Skripta - Proizvodne Tehnologije (TPO)

ФАКУЛТЕТ ИНЖЕЊЕРСКИХ НАУКА КРАГУЈЕВАЦ

Др Србислав Александровић, ред. проф.

ПРОИЗВОДНЕ ТЕХНОЛОГИЈЕ (Технологија пластичног обликовања) Скрипта

2011.год.

1

1. TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG DEFORMISANJA − UVODNE DEFINICIJE I NAPOMENE Naziv (sinonimi): −OBRADA METALA DEFORMISANJEM (OMD), −TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG DEFORMISANJA (TPD), −TEHNOLOGIJA PLASTIČNOG OBLIKOVANJA (TPO), −PLASTIČNO DEFORMISANJE METALA (PDM), −TEHNOLOGIJA PLASTIČNOSTI …. METAL FORMING (eng.), UMFORMUNG (UMFORMTECHNIK) (nem.), ОБРАБОТКА МЕТАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (рус.) Tehnologija plastičnog deformisanja (TPD) metala obuhvata procese kod kojih se pod dejstvom dovoljno velikog opterećenja ostvaruje plastična deformacija, odnosno trajno menja oblik polaznog materijala. Polazni materijal je polufabrikat u obliku: limova, ploča, cevi, punih profila itd. Po svojoj prirodi deformacije se dele na: −elastične (postoje samo pod odgovarajućim opterećenjem, prestankom opterećenja nestaju), −plastične (suprotno od elastične, prestankom opterećenja ostaju trajno). Više od 80% svih metalnih materijala u ranijoj ili kasnijoj fazi prerade biva obrađeno nekim od postupaka TPD. Osnovna osobina TPD jeste očuvanje neprekidnosti strukture oblikovanog materijala uz poboljšanje karakteristika čvrstoće i nepromenljivost zapremine. Glavne prednosti TPD: −izuzetno dobre mehaničke karakteristike dobijenih delova koji se koriste kod najtežih opterećenja i na najodgovornijim mestima, −relativno jednostavna i brza izrada delova čak i kod složenih geometrija i većih dimenzija, −visok stepen iskorišćenja materijala, −niža cena izrade proizvoda, −relativno niži utrošak energije po jedinici mase komada, −veliki broj delova je moguće proizvesti isključivo postupcima TPD Nedostaci TPD: −puna ekonomska opravdanost i izraziti rezultati najčešće u uslovima serijske, velikoserijske i masovne proizvodnje, −teškoće pri obradi materijala sa vrlo niskom polaznom plastičnošću (na pr. neki visokolegirani čelici), −pojava velikih sila i pritisaka tokom pojedinih procesa oblikovanja što otežava i poskupljuje izradu alata i zahteva mašine velike snage. Najvažnije oblasti primene: −industrija svih vrsta vozila, brodova, aviona i drugih letilica, mašina, alata i uređaja, −izrada vezivnih elemenata: vijci, navrtke, čivije, osovinice itd., −izrada rezervoara, sudova, konzervi i druge ambalaže, −izrada elemenata u građevinarstvu (krovne i zidne konstrukcije itd.), −izrada delova u elektrotehnici i elektronici, −izrada ručnog alata i hirurških instrumenata, −vojna industrija. S. Aleksandrović - Proizvodne tehnologije

2

Da bi se materijal mogao prerađivati, potrebno je primenom opterećenja dovesti ga u stanje plastičnog tečenja. Potrebnu silu i energiju ostvaruju mašine za plastično deformisanje: prese za obradu lima, kovačke prese, mašine za savijanje itd. Neposredno oblikovanje izvodi se u alatu koji se montira u radnom prostoru mašine. Za uspešnu praktičnu realizaciju procesa TPD potrebno je ovladati: − procesom oblikovanja (osobine materijala komada, naponsko−deformaciono stanje, brzine, ojačanje, deformabilnost, trenje, parametri procesa itd.), − alatom (konstrukcija, izrada, eksploatacija), − mašinom (parametri za izbor, tačnost itd.) −vezom sa okruženjem (transport, automatizacija, ekološki zahtevi, reciklaža otpada itd.). Istorijat: prva pojava oko 5000.g. PH (arheološki nalazi), prvi pisani trag Homerova ILIJADA (kovanje bronzanog oružja za Ahila), vučenje žice (200 g.), valjanje (1500g.), duboko izvlačenje (1600g.), …. danas kompjuterske tehnologije daju novu dimenziju TPD (modeliranja i simulacije, upravljanja, virtuelna proizvodnja…). 1.1 Podela postupaka OMD PLASTIČNO DEFORMISANJE METALA PRIMARNA OBRADA U HLADNOM STANJU VALJANJE

SEKUNDARNA OBRADA U HLADNOM STANJU

U TOPLOM STANJU KOVANJE

VUČENJE

OBRADA RAZDVAJANJEM Odsecanje na makazama

Polufabrikati: limovi, ploče, gredice, profili, cevi, žica, ostalo.

Razdvajanje na presama: -prosecanje, -probijanje... FINO RAZDVAJANJE Ostalo

OBLIKOVANJE LIMA SAVIJANJE: -na presama, -na valjcima, -ostalo.

Duboko izvlačenje bez promene debljine Izvlačenje sa stanjenjem

U TOPLOM STANJU

ZAPREMINSKO OBLIKOVANJE SABIJANJE KOVANJE: -slobodno, -u alatima (na presama, na čekićima, na specijalnim mašinama).

ISTISKIVANJE: -istosmerno, Razna oblikovanja: -suprotnosmerno, -sužavanje, -kombinovano. -proširivanje, -razvlačenje, Utiskivanje -ostalo. Kalibrisanje Ostalo

Sl.1 Moguća podela TPD na razne postupke S. Aleksandrović - Proizvodne tehnologije

Nekonvencionalni postupci Razdvajanje laserom Rotaciono izvlačenje

Hidraulična oblikovanja Visokobrzinsko oblikovanje Superplastično oblikovanje Oblikovanje ultrazvukom Mikro deformisanje

Ostalo

3

2. TEORIJSKE OSNOVE POSTUPAKA OMD (TPD) Plastično deformisanje metala odvija se pod dejstvom odgovarajućeg spoljašnjeg opterećenja koje izaziva unutrašnje napone i trajnu promenu oblika polaznog materijala. Ukupna deformacija je rezultat plastične deformacije svakog pojedinačnog kristalnog zrna materijala, koje međusobno ne moraju da budu jednake. Raspodela deformacija po zapremini komada može biti veoma različita što zavisi od tipa i uslova oblikovanja. Pri obradi deformisanjem ne smeju se prekoračiti vrednosti graničnih iznosa deformacije, jer se u protivnom razara struktura materijala ili pojavljuju drugi neprihvatljivi defekti. Takođe se ne smeju prekoračiti intenziteti kontaktnih napona jer može doći do oštećenja alata. Zbog toga se za svaku tehnološku metodu OMD izvodi proračun komponenti napona i deformacija, zatim proračun deformacionih sila i rada. Ovi parametri neophodni su za pravilno dimenzionisanje alata i izbor odgovarajućih mašina. Tokom plastičnog deformisanja materijal menja svoju strukturu, što za posledicu ima promenu mehaničkih svojstava u smislu povećanja čvrstoće i žilavosti. Za analizu i prethodnu procenu navedenih pojava kod TPD neophodno je poznavanje osnovnih teorijskih relacija baziranih na mehanici kontinuuma odnosno teoriji plastičnosti. 2.1 PRETPOSTAVKE U TPD Da bi se matematičko−fizička interpretacija veoma složenih zavisnosti pojednostavila i učinila praktičnijom za razumevanje i primenu, uvode se pretpostavke koje često nisu sasvim realne ali (uz prihvatljivu grešku) daju rešenja za važne parametre procesa. a) hipoteza o homogenosti elastično−plastičnog tela (zanemaruje se stvarna diskretna, kristalna, struktura metala). b) hipoteza o prirodnom naponskom stanju (pre početka deformisanja nema unutrašnjih napona ili su uravnoteženi). c) izotropnost strukture materijala (realni materijali imaju različita svojstva u raznim pravcima po zapremini). d) Idealizacija elastičnih i plastičnih svojstava (sl. 2.1). e) nepromenljivost zapremine. σ

σ

σ

a)

0

b)

ε

ε

0

σ

c)

ε

0

σ

d) 0

ε

e) 0

ε

Sl. 2.1 Idealizacija elastično−plastičnih svojstava materijala S. Aleksandrović – Proizvodne tehnologije

4

2.2 NAPONI Naponsko stanje u bilo kojoj tački naregnutog tela određeno je tenzorom napona:

⎡σx ⎢ Tσ = ⎢τ yx ⎢ τ zx ⎣

τ xy σy τ zy

τ xz ⎤ ⎡σ1 ⎥ τ yz ⎥ = ⎢ 0 ⎢ ⎥ σ z ⎦ ⎢⎣ 0

0 σ2 0

0⎤ 0⎥ ⎥ σ 3 ⎥⎦

σ−normalni naponi; τ −tangencijalni naponi σ1> σ2 >σ3 −glavni normalni naponi (deluju u ravnima u tangencijalnih napona)

kojima

nema

Srednji (hidrostatički) napon:

σm =

1 (σ1 + σ 2 + σ3 ) 3

Ovaj vrednost predstavlja intenzitet napona ravnomernog pritiska ili zatezanja u posmatranoj tački i definiše tzv. sferni tenzor napona (Tσs).

⎡σ m T =⎢ 0 ⎢ ⎢⎣ 0 s σ

0 σm 0

0⎤ 0⎥ ⎥ σ m ⎥⎦

Tσ = Tσs + D σ

gde je Dσ − devijator tenzora napona

Proces plastičnog deformisanja izvodi se upravo pod dejstvom devijatora tenzora napona dok tzv. sferni deo tenzora u tom smislu nije značajan. Efektivni (ekvivalentni) normalni napon:

σe =

2 2

(σ1 − σ 2 )2 + (σ 2 − σ3 )2 + (σ3 − σ1 )2

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

S. Aleksandrović – Proizvodne tehnologije

5

2.2.1 Vrste naponskih stanja i njihove mehaničke šeme

Sl. 2.2 Šeme različitih naponskih stanja

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

εe =

2 3

(ε1 − ε 2 )2 + (ε 2 − ε 3 )2 + (ε 3 − ε1 )2

Ova veličina je pogodan reprezent deformacionog stanja. U praktičnim izračunavanjima vrednosti deformacija izražavaju se preko pokazatelja. S. Aleksandrović – Proizvodne tehnologije

6

Sl. 2.3 Idealno deformisanje paralelopipeda

Pokazatelji deformacije: − apsolutna deformacija

Δl = l1 − l 0 ,mm

−relativna (jedinična) deformacija: ε =

Δl , l0

−deformacija površine (proširenje ili suženje):

−prirodna (logaritamska) deformacija:

ϕ = ln

ψ=

ΔA , A0

l1 . l0

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

V = l 0 b 0 h 0 = l1b1h 1 = const. l1 b1 h 1 = 1 i logaritmovanjem konačno: ϕ1 + ϕ 2 + ϕ3 = 0 l0 b0 h 0 2.3.1 Deformaciona stanja i njihove šeme

Sl. 2.4 Šeme deformacionih stanja S. Aleksandrović – Proizvodne tehnologije

7

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

a) i b)−ravanska naponska stanja, c)−ravansko deformaciono stanje

Sl. 2.5 Primeri naponsko−deformacionih stanja

2.4 BRZINA DEFORMACIJE I BRZINA DEFORMISANJA I brzine su tenzorske veličine (tenzori drugog reda kao naponi i deformacije) ali ovde će se dati samo vrednosti na makro nivou. Razlikujemo brzinu deformisanja (brzina kretanja izvršnog elementa mašine, v, mm/s) i & , s −1 ). brzinu deformacije (promena deformacije u jedinici vremena, ϕ

ϕ& =

dϕ dl v = = dt ldt l

l, mm−trenutna dimenzija zapremine koja se deformiše,

dl = v , mm / s −brzina deformisanja. dt 2.5 VEZA IZMEĐU NAPONA I DEFORMACIJA U oblasti elastičnosti postoji linearna jednoznačna veza između napona i deformacija definisana poznatim Hukovim (Hooke) zakonom. U oblasti plastičnosti ta zavisnost je složena i nelinearnog karaktera. Pri veoma malim deformacijama pravi se analogija sa elastičnim deformisanjem i to su Levi−Mizesove jednačine (Levy−Misses). Značajne su pri teorijskim razmatranjima i numeričkim simulacijama procesa deformisanja.

S. Aleksandrović – Proizvodne tehnologije

8

2.6 USLOVI PLASTIČNOSTI Pod dejstvom spoljašnjeg opterećenja polazni materijal (polufabrikat) se u prvoj fazi deformiše elastično, a onda u kritičnom trenutku počinje ostvarivanje procesa plastičnog oblikovanja, koji traje sve do konačne promene oblika. Da bi se ostvario prelaz iz elastičnog u plastično deformisanje , potrebno je da budu ispunjeni određeni uslovi u pogledu intenziteta i međusobnog odnosa napona koji deluju po zapremini tela.

K σ

K σ σ=

RP0,2

T

F A0

−tehnički napon.

Stvarni napon:

Idealno plastičan materijal

0

σ1 =

F = K = σe A

ε

Sl. 2.6 Stvarni i tehnički napon pri jednoosnom zatezanju

Ilustrativno je pratiti prelaz iz oblasti elastičnosti u oblast plastičnosti na primeru jednoosnog zatezanja (sl. 2.6). On se dešava u tački T kad tehnički, odnosno glavni normalni napon, dostigne vrednost granice tečenja RP0,2 (ili Re). Glavni normalni napon, kao jedini stvarni napon, ujedno predstavlja efektivni napon i napon tečenja, odnosno deformacioni otpor (deformacionu čvrstoću) K. NJegov intenzitet raste sa porastom plastične deformacije (efekat ojačavanja). Deformacioni otpor (napon tečenja, deformaciona čvrstoća) jednak je ekvivalentnom (efektivnom) naponu σe tokom plastičnog deformisanja. U uslovima jednoosnog naponskog stanja σe je jednako glavnom normalnom (σ1), odnosno stvarnom naponu (F/A). 2.6.1 Energetski uslov plastičnosti Poznat je i kao Mizesov kriterijum plastičnosti (Misses) i važi u opštem slučaju prostornih naponskih stanja. Počiva na sledećoj energetskoj hipotezi: da bi otpočelo plastično deformisanje u napregnutom telu, količina unutrašnje energije elastične promene oblika, po jedinici zapremine, treba da dostigne jedan kritičan iznos u datim uslovima (temperatura, brzina, stepen deformacije). Ova energija ne zavisi od naponsko−deformacionog stanja, već isključivo od svojstava materijala. Konačna forma ovog uslova može se dati preko sledećeg izraza:

σe =

2 2

(σ1 − σ 2 )2 + (σ 2 − σ3 )2 + (σ3 − σ1 )2

=K

S. Aleksandrović – Proizvodne tehnologije

9

što praktično znači da plastično deformisanje počinje kad efektivni napon dostigne vrednost deformacionog otpora. Zavisnost deformacionog otpora od plastične deformacije određuje se najčešće eksperimentalno pri jednoosnom zatezanju ili pritiskivanju. 2.6.2 Uslov najvećeg smičućeg napona Poznat je pod nazivom kriterijuma Treska (Tresca) i glasi: da bi otpočeo proces plastičnog deformisanja maksimalni smičući napon u materijalu treba da dostigne odgovarajuću kritičnu vrednost.

τ max = K S = const.

τ max = ±

σ1 − σ 3 = τ13 2

KS −smicajni deformacioni otpor (može se odrediti čistim smicanjem)

Pri jednoosnom zatezanju σ 2 = σ 3 = 0 Konačno:

σ1 − σ 2 K = , odnosno 2 2

i σ1 = K pa je: τ max =

K = KS 2

σ max − σ min = K

Znači, prema ovom uslovu, da bi otpočelo plastično deformisanje u opštem slučaju naponsko−deformacionog stanja, potrebno je da maksimalni smičući napon dostigne polovinu vrednosti deformacione čvrstoće. S druge strane, a sobzirom da se τmax izražava preko normalnih napona, može se reći da, prema uslovu najvećeg smicajnog napona, plastično deformisanje nastupa kad razlika između najvećeg i najmanjeg glavnog normalnog napona dostigne vrednost deformacionog otpora. 2.7 DEFORMACIONO OJAČANJE I KRIVE OJAČANJA Tokom procesa deformisanja sa povećanjem ostvarene plastične deformacije raste napon tečenja potreban da se proces nesmetano odvija. Karakteristike plastičnosti i žilavosti opadaju, dok su svojstva čvrstoće u porastu. Materijal se opire deformisanju i u skladu sa njegovim osobinama treba delovati sve većim i većim deformacionim silama. Upravo taj efekat izraženog porasta napona tečenja sa povećanjem plastične deformacije praćen padom plastičnosti materijala predstavlja deformaciono ojačanje. Najbolji način za kvantifikovanje tog procesa je preko krivih ojačanja. Efekat ojačanja zavisi od: a) vrste (hemijski sastav) i osobina materijala (stanje strukture), b) brzine deformacije, c) temperature obrade. 2.7.1 Hladno i toplo deformisanje Egzaktno posmatrano, deformisanje je u hladnom stanju ako je temperatura obrade niža od temperature rekristalizacije (T> K . Tada važi da je smicajni napon usled trenja:

τ k = μ ⋅ K , gde je μ koeficijent trenja. Prema hipotezi maksimalnog smičućeg napona τ max = 0,5K pa je očigledno najveća vrednost koeficijenta trenja μ=0,5. 2) Normalni napon u kontaktu je manji od deformacione čvrstoće, σ