno velikog opterećenja ostvaruje plastična deformacija, odnosno trajno mijenja oblik polaznog materijala. Polazni materijal je polufabrikat u obliku: limova, ploča, cijevi, punih profila itd. Po svojoj prirodi deformacije se dijele na: - elastične (postoje samo pod odgovarajućim opterećenjem, prestankom

opterećenja nestaju), - plastične (suprotno od elastične, prestankom opterećenja ostaju trajno). Više od 80% svih metalnih materijala u ranijoj ili kasnijoj fazi prerade biva obrađeno nekim od postupaka TPD. Osnovna osobina TPD jeste očuvanje neprekidnosti strukture oblikovanog materijala uz poboljšanje karakteristika čvrstoće i nepromenljivost zapremine. Glavne prednosti TPD: - izuzetno dobre mehaničke karakteristike dobijenih dijelova koji se koriste kod

najtežih opterećenja i na najodgovornijim mjestima, - relativno jednostavna i brza izrada dijelova čak i kod složenih geometrija i većih

dimenzija, - visok stepen iskorišćenja materijala, - niža cijena izrade proizvoda, - relativno niži utrošak energije po jedinici mase komada, - veliki broj dijelova je moguće proizvesti isključivo postupcima TPD.


6

Nedostaci TPD: - puna ekonomska opravdanost i izraziti rezultati najčešće u uslovima serijske,

velikoserijske i masovne proizvodnje, - teškoće pri obradi materijala sa vrlo niskom polaznom plastičnošću (npr. neki

visokolegirani čelici), - pojava velikih sila i pritisaka tokom pojedinih procesa oblikovanja što otežava i

poskupljuje izradu alata i zahtijeva mašine velike snage. Najvažnije oblasti primjene: - industrija svih vrsta vozila, brodova, aviona i drugih letjelica, mašina, alata i

uređaja, - izrada vezivnih elemenata: vijci, navrtke, čivije, osovinice itd., - izrada rezervoara, sudova, konzervi i druge ambalaže, - izrada elemenata u građevinarstvu (krovne i zidne konstrukcije itd.), - izrada dijelova u elektrotehnici i elektronici, - izrada ručnog alata i hirurških instrumenata, - vojna industrija. Da bi se materijal mogao prerađivati, potrebno je primjenom opterećenja dovesti ga u stanje plastičnog tečenja. Potrebnu silu i energiju ostvaruju mašine za plastično deformisanje: prese za obradu lima, kovačke prese, mašine za savijanje itd. Neposredno oblikovanje izvodi se u alatu koji se montira u radnom prostoru mašine. Za uspešnu praktičnu realizaciju procesa TPD potrebno je ovladati: - procesom oblikovanja (osobine materijala pripremka, naponsko−deformaciono

stanje, brzine, ojačanje, deformabilnost, trenje, parametri procesa itd.), - alatom (konstrukcija, izrada, eksploatacija), - mašinom (parametri za izbor, tačnost itd.) - vezom sa okruženjem (transport, automatizacija, ekološki zahtevi, reciklaža

otpada itd.). Istorijat: - prva pojava oko 5000.g. PH (arheološki nalazi), - prvi pisani trag Homerova ILIJADA (kovanje bronzanog oružja za Ahila), - vučenje žice (200 g.), valjanje (1500g.), - duboko izvlačenje (1600g.), …. - danas kompjuterske tehnologije daju novu dimenziju TPD (modeliranja i

simulacije, upravljanja, virtuelna proizvodnja).


7

1.1 PODJELA POSTUPAKA OMD

Slika1. Moguća podjela TPD na razne postupke 1.2 PRIMJERI PRIMJENE TPD


8


9


10


11


12


13


14

1.3 PRIMJERI MAŠINA I ALATA

Mašine su razne vrste presa koje obezbjeđuju deformacionu silu i prostor za smještaj alata.


15


16

50 000 tonska presa

500 000 kN 500 MN


17


18

Skripta: Obrada metala deformisanjem: Teorijske osnove postupaka OMD

19

2. TEORIJSKE OSNOVE POSTUPAKA OMD (TPD)

Plastično deformisanje metala odvija se pod dejstvom odgovarajućeg spoljašnjeg opterećenja koje izaziva unutrašnje napone i trajnu promjenu oblika polaznog materijala. Ukupna deformacija je rezultat plastične deformacije svakog pojedinačnog kristalnog zrna materijala, koje međusobno ne moraju da budu jednake. Raspodjela deformacija po zapremini komada može biti veoma različita što zavisi od tipa i uslova oblikovanja. Pri obradi deformisanjem ne smiju se prekoračiti vrijednosti graničnih iznosa deformacije, jer se u protivnom razara struktura materijala ili pojavljuju drugi neprihvatljivi defekti. Takođe se ne smijju prekoračiti intenziteti kontaktnih napona jer može doći do oštećenja alata. Zbog toga se za svaku tehnološku metodu OMD izvodi proračun komponenti napona i deformacija, zatim proračun deformacionih sila i rada. Ovi parametri neophodni su za pravilno dimenzionisanje alata i izbor odgovarajućih mašina. Tokom plastičnog deformisanja materijal mjenja svoju strukturu, što za posljedicu ima promjenu mehaničkih svojstava u smislu povećanja čvrstoće i žilavosti. Za analizu i prethodnu procjenu navedenih pojava kod TPD neophodno je poznavanje osnovnih teorijskih relacija baziranih na mehanici kontinuuma odnosno teoriji plastičnosti.

2.1 PRETPOSTAVKE U TPD

Da bi se matematičko−fizička interpretacija veoma složenih zavisnosti pojednostavila i učinila praktičnijom za razumjevanje i primjenu, uvode se pretpostavke koje često nisu sasvim realne, ali (uz prihvatljivu grešku) daju zadovoljavajuća rješenja za važne parametre procesa:

a) hipoteza o homogenosti elastično−plastičnog tijela (zanemaruje se stvarna diskretna, kristalna struktura metala),

b) hipoteza o prirodnom naponskom stanju (prije početka deformisanja nema unutrašnjih napona ili su uravnoteženi),

c) izotropnost strukture materijala (realni materijali imaju različita svojstva u raznim pravcima po zapremini),

d) idealizacija elastičnih i plastičnih svojstava (slika 2.1), e) nepromjenljivost /konstantnost zapremine.


20

Slika 2.1 Idealizacija elastično−plastičnih svojstava materijala

a) idealno elastično tijelo; b) idealno plastično tijelo; c) elasto-plastično; d) plastično sa ojačavanjem; e) elasto-plastično sa ojačavanjem

2.2 NAPONI

Naponsko stanje u bilo kojoj tački napregnutog tijela određeno je tenzorom napona:

Gdje su:

σ−normalni naponi; τ −tangencijalni naponi σ1> σ2 >σ3 −glavni normalni naponi (djeluju u ravnima u kojima nema

tangencijalnih napona) Srednji (hidrostatički) napon:

Ova vrijednost predstavlja intenzitet napona ravnomjernog pritiska ili zatezanja u posmatranoj tački i definiše tzv. sferni tenzor napona (Tσ

s).

gde je: Dσ − devijator tenzora napona Proces plastičnog deformisanja izvodi se upravo pod dejstvom devijatora tenzora napona dok tzv. sferni dio tenzora u tom smislu nije značajan.


21

Efektivni (ekvivalentni) normalni napon:

To je veoma značajna vrijednost jer predstavlja intenzitet fiktivnog jednoosnog napona čije dejstvo reprezentuje odgovarajuće troosno naponsko stanje. Ovako definisan efektivni napon pri prostornom naponskom stanju uvijek je moguće upoređivati sa odgovarajućim stvarnim naponom pri jednoosnim naprezanjima (zatezanju i pritiskivanju) što je od velikog praktičnog značaja, jer je moguće analizom npr. jednoosnog zatezanja dobiti univerzalne karakteristike vezane za proces plastičnog oblikovanja.

2.2.1 Vrste naponskih stanja i njihove mehaničke šeme

Slika 2.2 Šeme različitih naponskih stanja


22

2.3 DEFORMACIJE

Deformacija predstavlja mjeru promjene oblika i dimenzija posmatrane zapremine ili tijela u cjelini. Pri plastičnom deformisanju mjenjaju se dimenzije, a najčešće i osnovni oblik tijela. Svaka elementarna zapremina, u opštem slučaju, deformiše se do različitih iznosa deformacije. Slično naponima, deformaciono stanje u svakoj tački moguće je definisati tenzorom deformacije. Za potpuno određivanje deformacionog stanja potrebno je takav tenzor odrediti u velikom broju tačaka što je teorijski značajno, ali praktično veoma teško izvodljivo. Zato se u tehnologiji plastičnog deformisanja pribjegava pojednostavljenju tako što se posmatra veća, makro, zapremina i za nju definiše ostvarena deformacija. Smatra se da je po posmatranoj zapremini deformacija ravnomjerna (homogena), a njen iznos predstavlja srednju vrijednost svih realnih vrednosti. Slično efektivnom naponu moguće je definisati i efektivnu (ekvivalentnu, uopštenu) deformaciju:

Ova veličina je pogodan reprezent deformacionog stanja. U praktičnim izračunavanjima vrijednosti deformacija izražavaju se preko pokazatelja.

Slika 2.3 Idealno deformisanje paralelopipeda

Pokazatelji deformacije: − apsolutna deformacija

−relativna (jedinična) deformacija:


23

−deformacija površine (proširenje ili suženje):

−prirodna (logaritamska) deformacija:

Iz uslova o nepromenljivosti zapremine u oblasti plastičnosti dobija se veza između deformacija u sva tri pravca:

2.3.1 Deformaciona stanja i njihove šeme

Slika 2.4 Šeme deformacionih stanja

Deformaciona stanja se razlikuju od naponskih. Npr. čistom jednoosnom naponskom stanju pri zatezanju odgovara troosno (prostorno) deformaciono stanje.

a) i b)−ravanska naponska stanja,


24

c)−ravansko deformaciono stanje Slika 2.5 Primjeri naponsko−deformacionih stanja

2.4 BRZINA DEFORMACIJE I BRZINA DEFORMISANJA

I brzine su tenzorske veličine (tenzori drugog reda kao naponi i deformacije) ali ovde će se dati samo vrednosti na makro nivou. Razlikujemo brzinu deformisanja (brzina kretanja izvršnog elementa mašine, v, mm/s) i brzinu deformacije (promjena

deformacije u jedinici vremena, •

ϕ , s-1).

l, mm−trenutna dimenzija zapremine koja se deformiše,

2.5 VEZA IZMEĐU NAPONA I DEFORMACIJA

U oblasti elastičnosti postoji linearna jednoznačna veza između napona i deformacija definisana poznatim Hukovim (Hooke) zakonom.

U oblasti plastičnosti ta zavisnost je složena i nelinearnog karaktera. Pri veoma malim deformacijama pravi se analogija sa elastičnim deformisanjem i to su Levi−Mizesove jednačine (Levy−Misses). Značajne su pri teorijskim razmatranjima i numeričkim simulacijama procesa deformisanja.

2.6 USLOVI PLASTIČNOSTI

Pod dejstvom spoljašnjeg opterećenja polazni materijal (polufabrikat) se u prvoj fazi deformiše elastično, a onda u kritičnom trenutku počinje ostvarivanje procesa plastičnog oblikovanja, koji traje sve do konačne promjene oblika.


25

Da bi se ostvario prelaz iz elastičnog u plastično deformisanje, potrebno je da budu ispunjeni određeni uslovi u pogledu intenziteta i međusobnog odnosa napona koji deluju po zapremini tijela.

Slika 2.6 Stvarni i tehnički napon pri jednoosnom zatezanju

Ilustrativno je pratiti prelaz iz oblasti elastičnosti u oblast plastičnosti na primjeru jednoosnog zatezanja (sl. 2.6). On se dešava u tački T kad tehnički, odnosno glavni normalni napon, dostigne vrijednost granice tečenja RP0,2 (ili Re). Glavni normalni napon, kao jedini stvarni napon, ujedno predstavlja efektivni napon i napon tečenja, odnosno deformacioni otpor (deformacionu čvrstoću) K. Njegov intenzitet raste sa porastom plastične deformacije (efekat ojačavanja). Deformacioni otpor (napon tečenja, deformaciona čvrstoća) jednak je ekvivalentnom (efektivnom) naponu u uslovima jednoosnog naponskog stanja, što predstavlja glavni normalni, odnosno stvarni napon.

2.6.1 Energetski uslov plastičnosti

Poznat je i kao Mizesov kriterijum plastičnosti (Misses) i važi u opštem slučaju prostornih naponskih stanja. Počiva na sledećoj energetskoj hipotezi: da bi otpočelo plastično deformisanje u napregnutom tijelu, količina unutrašnje energije elastične promjene oblika, po jedinici zapremine, treba da dostigne jedan kritičan iznos u datim uslovima (temperatura, brzina, stepen deformacije). Ova energija ne zavisi od naponsko−deformacionog stanja, već isključivo od svojstava materijala. Konačna forma ovog uslova može se dati preko sljedećeg izraza:

što praktično znači da plastično deformisanje počinje kad efektivni napon dostigne vrijednost deformacionog otpora. Zavisnost deformacionog otpora od plastične deformacije određuje se najčešće eksperimentalno pri jednoosnom zatezanju ili pritiskivanju.


26

2.6.2 Uslov najvećeg smičućeg napona

Poznat je pod nazivom kriterijuma Treska (Tresca) i glasi: da bi otpočeo proces plastičnog deformisanja maksimalni smičući napon u materijalu treba da dostigne odgovarajuću kritičnu vrijednost.

Znači, prema ovom uslovu, da bi otpočelo plastično deformisanje u opštem slučaju naponsko−deformacionog stanja, potrebno je da maksimalni smičući napon dostign polovinu vrednosti deformacione čvrstoće. S druge strane, a sobzirom da se τ max izražava preko normalnih napona, može se reći da, prema uslovu najvećeg smicajnog napona, plastično deformisanje nastupa kad razlika između najvećeg i najmanjeg glavnog normalnog napona dostigne vrijednost deformacionog otpora.

2.7 DEFORMACIONO OJAČAVANJE I KRIVE OJAČAVANJA

Tokom procesa deformisanja sa povećanjem ostvarene plastične deformacije raste napon tečenja potreban da se proces nesmetano odvija. Karakteristike plastičnosti i žilavosti opadaju, dok su svojstva čvrstoće u porastu. Materijal se opire deformisanju i u skladu sa njegovim osobinama treba djelovati sve većim i većim deformacionim silama. Upravo taj efekat izraženog porasta napona tečenja sa povećanjem plastične deformacije praćen padom plastičnosti materijala predstavlja deformaciono ojačanje. Najbolji način za kvantifikovanje tog procesa je preko krivih ojačanja. Efekat ojačavanja zavisi od: a) vrste (hemijski sastav) i osobina materijala (stanje strukture), b) brzine deformacije, c) temperature obrade.

2.7.1 Hladno i toplo deformisanje

Egzaktno posmatrano, deformisanje je u hladnom stanju ako je temperatura obrade niža od temperature rekristalizacije (T<Tr). To je temperatura na kojoj se obnavlja (oporavlja) kristalna struktura i njena plastičnost.


27

U većini slučajeva hladno deformisanje podrazumijeva obradu na sobnoj temperaturi (bez ikakvog termičkog tretmana), što donosi uštede u procesu proizvodnje. U tabeli 2.1 date su temperature rekristalizacije značajnijih materijala.

Tabela 2.1 Temperature rekristalizacije nekih značajnijih materijala

Deformisanje u toplom stanju vrši se ako je temperatura obrade viša od temperature rekristalizacije. Osnovne karakteristike ove obrade (u odnosu na oblikovanje u hladnom stanju) su: a) znatno niži deformacioni otpor, b) povećana plastičnost, c) niži kvalitet površina i niža tačnost dimenzija, d) viši troškovi proizvodnje zbog zagrijavanja. Postoji i polutopla obrada (temperatura obrade je u intervalu između hladne i tople obrade). Kod većine čelika taj temperaturni interval je između 450 i 700°C.

2.7.2 Krive ojačavanja

Krive ojačavanja predstavljaju zavisnost deformacionog otpora (napona tečenja, deformacione čvrstoće, efektivnog napona) od ostvarene efektivne plastične deformacije. Neposredno pokazuju intenzitet efekta deformacionog ojačavanja. Zavise od: materijala (vrsta, struktura), temperature, brzine deformacije, ali ne zavise od naponskog stanja. Zbog toga je to veoma važna univerzalna karakteristika materijala koja omogućava kvantifikovanje naponskih komponenti i parametara procesa. Izvorno, krive ojačavanja se određuju eksperimentalno, najčešće u uslovima jednoosnih naponskih stanja zatezanja i pritiska, kada postoji samo jedan glavni napon, u isto vrijeme jednak deformacionom otporu (naponu tečenja) i ekvivalentnom (efektivnom) naponu.


28

Slika 2.7 Dijagram zatezanja

Test jednoosnog zatezanja se veoma često koristi za određivanje osnovnih mehaničkih karakteristika materijala: granice tečenja (Re ili RP0,2), zatezne čvrstoće (RM), maksimalnog izduženja (A). Paralelno sa tim moguće je odrediti i krivu ojačavanja. Naime, u oblasti ravnomjernog (homogenog) deformisanja (sl. 2.7) vlada jednoosno naponsko stanje i tu je moguće doći do direktnih zavisnosti između sile zatezanja, tehničkog napona i stvarnog napona (koji je istovremeno jednak deformacionom otporu i ekvivalentnom naponu). Takođe, deformacija dužine (u ovom slučaju, najveća−prva glavna deformacija) predstavlja efektivnu (ekvivalentnu) deformaciju.

Veza između deformacionog otpora K i napona σ jednostavno se određuje:

na osnovu uslova o nepromjenljivosti zapremine: A0 l0=A l i osnovnih definicija pokazatelja deformacije (npr. relativnog izduženja):

Slika 2.8 Kriva ojačavanja

- tehnički napon (fiktivna vrijednost proporcionalna sili zatezanja).


29

Na osnovu prethodne veze između K i σ moguće je dobiti krivu ojačavanja (u oblasti lijevo od tačke M na slici 2.8). Deformacija u tački M je pri jednoosnom zatezanju najčešće manja od 30%, pa za veće iznose nije moguće odrediti krivu ojačanja. Za veće stepene deformacije moguće je koristiti analitičke aproksimacije ili drugačiji eksperimentalni postupak (npr. pritiskivanje). Da bi u procesu sabijanja (najčešće cilindričnog polaznog komada) vladalo jednoosno naponsko stanje potrebno je eliminisati trenje na kontaktnim površinama. To se najčešće radi po metodi prikazanoj na slici 2.9.

Slika 2.9 Sabijanje po metodi Rastegajeva

Slika 2.10 Primjeri krivih ojačavanja Slika 2.11 Uticaj temperature na krive ojačavanja

2.7.3 Aproksimacije krivih ojačanja

Aproksimacije krivih tečenja su odgovarajuće matematičke funkcionalne zavisnosti koje sa dovoljnom tačnošću mogu da zamjene stvarne (eksperimentalne) krive. Različite su funkcije u pitanju, najčešće eksponencijalnog tipa, ali najveću primjenu ima funkcija oblika:

K=C ϕn


30

C i n su konstante koje je moguće odrediti iz uslova nepromjenljivosti zapremine i maksimuma sile na dijagramu zatezanja (primjeri u tabeli 2.2).

KM−deformacioni otpor u trenutku postizanja maksimuma sile pri zatezanju, ϕeM−efektivna deformacija pri maksimalnoj sili zatezanja.

Tabela 2.2 Vrijednosti konstanti C i n u zavisnosti od vrste materijala

2.8 DEFORMABILNOST

U oblasti tehnologije plastičnog oblikovanja često se koriste termini: deformabilnost, plastičnost, obradivost. Ako je riječ o trajnom (plastičnom) deformisanju deformabilnost i plastičnost se odnose na opštu sposobnost materijala da se trajno deformiše bez pojave razaranja ili nekog drugog oštećenja strukture. Obradivost se najčešće vezuje za konkretan tip obrade (npr. dubokim izvlačenjem, istiskivanjem itd.). Najznačajniji uticajni faktori na deformabilnost su: vrsta materijala (hemijski sastav), struktura, temperatura obrade, brzina deformacije i naponsko stanje.

Slika 2.12 Zavisnost deformabilnosti i otpora deformaciji od naponskog stanja


31

Kvantitativna mjera koja izražava deformabilnost pri zapreminskom oblikovanju je granična ekvivalentna deformacija (ϕeg) u trenutku pojave oštećenja strukture (lokalizovano deformisanje ili razaranje). Zavisnost ϕeg od naponskog pokazatelja β predstavlja dijagram granične deformabilnosti ili kriva granične deformabilnosti (KGD) koji je predstavljen na slici 2.13.

Sl. 2.13 Dijagram granične deformabilnosti pri zapreminskom oblikovanju

Dijagram na slici 2.13 moguće je dobiti eksperimentalno preko tri tačke koje odgovaraju jednostavnim naponskim stanjima. Detaljnije definisanje i konstrukcija krizahtjeva primjenu i složenijih naponskih stanja. Kod deformisanja limova, najčešće se deformabilnost izražava preko intenziteta glavnih deformacija u ravni lima u trenutku lokalizovanog deformisanja i razaranja. Zavisnost veće glavne deformacije (ϕ1) od manje (ϕ2) pri graničnim uslovima predstavlja dijagram granične deformabilnosti kod limova, poznat i kao Kiler−Gudvinov dijagram (Keeler−Goodwin) (slika 2.14).

2.9 PARAMETRI PROCESA

Osnovni parametri procesa plastičnog deformisanja su: deformaciona sila, srednji površinski pritisak (radni pritisak, radni napon) i deformacioni rad. Da bi se ostvario proces plastičnog deformisanja, najčešće izvršni element mašine (pritiskivač prese, bat kovačkog čekića, itd.) nosi pokretni dio alata i ima pravolinijsko kretanje. Aktivna sila kojom se preko mašine djeluje na radni komad naziva se deformaciona sila i za pravilan izbor mašine potrebno je poznavati njen intenzitet.

Stuart Keeler (Keeler Technologies LLC, USA)

Sl. 2.14 Dijagram granične deformabilnosti kod limova


32

Sl. 2.15 Princip određivanja deformacione sile

U opštem slučaju raspodjela napona (σ) na komadu je vema složena (slika 2.15) pa se deformaciona sila definiše kao:

F= ∫∫σ dA Umjesto traženja funkcije napona od koordinata, uvodi se pojam radnog pritiska koji predstavlja srednju vrijednost kontaktnog napona (σ) pa je:

F=p A Najčešće se radni pritisak dovodi u vezu sa deformacionim otporom K preko izraza:

p=m•K gde je m>1 koeficijent koji zavisi od kontaktnog trenja, geometrije komada i vrste obrade i definiše se analizom naponsko−deformacionog stanja u konkretnom procesu obrade. Ovakav pristup u definisanju deformacione sile je veoma pogodan kod zapreminskog oblikovanja. Kod oblikovanja limova do konačnog izraza dolazi se analizom sila i napona svakog procesa oblikovanja pojedinačno, bez korištenja radnog pritiska. Deformacioni rad karakteriše energetski aspekt obrade i predstavlja ukupno potreban rad za izvođenje određenog procesa obrade tokom radnog hoda mašine i alata.

W= ∫h

ho

Fdh ili pojednostavljeno W=Fsr h,

gdje je Fsr=const., srednja vrijednost deformacione sile tokom procesa. Pri zapreminskom oblikovanju (npr. sabijanju) izraz za rad je najčešće u obliku:

, gde je V=const.-deformisana zapremina, p -srednja vrijednost radnog pritiska tokom procesa sabijanja, ϕh-ukupna prirodna deformacija. Ako se zanemari trenje (m=1), dobija se tzv. idealni rad:

- srednji deformacioni otpor

¯


33

Koeficijent korisnog dejstva procesa deformisanja:

, zavisi od vrste i karakteristika procesa, a vrijednosti se kreću u rasponu od 0,2−0,95.

2.10 KONTAKTNO TRENJE I GRANIČNI USLOVI

U toku procesa plastičnog deformisanja metala na kontaktnim površinama između alata i radnog predmeta nastaje odgovarajuće trenje, pošto dolazi do relativnog kretanja između alata i komada. Po svojoj prirodi ovo trenje je bitno drugačije od trenja između krutih mašinskih parova, koji rade u oblasti elastičnosti. Pri oblikovanju deformisanjem kontaktni pritisci mogu preći iznad 2500 MPa, za razliku od mašinskih parova gde je to najčešće ispod 50 MPa. Druga razlika je u površini kontakta. Pri deformisanju kontaktna površina se najčešće povećava i mijenja njena konfiguracija. Dalje, kod mašinskih parova trenje je uvijek štetno, pri deformisanju u brojnim slučajevima može da bude i korisno (valjanje, duboko izvlačenje). Glavni utjecaji na kontakno trenje su: kontaktni pritisak, brzina klizanja, temperatura, parametri kontaktnih površina (hrapavost, fizičko−hemijske osobine), vrsta materijala u kontaktu, primjenjeno mazivo itd. Moguća podjela tipova trenja: suho trenje (metalni kontakt bez maziva), kvazi hidrodinamičko (sloj maziva potpuno razdvaja površine u kontaktu), granično (postoji film maziva koji može biti prekinut i pod većim pritiscima ostvareno hladno privarivanje) i mješovito (elementi graničnog i kvazi hidrodinamičkog trenja, najčešće prisutno u praksi). Sredstva za podmazivanje treba da obezbijede željene otpore trenja (najčešće smanjenje), umanjenje habanja, održanje filma maziva, netoksičnost itd. Primjena zavisi od vrste procesa, uslova obrade, vrste materijala itd. Dakle, maziva za obradu plastičnim deformisanjem pored primarnog svojstva podmazivanja moraju imati i niz drugih osobina kao što su: • različita moć zamašćenja i podnošenja trenja, • prijanjanje, • antikorozivno dejstvo, • lako odstranjivanje i pranje i • rashladno svojstvo Izbor mazivog sredstva za obradu plastičnim deformisanjem osim osnovnih karakteristika samih maziva zavisi od: vrste operacija, prirode i karakteristike materijala za obradu, tipova mašina i alata i brzine deformisanja. Osnovne vrste maziva su: ulja, emulzije (smješe ulja i vode) i maziva u čvrstom stanju (praškovi, grafit, molibden disulfid, cink sulfid, sapuni i polimeri). Kontaktno trenje dovodi do: promjene naponskog stanja (pri sabijanju, od jednoosnog postaje prostorno), povećanja deformacionih sila, nehomogenog deformisanja, pogoršanja kvaliteta površina komada itd.


34

Sile trenja deluju na kontaktnim površinama i predstavljaju smicajne sile usmjerene suprotno od smjera pomjeranja metala. Određivanje ovih sila zasniva se na različitim pojednostavljenjima i pretpostavkama. Data je jedna od mogućnosti: 1) Normalni napon u kontaktu je znatno veći od deformacione čvrstoće (npr. pri

toplom kovanju), σ >> K. Tada važi da je smicajni napon usljed trenja:

τk = μ K, gdje je μ koeficijent trenja.

Prema hipotezi maksimalnog smičućeg napona τmax= 0,5 K, pa je očigledno najveća vrijednost koeficijenta trenja μ=0,5. 2) Normalni napon u kontaktu je manji od deformacione čvrstoće, σ<K (npr. pri

obradi dubokim izvlačenjem).

τk = μ σ , što odgovara Kulonovom trenju. Za praktičnu primjenu mogu se usvojiti sljedeće vrednosti koeficijenta trenja: μ=0,4 − 0,5 za obradu u toplom stanju, μ=0,2 − 0,3 za hladnu obradu bez podmazivanja, μ=0,08 − 0,15 za hladnu obradu sa podmazivanjem.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 3. Obrada razdvajanjem (Shearing)

35

3. OBRADA RAZDVAJANJEM (SHEARING)

Razdvajanje se po svojim osobinama razlikuje od svih ostalih postupaka plastičnog deformisanja jer podrazumijeva fizičko odvajanje dijela polufabrikata razdvajanjem (’’sječenjem’’). Razlozi za izučavanje procesa razdvajanja u okviru tehnologije plastičnog oblikovanja su sljedeći: isti su polufabrikati (najčešće limovi), iste ili slične mašine i činjenica da su operacije razdvajanja početne u ukupnom tehnološkom procesu plastičnog oblikovanja. Proces razdvajanja se ostvaruje smicanjem po površinama koje određuje geometrija komada, odnosno alata. Osnovne razlike razdvajanja u odnosu na ostale metode obrade deformisanjem su: a) suština procesa razdvajanja je ostvarivanje tangencijalnih (smičućih) napona u

određenim ravnima. Kad ti naponi dostignu maksimalnu vrijednost nastaje razdvajanje strukture,

b) zona obrade je koncentrisana na usku oblast oko rezne ivice, c) zapremina gotovog komada uvijek je manja od zapremine polaznog komada. Postupke razdvajanja je moguće podijeliti na: 1. Odsjecanje, 2. Prosjecanje i probijanje, 3. Vibraciono razdvajanje i 4. Fino prosjecanje.

3.1 ODSJECANJE

Odsjecanje je postupak kojim se obrađuju najčešće limovi raznih debljina, ali i (rijeđe) šipke i profili. Linija razdvajanja je uvijek prava.

Slika 3.1 Faze procesa razdvajanja


36

Polazni komad se postavlja između pokretnog i nepokretnog noža (slika 3.1). Prva faza procesa je elastično deformisanje. Porastom deformacione sile nastaje plastično deformisanje, a kada smičući napon u zoni razdvajanja dostigne maksimalnu vrijednost, t.j. jačinu materijala na smicanje, dolazi do razaranja strukture, odnosno razdvajanja polaznog komada na dva dijela. Proces traje veoma kratko. Kod tanjih limova to je red veličine desetinke sekunde. Za realizaciju razdvajanja potrebni su univerzalni alati (noževi) i specijalne mašine (tzv. makaze). Postupak je pogodan za primjenu u pojedinačnoj i serijskoj proizvodnji. S obzirom na korištenu mašinu postoje tri varijante odsjecanja: −na makazama sa pravim paralelnim noževima, −na makazama sa pravim nagnutim noževima, −na makazama sa kružnim noževima.

3.1.1 Odsjecanje na makazama sa pravim paralelnim noževima

Rezne ivice noževa u jednom trenutku djeluju po cijeloj liniji razdvajanja (slika 3.2). Zbog toga je opterećenje mašine udarno. Radni predmet nije deformisan (ostaje ravan). Na slici 3.3 je fotografija mašine.

Slika 3.2 Shema odsjecanja na makazama sa pravim paralelnim noževima

Slika 3.3 Spoljašnji izgled makaza sa pravim paralelnim noževima


37

Maksimalna sila odsjecanja:

, gdje je b−dužina linije odsjecanja (najčešće širina polaznog komada), s−debljina lima i τsM−smicajna čvrstoća. Mjerodavna sila za izbor mašine:

FM= 1,3 F Deformacioni rad se može približno odrediti po sljedećem izrazu:

W = λ F s , gdje je λ =0,3−0,75 −koeficijent srednje sile.

3.1.2 Odsjecanje na makazama sa pravim nagnutim noževima

U ovom slučaju ostvaruje se parcijalni zahvat rezne ivice noža i lima (slika 3.4). Deformaciona sila je znatno manja u odnosu na odsjecanje sa pravim paralelnim noževima, ali je gotov komad u manjoj ili većoj mjeri savijen.

Slika 3.4 Shema odsjecanja na makazama sa pravim nagnutim noževima

Mjerodavna sila odsjecanja za izbor mašine na ovim makazama iznosi:

Ugao nagiba noža (α) mora biti tako odabran da ne dolazi do izmicanja lima. Ako je koeficijent trenja između lima i rezne ivice μ, ugao trenja je: ρ=arc tgμ. Pošto sa dvije strane postoji trenje mora se zadovoljiti uslov:

α < 2ρ Za μ=0,1 α<11o20' Praktično je ugao nagiba noža α=2−6o. Deformacioni rad: W = FM b tgα , b−ukupna dužina linije odsjecanja.


38

Slika 3.5 Izgled makaza za odsjecanje sa pravim nagnutim noževima

3.1.3 Odsjecanje na makazama sa kružnim noževima

Primjenjuje se samo za odsjecanje limova (obično u vidu traka velike dužine). Okretanjem noževa ostvaruje se odsjecanje. Vrlo često se vrši istovremeno odsjecanje više užih traka iz jedne šire (slike 3.6 i 3.7).

Slika 3.6 Shema položaja kružnih noževa

Slika 3.7 Makaze sa kružnim noževima u sklopu linije za pripremu traka


39

3.2 PROSJECANJE I PROBIJANJE

Prosjecanje i probijanje su postupci obrade razdvajanjem po zatvorenoj konturi uz pomoć posebnih preserskih alata. Proces se najčešće izvodi na mehaničkim presama. Polufabrikati su limene trake ili pojedinačni komadi od lima, a koriste se i nemetalni materijali u pločastoj formi. Gotovi komadi su ravni sa konturama različitog oblika.

Slika 3.8 Prosjecanje i probijanje Slika 3.9 Radni elementi alata

Za razliku od ostalih postupaka deformisanja ovdje nije potrebno da materijal ima dobre osobine plastičnosti i deformabilnosti. Termin prosjecanje podrazumjeva dobijanje finalnog komada sa spoljašnjom konturom, a termin probijanje − dobijanje finalnog komada sa unutrašnjom konturom (slika 3.8). Proces u okolini rezne ivice je potpuno isti.

Slika 3.10 Prosjecanje

Osnovna shema prosjecanja data je na slikama 3.9 i 3.10. Prikazani su radni elementi alata i položaj materijala. Proces razdvajanja traje veoma kratko (djelić sekunde) čak i kod većih debljina lima, ali je mehanizam njegovog odvijanja relativno složen (slika 3.11).

Prosjekač

Ploča za prosjecanje /matrica/


40

Slika 3.11 Mehanizam procesa razdvajanja

Pod a) je dat polazni položaj sa označenom najvažnijom karakteristikom alata, zazorom. Manjim zazorom postiže se bolji kvalitet presječene površine, ali je deformaciona sila veća. Obrnuto, veći zazor daje lošiju presječenu površinu uz manju silu i smanjeno habanje alata. Na slici b) je faza elastičnog deformisanja, koja prerasta u plastično oblikovanje na skici c). Daljim rastom sile, zatežući naponi u okolini rezne ivice matrice prelaze kritičnu vrijednost i tu se javlja pukotina (d). Ona brzo propagira u pravcu rezne ivice prosjekača, što zavisi od vrste materijala i zazora i rezultira u gotovo udarnom razdvajanju. Kod žilavijih materijala pukotina se javlja i u zoni rezne ivice prosjekača (e). Kod manjeg zazora pukotine se mimoilaze, a materijal između njih ponovo sječe (f).

3.2.1 Deformaciona sila i rad prosjecanja (probijanja)

Deformaciona sila prosecanja (probijanja):

FM =L s τsM , gdje je L−dužina konture prosjecanja. Sila za izbor mašine:

F=1,3 FM + FPOM , gdje FPOM podrazumjeva bilo koju pomoćnu silu (držanje, skidanje, izbacivanje) koja se svojim dejstvom suprostavlja deformacionoj sili. Deformacioni rad:

W= λ FM s , slično kao kod odsjecanja na makazama sa pravim paralelnim noževima. Prethodni izrazi važe samo za prosjecanje i probijanje na alatima sa ravnim (nezakošenim) reznim ivicama.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 3. Obrada razdvajanjem

41

3.2.2 Mogućnosti za smanjenje sile prosjecanja

Primjenjuju se sljedeći načini: a) alati sa zakošenim reznim ivicama, b) izrada prosjekača različitih dužina i c) prosjecanje na povišenim temperaturama. Kod alata sa kosim reznim ivicama (slika 3.12 i 3.13) nema istovremenog kontakta po cijeloj konturi prosjecanja već je zahvat parcijalan, analogno sječenju na makazama sa nagnutim noževima. Zbog toga je deformaciona sila znatno manja, ali su alati složeniji, a radni predmet u nekim slučajevima savijen.

Slika 3.12 Zakošene rezne ivice

Slika 3.13 Varijante zakošenih reznih ivica

Sljedeći način se koristi kod alata sa više probijača, odnosno prosekača. Najčešće se smanjuje dužina manjih prosekača, odnosno vrši pojedinačno razdvajanje odgovarajućih kontura (slika 3.14).

Slika 3.14 Princip korišćenja noževa različitih

dužina


42

Treći način za smanjenje sile razdvajanja, obično se koristi kod veoma debelih pločastih materijala. Na povišenim temperaturama smanjuje se čvrstoća, a time i sila prosjecanja. Temperatura zagrijavanja zavisi od hemijskog sastava i stanja strukture polufabrikata. Kod većine čelika to je 750−900oC.

3.2.3 Principi racionalnog korištenja materijala pri prosecanju

U uslovima većih proizvodnih serija od velikog je značaja ekonomično korišćenje materijala pri prosjecanju, t.j. obezbjeđenje pravilnog rasporeda komada na traci uz tehnologičnu geometriju, kako bi otpadak bio minimalan. Lim se dobija iz željezara najčešće u obliku tabli. Iz njih se odsjecaju trake odgovarajuće širine. Od takvih traka se, zatim, prosjecanjem i probijanjem dobijaju gotovi dijelovi ili polazni komadi za naredne operacije. U velikoserijskoj i masovnoj proizvodnji obično se direktno iz željezare dobijaju koturovi lima potrebne širine. Njihova primjena, osim prese sa alatom za prosjecanje i probijanje, zahtijeva uređaje za odmotavanje i ispravljanje prije uvođenja u alat. Od posebnog je značaja pravilno koncepcijsko rješenje, alata, položaja kontura na traci i širine trake. Najveći uticaj ima veličina serije i vrsta materijala lima. Na sljedećim slikama date su varijante rasporeda kontura na traci.

Slika 3.15 Raspored kontura na traci

Slika 3.16 Utjecaj rasporeda kružnih kontura na stepen iskorišćenja materijala


43

Slika 3.17 Primjeri rasporeda kontura na traci

3.2.4 Osnovne napomene o alatima za prosjecanje i probijanje

Alati se sastoje od dva podsklopa: gornjeg i donjeg. Gornji se vezuje za pritiskivač prese (pokretan je), a donji za radni sto (nepokretan). Centralno mjesto imaju radni (izvršni) elementi: prosjekači i matrice. Sve je podređeno pravilnom funkcionisanju sklopa prosjekač−matrica: krutost, vođenje, centriranje, način povezivanja elemenata itd. Ako vođenje gornje polovine alata u odnosu na donju postavimo kao kriterijum, alate za prosjecanje možemo podjeliti na: - alate bez vođenja (koristi se vođenje prese, slika 3.10 i slika 3.18), - alate sa pločastim vođenjem (preko profilisanog otvora u ploči za vođenje, slika

3.19), - alate sa stubnim vođenjem (klizno ili kotrljajuće, slike 3.20 i 3.21), - alate sa kombinovanim vođenjem (pločasto i stubno, slika 3.22). S obzirom na broj prosjecanja alati se mogu podjeliti na: - jednosječne (jedna kontura) i - višesječne alate (više od jedne konture prosjecanja, slika 3.19). Prema formi rezne ivice razlikujemo: - alate sa ravnim reznim ivicama, - alate sa kosim reznim ivicama (slike 3.12 do 3.14).


44

Slika 3.18 Alat za prosjecanje i probijanje bez vođenja

Slika 3.19 Višesečni alat sa pločastim vođenjem


45

Slika 3.20 Alat sa stubnim kliznim vođenjem Slika 3.21 Alat sa kotrljajućim vođenjem

Slika 3.22 Alat sa kombinovanim vođenjem

Na sljedećim slikama prikazane su dvije prese sa ekscentarskim pogonskim mehanizmom koji se najčešće koristi za operacije prosjecanja i probijanja.

Slika 3.23 Ekscentar presa u radu Slika 3.24 Jednostubna ekscentar presa


46

3.3 VIBRACIONO RAZDVAJANJE

Vibraciono razdvajanje je postupak pri kome se na specijalnim mašinama ostvaruje prosjecanje i probijanje po pravolinijskim ili krivolinijskim konturama. Noževi su relativno malih dimenzija i imaju veliki broj hodova u jedinici vremena. Tabla lima se postavlja na radni sto mašine koji je pokretan u pravcu dvije koordinatne ose. Na taj način je moguće dobiti bilo koji oblik krivolinijske konture. Ovakve mašine obično imaju CNC upravljanje (slike 3.25, 3.26 i 3.27), a moguće je koristiti i laser za sječenje umesto noževa.

Slika 3.25 Mašina za vibraciono razdvajanje

Slika 3.26 Radna glava kod vibracione mašine Slika 3.27 Prosjecanje krivolinijskih kontura

3.4 FINO PROSJECANJE

Klasičnim postupcima prosjecanja i probijanja dobija se relativno nizak kvalitet presječene površine i niska dimenzijska tačnost. Pri finom prosjecanju postiže se znatno viši nivo dimenzijske tačnosti i veoma glatka presječena površina bez tragova obrade. Osnovna ideja ovog postupka (slika 3.28) sastoji se u odlaganju nastanka pukotine, odnosno povećanju plastičnosti materijala, formiranjem troosnog pritisnog naponskog stanja u zoni rezne ivice. U teoriji plastičnosti je poznato da deformabilnost naglo raste u uslovima pritisnog naponskog stanja. Pritisne komponente napona ostvaruju se delovanjem držača, protivdržača i utiskivanjem rebra koje prati konturu (slike 3.28, 3.29 i 3.32).


47

Slika 3.28 Princip ostvarivanja procesa finog prosjecanja

Slika 3.29 Položaj utiskujućih rebara prema konturi prosjecanja

Geometrija komada je vrlo raznolika (slika 3.30 i slika 3.31), pri čemu je debljina lima obično velika (iznad 5 mm). Alati su robusnije konstrukcije (slike 3.33 i 3.34) u odnosu na klasične. Od mašine (slika 3.35) se zahtijevaju tri nezavisna dejstva. To su specifične prese kompaktne konstrukcije koje imaju pogonski sistem sa donje strane.


48

Slika 3.30 Geometrije komada dobijenih finim prosjecanjem

Slika 3.31 Tipična geometrija komada za izradu finim prosjecanjem

Slika 3.32 Upoređenje tehnologija klasičnog i finog prosjecanja


49

Slika 3.33 Shema alata za fino prosjecanje

Sika 3.34 Izgled alata za fino prosjecanje

Slika 3.35 Izgled prese trostrukog dejstva za fino prosjecanje

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 4. Savijanje (Bending)

50

4. SAVIJANJE (Bending)

Savijanje spada u grupu postupaka tehnologije plastičnog deformisanja koji se najčešće primjenjuju. Omogućava izradu širokog asortimana proizvoda, sa dimenzijama od dijelova milimetra pa do nekoliko metara. Dijelovi složenih geometrija izrađuju se u više operacija. Karakteristika procesa savijanja je, u većini slučajeva, lokalno plastično deformisanje. Deformisana zona tada obuhvata manji dio zapremine komada, mada ima postupaka gdje se deformiše kompletna zapremina (kružno savijanje npr.). Savijanje se primenuje kako u serijskoj tako i u pojedinačnoj proizvodnji. Polazni materijal (polufabrikat) je najčešće lim u vidu trake ili table, ali to može da bude žica, puni profil, cijev. Debljina limova za savijanje kreće se od stotih dijelova milimetra pa do nekoliko desetina milimetara. Osnovni postupci savijanja su: 1. Savijanje pomoću alata na univerzalnim presama (ugaono savijanje), 2. Profilno savijanje na specijalnim (‘’abkant’’) presama, 3. Kružno savijanje, 4. Profilno savijanje pomoću valjaka, 5. Savijanje cijevi, 6. Savijanje dijelova manjih dimenzija (od traka i žice) na specijalnim mašinama.

4.1 UGAONO SAVIJANJE

Izvodi se najčešće u alatima postavljenim na univerzalne prese (ekscentarske, koljenaste, hidraulične itd.) ili na specijalnim presama. S obzirom na oblik i broj mjesta savijanja može biti: jedno − dvo i višeugaono (slike 4.1). Za jednougaono savijanje često se koristi termin V savijanje (slike 4.1 i 4.2) ; za dvougaono U ili C savijanje (slike 4.1 i 4.3), a u primjeni je i termin Z savijanje (slika 4.1). Jasno je da se ostvaruju i najrazličitije kombinacije ovih osnovnih oblika.

Slika 4.1 Različiti prikazi ugaonog savijanja


51

Slika 4.2 Faze procesa jednougaonog savijanja u zatvorenom alatu

Slika 4.3 Faze procesa dvougaonog savijanja (slobodno−lijevo i sa držačem−desno)


52

Slika 4.4 Slobodno jednougaono savijanje

Slika 4.5 Jednougaono savijanje sa obrtnim pritiskivačem

Slika 4.6 Jednougaono savijanje na primjeru tzv. presavijanja


53

Alati (slike 4.7 i 4.8) su po koncepciji slični alatima za prosjecanje i probijanje. Razlika je u radnim elementima, ovde su to pritiskivač (savijač, oblikač) i matrica (kalup) za savijanje.

Slika 4.7 Primjer alata za polukružno savijanje

Slika 4.8 Primjer složenog alata za ugaono savijanje sa 4 savijene zone


54

Fizički izgled savijenih komada dat je na slikama 4.9, 4.10 i 4.11.

Slika 4.9 Fotografije dijelova dobijenih ugaonim savijanjem (a)

Slika 4.10 Fotografije dijelova dobijenih ugaonim savijanjem (b)

Slika 4.11 Fotografije dijelova dobijenih ugaonim savijanjem (c)


55

4.1.1 Naponi i deformacije

Pri savijanju se ostvaruju plastične i elastične deformacije, pri čemu se teži da udio elastičnih deformacija bude što manji. Odgovarajući uzdužni naponi imaju različit karakter sa svake strane lima. U spoljašnjoj zoni lima (prema radijusu rs na slikama 4.12 i 4.13) vladaju zatežući naponi od kojih zavise granične deformacije (prekoračenjem maksimalno dozvoljenih zatežućih napona dolazi do razaranja). U unutrašnjoj zoni vladaju pritisni naponi. U skladu sa naponima, slojevi materijala se u spoljašnjoj zoni izdužuju, a u unutrašnjoj skraćuju.

Slika 4.12 Djelovanje uzdužnih napona pri jednougaonom savijanju

Geometrija savijene zone se opisuje sa parametrima prikazanim na sl. 4.12 i 4.13. To su radijusi ru − unutrašnji, rs − spoljašnji, rn − radijus neutralne ose, α − ugao savijanja i φ − ugao savijene zone.

φo = 180 − αo αo = 180 − φo α− ugao savijanja φ− ugao savijene zone

Slika 4.13 Parametri u savijenoj zoni


56

Raspodjela uzdužnih napona po debljini lima se obično pojednostavljuje (slika 4.14) tako što se zanemaruju mali iznosi deformacija i deformaciono ojačavanje, a takođe vrši linearizacija promjene napona tečenja.

Slika 4.14 a) čisto elastično savijanje; b) elastično−plastično savijanje bez deformacionog ojačavanja; c) čisto plastično savijanje bez ojačavanja; d) čisto plastično savijanje sa

nelinearnim ojačavanjem

4.1.2 Neutralna osa i razvijeno stanje

S obzirom na prethodno pomenutu prirodu uzdužnih napona koji djeluju u savijenoj zoni i na ostvarene deformacije (izduženje vlakana u spoljašnjoj zoni i njihovo skraćenje u unutrašnjoj) moguće je zaključiti da na jednom mjestu po debljini lima postoji sloj materijala koji se nije ni izdužio niti skratio, iako je promjenio oblik (od ravnog u lučni). Taj sloj se naziva neutralni sloj. Kod komada dovoljne širine umjesto sloja, dovoljno je da se u reprezentativnom presjeku definiše neutralna osa, linija koja ne mjenja svoju dužinu tokom savijanja (sl. 4.12 i 4.13). Poznavanje položaja i nalaženje dužine neutralne ose je važno zbog definisanja početnih dimenzija komada prije savijanja (tzv. razvijenog stanja). Poluprečnik neutralne ose zavisi od odnosa ru/s (sl. 4.13) i određuje se prema izrazu:

x − faktor pomjeranja neutralne ose (empirijski podatak koji se bira iz preporuka)

Za opšti slučaj savijanja početna dužina komada (L) jednaka je zbiru dužina nesavijenih dijelova van zona savijanja i dužina lukova neutralne ose u zonama savijanja. Određuje se prema izrazu:

d )


57

li − dužine ravnih (nesavijenih)dijelova komada, n − ukupan broj nesavijenih dijelova, k − ukupan broj zona savijanja

Sl. 4.15 Savijen komad i razvijeno stanje (dužina L=174,2 mm)

4.1.3 Momenti savijanja

Pri savijanju razlikujemo momente spoljašnjih sila (deformaciona sila, sile otpora, sile trenja itd.) i tzv. momente unutrašnjih sila, definisane na osnovu naponskog stanja. Iz jednakosti ovih momenata definiše se potrebna deformaciona sila. Zavisno od veličine uzdužnih napona po debljini lima postoje dva tipa savijanja: čisto plastično i elastično plastično. Kriterijum za definisanje je vrijednost odnosa ru/s prema sljedećem:

Izjednačavanjem momenta unutrašnjih sila Mσ i momenta spoljašnjih sila M određuju se sile savijanja F: Mσ=M⇒F

4.1.4 Minimalni i maksimalni radijus savijanja

U velikom broju slučajeva teži se savijanju sa malim unutrašnjim radijusom ru čime se, pored ostalog, poboljšava krutost komada. Međutim, smanjivanje radijusa


58

dovodi do povećanja nepovoljnih zatežućih napona u spoljašnjoj zoni komada (npr. sl. 4.13) sve do granične vrijednosti radijusa iza koje dolazi do loma na komadu. Ta granična vrijednost se naziva najmanji (minimalni) radijus savijanja i definiše prema izrazu:

Faktor c zavisi od vrste materijala, stanja materijala i položaja komada u odnosu na pravac valjanja polufabrikata. Povećavanjem unutrašnjeg radijusa ru smanjuje se stepen deformisanja pri savijanju i povećava udio elastičnih deformacija sve do granične vrijednosti ru iza koje uopšte i nema plastične deformacije. Ta druga dozvoljena ekstremna vrijednost radijusa savijanja određuje se prema izrazu:

, gdje je E – modul elastičnosti, s- debljina materijala, RP- granica tečenja.

4.1.5 Elastična povratnost

Ukupnu deformaciju pri savijanju gotovo uvijek čini, pored plastičnog, i elastični dio (posebno oko neutralnog sloja). Po oslobađanju savijenog dijela iz alata elastične deformacije nestaju, što rezultira povećanjem ugla savijanja (sl. 4.16). Pojava je štetna i kompenzuje se raznim mjerama, kao što je izrada alata sa manjim uglom savijanja, kako bi komad poslije elastičnog vraćanja imao zahtjevane dimenzije.

Sl. 4.16 Elastična povratnost pri savijanju

Veličina ugla Δα zavisi od vrste materijala i stepena deformisanja pri savijanju. Postoje razni izrazi za određivanje Δα (o), a kao primjer dat je sljedeći empirijski izraz, koji važi za lim od ugljeničnog čelika Č0260:

4.1.6 Momenti spoljnih sila i sile savijanja

4.1.6.1 Dvougaono savijanje

Na sl. 4.17 data je shema lijeve polovine simetričnog komada koji se dobija dvougaonim savijanjem i trougao sila.


59

Sl. 4.17 Dejstvo sila pri dvougaonom savijanju Deformaciona sila savijanja FS može da se odredi preko izraza:

Moment spoljašnjih sila M uvjek je jednak momentu unutrašnjih sila i određuje se prema izrazima u pogl. 4.1.3. Veličina l naziva se krak savijanja i predstavlja zbir radijusa matrice rM, radijusa pritiskivača rP i debljine lima s: L=rM+RP+s Prethodni izraz, egzaktno posmatrano, važi samo za ugao φ od 90o, ali se u praksi sa manjom greškom koristi i za druge uglove dvougaonog savijanja. Ako postoji dejstvo držača, sila FS se povećava za intenzitet sile držanja. U slučaju postojanja završnog poravnavanja (kalibrisanja) na ravnoj površini dna komada i intenzitet sile kalibrisanja ulazi u ukupan iznos mjerodavne deformacione sile. Uopšte, sila kalibrisanja je jednaka: Fk = pk Ak,gde su: pk, Ak – specifični pritisak i površina kalibrisanja.

4.1.6.2 Jednougaono savijanje u zatvorenom alatu

Postupnost procesa jednougaonog savijanja u zatvorenom alatu data je na sl. 4.2. Raspon između tačaka oslanjanja se smanjuje od l1 do lk. Promjena sile savijanja zavisno od hoda pritiskivača data je na sl. 4.18. Vidi se da je završna sila kalibrisanja znatno veća od deformacione sile savijanja. Zato se kao mjerodavni parametar za izbor mašine uzima sila kalibrisanja.


60

Sl. 4.18 Zavisnost sile savijanja od hoda pritiskivača

Sl. 4.19 Shema sila pri jednougaonom savijanju u zatvorenom alatu

Konačan izraz za silu savijanja je :

, gdje je rn – radijus neutralne ose (pogl. 4.1.2). Moment M se zamjenjuje momentom unutrašnjih sila (pogl. 4.1.3). Prethodni izraz nije povoljan za male (bliske 0) i velike (bliske 180o) uglove savijene zone. Sila kalibrisanja određuje se na potpuno isti način kao kod dvougaonog savijanja.


61

4. 2 PROFILNO SAVIJANJE NA SPECIJALNIM PRESAMA

Ovaj tip savijanja zapravo predstavlja ugaono savijanje komada koji najčešće imaju veliku širinu savijene zone (i više od nekoliko metara) i to na specijalnim tzv. ‘’abkant’’(od njem. ‘’abkantpresse’’) presama (sl. 4.20).

Sl. 4.20 Izgled prese za profilno savijanje

Pritiskivač je velike dužine, nožastog oblika i, najčešće, izvodi jednougaono savijanje uz pomoć univerzalne matrice (sl. 4.21 i 4.22). Međutim, oblikovanje je uglavnom višeoperaciono (više jednougaonih savijanja uz zamjenu alata, sl. 4.23) tako da se dobijaju i vrlo složeni profili. Na sl. 4.24 prikazano je profilno savijanje sa dvije operacije dvougaonog savijanja. Na sl. 4.25 dat je izgled pojedinih gotovih profila .

Sl. 4.21 Alat na presi za profilno savijanje u zahvatu (detalj)


62

Sl. 4.22 Alat na presi za profilno savijanje u zahvatu (detalj)

Sl. 4.23 Profilno savijanje složenog komada po operacijama

Sl. 4.24 Profilno savijanje sa alatom za dvougaono savijanje


63

Sl. 4.25 Izgled pojedinih gotovih profila

4.3 KRUŽNO SAVIJANJE

Izvodi se na specijalnim mašinama sa 3 ili 4 valjka (sl. 4.26, 4.27, 4.28 i 4.29).

Sl. 4.26 Mašina sa kružno savijanje sa tri valjka

Sl. 4.27 Mašina za savijanje sa valjcima u radu


64



Savijaju se limovi manjih i većih debljina. Regulacija prečnika komada, odnosno radijusa savijanja izvodi se promjenom rastojanja između gornjeg i donjih valjaka h (sl. 4.30). Preporučena vrijednost za rastojanje između valjaka iznosi L=(1,1 − 1,3)Dg , a prečnik donjih valjaka Dd=(0,8 − 0,9)Dg. Sila na gornjem valjku (sl. 4.30), koja predstavlja deformacionu silu savijanja dobija se na osnovu sljedećeg izraza:

gdje je b − širina komada; −spoljašnji prečnik komada DS=2R+s; Rp − granica tečenja; E− modul elastičnosti.


65

Prethodni izraz za silu savijanja izveden je s obzirom da su pri kružnom savijanju na valjcima plastične deformacije relativno male, a elastično ispravljanje ima značajan uticaj (koristi se izraz za moment unutrašnjih sila pri elastično−plastičnom savijanju).

Sl. 4.30 Shema kružnog savijanja na valjcima

Ugao koji definiše položaj donjih valjaka (φ) određuje se iz geometrijskih odnosa:

Kod kružnog savijanja često se zahtijevaju veliki prečnici komada pa je potrebno uporediti vrijednost željenog poluprečnika sa graničnom vrednošću maksimalog radijusa (pogl. 4.1.4).

4.3.1 Kružno savijanje profila na valjcima

Pored savijanja limova i pločastih materijala, vrlo često je potrebno kružnim savijanjem oblikovati profile (najčešće valjane) različitih presjeka (sl. 4.31 i 4.32). Princip oblikovanja potpuno odgovara kružnom savijanju na valjcima. Mašine su veoma slične, s tom razlikom što su valjci manje dužine, a mašine kompaktnije (sl. 4.33 i 4.34). Na sličnim mašinama sa profilisanim valjcima dobijaju se profilni dijelovi od lima (sl. 4.35 i 4.36).


66

Sl. 4.31 Savijeni valjani profili velikih dimenzija

Sl. 4.32 Savijeni profili

Kod ovakvog savijanja deformisanje se prostire na cijelu zapreminu komada, što za oblikovanje savijanjem nije tipično. Debljina lima (ili profila) može dostizati i nekoliko desetina milimetara. Pripremno savijanje krajeva komada se posebno izvodi na istim mašinama.


67

Sl. 4.33 Savijanje valjanih profila na mašini sa tri vertikalna valjka

Sl. 4.34 Savijanje profila na mašini sa tri horizontalna valjka

Maksimalni radijus savijanja je ograničen elastičnim osobinama materijala (pogl. 4.1.4), a minimalni, radijusom srednjeg valjka, dimenzijama poprečnog presjeka profila i vrstom materijala.


68

Sl. 4.35 Mašine za savijanje profila na valjcima (za manje veličine komada)

Sl. 4.36 Savijanje obruča iz trake lima

Sl. 4.37 Primjeri savijenih komada manjih dimenzija


69

4.4 PROFILNO SAVIJANJE LIMOVA POMOĆU VALJAKA

Masovna proizvodnja limenih profila veće dužine i talasastih limova izvodi se na mašinama za profilisanje limova pomoću valjaka. One mogu imati i više od 20 radnih pozicija sa odgovarajućim valjcima u zahvatu (sl. 4.38). Iako traka kontinualno ide (sl. 4.39) (često brzinom i preko 3 m/s) oblikovanje je postupno, višeoperaciono, sa relativno malim uglom savijene zone u jednoj operaciji (sl. 4.40a). To omogućava dobijanje veoma složenih profila od lima (sl. 4.40b). Izvode se i dopunske operacije (odsjecanje itd.)

Sl. 4.38 Primjer nekoliko pozicija na mašini za profilisanje lima valjcima

Sl. 4.39 Shema profilisanja lima na valjcima


70

Sl. 4.40 Postupnost oblikovanja (a) i primjeri profila (b) pri profilisanju limova na valjcima

4.5 SAVIJANJE CIJEVI

Savijanje i druga oblikovanja cijevi kružnog presjeka i drugih šupljih profila, zahtijevaju primjenu posebnih alata i mašina (sl. 4.41, 4.42, 4.43, 4.44 i 4.45) da bi se spriječila ili u dovoljnoj mjeri kompenzirala pojava nekontrolisanog deformisanja u savijenoj zoni. Defekti se odnose na dobijanje spljoštenog profila, pojavu nabora u zoni unutrašnjeg radijusa, lom u spoljašnjoj zoni itd. Uspješno savijena cijev podrazumijeva savijanje u jednoj ili više savijenih zona sa očuvanim dimenzijama otvora i stanjenjem zida komada ispod kritičnog iznosa. Sklonost ka pojavi defekata je veća kod tankozidnih cijevi. Ako je debljina zida cijevi dovoljno velika nije potrebno preduzimati bilo kakve mjere, cijev se savija kao puni profil. Najstariji način (i danas se koristi u pojedinačnoj proizvodnji) za sprečavanje defekata pri savijanju cijevi, se sastoji u punjenju šupljine cijevi deformabilnom materijom i zatvaranju krajeva. Materija treba da je takvih osobina da može bez većih problema da pouzdano ostane u cijevi tokom oblikovanja, kao i da se zatim lahko izbaci van. Pokazalo se da je pijesak najpogodniji za ovu namjenu, ali se koristi guma i slični sintetički materijali.

a) b)


71

U industrijskoj praksi pri većim serijama cijevi se ispunjavaju fleksibilnim jezgrima (sl. 4.41 d) ili šipkom sa zaobljenim krajem (radijus odgovara radijusu savijanja). Po završenom savijanju jezgro se izvlači. Na sl. 4.41 prikazana su tri najčešće korišćena principa kod savijanja cijevi. Pod a) je savijanje oko nepokretnog profilisanog bloka pri čemu se preko držača djeluje na oba kraja cijevi. Postupak se rjeđe primjenjuje. Pod b) je šema tzv. rotacionog savijanja cijevi koje ima najširu primjenu. Centralnu poziciju ima rotirajući profilisani blok koji je vezan za pogonski sistem mašine (najčešće hidraulični) i koji ostvaruje aktivni moment savijanja. Donji držač cijevi je nepokretan, a gornji rotira zajedno sa centralnim blokom. Oblikovanje je vrlo efikasno, a proces je pogodan za kompjuterizovano upravljanje. Mašine su kompaktne i produktivne (sl. 4.42, 4.43, 4.44 i 4.45).

Sl. 4.41 Metode savijanja cijevi

Pod c) je sličan princip, ali je centralni blok nepokretan. Savijanje izvodi gornji držač.

Sl. 4.42 Jednostavan hidraulični uređaj za savijanje cijevi po metodi b) sa sl. 4.41


72

Sl. 4.43 Industrijska mašina za rotaciono savijanje cijevi

Sl. 4.44 Primjer kompaktne mašine za rotaciono savijanje sa upravljačkom jedinicom


73

Sl. 4.45 Primjer mašine za rotaciono savijanje u radu

Savijanje cijevi je moguće izvoditi i u alatima. Ako se ostvari pritisno naponsko stanje aksijalnim sabijanjem krajeva, uz ispunjavanje cijevi fluidom ili drugim deformabilnim materijalom, moguće je postići velike promjene oblika i velike stepene deformisanja bez defekata (sl. 4.46).

Sl. 4.46 Savijanje cijevi sa oštrim uglovima primjenom aksijalnog sabijanja u alatu

4.6 SAVIJANJE DIJELOVA MANJIH DIMENZIJA NA SPECIJALNIM MAŠINAMA

Sitni dijelovi od žice i užih traka (sl. 4.47-a, b, c, d.) izrađuju se na specijalnim automatskim mašinama koje imaju više radnih pozicija. Postupak oblikovanja je višeoperacioni, a radni komad se dobija uzastopnim djelovanjem alata koji su postavljeni radijalno (zvjezdasto) u odnosu na centralnu zonu mašine (sl. 4.48). Proizvodnost ovakvih mašina je veoma velika (i do 300 kom/min).


74

a) b)

c) d)

Sl. 4.47 Primjeri sitnih dijelova dobijenih oblikovanjem na automatskim mašinama

Sl. 4.48 Višepozicioni automat za oblikovanje sitnih dijelova

Ovakvi dijelovi mogu da se izrađuju i na univerzalnim jednopozicionim presama. U tom slučaju, alati su koračni višepozicioni. Gotov komad se dobija poslije toliko hodova pritiskivača prese koliko ima radnih pozicija u alatu.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 5. Duboko izvlačenje (Deep Drawing)

75

5. DUBOKO IZVLAČENJE (DEEP DRAWING)

Pod dubokim izvlačenjem lima podrazumjeva se takav vid oblikovanja pri kome se od početnog nedeformisanog, ravnog oblika (razvijene ploče, razvijenog stanja) dobija tijelo prostorne neprekidne konfiguracije. U principu, to je oblik posude otvorene sa jedne strane, dok sa druge ima zatvoreno dno. Obrada izvlačenjem se redovno vrši u hladnom stanju, osim u posebnim slučajevima kada se komad mora zagrijavati (pogoršani uslovi obrade - mala plastičnost). Prema ponašanju debljine lima tokom procesa oblikovanja razlikuju se dva postupka: a) duboko izvlačenje bez promjene debljine lima (primenjuje se kod tankih limova i

ima jedno od dominantnih mjesta u industriji prerade metala uopšte), b) duboko izvlačenje sa stanjenjem (primenjuje se kod debljih limova, ima

karakteristike zapreminske obrade i posebno se izučava). Prema geometriji gotovog komada moguća je sljedeća podjela: a) ‘’čisto duboko izvlačenje’’ (izvlačenje šupljeg cilindričnog tijela sa ravnim dnom) i

duboko izvlačenje rotacionih dijelova (sl. 5.1), b) duboko izvlačenje ostalih dijelova pravilnog geometrijskog oblika (kutijasti

dijelovi), c) izvlačenje dijelova ‘’nepravilnog’’ geometrijskog oblika (npr. blatobran karoserije

automobila).


76

Sl. 5.1 Osnovni oblici dijelova koji se dobijaju dubokim izvlačenjem

Dijelovi dobijeni postupcima dubokog izvlačenja imaju široku primjenu u: 1) automobilskoj industriji (dijelovi karoserije itd.), 2) avio-industriji, industriji šinskih vozila, brodogradnji, 3) industriji kućnih aparata i posuđa, 4) elektro i elektronskoj industriji, 5) poljoprivrednoj i procesnoj tehnici, 6) drugim oblastima (u manjem obimu). Na sljedećim slikama dati su primjeri realnih komada, dobijenih dubokim izvlačenjem tankih limova.

Sl. 5.2 Rotacioni oblici dobijeni dubokim izvlačenjem


77

Sl. 5.3 ‘’Kutijasti’’ dijelovi proizvedeni dubokim izvlačenjem


78

Sl. 5.4 Dijelovi geometrijski ‘’nepravilnih’’ (složenih) oblika

5.1 DUBOKO IZVLAČENJE OSNOSIMETRIČNIH KOMADA

Tipična geometrijska forma u ovom slučaju podrazumijeva dobijanje cilindričnog komada sa ili bez oboda i sa ravnim dnom (sl. 5.2 i sl. 5.5). Postupak dobijanja je poznat po terminu: ‘’čisto duboko izvlačenje’’. Vrlo često se uzima kao reprezentativni proces i detaljno izučava sa naponskodeformacionog aspekta.

Sl. 5.5 Komad koji se dobija ‘’čistim dubokim izvlačenjem’’

Sl. 5.6 Osnovna shema oblikovanja u alatu za duboko izvlačenje

Za razliku od ostalih postupaka obrade lima (prosjecanje, savijanje) u ovom slučaju (sl. 5.6) postoje tri glavna (radna) elementa alata: izvlakač (najčešće prenosi deformacionu silu), matrica – prsten za duboko izvlačenje i držač lima.


79

Polazni komad ima kružnu konturu (prečnika D0, sl. 5.7) i prije početka procesa oblikovanja postavlja se na gornju površinu matrice, kada se aktivira dejstvo držača koji silom držanja FD priteže obod komada. Poslije toga izvlakač svojim glavnim dejstvom otpočinje oblikovanje komada sve do njegovog potpunog provlačenja kroz otvor matrice.

Sl. 5.7 Shema djelovanja napona pri dubokom izvlačenju

Centralni dio procesa oblikovanja izvodi se na obodu komada i zaobljenju matrice pod dejstvom dva napona: tangencijalnog-pritisnog i radijalnog-zatežućeg (sl. 5.5 i 5.7). Tangencijalni napon teži da izazove pojavu nabora na obodu (sl. 5.8) i ona se spriječava djelovanjem sile držanja. Intenzitet sile držanja i uopšte uslove trenja na obodu treba pažljivo definisati. Naime, potreban je dovoljan intenzitet sile držanja zbog spriječavanja nabora, ali ako je trenje pojačano lako se dolazi do preopterećenja komada i pojave razaranja u kritičnom (tzv. nosećem) presjeku komada (sl. 5.8). Zbog toga se trenje na obodu i zaobljenju matrice maksimalno smanjuje (glatke površine kontakta, odgovarajuća maziva) i olakšava klizanje lima.


80

Sl. 5.8 Defekti pri dubokom izvlačenju (nabori-lijevo i razaranje-desno)

Za obradu se najčešće koriste prese dvostrukog dejstva, koje imaju posebne pogone za dejstvo izvlakača i dejstvo držača. Prese jednostrukog dejstva mogu se koristiti dogradnjom pneumatskih, gasnih ili hidrauličnih cilindara za obezbijeđenje dejstva držača (FD). Sila deformisanja se prenosi preko čela - vrha izvlakača, pri čemu je glavni otpor deformisanju na obodu, s obzirom da prstenastu površinu lima treba prevesti u cilindričnu. Ukoliko je sila držača suviše velika i postoje nepovoljni uslovi trenja, doći će do kočenja lima na obodu i do razaranja u kritičnom presjeku. Kritični (noseći) presjek je najčešće iznad radijusa dna komada (A≅dn π s). Proces oblikovanja često nije moguće izvesti u samo jednoj operaciji dubokog izvlačenja. U tom slučaju riječ je o dvo ili više operacionom postupku. Za nominalni prečnik i radijus dna komada, koji se koriste u raznim izračunavanjima korisno je usvojiti sljedeće preporuke (npr. za prvu operaciju izvlačenja):

( vidjeti sl. 5.7).

5.1.1 Pokazatelji stepena deformisanja

Koriste se različiti pokazatelji deformacije koji karakterišu stepen izvršenog izvlačenja. To su za slučaj jednooperacionog procesa izvlačenja (d1=d, r1=r): a) stepen - odnos izvlačenja β:

b) koeficijent izvlačenja m :

c) relativna deformacija pri izvlačenju:


81

d) prirodna deformacija:

Veza između pojedinih pokazatelja:

Ukoliko se pri obradi prekorače dozvoljene vrijednosti pokazatelja izvlačenja, npr. β>βmax dolazi do loma, odnoso razaranja na kritičnom mjestu komada. Od veličine navedenih pokazatelja zavise: - veličina napona i sile izvlačenja - broj potrebnih operacija izvlačenja, - sila držanja FD i sl. Od značaja pri izvlačenju je i relativna debljina lima:

Smanjivanjem vrijednosti sr raste sklonost ka pojavi nabora na obodu.

5.1.2 Naponi i deformaciona sila izvlačenja

Deformaciona sila je parametar potreban za izbor mašine i od posebnog značaja je poznavanje njenog maksimalnog intenziteta, koji se uvijek postiže u prvoj operaciji izvlačenja. Za određivanje sile izvlačenja (za prvu operaciju) potrebno je poznavati uzdužni napon (σu) u cilindričnom omotaču tijela, koji predstavlja i ukupan napon izvlačenja.

Napon σu sačinjavaju 4 osnovne komponente (sl. 5.7): σr- radijalni napon na obodu, koji nastaje usljed bočnog sabijanja materijala na

obodu pri njegovom povlačenju ka centralnom dijelu (ima najveću vrijednost, iznad 70 % σu).

σtrd- dio napona koji nastaje usljed trenja na ravnom dijelu oboda između lima i matrice, odnosno držača (oko 10 % σu).

σtrm- dio napona koji nastaje usljed trenja na zaobljenju ivice matrice (ispod 15 % σu).

σsav- napon koji nastaje usljed savijanja i ispravljanja lima pri klizanju preko zaobljenja ivice matrice (oko 5 % σu).


82

5.1.2.1 Radijalni napon na obodu

σr – radijalni (zatežući) napon σt – tangencijalni (pritiskujući) napon σ+dσ - napon σr raste ka spoljašnjoj ivici matrice (sl. 5.7). Na osnovu uslova ravnoteže sila (sl. 5.9) i uslova plastičnosti dobija se sljedeći konačan izraz za radijalni napon:

Vrijednost K približno određuje kao aritmetička sredina deformacionog otpora na početku (K0) i kraju (K1) oblikovanja, zavisno od odgovarajućih deformacija:

K0- deformacioni otpor na početku izvlačenja K1- deformacioni otpor na kraju izvlačenja (pri φ1, odnosno ε1 sa krive ojačanja) β = 1,1- korekcioni faktor.

5.1.2.2 Napon usljed trenja na obodu

Ovaj napon je posljedica trenja na kontaktnim površinama oboda komada, držača i ravnog dijela matrice. Sila trenja na obodu: FT=μ FD

Napon usljed ovih sila (ima ih dvije - djeluju na dvije površine)

Sl. 5.9 Naponi i sile na obodu


83

μ - koeficijent trenja (najčešće μ=0,1 – 0,15) FD - sila držača

AD - površina držanja q - specifični pritisak držanja q = 2 − 3 MPa

5.1.2.3 Napon usljed trenja na zaobljenju matrice

Sila izvlačenja formirana na osnovu napona na obodu (σr i σtrd) iznosi:

Ova sila se uvećava zbog trenja na zaobljenju ivice matrice na silu F1 (sl. 5.10 desno). Do potrebnih odnosa se dolazi projektovanjem svih sila na vertikalni, odnosno horizontalni pravac u zoni elementarnog ugla dα i primjenom uslova ravnoteže.

Sl. 5.10 Sile u zoni zaobljenja ivice matrice

Konačno se dobija:

Odnosno, napon koji nastaje u ovom slučaju:


84

5.1.2.4 Napon usljed savijanja i ispravljanja

Pri klizanju lima preko zaobljenja ivice matrice pored ostalog, ostvaruje se efekat savijanja, a zatim i ispravljanja pojedinih zona komada. Razmatranjem utrošenog rada na savijanju i ispravljanju (sl. 5.11) može se definisati iznos sile savijanja na ukupnom obimu komada i vrijednost odgovarajućeg napona. Ukupna sila savijanja odnosi se na savijanje po obimu komada: b=d1 π

a napon savijanja (i ispravljanja):

Sl. 5.11 Savijanje oko zaobljenja ivice matrice

Konačno, uzimajući u obzir sve komponente, ukupni napon izvlačenja iznosi:

Prethodni izraz važi za prvu operaciju izvlačenja, ukoliko je proces višeoperacioni. Za orijentaciono izračunavanje moguće ga je primjeniti i na sljedeće operacije. Najveća sila izvlačenja:

FM=d1 π s (u

FMAS=1,3 FM

Deformacioni rad:

W= FM x h

x=Fsr/Fm, - faktor srednje sile, h- ukupan hod (dubina komada).


85

5.1.3 Naknadne operacije izvlačenja

Ukoliko je stepen izvlačenja suviše veliki da bi uspješno mogao da se ostvari u jednoj operaciji, npr. kod dubokih komada, izvlačenje se obavlja u više operacija. U svakoj fazi izvlačenja smanjuje se prečnik i povećava dubina komada. Postoje dva osnovna načina naknadnog izvlačenja (sl. 5.12): a) istosmjerno izvlačenje (najčešći postupak) b) suprotnosmjerno izvlačenje

Sl. 5.12 Shema dvooperacionog postupka izvlačenja

Na sl. 5.12 korištene su oznake: d1 - prečnik izvlakača u prvoj operaciji izvlačenja d2 - prečnik izvlakača u drugoj operaciji izvlačenja Kad je riječ o nominalnim prečnicima komada (poglavlje 5.1) važi: D0 > d1 > d2 > ....dn > dn −1>dn dn - završni prečnik komada.

Sl. 5.13 Druga operacija izvlačenja (direktno, istosmjerno izvlačenje)

a) Pravo izvlačenje /istosmjerno/

b) Obratno izvlačenje /suprotnosmjerno/


86

Sl. 5.14 Druga operacija izvlačenja (obratno, suprotnosmjerno izvlačenje)

5.1.4 Izvlačenje drugih tijela pravilnog geometrijskog oblika

Osnovni predstavnici ove grupe dijelova su komadi kvadratnog i pravougaonog presjeka (kutijaste forme), prema slikama 5.15 i 5.16. Karakteristične mjere su širine A i B i visine H, kao i dva zaobljenja: rug - radijus ugla komada i ri - radijus čela izvlakača. Pri obradi na uglovima komada dolazi do tangencijalnog sabijanja (kao kod izvlačenja cilindričnog komada), a na pravim dijelovima do savijanja. Glavni otpor oblikovanju nastaje na uglovima usljed bočnog sabijanja i zatim radijalnog izvlačenja. Da bi se ovaj otpor smanjio, potrebno je na odgovarajući način pripremiti razvijeno stanje (npr. kod izvlačenja pravougaonog komada sl. 5.16). Koeficijenti izvlačenja se definišu preko radijusa na uglu komada:

a njihovi granični odnosi određuju eksperimentalno; npr. za čelik: m1 = 0,25 − 0,40 ; m2 = 0,40 − 0,55 i sl.

Sl. 5.15 Izvučeni komad pravougaonog preseka Sl. 5.16 Razvijeno stanje (1) i konture poslije I (2) i

II (3) operacije


87

Sila izvlačenja kutijastih dijelova se sastoji iz dvije komponente: F = Fug + Fs gdje je: Fug - sila za izvlačenje uglova komada Fs - sila za savijanje pravih zidova Sila Fug se određuje po izrazima za izvlačenje cilindričnih dijelova a Fs prema obrascima za silu savijanja. Zbog velike razlike u uslovima deformisanja oboda savijenih zona u odnosu na ugaone, često se uvode tzv. zatezna rebra (sl. 5.17). Cilj je postići ujednačavanje uslova oblikovanja i uvlačenja pojedinih zona oboda, kao i homogenizaciju deformacionih polja.

Sl. 5.17 Položaj zateznih rebara kod pravougaonih dijelova

Sl. 5.18 Oblici profila zateznih rebara Sl. 5.18a Ugradnja zateznih rebara

5.1.5 Određivanje oblika i dimenzija polaznog komada

Kod rotacionih oblika polazni komad (razvijeno stanje) ima kružni oblik. Uslov za definisanje prečnika razvijenog stanja je jednakost zapremina polaznog i gotovog komada. Pošto se zanemaruje promjena debljine pri oblikovanju, prethodni uslov se mjenja u jednakost površina.


88

Sl. 5.19 Razvijeno stanje i gotov komad

Konačan izraz za prečnik razvijenog stanja D0 (sl. 5.19) ima oblik:

dn i rn su nominalni prečnik i radijus dna komada (poglavlje 5.1), a Δh dodatak za opsjecanje (bira se iz preporuka).

5.1.6 Alati za duboko izvlačenje

Alati za jednooperaciono oblikovanje cilindričnog komada su relativno jednostavni. Imaju tri glavna radna elementa (izvlakač, matrica, držač lima, sl. 5.7) i gotovo uvjek stubno vođenje gornje u odnosu na donju polovinu alata. Međutim, takvi alati se rijetko koriste. Daleko više su u upotrebi alati koji imaju objedinjenu operaciju prosjecanja razvijenog stanja (npr. iz trake) sa dubokim izvlačenjem. Na sl. 5. 20 i 5.21 date su dvije varijante takvih alata (u presjeku) sa naznačenim važnijim pozicijama.

Sl. 5.20 Alat za prosjecanje razvijenog stanja i izvlačenje (prije radnog hoda)


89

Alati za drugu i ostale operacije dubokog izvlačenja se bitno razlikuju od alata za prvu operaciju i ovdje se neće detaljnije opisivati (vidjeti sl. 5.12, 5.13 i 5.14).

Sl. 5.21 Alat za prosjecanje polaznog komada i izvlačenje (kraj radnog hoda)

Konstrukcija alata za duboko izvlačenje veoma zavisi od broja dejstava kojima raspolaže presa. Najčešće su u upotrebi tzv. prese jednostrukog i dvostrukog dejstva. Rjeđe se koriste prese trostrukog dejstva (glavno dejstvo – pokretanje izvlakača, drugo dejstvo – držača i treće izbacivača) zbog visoke cijene.

Sl. 5.22 Tri faze hoda pri izvlačenju na presi jednostrukog dejstva sa ugrađenim jastukom

držača

Sl. 5.23 Faza izbacivanja poslije izvlačenja sa sl. 5.22

1. izvlakač, 2. stubić sistema za držanje, 3. držač lima, 4. matrica za prosjecanje, 5. skidač trake, 6. graničnik, 7. stubić izbacivača, 8. izbacivač, 9. nož za prosjecanje, matrica za

izvlačenje, 10. vođica trake lima.

Prese jednostrukog dejstva mogu da budu izvedene u dvije varijante: sa ugrađenim sistemom za držanje (tzv. hidro ili vazdušni jastuk) ili bez njega, kada se konstrukcijom samog alata mora obezbjediti dejstvo držača (klasične ili gasne opruge). Na sl. 5.22 prikazan je rad alata na presi jednostrukog dejstva koja ima pomoćni vazdušni jastuk za obezbjeđenje držanja na obodu, a na sl. 5.23 izgled alata poslije završenog oblikovanja i izvedenog izbacivanja komada iz otvora matrice. Prese jednostrukog dejstva sa ugrađenim hidro ili vazdušnim jastucima su veoma pogodne zbog povoljnog odnosa mogućnosti i cijene.


90

Na sl. 5.24 prikazan je rad alata na presi dvostrukog dejstva. Zbog visokih cijena, ovakve prese se uglavnom koriste kada je potrebno obezbjediti velike intenzitete sile držanja (najčešće kod dijelova velikih dimenzija kao što su neki dijelovi karoserije vozila).

Sl. 5.24 Tri faze hoda na presi dvostrukog dejstva

Na sl. 5.26 prikazan je alat za duboko izvlačenje dijela velikih dimenzija. Livene je konstrukcije i montira se na presu dvostrukog dejstva.

Sl. 5.26 Alat za izvlačenje komada većih dimenzija (1 – izvlakač; 2 – donji dio alata, matrica;

3 –umetak matrice)

Sl. 5.25 Faza izbacivanja poslije oblikovanja prikazanog na sl. 5.24


91

5.1.7 Mašine za duboko izvlačenje

Za operacije dubokog izvlačenja koriste se prese sa mehaničkim i hidrauličnim pogonom. Izbor prese vrši se istovremeno sa konstrukcijom alata. Sa stanovišta odvijanja procesa oblikovanja povoljnije su hidro prese (podešavanje parametara, konstantna brzina pritiskivača)(sl. 5.27), ali je produktivnost mehaničkih presa (sl. 5.28; sl. 5.29) znatno veća zbog većih brzina izvršnih organa prese. S obzirom na broj aktivnih dejstava, prese za duboko izvlačenje mogu biti: 1. prese jednostrukog dejstva bez ugrađenog jastuka držača, 2. prese jednostrukog dejstva sa ugrađenim jastukom držača, 3. prese dvostrukog dejstva, 4. prese trostrukog dejstva. S obzirom na broj radnih pozicija prese mogu biti: a) jednopozicione, b) višepozicione. Mašina za duboko izvlačenje se bira na osnovu tehnoloških karakteristika procesa, od kojih su najvažnije: 1) parametri procesa (deformaciona sila i rad, sila držanja), 2) dimenzije alata, 3) radni hod alata, 4) brzina deformisanja, 5) veličina serije komada.

Sl. 5.27 Shema hidraulične prese jednostrukog dejstva sa hidro jastukom


92

Sl. 5.28 Shema mehaničke prese jednostrukog dejstva sa hidro jastukom


93

Sl. 5.29 Shema mehaničke prese dvostrukog dejstva


94

Sl. 5.30 Shema ekscentarskog krivajnog pogona presa sa sl. 5.28 i 5.29

Sl. 5.31 Izgled mehaničke prese od 8 MN u radu

Prese shematski prikazane na slikama 5.27 do 5.30 spadaju u jednopozicione, zato što u svom radnom prostoru između pritiskivača i radnog stola mogu da prime samo jedan alat. Na sl. 5.32 prikazana je shema transfer prese koja može da primi više alata. Poslije onoliko hodova prese koliko ima radnih stanica (alata) dobija se gotov


95

komad. Presa ima automatizovani sistem za transport komada od alata do alata (otuda naziv transfer). Na sl. 5.33 data je fotografija velike petopozicione transfer prese sa maksimalnom raspoloživom silom od 52 MN (5200 t).

Sl. 5.32 Shema transfer prese

Sl. 5.33 Izgled velike transfer prese sa silom od 52 MN

5.1.8 Posebni postupci dubokog izvlačenja

U odgovarajućim uslovima (specijalni materijali, posebne geometrije komada, male serije, specijalni zahtjevi i sl.) opisani klasični postupci nisu cjelishodni, pa se primjenjuju posebni tzv. ‘’nekonvecionalni’’ postupci. Pomenuće se oni koji su najzastupljeniji u praksi.


96

5.1.8.1 Hidromehaničko duboko izvlačenje

Oblikovanje se izvodi uz pomoć fluida pod pritiskom u različitim varijantama. Pritisak se ostvaruje snagom prese ili pumpom visokog pritiska. Postižu se veći stepeni izvlačenja (β>2,7) i složeniji oblici komada u odnosu na klasično izvlačenje (βmax≈2), ali uz znatno veće troškove. Red veličine potrebnih pritisaka fluida iznosi: za aluminijum i njegove legure 50 – 200 bara, za čelične limove 200 – 600 bara, za limove od nehrđajućih čelika 300 – 1000 bara. Sl. 5.34 Formiranje sloja fluida pri hidromehaničkom izvlačenju

U postupku shematski prikazanom na sl. 5.35 unutar matrice se nalazi fluid, dok je izvlakač u standardnoj varijanti. Pritisnim dejstvom fluida i formiranjem sloja (sl. 5.34) uslovi deformisanja su znatno poboljšani u odnosu na klasične alate.

Sl. 5.35 Hidromehaničko izvlačenje sa čvrstim izvlakačem


97

U postupku datom na sl. 5.36 sa strane matrice djeluje fluid pod visokim pritiskom i na taj način prinudi lim da se deformiše saglasno obliku izvlakača. Dopunskom silom deluje se i preko izvlakača. Sl. 5.36

Postupak tzv. aktivnog hidromehaničkog izvlačenja

5.1.8.2 Izvlačenje uz pomoć gume

Guma kao veoma deformabilan materijal, koristi se u alatima za duboko izvlačenje specifičnih komada u uslovima maloserijske proizvodnje (aluminijumski dijelovi u vazduhoplovnoj industriji, složeniji oblici dijelova kao na sl. 5.37, itd.). Umjesto gume mogu da se koriste pojedini polimerni materijali. Guma može da igra ulogu izvlakača (sl.5.37) ili matrice.

Sl. 5.37 izvlačenje gumom


98

5.1.8.3 Oblikovanje razvlačenjem

Ovaj postupak je namjenjen dobijanju dijelova pretežno većih dimenzija (avio industrija itd.), koji se proizvode u manjim serijama. Steznim čeljustima lim se steže na krajevima i oblikuje preko oblikača (sl. 5.38 i 5.39).

Sl. 5.38 Shema oblikovanja postupkom razvlačenja

Sl. 5.39 Prikaz oblikovanja razvlačenjem na uređaju sa obrtnim oblikačem i pokretnim

steznim čeljustima

5.1.8.4 Rotaciono izvlačenje

Deformisanje se izvodi na mašinama koje su u principu slične strugu. Oblikač sa profilom koji odgovara gotovom komadu rotira zajedno sa limom koga priteže držač. Alat (valjčić ili drugi oblik) u parcijalnom zahvatu oblikuje komad (sl. 5.40). Dobijaju se osnosimetrični komadi često složenih krivolinijskih kontura (satelitske antene itd.).

Sl. 5.40 Rotaciono izvlačenje (lijevo – početni položaj, desno – kraj oblikovanja)


99

Mašine za rotaciono izvlačenje mogu da budu veoma sofisticirane (CNC), i primjenjuju se upravo za dobijanje komada sa složenim krivolinijskim konturama. Principska shema takve mašine data je na sl. 5.41. Profil oblikača nije fiksan već se programski formira kretanjem valjka (pokretan u dvije koordinatne ose). Na isti način djeluje i valjčić za oblikovanje (desno na sl. 5.41).

Sl. 5.41 Rotaciono izvlačenje na CNC mašini

Primenjuje se i postupak rotacionog izvlačenja sa stanjenjem u dvije varijante: istosmjerno i suprotnosmjerno (sl. 5.42) i to za spoljašnju i unutrašnju obradu. Polazni komad ima veću debljinu i na račun njenog smanjenja dobija se željena geometrija rotacionog komada. Deformacione sile su znatno veće u odnosu na postupak sa sl. 5.40.

Sl. 5.42 Rotaciono izvlačenje sa stanjenjem


100

5.1.8. 5 Razna oblikovanja izvlačenjem

Na sljedećim slikama dati su postupci veoma često prisutni u praksi. Mogu da budu složeniji (npr. izvlačenje iz trake) ili veoma jednostavni (proširenje kraja cijevi, izrada rebra na cilindričnom komadu itd.).

Sl. 5.43 Duboko izvlačenje sitnih komada neposredno iz trake

Sl. 5.44 Postupnost pri dubokom izvlačenju koničnih oblika


101

Sl. 5.45 Proširivanje cijevi (lijevo) i oblikovanje rebra (desno)

Sl. 5.46 Proširivanje (izvlačenje) probijenog otvora na komadu od lima

5.1.9 Duboko izvlačenje sa stanjenjem (IRONING)

Početni oblik je razvijeno stanje prečnika Do i debljine so. U toku procesa obrade mjenja se prečnik komada i debljina zidova, a debljina dna ostaje nepromjenjena, prema donjoj slici. Na račun promjene debljine povećava se visina.

Sl. 5.47 Faze dubokog izvlačenja sa stanjenjem

Relativno stanjenje za prvu i n-tu operaciju:

εmax=30÷40 % Primjer alata sa držačem za izvlačenje kroz tri prstena dat je na sl. 5.48, a na sl. 5.49 primjer prese sa dvije radne pozicije za oblikovanje u dvostepenim alatima.


102

Sl. 5.48 Alat za izvlačenje sa stanjenjem, a) sa jednom matricom; b) sa 3 matrice (2, 4, 5)

Sl. 5.49 Horizontalna dvopoziciona presa za izvlačenje sa stanjenjem

Zbog većih debljina polaznog materijala držač često nije potreban, pa se mogu koristiti i mašine jednostrukog dejstva. S obzirom da se obrada završava u jednom hodu izvlakača koji prolazi kroz više matrica neophodan je veći hod mašine (najčešće hidraulične prese). Mora se obezbjediti stroga centričnost osa izvlakača i osa postavljenih matrica (prstenova). Pri obradi je obavezno podmazivanje. Iako se oblikovanje dubokim izvlačenjem sa stanjenjem vezuje za deformisanje limova, po naponsko-deformacionim osobinama


103

procesa ono je bliže procesima zapreminskog oblikovanja, prije svega istiskivanju, pa je i priprema za podmazivanje komada od čelika slična. Prethodno se površine komada elektrohemijski tretiraju (fosfatiraju), a kao mazivo (koje se ponekad prinudno dovodi kroz otvore na matricama), najčešće se koristi molibdendi-sulfid (MoS2). Kombinacija fosfatiranja i MoS2 je veoma česta i praktično neophodna kod ove obrade i drugih postupaka hladnog masivnog oblikovanja (istiskivanje, hladno kovanje). Kvalitet površina i tačnost dimenzija su na visokom nivou slično kao kod postupaka hladne zapreminske obrade. Izvlačenje sa stanjenjem se najviše koristi u masovnoj proizvodnji ambalažnih konzervi (različite vrste alkoholnih i bezalkoholnih pića, hrana itd.), vojnoj industriji itd. U poglavlju 5.1.11 dat je primjer tehnološkog procesa dobijanja konzerve u kome značajnu ulogu igra ovaj postupak plastičnog oblikovanja.

5.1.10 Osnovni elementi projektovanja tehnološkog procesa dubokog izvlačenja

Duboko izvlačenje je, prema različitim pokazateljima, najznačajnija tehnologija u okviru obrade deformisanjem i jedna od najznačajnijih u okviru obrade metala uopšte. Zato je potrebno detaljno predvidjeti sve aktivnosti po odgovarajućem redosljedu, koje će omogućiti da se od polazne table ili trake lima dobije gotov komad (u manjoj ili većoj seriji). Važno je podvući ekonomski aspekt u svakoj aktivnosti, kao i potrebu poštovanja svih mjera na zaštiti okoline i bezbednosti u radu. Sljedeće aktivnosti su potrebne za projektovanje procesa oblikovanja limova dubokim izvlačenjem: 1) Analiza tehnologičnosti konstrukcije gotovog komada, 2) Određivanje oblika i dimenzija razvijenog stanja, 3) Definisanje procesa izrade razvijenog stanja (tip, parametri, alati, mašine itd.), 4) Određivanje broja operacija oblikovanja i definisanje geometrijskih parametara

komada po operacijama, 5) Definisanje parametara procesa po operacijama (deformacione sile,

deformacioni radovi,brzine itd.) 6) Definisanje podmazivanja (zone, način, sredstva), 7) Definisanje eventualnog međuoperacionog žarenja (parametri, uređaji), 8) Definisanje operacija poslije oblikovanja (opsjecanje, probijanje itd.), 9) Projektovanje alata (parametri, konstrukcija), 10) Izbor mašina.


104

5.1.11 Primjer tehnološkog postupka dobijanja konzerve za pića

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje-6.Sabijanje (Upsetting)

105

B. MASIVNO (ZAPREMINSKO) OBLIKOVANJE (BULK FORMING)

Kod plastičnog deformisanja limova, izrazito manja treća dimenzija lima kao polufabrikata uslovljava da je moguće smatrati ostvarena naponska stanja ravanskim (uz manja pojednostavljenja). Kod masivnog oblikovanja naponska stanja su prostorna (troosna). Zanimljiva je razlika između ova dva tipa oblikovanja prema kriterijumu odnosa površine deformisanog komada prema zapremini (ili debljini). U slučaju deformisanja limova taj odnos je relativno veliki, a u slučaju masivnog oblikovanja, uglavnom, vrlo mali.

6. OBRADA SABIJANJEM (UPSETTING)

Sabijanje (u toplom ili hladnom stanju) predstavlja elementarnu operaciju masivnog oblikovanja koja se izvodi kao samostalna operacija ili operacija predoblikovanja pri izradi dijelova složenih geometrija. Sabijanjem se izvodi preraspodela mase u smislu smanjenja početne visine komada uz istovremeno povećanje njegovih poprečnih dimenzija. Osnovne vrste sabijanja su (sl. 6.1): a) slobodno sabijanje (između ravnih površina - cjelokupne zapremine), b) slobodno sabijanje (između ravnih površina - jednog dijela zapremine), c) sabijanje u kalupu (sl. 6.1 pod c i d).

Sl. 6.1 Osnovne vrste sabijanja

6.1 POKAZATELJI DEFORMACIJA I GRANIČNE MOGUĆNOSTI OBLIKOVANJA PRI SABIJANJU VALJKA

Sl. 6.2 Slobodno sabijanje valjka (a-polazni komad, b-realni oblik sabijenog dijela, c-

idealizovani oblik sabijenog dijela)


106

a) relativna deformacija

b) procentualna deformacija

c) prirodna (logaritamska) deformacija

d) relativno raširenje

Faktori koji mogu ograničiti mogućnost obrade sabijanjem su: a) pojava izvijanja, b) razaranje materijala. Pokazatelj opasnosti od izvijanja:

za sabijanje u hladnom stanju mg ≈ 2,4 za sabijanje u toplom stanju mg = 3 Kao tehnički pokazatelj opasnosti od razaranja materijala koristi se granična prirodna deformacija:

Pri slobodnom sabijanju (sl. 6.2) na kontaktnim površinama postoji trenje koje dovodi do pojave ispupčenih bočnih površina i stvaranja složenog troosnog naponskog stanja. Ipak, trenje je moguće smanjiti pogodnom pripremom kontaktnih površina i podmazivanjem. Tada postaje sasvim opravdano primjeniti idealizaciju datu na sl. 6.2 pod c). U tom slučaju smatra se da, pored cilindričnog oblika komada, ostaje sačuvano jednoosno naponsko stanje.


107

6.2 DEFORMACIONA SILA I RAD ZA SABIJANJE VALJKA

Pri slobodnom sabijanju cilindra vrijednost radnog pritiska iznosi (sl. 6.2):

Deformaciona sila:

gdje su: A – površina poprečnog preseka komada (sl. 6.2 c), K – deformacioni otpor, μ – koeficijent kontaktnog trenja. Sila dostiže maksimum na kraju hoda, kada treba definisati deformaciju, deformacioni otpor i geometrijske pokazatelje (sl. 6.3).

Sl. 6.3 Zavisnost sile sabijanja od hoda i odgovarajući deformacioni rad (W)

Analitički izraz za deformacioni rad (W) ima oblik:

K0 i K1 su vrijednosti deformacionog otpora na početku i kraju oblikovanja (određuju se sa krive ojačanja).Kod sabijanja u kalupu vrijednosti za deformacionu silu i rad su dvostruko veće u odnosu na slobodno sabijanje zbog promjene graničnih uslova.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje-7.Kovanje (Forging)

108

7. PLASTIČNO DEFORMISANJE KOVANJEM U TOPLOM STANJU (FORGING)

Kovanje je masivno (zapreminsko) oblikovanje metala između dva kalupa (alata) koji su u relativnom kretanju, pri čemu se materijal izlaže pritisnim i zateznim naponima u uslovima većih brzina (često i sa udarnim dejstvom). Zagrijavanje se izvodi u cilju smanjenja deformacionog otpora, odnosno povećanja plastičnosti materijala koji se kuje. Zagrijavanje je iznad temperature rekristalizacije. Zavisno od vrste materijala definiše se režim zagrijavanja kako bi se dobila odgovarajuća struktura. Npr. kod ugljeničnih čelika to je austenitna struktura sa metalnim zrnima odgovarajuće krupnoće. Istorijski posmatrano, kovanje je najstariji način plastičnog deformisanja metala (arheološki nalazi sežu do 5000 g. P.H.), ali tek u poslednja dva vijeka dobija savremenu, industrijsku dimenziju. Toplo kovanje se masovno primjenjuje, a hladna i polutopla obrada rjeđe. Kovanje se izvodi na posebnim kovačkim mašinama: kovačkim presama i kovačkim čekićima u kovačkim alatima (kalupima). Kovanje u zanatskim uslovima je uglavnom, relikt prošlosti (sl. 7.1) i ovdje se neće razmatrati. U odnosu na druge tehnologije prerade metala (van oblasti plastičnog deformisanja) kovanje nema konkurenciju u pogledu mehaničkih i strukturnih osobina materijala komada (neprekidna vlaknasta struktura) i u pogledu ekonomičnog korišćenja materijala (sl. 7.2). Sa aspekta izdržljivosti prema mehaničkim opterećenjima dijelovi dobijeni kovanjem su superiorniji u odnosu na druge tehnologije. U tehničkom smislu razlikuju se dva vida kovanja: a) slobodno kovanje i b) kovanje u alatima (kalupima) (sl. 7.3).

Sl. 7.1 Kovanje u zanatskim radionicama prošlih vjekova


109

Sl. 7.2 Ušteda u materijalu i superiorna strukturna svojstva komada dobijenih kovanjem u

odnosu na tehnologiju obrade skidanjem strugotine (rezanjem)

Sl. 7.3 Slobodno kovanje (lijevo) i kovanje u kalupu (desno)

7.1 SLOBODNO KOVANJE

Obavlja se na kovačkim mašinama uz pomoć univerzalnog jednostavnog alata (najčešće višestrukim ponavljanjem operacije sabijanja između ravnih površina). Primjenjuje se u pojedinačnoj i maloserijskoj proizvodnji. Koristi se i kao pripremno kovanje za operacije kovanja u kalupima. Ovaj vid kovanja je jedina tehnologija obrade primjenljiva na oblikovanje dijelova veoma velikih dimenzija (vratila velikih brodskih motora, vratila propelera velikih brodova, opterećeni dijelovi velikih mašina u željezarama itd.) (sl. 7.4).


110

Sl. 7.4 Slobodno kovanje na hidro-presi sa manipulatorom

7.2 KOVANJE U KALUPIMA

Obavlja se u dvodjelnim alatima (sl. 7.3 desno) – kalupima. Donji dio alata (donji kalup) po pravilu je nepokretan i učvršćen za postolje kovačke mašine – kovačkog čekića ili prese. U kalupima se izrađuje šupljina (tzv. gravura) koja potpuno odgovara otkovku po obliku i dimenzijama. Geometrije otkovaka mogu da budu veoma različite (od relativno jednostavnih do vrlo složenih) (poglavle 1.2, strane 6 i 7). Veličine otkovaka ograničavaju jedino dimenzije alata, odnosno mašine. Kuju se najčešće čelici, ali to mogu da budu i obojeni metali i njihove legure. Kod kovanja na kovačkim čekićima koristi se dinamičko – udarno dejstvo padajućih masa (bata ili malja sa gornjim kalupom) brzinom koja je često iznad 10 m/s (sl. 7.5 i 7.7). Zbog inercijalnih sila bolje je popunjavanje gravure gornjeg kalupa (može da bude složenija). Sve gravure su smještene u dva monolitna bloka (gornjem i donjem kalupu) (sl. 7.6). U svakoj gravuri obrada se vrši iz nekoliko (3-5) udaraca, pri čemu u završnoj fazi dolazi do sudara gornjeg i donjeg kalupa. Kovanje na mehaničkim krivajnim kovačkim presama (najčešće se koriste, sl. 7.8) je mirnije (brzina obično do 0,5 m/s), gravure se bolje popunjavaju u horizontalnim ravnima, a kovanje se u svakoj gravuri završava u samo jednom hodu. Ne dozvoljava se kontakt gornjeg i donjeg kalupa (precizno se definiše konstantan iznos hoda pritiskivača prese). Svaka gravura ima odvojen kalup (sl. 7.10).


111

Sl. 7.5 Izgled kovačkih čekića sa elektro-hidrauličkim pogonom

Sl. 7.6 Donji kalup alata za kovanje na čekiću (lijevo) i detalj vijenca (desno)

Presjek A-A


112

Sl. 7.7 Izgled elektro-hidrauličnog čekića sa nominalnom energijom kovanja od 25 kJ u radu

Čekići sa elektro-hidrauličkim pogonom mogu da rade sa velikim brzinama bata (preko 10 m/s). Ako se pretpostavi brzina bata od 10 m/s, onda masa tzv. padajućih dijelova čekića (masa bata, gornjeg kalupa, klipa glavnog cilindra itd.) mašine sa sl. 7.7 iznosi 500 kg. Prema tome ona spada u najmanje kovačke čekiće koji su namjenjeni za kovanje otkovaka malih dimenzija. Na sl. 7.8 data je shema krivajne mehaničke prese namjenjene kovanju, sa nominalnom silom od 25 MN (≈2500 t). To su izuzetno snažne mašine, robusne konstrukcije, koje (i pored toga) zahtjevaju vrlo pažljivo podešavanje. Osnovni razlog je potreba da se izbjegne bilo kakav kontakt gornjeg i donjeg kalupa (sl. 7.10). Na sl. 7.9 dat je fizički izgled mašine.


113

Sl. 7.8 Shema mehaničke krivajne kovačke prese sa nominalnom silom od 25 MN


114

Sl. 7.9 Spoljašnji izgled prese sa sl. 7.8


115

Sl. 7.10 Shema smeštaja kalupa na kovačkoj presi

Postoje dva principijelno različita načina kovanja u kalupima (sl. 7.11): a) kovanje u tzv. otvorenim alatima ili kovanje sa vijencem, b) kovanje u tzv. zatvorenim alatima ili kovanje bez vijenca. Postupak pod a) preovlađuje u praksi (preko 90%) i podrazumjeva višak materijala pri kovanju u odnosu na čistu zapreminu otkovka (vijenac, pločica itd.). On predstavlja značajnu rezervu i doprinosi uspešnijem oblikovanju, trajnosti alata itd. Pri kovanju u zatvorenim alatima (b) početna zapremina je jednaka zapremini otkovka (sl. 7.12-b). Takva varijanta je najteža jer nosi niz problema (trajnost alata, nestabilnost visine otkovka, itd.). Često se, kao rasterećenje, uvodi kompenzacioni otvor (sl. 7.11 i 7.13). Privlačnost kovanja u zatvorenim kalupima leži u maloj naknadnoj obradi. Termini: otvoreni i zatvoreni kalupi mogu da izazovu nerazumjevanje i najbolje je vezati ih za zapreminu otkovka i postojanje vijenca, a ne za bukvalno značenje.

Sl. 7.11 Kovanje u tzv. otvorenim (a) i zatvorenim (b) kalupima


116

Sl. 7.12 Kovanje u otvorenom alatu sa vijencem (a), u zatvorenom alatu (b) i otvorenom

alatu bez vijenca (c) (rijetko se koristi)

Kovanje u otvorenom alatu bez vijenca (sl. 7.12 –c) je veoma rijetko zbog teškoća oko tačnosti visine komada, ali se često javlja u pojedinačnim gravurama za pripremne operacije kovanja.

Sl. 7.13 Kovanje u zatvorenom alatu sa kompenzacionim otvorom u 5 faza


117

7.2.1 Kovanje u tzv. otvorenim kalupima

Tipična šema alata za kovanje komada rotacione forme sa centralnim otvorom, na kovačkom čekiću prikazana je na sl. 7.14. U sklopu kalupa vidi se završna gravura sa vijencem (lijevo na sl. 7.14). Pri kovanju se uvijek na mjestu otvora formira tzv. pločica, koja se u naknadnoj operaciji tzv. krzanja zajedno sa vencem uklanja (opsjecanje vijenca i probijanje pločice).

1-gornji kalup, 2-donji kalup, 3-bat (malj) mašine, 4-nakovanj mašine, 5 i 6-klinovi za

pritezanje kalupa, 7 i 8-bočni centrirači, 9-nosač donjeg kalupa, 10-klin nosača, 11-otkovak u završnoj gravure poslije završnog udarca, 12-otkovak poslije operacije krzanja, 13-

vijenac, 14-pločica.

Sl. 7.14 Kovanje na kovačkom čekiću (kalupi sa prikazom završne gravure) i komad prije i poslije krzanja

Vijenac ima suštinski značaj i njegova uloga obuhvata: - prima višak materijala, - stvara potreban otpor bočnom isticanju i omogućava potpuno ispunjavanje

gravure, - pri kovanju na čekićima ublažava direktan sudar gornjeg i donjeg kalupa. Skice pojedinih vrsta kanala za vijenac pri kovanju na čekiću dati su na sl. 7.15. Geometrijske mjere biraju se iz odgovarajućih preporuka zavisno od dimenzija i složenosti otkovka. Kod kovačkih presa vijenac se formira zahvaljujući minimalnom zazoru između kalupa (sl. 7.10).


118

Sl. 7.15 Različiti oblici kanala za vijenac pri kovanju na kovačkom čekiću

U najvećem broju slučajeva konačni oblik otkovka se formira postupno. Zbog toga postoje tzv. pripremne, prethodne i završne gravure (samo završne gravure imaju vijenac). Gravure se izrađuju u monolitnim blokovima (kovanje na čekiću, sl. 7.6 i 7.14) ili u posebnim blokovima (kovanje napresi, sl. 7.9 i 7.10). Zagrijavanje polaznih komada vrši se u plamenim pećima (gasne, na tečna goriva) ili u električnim pećima (najčešće elektro-indukcione). Drugi način zagrijavanja je skoro obavezan za kovanje na presama pošto se u prvoj operaciji kovanja zbog neudarnog dejstva mašine ne može skinuti oksidna kora (sagorjeli površinski sloj, nem. Zunder/cunder) koji nastaje pri zagrijavanju u plamenim pećima.


119

7.2.1.1 Definisanje geometrije (crteža) otkovka

Polazna osnova za definisanje konačne geometrije otkovka je konstruktivni crtež dijela spremnog za ugradnju. Geometrija otkovka se uvijek (manje ili više) razlikuje, i da bi se pravilno definisala treba poznavati tehnologiju kovanja i naknadnu obradu. Da bi se definisala geometrija otkovka kao osnova za projektovanje alata i tehnologije kovanja potrebno je odrediti: a) položaj i oblik podione ravni/ površine, b) veličinu dodataka za obradu i kovačke tolerancije, c) kovačke nagibe i kovačke radijuse zaobljenja, d) površine za oslanjanje (bazne površine), e) oblik i dimenzije pločica na mjestima otvora /pločice za probijanje i slijepa udubljenja. Podiona površina (sl. 7.16) predstavlja površinu sastava gornjeg i donjeg kalupa, odnosno površinu po kojoj se formira vijenac. Teži se da to bude ravan upravna na pravac kretanja gornjeg kalupa zbog jednostavnije izrade alata i odsustva bočnih sila. Međutim, u nekim slučajevima to nije moguće i tada se preduzimaju mjere za uravnoteženje bočnih sila (simetričan raspored gravura itd.). Kriterijum izbora položaja podione ravni koji mora uvijek da bude zadovoljen je izvlačenje otkovka iz gravure. Sve ostalo (tečenje metala u gravuri, izrada gravure, složenost alata za krzanje itd.) definiše se poslije analize tehnološkog procesa, veličine serije, različitih zahtijeva itd. (sl. 7.17).

Sl. 7. 16 Položaj podione ravni kod otkovaka


120

Sl. 7.17 Preporuke za pravilan izbor podione površine

Pri određivanju dimenzija otkovaka potrebno je uzeti u obzir dodatke za obradu (naknadna obrada rezanjem kako bi se dobio traženi kvalitet površine i tačnost dimenzija) i kovačke tolerancije (prouzrokovane netačnostima kovanja po visini,


121

nepotpunog ispunjavanja završne gravure, krivljenja ose, ekscentričnostima pri probijanju pločice itd.)(sl. 7.18). Podaci su empirijski i biraju se iz odgovarajućih preporuka.

Sl. 7.18 Šema dodatka za naknadnu obradu i kovačkih tolerancija

Kovački nagibi i zaobljenja imaju dvostruku ulogu: olakšavanje vađenja otkovka iz gravura (prije svega kod kovanja na čekiću) i smanjivanje otpora pri tečenju zagrijanog metala u cilju potpunog ispunjavanja gravure (sl. 7.19). Uglovi nagiba i potrebni radijusi biraju se iz preporuka zavisno od visine otkovka.

Sl. 7.19 Uticaj radijusa na ispunjenje gravure (manji –a i veći-b)

Površine za oslanjanje (bazne površine) imaju značaj za operacije naknadne obrade rezanjem zbog potrebe stabilnog i pouzdanog stezanja komada. Potrebno ih je odabrati tokom definisanja geometrije otkovka i naznačiti na crtežu otkovka. Po pravilu, to su površine čiji položaj ne zavisi od habanja alata pri kovanju.


122

Pri kovanju nije moguće direktno dobiti otvore (odnosno dobijaju se tzv. slijepi otvori). Oni su u operacijama oblikovanja pri kovanju zatvoreni tzv. pločicama. Osnovni razlog umetanju pločica (sl. 7.20) je omogućavanje tečenja materijala u horizontalnom pravcu i ispunjavanje gravure uz istovremeno definisanje udubljenja potrebnog za otvor. Pločica se odstranjuje naknadnom kovačkom operacijom krzanja, kada se (obično u jednom alatu) odstranjuje i vijenac.

Sl. 7.20 Različiti položaji i oblici pločica pri kovanju otkovaka sa otvorima

Na osnovu prethodno iznesenog postupka formira se crtež otkovka. Primjer je dat na sl. 7.21. Označene mjere su tzv. hladne mjere. Da bi se dobile konačne mjere završne gravure uzima se u obzir koeficijent širenja metala pri zagrijavanju, mjere koriguju i definiše završna gravura.

Sl. 7.21 Dio spreman za ugradnju (lijevo-a) i geometrija otkovka (desno-b)


123

7.3 ODREĐIVANJE PARAMETARA ZA IZBOR MAŠINA PRI KOVANJU U KALUPIMA

7.3.1 Završno kovanje na kovačkim čekićima

Pri kovanju na kovačkim čekićima mjerodavni parametar za izbor mašine je energija kovanja. Pošto je način dejstva udarni, umjesto kinetičke energije potrebne za oblikovanje, obično se kao parametar koristi tzv. masa padajućih dijelova čekića. U opštem slučaju kovanja složenih geometrija nije moguć tačan proračun energije kovanja, pa se određuje približno: empirijsko-analitičkim postupkom. Poslije relativno složenog postupka moguće je dobiti sljedeći konačan izraz za masu padajućih dijelova čekića pri kovanju otkovaka koji imaju kružnu projekciju u podionoj ravni (prečnika D, cm):

Prečnik otkovka D mora da bude izražen u cm, a zatezna čvrstoća materijala na temperaturi kovanja (RM(t)) u Mpa, da bi izraz imao smisla i konačan rezultat se dobio u kg. Ukoliko je projekcija otkovka neokruglog oblika sa maksimalnom dužinom L i srednjom širinom Bsr, onda se prethodni izraz koriguje prema sljedećem:

gde je: m masa padajućih dijelova za okrugle komade pri čemu je Dn = D računski (fiktivni) prečnik i određuje se kao: Dn≈1,13 A , cm. A je stvarna površina projekcije neokruglog otkovka u podionoj ravni, a

7.3.2 Završno kovanje na kovačkim presama

Poslije sličnog empirijsko-analitičkog postupka i za kovanje na kovačkim presama moguće je dobiti sljedeći izraz (okrugli otkovci) za mjerodavni parametar – silu kovanja:

Za neokrugle otkovke:


124

Značenje svih veličina je isto kao i kod kovanja na čekiću, s tim što treba obratiti pažnju da se ovdje prečnik D izražava u mm. Prethodni izrazi daju približne vrijednosti parametara za izbor mašina. Nisu pogodni za otkovke velikih dimenzija (prečnici veći od 500 mm). U praksi se često daju preporuke za definisanje npr. sile kovanja u vidu dijagrama. U narednoj tabeli (tab. 3) su slične preporuke za orijentaciono definisanje mase padajućih dijelova čekića zavisno od mase otkovka. Tabela 3. Masa padajućih dijelova čekića u f (mase otkovka)

7.4 OSNOVNI REDOSLJED TEHNOLOŠKIH OPERACIJA PRI KOVANJU

Pri uobičajenim uslovima tehnološki postupak toplog kovanja podrazumjeva odgovarajući redosljed neophodnih operacija od kojih pojedine nisu vezane za plastično oblikovanje, ali se smatraju operacijama u sklopu ukupnog tehnološkog procesa dobijanja otkovka : 1. odsjecanje polaznog materijala odgovarajućeg oblika sa tačnim dimenzijama ili

masom (zavisno od potrebne zapremine), 1. zagrijavanje komada (odgovarajući režim i temperatura zavise od vrste

materijala), 2. kovanje u jednom ili više alata, sa odgovarajućim brojem gravura, 3. krzanje (opsjecanje vijenca i probijanje pločice, ako postoji), 4. termička obrada (normalizacija, poboljšanje, žarenje itd.), 5. čišćenje otkovka (pjeskarenje, bubnjanje itd.), 6. kalibrisanje i ispravljanje (u hladnom stanju), 7. kontrola oblika, dimenzija, površina i unutrašnjih grešaka (ferofluks, ultrazvučni

uređaji i radiografsko snimanje). Navedeni tehnološki postupak figurativno je prikazan na sl. 7.22.


125

Sl. 7.22 Redosljed operacija pri toplom kovanju


126

7.5 SPECIJALNI POSTUPCI KOVANJA

7.5.1 Orbitalno kovanje

To je postupak za kovanje osnosimetričnih otkovaka po principu parcijalnog zahvata između alata i otkovka. Gornji dio mašine je nagnut pod odgovarajućim uglom i u takvom položaju rotira oko vertikalne ose komada. Istovremeno on vibrira sa velikom učestanošću (i oko 1000 puta u min) (sl. 7.23). Kvalitet otkovaka je na višem nivou u odnosu na klasično kovanje i moguće je kovanje na nešto nižim temperaturama. Nedostatak postupka je, praktično jedan tip geometrije i ograničena veličina komada.

Sl. 7.23 Šema orbitalnog kovanja

7.5.2 Horizontalne kovačke mašine

Na ovim mašinama najčešće se dobijaju tzv. pečurkasti oblici (šipkasti komadi sa proširenjima na kraju). Pogodne su za automatizaciju procesa. Šema jedne takve mašine data je na sl. 7.24.

Šema horizontalne kovačke mašine

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje-8. Istiskivanje (Cold extrusion)

127

8. ISTISKIVANJE (COLD EXTRUSION)

Istiskivanje je proces masivnog oblikovanja pri kome se materijal, pod dejstvom opterećenja, dovodi u plastično stanje i oblikuje tečenjem kroz predviđene otvore u alatu. Izvodi se najčešće u hladnom stanju, mada može da bude polutoplo i toplo. U zavisnosti od geometrije tečenja postoje tri osnovne vrste istiskivanja: istosmjerno, suprotnosmjerno i radijalno (sl. 8.1). Nazivi su formirani prema odnosu smjera kretanja pritiskivača (istiskivača) i smjera tečenja materijala.

Sl. 8.1 Vrste procesa hladnog istiskivanja

a) pritiskivač, b) matrica, c) radni komad, d) izbacivač, e) dno, donji pritiskivač, f) trn.


128

Sl. 8.2 Dijelovi dobijeni hladnim istiskivanjem

Osnovne karakteristike procesa: - najčešće se dobijaju osnosimetrični dijelovi prečnika D ≤ 50mm i dužine L ≤

100mm , - masa dijelova je najčešće do oko 3 kg (maksimalna postignuta masa čeličnih

komada oko 50 kg, zahtijeva mašine ogromne snage i alate specijalne konstrukcije),

- kratko vrijeme izrade, - visok stepen iskorišćenja materijala i energije, - visoka tačnost i kvalitet obrađenih površina, - poboljšanje mehaničkih osobina materijala, - velika opterećenja alata (kontaktni pritisci i do 2500 MPa pri istiskivanju čelika), - kod istiskivanja čelika neophodna je elektrohemijska priprema površine komada, - opravdana je primjena kod većih serija (iznad 1000 mesečno za veće delove). U početku primjene tehnologija istiskivanja primjenjivana je na meke, plastične materijale (olovo, bakar, aluminijum). Od 1934.g. poslije rješenja pitanja podmazivanja, omogućeno je istiskivanje čelika. Danas se hladno istiskivanje primjenjuje pretežno na čeličnim materijalima, prije svega u automobilskoj industriji, opštoj mašinogradnji, elektrotehnici i vojnoj industriji. Obradivost čelika hladnim istiskivanjem zavisi od hemijskog sastava i strukture. Sa nižim sadržajem ugljenika i legirajućih elemenata obradivost je bolja. Takođe, loptasti oblik karbida u strukturi pogoduje obradivosti. Ako su karbidi lamelasti treba ih mekim žarenjem (sferoidizacija) prevesti u sferični. Istiskivanje obojenih metala počelo je krajem XIX veka bez naročitih problema, uz podmazivanje klasičnim mazivima (masti, ulja). Međutim kod istiskivanja čelika nijedno klasično mazivo (uključujući ona u čvrstom stanju, molibden disulfid, grafit, sapune itd.) ne zadovoljava. Zbog ekstremno visokih kontaktnih pritisaka dolazi do hladnog zavarivanja. Tek je primjenom elektrohemijskog nanošenja sloja cink-fosfata (najviše u primjeni) ili ferooksalata (kod legiranih i nehrđajućih čelika) kao nosača maziva riješen problem podmazivanja. Fosfatni (ili oksalatni) sloj sa


129

nanijetim mazivom uspješno razdvaja kontaktne površine i pri ekstremnim pritiscima reda 2500 MPa.

8.1 ISTOSMJERNO ISTISKIVANJE (PUNIH KOMADA)

Cilindrični polazni komad postavlja se u matricu (sl. 8.3). Pritiskivač deluje silom F i materijal ističe kroz otvor matrice, pri čemu je prelaz sa većeg na manji (izlazni) prečnik pod uglom α.

Sl. 8.3 Istosmjerno istiskivanje punih komada

Pokazatelji deformacije su: -prirodna deformacija:

-relativna deformacija:

Ukupna sila istiskivanja može da se odredi kao zbir sljedećih komponenti:

Fid – idealna sila istiskivanja (bez trenja), Ftkm – komponenta deformacione sile potrebna za savladavanje otpora trenja u

konusnom dijelu matrice, Fut – komponenta koja se odnosi na otpore unutrašnjeg trenja usled promene

pravaca metalnih vlakana, Ftcm – komponenta koja se odnosi na otpore trenja u cilindričnom dijelu matrice.


130

Konačno se dobija izraz za deformacionu silu istiskivanja punih komada:

Oznake su prema sl. 8.3; A0 je površina presjeka polaznog komada, K je srednja vrijednost deformacionog otpora (aritmetička sredina napona tečenja na početku-K0 i kraju obrade-K1 – vrijednosti sa krive ojačavanja oblikovanog materijala), μ je koeficijent trenja. Deformacioni rad (sl. 8.3): W = F (h0 − h1)

Sl. 8.4 Zavisnost sile istosmernog istiskivanja od hoda

Koso šrafirana površina na sl. 8.4 (odgovara srednjoj sili F) odnosi se na ukupan deformacioni rad oblikovanja. Dvostruko šrafirana površina odnosi se na tzv. idealni rad (bez trenja i ostalih otpora).


131

8.2 SUPROTNOSMJERNO ISTISKIVANJE

Ovim postupkom dobijaju se šuplji komadi najčešće oblika tankozidne čahure, nešto debljeg dna. Polazni komad se stavlja u matricu (sl. 8.5). Na njega djeluje pritiskivač, u prvoj fazi ga sabija, a zatim prinudi da teče vertikalno naviše kroz prostor između matrice i pritiskivača. Prva faza procesa obično se pojednostavljuje i smatra da odgovara slobodnom sabijanju. U drugoj fazi ostvaruje se tečenje u vertikalnom pravcu, odnosno istiskivanje.

Sl. 8.5 Suprotnosmjerno istiskivanje

Pokazatelji deformacije su: Prirodna (logaritamska) deformacija:

Relativna deformacija:

Ukupni radni pritisak istiskivanja (srednji pritisak na pritiskivač): p = p1 + p2 Pri tome je p1 pritisak koji se odnosi na prvi dio procesa oblikovanja (slobodno sabijanje), a p2 pritisak istiskivanja kroz otvor između pritiskivača (istiskivača) i matrice.

Konačno, ukupni izraz za deformacionu silu:


132

A – površina čela istiskivača. Deformacioni rad: W = F (h0 − h2) Na sl. 8.6 data je zavisnost sile od hoda, sa opisom faza procesa oblikovanja.

Sl. 8.6 Zavisnost sile od hoda pri suprotnosmjernom istiskivanju

Na sl. 8.7 i 8.8 dati su primjeri alata za istosmjerno istiskivanje punih komada i suprotnosmernoj istiskivanje.

Sl. 8.7 Primjer alata za istosmjerno istiskivanje punih komada


133

Sl. 8.8 Primjer alata za suprotnosmjerno istiskivanje

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje – 9.Vučenje žice (Wire Drawing)

134

9. VUČENJE ŽICE (Wire Drawing)

Žica je specifičan proizvod koji ima široku primjenu u mašinstvu, građevinarstvu i ostalim granama industrije. Služi kao polazni materijal za izradu tzv. vijčane robe, elektroda za zavarivanje, lanaca, armatura za beton, raznih mreža, zaštitnih ograda itd. Najčešće se koristi čelična žica, ali se u pojedinim oblastima (elekrotehnika i elektronika) koriste žice od obojenih metala. Žica može imati razne presjeke (kružni, kvadratni, šestougaoni itd.). Proces izrade žice poznat je pod nazivom vučenje i obavlja se u hladnom stanju.

Pod žicom se (u smislu sekundarne obrade plastičnim oblikovanjem) smatra proizvod prečnika do 9 mm. Iznad tog prečnika smatra se da je proizvod primarne metalurške obrade deformisanjem u željezarama. Opseg prečnika žice ide od 0,001 do 9 mm. Princip vučenja dat je na sl. 9.1. Polazna žica poprečnog presjeka A0 provlači se kroz konusnu matricu (ugao konusa 2α) pri čemu se smanjuje poprečni presjek na A1, uz povećanje dužine. Uočava se da je osnovna geometrija

oblikovanja identična geometriji pri istosmjernom istiskivanju punih komada. Razlika je u načinu djelovanja deformacione sile. Kod istiskivanja djeluje na ulazu i ima pritisni karakter dok kod vučenja djeluje na izlazu i ima zatežući karakter što je nepovoljniji slučaj sa aspekta deformisanja. Deformaciona sila vučenja sastoji se iz tri komponente: Fvuč = Fid + Ftkm + Futr

Fvuč – ukupna sila vučenja žice, Fid – idealna sila (bez trenja i drugih otpora), Ftkm – sila trenja u konusnom delu matrice, Futr – sila unutrašnjeg trenja. Konačno prema sl. 9.1:

, je srednja vrijednost deformacionog otpora; K1=K(ϕ), a ϕ= ln (A0/A1) Alati za vučenje žice su odgovarajuće matrice. Aktivni dio matrice (ili jezgro) koji je u kontaktu sa žicom izrađuje se od tvrdog metala ili dijamanta, a tzv. nosač jezgra od alatnog čelika. Dijamantske matrice se koriste uglavnom za veoma tanke žice vrlo visoke tačnosti (hirurgija, elektronika, industrija nakita itd.).

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje – 10.Toplo istiskivanje (Hot extrusion)

135

10. TOPLO ISTISKIVANJE PROFILA, ŠIPKI I CEVI (Hot extrusion)

Toplo istiskivanje profila, šipki i cijevi obično se klasifikuje kao metalurška disciplina primarne obrade deformisanjem (slično valjanju, dobijanju bešavnih cijevi, dobijanju raznih profila, žice itd.). Ovde se daju osnove procesa, s obzirom da se navedeni polufabrikati koriste u tehnologiji plastičnog deformisanja. Toplim istiskivanjem se najčešće obrađuju obojeni metali (Al, Cu i njihove legure), a u znatno manjoj mjeri pojedini čelici. Temperature zagriavanja su iznad temperature rekristalizacije po određenom režimu. Dobijeni polufabrikati imaju dužinu od nekoliko do nekoliko desetina metara (kod manjih presjeka). Po završetku procesa skraćuju se na potrebnu dužinu. Na sl. 10. 1 prikazane su neke od geometrija profila, šipki i cijevi koje se dobijaju ovom tehnologijom (od Al legura).

Sl. 10.1 Polufabrikati dobijeni toplim istiskivanjem

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje – 10.Toplo istiskivanje (Hot extrusion)

136

Sl. 10.2 Toplo istiskivanje punih profila (lijevo) i cijevi (desno)

Kod istiskivanja punih profila (šipki) otvor matrice direktno definiše konačnu geometriju presjeka profila (sl. 10.2 lijevo). Kod istiskivanja cijevi (odnosno šupljih profila) (sl. 10.2 desno) pored geometrije matrice važnu ulogu ima trn (jedan ili više, zavisno od složenosti profila). Djelovanjem pritiskivača, zagrijani metal se prinudi da ističe, formirajući profil saglasno geometriji alata. Pritiskivač je obično nešto manjih dimenzija od otvora tzv. recipijenta (sl. 10.2 desno) tako da se formira košuljica kao sporedni efekat (sadrži površinske nečistoće, oksidnu koru itd.).

a – istisnuti profil, b – matrica, c – pritisna ploča, d – potpore, e – zagrijani materijal (blok), f – tzv. recipijent, g – pritiskivač.

a – istisnuta cijev, b – matrica, c – pritiskivač, d – trn, e – zagrijani materijal, f – recipijent, g – košuljica.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje – 11.Izrada polufabrikata

137

11. IZRADA I IZBOR POLUFABRIKATA

Polufabrikati za postupke tehnologije plastičnog deformisanja izrađuju se tehnologijama primarne (metalurške) prerade, najčešće valjanjem. Polufabrikati mogu da se podijele na sljedeće grupe: a) limovi (toplo valjani i hladno valjani), b) razni puni profili (kružnog, kvadratnog, pravougaonog i ostalih presjeka, sl. 11.1), c) ostali profili (sl. 11.1) i cijevi.

Sl. 11. 1 Različiti polufabrikati (profili) dobijeni valjanjem

Osnovna šema valjanja data je na sl. 11.2 ( 1 – valjani materijal, 2 i 3 su gornji i donji radni valjak). Valjanjem se vrši redukcija debljine lima ili odgovarajućeg profila. Toplim valjanjem dobijaju se limovi obično debljine iznad 5 mm. Služe kao polufabrikati za hladno valjanje ili postupke razdvajanja (odsjecanje, prosjecanje, probijanje), savijanja, kovanja itd. Hladno valjani limovi odlikuju se visokom tačnošću i kvalitetom površine. Dijele se obično na: fine (debljina do 1 mm), tanke ( debljina do 3 mm), srednje (3 do 5 mm) i debele (preko 5 mm debljine). Postupak hladnog valjanja (naročito tanjih limova) je veoma složen i uključuje: pripremu (čišćenje) polaznog toplo valjanog lima (mehaničko i hemijsko - dekapiranje), hladno valjanje (i preko 10 operacija, odnosno faza valjanja), međufazno žarenje i dodatnu doradu (ravnanje, tzv. dresiranje-završno valjanje sa malim stepenom redukcije od 0,5-3 %; opsjecanje i kontrola izrade).

Sl. 11.2 Osnovna šema valjanja

Skripta: Obrada metala deformisanjem: B. Zapreminsko oblikovanje – 11.Izrada polufabrikata

138

Puni profili sa sl. 11.1 (1, 2, 3 i 4) su polufabrikati uglavnom za postupke masivne obrade (sabijanje, kovanje, istiskivanje itd.), dok se ostali (5 do 11 na sl. 11.1) oblikuju uglavnom savijanjem. Cijevi (uglavnom se za plastično deformisanje koriste bešavne cijevi) se dobijaju specifičnim metalurškim postupcima i mogu da budu kružnog, kvadratnog, pravougaonog i ostalih oblika otvora. Mogu da budu tankozidne i debelozidne zavisno od debljine zida. Služe kao polufabrikati za postupke savijanja cijevi. Najčešći kriterijum za izbor polufabrikata u tehnologijama plastičnog deformisanja je definisanje potrebne zapremine polufabrikata (na osnovu zapremine gotovog komada i različitih gubitaka). Kod oblikovanja limova dubokim izvlačenjem prethodni kriterijum se pretvara u jednakost površina (zbog zanemarivanja promjene debljine) na osnovu koga se definiše geometrija polaznog komada, tzv. razvijeno stanje. Kod savijanja kriterijum je jednakost dužine neutralne ose na gotovom komadu i dužine razvijenog stanja polaznog komada. Više detalja oko izbora polufabrikata (polaznog komada) dato je pri razmatranju konkretnih postupaka oblikovanja.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 12.Specifični postupci oblikovanja

139

12. SPECIFIČNI POSTUPCI OBLIKOVANJA

To su postupci koji iz različitih razloga (složenost procesa, posebni zahtjevi, visoka cijena itd.) nemaju široku rasprostranjenost, nego su ograničeni na primjenu u pojedinačnoj i maloserijskoj proizvodnji u specifičnim industrijama (vojna, vazduhoplovna, svemirska itd.), najčešće pri deformisanju teže obradivih materijala.

12.1 OBLIKOVANJE EKSPLOZIVNIM DEJSTVOM

Spada u visoko brzinska oblikovanja. Brzina udarnog talasa poslije detonacije TNT eksplozivnog punjenja je oko 6700 m/s a konkretna brzina deformisanja na komadima za oblikovanje je obično 30 do 200 m/s. Zbog toga materijal treba da ima povoljne karakteristike sa aspekta uticaja brzine deformacije na proces deformacionog ojačanja. Najčešći način oblikovanja eksplozijom je prema sl. 12.1. Alat je smješten u rezervoaru (bazenu) sa vodom. Ima matricu (iz koje mora da se izvuče vazduh prije obrade) i držač. Oblikuje se lim. Veoma je bitno rastojanje eksploziva od polaznog komada (mjera a, na sl. 12.1). Radni fluid treba da je nestišljiv i da ima povoljnu akustičku impedansu (proizvod gustine i brzine zvuka). Najčešće se koristi voda.

Sl. 12.1 Oblikovanje eksplozivnim dejstvom

Maksimalni pritisak udarnog talasa može da se izračuna prema izrazu:

M – masa eksploziva, K – konstanta zavisna od vrste eksploziva, m – empirijska konstanta i a – rastojanje od komada za oblikovanje do eksploziva. Ako se za eksplozivno TNT punjenje uzme K=7265 i m=1,15 onda treba uzeti masu M u gramima (g), a rastojanje a u santimetrima (cm). Pritisak p dobija se u barima (bar, 1 bar=105 Pa, 1MPa=10 bar). Eksplozivom mogu da se oblikuju i cijevi po sljedećoj principskoj shemi. Eksplozivnim dejstvom se najčešće oblikuju limovi od raznih materijala. Deformabilnost materijala i bezbjednost u radu su jedina ograničenja postupka. Npr. postupkom na sl. 12.2 mogu se oblikovati debelozidne cijevi sa debljinom zida iznad 25 mm, pri čemu treba voditi računa o naprezanjima dvodjelne matrice.

Sl. 12.2 Oblikovanje cijevi eksplozivnim punjenjem


140

12.2 ELEKTROHIDRAULIČNO OBLIKOVANJE

Poznato je kao oblikovanje električnim pražnjenjem ili podvodnim električnim lukom. U principu je slično oblikovanju eksplozijom (sl. 12.3) s tom razlikom što je uzrok udarnog talasa električni luk i što je oslobođena energija znatno manja. Blokovi kondenzatora pune se iz izvora jednosmjerne struje. Brzim pražnjenjem između elektroda dobija se luk, a u radnom fluidu (vodi) udarni talas, koji oblikuje komad saglasno geometriji alata.

Sl. 12.3 Oblikovanje električnim pražnjenjem

12.3 ELEKTROMAGNETNO OBLIKOVANJE

Pri ovom oblikovanju, energija akumulirana u blokovima kondenzatora brzo se prazni kroz namotaje elektromagnetnog kalema (sl. 12.4). Kalem je prstenastog oblika i obuhvata radni komad u vidu cijevi. Unutar cijevi je oblikač. Djelovanjem formiranog snažnog magnetnog polja u zidu radnog komada indukuju se struje koje imaju svoje magnetno polje. Rezultanta magnetnog polja kalema i magnetnog polja radnog komada je deformaciona sila koja sažima radni komad prilagođavajući ga obliku oblikača. Što je bolja elektro provodljivost radnog komada biće ostvarene veće deformacione sile. Inače, metal ne mora da ima posebne magnetne osobine.

Sl. 12.4 Elektromagnetno oblikovanje

12.4 OBLIKOVANJE LOKALNIM UDARNIM DEJSTVOM (PEEN FORMING)

Koristi se za dobijanje komada sa odgovarajućim krivim površinama od različitih vrsta limova. Na pojedine zone površine komada djeluje se udarno, snopom kuglica (najčešće) od livenog gvožđa, čelika, keramike ili drugih materijala. Brzina udara je iznad 60 m/s za čelične kuglice prečnika 2,5 mm pri oblikovanju avionskog krila dužine 25 m (sl. 12.5). U zoni udara materijal se sabija, odnosno pojavljuju se pritisni zaostali naponi. To uzrokuje zakrivljenje lima uz povoljan efekat otpornosti


141

prema dinamičkom opterećenju koje je posebno važno za letjelice. Pravilnim doziranjem udarnog dejstva snopa kuglica na odgovarajuće zone komada dobija se željeni oblik. Ova tehnika se često koristi samo u svrhu poboljšanja čvrstoće i dinamičke izdržljivosti različitih dijelova dobijenih npr. savijanjem ili drugim tehnologijama (npr. skidanje strugotine). Peen forming-om se najčešće oblikuju zahtjevni dijelovi velikih dimenzija u avio industriji. Radni komad je nepokretan (učvršćen na platformi) (sl. 12.5), a uređaj za udarno djelovanje snopom kuglica se kreće po odgovarajućim vođicama (šinama).

Sl. 12.5 Oblikovanje panela od lima udarnim dejstvom snopa kuglica (shot peening)

12.5 ULTRAZVUČNO OBLIKOVANJE

Princip oblikovanja pomoću ultrazvuka sastoji se u tome da se neki od radnih elemenata alata, najčešće pri obradi lima, dovede u stanje oscilovanja (vibriranja) sa frekvencijama koje su u ultrazvučnom opsegu (otuda naziv) i sa amplitudama reda mikrometra. Ultrazvučne vibracije mogu da traju tokom cijelog procesa oblikovanja ili samo u pojedinim fazama. Ljudski slušni sistem je u stanju da osjeti elastična oscilovanja (zvuk) u rasponu frekvencija od oko 16 Hz pa do oko 16 000 Hz (1 Hz se odnosi na jednu oscilaciju u sekundi). Svako oscilovanje sa frekvencijom iznad 16 kHz (sve do oko 10 GHz) predstavlja ultrazvučno oscilovanje. Sa aspekta plastičnog oblikovanja, primjenjuju se oscilovanja sa frekvencijama iznad 20 kHz sa amplitudama oko 10 μm. Na sl. 12.6 prikazan je princip dubokog izvlačenja pri kome matrica (2) osciluje u ultrazvučnom opsegu zahvaljujući dejstvu uređaja 1. Sa 3 je označen radni komad, a 4 je izvlakač.

Sl. 12.6 Shema dubokog izvlačenja pomoću ultrazvučnih vibracija matrice


142

Uz pomoć ultrazvučnih vibracija postižu se sledeći efekti: - veći stepen izvlačenja u prvoj i drugoj operaciji (iznad 25% u odnosu na klasično),

što, - omogućava oblikovanje teže obradivih materijala, - bolja raspodela deformacija na komadu, - smanjenje deformacione sile izvlačenja (i do 30% u odnosu na klasično

izvlačenje), - povoljan uticaj na strukturu i kvalitet površine radnog komada.

12.6 SUPERPLASTIČNO OBLIKOVANJE

Superplastično ponašanje pokazuju pojedine legure (na pr. ZnAl22 i TiAl6V4) sa vrlo finom strukturom (veličina zrna manja od 10 do 15 μm) u odgovarajućem temperaturnom opsegu i pri malim brzinama deformacije (10-4 do 10-2 s-1). Tada se postižu vrlo velike deformacije (iznad 2000 %). I pojedini nemetalni materijali pokazuju slična svojstva (staklo, polimeri). Vrlo visoka plastičnost i relativno mala čvrstoća materijala radnog komada u uslovima oblikovanja, omogućavaju sljedeće prednosti superplastičnog oblikovanja: - jednostavniji alati od materijala manje čvrstoće, - dobijanje složenih geometrija sa finim detaljima u samo jednoj operaciji, - velika ušteda materijala, - nema zaostalih napona (ili su zanemarljivi).

Ograničenja i nedostaci su:

- materijal ne smije da pokazuje efekat superplastičnosti na radnoj temperaturi, - zbog vrlo velike osetljivosti superplastičnih materijala na brzinu deformacije, oblikovanje

je pri vrlo malim brzinama i može da traje i do nekoliko sati, što je mnogo duže nego kod klasičnih (konvencionalnih) procesa oblikovanja,

- potreba za zagrijavanjem (temperatura zagrijavanja T≈0,4Tt gde je Tt temperatura topljenja),

- mali broj metala i legura pokazuje efekat superplastičnosti i zbog toga im je cijena visoka.

12.7 THIXO – DEFORMISANJE (THIXO-FORMING)

Thixo deformisanje predstavlja plastično oblikovanje (najčešće masivno) materijala zagrijanog na odgovarajuću temperaturu između likvidus i solidus linije na dijagramu stanja. Praktično, struktura sadrži tečnu i čvrstu fazu i veoma je plastična (liči na maslac odnosno buter). Materijali pogodni za ovakvo oblikovanje su još uvijek malobrojni. To su najčešće legure aluminijuma (AlMgSi1, AlSi7Mg itd.) dobijene specijalnim metodama (livenje u magnetnom polju i druge) sa vrlo finom globularnom strukturom. Zagrijavanje je uglavnom indukciono i zahtjeva upravljački sistem kako bi se precizno kontrolisala temperatura komada tokom zagrijavanja, prenosa do alata i tokom procesa oblikovanja. Sam proces oblikovanja može da se vrši sabijanjem, istiskivanjem, kovanjem i livenjem. Alati u geometrijskom smislu odgovaraju klasičnim, s tim što se obično zahtijeva njihovo zagrijavanje tokom procesa oblikovanja. Mašine treba da obezbijede vrlo tačno vođenje i veliku brzinu pritiskivača (i do 3 m/s). To su obično specijalne servo-hidraulične prese. Kad je reč o livenju to su mašine za livenje pod pritiskom. Thixo deformisanje se najčešće upoređuje sa kovanjem i livenjem jer, u izvesnom smislu, kombinuje jednu i drugu tehnologiju, odnosno thixo-deformisanje se


143

uglavnom, izvodi kao kovačka operacija u alatima za završno kovanje ili kao livačka operacija u alatima za livenje pod pritiskom. Prednosti su:

- dobijanje dijelova vrlo složene geometrije, - mali broj operacija, - kvalitet komada odgovara otkovcima, - ušteda u materijalu i energiji (manje operacija i niže temperature), - manje opterećenje alata i mašine.

Otežavajuće okolnosti za primjenu ovog procesa oblikovanja su:

- visoki troškovi postrojenja za tačno zagrijavanje, - mali izbor veoma skupih polaznih materijala, - opravdana primjena pri velikoserijskoj proizvodnji složenih dijelova.

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 13. Nove tehnologije (Rapid Prototyping – RP)

144

13. NOVE TEHNOLOGIJE ZASNOVANE NA TEHNOLOGIJI BRZE IZRADE PROTOTIPOVA (RAPID PROTOTYPING – RP)

U poslednjih desetak godina došlo je do velikih strateških promjena u oblasti proizvodnih tehnologija. Proces globalizacije, koga ubrzavaju najmoćnije industrijske sile, doveo je do zaoštrenih tržišnih uslova. Uspjeh na tržištu (profit) postaje alfa i omega za opstanak pojedinačnih privrednih subjekata, ali često i više od toga. Novo uspostavljena tržišna konkurencija zahtjeva napuštanje nekih postulata koji su važili decenijama i uvođenje novih, sa manje ili više problema. Ti novi postulati mogu se podijeliti u nekoliko grupa: - Smanjenje veka trajanja proizvoda u marketinškom smislu. npr. novi model

automobila tržišno je atraktivan zapanjujuće kratko vrijeme, jer ga vrlo brzo (1-2 godine) smjenjuje novi ili bitno modifikovan. Pojavljuje se protivriječnost: potreba za brzom zamijenom proizvoda sve novijim i novijim, uz istovremeno zadovoljavanje visokih standarda kvaliteta. S jedne strane proizvod ima sve uslove za realno dugo trajanje, a s druge, marketinško-tržišne okolnosti ga proglašavaju kratkotrajnim, potrošnim i vrše nezapamćen pritisak na kupca da ga zamijeni.

- Individualizacija proizvoda. U borbi za profit i kupca čak i pri velikoserijskoj proizvodnji kupac ima utisak da kupuje proizvod po svojoj mjeri zbog velikog broja verzija. Zanimljivi su primjeri u auto industriji, industriji kućnih uređaja itd.

- Dizajn proizvoda. Estetski utisak sve više postaje odlučujući faktor pri prodaji. I najkvalitetniji, a estetski neatraktivan proizvod nema šanse za uspjeh na tržištu sa globalnim marketingom i zastrašujućim reklamnim kampanjama.

- Zahtjevi u pogledu zaštite prirodne okoline. Postaju sve rigorozniji, ali čini se više kao sredstvo za odmjeravanje snaga velikih kompanija, a manje kao stvarna briga za prirodu. U prilog takvoj tvrdnji ide pojava globalnog zagrijavanja i pojačane emisije štetnih gasova u atmosferu.

- Smanjenje vremena za razvoj novog proizvoda. Simbolizuje ga engleska kovanica: time to market. Ključnim se za uspjeh na tržištu pokazalo da se što više smanji vrijeme razvoja proizvoda (sl. 13.1).

Sl. 13.1 Razni uzroci pada profita

13.2 KONKURENTNI INŽENJERING (CONCURRENT ENGINEERING - CE) Stavljanjem što kraćeg vremena razvoja proizvoda na prvo mjesto faktora koji bezbjeđuju profit na tržištu, otvorena je grčevita trka sa vremenom u ostvarivanju veoma složenog procesa razvoja novog proizvoda. To je uzrokovalo pojavu novog


145

pristupa nazvanog Concurrent engineering (CE) ili Simultaneous engineering (SE), sa novom filozofijom i novim tehnikama. Osnovne karakteristike procesa SE su: - težnja ka što višem stepenu paralelnog odvijanja faza razvoja proizvoda i - postojanje jedinstvene baze podataka dostupne svim učesnicima procesa.

Razvoj proizvoda obuhvata ne samo njegovu geometriju (uključujući materijal, osobine itd.) nego i kompletne tehnologije izrade svih elemenata gotovog proizvoda (uključujući sve parametre procesa, alate, mašine itd.). Novi pristup stavlja akcenat na paralelan rad i izvođenje potrebnih izmjena u što ranijoj fazi posla (najbolje u fazi ideje ili što bliže toj fazi), sl. 13.2. Klasičan sistem ima karakter sukcesivnog (rednog) nizanja aktivnosti u procesu što zahtijeva veliki broj iteracija.

Sl. 13.2 Niz aktivnosti pri klasičnom procesu razvoja proizvoda (a) i pri razvoju po

principima Concurrent (CE), t.j. Simultaneous (SE) Engineeringa

13.3 REVERZIBILNI INŽENJERING (REVERSE ENGINEERING – RE) Sve faze procesa razvoja proizvoda u SE sistemu su kompjuterizovane, odnosno pokrivene odgovarajućim softverima, uz postojanje centralne zajedničke baze svih podataka dostupne svim učesnicima u procesu. Jedno od najvažnijih mjesta predstavlja kreiranje 3D CAD modela novog proizvoda. On se uobičajeno dobija direktim projektovanjem u nekom od CAD softvera (Catia, ProEngineer, MD, Inventor itd.). Međutim, često je daleko brža varijanta da umjetnik (dizajner) uradi prostorni model u nekom materijalu koji njemu najviše odgovara (glina, gips, drvo itd.) pa se onda tehnikama 3D skeniranja (3D digitalizacije) uz dopunske korekcije, dobije konačan 3D CAD model proizvoda, a zatim i fizički model. Praktično, smjer


146

projektovanja je obrnut (otuda naziv). Prema tome, reverzibilni inženjering podrazumjeva projektovanje gde je polaz konkretan fizički objekat koji se zatim tehnikama 3D skeniranja i raznim korekcijama prevodi u 3D CAD model. Iza toga se, poslije eventualnih izmjena, realizuje izrada nekom od brzih CNC ili RP tehnologija. Na sl. 13.3 vidi se razlika između „klasičnog” i RE projektovanja. Vrlo često se, u užem smislu, pod reverzibilnim inženjeringom podrazumjeva cijeli proces dupliranja (ponovne brze izrade) nekog postojećeg proizvoda, komponente, elementa, za koji ne postoji 3D CAD model ili tehnička dokumentacija.

Sl. 13.3 Klasično i RE projektovanje

Na sl. 13.4 date su osnovne faze procesa RE. Poslije 3D skeniranja (laserski sistemi, koordinatne mjerne mašine, 3D pantografi, kompjuterska tomografija –CT u medicini itd.) dobije se tzv. oblak tačaka koji može da sadrži izvjesne greške i nedostatke. Softverskim putem te greške se otklanjaju kako bi se dobila pravilno definisana površina 3D CAD modela. Postoje dva prilaza: tzv. crosssectional (generisanje površine na osnovu presječnih krivih linija) i poligonalna mreža koja se dobija iz oblaka tačaka, a zatim prevodi u tzv. NURBS (Non Uniform Rational B-Spline) površine. Iza toga slijedi generisanje potpunog (solid) 3D CAD modela.

Sl. 13.4 Osnovne faze procesa RE


147

13.4 INTEGRACIJA ''BRZIH'' TEHNOLOGIJA I REVERZIBILNOG INŽENJERSTVA

U sveopštoj trci sa vremenom, uporedo sa novom filozofijom u razvoju proizvoda razvijaju se i konkretni novi tehnološki postupci za veoma brzo dobijanje fizičkih modela (bilo kakve složenosti) na osnovu 3D CAD modela. Vrlo brzo je postignut takav kvalitet modela da oni u mnogim slučajevima odgovaraju prototipu. Modeli, naime, mogu da se manje ili više razlikuju od gotovog proizvoda a prototip je potpuno isti (razlikuje se samo način izrade). Pomenuti postupci su poznati pod nazivom Rapid Prototyping (RP). Postoji analogija sa dobijanjem 2D objekata na papiru na osnovu odgovarajuće elektronske (kompjuterske) verzije. Uređaji su razne vrste printera. Ovde je, međutim, sve podignuto za jednu prostornu dimenziju i moguće je na raznim uređajima (neki se i nazivaju 3D printerima) potpuno opredmetiti 3D CAD model u fizički model, odnosno u mnogim slučajevima i prototip. Dakle, potreban je samo jedan jedini uređaj (bez ikakvih dopunskih alata i mašina) da bi se od kompjuterskog modela dobio fizički model, odnosno prototip proizvoda. Ovakav prodor otvorio je mogućnost da se na osnovu prototipa, sličnom brzom tehnologijom dobije alat (tzv. negativ) u formi kalupa sa gravurama, najčešće za odgovarajća livenja polimera ili metala. Postupci, iako zasnovani na RP tehnikama, nose naziv Rapid Tooling (RT) – brza izrada alata. Poslije velikih uspjeha na značajnom broju proizvoda primjenom RP i RT tehnologija, postalo je izvodljivo (još uvjek za veoma mali broj realnih proizvoda) izvesti kompletnu serijsku proizvodnju direktno na RP uređajima ili indirektno preko RT izrade alata, pa zatim serije gotovih proizvoda. Takva tehnika kompletne proizvodnje primjenom RP i RT tehnologija poznata je pod nazivom Rapid Manufacturing (RM) – brza proizvodnja. Za sada, klasične tehnologije velikoserijske i masovne izrade pokazuju daleko bolje rezultate u proizvodnji, ali zbog intenzivnog razvoja, može da se očekuje sve veći broj proizvoda (ili komponenti) dobijenih RM tehnologijom. U svjetlu prethodno iznijetog, moguće je zaključiti da RP tehnologije, zajedno sa RE, predstavljaju brzu vezu između virtuelnog kompjuterskog svijeta (3D CAD modeli proizvoda, alata, mašina, simulacije procesa sve do virtuelne proizvodnje) i svijeta relanih predmeta („fizičkog” – stvarnog svijeta), sa konačnim ciljem sve bržeg dobijanja gotovog proizvoda bilo koje složenosti i visokog kvaliteta. Cijeli integrisani razvojni i proizvodni sistem (intenzivan razvoj je u toku) još ne živi u praksi, ali je moguće govoriti o integraciji RE i RP u okviru SE sistema razvoja proizvoda (sl. 13.5 i 13.6).

Sl. 13.5 Mjesto RP i RE u integrisanom sistemu razvoja proizvoda


148

Sl. 13.6 Ciklus (re)dizajna proizvoda u integrisanom RP i RE sistemu

13.5 POSTUPCI BRZE IZRADE PROTOTIPOVA (RAPID PROTOTYPING – RP) Dobijanje fizičkog modela (ili u mnogim slučajevima prototipa) na osnovu virtuelnog 3D CAD modela je stvarnost. Pravac razvoja ide u smjeru dobijanja, ne više modela i prototipa nego gotovog proizvoda direktno primjenom RP postupaka. Iako su učinjeni tek prvi koraci, trend razvoja najavljuje ostvarenje sna mnogih SF pisaca o materijalizaciji složenih virtuelnih objekata (sve do živih bića). 2001.g. na RP sistemima proizvedeno je 3.550.000 modela i prototipova. 1998.g. to je bilo gotovo upola manje (1,86 miliona komada). Trend u primjeni RP sistema poprima eksponencijalni rast.

Na sl. 13.7 prikazane su najznačajnije oblasti primjene RP postupaka.

Kao i u drugim slučajevima vrhunska dostignuća (pogovu ona profitabilna) dugo ostaju monopol najrazvijenijih zemalja. To je slučaj i ovdje (sl. 13.8).

Sl. 13.8 Procentualna raspodjela instaliranih RP uređaja u svijetu


149

U klasičnim tehnologijama oblici se dobijaju: a) skidanjem „viška” materijala (tehnologija skidanja strugotine) tzv. subtraktivnim putem i b) oblikovanjem date zapremine (tehnologije plastičnog deformisanja i livenja) tzv. formativnim putem. U primjeni RP, oblik se generiše inkrementalno, aditivnim putem. Oblik nastaje sloj po sloj (sl. 13.9). Svaki sloj odgovara približno jednoj površini presjeka modela. Pogodne su tzv. ograničene zapremine. Nisu najpogodnije zapremine sa veoma malom debljinom zidova, otvorima, konzolama, prepustima itd.

Sl. 13.9 Princip izvođenja RP procesa

Za realizaciju RP postupka potreban je niz aktivnosti (sl. 13.10). Osnovu čini 3D CAD model. Može da bude direktno kreiran u nekom od CAD softvera ili RE metodom.

Sl. 13.10 Aktivnosti na realizaciji RP postupka

Potrebno je da CAD model bude bez grešaka tipa pukotina (nezatvorenih površina), zazora itd. Ispravan CAD model prevodi se u fajl gde se model formira pomoću odgovarajuće površine (blok konverzije podataka na sl. 13.10). Poslije toga se model posebnim softverom obrađuje, da bi se definisali slojevi, potporni elementi, položaj modela u procesu itd. (blok provjera i priprema na sl.13.10). Iza toga obavlja se neposredna priprema parametara RP procesa na računaru uređaja (mašine) i započinje sam proces. Po završenom procesu najčešće slijedi postprocesiranje (čišćenje predmeta, njegova dorada sa skidanjem potpornih elemenata i eventualno naknadno očvršćavanje zagrijavanjem ili sl.).


150

Iako je u principu RP proces jednostavan, u praktičnoj realizaciji ima dosta problema za čije rješavanje treba dobro poznavati konkretan uređaj i softvere koji se koriste. Pored geometrijskih ograničenja (oblik i veličina komada) izbor materijala za RP je relativno mali. Za dominantne RP postupke to su materijali relativno male čvrstoće i mogu da služe samo kao modeli u narednim fazama razvoja proizvoda i projektovanja tehnologija proizvodnje. Koriste se 3 vrste materijala za RP: 1. fluid-fotopolimer (otvrdnjava pri osvetljenju laserom ili UV zracima), 2. diskretne čestice (npr. prah) koje se povezuju i očvršćavaju pod uticajem

laserskih zraka i sredstava za vezu, 3. čvrsti materijali u vidu traka - folija (plastične folije, papir, tanak lim). Postoji dosta RP postupaka koji se međusobno manje ili više razlikuju. Veoma pogodna klasifikacija postupaka je upravo prema vrsti materijala koja se koristi u procesu formiranja modela, odnosno prototipa (sl. 13.11)

Sl. 13.11 Klasifikacija RP (i RT) postupaka prema vrsti materijala modela

Od velikog broja RP postupaka biće izneti nešto detaljniji podaci samo o najvažnijim. Broj različitih postupaka i njihovih modifikacija raste i već sada je dostigao nekoliko desetina. Ipak pojedini postupci (SL, SLS, 3D printing, FDM, LOM itd.) su u najširoj praktičnoj primjeni. 13.5.1 Postupak stereolitografije (SL) To je prvi RP postupak (1988.g. firma 3D Systems, Kalifornija, SAD) uopšte. I danas dominira u primjeni (oko trećine svih instaliranih uređaja). Zasniva se na fotopolimerizaciji, odnosno pojavi da odgovarajući tečni monomeri ili polimeri očvršćavaju pod dejstvom laserskih ili UV zraka. Slojevi očvršćavaju u vidu elementarnih zapremina (tzv. voxela) čiji redovi formiraju slojeve (sl. 13.12).

Sl. 13.12 Princip SL postupka


151

Od suštinskog je značaja tačno fokusiranje laserskog zraka i vrijeme djelovanja (u skladu sa kompjuterskim modelom). Na sl. 13.13 i 13.13a data je osnovna shema procesa na SL uređaju.

Sl. 13.13 Shema SL postupka

Sl. 13.13a Shema SL postupka

Formiranje sloja izvodi laser pokretan u horizontalnim pravcima (x-y). Debljinu sloja, odnosno treću dimenziju definiše pokretanje platforme u vertikalnom pravcu (z osa). Na sl. 13.15 data je shema potrebnih softverskih operacija prije samog SL procesa fotopolimerizacije, a cjelina SL postupka na blok shemi- sl. 13.15.


152

Sl. 13.14 Softverski koraci prije SL fotopolimerizacije, a) CAD model, b) formiranje slojeva c) kreiranje potpora (oslonca), d) definisanje pravaca kretanja lasera po slojevima

Sl. 13.15 Blok shema celokupnog SL procesa


153

Prednosti SL postupka: - neprekidan rad mašine (24 sata na dan) bez nadzora, - dobra podrška korisniku (kompjuterizovan proces), - dobra tačnost (debljina sloja 0,025 do 0,5 mm), - mogućnost izrade delova veoma složene geometrije, - transparentnost modela ili prototipa (vidljivost cele zapremine). Nedostaci SL postupka: - neophodnost oslonaca (potpora)(sl. 13.16), - neophodnost postprocesiranja (naknadne dorade modela), - potreba za naknadnim očvršćavanjem, - tečni foto monomeri su toksični i zahtevaju mere zaštite, - mehaničke osobine gotovog modela nisu često na potrebnom nivou.

Sl. 13.16 Položaj potpora (oslonaca) pri SL postupku

Na slikama 13.17 i 13.18 dat su primeri pojedinih modela dobijenih SL postupkom.

Sl. 13.17 Primjeri modela dobijenih SL tehnologijom

Sl. 13.18 Primjeri modela dobijenih SL tehnologijom


154

Sl. 13.19 Primjer SL uređaja (kompletan uređaj-lijevo gore, peć za očvršćavanje-lijevo dolje,

posuda (kada) za fotopolimer i pokretna platforma sa modelima (desno)

13.5.2 Izrada modela nanošenjem istopljenog materijala (Fuse Deposition Modeling-FDM)

Kod ovog postupka princip je sljedeći: termoplastična masa ili vosak u vidu žice uvodi se u radnu glavu gde se topi i kroz mlaznicu prečnika 0,18 mm istiskuje na predviđemu platformu. Kretanje glave sa mlaznicom formira horizontalni sloj, a debljinu sloja vertikalno pomjeranje platforme (sl. 13.20).

Sl. 13.20 Princip FDM postupka


155

Debljina žice je obično 1,27 mm, a temperatura zagrijavanja 0,5oC iznad temperature topljenja materijala modela (70oC za vosak i oko 270oC za ABS termoplastične mase). Prednosti FDM postupka: - izrada modela i prototipova sa dobrom čvrstoćom (često i preko 85% čvrstoće

gotovog proizvoda), - minimalan gubici materijala, - lahko uklanjanje eventualnih oslonaca, - lahka promjena materijala modela, - jednostavnost instalacije i rada, - nema toksičnih efekata itd. Nedostaci FDM postupka: - manja tačnost uslovljena debljinom žice od 1,27 mm (znatno manje od laserskog

zraka), - relativna sporost u radu zbog viskoznosti tečnog materijala, - nepovoljni zaostali naponi poslije hlađenja mogu da izazovu štetne deformacije - primjena na kompaktne geometrije (bez izbočina, otvora, konzola itd.).

Sl. 13.21 Izgled FDM uređaja

Sl. 13.22 Dijelovi dobijeni FDM postupkom


156

Sl. 13.23 FDM model instrument table automobila (u sredini)

13.5.3 Selektivno lasersko sinterovanje (Selective Laser Sintering – SLS) Princip postupka se sastoji u sljedećem: na platformu se nanose čestice praha prečnika 50 do 100 μm (najčešće valjkom), zagrijavaju se do topljenja laserskim zrakom i hlađenjem formira sloj modela. Spuštanjem platforme za debljinu sloja i nanošenjem novog sloja praha proces se ponavlja, drugi sloj se vezuje za prvi i tako sloj po sloj nastaje cijeli model (sl. 13.24).

Sl. 13.24 Princip SLS postupka

Za praktičnu realizaciju procesa bitno je da radna komora bude na temperaturi malo ispod temperature topljenja praha, kako bi laserski zrak saopštavao manju energiju za topljenje. Oksidacija materijala modela se sprečava primjenom inertnih gasova. Za materijal modela može se koristiti praktično svaki materijal koga je moguće dovesi u oblik praha (najlon, poliamid, polikarbonati, termoplastični elastomeri, keramika sa vezivom, metal sa polimernom prevlakom itd.)


157

Sl. 13.25 Shema SLS uređaja

Sl. 13.26 Izgled dva SLS uređaja

Sl. 13.27 Modeli dobijeni SLS postupkom


158

Povoljne osobine SLS postupka su:

- široka paleta materijala modela, - relativno brz proces (25,4 mm visine na sat), - brzo i ekonomično dobijanje delova složenih geometrija, - nije potrebno naknadno očvršćavanje modela odnosno prototipa, - nisu potrebni oslonci (potpore), - relativno mala naknadna dorada. Nedostaci SLS postupka:

- velika potrošnja energije, - hrapava površina komada, - potreba za zaštitnom atmosferom u komori, - pojava toksičnih gasova, posebno pri radu sa PVC materijalima.

Sl. 13.28 Primeri SLS delova

13.5.4 3D štampanje (3D Printing – 3DP) I u ovom postupku polazni materijal je u vidu praha. Sistem radi sloj po sloj (sl. 13.29) pri čemu se očvršćavanje sloja vrši zahvaljujući dodavanju vezivnog sredstva u vidu kapljica postupkom koji je veoma sličan kretanju glave kod klasičnog 2D ink džet štampača. Spuštanjem platforme za debljinu sloja ostvaruje se visina modela.


159

Sl. 13.29 Princip 3DP postupka

Sl. 13.30 Izgled jednog 3DP uređaja (lijevo) i dva modela (desno)

Tačnost postupka zavisi najviše od veličine kapljica vezivnog sredstva i veličine čestica praha. Zanimljiva je mogućnost dobijanja dijelova u različitim bojama po zapremini. Materijali su na bazi skroba, gipsa, kombinacije gipsa i livačkog pijeska itd.


160

Prednosti 3DP postupka su: - jednostavnost procesa i brzina (modeli veličine fudbalske lopte rade se za oko 2

sata), - rasprostarnjenost zahvaljujući relativno niskoj cijeni uređaja i korišćenju

standardnih komponenti ink džet printera, - jednostavnost korištenja (nije potrebna visoka stručnost), - nema gubitaka materijala, - pun kolor po zapremini. Nedostaci 3DP postupka: - ograničena funkcionalnost modela (najviše u odnosu na SLS postupak), - mali izbor polaznih materijala (ipak, nešto je veći izbor materijala za naknadnu

infiltraciju i očvršćavanje), - hrapava površina koja zahtijeva naknadnu obradu (postprocesiranje).

Sl. 13.31 Put od modela (3DP) do gotovog proizvoda

Sl. 13.32 Primjeri modela dobijenih 3DP postupkom

Sl. 13.33 Primjer dva 3DP uređaja (lijevo) i dva primjera modela za primjenu u medicini

(desno)


161

13.5.5 Termojet Printing (Multijet Printing) Princip realizacije postupka zasniva se na izbacivanju kapljica rastopljenog materijala modela (razne vrste termoplastičnih masa) na platformu sa potpornim slojem. Visina se dobija spuštanjem platforme za debljinu slojeva (oko 0,04 mm) (sl. 13.34).

Sl. 13.34 Princip relizacije termodžet štampanja (desno) i izgled uređaja (levo)

Izbor materijala za ovaj postupak je relativno mali, čvrstoća modela je relativno loša, postoji potreba za potporama i naknadnom doradom, ali se postiže relativno dobra tačnost. Moguće je dobiti veoma složene geometrije komada. 13.5.6 Postupci sa korišćenjem čvrstih materijala u vidu folija (Laminated

Object Manufacturing-LOM) Za veće dijelove, postupci nanošenja slojeva nisu primjenljivi zbog sporosti. Taj nedostatak otklonjen je kod LOM postupaka. Kao materijal koriste se razne folije (plastične mase, papir) ali i tanki lim, tako da je moguće dobiti prototip velikih dimenzija potpuno funkcionalne čvrstoće, što je jedan od osnovnih nedostataka RP postupaka. Laser kod ovog postupka samo isjeca konturu jednog lista (lamele). Slaganjem i spajanjem lamela dobija se model, prototip ili gotov proizvod (sl. 13.35).

Sl. 13.35 Princip LOM postupka (lijevo) i primjer prototipa (desno)


162

Materijal je u vidu trake. Platforma (sl. 13.35) je na početku podignuta do ravni trake i tu se isjeca prva kontura. Tada se platforma pomjeri na dolje u vertikalnom pravcu za debljinu trake, a traka se pomjeri za korak, poslije čega se isjeca druga kontura. Pošto je sa donje strane trake nanijet vezivni materijal, potrebno ga je aktivirati zagrijanim valjkom. Poslije te operacije sve se iznova ponavlja za svaki korak trake. Treba primjetiti da se u svakom koraku (osim prvog) poslije isjecanja konture isjeca pravougaoni okvir otpadnog materijala. Takođe, uobičajeno je da se otpad izdjeli na manje pravougaonike koji se otklanjaju na kraju postupka. Prednosti LOM postupka: - velike dimenzije modela, - povoljna čvrstoća, - velika brzina izrade i velikih

modela, - primjena raznih materijala u

vidu tankih traka uključujući i limove od raznih metala i legura.

Sl. 13.36 LOM postupak sa korišćenjem papirne trake i izgled otpadnog dijela materijala

Nedostaci LOM postupka: - različite osobine modela u pravcu ravni slojeva i upravno na njih (anizotropija), - relativno veliki gubici materijala zbog otpada, - teškoće oko izrade modela sa velikim šupljinama, konzolama i prepustima, - potreba stalnog nadzora rada mašine.

13.5.7 Upoređenje pojedinih RP tehnologija i upoređenje RP tehnologija sa klasičnim tehnologijama izrade modela i prototipova

Tab. 4 Uporedni prikaz karakteristika RP postupaka


163

Tab. 5 Uporedni prikaz karakteristika RP postupaka

Sl. 13.37 Poređenje klasičnih i RP tehnologija u izradi modela i prototipova

Skripta: Obrada metala deformisanjem: 14. Brza izrada alata (Rapid Tooling – RT)

164

14. BRZA IZRADA ALATA (RAPID TOOLING – RT)

Pod ovim nazivom obično se podrazumijeva: a). proces koji koristi RP model kao šablon za brzu izradu alata (najčešće kalupa za

livenje pod pritiskom ili kovanje) ili b). direktno korišćenje nekog od RP postupaka za izradu alata primjenljivih u

maloserijskoj proizvodnji. Osnovna osobina RT postupaka je brza izrada alata, odnosno više kopija prototipa sa funkcionalnim osobinama gotovog proizvoda (mehaničke osobine, providnost, boja itd.). RT postupci se mogu podijeliti prema čvrstoći i trajnosti materijala alata na: - meke (silikonska guma, epoksidne smole, tečne legure, livački pijesak itd.), - tvrde (alatni čelici). Meki alati koriste se jednokratno ili za izradu malih serija zbog male izdržljivosti i postojanosti. Tvrdi alati se koriste za izradu većih serija komada. Prema načinu realizacije RT postupci mogu biti: - direktni (neposredno korišćenje nekog od RP postupaka), - indirektno (RP postupkom se dobija samo tzv. master model, a zatim se izrađuje

alat na osnovu njega). Od direktnih mekih postupaka treba pomenuti SLS postupak uz primjenu posebnog livačkog pijeska gde je svako zrno presvučeno polimernim slojem koji služi kao vezivo. Postupak je veoma brz a kalupi odgovaraju klasičnim kalupima za livenje u pijesku. U okviru indirektnih mekih postupaka vakuumsko livenje u kalupu od silikonske gume je najčešće korišćen RT postupak. Primjenjuje se za proizvodnju dijelova od plastičnih masa, keramike i metala. Postupak izrade silikonskog kalupa dat je na sl. 14.1.


165

Sl. 14.1 Izrada silikonskog kalupa i izrada prototipa

Za izradu klasičnih livačkih kalupa od pijeska ili kalupa za precizno livenje mogu da se koriste modeli dobijeni RP postupcima (sl. 14.2). RP modeli mogu da se koriste kao isparljivi (polistirenska pjena) pri livenju u pješčanim kalupima čelika, titana, legura aluminijuma itd.


166

Sl. 14.2 Master model (lijevo) odlivak dobijen preciznim livenjem (u sredini) i obrađeni

odlivak (desno) Tzv. direktni tvrdi postupci podrazumijevaju izradu metalnih (najčešće čeličnih) kalupa neposredno u RP postupcima. Primjenjuje se npr. SLS postupak sa metalnim prahom u kome su zrnca obložena polimerom kao vezivom. Po završenom postupku polimer se uklanja i vrši ojačavanje infiltracijom bakra uz pečenje u peći. Alat je pogodan za injekciono livenje plastičnih masa. Čelični alati mogu da se dobiju modifikovanim LOM postupkom. Traka je od čeličnog lima a slojevi se spajaju posebnim postupcima (sl. 14.4). Na narednoj slici dati su primeri alata dobijenim SL postupkom.

Sl. 14.3 Kalupi za livenje plastike dobijeni RT postupkom (SL)


167

Sl. 14.4 Poređenje izrade matrice za duboko izvlačenje sa tzv. traktrix profilom na klasičan

način i primjenom LOM postupka

Primjenom RP LOM postupka (sl. 14.4) moguće je dobiti matricu za duboko izvlačenje sa veoma složenim krivolinijskim profilom (tzv. traktrix profil dobijen pri zadovoljavanju uslova konstantnog kraka savijanja). Vrijeme izrade je 5 puta manje u odnosu na klasičan postupak (8 operacija, od elektro erozivne obrade do brušenja i termičke obrade) bez gubitka funkcionalnosti.

skripta omd plancic 2011

Documents