ΙΑΜΟΡΦΩΣΙΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΕΛΑΤΤΩΜΑΤΑ ΣΤΙΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΕΛΑΣΜΑΤΟΣ ΙΑΜΟΡΦΩΣΙΜΟΤΗΤΑ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΕΛΑΣΜΑΤΟΣ Γενικά Η διαµορφωσιµότητα του επιπέδου ελάσµατος σε κατεργασίες κοίλανσης εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: το κατεργάσιµο υλικό, την γεωµετρία του τεµαχίου και τις συνθήκες κατεργασίας. Κατά τον πειραµατικό προσδιορισµό της διαµορφωσιµότητας (formability) ελάσµατος είναι δύσκολο να προσοµοιωθούν και οι τρεις παραπάνω παράγοντες. Γιαυτό και έχουµε καταφύγει σε τυποποιηµένες δοκιµές που προσεγγίζουν τις συνθήκες διαµόρφωσης στην πράξη και περιγράφουν αξιόπιστα τα όρια ασφαλείας κατά την κατεργασία του ελάσµατος σε διάφορες συνθήκες. Έχουν αναπτυχθεί οι ακόλουθες τυποποιηµένες µέθοδοι προσδιορισµού της διαµορφωσιµότητας: Τα διαγράµµατα οριακού ύψους θόλου (Limiting Dome Height Diagrams ή LDHs) H δοκιµή Erichsen. Τα διαγράµµατα οριακής διαµόρφωσης (Forming Limit Diagrams ή FLDs) Και οι τρεις αυτές δοκιµές στηρίζονται στις ίδιες βασικές αρχές, που συνοψίζονται στα κάτωθι: Το δοκίµιο έχει τη µορφή λωρίδας ή πλήρους ελάσµατος. Στη µη φορτιζόµενη πλευρά του αποτυπώνεται κατάλληλα πλέγµα εφαπτόµενων µεταξύ τους κύκλων ίσης ακτίνας. Εφαρµόζεται σύστηµα φόρτισης του δοκιµίου µέσω εµβόλου συγκεκριµένης γεωµετρίας και διαστάσεων. Η φόρτιση εφαρµόζεται µέχρι µια ορισµένη διαδροµή ή µέχρις ότου εµφανιστεί αστοχία στο έλασµα (λαιµός ή θραύση) Εξάγονται συµπεράσµατα από την µορφή που λαµβάνει το πλέγµα στις κρίσιµες περιοχές. Οι βασικές µορφές καταπόνησης που λαµβάνονται υπόψη στις κατεργασίες κοίλανσης είναι: 1. Έκταση (Stretching) 2. Ελκυσµός (Drawing) 3. Επίπεδη παραµόρφωση (Plane Strain) που αποτυπώνονται αντίστοιχα κατά τις δοκιµές διαµορφωσιµότητας µε παραµόρφωση των κύκλων του πλέγµατος όπως φαίνεται στο Σχ.1. Σχήµα 1: Τρόποι παρα- µόρφωσης σε κατεργασίες κοίλανσης 1
Η δοκιµή οριακού ύψους θόλου (LDH test) Σχήµα 2: Πειραµατική διάταξη της δοκιµής LDH Η εφαρµοζόµενη πειραµατική διαδικασία προβλέπει, βλ. Σχ. 2: Ηµισφαιρικό έµβολο ακτίνας 100 mm. οκίµιο λωρίδα ή έλασµα πακτωµένο κατάλληλα που καταπονείται µέχρις ότου σηµειωθεί θραύση. Καταγραφή του µέγιστου βέλους κάµψης που αναφέρεται ως ύψος θόλου. Με µεταβολή του πλάτους του δοκιµίου επιτυγχάνεται αλλαγή της εντατικής κατάστασης του κατά την κοίλανση, ενώ συγχρόνως σηµειώνεται µια ελάχιστη τιµή ύψους θόλου, που αναφέρεται στη δοκιµή ως οριακό ύψος θόλου. Τυπική µορφή διαγράµµατος LDH παρουσιάζεται στο Σχ. 3. Από το οποίο εξάγονται οι ακόλουθες παρατηρήσεις: Το πλάτος του δοκιµίου στο οποίο εντοπίζεται το οριακό ύψος θόλου (επίπεδη παραµόρφωσιακή κατάσταση) κυµαίνεται µεταξύ 5-5.5". Κατάσταση έκτασης (stretch mode) λαµβάνεται µε µικρότερα πλάτη δοκιµίων, ενώ κατάσταση ελκυσµού (draw mode) µε µεγαλύτερα πλάτη δοκιµίου. Η δοκιµή LDH βρίσκει εφαρµογή κατ εξοχήν στην αξιολόγηση αστοχιών υπό συνθήκες επίπεδης παραµορφωσιακής κατάστασης που αποτελούν το 85-90% των αστοχιών που συναντώνται σε διαµορφώσεις αποπτύπωσης (stamping). Ως δοκιµή υπό συνθήκες επίπεδης παραµόρφωσης είναι ανεπηρέαστη από την ανισοτροπία του υλικού. 2
Σχήµα 3: Τυπική µορφή διαγράµµατος LDH Η δοκιµή Erichsen Σχήµα 4: ιάταξη και τελική µορφή δοκιµίου στη δοκιµή Erichsen (1: δακτύλιος διαµόρφωσης, 2: δακτύλιος συγκράτησης, 3: έµβολο, 4: δοκίµιο) ιέπεται από τους κανονισµούς DIN 50101 και Euronorm 14-55. Τυπική διάταξη της δοκιµής φαίνεται στο Σχ. 4. Οι διάµετροι εµβόλου και δακτυλίων µπορεί να ποικίλλουν. Το δοκίµιο είναι πλήρες έλασµα και παραµορφώνεται µέχρι θραύσεως. Άρα, η δοκιµή προορίζεται να περιγράφει τη συµπερφορά του υλικού σε έκταση. Η µετατόπιση του εµβόλου µετράται σε mm και η οριακή διαδροµή του είναι γνωστή ως δείκτης Εrichsen ( Erichsen value ή Erichsen index ). Τιµές του δείκτη για σιδηρούχα και µη σιδηρούχα ελάσµατα εµπορικής χρήσης µε πάχη µεταξύ 0.2-6 mm παρουσιάζονται στο νοµογράφηµα του Σχ. 5. 3
Σχήµα 5: Τιµές του δείκτη Erichsen για διάφορα πάχη ελάσµατος από διάφορα υλικά Α Β C D E F G H J Χ 8 Cr Ni 12 12 No. 4307 Brass 72 Χ 12 Cr Ni 18 8 No. 4300 Brass 63 DIN 1774 Argentan Cu 60 Ni 15 Zn 25 Copper Ms 63, ¼ hard St 4 G DIN 1624 Ms 63, ½ hard K L M N O P Q R St 3 G DIN 1624 Aluminium 99 and 99.5, soft DIN 1623 St 2 G DIN 1624 Ust 13, RSt 13 DIN 1623 WUSt 12, Ust 12 DIN 1623 TST 10, St 10, BS 3 S.20, Solder and Tin Plate Al 99 and 99.5, ¼ hard Al 99 and 99.5, ½ hard 4
Τα ιαγράµµατα Οριακής ιαµόρφωσης (FLDs) Σχήµα 6: ιάγραµµα Οριακής ιαµόρφωσης (FLD), στο οποίο φαίνονται η καµπύλη οριακής διαµόρφωσης (FLC) και η περιοχή παραµορφώσεων που ενδιαφέρει τη Βιοµηχανία. Στο Σχ. 6 παρουσιάζεται ένα τυπικό διάγραµµα FLD. Μπορούν να γίνουν οι εξής παρατηρήσεις: Ένα διάγραµµα FLD αποτελείται από δύο ορθογώνιους άξονες. Ο οριζόντιος άξονας απεικονίζει την ελάχιστη παραµόρφωση ε 2 και ο κατακόρυφος τη µέγιστη παραµόρφωση ε 1 που καταγράφονται στις θέσεις αστοχίας του υλικού (λαιµός ή θραύση). Στο δεξιό ηµιεπίπεδο προσδιορίζονται σηµεία στο χωρίο που ορίζουν ο κατακόρυφος άξονας και η ευθεία ε 1 = ε 2, ενώ στο αριστερό ηµιεπίπεδο προσδιορίζονται σηµεία στο χωρίο που περικλείεται από τον κατακόρυφο άξονα και την ευθεία ε 2 /ε 1 = -1/2. Ο χρησιµοποιούµενος τεχνικός εξοπλισµός περιλαµβάνει: ακτύλιο συγκράτησης και δακτύλιο διαµόρφωσης (µήτρα), µεταξύ των οποίων συγκρατείται το δοκίµιο, και ηµισφαιρικό έµβολο διαµέτρου 4 in. Το έµβολο κινείται υδραυλικά µε µικρή ταχύτητα, ώστε να παρέχει χαµηλή ταχύτητα παραµόρφωσης της τάξης των 10-3 s -1. Για την εξασφάλιση πειραµατικών σηµείων σε όλο το χρήσιµο χωρίο απαιτούνται: (α) Τµήµα ΑΒ: Μετατόπιση από το Α στο Β επιτυγχάνεται µε αύξηση της λίπανσης µεταξύ εµβόλου-δοκιµίου, δηλ. µε αλλαγή λιπαντικού (στρώµα πολυαιθυλενίου, συνδυασµός ορυκτελαίου και πολυαιθυλενίου, συνδυασµός ορυκτελαίου και νεοπρενίου, πολυουρεθάνη κλπ.), το δε δοκίµιο είναι πλήρες έλασµα. (β) Περιοχή ΑCD: Χρησιµοποιούνται δοκίµια πλάτους 1, 2 3, 4, 5 και 6 in. Συνήθως 8-10 δοκίµια µε διαφορετικό πλάτος και λίπανση είναι αρκετά για την χάραξη ενός FLD. 5
Σχήµα 7: Σύγκριση πειραµατικής καµπύλης οριακής διαµόρφωσης για χάλυβα µικρής περιεκτικότητας σε άνθρακα µε τις αντίστοιχες θεωρητικές. Στην τελική καµπύλη οριακής διαµόρφωσης µπορεί να προσαρµοστεί µια λωρίδα της τάξης του ±2% της ε 1, για να ληφθεί υπόψη τυχόν πειραµατικό σφάλµα στις µετρήσεις και τη διασπορά των σηµείων. Στο Σχ. 7 παρουσιάζεται µια τυπική καµπύλη οριακής διαµόρφωσης για µαλακό χάλυβα µαζί µε τις αντίστοιχες θεωρητικές των Keeler-Goodwin που µελέτησαν πρώτοι θεωρητικά τις καµπύλες αυτές. 6
ΕΛΑΤΤΩΜΑΤΑ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΕΛΑΣΜΑΤΟΣ Σχήµα 8: Ελαττώµατα κοίλανσης επιπέδου ελάσµατος 1: Πτυχώσεις στη φλάντζα 2: Πτυχώσεις στο τοίχωµα 3: Puckering 4: Ακτινικά σηµάδια λόγω ironing 5: Αξονικά σηµάδια λόγω ironing 6: Orange peel 7: Εκδορές εξωτερικής επιφάνειας 8 : Θραύση χειλέων και πυθµένα 9 : Θραύση γωνίας 10: Αυτιά 11: Κακή τοποθέτηση (mis-strike) 12: Αυτιά 13: Στίλβωση λόγω ιroning 14: Χείλωµα λόγω ανισοτροπίας 7
Παράγοντες που ευνοούν την ανάπτυξη ελαττωµάτων στα προϊόντα κοίλανσης 1. Η ακτίνα καµπυλότητας της µήτρας, r d Μείωση της ακτίνας καµπυλότητας r d της µήτρας οδηγεί σε αύξηση του µέγιστου φορτίου P max της κοίλανσης. Συνιστώµενες τιµές: r d 10s o, όπου s o το πάχος του ελάσµατος. Μεγάλες ακτίνες καµπυλότητας r d αυξάνουν την πιθανότητα ανάπτυξης πτυχώσεων στη φλάντζα του κυαθίου. 2. Η ακτίνα καµπυλότητας του εµβόλου, r p Έχει την πιο σηµαντική επίδραση στην ανάπτυξη σφαλµάτων. Αύξηση της ακτίνας καµπυλότητας r p του εµβόλου οδηγεί σε αύξηση του φορτίου κοίλανσης Ρ και της διαδροµής του εµβόλου δ, ενώ το µέγιστο φορτίο κοίλανσης P max παραµένει σχεδόν σταθερό. Συνιστώµενες τιµές: r p (0.1-0.3)d, όπου d το πάχος του ελάσµατος. Μικρές ακτίνες καµπυλότητας r p ευνοούν την ανάπτυξη ρηγµατώσεων στις γωνίες του κυαθίου. Ταυτόχρονα µεγάλες ακτίνες καµπυλότητας r p και r d οδηγούν στην ανάπτυξη πτυχώσεων στην αρχικά ανυποστήρικτη περιοχή του ελάσµατος (puckering). 3. Η χάρη µεταξύ εµβόλου και µήτρας, χ Συνιστώµενες τιµές: χ (1.3-1.4) s o. Μικρή χάρη δυσχεραίνει τη ροή του υλικού προκαλώντας το «σιδέρωµα» αυτού (ironing), δηλαδή κατά κάποιο τρόπο µηχανισµό σωληνοποίησης (ολκή) του ελάσµατος στο υφιστάµενο διάκενο εµβόλου-µήτρας. Εξαιρετικά µικρή χάρη µετατρέπει την κοίλανση σε απότµηση ή διάτρηση του ελάσµατος από το έµβολο. 4. Η πίεση του δακτυλίου συγκράτησης, p H Συνιστώµενες τιµές: p H (0.7-1%)(Y+UTS). Μεγάλες τιµές της πίεσης συγκράτησης προκαλούν αύξηση του φορτίου κοίλανσης και µπορεί να οδηγήσουν σε θραύση του τοιχώµατος του κυαθίου (υπερβολική λέπτυνση του ελάσµατος στη θέση θραύσης). Μικρές τιµές της πίεσης συγκράτησης επιτρέπουν την ανάπτυξη πτυχώσεων στη φλάντζα του κυαθίου (wrinkling). 5. Η επίπεδη ανισοτροπία του υλικού, R Συνιστάται R 0. Στην περίπτωση αυτή δεν εµφανίζονται «αυτιά» (ears) στα χείλη του κυαθίου. Αύξηση της επίπεδης ανισοτροπίας ευνοεί την αύξηση του ύψους των «αυτιών». Βελτίωση της επίπεδης ανισoτροπίας επιχειρείται µε διάφορους τρόπους, όπως: - Κραµάτωση του κατεργάσιµου υλικού µε κατάλληλα στοιχεία ή πρόσθετα. - Χρήση κατάλληλων θερµοκρασιών κατεργασίας. - Εφαρµογή κύκλων ανόπτησης του κατεργάσιµου ελάσµατος µετά την έλαση του. - Σταυροειδής έλαση του κατεργάσιµου ελάσµατος. 8
6. Το µέγεθος των κόκκων του υλικού Μεγάλο µέγεθος κόκκων αποδίδει στο κυάθιο τραχεία και θαµπή εξωτερική επιφάνεια, η οποία ακριβώς λόγω της εξωτερικής της εµφάνισης χρεώνεται ως ελάττωµα µε τον όρο «φλούδα πορτοκαλιού» (orange peel). Το ελάττωµα αυτό οφείλεται στην τάση των κόκκων του υλικού να παραµορφώνονται ανεξάρτητα µεταξύ τους και είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό όταν επιβάλλεται στο κυάθιο κάποια επικάλυψη. 7. Η έκταση της περιοχής διαρροής στο διάγραµµα σ-ε του κατεργάσιµου υλικού Όταν η περιοχή αυτή έχει µεγάλο εύρος στο διάγραµµα σ-ε, προκαλείται ακανόνιστη (µη ταυτόχρονη και ανοµοιόµορφη) διαρροή του υλικού στα διάφορα σηµεία του κυαθίου, µε αποτέλεσµα την ανάπτυξη ζωνών Lüders ή διασταυρούµενων ζωνών παραµόρφωσης (stretcher strains) στο τοίχωµα του κυαθίου. Το ελάττωµα αυτό είναι πιο εµφανές στα καµπύλα τµήµατα του κυαθίου και δυσχεραίνει οποιαδήποτε τυχόν επικάλυψη εφαρµοστεί στην εξωτερική επιφάνεια του. ιόρθωση του ελαττώµατος αυτού µπορεί να επιτευχθεί µε ελαφρά µείωση (0.5-1.5%) του αρχικού πάχους του ελάσµατος µε ψυχρή έλαση. 8. Οι παραµένουσες τάσεις Οφείλονται στην ανοµοιόµορφη παραµόρφωση του κυαθίου και µπορεί να προκαλέσουν στρέβλωση ή επιφανειακή ρηγµάτωση του κυαθίου. 9