ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ

Transcript

1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ ΟΡΙΣΜΟΣ Κατεργασία (process) είναι η διαδικασία µορφοποίησης των υλικών που εκµεταλλεύεται την ιδιότητά τους να παραµορφώνονται πλαστικά (µόνιµες µεγάλες παραµορφώσεις) και συνδυάζει κατάλληλα τις συνθήκες φόρτισης, θερµοκρασίας και ταχύτητας για βέλτιστο αποτέλεσµα. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΜΙΑΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ (Σχ. 1) Στο Σχ. 1 παρουσιάζονται οι βασικές παράµετροι που λαµβάνουν µέρος σε µια κατεργασία και αλληλοεπηρεάζονται: Το προς κατεργασία τεµάχιο, ΤΕ (workpiece), υπό τη µορφή µπιγέτας (billet) ή ελάσµατος (blank). To εργαλείο, EΡ (tooling), που διαµορφώνει το ΤΕ. Οι συνθήκες στη διεπιφάνεια ΤΕ/ΕΡ (conditions at tool/material interface), δηλ. λίπανση και τριβολογικά χαρακτηριστικά. Η ζώνη παραµόρφωσης ή πλαστική ζώνη (deformation one), όπου επιτελείται η πλαστική παραµόρφωση του ΤΕ. Ο χρησιµοποιούµενος εξοπλισµός (equipment used), δηλαδή η εργαλειοµηχανή, ΕΜ (machinetool) και ο υπόλοιπος χρησιµοποιούµενος εξοπλισµός. To τελικό προϊόν (product) µε κρυσταλλική δοµή διαφορετική από αυτή του αρχικού ΤΕ. Το περιβάλλον (enironment). Σχήµα 1: Τυπική σχηµατική παράσταση µιας κατεργασίας 1

2 Η ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΩΣ ΣΥΣΤΗΜΑ Οι παράµετροι αυτές καθορίζουν την κατεργασία ως σύστηµα, το οποίο απαιτεί συστηµατική πληροφόρηση για την ανάλυσή του. Η αναγκαία πληροφόρηση ανά παράµετρο συνίσταται στα εξής στοιχεία: 1. Τεµάχιο Καταστατικές εξισώσεις υλικού ΤΕ, δηλ. εκφράσεις της τάσης σ συναρτήσει της παραµόρφωσης ε, της ταχύτητας παραµόρφωσης ε&, της θερµοκρασίας Τ και της µικροδοµής. Κατεργασιµότητα του υλικού ΤΕ, που εκφράζει το βαθµό δυσκολίας µορφοποίησής του, επίσης ως συνάρτηση των ανωτέρω παραγόντων. Αρχική γεωµετρία και συνθήκες επιφανείας ΤΕ. Αρχικές συνθήκες του υλικού ΤΕ, δηλαδή σύσταση, θερµοκρασία, ιστορία/µικροδοµή. Θερµικές και φυσικές ιδιότητες υλικού ΤΕ. Επιδράσεις µεταβολών σε µικροδοµή και σύσταση επί των καταστατικών εξισώσεων και της κατεργασιµότητας. 2. Εργαλείο Γεωµετρία ΕΡ. Επιφανειακές συνθήκες. Υλικό ΕΡ/θερµική κατεργασία/σκληρότητα. Θερµοκρασία κατεργασίας. Στιβαρότητα και ακρίβεια. 3. Συνθήκες στη διεπιφάνεια ΕΡ/ΤΕ Τύπος λιπαντικού και θερµοκρασιακές συνθήκες. Μονωτική δράση και χαρακτηριστικά απόψυξης του στρώµατος λιπαντικού. Τριβολογικά χαρακτηριστικά διεπιφάνειας. Χαρακτηριστικά που σχετίζονται µε την εφαρµογή και αποµάκρυνση του λιπαντικού. 4. Πλαστική ζώνη Μηχανική της παραµόρφωσης σε συνδυασµό µε το εφαρµοζόµενο θεωρητικό µοντέλο ανάλυσης. Πλαστική ροή, ταχύτητες, ταχύτητες παραµόρφωσης, παραµορφώσεις (κινηµατικές συνθήκες). Εντατική κατάσταση (αναπτυσσόµενες τάσεις) κατά τη διάρκεια της παραµόρφωσης. Θερµοκρασίες (παραγόµενη θερµότητα και θερµορροή). 5. Χρησιµοποιούµενος εξοπλισµός Ικανότητα φορτίου και ισχύος της ΕΜ. Στιβαρότητα και ακρίβεια οδήγησης της ΕΜ. Ταχύτητα και παραγωγικότητα. 6. Τελικό προϊόν Γεωµετρία. ιαστατική και γεωµετρική ακρίβεια. Ποιότητα επιφάνειας. 2

3 Μικροδοµή, µηχανικές/µεταλλουργικές ιδιότητες. 7. Περιβάλλον Περιβάλλον κατεργασίας, δηλ. το ανθρώπινο δυναµικό (κίνδυνοι, ασφάλεια κλπ.) και ο εξοπλισµός εξυπηρέτησης της κατεργασίας (ροµπότ, αυτοµατισµοί κλπ.). Φυσικό περιβάλλον (µόλυνση από απόβλητα, ηχορύπανση, µέτρα προστασίας κλπ.). ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Α. Κατά DIN διακρίνονται σε: Αρχέγονες κατεργασίες: Το υλικό αρχικά δεν έχει συγκεκριµένο σχήµα, αλλά αποκτά καθορισµένη γεωµετρία µετά τη µορφοποίηση (χύτευση, κονιοµεταλλουργία κλπ.). ιαµορφώσεις: Χαρακτηριστικό τους είναι η πλαστική παραµόρφωση και η διατήρηση της µάζας του υλικού. ιακρίνονται σε κατεργασίες διαµόρφωσης του συµπαγούς υλικού (σφυρηλάτηση, έλαση, διέλαση, ολκή κλπ.) και σε κατεργασίες διαµόρφωσης του επιπέδου ελάσµατος (κάµψη, απότµηση, βαθεία κοίλανση κλπ.). Κοπές ή κατεργασίες αποβολής υλικού: Η µορφοποίηση επιτυγχάνεται µε συνδυασµό πλαστικής παραµόρφωσης σε διάτµηση και αποβολή υλικού (τόρνευση, διάτρηση, φρεζάρισµα, λείανση κλπ.). Επιφανειακές κατεργασίες: εν επιφέρουν αλλαγή σχήµατος στο ΤΕ αλλά µεταβολή στις ιδιότητες της κατεργασµένης επιφάνειας (ενίσχυση και προστασία). ιακρίνονται σε θερµικές, θερµοχηµικές και επικαλύψεις. Κατεργασίες σύνδεσης: ιακρίνονται σε µεταλλουργικές συνδέσεις (συγκολλήσεις) και µηχανικές συνδέσεις (ηλώσεις, κοχλιώσεις κλπ.). Β. Με κριτήριο την χρησιµοποιούµενη ενέργεια και εξοπλισµό διακρίνονται σε: Συµβατικές: Χρησιµοποιείται µηχανική ενέργεια και συµβατικός εξοπλισµός (µηχανουργικές κατεργασίες). Μη συµβατικές: Ως βασική ενέργεια κατεργασίας χρησιµοποιείται κάποια άλλη µορφή ενεργείας πέραν της µηχανικής, ενώ ο χρησιµοποιούµενος εξοπλισµός είναι µη συµβατικός, προσαρµοζόµενος στις ιδιαιτερότητες της κατεργασίας (µαγνητική διαµόρφωση, εκρηκτική συµπίεση, ηλεκτροδιάβρωση, κοπή µε laser, εκρηκτική συγκόλληση) Γ. Με κριτήριο την εφαρµοζόµενη θερµοκρασία κατεργασίας, Τ Για την ταξινόµηση αυτή λαµβάνονται υπόψη δύο χαρακτηριστικές θερµοκρασίες του κατεργαζόµενου υλικού, η θερµοκρασία τήξης, Τ Μ και η θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης, Τ r ( T M ): Ψυχρές κατεργασίες (cold processes): Επιτελούνται σε θερµοκρασίες κοντά στη θερµοκρασία περιβάλλοντος, Τ e. Θερµές κατεργασίες (hot processes): Πραγµατοποιούνται σε θερµοκρασία Τ є [Τ r, Τ Μ ] 3

4 Ηµίθερµες κατεργασίες (warm processes): Συνδυάζουν τα πλεονεκτήµατα και µετριάζουν τα µειονεκτήµατα των δύο παραπάνω οµάδων (βλ. κατωτέρω Πίνακα), λαµβάνουν δε χώρα σε θερµοκρασία Τ є (Τ e, Τ r ). Μειονεκτήµατα ψυχρών και θερµών κατεργασιών Ψυχρές κατεργασίες Απαιτούνται µεγαλύτερες τάσεις (φορτία) για την κατεργασία. Ταχύτερη µηχανική φθορά του εργαλείου. Απαίτηση µεγαλύτερου και πιο στιβαρού εξοπλισµού (εργαλειοµηχανών) και κατά συνέπεια και µεγαλύτερου χώρου εργασίας. Σύνθετες γεωµετρικές µορφές τεµαχίου επιτυγχάνονται σε περισσότερες της µιας φάσεις (πάσα) µε ενδιάµεσες θερµικές κατεργασίες (ανοπτήσεις) και λίπανση. Θερµές κατεργασίες Απαίτηση πρόσθετων εγκαταστάσεων κλιβάνων. Φθορά του εργαλείου λόγω οξείδωσης που ευνοείται στις υψηλές θερµοκρασίες. Αστοχία εργαλείου λόγω θερµικής κόπωσης. Κακή ποιότητα κατεργασµένης επιφάνειας. Πιθανή απαίτηση δευτερογενούς κατεργασίας αποβολής υλικού για τελική διαµόρφωση ή λείανση του δοκιµίου (απώλεια υλικού).. Με κριτήριο την εντατική κατάσταση του τεµαχίου Επίπεδη παραµορφωσιακή κατάσταση: Η ροή του υλικού είναι η ίδια σε κάθε επίπεδο κάθετο προς έναν από τους άξονες του συστήµατος αναφοράς (,, ), δηλαδή είναι ανεξάρτητη της τρίτης διάστασης έστω κατά τον άξονα συστήµατος µε αποτέλεσµα να ισχύει ε 0. Αποδεικνύεται ότι για την αντίστοιχη ορθή τάση είναι: σ σ + σ ). 1 2 ( Επίπεδη εντατική κατάσταση: Αναφερόµενοι στο ίδιο καρτεσιανό σύστηµα αναφοράς µε την προηγούµενη περίπτωση, η ροή του υλικού δεν είναι πλέον ανεξάρτητη του, αλλά δεν υπάρχει τάση κατά τον άξονα αυτόν, δηλαδή είναι σ 0. Αξονοσυµµετρική πλαστική παραµόρφωση: Υφίσταται αξονοσυµµετρία της ροής του υλικού, το σύστηµα αναφοράς είναι σε κυλινδρικές συντεταγµένες (r, θ, ) και η εντατική κατάσταση περιγράφεται από τη σχέση σ σ σ. r θ Τρισδιάστατη πλαστική παραµόρφωση: Σε όρους κυρίων τάσεων και ανεξάρτητα από το είδος του συστήµατος αναφοράς (καρτεσιανό ή κυλινδρικό) η εντατική κατάσταση σε ένα σηµείο είναι της µορφής σ 1 σ2 σ3. Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Εάν u, u, u οι σηµειούµενες µετατοπίσεις ενός σηµείου παραµορφούµενου υλικού κατά τις διευθύνσεις,, αντίστοιχα, τότε οι συνιστώσες ταχύτητες του σηµείου αυτού ορίζονται κατά τα γνωστά από τις σχέσεις: u u,, t t u t Οι αντίστοιχες ταχύτητες παραµόρφωσης ορίζονται µέσω των σχέσεων 4

5 t t t u u t t + γ + γ + γ ε ε ε ε ε ε & & & & & & Σε δοκιµές µονοαξονικού εφελκυσµού και θλίψης θα είναι αντίστοιχα: Εφελκυσµός: l l l l l & dt d 1 d dt d dt d ε ε, όπου είναι το µήκος αναφοράς του δοκιµίου εφελκυσµού. l Θλίψη: h dt dh h 1 h dh dt d dt d ε ε&, όπου h είναι το ύψος του δοκιµίου θλίψης. Η ταχύτητα παραµόρφωσης έχει την εξής επίδραση επί της στατικής καµπύλης σ-ε µιας δοκιµής εφελκυσµού, βλ. Σχ. 2: «Αύξηση της ταχύτητας παραµόρφωσης οδηγεί σε αύξηση της κράτυνσης και συνεπώς της αντοχής του υλικού, αλλά συγχρόνως σε µείωση της ολκιµότητας» Σχήµα 2: Επίδραση της ταχύτητας παραµόρφωσης επί του διαγράµµατος σ-ε Στις διάφορες κατεργασίες η τιµή της ταχύτητας παραµόρφωσης λαµβάνει τις ενδεικτικές τιµές του ακόλουθου Πίνακα 5

6 Χαρακτηριστικές τιµές της ταχύτητας παραµόρφωσης στις διάφορες κατεργασίες Κατεργασία Ταχύτητα παραµόρφωσης ε& (s -1 ) Στατική καταπόνηση Έλαση, Κοίλανση Σφυρηλάτηση Κοπή Εκρηκτική διαµόρφωση >10 5 Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Η θερµοκρασία έχει την αντίστροφη επίδραση επί της καµπύλης σ-ε από αυτήν της ταχύτητας παραµόρφωσης (Σχ. 3), δηλαδή: «Αύξηση της θερµοκρασίας οδηγεί σε µείωση της κράτυνσης και συνεπώς της αντοχής του υλικού («µαλάκωµα» του υλικού), αλλά συγχρόνως σε αύξηση της ολκιµότητας» Σχήµα 3: Επίδραση της θερµοκρασίας επί του διαγράµµατος σ-ε Να σηµειωθεί ότι η επίδραση της ταχύτητας παραµόρφωσης είναι πολύ πιο έντονη στις θερµές κατεργασίες. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ σ-ε Όταν δεν λαµβάνεται υπόψη η επίδραση θερµοκρασίας και ταχύτητας παραµόρφωσης, έχει αποδειχθεί ότι σε πολλά υλικά η καµπύλη σ-ε έχει εκθετική µορφή που περιγράφεται πολύ ικανοποιητικά από µια εξίσωση της µορφής n σ K ε όπου: Κ ο συντελεστής αντοχής και n o εκθέτης κράτυνσης. Έχουν όµως αναπτυχθεί και πολλά µοντέλα που προβλέπουν την επίδραση της θερµοκρασίας ή/και της ταχύτητας παραµόρφωσης επί του διαγράµµατος σ-ε. Μερικά παραδείγµατα παρουσιάζονται αµέσως παρακάτω: 6

7 Ludwik (1909): όπου: σ 0, σ 1, ε & 0 σταθερές. ε& σ σ1 + σ0 n ε & 0 l (ηµιλογαριθµική σχέση) Alter-Philips (1954): όπου: C, m σταθερές. σ C ε& m Inoue (1955): σ C ε ε& ep(a / Tk) όπου: C, n, m, A, k σταθερές. σ& Malern (1965): ε& + f[ σ σ(e)] E όπου: σ(e) είναι η στατική καµπύλη σ-ε. Αν είναι σ > σ(e), έχουν προσδιοριστεί οι εξής ειδικές εξισώσεις: n m (i) ε& σ& + D E σ σ 0 1 p (ii) q σ& σ ε& + A ep 1 1 E σ0 όπου: Α, D, p, q εµπειρικές σταθερές και σ 0 το στατικό όριο διαρροής. 1 σ σ0( ε) Ripperberger (1965): ε& 0( ) τ σ ε όπου: τ ο χρόνος χαλάρωσης του υλικού και σ 0 (ε) η στατική τάση ροής. Χαρακτηριστικές τιµές των σταθερών µερικών από τις παραπάνω καταστατικές εξισώσεις παρέχονται στους Πίνακες 1-4. m 7

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 H ΕΞΙΣΩΣΗ ΣΥΝΕΧΕΙΑΣ Μια βασική παραδοχή της Πλαστικής Ανάλυσης είναι η διατήρηση του όγκου του κατεργαζόµενου υλικού στην πλαστική περιοχή. Τούτο σηµαίνει ότι η διόγκωση σε ένα σηµείο του υλικού θα είναι ίση µε µηδέν ή ισοδύναµα θα ισχύει για τις αυξήσεις των παραµορφώσεων (σε όρους κυρίων συνιστωσών) dε + dε2 + dε3 1 0 η οποία, εάν η ιστορία (διαδροµή) της παραµόρφωσης είναι γνωστή, µπορεί να αντικατασταθεί από τις ολικές συνιστώσες παραµόρφωσης ε 1 + ε2 + ε3 0 ΟΜΟΙΟΓΕΝΗΣ ΚΑΙ ΑΝΟΜΟΙΟΓΕΝΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ Σχήµα 4: Οµοιογενής και ανοµοιογενής παραµόρφωση Οµοιογενής πλαστική παραµόρφωση υφίσταται όταν όλα τα στοιχεία του ΤΕ παραµορφώνονται στον ίδιο βαθµό, βλ. Σχ. 4. Η περίπτωση αυτή προφανώς είναι ιδανική, δεν συναντάται στην πράξη, διευκολύνει όµως τη θεµελίωση των διαφόρων ενεργειακών µεθόδων που χρησιµοποιούνται για την ανάλυση των κατεργασιών. Στην οµοιογενή παραµόρφωση, το παραγόµενο (ειδικό) έργο κατεργασίας είναι µόνο το πλαστικό έργο (έργο παραµόρφωσης), που ισούται προς w ε σ dε w 0 i 16

17 όπου w το ειδικό έργο (ανά µονάδα όγκου), σ η µέση τάση, ε η συνολική µέση παραµόρφωση, w i το ιδανικό ανηγµένο έργο. Στην ανοµοιογενή πλαστική παραµόρφωση εκτός από το ιδανικό έργο έχουµε ακόµη το έργο των τριβών w f στη διεπιφάνεια ΕΡ/ΤΕ και ένα επιπρόσθετο (συµπληρωµατικό) έργο w r που σχετίζεται µε την ανοµοιογενή πλαστική παραµόρφωση (σε διάτµηση) του κρυσταλλικού πλέγµατος. Άρα, θα ισχύει w wi + wf + wr c wi όπου c o συντελεστής ανοµοιογένειας που προσδιορίζεται πειραµατικά. 17