Ambutisarea cu diferenierea temperaturii semifabricatului

IntroducereRezistenta la deformare reprezint rezistenta care o opun materialele supuse prelucrrii plastic prin presiune. Un material metalic se va deforma cu att mai uor cu cat rezistenta sa la deformare este mai mica. Pentru ca rezistenta la deformare sa fie cat mai mica trebuie create condiii ca la nivelul reelei cristaline a materialului metalic supus deformrii sa se realizeze o uoara deplasare a dislocaiilor indiferent de densitatea lor i de blocrile existente intre dislocaii. Creterea rezistentei la deformare se datoreaz in mare parte fenomenului de ecruisare. Modificrile structurale pe care le sufer materialele metalice in timpul deformrii lor, conduc la variaia proprietarilor fizico-mecanice ale acestora. Daca prin deformare se obine o cretere a proprietatilor de rezistenta a materialelor metalice, se considera ca respectivul material a suferit un proces de ecruisare. Starea de ecruisare se datoreaz frnarii deplasrii dislocaiilor, gradul de ecruisare crescnd odat cu mrirea gradului de deformare. Din punct de vedere practic, ecruisarea are o importanta deosebita dar trebuie inut cont ca o ecruisare exagerata conduce la pierderea proprietatilor de plasticitate ale materialului metalic, producndu-se fisurarea sau chiar distrugerea lui. Ecruisarea exagerata poate fi evitata prin nclzirea materialului pana la o temperatura la care structura revine la starea iniiala de echilibru. Acest procedeu poarta denumirea de recoacere de recristalizare. Expresia generala a rezistentei la deformare (p): p=K+q (1) K- rezistenta la deformare naturala a materialului metalic corespunztoare unei strii de tensiune liniara (depinde de prop. materialului) q- componenta rezistentei la deformare datorita efectului condiiilor de frecare. Rezistenta la deformare fiind influenata de urmtorii factori:

Condiiile de frecare; Compoziia chimica a materialului supus deformrii; Temperatura de deformare; Viteza de deformare; Gradul de deformare; Forma sculelor de deformare;

Schema strii de tensiune;

Influenta temperaturii semifabricatului in deformarea plasticaTemperatura de deformare influeneaz rezistenta la deformare att prin intermediul componentei K (in msura mai mare) cat i prin intermediul componentei q (in msura mai mica). Prin creterea temperaturii de deformare, rezistenta la deformare scade att datorita micorrii componentei K ca urmare a creterii plasticitii cat i datorita micorrii componentei q ca urmare a reducerii coeficientului de frecare. In cazul unor anumite materiale metalice nsa, datorita complexitii procesului de deformare i al transformrilor de faze ce au loc in timpul nclzirii, rezistenta la deformare in anumite intervale de temperatura poate sa i creasc. Astfel in cazul otelurilor (fig. 1) creterea temperaturii pana in jurul a 250-300C produce mrirea rezistentei la deformare ca urmare a apariie proceselor de durificare prin precipitare1 dup care ridicarea in continuare a temperaturii produce o scdere continua a rezistentei la deformare.

V ariatiarezistentei la deform are80 60 40 20 0 0C 200 C 400C 600 C 800 C

1000C

1200C

Fig. 1 Variaia rezistentei la deformare (exprimata prin rezistenta la rupere) in funcie de temperatura de deformare a unui otel carbon.

1

tratamentul termic care const n nclzirea materialului la o temperatur sub curba solvus pentru a obine o stare structural mai aproape de echilibru

Ambutisarea cu diferenierea temperaturii semifabricatuluinclzirea semifabricatului se face cu scopul mririi plasticitii i reducerii rezistenei la deformare realizndu-se astfel o adncime mare de ambutisare. In acest scop se poate nclzi ntreg semifabricatul sau doar zonele n care intervin deformaii plastice mari astfel fiind economisita energie iar anumite zone, unde rezistena materialului trebuie mrit, pot fi meninute la temperaturi sczute. nclzirea local se face cu ajutorul unor instalaii de nclzire electrice, cuprinse ntre placa de ambutisat i inelul de reinere sau chiar conectnd semifabricatul intre doi electrozi (fig. 2). Rcirea zonei centrale a semifabricatului se realizeaz prin intermediul poansonului care este racordat la un circuit de rcire cu lichid,dar i prin placa activa (fig. 3) asigurnd astfel rezisten sporit materialului, n locurile in care fora de deformare poate produce fisuri. nclzirea i rcirea materialului in presa economisete timp in procesul tehnologic deoarece clirea materialului are loc in aceeai operaie cu ambutisarea.

Fig. 2 nclzirea semifabricatului Evoluia analizei cu element finit din ultimele decenii a dezvoltat o tehnica uzual folosita in simularea deformrii plastice a materialelor. Autenticitatea rezultatelor analizei element finit cu cele experimentate practic a adus numeroase inovaii in domeniul deformrii plastice

contribuind de asemenea i la creterea preciziei prelucrrilor. Astfel fiind posibila ambutisarea mai adnca in acelai tip de semifabricat evitndu-se subierea excesiva a pereilor. Inevitabil nevoia de perfecionare conduce spre eficienta maxima, in domeniul ambutisrii aceasta fiind raportul minim dintre diametrul unui semifabricat i diametrul unui poanson care l poate ambutisa pe o adncime cat mai mare fara a-l distruge. S-a ajuns la concluzia ca procesul de ambutisare poate fi analizat in 5 regiuni diferite (fig. 4):I. II. III. IV. V.

Deformare plastica sub aciunea elementului de reinere Alungirea peretelui lateral pe raza plcii active Poziiile U i N sunt punctele critice in care tensiunea de deformare este cea mai ridicata Alungire a peretelui pe raza poansonului Deformare plastica prin presare

Fig. 3 Rcirea semifabricatului

Fig.4 Ambutisarea adnca a unui cilindru (a) faza iniiala (b) faza intermediara Prin modificarea temperaturii semifabricatului pe zonelor de ambutisare se poate optimiza piesa finita (fig. 5).

Fig. 5 Deformarea in condiiile: (a) T poanson=Tpl=180 (b) T poanson=180C Tpl=25C

Metode de nclzire a semifabricatului nclzirea semifabricatului prin rezistenta electrica Foile de tabla pot fi nclzite folosind rezistenta electrica (fig. 2). Principalul avantaj al electricitii este rapiditatea, putnd fi sincronizata cu presa. Foaia de tabla este nclzita prin trecerea unui curent electric prin doi electrozi care servesc i ca elemente de reinere, ambutisarea avnd loc imediat fara a scdea temperatura. Distribuia cldurii in foaia de tabla este cat se poate de uniforma (fig. 6) iar pentru o foaie cu dimensiunea de 130/80mm este suficient un voltaj de 10V i o rezistenta de 1m. Temperatura la care ajunge foaia de table este de 81030C in doar 2 secunde

Fig. 6 Distribuia temperaturii intr-o foaie de tabla de dimensiunea 130/80mm nclzita electric nclzirea semifabricatului folosind unda laser Unda laser este folosita in industrie de cteva decenii in care a primit o atenie tot mai mare datorita avantajelor economice dar i celor tehnologice. In ultimul timp se depun eforturi de a combina deformarea plastica i nclzirea folosind laserul. Procesul deformrii plastice asistat de unda laser consta in nclzirea zonei de deformare cu un fascicul laser astfel incat coeficientul de ambutisare al materialului sa fie mrit. Calitatea piesei prelucrate poate fi de asemenea crescuta sczndu-i-se rugozitatea dar i precizia de prelucrare In figura 7 este exemplificat un proces de deformare plastica de precizie in care semifabricatul este nclzit printr-o unda laser. Diametrul poansonului este de 4mm, raza poansonului 0.002mm, jocul pe raza 0.002mm, grosimea materialului 0.5mmsi diametrul semifabricatului 20mm.

Fig. 7 nclzirea semifabricatului cu unda laser

Influenta temperaturii la ambutisarea duraluminiului AA2024 Aliajul de aluminiu 2024 are o mare rspndire in industria aeronautica deoarece prezint o rezistenta ridicata att la deformare cat i la oboseala. Dup tratamentul termic adecvat se obine un material aproape de echilibru structural nsa avnd o flexibilitate sczuta. Acest lucru ngreuneaz prelucrarea fcnd aproape imposibila obinerea unor piese cu forme complexe prin metodele clasice de prelucrare. Astfel, piese cu perei subiri sunt prelucrate prin aschere din blocuri solide de metal indepartandu-se pana la 90% din material ridicnd costurile de producie dar i energia consumata. Ca i la majoritatea aliajelor metalice creterea ductilitii (fig. 8) se poate realiza prin creterea temperaturii, nsa ambutisarea cu nclzirea semifabricatului este rareori folosita deoarece microstructura dorita este deformata astfel pierzndu-se calitatile mecanice. Mai mult de att daca tratamentul termic este aplicat dup prelucrare piesele tind sa isi piard forma. Recent o noua tehnica, presarea la cald i clirea in prese rcite, a fost dezvoltata. Ideea de baza consta in (I) nclzirea semifabricatului pana la temperatura la care are loc tratamentul termic, temperatura la care rezistenta la deformare este minima, i (II) simultan se va ambutisa i cli semifabricatul folosim prese rcite. Piesa ambutisata se va pstra timp de 5-6 secunde in presa pentru a reduce temperatura la aproximativ 100C unde microstructura se va stabiliza obinndu-se rezistenta maxima.funcie de temperatura pentru aliajul de aluminiu 2024

Fig. 8 Coeficientul de ambutisare in

Fig. 9 Rezultatele deformrii (a)450C (b) 493C

Fig. 10.Examinarea incluziunilor i a precipitaiei la temperaturi diferite

Ambutisarea cu diferenierea temperaturii semifabricatului in industria auto In industria constructoare de autovehicule este tot mai necesara reducerea greutii produselor pentru a imbunatati consumul de carburant dar totodat este nevoie de o cretere a rezistentei materialelor pentru a spori sigurana. Astfel a fost introdusa ambutisarea cu nclzire a semifabricatului in 1977 de Plannja, o companie Suedeza care producea pnze pentru ferstru i lame pentru maini de tuns iarba. In 1984 Saab Automobile (fig. 11) a fost primul productor de vehicule care a adoptat elemente de caroserie din hotel clit pentru modelul Saab 9000. Piesele obinute prin aceasta metoda au crescut de la 3 milioane buc./an in 1987 la 8 milioane buc./an in 1997. Din anul 2000 piesele obinute prin ambutisare cu diferenierea temperaturii semifabricatului au devenit tot mai utilizate ajungnd la 107 milioane buc./an in 2007 fiind folosite pentru construirea ntregului asiu (fig. 12).

Fig. 11 Modelul Saab 9000 din anul 1984

Fig. 12 asiu maina 2007

Procesul de ambutisare cu nclzirea semifabricatului este folosit in prezent in doua modalitati: metoda de ambutisare directa i indirecta Metoda directa (fig. 13a) consista in:1. nclzirea semifabricatului 2. Transferul in presa 3. Ambutisarea 4. Clirea

Metoda indirecta (fig. 13b) consta in:1. Ambutisare pariala la rece 2. nclzirea semifabricatului 3. Transferul in presa 4. Ambutisare 5. Clire

Fig. 13 Procedeu de ambutisare cu diferenierea temperaturii semifabricatului Marca de otel cea mai utilizata la acest tip de ambutisare este 22MnB5- Otel cu bor calibil, avnd compozitia chimica C (%)0.200 - 0.250 Mn (%)1.10 - 1.40 P (%) 0.025 S (%) 0.008 i (%)0.15 - 0.35 Al (%) 0.015 Ti (%)0.020 - 0.050 B (%)0.0020 - 0.0050. Livrat materialul prezint o microstructura ferito-perlitica cu o duritate de aproximativ 600 MPa iar dup procedeul de ambutisare cu nclzirea semifabricatului microstructura devine martensitica cu o duritate de aproximativ 1500 MPa (Fig. 14). Pentru a obine aceasta microstructura i duritate semifabricatul livrat trebuie nclzit la 950C pentru cel Putin 5 minute dup care este ambutisat i rcit in acelai timp intr-o presa rcita cu apa timp de 5-10 secunde. In urma contactului dintre semifabricatul fierbinte i presa rece, metalul este clit rezultnd microstructura martensitica i duritatea ridicata.

Fig. 14 Starea materialului 22MnB5