7 Deformarea volumica

PRELUCRĂRI PRIN DEFORMARE PLASTICĂ 2 - 67-

Capitolul 7PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE VOLUMICĂ

7.1. Aspecte generale

La prelucrarea prin deformare volumică, materialul semifabricatului este redistribuit, total sau parţial, în piesa finită, sub acţiunea forţei de presere cu care se acţionează asupra lui.

In funcţie de modul în care se realizează această redistribuire şi de mărimea ei, se disting mai multe procedee de prelucrare prin deformare volumică:

Lăţirea (aplatisarea); Refularea Presarea în matriţă; Calibrarea prin presare Extrudarea; Filetarea prin rulare; Procedee speciale de deformare volumică (deformarea volumică rotativă, forjarea radi-

ală, forjarea orbitală, etc).Prin aceste procedee de prelucrare se obţin, în foarte multe cazuri, piese finite, cu precizii

dimensionale şi calitate a suprafeţei foarte bune, cu productivitate ridicată. Datorită ecruisării materialului, se obţin caracteristici mecanice superioare în comparatie cu cele ale semifabri-catului iniţial sau cu cele obţinute la prelucrarea prin alte procedee.

In cazul prelucrărilor volumice, gradul de deformare care este aplicat semifabricatului se apreciază (evaluează) fie prin variaţia relativă a înălţimii lui în cursul prelucrării:

100H

HHG n

d

, în % (7.1)

fie prin variaţia relativă a secţiunii transversale :

S

SSG n

d

, în % (7.2)

Se mai utilizează şi exprimarea logaritmică în forma:

H

HlnG n

d (7.3)

în care H şi S sunt înălţimea şi respectiv secţiunea transversală ale semifabricatului iniţial, iar Hn

şi Sn sunt eceleaşi caracteristici obţinute după deformare. In funcţie de tipul solicitării, gradul de deformare poate fi Gd < 1 (comprimare) sau Gd > 1 (întindere).

7.2. Pregătirea materialului pentru prelucrarea prin deformare volumică

Date fiind condiţiile mult mai dificile de prelucrare ale materialului în acest caz, datorate în mare măsură presiunilor foarte mai mari ce apar la contactul între el şi elementul activ deformator în condiţiile existenţei unei deplasări relative între ele, apar cerinţe speciale legate de caracteristicile de prelucrabilitate ale materialului şi de condiţiile de desfăşurare ale prelucrării.

7.2.1. Caracterizarea si controlul materialului

Prin aceste procedee de deformare se prelucrează o gamă destul de variată de materiale, dar, mai ales în cazul prelucrărilor cu grad mare de deformare (refulare, extrudare, presare în matriţă, filetare prin rulare), stabilirea, caracterizarea şi controlul materialului înainte de prelucrare au o importanţă deosebită.

Astfel, teoretic pot fi prelucrate toate oţelurile (C < 1,4%) dar practic se folosesc doar cele cu maxim 0,45 % C (preferabil cât mai puţin).


Este ştiut că elementele de aliere din oţel influenţează mult caracteristicile lor mecanice şi de deformare. Pentru oţeluri cu conţinut redus de crom şi nichel şi mai ridicat de mangan se poate stabili un conţinut echivalent de carbon cu o relaţie de forma:

20

Ni

20

Cr

4

6,0MnCC% ech

(7.4)

pe baza căruia să poată fi stabilite (prin comparaţie) caracteristicile sale de rezistenţă (comportarea la deformare – vezi fig.7.1).

Elementele de aliere de tipul Cr, Ni, Mo, V nu influenţează sensibil extrudarea la rece dacă sunt conţinute ca impurităţi. Astfel, pentru oţelurile moi (C < 0,2%) ele pot fi în limitele: Cr 0,15%; Ni 0,25%; Cu 0,2% Cr+Ni+Cu 0,5%, iar pentru oţelurile dure şi semidure: Ni 0,25 %; Cu0,20 %; Ni+Cu 0,40%. Acestea indică faptul ca oţelurile pentru deformare volumi-că trebuie să aibă un grad ridicat de puritate.

In privinţa altor elemente se recomandă:

Siliciul să fie în cantitate foarte mică deoarece durifică ferita şi conduce la uzarea rapidă a elementelor active (Si < 0,03…0,1%). Pentru aceasta se impune ca dezoxidarea oţelului să se facă cu aluminiu.

Manganul leagă sulful şi oxigenul şi contribuie la creşterea rezistenţei la deformare şi reducerea alungirii.

Se pot extruda oţeluri cu conţinut redus de carbon, siliciu sub 0,035 % şi mangan până la 1,5 %.

Se recomandă ca în oţelurile pentru deformare volumică, conţinutul de

sulf să fie sub 0,06 %, cel de fosfor sub 0,06 %, iar azotul sub 0,01 % (cel mai bine spre 0,002…0,008 % N).

In privinţa microstructurii oţelurilor pentru deformare volumică, se recomandă o structură feritică sau ferito-perlitică, fină şi uniformă, cu perlita globulară. O asemenea structură se obţine prin recoacere sau normalizare.

In privinţa macrostructurii, la semifabricatele pentru deformare volumică nu se admit sufluri, fisuri de suprafaţă sau interne, suprapuneri de material, zone cu oxizi, deoarece toate acestea conduc la rebutarea piesei şi pot dauna elementelor active ale matriţei.

Pentru a depista asemenea defecte este necesară efectuarea unei analize microstructurale pentru a stabili forma, modul de dispunere şi cantităţile de faze şi constituenţi, ca şi o analiză macrostructurală.

In afara încercărilor generale la care sunt testate semifabricatele metalice pentru stabilirea caracte-risticilor generale, pentru prelucră-

0,10 0,30 0,50 0,70

200

400

600

800

1000

Continutul de carbon echivalent C%

Rm; R

c; R

def [

MPa

]

Rdef

Rm

Rc

ln(l/H)=1

ln(l/H)=0,6

Fig.7.1

d

H

Fig.7.2


rile prin deformare volumică la rece este necesară şi efectuarea unei încercări de refulare la receprin care să se evalueze capacitatea sa de deformare.

In cadrul încercării (fig.7.2), o epruvetă cilindrică, cu diametrul d şi înalţimea H, este presată axial între două suprafeţe plane până când pe suprafaţa sa laterală apar primele fisuri (la înalţimea Hn a epruvetei deformate).

In general, înalţimea epruvetei se alege astfel încât H > 1,5.d. Capacitatea de deformare a materialului se consideră corespunzătoare dacă primele fisuri apar la o înălţime a epruvetei deformate de Hn = 0,5.d, iar pentru prelucrări cu un grad mai mare de deformare Hn = 0,33.d.

Astfel, pentru o epruvetă cu d = 10 mm si H = 16 mm, solicitată cu forţa F = 200 KN, materialul se caracterizează în felul următor: dacă Hn/H = 0,125…0,25 → material foarte bun; dacă Hn/H = 0,25…0,33 → material bun; dacă Hn/H = 0,33…0,40 → material acceptabil; dacă Hn/H = 0,40…0,50 → material necorespunzător.

7.2.2. Tăierea (debitarea) semifabricatelor pentru deformarea volumică

Semifabricatele folosite curent pentru prelucrările prin deformare volumică se prezintă sub formă de bară (cu secţiune circulară sau poligonală) sau sârmă în colac (secţiune circulară) şi uneori sub formă de platbandă sau fâşie. Ele pot fi obţinute prin laminare la cald sau şi printr-o deformare plastică la rece (tragere pentru bare sau trefilare pentru sârme).

Pentru prelucrare, din semifabricatul iniţial se detaşează o anumită porţiune (un semifabricat individual) cu lungimea strict deteminată, operaţie care se poate face în mai multe moduri, în funcţie de tipul semifabricatului, caracteristicile materialului şi cerinţele prelucrării ulterioare (vezi mai jos).

La debitarea prin retezare a barelor în condiţii normale de tăiere, ca urmare a modului în care este solicitat materialul între elementele active de tăiere, va rezulta o abatere de formă semnificativă a suprafeţei rezultată prin tăiere. Acest aspect poate conduce la necesitatea unei operaţii suplimentare preliminară de deformare.

Tip semifabricat

bară

sârmă

platbandă

bandă

Metoda de debitare

retezare

aşchiere (strunjire, frezare)

retezare

retezare

decupare

decupare

Avantaje Dezavantaje

Fără deşeu; fibraj convenabil;

productivitate mare

Fără deşeu

Deşeu minim

Ecruisarea materialului în zona tăiată; abateri de

formă

Pierderi importante prin aşchii;

Productivitate redusă

Pierderi prin deşeu; fibraj neconvenabil

Pierderi prin deşeu;Fibraj neconvenabil

Formă geometrică corectă


Pentru a obţine calitate şi precizie bune la retezarea semifabricatelor din bară (fig.7.3) se recurge la folosirea retezării de precizie (vezi capitolul cu prelucrarea prin tăiere).

7.2.3. Tratamentul termic al semifabricatelor

La unele dintre procedeele de deformare volumică (extrudare, deformare în matriţă) este foarte important ca materialul să aibă o plasticitate ridicată şi o rezistenţă la deformare cât mai scăzută.

Deoarece semifabricatele folosite sunt de regulă obţinute printr-o deformare plastică anterioară (la cald sau la rece) este posibil ca ele să prezinte un anumit grad de ecruisare şi chiar tensiuni interne suplimentare datorate acestui proces de deformare. Mai mult, chiar dacă semifabricatul iniţial se livrează în stare recoaptă, prin operaţia de retezare se produce o ecruisare a materialului din zona tăiată.

In unele cazuri, datorită abaterilor de la forma geometrică corectă ce apar la retezarea obişnuită se impune o deformare preliminară de aplatizare; la care materialul se ecruisează şi apar în el tensiuni suplimentare.

Toate aceste aspect conduc la necesitatea aplicării unui tratament termic, înaintea prelucrării prin deformare volumică cu grad important de deformare, prin care să se asigure uniformitatea microstructurală şi un anumit nivel al caracteristicilor de plasticitate, în conformitate cu cerinţele procesului de deformare.

Semifabricatele din oţel cu conţinut redus de carbon (C 0,25%) se supun recoacerii joase (sub temperatura Ac1) sau normalizării la 8800…9000C.

Semifabricatele din oţel cu conţinut mediu de carbon se supun recoacerii înalte la 8600…8800C, cu răcire lentă.

Este foarte important ca după tratamentul termic aplicat să se obţină o granulaţie corespunzătoare a microstructurii (spre exemplu pentru oţeluri diametrul mediu al grăunţilor cristalini să fie de 0,02…0,06 mm).

Pentru aliajele neferoase se aplică recoaceri de recristalizare sau călire pentru punere în soluţie.

Dacă aliajul prezintă fenomenul de îmbătrânire naturală (cazul aluminiului) , se impune ca prelucrarea prin deformare plastică să se facă într-un interval de timp de maxim 24 ore de la

Retezare de precizieRetezare normală

Fig.7.3


aplicarea tratamentului termic, deoarece în afara acestui interval apar modificari importante ale caracteristicilor cu efecte negative asupra comportării la deformare plastică.

De problema tratamentului termic se mai poate lega şi modificarea caracteristicilor superficiale ale materialului produsă ca urmare a încălzirii (oxidare, decarburare). Pentru evitarea unor asemenea probleme poate apărea necesitatea folosirii unor instalaţii de încalzire cu atmosferă controlată (neutră sau reducătoare).

7.2.4. Pregătirea suprafeţei şi lubrifierea

La deformarea volumică la rece, la contactul între material şi elementele deformatoare, apar presiuni foarte mari şi care ating rapid valorile maxime, fapt ce determină posibilitatea formării unor microsuduri între materialul prelucrat şi suprafaţa elementelor active (mai ales dacă cele două formează şi un cuplu compatibil).

Aceste puncte de microsudură conduc la apariţia rapidă a fenomenului de gripare, cu consecinţe catastrofale asupra durabilităţii elementelor active, a calităţii suprafeţei piesei prelucrate şi asupra forţei de deformare necesară.

Pentru a preveni producerea unor asemenea fenomene negative, este esenţială asigurarea unui strat lubrifiant foarte bun, care să separe cele două suprafeţe în contact, chiar şi la presiunile de lucru foarte mari şi în condiţiile existenţei unei mişcări relative între material şi elementele active.

Pentru prelucrările cu grad mare de deformare, acest deziderat se poate asigura doar prin folosirea unor lubrifianţi solizi care să fie foarte bine reţinuţi pe suprafaţa semifabricatului, motiv pentru care problema capătă două aspecte:

A. Pregătirea suprafeţei semifabricatului în vederea lubrifierii.

Pentru prelucrarea oţelurilor, cele mai bune rezultate se obţin prin operaţia pregătitoare de fosfatare, care constă în acoperirea semifabricatului cu un strat de fosfat de zinc, cu grosimea de 1…15 m, foarte aderent dar şi poros, astfel încât este capabil să înglobeze şi să reţină particulele foarte fine de lubrifiant solid. El poate rezista chiar la mai multe deformări succesive.

Realizarea acestui strat superficial “purtător de lubrifiant” necesită o întreagă tehnologie care cuprinde următoarele faze:

Degresarea suprafeţei semifabricatului; Decaparea suprafeţei (în băi acide); Spălare cu apă rece; Spălare cu apă caldă (preîncălzire); Fosfatare (soluţie de trifosfat de zinc, la 70…730C, menţinere cca.10 min.); Spălare cu apă rece; Spălare cu apă caldă; Uscare (aer cald la 1000…1300C).

In cazul aliajelor de aluminiu, stratul purtător de lubrifiant se obţine prin eloxare (un proces de oxidare anodică a suprafeţei materialului) sau eventual tot prin fosfatare.

B. Lubrifierea semifabricatelor în vederea deformării

La prelucrările prin deformare volumică se utilizează mai multe tipuri de lubrifianţi, în funcţie de gradul de deformare aplicat şi condiţiile de lucru: Lubrifianţi lichizi (uleiuri minerale, uleiuri vegetale, eventual în amestec cu pulbere de grafit); Lubrifianţi vâscoşi (unsori minerale, unsori animale, unsori vegetale, eventual în amestec cu grafit, săpunuri solubile în apă);


Lubrifianţi solizi sub formă de pulbere (grafit, talc, bisulfură de molibden, stearat de zinc, stearat de calciu).

La prelucrarea oţelului prin procedee ce comportă grade mari de deformare (extrudare, deformare în matriţă) cele mai bune rezultate se obţin prin folosirea bisulfurii de molibden(denumirea comercială: molicot).

Pentru lubrifiere, după fosfatare, semifabricatele se introduc în nişte tamburi (tobe) cu secţiune poligonală, cu axa orizontală sau înclinată, în care se află şi lubrifiantul pulbere. Prin rotirea acestor tamburi (tobare), cu turaţie mică, se produce înglobarea lubrifiantului în stratul superficial fosfatat.

La prelucrarea plumbului, a staniului şi aliajelor sale, se foloseşte ca lubrifiant stearatul de zinc, iar pentru cupru şi aliajele sale se recomandă uleiul mineral şi stearatul de calciu.

7.2.5. Stabilirea dimensiunilor semifabricatului pentru deformarea volumică

Ca şi în cazul altor procedee de prelucrare prin deformare plastică la rece, şi în acest caz se face apel la legea constanţei volumului, scriind egalitatea:

Vpiesă = Vsemifabricat + A , (7.5)

în care A reprezintă adaosul de material necesar unor eventuale prelucrări ulterioare care presupun îndepărtare de material.

Pentru stabilirea volumului piesei, pornind de la desenul ei de execuţie, ea este descompusă în forme geometrice simple, pentru care se poate calcula uşor volumul.

In privinţa semifabricatului, în majoritatea cazurilor el este sub forma unei bare cilindrice de diametru D (normalizat sau standardizat) care se alege, urmând ca din egalitatea (7.5) să se stabilească înalţimea (lungimea) H la care se va realiza debitarea:

2atsemifabric

D

V4H

(7.6)

Pentru ca prelucrarea să se desfăşoare în bune condiţii este necesar să se verifice dacă valoarea lui H nu depăşeşte o valoare limită pentru tipul de deformare aplicat şi materialul prelucrat, evitându-se posibilitatea ca în timpul deformării să se ajungă la o situaţie de pierdere a stabilităţii semifabricatului.

7.3. Lăţirea (aplatisarea)

Lăţirea este procedeul prin care semifabricatul, presat axial, se deformează în sensul reducerii înălţimii cu mărirea corespunzătoare a secţiunii transversale.

In funcţie de geometria suprafeţelor între care se realizează deformarea, se disting următoarele cazuri (fig.7.4): a – lăţirea între suprafeţe plane; b – lăţirea între o suprafaţă plană şi alta inelară; c – lăţirea între două suprafeţe inelare.

D

Dn

H

Hn

F

Dn

F

D

HH

n

H' n

Dn

F

D

d d

HnH

H' n

a) b) c)

Fig.7.4


Intre dimensiunile semifabricatului va trebui respectată condiţia: H 3D.Forţa necesară pentru lăţire se poate calcula cu relaţia:

F = K.p.Sn (7.7 )

în care K este un coeficient de corecţie în funcţie de schema de deformare aplicată (pentru K = 1 pentru schema din fig.7.4,a; K = 0,9 pentru schema b; K = 0,8 pentru sche-ma c); p – presiunea de deformare (depen-dentă de caracteristicile materialului prelucrat şi gradul de deformare aplicat) şi Sn – aria secţiunii transversale.

Aspectul caracterstic al prelucrării prin aplatisare este cel din figura 7.5.

7.4. Refularea

Refularea este procedeul de deformare prin care se realizează îngroşări locale de diferite forme la un semifabricat sub formă de bară, executate liber sau în cavitatea unei matriţe.

Este procedeul utilizat curent pentru executarea capetelor de şuruburi, de nituri, şi a altor piese similare. Faţă de prelucrarea prin aşchiere are mai multe avantaje: consum redus de metal, caracteristici mecanice superioare, productivitate mare.

Schema procesului este cea din figura 7.6, iar diferitele scheme de lucru sunt prezentate în figura 7.7 (a – cu suprafaţă plană; b – cu semimatriţă tronconică; c – cu semimatriţă cilindro-conică; d – cu semimatriţă semisferică; e – cu semimatriţe cilindro-conice; f – a doua refulare)

Aspecte tehnologice la prelucrarea prin refulare: Stabilirea lungimii l a zonei de refulat se face pe baza legii constanţei volumului. Numărul fazelor de refulare se stabileşte în funcţie de raportul l/d: pentru l/d 2,5…2,8 → o singură refulare; pentru l/d = 2,8…5,5 → două refulări; pentru l/d = 5,5…8,0 → trei refulări. Odată cu creşterea raportului D/H va fi necesară şi creşterea numărului de refulări.

Fig.7.5

dD

lH

Fig.7.6

a) b) c) d) e) f)

l

Fig.7.7


Există o legătură şi între mărimea raportului l/d şi tipul (geometria) matriţei de refulare, având în vedere modul de rezemare al semifabricatului în matriţa de refulare: la o extremitate el poate fi considerat încastrat, dar la extremitatea cealaltă este rezemat diferit în diferitele forme ale semimatriţei superioare, şi ca atare se va comporta diferit la solicitarea axială din timpul deformării.

pentru l/d mic se pot folosi formele a) şi d) din figura 7.7; pentru l/d mare se recomandă formele b) şi c).Forţa necesară pentru refulare se poate calcula cu o relaţie simplificată de forma:

F = Smax.Rdef (7.7)

în care Smax este secţiunea maximă refulată, iar Rdef – rezistenţa la deformare a materialului.

1 2 3 4 5 6

Fig.7.8 - Succesiunea fazelor de execuţie pentru un şurub M4: 1 – retezare; 2, 3, 4 –refulări; 5 – frezare crestătură pentru şurubelniţă; 6 – filetare.

Fig.7.9 – Succesiunea fazelor de deformarepentru un şurub M8


7.5. Presarea volumică în matriţă

La acest procedeu de deformare se realizează redistribuirea materialului semifabricatului, care sub acţiunea forţei de presare este obligat sa umple cavitatea matriţei.

Se realizează piese de formă complexă, de calitate şi precizie ridicate, care în multe cazuri nu mai necesită alte prelucrări mecanice, pentru domeniile: mecanică fină, electrotehnică, construcţia de automobile, etc.

Se obţine o creştere a carcteristicilor mecanice cu 30…50 % faţă de prelucrarea prin aşchiere.

Se utilizează două procedee de matriţare: în matriţă deschisă, când volumul semifabri-catului este ceva mai mare decât cel al piesei matriţate, surplusul de material care curge în afara cavităţii matriţei formând o bavură ce este ulterior îndepărtată, asigurându-se însă umplerea completă a cavităţii matriţei(fig.7.10,a); în matriţă închisă, când volumul semifabri-catului trebuie foarte riguros calculat şi realizat (dacă el este mai mic, piesa va rezulta incompletă, iar dacă este mai mare – matriţa nu se poate închide complet şi deci nu se poate realiza corect piesa)(fig.7.10,b).

Pentru realizarea în condiţii bune a prelu-crării, semifabricatul trebuie trecut obligatoriu prin tehnologia de pregătire prezentată anterior.

Forţa necesară pentru prelucrare în acest caz poate fi calculată cu relaţia (7.7), în care se consideră K = 1 pentru deformarea în matriţă deschisă şi K = 1,4…1,6 la prelucrarea în matriţă închisă.

Presiunea necesară pentru deformare are valori de ordinul celor prezentate în tabelul de mai jos .

Construcţia acestor matriţe trebuie să fie destul de robustă (masivă) pentru ca deformaţiile elastice să fie cât mai mici, neafectând astfel precizia prelucrării.

Fig.7.11 Piese realizate prin deformare în matriţă deschisă (bile de rulment)

Fig.7.12 Piesă obţinută prin deformare în matriţă închisă

a)

b)

Fig.7.10

Presiunea de deformare în matriţă, p, în MPaProcedeul de deformare

Materialul prelucratîn matriţă deschisă în matriţă închisă

Aluminiu 600…800 1000…1200Alamă 1000…1600 1600…2000Oţel OLC10, OLC15 1200…2000 2000…3000


7.6. Calibrarea prin presare

Calibrarea este operaţia de deformare volumică prin care se realizează creşterea preciziei dimensionale şi a formei geometrice, la piese prelucrate anterior prin deformare plastică sau aşchiere.

In funcţie de zona piesei supusă calibrării, se disting următoarele situaţii: calibrarea exterioară, când acţiunea forţei de deformare se exercită pe zona exterioară a

piesei, şi care poate fi: Plană - când sunt supuse calibrării doar anumite suprafeţe, respectiv dimensiuni corespunzătoare grosimii (fig.7.13); Spaţială – când sunt supuse calibrării toate suprafeţele şi dimensiunile piesei; în urma presării ansamblului piesei o cantitate de material va fi eliminată în afara cavităţii matriţei, sub formă de

bavură (fig.7.14).Este important ca la calibrarea exterioară să se ţină

seama de acţiunea legii rezistentei minime, corelându-se corect forma ce se doreşte a fi obţinută cu forma iniţială a semifabricatului, respectiv cu forma suprafeţelor în contact cu materialul ale elementelor active (fig.7.15).

calibrarea interioară, când acţiunea forţei de deformare se exercită pe zona interioară a piesei, aplicată de regulă pentru orificii.

Elementul activ folosit în acest caz este de tipul unei broşe (lucrând prin împingere sau prin tragere) sau de forma unei bile (fig.7.16).

7.7. Extrudarea

Extrudarea este procedeul de deformare volumică la care materialul semifabricatului este obligat să “curgă”, sub acţiunea forţei de presare, prin orificiul sau jocul din zona de lucru a elementelor active.

Prin acest procedeu se obţine o gamă variată de piese, pline sau cave, cu secţiune transversală şi longitudinală variabilă (dar numai într-un singur sens), cu formă profilată în secţiune transversală, având diametrul de maxim 160 mm, lungime maximă de 450 mm şi

Fig.7.13

Fig.7.14

înainte dupã

Fig.7.15

Fig.7.16


grosimea peretelui între 0,1…20 mm, utilizate în domeniul industriei electronice şi electrotehnice, construcţiei de autovehicule, mecanicii fine, etc.

In funcţie de sensul de deplasare al materialului deformat faţă de sensul de acţiune al forţei de deformare, se disting mai multe scheme (procedee) de extrudare:

Extrudarea directă (1,2,3, în fig.7.17) – la care materialul deformat se deplasează în acelaşi sens cu sensul de acţiune al forţei de deformare. Se pot realiza piese pline, cu diverse secţiuni transversale, cu trepte în sens longitudinal, piese cave sau tubulare.

La acest procedeu, lungimea piesei nu este legată de lungimea poansonului, care poate fi relativ scurt şi rigid.

Extrudarea inversă (4 în fig.7.17) – la care materialul deformat se deplasează în sens invers faţă de sensul de acţiune al forţei de deformare. Se pot realiza piese tip pahar, cu diverse secţiuni transversale, cu trepte în sens longitudinal (exemplu în figura 7.19).

La acest procedeu, lungimea piesei fiind legată de lungimea poansonului, va fi limitată din considerente de asigurare a rezistenţei acestuia la solicitarea de compresiune şi flambaj.

Fig.7.191 – retezare; 2 – aplatisare; 3 – fosfatare (lubrifiere); 4 – extrudare inversă

F

1 2 3 4 5

Fig.7.17 - Scheme de extrudare uzuale (1,2,3,- directă; 4 – inversă; 5 – combinată)

Fig.7.18 - Piese pline, extrudate direct (schema 1, fig.7.17)

4 3 2 1


Extrudarea combinată (5 în fig.7.17) – la care materialul deformat se deplasează simultan, atât în sens direct cât şi în sens invers faţă de sensul de acţiune al forţei de deformare.

Se pot realiza piese de forme mai complexe, cu cavitate la partea superioară şi/sau inferioară, cu diverse secţiuni transversale, cu trepte în sens longitudinal.

La acest procedeu, lungimea piesei fiind legată de lungimea poansonului, va fi limitată din considerente de asigurare a rezistenţei acestuia la solicitarea de compresiune şi flambaj.

Fig.7.20 - Piesă obţinută prin extrudare combinată

Avantajele deosebite ala prelucrării prin extrudare sunt legate în principal de: o economie substanţială de material deoarece prelucrarea se face cu pierderi minime sub formă de deşeu; o productivitate foarte bună; obţinerea unor caracteristici mecanice superioare la piesa extrudată datotită ecruisării materialului; posibilitatea realizării unor forme (interioare sau exterioare) dificil sau imposibil de obţinut prin alte procedee de prelucrare (prin aşchiere de exemplu).

Tehnologicitatea formei la extrudarePentru a putea fi realizată prin

extrudare, forma piesei trebuie să îndeplinească anumite cerinţe: treptele de diametru, atât la exterior cât şi la interior, să varieze numai într-un singur sens, pentru a fi posibilă scoaterea piesei din zona de lucru a elementelor active; forma în secţiune transversală şi/sau longitudinală să fie simetrică, conducând la o solicitare simetrică a poansonului de extrudare (care este un element foarte puternic solicitat şi destul de fragil) fig.7.21.

Forţa pentru extrudareCaracterul curgerii materialului la extrudare poate fi observat pe microstructura unor

piese extrudate (fig.7.22). Măsurând microduritatea Vickers în secţiunea acestor piese extrudate se constată variaţii destul de importante datorate ecruisării diferite în zone diferite.

Gradul de deformare admisibil pentru extrudarea la rece a oţelului cu procent redus de carbon are valori de până la (75…80)%, în funcţie de condiţiile de lucru, tipul extrudării şi caracteristicile piesei extrudate. Trebuie menţionat că o dată cu scăderea grosimii peretelui piesei extrudate, deformarea se realizează în condiţii din ce în ca mai dificile.

Deoarece procesul de extrudare este foarte complex, în el intervenind o multitudine de factori, o relaţie exactă şi valabilă în toate cazurile pentru calculul forţei de extrudare este aproape imposibil de obţinut. In literatură sunt prezentate diverse relaţii, mai simple sau mai complexe (care iau în considerare mai mulţi factori de influenţă), pentru cazurile de extrudare prezentate anterior.

Cum însă mulţi dintre aceşti factori sunt dificil de estimat exact, pentru necesităţile practice se foloseşte tot relaţia (7.7), în care se ia K = 1. Pentru presiunea de extrudare se pot

semifabricat

netehnologic

tehnologic

Fig.7.21


considera orientativ valorile din tabelul de mai jos.

Elementele active ale matritelor pentru extrudareMatriţele pentru extrudare au o construcţie foarte robustă, pentru a rezista cu deformaţii

elastice cât mai mici, la solicitările foarte mari din exploatare. Particularităţile semnificative sunt legate de construcţia elementelor active pentru extrudare.

La extrudarea directă, poansonul are o construcţie simplă şi poate fi relativ scurt şi rigid, deoarece lungimea lui nu este corelată cu înalţimea piesei de obţinut.

In cazul lucrului după schema 3 din figura 7.17 (extrudarea din semifabricat tubular) se preferă construcţia asamblată a corpului poansonului cu miezul central (fig.7.23), pentru a evita apariţia unui concentrator de tensiune inerent la o construcţie monobloc.

Placa de extrudare se realizează în general în construcţie monobloc (fig.7.24), şi pentru a-i asigura o rezistenţă mai mare la solicitarea radială exercitată de materialul presat, ea se montează fretată într-o placă suport (sau mai multe placi fretate concentrice). Fretarea se realizează prin

Presiunea pentru extrudare, în MPaMaterialul

directă inversăAluminiu 400…700 800…1200Cupru 600…1000 1500…2000Alama 800…1500 1800…2500Oţel OLC10, OLC15 1000…1800 2000…3000

Microstructura şi fibrajul materialului la extrudarea inversă a unei piese din oţel cu

procent redus de carbon

Microstructura semifabricatului iniţial

Fig.7.22

Dp2

Dp

Dp1

Fig.7.23


presarea axială a unui alezaj conic cu conicitate foarte mică.Un parametru foarte important al geometriei plăcii de

extrudare directă îl reprezintă ughiul , el având o influenţă semnificativă asupra curgerii materialului şi respectiv asupra presiunii de extrudare necesară (vezi fig.7.25).

La extrudarea inversă, materialul extrudat curge pe lângă poanson şi ca urmare, între înalţimea piesei extrudate şi lungimea zonei de lucru a poansonului va exista o corelaţie directă; cum lungimea poansonului este limitată din considerente legate de solicitarea sa (în special la flambaj), şi înalţimea piesei extrudate va fi corespunzător limitată. Intre

lungimea L a zonei de lucru a poansonului, diametrul său Dp şi materialul extrudat, se recomandă să existe următoarea corelaţie (fig.7.26):

L (5…7)Dp pentru aluminiu şi aliaje de aluminiu;L (3…5)Dp pentru cupru şi aliaje de cupru;L (3,5…4)Dp pentru oţel cu procent redus de carbon.Geometria zonei de lucru a

poansonului pentru extrudare inversă este ca cea din figura 7.27.

Intre partea cu diametrul D, aflată în contact nemijlocit cu materialul de deformat şi corpul poansonului cu diametrul D1 este o diferenţă de 0,1…0,2 mm care asigură evitarea frecării materialului extrudat pe toată lungimea

poansonului.La extrudarea combinată, în principiu placa de

extrudare este ca la extrudarea directă, iar poansonul ca la extrudare inversă.

7.8. Rularea filetului

Realizarea filetelor (exterioare) prin deformare volumică la rece se obţine ca urmare a imprimării profilului filetului prin rostogolirea (rularea) semifabricatului între două (sau mai multe) scule cu un profil corespunzător.

Faţă de prelucrarea prin aşchiere, se obţine o productivitate foarte ridicată, o rezistenţă mecanică şi la oboseală mai mare datorită ecruisării şi fibrajului continuu al materialului, o

10 Dpl1

Dpl

Dpl2

H

Fig.7.24

18001260900400

p = 133,5 MPa p = 142 p = 160 p = 204,5

Fig.7.25

Dp

Dp1

Dp2

L

150

Fig.7.26

D

D1

l

D - D1 = 0,1...0,2l = 1...3 = 50...300

Fig.7.27


calitate bună a suprafeţei şi o precizie destul de bună (impusă, de regulă, de precizia de execuţie şi reglare a sculelor). Este necesar însă ca materialul prelucrat să aibă proprietăţi de plasticitate bune (alungirea la rupere 8...24 ).

Există mai multe scheme de realizare a deformării în cazul realizării filetelor prin deformare plastică la rece, în funcţie de felul sculelor folosite şi de mişcările relative dintre ele şi

semifabricat: a) filetarea cu bacuri plane, cu avans

tangenţial (fig.7.28: 1 - bac mobil; 2 - bac fix). Lungimile bacurilor sunt inegale (Lf < Lm) pentru a asigura eliberarea piesei la capătul cursei de lucru. Prelucrarea completă a filetului necesită o cursă relativ lungă a bacului mobil, cu repercusiuni nefavorabile asupra productivităţii. Precizia filetului obţinut depinde foarte mult de toleranţa semifabricatului.

b) filetarea cu două role şi avans radial (fig. 7.29). Cele două role au acelaşi diametru D şi se rotesc în acelaşi sens cu aceiaşi turaţie ns. Pasul elicei filetului de pe role trebuie să îndeplinească condiţia:

pe = i.p , (7.8)

unde p este pasul filetului piesei de prelucrat şi i 1 un număr întreg. De ase-menea, trebuie respectată şi condiţia:

k.id

D (7.9)

în care k este numărul de începuturi al filetului rolei.In timpul lucrului, una dintre role are axa fixă iar cealaltă execută mişcarea de pătrundere

(avans) după un ciclu de lucru cuprinzând: avans rapid pentru apropierea de piesă, avans delucru, retragere rapidă (fig.7.29). Datorită frecării, semifabricatul este antrenat în mişcare de rotaţie rezultând astfel un avans circular al lui.

Două exemple de piese filetate prin acest procedeu sunt prezentate în figurile 7.30 şi 7.31.

Fig.7.30 Fig.7.31

Procedeul este unul dintre cele mai folosite pentru prelucrarea filetelor exterioare prin deformare plastică, lungimea filetului prelucrat fiind însă limitată la lăţimea Bs a rolei. La rândul ei, aceasta are valori până la maxim 100...120 mm din considerente de limitare a

Fig.7.28

Fig.7.29


forţei de deformare.Intre rolele de filetare 1, semifabricatul este sprijinit pe un suport 2, a cărui poziţie pe

înălţime se reglează în funcţie de diametrul semifabricatului de prelucrat (fig.7.29).

g) filetarea cu două role, cu avans axial(fig.7.32). La toate procedeele de filetare precedente, lungimea porţiunii filetate este limitată la/de lăţimea sculei de filetare (bacuri, role), motiv pentru care ele nu pot fi folosite decât pentru lungimi filetate relativ reduse.

In cazul porţiunilor filetate de lungime mare, prelucrarea se face între două role având axele încrucişate şi care vor antrena semifabricatul (prin frecare) atât într-o mişcare de rotaţie cu viteza tangenţială:

vt = vs.cos , (7.10)cât şi într-o mişcare de avans axial cu viteza:

va = vs.sin , (7.11)

unde vs este viteza periferică a rolei sculă, iar = p dacă rolele au profilul inelar (sub formă de canale circulare) sau = p - s dacă rolele au profilul elicoidal; p - unghiul de pantă al elicei filetului de pe piesă; s - unghiul de pantă al elicei filetului de pe sculă. Şi în acest caz trebuie respectate condiţiile date prin relaţiile (7.8) şi (7.9).

La acest procedeu există trei posibilităţi de realizare a deformării: - cu avans radial (de pătrundere), când p = s dar cu sensuri opuse de înfăşurare,

astfel că piesa va rămâne axial imobilă. Filetul piesei prelucrate va fi o copie fidelă a celui al sculei, rezultând deci precizii de prelucrare foarte bune, dar lungimea filetată va fi mică.

- cu role inelare, la care s = 0; forma secţiunii canalelor rolelor corespunde aproxi-mativ cu profilul filetului piesei în secţiune normală pe spiră. Rolele se înclină cu = p astfel că la o rotire completă a piesei ea avansează cu un pas. Cu aceiaşi pereche de role se pot prelucra diametre diferite de filete, dar având acelaşi pas. Printr-o poziţionare unghiulară adecvată se pot realiza filete pe dreapta sau pe stânga, cu unul sau mai multe începuturi, de lungime mare, iar rolele pot fi uşor recondiţionate (prin rectificare), diametrul lor neavând influenţă asupra preci-ziei prelucrării.

- prelucrare combinată, când p = s, rolele poziţionându-se la = p - s şi se obţin deformări mai mari la paşi mari, imposibil de obţinut prin celelalte procedee.

La prelucrarea filetului prin rulare trebuie asigurat, în zona de lucru, un debit constant şi important de fluid de răcire-ungere. Cele mai folosite fluide sunt sulfofrezolul şi uleiul sulfuros.

Este foarte importantă respectarea (verificarea) diametrului semifabricatului iniţial(stabilit pe baza legii constanţei volumului), astfel încât acesta să nu depăşească valoarea necesară.

7.9. Procedee speciale de deformare volumică

7.9.1. Extrudarea rotativă

Extrudarea rotativă este procedeul de prelucrare (deformare) la care semifabricatul (o formă de revoluţie) execută o mişcare de rotaţie (cu o turaţie relativ mare) în timp ce este deformat de una sau mai multe role ce execută mişcarea de avans (longitudinal şi/sau radial).

Se pot obţine piese de formă conică, cilindrică, sau mai complexă, cu diametrul de până la 500 mm, lungimi de până la 2600 mm şi grosimi ale pereţilor de până la 0,1 mm, dintr-o gamă

Fig.7.32


destul de largă de metale şi aliaje.Spre deosebire de ambutisarea rotativă, la care grosimea materialului nu se modifică, la

acest procedeu de deformare se realizează o modificare foarte importantă a grosimii materialului, evaluată prin mărimea gradului de deformare:

Gd = 100(g – gn)/g , (7.12)

sau cel logaritmic: Gl = ln(g/gn) , (7.13)

în care g este grosimea iniţială a peretelui şi gn – grosimea finală.La prelucrarea semifabricatelor cilindrice, se utilizează două procedee de lucru: Extrudarea rotativă directă – (fig.7.33) la care materialul deformat curge în acelaşi

sens cu mişcarea de avans a rolei deformatoare, şi

Fig.7.33

Extrudarea rotativă inversă – (fig.7.34) la care materialul deformat curge în sens invers mişcării de avans a rolei deformatoare.

Fig.7.34

Procedeul întruneşte toate avantajele specifice prelucrării prin deformare volumică (economie de material, productivitate, cinematica procesului si a utilajului relativ simple, caracteristici mecanice superioare ale produsului obţinut), motiv pentru care se utilizeaza mult,

semifabricat

piesa

semifabricat

piesa


cu tendinţa de a înlocui alte procedee tehnologice clasice (prelucrare prin aşchiere) ca în figura următoare (fig.7.35).

7.9.2. Deformarea volumică orbitală

Spre deosebire de procedeul convenţional de deformare prin presare (fig.7.36,a) la care sub acţiunea forţei de presare F se atinge tensiunea de curgere a materialului în toate punctele secţiunii sale transversale, la procedeul deformării orbitale aceasta se realizează doar în volume parţiale ale semifabri-catului ce se suc-ced o dată cu modi-ficarea (poziţiei) contactului poan-son semifabricat (fig. 7.46, b), rezul-tând forţe necesare pentru deformare

sensibil mai mici.Modificarea contactului poanson-semifabricat se

obţine cu ajutorul unei cinematici speciale a maşinii unelte de deformare care asigură poansonului atât o rotaţie în jurul axei proprii Z2 (fig.7.37) cât şi o rotaţie (precesie) a acestei axe în jurul axei Z1 a semifabricatului, în condiţiile în care cele două

Exemplu de utilizare a extrudării rotative la realizarea ţevilor ghintuite pentru armament

Fig.7.35

Fig.7.36

Fig.7.37


axe sunt concurente sub un unghi . Simultan este aplicată şi forţa de presare F.Ca urmare a folosirii acestei scheme de deformare rezultă o forţă F sensibil mai mică

decât pentru procedeul clasic şi un grad de deformare a materialului mai mare într-o singură operaţie, putându-se obţine în condiţii mai bune piese dificil de realizat prin procedeul clasic de deformare. Câteva exemple de aplicare a procedeului de deformare orbitală sunt prezentate în figura 7.38 (a - aplatisare; b - refulare; c - refulare şi extrudare directă; d - extrudare directă; e -extrudare inversă).

Prin realizarea diferitelor rapoarte între cele două mişcări de rotaţie la care este supus poansonul, se pot obţine traiectorii diferite ale contactului poanson-semifabricat (fig.7.39: a -

orbitală, b - planetară, c- spirală; d - rectilinie), fapt ce permite o mai bună adaptare a condiţiilor de deformare la specificul formei piesei de obţinut (roţi dinţate conice, piese cu flanşă ovală, circulară sau pătrată, etc.).

7.9.3. Deformarea volumică radială

Prin acest procedeu se realizează deformarea plastică a semifabricatelor sub formă de bare pline sau tubulare (cu sau fără un dorn interior de sprijin) la care, cu ajutorul unor forţe ce acţionează pe direcţie radială, se execută modificarea dimensiunilor (formei) secţiunii transversale şi/sau longitudinale. Diametrul secţiunii transversale prelucrată prin acest procedeuse încadrează în general între limitele 0,2...100 mm pentru bare pline şi 0,2...160 mm pentru semifabricate tubulare, cu o toleranţă de 0,1...0,005 mm.

Prelucrarea se poate face numai prin presare radială (gâtuire locală) sau şi cu un avans axial (al semifabricatului sau al sculelor de deformare) când pot fi obţinute forme foarte diverse, inclusiv asamblări.

Semifabricatele tubulare pot fi deformate folosind un dorn interior (profilat) pentru a

Fig.7.38

Fig.7.39


obţine piese cu diverse profile interioare (danturi, caneluri, canale longitudinale, elicoidale, etc).Avantajele deosebite ale procedeului de deformare prin deformare (forjare) rotativă la

rece constau în principal în caracteristicile mecanice foarte bune ale piesei finite (datorită continuiăţii fibrajului şi ecruisării materialului, fig.7.40), productivitatea foarte ridicată, preciziebună şi posibilitatea mecanizării şi automatizării prelucrării (cu ajutorul comenzii numerice).

Cel mai utilizat procedeu este acela la care forţa de deformare este realizată (aplicată)prin lovire.

Fig.7.40

Deformarea semifabricatului este realizată cu ajutorul unor elemente active (2...8 ciocănele) cu o geometrie adecvată, dispuse într-un ansamblu de lucru. Acestea execută atât o mişcare rectilinie alternativă pe direcţie radială (mişcarea principală) cât şi una de avans circular (fig.7.42: a - cu avans longitudinal; b - fără avans longitudinal; 1 - mişcarea principală; 2 -avansul circular; 3 - avansul longitudinal). Din combinarea acestor două mişcări se generează forma (de regulă circulară sau cu simetrie axială) secţiunii transversale. La acestea se poate adăuga şi o mişcare de avans longitudinal pe care o execută de regulă semifabricatul (fig.7.42,a).

strunjire

deformare rotativă

Fig.7.41 – Exemple de piese realizate prin deformare volumică


Construcţia ansamblului de lucru cu principalele sale componente este ilustrată în figura 7.43 (a - cu trei ciocănele şi rotirea arborelui interior; b - cu patru ciocănele şi rotirea arborelui interior şi a inelului exterior).

In principiu, ansamblul de lucru se compune dintr-un inel exterior 8 în care se află colivia 6 cuprinzând un număr de craboţi cilindrici 7. In interiorul coliviei se roteşte un arbore 1 prevăzut cu canale în care culisează, pe direcţie radială, tacheţii 4 care apasă asupra ciocănelelor 2 prin penele reglabile 3.

Datorită forţei centrifuge, elementele 2, 3şi 4 vor fi împinse spre exterior astfel că ciocănelele nu au contact cu semifabricatul. Atunci când tacheţii 4 iau contact cu craboţii 7, ei sunt împinşi spre centru şi acţionează asupra ciocănelelor 2 care vor lovi materialul de deformat cu o cadenţă foarte mare.

Rolul penelor de reglaj 2 rezultă din figura 7.44. Atunci când ele sunt retrase, ciocănelele pot fi îndepărtate mai mult de centru permiţând introducerea capătului semifabricatului iniţial (fig.7.44,a) sau scoaterea piesei prelucrate (fig.7.44,c) când prelucrarea nu se face cu avans longitudinal. Prin introducerea lor (fig.7.44,b) se produce apropierea ciocănelelor de centru respectiv reglarea adâncimii lor de pătrundere în semifabricat sau reglarea poziţiei de lucru a ciocănelelor la prelucrarea pieselor cu un profil longitudinal variabil.

a)

b)

1

3

2

12

Fig.7.42

Fig.7.43

1 2 3

a) b) c) Fig.7.44


7.9.4. Extrudarea hidrostatică

Cercetări efectuate până în prezent evidenţiază în mod unanim că extrudarea hidrostatică este unul dintre procedeele care lărgesc mult limitele prelucrărilor prin deformare plastică la rece. El are la bază efectele favorabile care apar la deformarea plastică a metalelor şi aliajelor supuse acţiunii presiunilor hidrostatice înalte. Starea triaxială a tensiunilor de compresiune ce se crează în acest mod conduce la îmbunătăţirea considerabilă a plasticităţii.

Procedeul extrudării hidrostatice diferă de cel convenţional prin aceea că între semifabri-catul ce urmează a fi deformat şi poansonul de extrudare se interpune un mediu hidraulic.

Pentru a amorsa şi menţine procesul, respectiv pentru a determina materialul semifabricatului să treacă prin orificiul plăcii active a matriţei, se acţionează în mod indirect asupra lichidului ce constituie mediul hidraulic. Ia naştere astfel o presiune hidrostatică, de un anumit nivel, care se distribuie uniform pe întreaga suprafaţă a semifabricatului ce vine în contact cu lichidul.

În varianta clasică a procedeului, presiunea hidro-statică este realizată cu ajutorul poansonului 1, care este deplasat în alezajul incintei de presiune înaltă 2 cu o forţă F (fig.7.45: 1 - poanson; 2 –incinta de presiune înaltã; 3 -mediul hidraulic; 4 – semifa-bricatul; 5 - placa de extrudare; 6 - piesa extrudatã). La o anumită valoare a presiunii hidrostatice p, materialul semi-fabricatului este obligat să treacă prin orificiul matriţei al cărui profil determină forma suprafeţei exterioare a piesei extrudate. Starea de tensi-uni şi deformaţii din zona foca-rului de deformare este de compresiune triaxială (fig.7.45), presiunea hidrostati-că opunându-se tensiunilor de

întindere. Prin realizarea acestei tensiuni compresive,

microfisurile ce apar în timpul proceselor convenţionale de deformare plastică la rece a metalelor se închid, acest fenomen conducând la întârzierea apariţiei ruperii. Astfel se obţin grade de deformare de (80...85) % chiar în condiţiile prelucrării unor materiale greu deformabile plastic.

Studiile şi cercetările din domeniul extrudării hidrostatice s-au bazat în mod curent pe diferenţa principială între aceasta şi extrudarea convenţională (fig.7.46), diferenţa constând în primul rând în modul de acţiune a presiunii de lucru. În procesul convenţional de extrudare, pentru evitarea flambării sau a deformării pe alte

direcţii (decât cele dorite), semifabricatul trebuie sprijinit lateral. În acest mod raportul

3

12

p

1

2

3

4

5

6

3

2

1

3

2

1

F

Fig.7.45

p p

a) b)

Fig.7.46


lungime/diametru este limitat deoarece tensiunile normale ce apar la interfaţa semifabricat - porţiunea cilindrică a matriţei dau naştere la forţe de frecare foarte mari.

În cazul extrudării hidrostatice, agentul hidraulic interpunându-se între suprafeţele laterale ale semifabricatului şi matriţă, frecarea se elimină complet (sau se reduce foarte mult). În absenţa acestei frecări, presiunea de lucru este influenţată mult mai puţin de mărimea raportului de extrudare, putându-se obţine grade mari de deformare la materiale greu extrudabile (prin procedeul clasic).

Presiunile necesare realizării deformării în cazul extrudării hidrostatice pornesc de la peste 1000 bari pentru aluminiu 99,9%, depăşind 10000 bari pentru oţeluri şi alte metale şi aliaje mai greu deformabile.

7.9.5. Trefilarea (tragerea barelor)

Trefilarea (sau tragerea) este operaţia de deformare plastică volumică prin care, un semifabricat continuu de tip sârmă (în colac) sau individual (bară sau ţeavă) este deformat prin acţiunea unei forţe de tragere F (fig.7.48), fiind obligat să îşi reducă secţiunea transversală, la trecerea prin orificiul unui element activ denumit filieră.

Prelucrarea se aplică de asemenea şi pentru îmbunătăţirea preciziei dimensionale şi a calităţii suprafeţei unor semifabricate de tip sârme sau bare.

Placă de extrudare

Bobină semifabricat

Poanson extrudare

Fig.7.47

d0

d1

F

filierã trefilare

Fig.7.48

7 Deformarea volumica

Documents

Transcript of 7 Deformarea volumica