Képlékenyalakítás. Anyagismeret. Dr. Orbulov Imre Norbert Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Átírás

1 Képlékenyalakítás Anyagismeret Dr. Orbulov Imre Norbert Anyagtudomány és Technológia Tanszék

2 Miről lesz ma szó? Képlékenyalakítás fogalma Képlékenyalakítás technológiái Szabadalakító- és süllyesztékes kovácsolás Hengerlés Folyatások Lemezalakító technológiák Speciális alakító technológiák Képlékenyalakítás gépei

3 Képlékenyalakítás Képlékenység: maradó alakváltozás anélkül, hogy az atomok közötti kötés felszakadna Képlékeny alakítás: Új geometriai alakra hozás A test tömege változatlan marad (többé-kevésbé) Az anyagfolytonosság nem szakad meg Viszonylag nagy alakváltozás, ipari folyamat Cél: Alakadás Tulajdonságok megváltoztatása

4 Alapfogalmak Képlékeny alakítás célja: Alakadás (másolás és generálás) Tulajdonságok befolyásolása σ kp, TTKV, K Ic Termomechanikai eljárás Melegalakítás (T>T rekriszt, T>0,6T/T olv ) Félmeleg alakítás (T T rekriszt, 0,3T/T olv <T<0,6T/T olv ) Hidegalakítás (T<T rekriszt, T<0,3T/T olv ) Kapcsolódó anyagjellemzők Alakítási szilárdság Alakíthatóság

5 Alakadási lehetőségek Alakmásolás egyszerű mozgással az alakos szerszámüregbe sajtoljuk az anyagot: bonyolult szerszám, egyszerű mozgás, a teljes térfogatot egyszerre alakítjuk (nagy alakítóerő) Alakgenerálás egyszerű szerszámmal, bonyolult mozgással munkáljuk meg az anyagot, az alakítási zóna csak kis területre terjed ki (kis alakítóerő)

6 Az alakváltozás mechanizmusa Két alapvető feszültség Normális feszültség Rugalmas alakváltozás törés Csúsztató feszültség Rugalmas alakváltozás képlékeny alakváltozás törés

7 Alakadás és tulajdonságok Kiinduló állapot Alakított állapot Alakváltozás eloszlás Hőmérséklet eloszlás

8 Hidegalakítás vs. melegalakítás Hidegalakítás (T<T rekriszt ) Keményedés Alakváltozási képesség fokozatos kimerülése Szemcsék megnyúlása Diszlokációsűrűség növekedése Melegalakítás jellemzői (T>T rekriszt ) Lágyulási folyamatok (megújulás, rekrisztallizáció) Alakváltozás mértéke kevésbe korlátozott A szemcseszerkezet megváltozik

9 Hidegalakítás vs. melegalakítás Melegalakítás Hidegalakítás T>T rekriszt Alakítás hőmérséklete T<T rekriszt Kicsi, sebességfüggő Alakítási szilárdság Nagy, alakítástól függő IT12, rossz Pontosság IT7, jó Rossz (reve) Felületi minőség Jó, nagyon jó Nem korlátozott Alakíthatóság Korlátozott Kicsi, dinamikus Szerszám mechanikai terhelése Nagy Nagy Szerszám hőterhelése Kicsi Nagy A termék mérete Kicsi Nagy (0,3-tapadás) Súrlódás Kicsi (~0,1) Nagy Energiaigény Kicsi

10 Anyagjellemzők Alakítási szilárdság A képlékeny alakváltozás megindításához és fenntartásához szükséges egyenértékű feszültség Jele: k f, mértékegysége MPa, k f = k f (T, ε, dε/dt) Alakíthatósági határ Az alakváltozás azon mértéke, amelynél az anyagban makroszkópikus károsodás (instabilitás) lép fel

11 Feszültség (t) Mi történik az anyagban? polikristály Sok szemcse (polikristályos anyagok) Eltérő orientációk egykristály Csúszási rendszerek Csúszási sík Csúszási irány a síkban Intenzív keményedés t 0krit I. II. III. t t 0 F-R forrás b G Alakváltozás ( )

12 Alakítási szilárdság v F z k f Acél T=20 C h 0 d 0 d h r Al ötvözet Ólom ötvözet alakváltozás k f 4F h 0, ln, 2 d h h v

13 Alakváltozások , ln, ln, ln egyenértékű z y x c c b b a a a 0 b 0 c 0 a b c x y z x y z Térfogatállandóság

14 Feszültségek σ x τ xy τ xz τ yx τ zx σ y τ zy τ yz σ z σ σ 2 0 = 0 0 σ 3 σ s σ s σ s + σ 1 σ s σ 2 σ s σ 3 σ s Adott DDKR-ben Főfeszültségek Hidrosztatikus rész Deviátoros rész

15 Mikor indul meg a képlékeny alakváltozás? Definíció szerint akkor, amikor az egyenértékű feszültség eléri az alakítási szilárdságot Huber-Mises-Hencky szerint തσ HMH = 1 2 Mohr szerint തσ Mohr = σ 1 σ 3 σ 1 σ σ 1 σ σ 2 σ 3 2 Ha az egyenértékű feszültség nem éri el k f -et, akkor csak rugalmas alakváltozás történik Mohr szerinti folyási feltétel βk f = σ 1 σ 3 β=1, körszimmetrikus β=1,15, sík alakváltozás

16 Mohr körök Mohr szerint a folyás a legkisebb és legnagyobb főfeszültség k f -nyi különbségénél indul meg σ 1 és σ 3 a szerszámterhelés is egyben Legkevésbé a nyírás terheli a szerszámot

17 Az alakítás hatásai Új alak, geometria jön létre Makroszkópikus hatás Krisztallitok elnyúlnak, csúszási síkok irányba fordulnak, szálirány alakul ki szennyezők az alakítás irányába állnak Mikroszkópikus hatás Diszlokációk mozognak és képződnek (Frank- Read forrás) Szubmikroszkópi hatás

18 Diszlokációk A diszlokációsűrűség növekedésével az anyag keményedik A szilárdság nő Δσ = k d Képlékeny alakváltozó képesség csökken

19 Alakítási ellenállás Az alakító erő irányába eső feszültség és az alakított felület szorzata Erő dimenziójú Nem összetévesztendő az alakítási szilárdsággal Az alakítási ellenállás adja a gépterhelést

20 Alakíthatósági határ Törés (képlékeny instabilitás) nélkül elviselt alakváltozás ε t = a bk ε t T = állandó ε ሶ = állandó törési határgörbe A B zömítés -1 csavarás szakítás 0 1 k = σ 1 + σ 2 + σ 3 k f

21 KÉPLÉKENYALAKÍTÓ TECHNOLÓGIÁK

22 Képlékenyalakító technológiák Melegalakítás vs. Hidegalakítás Térfogatalakító technológiák Kis felület az alakított térfogathoz képest A darab vastagsága változik az alakítás során Pl.: kovácsolás, hengerlés, folyatás, húzás Lemezalakító technológiák Nagy felület az alakított térfogathoz képest A darab vastagsága (nagyjából) állandó Kivágás, hajlítás, mélyhúzás, fémnyomás

23 Kovácsolás Szabadalakító kovácsolás A minőség a kovács ügyességétől függ Sok univerzális és kevés célszerszám Sok mozgástér a gép (vagy üllő) körül Egyedi gyártás, kissorozat, anyagelosztás Süllyesztékes kovácsolás A minőséget csak a környezet (gép, szerszám stb.) befolyásolja Kizárólag célszerszámokkal dolgozik Nagysorozatok gyártása

24 Szabadalakító műveletek Durva nagyolás Jelölés Nyújtás Nyújtás Simítás 24

25 Gyűrűkovácsolás és hengerlés

26 SZABADALAKÍTÓ KOVÁCSOLÁS 5:19

27 GYŰRŰKOVÁCSOLÁS 10:04

28 Süllyesztékes kovácsolás Kiinduló darab: melegen hengerelt, vagy kisajtolt rúd szálirány

29 A süllyesztékes kovácsolás lépései Darabolás Hevítés Előalakítás Készrealakítás Sorjázás Kalibrálás Hőkezelés Revétlenítés Minőségellenőrzés

30 A süllyesztékes kovácsolás lépései Darabolás Vágás, törés vagy forgácsolás, 3-4% térfogat szórás Hevítés Középfrekvenciás indukciós kemencében Kamrás kemencék (olaj, gáz) atmoszféra

31 A süllyesztékes kovácsolás lépései Előalakítás Mindenképpen a szálirány megtartásával Tárcsa alakú alkatrészek Darabolt előgyármány száliránya Szálirány elfordítása zömítéssel Szálirány alakhoz illesztése anyagelosztó előalakítással

32 A süllyesztékes kovácsolás lépései Előalakítás Mindenképpen a szálirány megtartásával Tengely alakú alkatrészek

33 Kovácshengerlés A szerszám profiljának leképezése hengerfelületre Nagy sorozatok esetén nagyon hatékony eljárás kovácshenger alakító üreg buga szegmens ütköző fogó (robotkéz) kovácshenger alakító üreg

34 Készrealakítás Az alakítás jellege függ a géptől is Hidraulikus- és forgattyús sajtó statikus zömítés jellegű (a) Kalapács hátrafolyató, fröccsöntő jellegű (b)

35 Üregtöltés és alakítási erő

36 Sorjázás Lényegében kivágó-lyukasztó művelet Történhet félmelegen és hidegen

37 A süllyesztékes kovácsolás lépései Kalibrálás Sorjázás okozta deformációk okán, készüregben rá sóhajtunk Hőkezelés Az adott ötvözetnek megfelelően Revétlenítés Kénsavas, vagy sósavas pác Homok-, vagy sörétfúvatás Minőségvizsgálat Geometria, belső üregek, átlapolódás stb.

38 Vizszintes süllyesztékes kovácsolás Bélyeg Készdarab Mozgó süllyeszték Nagy termelékenység ( db/óra) Bonyolult alakú termékek Nagy gyártási pontosság Jó felületi minőség Osztott süllyeszték Rúdanyag Duzzasztás

39 VÍZSZINTES SÜLLYESZTÉKES KOVÁCSOLÁS 1:44

40 Körkovácsolás a

41 Támolygó alakítás Kör vagy spirál pályán mozgó szerszám Csak a munkadarab felületének egy részével érintkezik kisebb alakítóerő, közel hidrosztatikus állapot Tárcsaszerű alkatrészek (például szelepek gyártása) Szerszámszegény technológia

42 Redukálás Nagyobb átmérőjű fejrész és kisebb átmérőjű szárrész Olcsó művelet Jó lenne minden keresztmetszet csökkentést hasonlóan megoldani A fej nem zömül szegecselés A fej nem hajolhat ki (H/D<2,4)

43 Redukálás modellezése

44 Folyató eljárások Előrefolyatás Ha a redukálás feltételei nem teljesülnek, akkor a fejet meg kell támasztani Bélyeg Matrica Munkadarab

45 Folyató eljárások Hátrafolyatás Kombinált folyatás

46 Hátrafolyatás modellezése

47 Bélyeg és matrica méretezés Egyszerű modell: vastagfalú cső p b r b r k D/d=4 5 d 1 d p k D d 2

48 Bélyeg és matrica méretezés Bélyegnél két határ létezik Szilárdság Feszültséggyűjtő helyek Kihajlási határ Alak és megfogás F 2 IE, l F krit F 2 krit 2 F L κ=0.5 F κ=1 κ=1.41 κ=2

49 Sajtolás, extrudálás Direkt sajtolás Indirekt sajtolás

50 ALUMÍNIUM SAJTOLÁS MODELL 1:30

51 ALUMÍNIUM SAJTOLÁS 3:02

52 ALUMÍNIUM SAJTOLÁS 3:17

53 Rúd- és dróthúzás Rúdhúzás Dróthúzás Húzógyűrűk

54 Hengerlés Térfogatalakítás (!) Lehet hideg- és meleghengerlés is Bugából szalagok, lemezek előállítása Feltétel: F x <T x tgα<μ Durvalemez: 4-60 mm Finomlemez: 0,2-4 mm F x F v v v r 0 T x T v f

55 Hengerszékek sémái Támasztó hengerek Meghajtott henger Ház Meghajtott henger Támasztó henger Meghajtott henger Támasztó hengerek Lemez Munkahenger a.) b.) c.) Meghajtott henger d.)

56 MELEGHENGERLÉS 6:31

57 Különleges hengerlések Profilhengerlés Grob fogazás Csőgyártás Mannesmann

58 Mannesmann eljárás

59 Pilgerezés

60 PROFILHENGERLÉS 2:46

61 Lemezhajlítás

62 Lemezek vágása/lyukasztása Kivágás A kivágott darab az alkatrész Lyukasztás A kivágott darab hulladék Méretek A lyuk méretét a bélyeg határozza meg A kieső darab méretét a matrica határozza meg Vágórés

63 Kivágás vs. Lyukasztás hulladék szétválasztás perforálás kicsípés hasítás lyukasztás kivágás bevágás

64 Vágórés A túl kis vágórés Növeli a vágóerőt Növeli a kopást Csökkenti a szerszámélettartamot A túl nagy vágórés Begyűri a lemezt Szélső esetben törést is okozhat

65 Vágott felület keresztmetszete s alakváltozott fényes eltört felület s B A' a x sorja F rugalmas alakváltozás képlékeny alakváltozás df=0 repedés keletkezés repedés terjedés törés súrlódás a kitoláskor x m x

66 Sávterv rossz jobb

67 Kombinált sorozatszerszámok

68 Finomkivágás

69 LYUKASZTÁS 2:38

70 UNIVERZÁLIS CNC 3:20

71 Mélyhúzás Sík lemezből, főleg húzó igénybevétellel üreges testet állít elő A termék nem feltétlenül tengelyszimmetrikus

72 Fülesedés Az anizotrópia fülesedést és ráncosodást okoz

73 Ráncosodás A lemez síkjában ébredő tangenciális feszültség helyi instabilitást, ráncot okoz D/s<20 esetén nem kell ráncgátló (vastag lemez)

74 Fémnyomás

75 KÉZI FÉMNYOMÁS 4:13

76 GÉPESÍTETT FÉMNYOMÁS 4:09

77 Speciális lemezalakító eljárások Rengeteg alforma létezik Alakítás rugalmas szerszámmal Robbantásos alakítás Elektrohidraulikus alakítás Nyújtvahúzás Szuperképlékeny anyagok alakítása Hidroforming Stb.

78 Alakítás rugalmas szerszámmal

79 Alakítás rugalmas szerszámmal

80 Robbantásos alakítás Levegő kiszivattyúzva A robbanás vízben terjedő lökéshulláma végzi az alakítást Kis darabszám Nagy lemezvastagság (25 mm) Nagy átmérő (3,6 m)

81 Elektrohidraulikus alakítás üllyeszték Elektródák Lemez Víz Kisebb méret Kisebb falvastagság Gyorsan változó, nagyenergiájú mágneses tér végzi az alakítást Akár 400 MPa nyomás

82 Nyújtvahúzás A lemezt alakítás előtt kis mértékben meghúzzák A kialakuló feszültségmező hatására kisebb erővel alakítható a darab Az alakváltozás egyenletesebb Kisebb visszarugózás

83 Szuperképlékeny anyagok Kis szemcseméret <10 μm Kis alakváltozási sebesség s -1 Kis folyási feszültség Nagy alakváltozó képesség Alakváltozási sebesség érzékeny m>0,5; 0,4 0,8 σ = kεሶ m

84 Szuperképlékeny folyás Szemcsehatármenti elcsúszás A szemcsék elcsúszásával helyreáll az eredeti szerkezet, majd a folyamat ismétlődik A szemcsék kitöltik a kialakuló üregeket

85 Üreges alakítás A levegő nyomása az üregbe nyomja a lemezt A levegő nyomása a szerszámhoz préseli a lemezt Az eljárás ideális nagyméretű komplex alkatrészek gyártására. Maximális alkatrészméret: 3 x 2 x 0,6 m, 6 mm vastagsággal. Levegő, vagy más gáz alkalmazható.

86 Buborékos alakítás Buborékforma kialakítása levegő befúvással Szerszám mozgása a buborék üregbe Ellennyomás alkalmazása az üregtöltésre 4 Szerszámeltávolítás A buborékos alakítás ideális módszer mély, összetett alakú alkatrészek gyártására, különösen akkor, ha a falvastagságnak állandónak kell maradni. Az eljárás olyan geometriai alakok előállítását biztosítja, amelyeket más módszerrel nem lehet előállítani. Maximális alkatrész méret: 950 x 650 x 300 mm, 6 mm vastagságig.

87 Ellennyomásos alakítás Az alakító kemence nyomás alatt, 500 C-ra hevítve Az alakítási sebességet az ellennyomással állítják be A levegő nyomása a szerszámhoz préseli a lemezt Az eljárás hasonló az üreges alakításhoz, de ebben az esetben a lemez mindkét oldalán nagy gáznyomást alkalmaznak. A nyomás-különbség fokozatos alakítást eredményez. Ez az elrendezés nehezebben alakítható anyagok feldolgozását is lehetővé teszi. Maximális feldolgozható lemezterület: 4,5 m 2.

88 Diafragma alakítás A piros lemez szuperképlékeny anyagú, a kék az alakítandó lemez A levegő nyomása a piros lemez révén az üregbe préseli a kék lemezt A levegő nyomása a szerszámhoz préseli a lemezt Az eljárással nem szuperképlékeny állapotú anyagok bonyolult 3D formára való alakítását lehet megvalósítani. Repülőgép alkatrészek ideális gyártó eljárása. Maximális alkatrész méret: 2800 x 1600 x 600 mm.

89 Szuperképlékeny anyagok előnyei Kis szerszámozási költség Egyszerű, öntött szerszámok, kis szerszámterhelés Nagy panelek mm Utólagos alakítás Továbbra is lehetséges az alakítás Kiváló felületi minőség Van amelyiknél nincs is érintkezés a szerszámmal Nincs maradó feszültség, visszarugózás, hosszú szerszámélettartam, elemszám csökkentés, súlycsökkentés, bonyolult geometria

90 Hidroforming Olyan alakító eljárás, ahol hidraulikus folyadék nyomása révén ( MPa) alakítunk Bonyolult, szerkezetileg merev darabok létrehozására alkalmas Autógyártás, kerékpárgyártás, csővázak Csövek alakítása Kis-, nagy-, többszörös nyomású alakítás, duzzasztóalakítás, harmonikaszerű alakítás Lemezek alakítása

91 Nyomás Nyomáslefutás az egyes eljárásoknál Szerszámzárás folyamata Zárt szerszám Szerszámnyitás folyamata Kisnyomású alakítás Nagynyomású alakítás Többszörös nyomású alakítás idő

92 Kisnyomású alakítás Kis nyomás, súrlódás Könnyű anyag elmozdulás Állandó falvastagság Kisebb berendezés A szerszám nyitott (p=0) A szerszám zárul p=p1 R=3xT A szerszám zárt p=p2 p max = 48 MPa Alakítás hatására a kiinduló cső kerülete néhány %-ot nő. A szerszámzárás és nyomásnövekedés folyamatos.

93 Nagynyomású alakítás Nagy nyomás, súrlódás Minimális anyag elmozdulás Nagyméretű berendezés p=0 A nyomás nő Vastagság csökkenés Vastagság csökkenés Max. nyomás p max = MPa A nagyobb nyomás miatt fontos az anyagválasztás. Kenőanyagot alkalmaznak. A szerszám a folyamat közben zárt.

94 Többszörös nyomású alakítás Nyitott szerszám az alakítás előtt A szerszám zárul Kis nyomás, súrlódás Könnyű fém csúszás Kisebb alakítógép R=3xT A szerszám zárt P max = MPa I. Szerszámzárás közben a nyomás nő II. Zárt állapotban a nyomás tovább nő

95 Duzzasztó alakítás Szerszám Deformációs zóna Termék Csőszerű munkadarab Alakítógép Szerszám és munkadarab érintkezése Reference 1 Kevés szerszámelem Egyszerű alakítási művelet

96 Harmonika szerű alakítás A szerszám nyitott A szerszám zárt A szegmensek nyítva Kis nyomás a csőben A szerszám zárt A szegmensek zárva Nagy nyomás a csőben

97 Lemezek hidroforming alakítása Kevesebb művelet egy alkatrészhez Egy szerszám megspórolható Víz, olaj, vagy más folyadék Egyenletes alakváltozás Kisebb visszarugózás Kisebb anyagfelhasználás Nagyobb szilárdságú anyagok is alakíthatók Drága berendezés Ciklusidő viszonylag hosszú Nedves környezet

98 Mélyhúzás - hidroforming Tervezett forma Teríték Egyenletes alakváltozás eloszlás Víz Nagy nyomás Ráncgátló Elfogadható m

99 Összetett forma mélyhúzása

100 Lemezalakítás szerszámüregben Ráncgátló Nyomás alatti folyadék Kezdeti állapot Mélyhúzó szerszám I. Alakváltozás szabadon Szerszám II. Kalibráló fázis

101 Kétterítékes eljárás Felső szerszám Dupla teríték Alsó szerszám nyomás 1. Szerszám zárása 2. Alakítás Nyomás alatti folyadék 3. Kalibrálás 4. A kész darab eltávolítása

102 Hidropiercing Felső szerszámfél Bélyeg Alsó szerszámfél Hidraulikus henger

103 Lemezek alakítási határa 1 + FLD diagram Keller-Goodwin diagram Alakíthatósági határgörbe Görbe felett törés Görbe alatt biztonságos 0 + 2

104 Nakazima-próba

105 Alakítógépek

106 Alakítógépek Az alakítógépek szolgáltatják az alakításhoz szükséges Erőt Energiát Általában alternáló, egyenes vonalú mozgásra van szükség Karakterisztikák alapján Energia karakterisztikájú Elmozdulás (löket) karakterisztikájú Erő karakterisztikájú

107 Energia karakterisztikájú gépek Különböző kalapácsok tartoznak ide Számos működési elv Jellemző az ütési energia és a megengedett maximális erő

108 Konstrukciós kialakítások Szabadalakító kovácsolás Nyitott gépkeret, jó körüljárhatóság, a medve és az üllő külön van alapozva. Süllyesztékes kovácsolás Zárt gépkeret, pontos összevezetés, egységes rendszer.

109 Kalapácsok Hosszú és rövidlöket 1000, illetve 300 mm Kis mennyiségű olaj Nagy hidraulikus nyomás Nitrogénpárna expanziója gyorsít Nagy löketszám 7 ms -1 beütés

110 Ellenütős kalapács Nagy darabok süllyesztékes kovácsolása Ütközés a levegőben Környezetet kevésbé terheli Közvetlen mozgatás Gőz, levegő, gáz Közvetett mozgatás Acélheveder M M 1 2

111 Csavarorsós sajtók Frikciós sajtó Lendkerekes, vagy direkt hajtás Több bekezdéses, nem önzáró menetes orsó A gépszerkezetben, vagy a medvében rögzített anya 0,1-1 ms -1 beütési sebesség

112 Elmozdulás karakterisztikájú gépek Számos kinematikai megoldás

113 Karakterisztika Lehetséges folyamatos üzemmód és egyedi löketek alkalmazása is F F n 0,067s h

114 Könyökemelős sajtó Rövid úton nagy erő szükség esetén Tubusfolyatás, érme dombornyomás Sokféle elrendezés lehet a karoktól függően Lehet vízszintes és függőleges kivitelű is

115 Erő karakterisztikájú gépek Tipikusan hidraulikus sajtó Kovácssajtó: GN erő nagyságrend, emulzió, 1000 bar nyomás Extrudáló sajtó: ~10 MN, egy munkahenger, olaj Jól vezérelhető Akkumulátorok Kis erő nagy sebesség, vagy nagy erő kis sebesség Két tápegység: csavarszivattyú, fogaskerék szivattyú

116 Dr. Orbulov Imre Norbert KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!