CAP3_vol2

Deformarea plastică a materialelor metalice

55

C A P I T O L U L 3

D E F O R M A R E A P L A S T I C Ă A M A T E R I A L E O R M E T A L I C E

DEFORMAREA PLASTICĂ este metoda de prelucrare cu ajutorul unei scule de presare, fără aşchiere, prin care metalul capătă altă formă, volumul însă rămâne constant. Metoda de prelucrare a metalelor prin deformare prezintă o serie de avantaje: • îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice din cauza structurii mai

omogene sau mai dense care rezultă în urma acestor prelucrări;

• consum minim de material; • precizie mare de prelucrare, mai ales la rece; • reducerea duratei prelucrării ulterioare prin aşchiere; • posibilităţi de obţinere a unor forme complexe cu un număr

minim de operaţii şi manoperă simplă; • mărirea productivităţii muncii.

Principalul dezavantaj al acestei metode ar fi necesitatea aplicării unor forţe mari pentru deformare, fiind necesare investiţii mari pentru realizarea sculelor utilizate la deformare [13] [15]. Clasificarea procedeelor de deformare plastică se poate face: 1. după temperatura la care are loc deformarea: la rece şi la cald: 2. după viteza de deformare: cu viteze mici de deformare (vd<10

m/s) şi cu viteze mari de deformare (vd>10 m/s); 3. după calitatea suprafeţelor realizate: de eboşare şi finisare; 4. după natura operaţiilor aplicate la deformarea plastică: de

degroşare şi de finisare; 5. după complexitatea procedeelor întrebuinţate: laminarea,

tragerea, presarea, forjarea liberă, matriţarea, extruziunea, ştanţarea şi ambutisarea.

3.1. DEFORMĂRI ELASTICE ŞI DEFORMĂRI PLASTICE Sub acţiunea forţelor exterioare orice metal sau aliaj suferă atât deformaţii elastice εe cât şi deformaţii plastice εp astfel încât deformaţia totală ε este dată de relaţia: pe εεε += (3.1)

Tehnologia materialelor

56

Dacă după înlăturarea forţei exterioare ce a provocat deformarea, metalul îşi revine la forma sa iniţială sau suferă o deformaţie εp<0,02ε, deformaţia se consideră elastică, în acest caz deformarea are loc prin deplasarea atomilor din poziţiile lor de echilibru stabil, la o valoare minimă a energiei lor potenţiale, mărimea deplasării nedepăşind ordinul de mărime al distanţei dintre atomi. Deformaţia produsă este proporţională cu tensiunea (ε=σ/E) şi nu produce modificări în structura internă a metalului sau aliajului. Dacă după îndepărtarea forţei exterioare ce a provocat deformarea, metalul sau aliajul nu mai revine la starea şi dimensiunile iniţiale sau suferă o deformaţie εp>0,02ε, deformaţia se considera plastică. Deformarea plastică se realizează prin deplasarea relativă a atomilor în poziţii noi de echilibru la distanţe mult mai mari decât distanţele dintre atomi în reţeaua cristalină. Deformaţia produsă nu mai respectă legea lui Hooke, iar metalul sau aliajul suferă modificări dimensionale şi structurale importante. Din punct de vedere macroscopic deformarea plastică se poate justifica prin existenţa în curba lui Hooke a unui domeniu numit domeniu de curgere (fig. 3.1, a). De reţinut că nu toate metalele şi aliajele au această zonă (σc

max - σcmin) foarte largă de

deformare; mai mult, există materiale metalice care nu au această zonă, numite materiale fragile (fig. 3.1, b), la care ruperea se produce înainte ca deformarea plastică să apară.

Fig. 3.1. Curba tensiune-deformaţie: a-materiale cu plasticitate ridicată;

b-materiale cu comportare fragilă [15]


57

Microscopic problema deformării plastice a metalelor şi a aliajelor este legată de modificarea echilibrului dintre grăunţii cristalini sau din interiorul grăunţilor cristalini, modificare ce se produce prin: alunecare, maclare şi complex (alunecare şi maclare).

3.2. DEFORMAREA PLASTICĂ LA RECE Se consideră că avem deformare la rece, atunci când aceasta are loc la o temperatură:

]K[T31T top⋅≤ (3.2)

unde Ttop este temperatura de topire. Deformarea plastică se poate produce prin alunecare, prin maclare şi prin alunecare şi maclare.

3.2.1. Deformarea plastică prin alunecare În cristale există suprafeţe, (plane de alunecare cu densitatea maximă a atomilor), pe care pot să alunece uşor straturi subţiri de metal. Deplasările se fac mai uşor cu cât aceste suprafeţe sunt aşezate mai favorabil în raport cu forţele care acţionează asupra lor. Aşa cum am văzut se produc alunecări care conduc la alungirea materialului, concomitent cu reducerea secţiunii transversale; în figura 3.2 se arată un monocristal de Zn solicitat la întindere Prin măsurători experimentale efectuate s-a determinat valoarea tensiunii critice de alunecare care este de 100 şi chiar de 1000 de ori mai mică decât valoarea teoretică calculată presupunându-se deci că alunecarea nu are loc simultan pe toate suprafeţele de alunecare. În reţeaua cristalină există nişte defecte structurale de

Fig. 3.2. Deformarea prin alunecare a

monocristalului de Zn [13]: a-starea iniţială; b-starea finală; A-suprafaţa supusă la întindere

de forţa F; φ-unghiul direcţiei de alunecare


58

tipul dislocaţiilor, datorită cărora alunecarea la început este favorizată putând lua naştere la tensiuni mult mai mici decât cele calculate. Pe măsură ce deformarea avansează se formează adevărate benzi de alunecare din ce în ce mai late, care intersectate cu suprafaţa exterioară a epruvetei monocristaline formează liniile Lüders vizibile (fig. 3.3).

Am prezentat mai sus mecanismul deformării plastice prin alunecare a unui monocristal. Materialele metalice tehnice sunt corpuri policristaline a căror deformare plastică se compune din: -deformarea intracristalină; -deformarea intercristalină În figura 3.3 se arată o probă din fier tehnic lustruită, deformată uşor; pe suprafaţa

grăunţilor se observă benzile de alunecare paralele. Un policristal este mai rezistent la deformare în comparaţie cu monocristalul (fig. 3.4), deoarece deformarea grăunţilor în policristal are Ioc în condiţii mult mai grele decât a grăunţilor luaţi separat.

Deformarea intracristalină este cu atât mai grea cu cât grăunţii care compun cristalele sunt mai mici. La început se deformează plastic numai cristalele cu orientare favorabilă a planelor de alunecare, iar ceilalţi grăunţi suferă o deformare elastică. Masa policristalină are o limită de elasticitate mai mare decât o are un monocristal. Deformarea intercristalină se produce datorită faptului că în timpul deformării plastice a policristalului

tot mai mulţi grăunţi se rotesc. Deformarea plastică a policristalului nu se produce uniform în toţi grăunţii. Unii grăunţi, cu orientare favorabilă acţiunii efortului se deformează puternic, în timp ce ceilalţi grăunţi nu s-au deformat de loc sau foarte puţin. Această anizotropie de deformare are urmări şi asupra materialului deformat.

Fig. 3.3. Benzi de alunecare pe

suprafaţa fierului tehnic neatacat (100:1) [13]

Fig. 3.4. Deformarea

monocristalului şi agregatului policristalin de Zn [13]


59

3.2.2. Deformarea plastică prin maclare Acest fenomen are loc atunci când o parte a reţelei cristaline se roteşte în jurul nodurilor sale, când cele două părţi ajung într-o poziţie simetrică una faţă de cealaltă (fig. 3.5). Prin maclare o parte din cristal se reorientează în raport cu restul de-a lungul unui anumit plan, numit plan de maclare. Partea rotită deformată a cristalului se numeşte maclă.

3.2.3. Deformarea prin alunecare şi maclare În timpul deformării pot apărea simultan atât alunecarea cât şi maclarea, în acest caz deformarea se numeşte complexă.

3.2.4. Influenţa deformării plastice la rece asupra proprietăţilor materialelor metalice

Prelucrarea prin deformare la rece provoacă ecruisarea (întărirea) metalului care reprezintă ansamblul fenomenelor legate de modificarea proprietăţilor mecanice, fizice şi chimice în procesul de deformare plastică la rece. Astfel, principalele semne ale ecruisării, care se constată în microstructura metalului, sunt modificarea formei grăunţilor şi alungirea lor în sensul dezvoltării maxime într-o singură direcţie, structura metalului devenind fibroasă.

Fig. 3.5. Deformarea plastică prin maclare [13]:

a-înainte de deformare; b-după deformare

Fig. 3.6. Influenţa deformării la rece asupra

proprietăţilor mecanice ale oţelului cu conţinut mic de carbon [13]


60

Proprietăţile mecanice sunt modificate de ecruisare astfel: • indicatorii de rezistenţă (σp, σe, σc, σr şi duritatea) cresc cu

creşterea gradului de deformare; • indicatorii de plasticitate (alungirea, rezilienţa) scad (fig. 3.6). În urma prelucrării la rece se micşorează conductibilitatea termică, electrică şi permeabilitatea magnetică, iar inducţia magnetică se măreşte. Odată cu creşterea gradului de deformare se micşorează rezistenţa anticorozivă. Ecruisarea prezintă o importanţă deosebită asupra plasticitătii materialului; se constată ca la un anumit grad de deformare, plasticitatea scade în asemenea măsură, încât prelucrarea în continuare prin deformare plastică nu mai este posibilă din cauza rezistenţei crescânde opusă de material şi a pericolului apariţiei crăpăturilor. Ecruisarea poate fi folosită şi pentru mărirea rezistenţei la rupere (σr) a unor metale şi aliaje moi cum sunt: aluminiu, cuprul, unele alame şi bronzuri, unele oţeluri inoxidabile (tab. 3.1).

În urma cercetărilor efectuate se consideră că ecruisarea se datoreşte blocării mişcării dislocaţiilor odată cu creşterea gradului de deformare, iar obstacolele principale care frânează această mişcare a dislocaţiilor sunt atomii străini din reţea, care produc o strâmbare a acesteia.

Tab. 3.1. Influenţa ecruisării asupra proprietăţilor mecanice la metale şi aliaje [15] Proprietatea

Materialul

Starea

Rezistenţa la rupere

σr, daN/mm2 Alungirea

A5 % Duritatea

HB

Cupru recopt ecruisat

20 44

45 6

38 105

Aluminiu recopt ecruisat

8 18

42 5

20 47

Oţel moale recopt ecruisat

42 84

31 6

130 250

Oţel inoxidabil 18% Cr, 8% Ni

recopt ecruisat

61 182

80 5

200 650

Alamă recoaptă ecruisată

27 38

50 15

80 140


61

3.3. DEFORMAREA PLASTICĂ LA CALD Prin deformare la rece materialele se întăresc (se ecruisează), astfel că la un moment dat nu mai poate continua procesul de deformare. În această situaţie, cristalele nu au o stabilitate deplină din punct de vedere termodinamic. Pentru a se înlătura acest neajuns, materialele se încălzesc. Deformarea la cald se realizează prin alunecarea sau prin maclare. Prin încălzire, datorită creşterii mobilităţii atomilor în reţea, dispar tensiunile interne. Revenirea este un tratament termic care constă de fapt în procesul de mărire a plasticităţii materialului care se realizează prin încălzire la temperaturi cuprinse între 0,2Tt şi 0,4Tt (din temperatura de topire), înlăturându-se astfel deformarea reţelei. La aceste temperaturi nu se produce nici o modificare a microstructurii. Pentru aliajele feroase această temperatură este cuprinsă între 500 şi 600 K. Recristalizarea este fenomenul care începe la temperaturi superioare temperaturii de revenire: ]K[T4,0T toprecr ⋅≅ (3.3) Atomii ajungând la o mobilitate suficientă, se măreşte procesul de difuzie şi începe procesul de refacere a structurii, prin apariţia unor noi centri de cristalizare, iar în final dispar complet tensiunile interne. După acest proces se poate relua procesul de deformare plastică deoarece prin încălzire s-a diminuat structura ecruisată. Astfel piesa va căpăta forma şi dimensiunile dorite tocmai datorită micşorării durităţii şi a rezistenţei la deformare. Temperatura de recristalizare nu este o constantă a materialului, ea depinzând de numeroşi factori, cei mai importanţi fiind: • conţinutul în elemente de aliere; • gradul de deformare. Temperatura de recristalizare scade odată cu creşterea gradului de puritate (la oţelurile carbon Trecr=450÷600°C, iar la oţelurile aliate Trecr=600÷800°C, de asemenea, scade şi cu gradul de deformare (fig. 3.7). Gradul de deformare influenţează recristalizarea şi în sensul existenţei unui

Fig. 3.7. Influenţa gradului de deformare asupra temperaturii

de recristalizare [15]


62

grad critic de deformare, sub care recristalizarea nu se mai produce. Pentru oţeluri gradul critic de deformare este 8÷12% Recristalizarea are influenţă asupra reţelei cristaline, cât şi asupra formei şi dimensiunilor grăunţilor. Dimensiunile grăunţilor obţinuţi în urma recristalizării depind, în primul rând de: • mărimea gradului de deformare (fig. 3.8, a); • durata de menţinere la temperatura la care are loc cristalizarea

(fig. 3.8, b); • temperatură (fig. 3.8, c); • mărimea iniţială a grăunţilor; • viteza de deformare

În urma prelucrării prin deformare plastică la cald se constată că materialul capătă o macrostructură fibroasă, fibrele formate fiind orientate pe direcţiile de curgere a metalului.

Formarea structurii fibroase se explică prin faptul că în timpul deformării plastice grăunţii cristalini iniţiali (fig. 3.9, a) se deformează, alungindu-se pe direcţia de curgere a metalului. Incluziunile nemetalice aflate în structură vor suferi deplasări şi

Fig. 3.8. Variaţia mărimii grăuntelui în funcţie de [15]: a-gradul de deformare;

b-durata de menţinere; c-temperatură

Fig. 3.9. Formarea structurii fibroase [15]


63

deformări asemănătoare (fig. 3.9, b). Prelucrarea efectuându-se la cald, se produce recristalizarea (fig. 3.9, c), ceea ce duce la formarea unor noi grăunţi cristalini; acest fenomen însă nu duce la redistribuirea incluziunilor nemetalice care, rămânând deformate şi orientate, împart metalul în fibre. În oţelul deformat şi recristalizat acest fibraj determină formarea unei structuri secundare de ferită şi perlită, în benzi (fig. 3.10). Structura fibroasă a metalului, obţinută în urma prelucrării prin deformare plastică la cald, nu poate fi modificată nici prin tratament termic şi nici printr-o deformare ulterioară; ultima poate să modifice numai direcţia fibrelor.

3.3.1. Influenţa deformării plastice la cald asupra proprietăţilor materialelor metalice

Prelucrarea prin deformare plastică la cald are o influenţă mare şi stabilă asupra următoarelor caracteristici ale oţelului: rezilienţa, gâtuirea, alungirea relativă şi rezistenţa la oboseală. Aceste caracteristici devin mai bune în urma prelucrării. După deformarea plastică la cald materialul prezintă însă proprietăţi mecanice anizotrope, din cauza existenţei structurii fibroase: în direcţia longitudinală aceste proprietăţi sunt mai bune decât în direcţie transversală. De acest lucru trebuie să se ţină seama la proiectarea pieselor şi la stabilirea tehnologiei de fabricaţie: • eforturile de compresiune şi întindere care apar în timpul

solicitărilor piesei trebuie să coincidă cu direcţia fibrelor; • eforturile tangenţiale (de forfecare) trebuie să fie

perpendiculare pe direcţia fibrelor; • fibrele nu trebuie să se întretaie ci să înfăşoare conturul piesei De exemplu, pentru fabricarea unei supape s-ar putea utiliza fie prelucrarea prin aşchiere, plecând de la un semifabricat laminat (fig. 3.11, a), fie finisarea prin aşchiere plecând de la un

Fig. 3.10. Structura unui oţel după

deformare plastică şi recristalizare (oţel cu 0,18% C) [15]


64

semifabricat apropiat ca formă de piesa finită, obţinut prin refularea capătului unei bare cilindrice (fig. 3.11, b). O supapă fabricată prin prima metodă nu poate funcţiona într-un motor cu explozie, distrugându-se imediat ca urmare a unei defectuoase distribuiri a tensiunilor faţă de fibrele orientate într-o singură direcţie şi întrerupte de prelucrarea prin aşchiere.

În figura 3.12 este reprezentată structura fibroasă obţinută prin matriţarea capătului unei bare rotunde (capătul unei tije de pompaj). Structura fibroasă a unui semifabricat deformat poate fi pusă în evidenţă prin diverse metode de control. Astfel, se poate utiliza atacarea suprafeţei semifabricatului secţionat, prin fierberea lui în acid clorhidric, ceea ce provoacă o scoatere în relief a fibrelor şi imprimarea amprentei cu tuş pe hîrtie (fig. 3.12). De asemenea, se poate obţine imaginea fibrelor prin menţinerea semifabricatului secţionat pe o hârtie fotografică (proba Baumann); apariţia imaginii se explică prin impresionarea emulsiei de către incluziunile nemetalice conţinând sulf.

3.4. LEGILE DEFORMĂRII PLASTICE Comportarea metalelor şi aliajelor în timpul deformării plastice respectă anumite legi stabilite pe cale teoretică şi experimentală. Cunoaşterea lor este necesară pentru stabilirea unor măsuri practice care să conducă la realizarea piesei dorite în condiţiile unui cost scăzut şi a unei productivităţi mari.

Fig. 3.12. Structura fibroasă a capătului unei tije de pompaj (D-defecte de fibraj)

[15]

Fig. 3.11. Orientarea fibrelor

într-o supapă [15]


65

3.4.1. Legea volumului constant Dacă se face abstracţie de unele pierderi de material prin ardere şi prin îndesarea materialului cu goluri interioare, se consideră că volumul se păstrează constant în timpul deformării. Semifabricatul iniţial 1, de volum V0=a0·b0·h0, sub acţiunea forţei P, capătă starea 2 (fig. 3.13), de volum V=a1·b1·h1, respectându-se egalitatea: 111000 hbahba ⋅⋅=⋅⋅ (3.4) care se mai poate scrie:

1;1hh

bb

aa

0

1

0

1

0

1 =⋅⋅=⋅⋅ γβλ (3.5)

unde λ=a1/a0 este coeficientul de alungire; β=b1/b0, coeficientul de lăţire; γ=h1/h0, coeficientul de reducere. Logaritmând relaţia (3.5) rezultă:

0lnlnln;0hh

lnbb

lnaa

ln0

1

0

1

0

1 =++=++ γβλ (3.6)

adică suma gradelor de deformare logaritmice după cele trei direcţii este nulă. Deformaţia totală εt, în funcţie de deformaţiile pe cele trei laturi, este dată de relaţia:

∫ ∫∫ ++=++=1

0

1

0

1

0

b

b

h

h

a

arcrbrat h

dhbdb

adaεεεε (3.7)

Ştim că 0

101

aa

a

aaa

lnalnalnalnada

1

0

1

0

=−==∫ şi ţinând

cont de relaţiile (3.6) şi (3.7) rezultă: 0rcrbra =++ εεε (3.8) Dacă înmulţim (3.8) cu volumul V rezultă:

Fig. 3.13. Deformarea unui semifabricat sub

formă de prismă dreaptă [15]


66

0VVV rcrbra =⋅+⋅+⋅ εεε (3.9) ceea ce demonstrează că suma volumelor de material deplasate pe cele trei direcţii perpendiculare între ele este egală cu 0. În majoritatea situaţiilor deformarea trebuie făcută în mai multe treceri. Pentru determinarea numărului de treceri n, se

pleacă de la gradul de reducere total n

0t S

S=γ , pentru a se ajunge

de la secţiunea iniţială S0 la secţiunea finală Sn:

n

0

n

1n

i

1i

3

2

2

1

1

0

ni321t

SS

SS

...S

S......

SS

SS

SS

.........

=⋅⋅⋅⋅⋅⋅=

=⋅⋅⋅⋅⋅⋅=

−−

γγγγγγ (3.10)

Se presupune gradul de reducere egal la fiecare trecere: medni321 ...... γγγγγγ ====== (3.11) iar gradul de reducere total se poate scrie: ( )nmedt γγ = (3.12) Cu relaţiile (3.10) şi (3.12) prin logaritmare rezultă:

( )

med

n0

medn

0nmed

n

0

lnSlnSln

n

;lnnSS

ln;SS

γ

γγ

−=

⋅==

(3.13)

Această lege are o importanţă practică deosebită, deoarece permite calculul dimensiunilor semifabricatului iniţial pe baza dimensiunilor piesei finite.

3.4.2. Legea coexistenţei deformaţiilor elastice şi a celor plastice

Conform legii lui Hooke o deformaţie plastică este însoţită întotdeauna de o deformaţie elastică, iar la îndepărtarea forţelor exterioare dispar deformaţiile elastice rămânând numai cele plastice. Legea se exprimă prin relaţia (3.1). În cazul prelucrărilor la rece, când materialul are tendinţa de mărire a volumului după deformare, din cauza deformărilor elastice care sunt destul de mari, se ţine seama de această lege.


67

3.4.3. Legea rezistenţei minime Această lege precizează că deplasarea punctelor corpului deformat, situate pe suprafaţa perpendiculară pe direcţia forţelor exterioare, are loc după distanţa cea mai mică la perimetrul secţiunii. Întrucât această distanţă este normală la perimetrul secţiunii, înseamnă că dintre diferitele posibilităţi de deplasare, punctul respectiv o alege pe aceea unde rezistenţa întâmpinată este minimă. Deformarea maximă se va produce în acea direcţie în care se va deplasa cea mai mare cantitate de material. Legea prezintă importanţă practică, deoarece permite să se prevadă ce formă va căpăta un semifabricat supus unei anumite solicitări. Astfel, să considerăm un corp de forma unei prisme pătrate drepte (fig. 3.14), supus refulării cu forţa P. Volumele elementare situate în punctele A, B se vor deplasa pe direcţii perpendiculare pe laturile secţiunii; cele aflate pe diagonală se vor deplasa în acelaşi mod, spre una din laturile vecine şi în nici un caz în lungul diagonalei. Rezultă că, după o anumită deformare, secţiunea semifabricatului va deveni circulară.

3.4.4. Legea apariţiei şi echilibrării tensiunilor interne În timpul deformării plastice, în interiorul materialului apar tensiuni ce se opun deformării şi care tind să se echilibreze reciproc. Cauzele apariţiei acestor eforturi se datoresc: • acţiunii sculei; • încălzirii neuniforme a materialului; • neomogenităţii compoziţiei chimice şi a proprietăţilor mecanice

ale materialului; • frânării dislocaţiilor, etc. Tensiunile interne produse şi rămase în piesă, se pot adăuga tensiunilor produse prin funcţionarea piesei, putându-se depăşi rezistenţa la rupere a materialului, ceea ce are drept consecinţă apariţia crăpăturilor.

Fig. 3.14. Refularea unui semifabricat

în formă de prismă dreaptă [15]


68

Pentru evitarea apariţiei acestor tensiuni se vor reduce pe cât este posibil frecările între suprafaţa materialului ce se deformează şi suprafaţa sculei, iar forma semifabricatului se va alege apropiată de cea a piesei finite.

3.4.5. Legea similitudinii Pentru aceleaşi condiţii de deformare la două corpuri geometrice asemenea, cu aceleaşi faze structurale, aceeaşi compoziţie chimică şi aceleaşi caracteristici mecanice, presiunile specifice de deformare p şi respectiv p1 sunt egale între ele, raportul forţelor de deformare P/P1 este egal cu pătratul raportului mărimilor liniare caracteristic l şi l1 iar raportul lucrului mecanic necesar schimbării formei Wf/Wf1 este egal cu cubul raportului mărimilor liniare ale corpului deformat:

3

11f

f2

111 l

lWW

;ll

PP;pp

=

== (3.14)

3.5. LAMINAREA Laminarea este procedeul de deformare plastică a metalelor la cald sau la rece realizat prin trecerea forţată a materialului prin intervalul dintre doi cilindri care se rotesc în sensuri contrare sau în acelaşi sens. Prin laminare se produce o creştere a lungimii semifabricatului, concomitent cu o reducere a secţiunii lui, volumul însă păstrându-se constant (fig. 3.15).

Prin laminare se prelucrează cea mai mare cantitate de oţel elaborat, obţinându-se table, profile, ţevi, şine etc. De asemenea o

Fig. 3.15. Schema laminării metalelor între cilindri [13]


69

cantitate mare de metale neferoase (aluminiu, cupru, aramă etc.) se prelucrează prin laminare. Lingourile constituie materia primă pentru laminare obţinându-se din acestea fie semifabricate, fie produse finite. Din semifabricate se obţin prin laminare, în continuare produsele finite. În afară de realizarea formei şi a dimensiunilor noilor produse, prin laminare se urmăreşte şi îmbunătăţirea calităţii acestora. Calitatea superioară se obţine prin distrugerea structurii primare de turnare (care este o structură grosolană cu calităţi mecanice reduse) şi obţinerea unei structuri fine, noi (aşa cum rezultă din figura 3.16 în cazul laminării Ia cald), prin sudarea unor discontinuităţi interne (porozităţi, sufluri, fisuri, fulgi), prin mărirea compactitaţii metalului, prin obţinerea unor suprafeţe curate şi lipsite de defecte.

3.5.1. Bazele teoretice ale laminării Antrenarea continuă a materialului metalic între cilindri şi schimbarea dimensiunilor acestuia se asigură prin prezenţa forţei de deformare Fd şi a frecării de contact, Ff, dintre materialul care se prelucrează şi suprafaţa de lucru a cilindrilor. Pentru definirea elementelor geometrice ale zonei de deformare ABCF (fig. 3.17, a) se presupun îndeplinite următoarele condiţii: cilindrii de laminor au acelaşi diametru, se rotesc cu aceeaşi turaţie, asigură aceeaşi valoare a coeficientului de frecare cu semifabricatul şi nu suferă deformaţii în timpul prelucrării, semifabricatul are secţiune constantă şi aceleaşi proprietăţi în toată masa. Arcul AB se numeşte arc de prindere sau arc de contact, iar unghiul central corespunzător lui unghi de prindere (α). În timpul laminării se produce: - o micşorare (reducere) a grosimii materialului ∆h=h0-h1;

Fig. 3.16. Mecanismul de micşorare a

grăuntelui la deformarea la cald: 1, 3, 5, 7, 9 - mărimea grăuntelui după

deformare; 2, 4, 6, 8 - mărimea grăuntelui după recristalizare şi în momentul când

începe o nouă deformare [13]


70

- o oarecare lăţire a materialului ∆b=b1-b0; - o mărire a lungimii materialului ∆l=l1-l0. Pentru a se realiza un anumit grad de deformare se execută de obicei mai multe treceri succesive ale semifabricatului printre cilindrii laminorului, după micşorarea prealabilă a distanţei dintre aceştia. Laminarea este un proces de deformare pe lungimea semifabricatului ce se desfăşoară în mai multe etape care cer respectarea a două condiţii: • condiţia de prindere; • condiţia de stabilitate.

3.5.1.1. Condiţia de prindere Prin contactul semifabricatului cu cilindrii care se rotesc, între aceştia apare o interacţiune: 1. semifabricatul exercită asupra cilindrilor o presiune radială p în

punctul de contact, iar cilindrii acţionează asupra acestuia cu o forţă egală şi de sens opus Fd;

2. simultan, datorită diferenţei dintre viteza semifabricatului şi a cilindrilor, apar forţe de frecare Ff, care acţionează tangenţial la suprafaţa cilindrilor şi perpendicular pe Fd (fig. 3.17, b).

Prinderea semifabricatului de către cilindri se realizează dacă: dxfx FF > sau αα sinFcosF df ⋅>⋅ sau αtgFF df ⋅>

Fig. 3.17. Condiţii de laminare: a-elementele geometrice; b-condiţia de

prindere; c-condiţia de stabilitate [15]


71

Din condiţiile frecării exprimate prin legea lui Coulomb se consideră că: df FF ⋅= µ şi atunci se obţine: αµ tgFF dd ⋅>⋅ sau αµ tg> (3.15) unde µ este coeficientul de frecare dintre semifabricat şi cilindri sau tangenta unghiului de frecare β βµ tg≅ (3.16) Astfel se obţine condiţia de prindere: αβ tgtg > sau βα < (3.17)

3.5.1.2. Condiţia de stabilitate După satisfacerea condiţiei de prindere, pe măsura umplerii zonei de deformare cu material metalic şi trecerea la faza procesului stabilizat, poziţia forţei de deformare Fd se va deplasa spre planul de ieşire. Dacă admitem repartizarea uniformă a presiunii de contact pe toată lungimea zonei de deformare ABCF, atunci repartizarea presiunii totale de laminare în faza procesului stabilizat va împărţi zona de deformare în două, adică unghiul care determină poziţia forţei de laminare Fd devine egal cu α/2 conform figurii 3.17, c. Laminarea se poate realiza dacă Ffx>Fdx. Întrucât în procesul stabilizat de laminare:

⋅=

⋅⋅=⋅=

2sinFF

2cosF

2cosFF

ddx

dffx

α

αµα

(3.18)

atunci:

2

sinF2

cosF ddααµ ⋅>⋅⋅ sau

2tgαµ > (3.19)

Ţinem cont de relaţia (3.16) pentru unghiul de frecare atunci din relaţia (3.19) se obţine condiţia de stabilitate:

2

tgtg αβ > sau βα 2< (3.20)

Se poate deduce din condiţia de mai sus că procesul stabilizat se realizează în condiţii mult mai sigure decât faza iniţială prinderea. Din figura 3.17, a se observă că:


72

αcosR2

hhR 10 ⋅=

−− sau ( )

2hh

cos1R 10 −=− α

Dacă înlocuim 2

sin2cos1 2 αα ⋅=− şi 22

sin αα≈ :

2

hh2

R2 102 −=

⋅α

(3.21)

22

10 R4

D2hh αα⋅=⋅=− (3.22)

Relaţia (3.22) indică dependenţa directă dintre reducerea absolută ∆h şi valoarea unghiului de prindere α, la un diametru dat al cilindrilor 2R; odată cu creşterea unghiului de prindere creşte reducerea, care în final duce la creşterea producţiei specifice a laminorului. Experimental s-au determinat următoarele valori pe care le poate avea α şi care nu pot fi depăşite, astfel: • α=22°÷24° pentru cilindrii netezi; • α=30°÷32° pentru cilindrii calibraţi.

3.5.2. Sortimente de laminate Prin profilul unei piese laminate se înţelege forma secţiunii transversale a piesei respective, iar prin sortiment se înţelege totalitatea diferitelor profile şi dimensiuni obţinute prin laminare. Dimensiunile celor patru categorii de semifabricate după STAS 436-90 şi STAS 6791-71 sunt:

1. blumurile - au secţiune pătrată cu latura de 150÷400 mm ş lungimea de 1200÷6000 mm;

2. ţaglele - au secţiune pătrată cu latura de 40÷140 mm sau dreptunghiulară cu grosimea de 35÷70 mm şi lăţimea de 140÷280 mm; se debitează în lungimi de 1500÷12000 mm;

3. sleburile (bramele) - au secţiunea dreptunghiulară cu grosimea de cel puţin 70 mm lăţimea de minimum 120 şi maximum 1800 mm;

4. platinele - au secţiunea dreptunghiulară, cu grosimea mică (de cel puţin 6 mm) în raport cu lăţimea care este de 200÷280 mm. Se debitează la o lungime de maximum 6500 mm.

Blumurile şi sleburile sunt considerate semifabricate grele, iar ţaglele şi platinele semifabricate uşoare. De regulă semifabricatele se utilizează astfel:


73

- blumurile pentru laminarea profilelor grele şi mijlocii; - ţaglele, laminarea semifabricatelor plate, în benzi, iar cele

pătrate, în profile mijlocii, uşoare şi sârmă; - sleburile (bramele), în table groase; - platinele în table subţiri.

Principalele grupe de laminate din oţel sunt: profile, table, ţevi, laminate .speciale şi laminate cu profil periodic. Profilele laminate se împart în două subgrupe:

- profile cu o formă geometrică simplă, cum ar fi: rotund, pătrat, hexagonal, dreptunghiular;

- profile complicate care pot fi cu: destinaţie generală sau cu destinaţie specială (fig. 4.52).

Tablele laminate pot fi: - table de oţel groase, cu grosimea de 4÷60 mm (sau în cazuri

speciale mai mult) şi lăţimea de 600÷3000 mm (sau mai mult); - table de oţel subţiri, cu grosimea de 0,2÷4 mm (zincată,

cositorită, decapată, neagră lustruită). Ţevile de oţel se împart în:

- ţevi fără sudură, cu grosimea peretelui de 0,5÷40 mm şi cu diametrul exterior de 5÷426 mm;

Fig. 3.18. Câteva tipuri de profile laminate [13]:

1-blum; 2-oţel pătrat cu colţuri rotunjite; 3-oţel pătrat; 4-oţel rotund; 5-oţel lat; 6-oţel triunghiular; 7-oţel oval; 8-oţel semirotund; 9-oţel romboidal; 10-cornier cu

aripi inegale; 11-cornier cu aripi egale; 12-oţel U; 13-oţel I; 14-oţel T; 15-şină; 16-oţel Z; 17-oţel pentru stâlpi; 18, 19, 20-profile pentru maşini agricole;

21, 22-profile pentru construcţii; 23-oţel canelat pentru foi de arcuri; 24, 25-profile pentru automobile şi tractoare


74

- ţevi sudate, cu grosimea pereţilor pînă Ia 14 mm şi cu diametrul pereţilor exteriori pînă la 720 mm.

Laminatele speciale pot fi bandaje, roţi Laminatele cu profil periodic (de tipul oţelului beton) se folosesc de regulă în construcţii sau ca semifabricate profilate.

3.5.3. Utilaje de laminare Laminorul este sistemul de maşini care serveşte atât la realizarea procesului de deformare plastică, deseori în mai multe stadii, cât şi a operaţiilor ajutătoare, necesare la fabricarea laminatelor. Schema de principiu a unui laminor este prezentată în figura 3.19.

Părţile componente ale unui laminor sunt: - caja de laminare compusă din cilindrii laminorului 1 şi lagărele lor,

cadrul de susţinere 2, mecanismele de reglaj ce servesc la modificarea distanţei dintre cilindri, ghidajele ce servesc la dirijarea metalului la intrarea şi ieşirea din cilindri (fig. 3.19);

- motorul electric de curent alternativ, asincron 8 putând avea o putere de 30÷1500 kW, funcţie de destinaţia şi productivitatea laminorului;

- mecanismele de transmisie dintre motor şi cilindrii laminorului compuse din reductorul 6, volantul 7, caja roţilor de angrenare 5, barele de cuplare 3 şi 4 (fig. 3.19).

Elementele principale ale unui cilindru de laminare sunt prezentate în figura 3.20: • tăblia, pe care se face contactul între cilindru şi metalul de

laminat; • două fusuri, cu ajutorul cărora cilindrul se sprijină pe lagăre; • două rozete cu ajutorul cărora se face cuplarea cilindrilor pentru

antrenare.

Fig. 3.19. Schema de principiu a unui laminor [15]


75

Diametrul D şi lungimea L a tăbliei caracterizează de obicei cilindrii de laminor. Diametrul fusurilor d şi a fusurilor rozetate d1 se calculează în general cu formulele: ( ) D53,072,0d ⋅−= şi d95,0d1 ⋅= (3.23) Una din caracteristicile principale ale calităţii cilindrilor este duritatea tăbliei, care determină utilizarea cilindrilor. Din acest punct de vedere putem avea cilindrii: -moi (150÷250 HB), care se folosesc de obicei la cajele degrosisoare ale laminoarelor de profile grele; -semi-duri (250÷350 HB), care se folosesc de obicei Ia cajele degrosisoare pentru profile mici şi mijlocii şi pentru cajele finisoare ale profilelor grele; -duri (350÷550 HB) ce se folosesc la cajele finisoare ale laminoarelor de tablă subţire şi mijlocie şi pentru profile mici şi mijlocii; -foarte duri (550÷650 HB) folosiţi la laminoarele pentru laminare la rece. Cilindrii pot fi realizaţi din oţel turnat, oţel carbon forjat, fontă cenuşie, fontă semidură, fontă dură sau oţel aliat. Cilindrii pentru laminarea tablelor (la cald sau la rece) pot să aibă o suprafaţă de lucru netedă, cilindrică convexă sau concavă.

3.5.4. Noţiuni de calibrare Pentru laminarea oţelului rotund, a oţelului pătrat, a grinzilor, a şinelor, deci pentru laminarea de profile se folosesc cilindrii a căror tăblie este prevăzută cu adâncituri numite calibre aşa cum rezultă din figura 3.21, unde sunt prezentaţi cilindri de calibrare pentru un profil de şină de cale ferată. Calibrele pot fi deschise

Fig. 3.20. Cilindru cu tăblia dreaptă:

1-tăblie; 2-fus; 3-rozetă [13]

Fig. 3.21. Cilindri calibraţi pentru

laminarea unei şine [15]


76

(fig. 3.22, a), parţial închise, sau închise (fig. 3.22, b). În cazul unei laminări corecte materialul trebuie să umple calibrul pentru a se obţine forma profilului dorit, fără însă a introduce mult material deoarece în acest caz se obţin bavuri.

Prin calibrare se înţelege calculul şi construcţia formelor secţiunilor succesive ale calibrelor, astfel ca plecând de la secţiunea iniţială a semifabricatului să

se ajungă la secţiunea produsului finit. Prin calibrare se urmăreşte: • laminarea cu un număr minim de treceri; • obţinerea cu cât mai puţine defecte a produsului finit; • uzura mică a cilindrilor, etc. În funcţie de destinaţia lor calibrele pot fi degrosisoare, pregătitoare, prefinisoare, finisoare, de spintecare, de profilare etc.

3.5.4.1. Calibrarea blumingurilor şi slebingurilor În afara trecerilor normale printre cilindrii Ia bluming, pentru netezirea feţelor laterale ale semifabricatelor se fac şi treceri de refulare cu răsturnări la 90°. Secţiunile calibrelor în aceste cazuri sunt dreptunghiulare cu laturile laterale aplecate.

3.5.4.2. Calibrarea cajelor degrosisoare trio Sistemul de calibrare folosit la cajele degrosisoare trio este cel în cutie adică în calibre dreptunghiulare, după cum se vede în figura 3.23.

Fig. 3.22. Calibre [15]

Fig. 3.23. Laminarea în calibre cutie cu obţinerea unui pătrat după fiecare două treceri [13]: b1 şi h1-dimensiunile semifabricatului în primul calibru;

Bc şi bc-dimensiunile calibrului corespunzător dimensiunilor primare h1 şi b1


77

3.5.4.3. Calibrarea cajelor pregătitoare Se întâlnesc la laminoarele de profile şi de sârmă. În succesiunea trecerilor prin care se realizează un profil oarecare se deosebesc două etape principale succesive: • obţinerea unei „prize" cu secţiunea pătrată sau dreptunghiulară

necesară obţinerii profilului dorit, prin laminarea lingoului sau semifabricatului;

• laminarea „prizei" obţinute, până la profilul, sârma sau bandă finită.

Prima etapă cuprinde în general trecerile comune pentru un număr mare de profile (sârme, benzi), iar cea de a doua etapă cuprinde trecerile specifice fiecărui profil.

Sistemele cel mai des utilizate de calibre pregătitoare sunt: cutie (calibre dreptunghiulare), romb-pătrat, oval-pătrat, arătat în figura 3.24 (cel mai utilizat) şi hexagon-pătrat.

3.5.4.4. Calibrarea profilelor fasonate

Cele mai cunoscute profile fasonate care se pot obţine prin laminare sunt cornierele cu aripi egale şi neegale, profile Z, profile I, profile U, profilele T, şine de cale ferată. De asemenea, în varietăţi din ce în ce mai mari se laminează profile pentru agricultură, structuri miniere, construcţii de automobile etc. Sunt mai multe variante de calibrare pentru obţinerea

Fig. 3.24. Schema de calibrare în sistemul oval-pătrat [13]

Fig. 3.25. Calibrarea cornierului

de 50x50x5 mm, laminat în calibre deschise [13]


78

cornierelor, cea mai des folosită fiind metoda de calibrare în calibre deschise (fig. 3.25).

3.5.5. Clasificarea laminoarelor Principalele criterii după care se clasifică laminoarele sunt: 1. după metalul sau aliajul prelucrat: -laminoare pentru oţel, Cu, Al,

Zn etc.; 2. după temperatura de lucru: -laminoare pentru prelucrare la cald

şi la rece; 3. după poziţia cilindrilor în cajă: -cu cilindrii orizontali, verticali,

orizontali şi verticali (universale), cu cilindrii dispuşi oblic etc.; 4. după sensul de rotaţie al cilindrilor de lucru: -laminoare

ireversibile şi reversibile; 5. după sistemul de organizare al cajelor de lucru: -cu o singură

caja, cu caje multiple, trenuri de laminare etc.; 6. după destinaţie -degrosisoare (bluminguri etc.), de profile, de

tablă, de ţevi, cu destinaţie specială etc.

Tab. 3.2. Câteva scheme ale cajelor de lucru la unele laminoare uzuale [15]

Schema montării cilindrilor Denumirea cajei de lucru şi principiul funcţional Utilizare

Caja duo-ireversibilă -doi cilindri orizontali situaţi în acelaşi plan vertical. Materialul este trecut printre cilindri pe direcţia I. Se înapoiază peste cilindrul superior pe direcţia II şi e introdus din nou între cilindri

- profile grele (blumuri, grinzi, şine, tablă groasă); - tablă subţire

Caja duo-reversibilă -are

posibilitatea de a inversa sensul de rotaţie al cilindrilor şi de a deplasa cilindrul superior după fiecare trecere cu distanţa e

- laminarea la rece a tablelor şi benzilor

Caja trio -are trei cilindri

orizontali situaţi în plan vertical care laminează materialul in ambele sensuri fără inversarea sensului mişcării de rotaţie a cilindrilor

- grinzi; - şine; - sârme; - blumuri; - profile grele; - table groase, mijlocii şi uneori subţiri


79

3.6. EXTRUDAREA Extrudarea este operaţia de prelucrare plastică a metalelor şi aliajelor prin trecerea forţată a materialului prin împingere printr-un orificiu al unei scule, cu dimensiunile secţiunii transversale mai mici decât cele ale secţiunii materialului iniţial. La acest procedeu deformarea plastică nu se produce deodată în tot volumul materialului, ci pe măsura intrării semifabricatului în zona de deformare. În funcţie de modul sau direcţia şi sensul de curgere al materialului ce se extrudează, extrudarea poate fi: directă (fig. 3.26, a); inversă (fig. 3.26, b); sau combinată (fig. 3.26, c). Extrudarea se poate face la cald sau la rece, în funcţie de posibilităţile de deformare ale materialului. Semifabricatul iniţial 1, de secţiune rotundă, se introduce în camera de presare 2 (fig. 3.26, a şi b). Prin apăsarea cu forţa P asupra poansonului 3, materialul ce se extrudează este forţat să treacă prin orificiul cu secţiunea şi dimensiunile dorite din matriţa 4, rezultând semifabricatul sau piesa finită 5. Pentru fixarea matriţei 4 se foloseşte suportul 6. În cazul extrudării directe direcţia şi sensul de curgere al materialului ce se extrudează sunt aceleaşi cu direcţia şi sensul de deplasare al poansonului. La extruderea indirectă (fig. 3.26, b) materialul curge în sens invers faţă de poanson, iar la extrudarea combinată (fig. 3.26, c) materialul curge simultan, în ambele sensuri. Extrudarea directă se foloseşte, de regulă, în cazul obţinerii unor semifabricate sau profile cu secţiune plină şi în cazul deformării prealabile a lingourilor din oţeluri şi aliaje cu plasticitate redusă.

Fig. 3.26. Procedee de extrudare [15]:

a-extrudare directă; b-extrudare inversă; c-extrudare combinată;

D-diametru iniţial; d-diametru final; Ve-curgerea materialului extrudat.


80

Extrudarea inversă se utilizează mai frecvent în cazul pieselor şi semifabricatelor tubulare, iar cea combinată este impusă de configuraţia anumitor piese. Extrudarea inversă permite să se reducă deşeurile şi forţa de apăsare, deoarece semifabricatul nu mai are o mişcare în raport cu pereţii camerei de presare, nemaiexistând forţe de frecare pe suprafeţele laterale ale semifabricatului. Avantajele extrudării constau în faptul că datorită schemei stării de tensiune de comprimare triaxială există posibilitatea de deformare plastică a metalelor şi aliajelor cu plasticitate redusă; astfel se obţin piese care prin alte procedee nu s-ar putea obţine, mai economice, cu o mare productivitate, precizie şi de o calitate superioară. Dezavantajul principal constă în durabilitatea redusă a matriţelor şi o neuniformitate a deformaţiei mai mare decât în cazul laminării.

3.6.1. Extrudarea la cald Calitatea produselor obţinute prin extrudare precum şi valoarea forţelor de extrudare este influenţată în cea mai mare măsură de neuniformitatea deformaţiei şi anume cu cât ea este mai accentuată cu atât calitatea produselor este mai slabă şi cu atât forţele de extrudare sunt mai mari.

3.6.1.1. Neuniformitatea deformaţiei Poate fi pusă în evidenţă şi determinată prin metoda reţelei rectangulare care constă în extrudarea unei epruvete formate din

doi semicilindri (fig. 3.27) şi care pe suprafaţa de contact au o reţea rectangulară formată din canale. Între semicilindru cu reţea şi cel fără reţea se unge o unsoare care să nu permită sudarea sau lipirea semicilindrilor în timpul extrudării. După extrudare aspectul şi dimensiunile de bază ale reţelei rectangulare deformate arată ca cea din figura 3.28. După extrudare se constată o deformare neuniformă atât în direcţie

Fig. 3.27. Epruvete pentru

determinarea neuniformtiăţii deformaţiei [13]


81

longitudinală cât şi în direcţie transversală. Distanţa dintre liniile transversale ale fostei reţele rectangulare este, pe porţiunea extrudată, mai mică în capătul epruvetei din faţă şi mai mare spre capătul din spate, deci se observă o deformare longitudinală neuniformă. De asemenea se vede că după extrudare, liniile paralele rectangulare se curbează (în mijlocul secţiunii deformate, deformarea e mai mare), deformarea pe porţiunea extrudată fiind mai mică spre capătul din faţă a epruvetei, faţă de capătul din spate. Neuniformitatea deformaţiei, în direcţie transversală, este maximă la periferie şi minimă în zona axială. Cu cât este mai mare deformaţia neuniformă, cu atât mai mare va fi neuniformitatea proprietăţilor la un produs extrudat. Este deci necesar ca neuniformitatea deformaţiilor să fie cât mai mică.

3.6.1.2. Factorii care influenţează neuniformitatea deformaţiei la extrudare

Neuniformitatea deformaţiei este influenţată de mai mulţi factori:

1. valoarea şi natura forţelor ce se dezvoltă în timpul extrudării; 2. diferenţa de temperatură între sculă şi material; 3. valoarea forţelor de frecare exterioare; 4. ungerea; 5. forma suprafeţelor de lucru a sculelor.

1. Aceste forţe sunt compuse din: • forţa S necesară învingerii rezistenţei proprii a metalului în

condiţiile stării de tensiune liniară, adică forţa necesară deformării materialului, fără a ţine seama de condiţiile de frecare exterioare;

• forţa Q echivalentă cu forţele de frecare exterioare dintre materialul ce se extrudează şi suprafaţa de lucru a sculelor (poanson, matriţă etc.).

QSP += (3.24) Neuniformitatea deformaţiei poate fi micşorată prin:

Fig. 3.28. Reţea rectangulară deformată prin

extrudare [13]


82

• reducerea la minimum a forţelor de frecare exterioare dintre materialul ce se extrudează şi scule (↓Q);

• prin creşterea forţei necesară învingerii rezistenţei de deformare plastică în timpul extrudării reducându-se temperatura de încălzire (↑S);

În practică cel mai des se foloseşte prima metodă, a doua se aplică numai în cazurile când dorim piese cu o neuniformitate a deformaţiilor cât mai mică. Valoarea presiunii cu care poansonul trebuie să apese asupra semifabricatului ce urmează a fi extrudat este:

1

0c A

AlnDL1Cp ⋅

⋅+⋅⋅= µσ (3.25)

în care: σc-reprezintă rezistenţa materialului la deformare plastică (limita de curgere a materialului) în condiţiile date; µ-coeficientul de frecare exterioară; L şi D-lungimea şi respectiv diametrul semifabricatului iniţial; A0 şi A1-suprafaţa semifabricatului înainte şi după extrudare; C-coeficientul ce ţine seama de forma matriţei. Forţa necesară extrudării F se determină din relaţia: ApF ⋅= (3.26) unde A este aria transversală a părţii active a poansonului. 2. Cu cât este mai mare această diferenţă cu atât este mai mare neuniformitatea deformaţiei şi aceasta datorită schimbului mare de căldură ce se face între material şi sculă, (în comparaţie cu zona centrală), materialul fiind mai rece la periferie. Pentru eliminarea acestui factor lingourile ce se extrudează se pot încălzi neuniform, adică cu o temperatură mai ridicată spre exteriorul lingoului sau se pot încălzi sculele de lucru, încălzirea sculelor de lucru este limitată la 700÷800 K, datorită modificării caracteristicilor mecanice ale acestora. Deoarece uneori temperatura sculelor nu trebuie să depăşească 400 K, în timpul extrudări acestea se răcesc cu apă. 3. Cu cât valoarea forţelor de frecare dintre sculă şi material este mai mică, cu atât şi neuniformitatea deformaţiei este mai mică. Valoarea forţelor de frecare depinde de gradul de prelucrare a suprafeţelor sculelor de lucru precum şi de calitatea lubrifiantului. 4. Deoarece valoarea forţelor de frecare exterioare este influenţată mult de ungere, aceasta influenţează şi neuniformitatea deformaţiei. Scăderea valorii forţei de extrudare în cazul folosirii lubrifianţilor se datoreşte faptului că lubrifiantul se depune sub formă de pelicule pe suprafaţa semifabricatului. Sunt cazuri când


83

îndepărtarea lubrifiantului de pe suprafaţa piesei obţinute se face foarte greu şi de aceea în cazul extrudării aluminiului nu se foloseşte ungerea. Lubrifianţii pot fi împărţiţi în două mari categorii: lubrifianţi pentru extrudarea la cald (care pot fi pentru metale şi aliaje neferoase şi pentru oţeluri) şi lubrifianţii pentru extrudarea la rece.

În componenţa amestecurilor de ungere pentru extrudarea metalelor, a oţelurilor pentru piese mici, cu plasticitate ridicată intră grafitul şi uleiul mineral. Sticla se foloseşte ca lubrifiant pentru extrudarea lingourilor şi a semifabricatelor mari, precum şi a pieselor mici din oţeluri mediu şi bogat aliate. În tabelul 3.3 se arată influenţa ungerii cu sticlă asupra neuniformităţii deformării cât şi a forţei de extrudare, din care rezultă că neuniformitatea deformaţiei şi forţa totală de extrudare sunt mult mai mici în cazul folosirii sticlei ca lubrifiant. Compoziţia chimică a sticlei folosite în primul caz este: 60% SiO2; 15% CaO; 15% Na2O; 3% Al203; 3% B203 şi 4% alte elemente. 5. Suprafaţa de lucru a poansonului, poate fi plată (cilindrică) şi conică (fig. 3.29 şi fig. 3.30). Neuniformitatea

Tab. 3.3. Influenţa ungerii la extrudare asupra neuniformităţii deformaţiei [13]

Ungerea Deformarea reţelei rectangulare Variaţia forţei

Sticla

Grafit cu sticlă solubilă

Fără ungere


84

deformaţiei este mai mare în cazul folosirii poansoanelor plate, obţinându-se însă suprafeţe mai curate. Un poanson pentru extrudare are trei părţi (fig. 3.31): zona de prindere 1, corpul poansonului 2 şi zona activă 3. Matriţele pentru extrudare se arată în figura 3.32.

Fig. 3.29. Forma zonei active la

extrudarea directă: a-plată; b-conică [13]

Fig. 3.30. Forma zonei active [13] la extrudarea inversă: a-conică; b-plată

Fig. 3.32. Matriţe pentru extrudare: a-directă; b-inversă; 1-con de deformare; 2-cilindru de calibrare; 3-cilindru de ieşire;

4-inel de ghidare [13]

Fig. 3.31. Poanson pentru

extrudare:1-zonă de prindere; 2-corpul poansonului; 3-zona

activă [13]

Fig. 3.33. Influenţa conicităţii matriţei asupra uniformităţii curgerii materialului la

extrudarea directă [13]


85

Influenţa unghiului α asupra neuniformităţii deformaţiei se vede în figura 3.33 unde, prima bară a fost extrudată într-o matriţă cu unghiul α mic, iar în continuare, unghiul α creşte continuu. Cu cât unghiul α creşte (2α=180°) cu atât neuniformitatea deformaţiei creşte.

3.6.2. Extrudarea la rece Prin extrudarea la rece se obţin numai piese finite cu diametrul cuprins între 5 şi 150 mm, iar lungimea între 5 şi 1200 mm. Avantajele extrudării la rece sunt: • obţinerea pieselor cu toleranţe foarte restrânse; • piesele au suprafeţe curate; • oţelul (materialul din care este confecţionată piesa) se durifică,

deci se măreşte rezistenţa la rupere. Se consideră ca neraţionale şi neeconomice extrudarea oţelurilor la care forţa totală de extrudare raportată la suprafaţa poansonului depăşeşte valoarea de 200÷220 daN/mm2, iar pentru o trecere nu se permit deformări mai mari de 25%. De aceea extrudarea la rece se aplică, în afara metalelor neferoase, numai oţelurilor cu puţin carbon, pentru piese mai simple.

3.6.2.1. Operaţiile pregătitoare pentru extrudarea la rece a. Recoacerea de înmuiere care se aplică în cazul pieselor dificile sau atunci când semifabricatul este ecruisat. b. Curăţirea oxizilor care se face în băi decapante, în tobe de sablaj sau prin aşchiere. c. Spălarea se face cu apă, cu scopul de a îndepărta resturile de soluţie, de la baia de decapare. d. Degresarea pentru înlăturarea grăsimilor, în cazul când semifabricatele au fost unse cu grăsimi sau uleiuri, şi care se realizează ţinând semifabricatul 10÷15 min în baia de degresare, încălzită la temperatura de 340÷350 K. e. Neutralizarea se face într-o baie care conţine 50 g/l sodă şi 10 g/l săpun cu scopul de a neutraliza acizii care eventual au rămas pe semifabricate în urma decapării. f. Ungerea, se face cu scopul de a reduce forţele de frecare exterioare.


86

3.6.3. Fazele extrudării Procesul de extrudare are loc în trei faze distincte:

• faza 1 (fig. 3.34, a), în care se presează semifabricatul până la începutul curgerii materialului prin orificiul de calibrare. Forţa necesară extrudării creşte brusc de la zero la o valoare maximă necesară curgerii plastice a materialului (fig. 3.35).

• faza 2 (fig, 3.34, b) se realizează curgerea metalului prin orificiul matriţei până cînd hs>hcr (hs-înălţimea; hcr-înălţimea semifabricatului hs pentru care forţa de deformare este minimă). Această fază durează până când forţa de deformare ajunge la valoarea minimă (fig. 3.35);

• faza 3 (fig. 3.34, c) forţa de deformare începe iar să crească (fig. 3.35).

3.7. TREFILAREA Trefilarea este procedeul de deformare plastică a materialelor realizat la rece prin care se obţin sârme cu diametrul mai mic de 5 mm şi constă în tragerea sârmei laminate printr-o filieră cu diametrul mai mic decât diametrul sârmei. Trefilarea se aplică deoarece prin laminare nu se pot obţine sârme cu diametrul mai mic de 5 mm. De obicei se aplică mai multe trageri pentru a se obţine sârma dorită, orificiile micşorându-se treptat, iar valoarea reducerii de secţiune la fiecare trecere depinde de natura materialului, instalaţia de lucru etc. Prin trefilare se pot obţin sârme din oţel moale cu diametrul de până la 0,12 mm, sârme de cupru de 0,03 mm. Din oţel de

Fia. 3.34. Fazele procesului de extrudare:

a-faza 1; b-faza 2; c-faza 3 [13]

Fig. 3.35. Variaţia forţei cu cursa

pistonului la extrudare directă: [13] a-faza 1; b-faza 2;

c-faza 3


87

creuzet se pot fabrica sârme cu diametrul de 0,03 mm. Sârme de platină se obţin cu diametrul foarte mic (0,00075 mm), prin acoperirea acesteia, la începutul tragerii cu un strat de Ag, care după trefilare, prin dizolvare în acid sulfuric se îndepărtează. După compoziţia chimică a oţelurilor sârmele pot fi clasificate în: • sârme de oţel carbon obişnuit cu conţinut redus de carbon

(0,05÷0,16%); • sârme de oţel cu conţinut mare de carbon (până la 1,4% C) din

care se fabrică ace de cusut, sârme pentru arcuri, sârme pentru coarde de pian, sârme pentru cabluri;

• sârme de oţel aliat, la care elementele de aliere influenţează asupra proprietăţilor sârmei, cum ar fi spre exemplu creşterea lui σr şi σc prin alierea cu cupru.

Tragerea este procedeul de deformare plastică a materialelor prin care se obţin, fără încălzirea materialelor, bare, ţevi sau sârme şi constă în trecerea forţată a materialului printr-o matriţă a cărei secţiune este mai mică decât secţiunea iniţială a materialului. Prin tragere se obţin diferite profile de oţel şi de metale neferoase cum ar fi cele din cupru şi aliaje de cupru, din aluminiu şi aliaje de aluminiu etc. Principalele avantaje ale tragerii constau în faptul că asigură obţinerea unor produse cu dimensiuni precise, de dimensiuni foarte mici, cu suprafeţe calitativ bune, şi atunci când dorim putem avea suprafeţele produselor ecruisate (fără să mai tratăm termic), aşa cum se procedează în cazul sârmelor pentru arcuri. Tragerea se aplică, după cum am precizat, la obţinerea sârmelor care nu se pot obţine prin laminare, precum şi la realizarea ţevilor cu pereţi subţiri, pentru obţinerea unor profile cu dimensiuni precise, cu calitatea suprafeţei ridicată, precum şi pentru obţinerea profilelor speciale (fig. 3.36).

Fig. 3.36. Profile executate

prin tragere [13]


88

3.7.1. Forţa de tragere, coeficientul de tragere, calculul numărului de treceri

Experimental s-a determinat forţa necesară tragerii: ( ) ]daN[AACF 10m −⋅⋅= σ (3.27) unde F-forţa de tragere; σm-rezistenţa medie la deformarea materialelor [daN/mm2]; C-constantă care depinde de unghiul deschiderii filierei (2α) şi coeficientul de frecare între metal şi filieră şi care este cuprins între 1,20÷3. Coeficientul de tragere K, se determină deoarece cu ajutorul acestuia se poate calcula numărul de treceri necesare pentru a se ajunge de la diametrul iniţial al sârmei d0 la diametrul final dn. Sub acţiunea forţei F, materialul pe secţiunea egală cu secţiunea iniţială a materialului minus secţiunea filierei, este, supus la compresiune, iar pe secţiunea egală cu secţiunea filierei, este supus tracţiunii. Forţa de compresiune Fc este:

( ) c21

20c dd

4F σπ

⋅−⋅= (3.28)

iar forţa de tracţiune Ft:

t21t d

4F σπ

⋅⋅= (3.28)

Tragerea are loc când forţa de tracţiune (Ft) va depăşi forţa de compresiune (Fc), adică: ct FF > (3.29) La echilibru:

( ) c21

20t

21 dd

4d

4σπσπ⋅−⋅=⋅⋅ (3.30)

sau: ( ) ( ) c

20ct

21c

21

20t

21 dd;ddd σσσσσ ⋅=+⋅−=⋅

( ) Kdd

ct

c20

21 =

+=

σσσ

(3.31)

unde K este coeficientul de tragere. Calculul numărului de treceri, se face pe baza relaţiei (3.31): Kdd 01 ⋅=

Se consideră cu aproximaţie KK ≅ :


89

0n

n

03

23

02

12

01

dKd..

dKdKddKdKd

dKd

⋅=

=⋅=

=⋅=

⋅≅

Prin logaritmarea ultimei relaţii obţinem: 0n0n dlndlnKlnn;dlnKlnndln −=+= de unde numărul de treceri:

Kln

dlndlnn 0n −= (3.32)

3.7.2. Factorii care influenţează procesul de trefilare 1. Forţa şi respectiv puterea necesară trefilării trebuie să fie cât mai mică, economisindu-se astfel energia şi micşorându-se instalaţiile respective. Prin micşorarea forţei de trefilare, creşte durata de lucru a filierelor şi deci reducerea timpilor necesari schimbării filierelor, precum şi îmbunătăţirea calitativă a produselor. 2. Numărul de treceri, pentru reducerea totală a secţiunii trebuie să fie cât mai mic. Reducerea numărului de treceri este limitată de rezistenţa de rupere a materialului şi de ecruisare. Forţa de trefilare trebuie să provoace în material tensiuni care să nu depăşească rezistenţa de rupere a acestuia. Gradul de tensionare în procente este:

[%]100ar

T ⋅=σσ

(3.33)

unde σT-tensiunea din material provocată de forţa de trefilare, σr-rezistenţa de rupere a materialului. S-a constatat că valoarea lui a n-a depăşit 75% datorită defectelor inevitabile de material, a repartiţiei neuniforme a tensiunilor, a şocurilor la pornirea maşinilor de trefilat. În practică se acceptă o reducere maximă de 40% din secţiunea iniţială a sârmei.


90

3. Materialul sârmei trefilate influenţează forţa de trefilare care creşte odată cu rezistenţa materialului. 4. Viteza de trefilare foarte mare micşorează rezistenţa la rupere. Rezultă deci că vitezele mari de trefilare sunt necesare, însă creşterea vitezelor este legată de posibilităţile constructive ale maşinilor. Aceste maşini trebuie să permită o posibilitate de trecere treptată la viteze maxime, să fie prevăzute cu dispozitive speciale de cuplare, să evite trepidaţiile, să asigure protecţia muncii.

5. Reducerea de secţiune influenţează randamentul lucrului mecanic de deformaţie la trefilare (fig. 3.37). La început randamentul lucrului mecanic de deformaţie la trefilare creşte odată cu creşterea gradului de reducere după care rămâne aproape constant. 6. Unghiul de deschidere a filierei (2α), aşa cum rezultă din figura 3.38, influenţează procesul de trefilare. Randamentul maxim al lucrului mecanic de deformaţie la trefilare este maxim pentru unghiul de deschidere a filierei egal cu 10÷12°. 7. Materialul filierei exercită o influenţă directă asupra mărimii forţei de trefilare (fig. 3.39). Cu cât filierele au o mai mare duritate cu atât randamentul lucrului mecanic de deformaţie este mai mare. De aceea, în aceleaşi condiţii de trefilare, la filierele confecţionate din oţel aliat cu wolfram, călite şi în special la filierele din aliaje dure, forţa de trefilare necesară este cu mult mai mică decât la o filieră din oţel necălit. Forţa de tracţiune poate fi redusă cu 40÷50% folosind filiere de calitate. 8. Lubrifiantul, influenţează forţa de tracţiune la trefilare alegându-se în funcţie de suprafaţa materialului de trefilat şi de

Fig. 3.37. Influenţa reducerii de secţiune asupra randamentului

lucrului mecanic de deformaţie la trefilare [13]

Fig. 3.38. Influenţa unghiului de deschidere a filierei (2σ) asupra

randamentului lucrului mecanic de deformaţie la trefilare [13]


91

viteza de trefilare. Lubrifiantul cel mai bun pentru toate unghiurile de deschidere a filierei este săpunul praf uscat, urmat de uleiul de răpiţă

9. Temperatura de trefilare influenţează, aşa cum se vede în figura 3.40 procesul de trefilare. 10. Prin rotirea filierelor se influenţează pozitiv procesul de trefilare şi anume: la o turaţie de 3300 rotaţii pe minut forţa de trefilare scade cu 75%, suprafaţa sârmei obţinute este mai netedă şi mai uniformă, secţiunea sârmei are ovalizări mai mici, filierele durează mult mai mult. În cazul filierelor rotative, acestea se curăţă mai bine de praf metalic, se face o lubrifiere mai bună şi se uzează mai puţin. Cu toate avantajele arătate, din cauza dispozitivelor complicate pentru imprimarea mişcării de rotaţie, acest procedeu nu s-a putut extinde prea mult.

3.7.3. Influenţa trefilării asupra caracteristicilor mecanice, tehnologice, a proprietăţilor fizice şi chimice

În urma trefilării materialul se ecruisează, întărindu-se puternic. Sunt afectate în mod deosebit proprietăţile mecanice. Rezistenţa la rupere, limita de elasticitate şi limita de curgere a materialelor trefilate pentru oţelurile cu un conţinut redus de carbon cresc brusc (fig. 3.41).

Fig. 3.40. Influenţa temperaturii de

trefilare asupra randamentului lucrului mecanic de deformaţie la

trefilare [13]

Fig. 3.39. Influenţa durităţii filierei

asupra randamentului lucrului mecanic la deformaţie la trefilare[13]

Fig. 3.41. Curbe caracteristice pentru oţel înainte şi după trefilare [13]: a-înainte de

trefilare; b-după trefilare


92

Rezistenţa la compresiune se măreşte de asemenea cu reducerea secţiunii şi cu unghiul de deschidere a filierei. Duritatea în urma trefilării creşte în întreaga secţiune şi poate fi considerată aceeaşi în toată secţiunea, cu excepţia unei zone periferice foarte mici unde este mai mică. Duritatea maximă se obţine la o distanţă de 1,5÷2,5 mm de la suprafaţa materialului trefilat.

Rezilienţa este o caracteristică dependentă de duritatea materialului obţinută după trefilare; scade cu creşterea reducerii de secţiune şi cu creşterea unghiului de deschidere a filierei. Numărul de îndoiri repetate la care rezistă un material trefilat depinde de conţinutul de carbon. Din figura 3.42 rezultă că atunci când se doreşte a se obţine sârme care să reziste la un mare număr

de îndoiri repetate, trefilăm sârme cu 0,7% carbon. Conductivitatea este influenţată de trefilare, scăzând după primele treceri. Influenţa trefilării asupra conductivităţii devine importantă în special, în cazul sârmelor utilizate în telecomunicaţii.

Permeabilitatea magnetică este puternic influenţată de trefilare (fig. 3.43); după trefilare cu mai multe treceri permeabilitatea scade. Structura se modifică de la prima trecere şi anume grăunţii de ferită ai oţelului cu conţinut mic de carbon, suferă o deformare longitudinală. La trecerile următoare deformarea longitudinală se accentuează, în

final având aspectul de fibre. Modificări analoge suferă şi grăunţii de sorbită. Greutatea specifică scade în funcţie de reducerea de secţiune.

Fig. 3.42. Influenţa trefilării asupra rezistenţei sârmelor în funcţie de

numărul de îndoiri repetate: a-material netrefilat; b-material

trefilat [13]

Fig. 3.43. Influenţa trefilării asupra

permeabilităţii magnetice [13]


93

3.7.4. Operaţii pregătitoare trefilării Sârma laminată, care se foloseşte ca materie primă la trefilare, are la suprafaţă un strat de oxizi format prin încălzirea oţelului pentru laminare cât şi în timpul tratamentului termic. Oxizii de pe sârma laminată, neîndepărtaţi înaintea trefilării, la trecerea sârmei prin filieră o uzează, scoţând-o în scurt timp din funcţiune. Din acest motiv arsura trebuie îndepărtată înainte de trefilare. Operaţiile pregătitoare pentru trefilare prezintă o anumită ordine cronologică: 1. Decaparea poate fi: -mecanică, care constă în curăţirea sârmei şi se realizează în mai multe feluri (cu role, prese, izbire, prin sablare cu nisip trimis cu aer comprimat sau cu perii rotative); -termică care se realizează încălzind sârma şi răcind-o apoi cu apă (sârma şi arsura au coeficienţi de contracţie diferiţi); -electrolitică şi chimică care poate fi acidă şi bazică. Decaparea acidă se face în acid sulfuric sau acid clorhidric, când sunt atacaţi oxizii de fier (FeO, Fe203, Fe30,), formându-se nămolul care cade la fundul băii de decapare. Decaparea bazică se realizează în săruri bazice cum ar fi soda caustică. 2. Spălarea sârmei se face cu apă pentru a îndepărta urmele de acid după scoaterea sârmei din bazinul de decapare şi eventualul strat de oxid care mai există. 3. Tratamentele speciale se aplică sârmelor care urmează a fi arămite, lustruite, zincate etc., între spălare şi neutralizare. Tratamentele speciale mai frecvent folosite sunt: -decaparea mecanică suplimentară; -arămirea prealabilă, (care se realizează într-o baie acidulată de sulfat de cupru); -îngălbenirea care se realizează cu scopul de a se îmbunătăţi condiţiile de lubrifiere a sârmelor ce vor fi trase de mai multe ori prin filieră, lăsând sârma după spălare 15÷30 min în aer liber (pentru a îngălbeni sârmele, instalaţiile moderne sunt realizate dintr-o cameră de ceaţă, în care se introduce apă pulverizată amestecată cu o mică cantitate de aer). 4. Neutralizarea cu var într-o baie încălzită la 400 K urmăreşte îndepărtarea urmelor de acid rămase pe sârme după decapare şi spălare, formarea unui strat protector care să împiedice ruginirea sârmei până la începerea trefilării şi în fine formarea unui strat care să asigure împreună cu lubrifiantul întrebuinţat o bună lubrifiere a sârmei Ia trefilare.


94

5. Uscarea sârmei este ultima operaţie înaintea trefilării, prin care se urmăreşte uscarea substanţei de neutralizare, se împiedică ruginirea sau oxidarea. Uscarea sârmei contribuie la eliminarea hidrogenului difuzat în interiorul sârmei în timpul decapării. Sârma se usucă în cuptoare de uscare, în care este ţinută aproape jumătate de oră la o temperatură de 300÷350 K.

3.7.5. Instalaţii de trefilare Sârma se desfăşoară de pe o vârtelniţă sau de pe un dispozitiv fix şi se înfăşoară după reducerea secţiunii, în colaci sau în bobine. Clasificarea maşinilor de trefilat se face după diferite criterii, dintre care mai importante sunt: • după numărul de treceri care are loc într-o singură operaţie:

maşini de trefilat (cu o singură trecere singulare) şi maşini multiple de trefilare;

• după diametrul sârmei de trefilat: maşini de trefilat sârmă foarte groasă (peste 6 mm), groasă (6÷3 mm), mijlocie (3÷1,8 mm), subţire (1,8÷0,8 mm), foarte subţire (0,8÷0,5 mm) şi fină (mai mică de 0,5 mm).

Maşina de trefilat singulară se reprezintă în figura 3.44. Sârma de trefilat se desfăşoară de pe dispozitivul de desfăşurare, se introduce în sensul săgeţii în filiera de tras montată în suportul 2 şi se înfăşoară pe toba 3 acţionată de motorul 6 prin intermediul cutiei de viteză 5. În cazul când maşina se va folosi ca o maşină intermediară în grupul de trefilat, pentru trecerea sârmei la maşina următoare de trefilat se foloseşte desfăşurătorul

4. Maşinile de trefilat cu o singură trecere, sunt utilizate de regulă numai pentru trefilarea sârmei foarte groase şi groase. Maşinile multiple de trefilat (orizontale sau verticale) se folosesc la trefilarea celorlalte categorii mai subţiri de sârme (în afara sârmelor foarte groase şi groase). În aceste cazuri firul de sârmă trece în mod succesiv prin mai multe filiere, înfăşurându-se şi desfăşurându-se în acelaşi timp pe toate tobele de tras care

Fig. 3.44. Schema părţilor

principale ale unei maşini simple de trefilat: 1-batiu; 2-suport filieră; 3-tobă; 4-desfăşurător; 5-cutie de

viteză; 6-motor [13]


95

antrenează sârmă. Astfel, fără a fi necesară scoaterea sârmei de pe tobă, se poate realiza un număr mare de reduceri de secţiune. Maşina multiplă de trefilat pe orizontală reprezintă un grup de maşini de trefilat cu 5 trageri în serie folosind ca lubrifiant praful de săpun (fig. 3.45). Maşinile fiind antrenate de motoare de cca 18÷22 kW pot realiza trefilarea sârmelor de oţel cu conţinut redus de carbon, cu diametrul cuprins între 28 şi 3 mm, din sârmă laminată cu diametrul de 6 mm, cu viteza de 2,4 m/sec la toba finală.

Sârma laminată sau trefilată intermediar şi pregătită pentru trefilare, este aşezată pe vârtelniţa 1 şi apoi trecută peste desfăşurătorul 2 şi introdusă în filiera montată prin suportul 5 al maşinii de trefilat 3 acţionată de motorul 4. Sârma trasă prin filieră şi înfăşurată pe tobă este trecută apoi peste rola de trecere 6 la maşinile următoare în acelaşi mod. La ultima maşină sârma trefilată este scoasă de pe tobă cu ajutorul macaralei 7.

3.7.6. Filierele Procesul de trefilare este mult influenţat de calitatea materialului filierei. Filierele în funcţie de materialul din care sunt executate pot fi: • forjabile (din oţel cu 2% C, 10÷15% Cr); • neforjabile care la rândul lor pot fi: din fontă specială, de înaltă

rezistenţă, în special cu adaos de crom (3% C, 0,25% Mn, 1% Si, 2% Cr);

• din pietre naturale dure (în special de diamant) folosindu-se la diametre mai mici de 0,4 mm;

Fig. 3.45. Grup de trefilat cu 5 trageri în serie: 1-suport colaci; 2-desfăşurător;

3-maşină de trefilat; 4-motor; 5-suport filieră; 6-rolă de trecere; 7-macara scoatere colaci


96

• din aliaje dure (cca 8% Co, 87% W, 5% C). Filierele turnate sunt formate din carburi de wolfram şi de molibden. Filierele din metal dur se întrebuinţează până la 0,4 mm. Pentru sârme cu rezistenţe de rupere mari se utilizează filierele călite. La tragerea barelor sau a ţevilor, se folosesc matriţe cu duritatea suprafeţei orificiului de tragere de cca 60÷65 HRC. Această duritate se poate mări prin cromare, cementare sau prin recăliri repetate.

Executarea orificiului filierei se poate realiza prin simplă găurire în cazul filierelor din oţel sau aliaj dur şi prin ultrasunete sau electroeroziune în cazul filierelor din diamant. Zonele principale ale unei filiere sunt (fig. 3.46): conul de intrare 1, care are rolul de a face o trecere lentă a suprafeţei sârmei spre filieră; conul de ungere 2, care asigură lubrifierea sârmei. În această zonă se formează şi apoi se antrenează filmul de lubrifiant; conul de lucru 3, este partea

principală a filierei. Lungimea conului de lucru se numeşte lungimea de reducere; ghidajul, partea cilindrică 4, asigură uniformitatea dimensională a materialului şi durata de lucru a filierei, uzura acesteia influenţând direct dimensiunile produsului; conul de degajare 5, are drept scop evitarea ruperii muchiei filierei, cât şi împiedicarea ruperii materialului la ieşire din filieră datorită revenirii elastice a acesteia; conul de ieşire 6 determină repartizarea solicitărilor în interiorul materialului filierei. În felul acesta se evită suprasolicitarea unor părţi din muchiile filierei. De asemenea conul de ieşire împiedică ruperea materialului la ieşirea din filieră (datorită revenirii elastice a acestuia). Filierele executate din materiale scumpe, pentru economie, se fac din două bucăţi aşa cum se vede în figura 3.47.

Fig. 3.46. Filieră: 1-con de intrare; 2-con

de ungere; 3-con de lucru; 4-ghidaj (partea cilindrică); 5-con de degajare; 6-con de ieşire; 2σ-unghiul conului de lucru (unghiul de tragere); β-unghiul

conului de degajare; γ-unghiul conului de ieşire [13]


97

Matriţele (fig. 3.48) folosite pentru tragerea barelor şi a ţevilor (în cazul semifabricatelor cu diametrul iniţial mai mare de 10 mm) diferă constructiv de filierele normale.

Recondiţionarea filierelor se realizează în scopul de a se aduce filiera la dimensiunile iniţiale, în urma uzurii acesteia, prin batere cu ciocanul în jurul găurii de ieşire a sârmei din filieră. Deoarece după mai multe bateri la rece materialul filierei se ecruisează

(devenind dur şi fragil) putându-se fisura, după două, trei bateri la rece se face o batere la cald. După batere se recomandă să se realizeze o recoacere de detensionare. Înainte de a fi scoase din uz filierele pot fi bătute de cca 200 ori. Filierele din fontă sau din oţel ovalizate, se pot recondiţiona, mărindu-se gaura ovalizată şi apoi se pot refolosi pentru un alt calibru. Pentru găurirea, rodarea şi lustruirea filierelor se folosesc maşini speciale. Lubrifierea, aşa cum se ştie are un rol important în procesull trefilării. După natura lubrifiantului trefilarea poate fi: • cu lubrifiant solid, aplicată la fabricarea sârmelor mai groase, la

care pentru micşorarea frecării se foloseşte un lubrifiant solid compus din seu, var, talc şi hidrat de sodiu, prin care trece sârma înainte de trefilare;

• cu lubrifiant lichid, la care pentru micşorarea frecării se foloseşte un lubrifiant pe bază de făină de secară şi săpun dizolvate în apă, pe bază de soluţie de ulei solubil în apă şi altele.

În procesul de trefilare prin lubrifiere se urmăreşte:

Fig. 3.47. Filieră compusă: 1-filieră detaşabilă; 2-suportul

filierei [13]

Fig. 3.48. Matriţe din oţel pentru tragere [13]: 1-pentru bare rotunde; 2-pentru ţevi rotunde


98

• interpunerea între pereţii filierei şi sârmei a unei pelicule de lubrifianţi uşurând astfel trecerea sârmei;

• protejarea suprafeţei sârmei; • prin interpunerea peliculei între sârmă şi filieră se împiedică

sudarea între acestea; • răcirea filierei şi a sârmei; • evitarea încălzirii la suprafaţa sârmei în cazul oţelurilor cu

conţinut mare de C care prin răcire bruscă (datorită metalului învecinat rece), formează martensita (foarte fragilă) şi astfel poate duce la ruperea materialului.

3.8. FABRICAREA ŢEVILOR Tehnologiile de fabricare a ţevilor depind de felul produselor obţinute şi care pot fi:

1. ţevi fără cusătură; 2. ţevi sudate.

3.8.1. Ţevi fără cusătură Ţevile fără cusătură se pot obţine prin laminare, presare, forjare, extrudare. Laminarea este procedeul cel mai economic pentru producerea ţevilor. Procesul de laminare a ţevilor fără sudură, cuprinde două faze:

• obţinerea eboşei (o ţeava cu pereţi groşi) din lingou sau din ţaglă care se realizează la laminoarele perforatoare;

• prelucrarea eboşei pentru a obţine o ţeava cu pereţi subţiri.

Laminoarele perforatoare, folosite în prima fază pentru obţinerea eboşei, sunt formate din doi cilindrii, bitronconici, ale căror axe formează între ele un unghi oarecare şi care se învârtesc în acelaşi sens, spre deosebire de celelalte laminoare de care am amintit în paragrafele anterioare. Lingoul sau ţagla se introduce între cilindrii în sensul deschiderii lor axiale, iar după trecerea prin zona de perforare semifabricatul întâlneşte un dorn montat pe o tijă. Procedeul de găurire prin laminare, ca cel

Fig. 3.49. Laminare cu rotirea ambilor cilindri

în acelaşi sens: C1, C2-cilindri;

M-materialul [13]


99

aplicat la laminoarele perforatoare pentru fabricarea ţevilor cu pereţi groşi se bazează pe următoarele principii: • dacă între doi cilindri (fig.

3.49) C1 şi C2 care se rotesc în acelaşi sens se introduce un material M, cu axa paralelă cu axa cilindrilor, acesta datorită cuplului format de forţele F, se va roti în sens contrar sensului de rotaţie al cilindrilor;

• în cazul cilindrilor bitronconici, în prima zonă de deformare, cu cât materialul va fi introdus mai mult între cilindrii cu atât viteza materialului va fi mai mare deoarece diametrul cilindrilor este mai mare, iar în felul acesta partea de la suprafaţa materialului se va alungi mai mult, iar interiorul rămâne în urmă, în partea centrală a materialului realizându-se o gaură.

Figura 3.50 prezintă schema perforării eboşei, care se realizează conform principiilor arătate mai sus. Deci semifabricatul are o mişcare de rotaţie de avans, iar în partea centrală a acestuia se formează „gaura". Materialul în starea în care s-a arătat mai sus intră în zona de laminare şi întâlneşte un dorn montat pe o tijă. Aici materialul este laminat între dorn şi cilindrii de laminor, diametrul dornului măreşte gaura produsă şi totodată o netezeşte şi o egalează formându-se profilul interior al ţevii, iar subţierea se face de către cilindrii de laminor şi dorn. Se poate spune că procesul de laminare la laminoarele perforante cuprinde două faze principale (fig. 3.51): • în prima fază se micşorează

diametrul barei şi începe să ia naştere gaura. Zona în care are loc micşorarea diametrului barei se numeşte

Fig. 3.50. Forma cilindrilor la laminorul perforator pentru eboşe cu pereţi groşi: 1-cilindrii; 2-semifabricat; 3-dorn montat

pe tija de laminare; a-conul de perforare; b-porţiunea de calibrare;

c-conul de laminare; d-conul de evacuare [13]

Fig. 3.51. Zonele de deformaţie în

procesul de laminare la laminoarele perforatoare [13]


100

prima zonă de deformaţie; • în faza a doua gaura continuă să se mărească datorită laminării ţevii între cilindri, iar diametrul se măreşte. Porţiunea în care se produce mărirea diametrului se numeşte a două zonă de deformaţie.

3.8.1.1. Fabricarea ţevilor cu pereţi subţiri Ţevile cu pereţi subţiri se pot obţine, aşa cum s-a arătat mai sus din ţevi cu pereţi mai groşi (eboşe) sau prin procedee directe de fabricare a ţevilor cu pereţi subţiri, din materiale negăurite anterior cum ar fi ambutisarea şi extrudarea. Procedeele de obţinere a ţevilor cu pereţi subţiri din ţevi cu pereţi groşi sunt: 1. laminarea pe bară se realizează cu ajutorul cilindrilor cu pas de pelerin care au calibru

variabil (fig. 3.52). Pe această secţiune se poate vedea existenţa a trei zone: • zona a având un calibru de secţiune maximă lasă materialul

liber atunci când trece deasupra acestuia; în această perioadă materialul înaintează în sens contrar mişcării cilindrilor cu cca 10÷30 mm;

• zona b este zona de prelucrare, secţiunea calibrului este din ce în ce mai redusă; la un moment dat, în această zonă, secţiunea calibrului îngustându-se prinde semifabricatul şi îl subţiază până la secţiunea minimă, antrenându-l în sens invers al înaintării acesteia;

• zona c este zona de finisare cu secţiunea calibrului minimă constantă, în cursul căreia are loc netezirea materialului la secţiunea dorită.

Semifabricatul (ţeava brută) care se prelucrează face mereu o mişcare de du-te vino (fig. 3.53). La fiecare rotaţie secţiunea cilindrului variază de la un maxim la un minim. Diametrul interior al ţevii este stabilit de o bară de calibrare care se mişcă împreună cu ţeava. Laminarea pe bară se recomandă mai ales pentru obţinerea ţevilor cu diametrul mai mare (se pot obţine ţevi cu diametre între 40÷500 mm şi cu grosimi de 4÷40 mm.

Fig. 3.52. Secţiune prin cilindrul cu

pas de pelerin [13]


101

2. laminarea pe dorn (fig. 3.54) se poate realiza în două feluri când: • materialul (ţeava brută) trece prin mai multe calibre circulare a

unor laminoare duo, până la cota finală; • laminarea se poate realiza pe

un calibru dar cu dornuri având diametre tot mai mari şi cu recoaceri intermitente.

În al doilea caz grosimea peretelui ţevii devine tot mai subţire, iar diametrul exterior rămâne neschimbat. Dornul 2 nu înaintează cu bara de calibrare, ca în cazul laminării pe bară. 3. laminarea radială se realizează în laminoare cu mai mulţi cilindrii (fig. 3.55). Cilindrii sunt dispuşi radial cu axele înclinate faţă de axa materialului şi sunt în perechi. Cilindrii exteriori sunt într-o poziţie fixă, iar cei interiori deplasabili. 4. laminoarele reducătoare cu cilindri bitronconici (fig. 3.56) servesc la lungirea semifabricatelor perforate şi transformarea lor în ţeavă prin reducerea grosimii pereţilor. Se folosesc în special la fabricarea

Fig. 3.53. faze ale procesului de

laminare pe bară: 1-eboşă; 2-dornul de laminare; 3-cilindri [13]

Fig. 3.54. Laminarea pe dorn:

a-ţeava; 2-dorn; 3-bara dornului; 4-cilindrii [13]

Fig. 3.55. Aranjarea cilindrilor pentru laminarea radială: 1 cilindri mobili; 2-cilindi fixi ;3-ţeava de subţiat [13]


102

ţevilor de oţel de calitate superioară. Cilindrii de lucru nu au axele paralele ci înclinate. Perforarea se realizează cu un dorn între doi cilindri de lucru 1 şi 2. Instalaţia mai are doi cilindri în formă de disc 3 şi 4, cu canal la periferie. Toţi patru cilindri, aşa cum se vede în figura 3.56, formează un profil închis.

5. tragerea ţevii prin calibrare pe un dorn se face în două metode distincte: • în prima metodă se aplică

forjarea (deformarea plastică după încălzirea metalului) pentru obţinerea ţevilor groase. Dornul 1 este introdus în matriţă prin lovire. Se pot realiza ţevi groase şi scurte pornindu-se de la ţagle pătrate încălzite la temperatura de forjare şi forjate în matriţe, cu secţiune rotundă (fig. 3.57). Prin acelaşi procedeu se pot

realiza ţevi cu forma exterioară de rozetă pornind de la bare rotunde.

• a doua metodă presupune presarea materialului; se aplică pentru a se obţine ţevi tot cu pereţi groşi însă mai lungi (fig. 3.58). Folosind acest procedeu se pot realiza, prin presarea ţaglelor pătrate cu ajutorul dornurilor în matriţe, ţevi deschise sau ţevi cu fund.

Fig. 3.56. Laminor reducător cu

cilindrii bitroconici [13]: 1, 2-cilindrii de lucru; 3, 4-cilindrii în formă de

disc

Fig. 3.57. Procedeul de obţinere a

ţevilor scurte şi groase prin forjare: [13] 1-dorn; 2-ţaglă; 3-matriţă

Fig. 3.58. Schema de perforare a

semifabricatelor la prese [13]: a-începutul perforării; b-terminarea

perforării


103

6. ambutisarea este procedeul de obţinere a ţevilor subţiri fără găurirea materialului (fig. 3.59); se aplică pentru fabricarea ţevilor scurte şi groase pornindu-se de la platine circulare (discuri). Prin acest procedeu se fabrică tuburi şi rezervoare pentru gaze (ex. butelii de oxigen). În fig. 3.59 se vede procesul de fabricare a ţevilor prin ambutisare: platina 1 este ambutisată cu ajutorul dornului 2 obţinându-se o ţeava groasă şi scurtă 3, care este supusă din nou altor ambutisări cu dornuri mai înguste şi mai lungi, formându-se în final ţeava cu pereţi subţiri.

3.8.2. Ţevi cu sudură Ţevile sudate, adică ţevile de oţel cu sudură se fabrică din acelaşi tip de semifabricat, benzile, după următoarele etape: formarea ţevii şi sudarea longitudinală. Procedeul de formare a ţevii constă în îndoirea unei benzi de oţel fie uniform pe toată lungimea, în care caz generatoarea de-a lungul căreia este necesară sudura este dreaptă, fie răsucită elicoidal, în care caz sudura de încheiere se face după o linie elicoidală. Sudarea se poate realiza prin unul din următoarele procedee: electric prin rezistenţă, cu arc electric sub strat de flux sau în mediu protector de gaze, prin inducţie. În figura 3.60 este reprezentată succesiunea operaţiilor de deformare pentru obţinerea ţevilor sudate longitudinal. În poz. 12, este reprezentată etapa de sudare electrică prin rezistenţă, executată longitudinal. Ţeava 1, ieşită din instalaţia de formare, este strânsă între două role laterale 2, astfel încât cele două margini ale benzii să se atingă. Printr-un sistem de role de cupru 3, legate în circuitul secundar al unui transformator puternic coborâtor de tensiune 4, se lasă să treacă prin locul de îmbinare un curent electric cu intensitatea foarte mare. Datorită rezistenţei electrice de contact materialul se încălzeşte local şi sub acţiunea apăsării puternice P, marginile benzii se sudează.

Fig. 3.59. Procesul de obţinere a tablelor groase prin ambutisare: 1-platină; 2-dorn; 3-ţeavă [13]


104

Fig. 3.60. Obţinerea ţevilor sudate

longitudinal: 1÷11-succesiunea operaţiilor de deformare, 12-sudarea

electrică prin rezistenţă [15]

Fig. 3.61. Obţinerea ţevilor sudate elicoidal [15]: 1-bandă

rulată; 2-matriţă


105

Formarea ţevilor sudate elicoidal se face plecând tot de la o bandă, care este împinsă într-o instalaţie de formare, compusă dintr-o matriţă alcătuită la rândul ei dintr-un bloc metalic cu o suprafaţă curbă, sau, dintr-o serie de role decalate între ele (fig. 3.61). Sudarea ţevii se realizează cu arc electric sub strat de flux, la interior şi la exterior, lucru necesar datorită grosimii mari a benzii.

CAP3_vol2

Documents

Transcript of CAP3_vol2