ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4.1 ΨΥΧΡΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ Οι βασικές ψυχρές κατεργασίες διαμόρφωσης μετάλλων είναι η ψυχρή έλαση, η σφυρηλάτηση, η έλξη, η περιδίνηση, οι κατεργασίες πρέσας, η τάνυση κ.ά. Πολλές από τις κατεργασίες αυτές παρουσιάζουν κοινά χαρακτηριστικά με τις θερμές κατεργασίες και είναι δυνατό να πραγματοποιηθούν στις ίδιες μηχανές. Η βασική ιδιομορφία των ψυχρών κατεργασιών είναι η διαφορετική συμπεριφορά των. μετάλλων στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Τα κύρια, κοινά χαρακτηριστικά των ψυχρών κατεργασιών μετάλλων συνοψίζονται ώα έξης: 1. Μεγάλες δυνάμεις παραμόρφωσης. 2. Έντονη φθορά εργαλείων. 3. Διαδοχικές θερμικές κατεργασίες για την απαλοιφή των εσωτερικών τάσεων και την αύξηση της ολκιμότητας του υλικού. 4. Σχετικά μεγάλος αριθμός αχρήστων κομματιών. 5. Σχετικά μεγάλος όγκος άχρηστου υλικού. 6. Ικανοποιητική ακρίβεια διαστάσεων. 7. Καλή εξωτερική επιφάνεια. 8. Βελτιωμένη κρυσταλλική δομή και μηχανική αντοχή. 9. Μικρό κόστος παραγωγής για μεγάλη ποσότητα κομματιών. 10. Ειδικευμένο προσωπικό και εκτεταμένη μηχανουργική υποδομή. Τα χαρακτηριστικά αυτά υπαγορεύονται σε μικρό ή μεγάλο βαθμό από τη μηχανική συμπεριφορά του υλικού πού είναι ο καθοριστικός παράγοντας στις ψυχρές κατεργασίες.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 42 Σχήμα 33 Οι ψυχρές κατεργασίες γενικά εφαρμόζονται στα όλκιμα υλικά. Η τυπική συμπεριφορά των όλκιμων μετάλλων φαίνεται στο σχήμα 33, στο διάγραμμα δύναμης επιμήκυνσης για στατικά φορτία. Με την αύξηση του φορτίου F το υλικό παραμορφώνεται στην αρχή αναλογικά μέχρι το σημείο Α, και στη συνέχεια πλαστικά από το σημείο Α έως το σημείο Β όπου και έχουμε θραύση του υλικού. Η παραμόρφωση του υλικού όταν το φορτίο F είναι μικρότερο του φορτίου F A, είναι προσωρινή και μετά την απομάκρυνση του φορτίου το σώμα επανέρχεται στις αρχικές του διαστάσεις. Αντίθετα για φορτία μεγαλύτερα από το σημείο αναλογίας Α μέχρι και το μέγιστο φορτίο F M, η παραμόρφωση είναι μόνιμη. Έτσι εάν φορτίσουμε το υλικό με δύναμη F S το σώμα θα παραμορφωθεί πλαστικά επιμηκυνόμενο μέχρι του σημείου Σ'. Μετά την απομάκρυνση του φορτίου το σώμα δεν επανέρχεται στις παλιές του διαστάσεις, αλλά διατηρεί το μέρος της παραμόρφωσης πού αντιστοιχεί στο σημείο Σ''. Το σημείο Σ'' βρίσκεται αν φέρουμε από το σημείο Σ την παράλληλο προς την ΟΑ. Εάν το φορτίο υπερβεί το μέγιστο φορτίο F M επέρχεται έντονη παραμόρφωση του υλικού, εμφάνιση ρωγμών και τελική θραύση του υλικού. Τα φορτία που χρησιμοποιούνται κατά τις ψυχρές κατεργασίες είναι συνήθως μικρότερα του μέγιστου φορτίου F M και φυσικά μεγαλύτερα από το φορτίο αναλογίας F A. Η συμπεριφορά των μετάλλων σε δυναμικά φορτία είναι σε πολλές περιπτώσεις διαφορετική με γενικό χαρακτηριστικό τη μεγαλύτερη πλαστικότητα του υλικού. Είναι λοιπόν δυνατό να γίνει εκμετάλλευση των διαφορών πού παρουσιάζονται, για την καλύτερη διαμόρφωση των υλικών στην ψυχρή κατάσταση με δυναμικές μεθόδους ανάλογες των αντιστοίχων για τις θερμές κατεργασίες. Τις μεθόδους αυτές θα εξετάσουμε στο τέλος του κεφαλαίου αυτού. Η συμπεριφορά των μετάλλων δεν είναι διαφορετική μόνο κατά τη διάρκεια των ψυχρών κατεργασιών αλλά και το τελικό προϊόν παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες συγκρινόμενο με προϊόντα θερμής κατεργασίας. Ιδιαίτερα αισθητή είναι η διαφορά στην περίπτωση του χάλυβα, όπως δείχνει το σχήμα 34, οπού φαίνεται το.διάγραμμα φορτίου παραμόρφωσης για το ίδιο κράμα χάλυβα μετά θερμή έλαση (1), και ψυχρή έλξη (2). Είναι σαφής η αύξηση της μέγιστης αντοχής του υλικού σε φορτίο και η μείωση της ολκιμότητας του μετά την ψυχρή κατεργασία.'
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 43 Σχήμα 34 Ένα σημείο πού πρέπει επίσης να τονισθεί στην περίπτωση των ψυχρών κατεργασιών είναι η τάση του υλικού μετά την πλαστική παραμόρφωση να αποκτήσει τις παλιές του διαστάσεις. Η τάση αυτή δημιουργεί όπως είναι φυσικό, προβλήματα ακρίβειας διαστάσεων του τελικού προϊόντος και πρέπει να λαμβάνεται προκαταβολικά υπόψη κατά τον σχεδιασμό των εργαλείων και μήτρων της ψυχρής κατεργασίας. Στη συνέχεια θα εξετασθούν οι βασικοί τρόποι επεξεργασίας μετάλλων στην ψυχρή κατάσταση, τα συναφή μηχανήματα πού χρησιμοποιούνται και οι μορφές των προϊόντων πού παράγονται με κάθε μία μέθοδο. Γενικό χαρακτηριστικό σχεδόν όλων των μεθόδων ψυχρής κατεργασίας είναι ο μεγάλος όγκος παραγωγής ο όποιος απαιτεί εκτεταμένο μηχανικό εξοπλισμό, ειδικευμένο προσωπικό έλεγχο ποιότητας πρώτων υλών και τελικών προϊόντων και οργάνωση εργοστασίου σε βιομηχανικό επίπεδο. Η ψυχρή κατεργασία μετάλλων αποτελεί βασικότατο τομέα της βαρείας βιομηχανίας μιας χώρας πού χρησιμοποιεί ως πρώτη ύλη προϊόντα θερμών κατεργασιών, όπως π.χ. ελάσματα, μορφοδοκούς, φύλλα κ.α., και παράγει ένα γιγάντιο πλήθος εξαρτημάτων πού ποικίλουν σημαντικά σε μορφή, ιδιότητες και χρήση. Τυπικά προϊόντα των ψυχρών κατεργασιών είναι, τα καλώδια, οι σωλήνες, τα ελατήρια, το αμάξωμα των αυτοκινήτων, κ.α. 4.2. Έλαση. Η έλαση μετάλλων στη θερμοκρασία περιβάλλοντος χρησιμοποιείται κυρίως για τη διαμόρφωση φύλλων, ράβδων, ελασμάτων και διατομών. Τα χρησιμοποιούμενα μηχανήματα έχουν πολλά κοινά σημεία με τα αντίστοιχα των θερμών κατεργασιών και δεν θα χρειασθεί να τα εξετάσουμε λεπτομερειακά. Αρκεί μόνο να υπογραμμισθεί η γενικά βαρύτερη κατασκευή τους και ενδιάμεσες θερμικές κατεργασίες, κυρίως ανόπτηση, πού υφίσταται το προϊόν ώστε να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση από πλευράς μηχανικών ιδιοτήτων και ιδίως ολκιμότητας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον από άποψη εφαρμογών και όγκου παραγωγής παρουσιάζει ή έλαση διαμορφώσεως ελασμάτων και διατομών.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 44 Σχήμα 35 Με τη μέθοδο αυτή διαμορφώνονται διατομές διαφόρων σχημάτων, σωλήνες, προφίλ κλπ. χρησιμοποιώντας σαν πρώτη ύλη ελάσματα ορθοργωνικής διατομής. Οι μορφές διατομών πού παράγονται με τη μέθοδο αυτή παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία, όπως δείχνει το σχήμα 35. Η διαμόρφωση των ελασμάτων πραγματοποιείται σε διαδοχικές ελάσεις του υλικού από έλαστρα με κυλίνδρους κατάλληλης μορφής. Το σχήμα 36 δείχνει τις απαιτούμενες διαδοχικές φάσεις έλασης πού χρειάζονται για το σχηματισμό τής διατομής Ζ. Σχήμα 36 Για απλούστερες διατομές και κάμψεις ελασμάτων χρησιμοποιούνται διαδοχικά έλαστρα της μορφής που παρουσιάζονται στο σχήμα 37.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 45 Σχήμα 37 Στην περίπτωση της διαμόρφωσης κλειστών διατομών, σωλήνων κλπ. είναι δυνατός ο σχηματισμός κατάλληλων χειλέων τα οποία συμπιεζόμενα δίνουν στεγανότητα, διαφορετικά χρησιμοποιείται ραφή με ηλεκτροσυγκόλληση. Τα διαδοχικά στάδια σχηματισμού σωλήνα με έλαση δείχνει το σχήμα 38. Σχήμα 38
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 46 Όπως είναι γνωστό, διατομές κατασκευάζονται και με τη μέθοδο της εξώθησης. Στο σχήμα 39 παρουσιάζονται οι κυριότερες μορφές διατομών που παράγονται με τις δύο μεθόδους και οι βασικές διαφορές τους. Η μέθοδος της ψυχρής έλασης παρουσιάζει μεγάλη παραγωγικότητα και καλή ποιότητα προϊόντων από άποψη ακρίβειας και εμφάνισης. Η μεγάλη ταχύτητα περιστροφής των ελάστρων, πού φθάνει τα 70 m/min επιτρέπει την παραγωγή και 20.000 m ελάσματος ημερησίως. Το έλασμα αυτό σε καθορισμένα μήκη κόβεται σε διάφορα μεγέθη με ελάχιστο όριο τα 30 cm. Το πάχος των ελασμάτων κυμαίνεται από 0.1 mm έως 20 mm, και φυσικά είναι ανάλογες και οι ακτίνες καμπυλότητας των ελασμάτων στα σημεία κάμψης. Η ελάχιστη ακτίνα καμπυλότητας πρέπει να υπερβαίνει πάντοτε το πάχος του ελάσματος. Η μέθοδος της διαμόρφωσης ελασμάτων με ψυχρή έλαση χρησιμοποιείται σε μεγάλη έκταση για την παραγωγή χαλύβδινων σωλήνων με ραφή. Σχήμα 39 4.3. Σφυρηλάτηση. Η σφυλάτηση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος χρησιμοποιείται σε μεγάλη έκταση για τη διαμόρφωση ελασμάτων, καθόσον η μηχανική αντοχή του υλικού δεν επιτρέπει τη διαμόρφωση σε ψυχρή κατάσταση μετάλλων με μεγάλα πάχη. Για την ψυχρή σφυρηλάτηση συνήθως χρησιμοποιούνται υδραυλικές σφύρες μικρότερου μεγέθους των μηχανών της θερμής σφυρηλάτησης με συνηθισμένη ικανότητα μέχρι 10 t (σχήμα 40). Οι μήτρες πού χρησιμοποιούνται κατασκευάζονται συνήθως με την έξης μέθοδο. Το αρσενικό κομμάτι αρχικά χυτεύεται από κράμα ψευδαργύρου στο επιθυμητό σχήμα και στη συνέχεια υφίσταται μηχανουργική επεξεργασία και λείανση μέχρι να αποκτήσει την κατάλληλη ποιότητα επιφανείας. Το θηλυκό κομμάτι συνήθως αποτελείται από κράματα αντιμονιακού μολύβδου πού παίρνει το κατάλληλο σχήμα καθώς η σφύρα συμπιέζει το αρσενικό κομμάτι επάνω του (σχήμα 41). Για μεγάλες μήτρες επεξεργασίας χαλύβδινων λαμαρινών μεγάλου πάχους, χρησιμοποιείται σαν υλικό κατασκευής της μήτρας και ο χυτοσίδηρος.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 47 Σχήμα 40 Σχήμα 41
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 48 Οι μήτρες ψυχρής σφυρηλάτησης δεν υφίστανται θερμική και μηχανική καταπόνηση ανάλογη των μήτρων θερμής σφυλάτησης και κατασκευάζονται από φθηνότερα υλικά με καλύτερες ιδιότητες χύτευσης και μηχανουργικής κατεργασίας. Έτσι, το κόστος παραγωγής μειώνεται αισθητά. Συνήθως η διαμόρφωση του ελάσματος απαιτεί τη χρησιμοποίηση διαδοχικών μήτρων πού κάμπτουν διαδοχικά το μέταλλο όπως στο σχήμα 42. Προφανώς, σημαντικότατο ρόλο παίζει και η ολκιμότητα του υλικού πού εξαρτάται και από την σύσταση του κράματος αλλά και από την κρυσταλλική δομή του, και την προϊστορία του σε μηχανικές επεξεργασίες. Στο σχήμα 43 παρουσιάζονται διάφορα κομμάτια διαμορφωμένα με ψυχρή σφυρηλάτηση από λαμαρίνες αλουμινίου και ανοξείδωτου χάλυβα. Σχήμα 42 Σχήμα 43
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 49 Η διαμόρφωση ελασμάτων με σφυρηλάτηση γενικά παρουσιάζει μικρό κόστος μήτρων, αν και οι μήτρες συνήθως καταστρέφονται μετά την παραγωγή 50-500 κομματιών. Το υλικό των μήτρων πάντως ξαναχρησιμοποιείται. Τα βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι, η μικρή παραγωγικότητα, το ειδικευμένο προσωπικό και ή βαθμιαία αλλαγή των διαστάσεων των προϊόντων λόγω της φθοράς της μήτρας. Πάντως, λόγω του μικρού κόστους της μήτρας είναι συμφέρουσα και η παραγωγή μικρού αριθμού ειδικών τεμαχίων. 4.4. Έλξη Πρακτικά όλα τα σύρματα κατασκευάζονται με τη μέθοδο της έλξης. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί μήτρες με οπές καταλλήλου διαμέτρου μέσω των οποίων αναγκάζεται να περάσει το σύρμα ελκόμενο με μεγάλη δύναμη. Τη σχετική διάταξη δείχνει το σχήμα 44. Σχήμα 44 Οι οπές έχουν κατάλληλη μορφή ώστε να διευκολύνεται η δίοδος του μετάλλου, το οποίο ουσιαστικά ρέει κάτω από τη δύναμη της έλξης, σε αντίθεση με τη μέθοδο της εξώθησης όπου το μέταλλο, σε θερμή κατάσταση ωθείται δια μέσου της οπής. Η απαιτούμενη δύναμη έλξης δημιουργείται με τη δίοδο του σύρματος ανάμεσα από κατάλληλες τροχαλίες. Η συρματοποίηση πραγματοποιείται σε πολλά στάδια με βαθμιαία μείωση της διαμέτρου του σύρματος και ενδιάμεσες ανοπτήσεις. Με τη μέθοδο της έλξης είναι επίσης δυνατή η κατασκευή σωλήνων χωρίς ραφή. Το κόστος πάντως κατασκευής σωλήνων με τη μέθοδο αυτή είναι σημαντικά υψηλότερο του αντίστοιχου κόστους εξώθησης ή έλασης. Οι παραγόμενοι σωλήνες έλξης συγκριτικά παρουσιάζουν σημαντικά ανώτερη αντοχή, λόγω της μηχανικής κατεργασίας και της έλλειψης ραφής και χρησιμοποιούνται για υψηλές πιέσεις.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 50 4.4. Κατεργασίες Συμπίεσης. Οι κατεργασίες συμπίεσης αποτελούν την κυριότερη μέθοδο διαμόρφωσης της λαμαρίνας. Τα προϊόντα συμπίεσης διακρίνονται για την ομοιομορφία, τη σχετική ακρίβεια διαστάσεων, την καλή εμφάνιση και το χαμηλό κόστος. Βασική προϋπόθεση της παραγωγής είναι ο μεγάλος αριθμός κομματιών κυρίως γιατί το κόστος κατασκευής των μήτρων είναι απαγορευτικά μεγάλο. Η μέθοδος της συμπίεσης συνίσταται στη συμπίεση φύλλων μετάλλου μεταξύ δύο κατάλληλα διαμορφωμένων μήτρων. Ανάλογα με το σχήμα των μήτρων αυτών, το φύλλο κόβεται ή παραμορφώνεται ή και τα δύο μαζί. Οι δυνάμεις πού χρειάζονται για την παραμόρφωση και την κοπή παράγονται σε κατάλληλες μηχανές, τις λεγόμενες πρέσες με μηχανικό ή υδραυλικό τρόπο. Οι μηχανές αυτές όπως είναι φυσικό, μοιάζουν με τις πρέσες θερμής σφυρηλάτησης πού έχουμε ήδη εξετάσει. Παρουσιάζουν όμως μεγαλύτερη ποικιλία από άποψη μεγέθους και δυνατοτήτων. Στο σημείο αυτό είναι σκόπιμο να εξετάσουμε χωριστά τις βασικές λειτουργίες της κοπής και της παραμόρφωσης, καθόσον τα χρησιμοποιούμενα εργαλεία παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές. Η λειτουργία της κοπής πραγματοποιείται με την ακόλουθη βασική διάταξη του σχήματος 45. Σχήμα 45 Στη διάταξη αυτή το φύλλο τής λαμαρίνας Α περνά από τη σχισμή της θηλυκής μήτρας Β κάτω από τον οδηγό D. Το κοπτικό εργαλείο C, κάτω από την πίεση τής πρέσας σχηματίζει μία οπή στη λαμαρίνα. Προωθώντας τη λαμαρίνα, κατά κατάλληλα διαστήματα ρυθμιζόμενα από τον δείκτη Ε, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια σειρά οπών ή να κόψουμε κομμάτια με ποικίλα περιγράμματα. Το κοπτικό εργαλείο δεν είναι απαραίτητο να βρίσκεται προσαρμοσμένο στο κινητό άνω ώστήριο τής πρέσας αλλά μπορεί να βρίσκεται και στο κάτω σταθερό τμήμα, την ονομαζόμενη κλίνη. Η αντίστοιχη διάταξη παρουσιάζεται στο σχήμα 46. Ο συνδυασμός των δύο αυτών διατάξεων παρουσιάζεται στο σχήμα 47. Με τη διάταξη αυτή, πού αποτελεί μια σύνθετη μήτρα, κόβουμε κομμάτια με μορφή κυκλικών δακτυλίων. Στην περίπτωση αυτή το κοπτικό εργαλείο είναι το Β πού κόβει την εξωτερική περιφέρεια σε συνεργασία με τη θηλυκή μήτρα Α και το D πού κόβει την εσωτερική περιφέρεια σε συνεργασία με την εσωτερική επιφάνεια της μήτρας Β. Η εξαγωγή των κομματιών από τις μήτρες γίνεται με τη βοήθεια καταλλήλων εξωλκέων. Για περισσότερο πολύπλοκα κομμάτια χρησιμοποιούνται πιο σύνθετες μήτρες με πολλά κοπτικά εργαλεία ή πολλαπλές μήτρες στις οποίες κόβονται συγχρόνως πολλά κομμάτια με ένα κτύπημα.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 51 Σχήμα 46 Σχήμα 47 Γενικά το κόστος της μήτρας ανεβαίνει εκθετικά με την αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Για τον σκοπό αυτό, όπου είναι δυνατό, χρησιμοποιούνται διαδοχικές μήτρες από τις οποίες διέρχεται η λαμαρίνα για την εκτέλεση μιας μόνης κατεργασίας. Η μέθοδος αυτή δεν παρουσιάζει αυξημένο χρόνο επεξεργασίας γιατί με την κάθοδο της κεφαλής εκτελούνται όλες οι κατεργασίες στα διαδοχικά κομμάτια. Η όλη διάταξη παρουσιάζεται στο σχήμα 48. Σχήμα 48
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 52 Η δύναμη που απαιτείται για την κοπή ενός περιγράμματος στη λαμαρίνα, υπολογίζεται απλά από τη σχέση: F l s τ Β όπου l το μήκος του περιγράμματος, s το πάχος του ελάσματος, τ Β η τάση θραύσης του υλικού σε διάτμηση. Για την αύξηση της οικονομίας σε υλικό χρειάζεται να γίνει προσεκτική μελέτη των μήτρων και ιδίως της διάταξής τους πάνω στη λαμαρίνα ανάλογα με το σχήμα του περιγράμματος. Στο σχήμα 49 παρουσιάζονται σχετικές διατάξεις για διάφορα σχήματα κομματιών. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η περίπτωση Α όπου με τη βοήθεια του σχήματος, έχει επιτευχθεί να μηδενισθεί ή ποσότητα άχρηστου υλικού. Σχετικά ορίζεται ο συντελεστής απόδοσης κοπής βάσει της σχέσης: η = Fa F οπού Fα η επιφάνεια των παραγομένων κομματιών και F η συνολική επιφάνεια του φύλλου. Σχήμα 49 Εκτός από την κατεργασία κοπής, οι πρέσες είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν και για την παραμόρφωση της λαμαρίνας, αυτή μάλιστα είναι και η σοβαρότερη εφαρμογή της πρέσας σαν εργαλειομηχανή τόσο από ποικιλία προϊόντων όσο και από όγκο παραγωγής.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 53 Σημαντικότατοι τομείς της βαρείας βιομηχανίας, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροπορική βιομηχανία κ.ά. στηρίζουν μεγάλο μέρος της παραγωγής τους στην συμπίεση της λαμαρίνας. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας των εφαρμογών πού εκτείνονται από την παραγωγή τμημάτων διαστημικών οχημάτων μέχρι την νομισματοκοπή, υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός τύπων πρέσων με διάφορα χαρακτηριστικά. Η συνηθισμένη καταπόνηση του υλικού με την όποια επιτυγχάνεται η διαμόρφωση του φύλλου είναι η κάμψη. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον επίσης από άποψη εφαρμογών παρουσιάζει η βαθιά εξέλαση. Κατά την κατεργασία αυτή, η οποία είναι μια συνθετότερη καταπόνηση δημιουργούνται στη λαμαρίνα βαθιά κοιλώματα. Διαγραμματικά η διάταξη παρουσιάζεται στο σχήμα 50. Έξωλκέας Κέλυφος Σχήμα 50 Με την κάθοδο της κεφαλής το κομμάτι της λαμαρίνας αναγκάζεται να περάσει μέσα από ένα κατάλληλο στόμιο παίρνοντας έτσι το επιθυμητό σχήμα. Η διαδικασία της διαμόρφωσης συνήθως πραγματοποιείται σε άπλες μήτρες με διαδοχικές παραμορφώσεις, όπως στο σχήμα 51, ή σε σύνθετες μήτρες. Τη λειτουργία μιας σύνθετης μήτρας δείχνει το σχήμα 52. Σχήμα 51 Γενικά, στη βαθιά εξέλαση με απλές μήτρες είναι δυνατή η επιτυχής διαμόρφωση κελυφών με σχέση βάθους-διαμέτρου περίπου 1. Για μεγαλύτερα βάθη είναι απαραίτητη η χρησιμοποίηση συνθέτων μήτρων διπλής ή και τριπλής δράσης.η δυναμικότης αυτών των μηχανών συχνά ξεπερνά τους 1000t, και υπάρχει δυνατότης λεπτομερούς ρύθμισης της ταχύτητας καθόδου της κεφαλής ώστε να είναι δυνατή η αποφυγή του συνηθισμένου φαινομένου της συρρίκνωσης του μετάλλου.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 54 Σχήμα 52 Στο σχήμα 53 παρουσιάζεται ένας κοινός τύπος υδραυλικής πρέσας, συνήθης στη βιομηχανία. Σχήμα 53 Η βιομηχανική παραγωγή με την μέθοδο της συμπίεσης απαιτεί μεγάλη πείρα στο σχεδιασμό των μήτρων ιδίως για μήτρες πολλαπλής ενέργειας, καθώς και λεπτομερή ρύθμιση των σημείων όπου μπαίνουν σε κίνηση τα διαφορετικά τμήματα τής μήτρας.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 55 Για την επιτυχία της βαθιάς εξέλασης σημαντικό ρόλο παίζει και η ποιότητα του χρησιμοποιουμένου χάλυβα, ο οποίος θα πρέπει να παρουσιάζει κατά το δυνατόν μεγαλύτερη ολκιμότητα. Στην κατεργασία αυτή εκτός από το υλικό και το σχήμα της μήτρας, στη διαμόρφωση του τελικού προϊόντος παίζει σημαντικό ρόλο και το σχήμα του κομματιού τής λαμαρίνας από το οποίο θα προέλθει το τελικό προϊόν. Πράγματι, ενώ γι' αυτόν το σχηματισμό αντικειμένων με κυλινδρική συμμετρία το αρχικό κομμάτι είναι κατά κανόνα κυκλικό, για το σχηματισμό ορθογωνίων αντικειμένων το αρχικό κομμάτι δεν είναι ορθογώνιο! Εκτός από το συνηθισμένο τρόπο συμπίεσης της λαμαρίνας ανάμεσα στις δύο μήτρες, είναι δυνατή η διαμόρφωση της με τη χρήση μιας μήτρας τοποθετημένης επάνω στην κλίνη της πρέσας και ενός στρώματος ελαστικού επάνω στην κεφαλή. Την μέθοδο αυτή πού παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα δείχνει το σχήμα 54. Σχήμα 54 Για τη συγκράτηση του φύλλου και την διευκόλυνση τής διαμόρφωσης χρησιμοποιούνται διάφοροι προσδέτες. Τα βασικά πλεονεκτήματα αυτής τής μεθόδου είναι η έλλειψη της θηλυκής μήτρας και η μεγαλύτερη παραγωγικότητα. Οι υδραυλικές πρέσες ελαστικού χρησιμοποιούνται πολύ στην αεροπορική βιομηχανία. Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει η χρησιμοποίηση του ελαστικού για τη διαμόρφωση βαρελοειδών αντικειμένων. Στην επόμενη διάταξη (σχήμα 55) η δύναμη της πρέσας δημιουργεί πλευρική παραμόρφωση του ελαστικού το οποίο συμπιέζει το αρχικά κυλινδρικό δοχείο στα τοιχώματα της
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 56 θηλυκής μήτρας. Για να είναι δυνατή η εξαγωγή του κομματιού από τη μήτρα αυτή κατασκευάζεται διαιρούμενη. Σχήμα 55 Οι. πρέσες ελαστικού έχουν δυναμικότητα πού φθάνει τους 1200t, υπό την δύναμη αυτή οι πιέσεις πού αναπτύσσονται μεταξύ του ελαστικού και της λαμαρίνας φθάνουν συνήθως τις 100 at για μεγάλα αντικείμενα ή 500 at για τα συνηθισμένα. Η ακρίβεια διαστάσεων που επιτυγχάνεται με την μέθοδο αυτή κυμαίνεται μεταξύ 1 για μαλακά μέταλλα όπως το αλουμίνιο και 5 για σκληρά μέταλλα όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες. Στις μεθόδους συμπίεσης μπορούμε να κατατάξουμε και τη μέθοδο διαμόρφωσης σπειρωμάτων με συμπίεση. Στη μέθοδο αυτή το σπείρωμα του κοχλία δημιουργείται είτε με τη συμπίεση πάνω στην κυλινδρική επιφάνεια του κορμού του κοχλία περιστρεφόμενης μήτρας, είτε με την κύλιση του κορμού σε επίπεδη μήτρα όπως στο σχήμα 56. Σχήμα 56 Το σπείρωμα πού προκύπτει με τη μέθοδο αυτή πλεονεκτεί απέναντι στα σπειρώματα κοπής γιατί, όπως δείχνει το σχήμα 57, η εσωτερική δομή των ινών του μετάλλου ακολουθεί το περίγραμμα του σπειρώματος. Σχήμα 57 (αριστερά κοπή, δεξιά συμπίεση)
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 57 Βασική διαφορά μεταξύ των δύο αυτών τύπων σπειρωμάτων είναι η ονομαστική διάμετρος του κοχλία πού στην περίπτωση της κοπής είναι και η διάμετρος του κορμού. Αντίθετα στην περίπτωση της συμπίεσης λόγω της παραμόρφωσης του μετάλλου η ονομαστική διάμετρος D του κοχλία είναι μεγαλύτερη της διαμέτρου του κορμού (σχήμα 58). Με τη μέθοδο αυτή κατασκευάζονται κυρίως τριγωνικά σπειρώματα κυλινδρικής ή και κωνικής μορφής. Σχήμα 58 4.5. Τάνυση Η μέθοδος της τάνυσης είναι πολύ καινούργια και εφαρμόσθηκε για πρώτη φορά στην κατασκευή των εξωτερικών περιβλημάτων αεροσκαφών. Σχήμα 59 Στη μέθοδο της τάνυσης διακρίνουμε τρεις φάσεις (βλέπε σχήμα 59). Κατά την πρώτη φάση γίνεται η πρόσδεση της λαμαρίνας πάνω στη μηχανή τάνυσης με τη βοήθεια κατάλληλων σφικτήρων. Η φάση αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί από τη στερεότητα της σύσφιξης αυτής εξαρτάται η επιτυχία της μεθόδου. Ανάλογα με τη διεύθυνση τάνυσης που επιθυμούμε, οι σφικτήρες είναι διατεταγμένοι σε ευθύγραμμη, κυκλική, σφαιρική ή άλλες διατάξεις. Στη συνέχεια, το έμβολο, της μηχανής, κινούμενο
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 58 υδραυλικά συμπιέζει τη μήτρα πάνω στη λαμαρίνα. Ταυτόχρονα, οι διατάξεις των σφικτήρων πού είναι επίσης εφοδιασμένες με υδραυλικά έμβολα ενεργοποιούνται περιστρεφόμενες γύρω από τις αρθρώσεις. Κατά την τρίτη φάση, το μέταλλο της λαμαρίνας παραμορφούμενο πλαστικά κάτω από την επίδραση των εμβόλων περιβάλλει τη μήτρα παίρνοντας το επιθυμητό σχήμα. Στο σχήμα 60 φαίνεται η διαδικασία παραγωγής με τη μέθοδο της τάνυσης και το τελικό προϊόν. Με τη μέθοδο της τάνυσης είναι δυνατή η διαμόρφωση λαμαρίνας σε σχήματα τα όποια μπορεί να είναι πολύπλοκα, αλλά δεν παρουσιάζουν μικρές ακτίνες καμπυλότητας. Βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η έλλειψη της θηλυκής μήτρας, η καλή ποιότητα και ακρίβεια κατασκευής, και το σχετικά μεγάλο μέγεθος αντικειμένων που μπορούν να διαμορφωθούν με μία μόνο κατεργασία. Σχήμα 60 Τα κυριότερα μειονεκτήματα είναι ο σχετικά μεγάλος χρόνος προσδέσεως του φύλλου και η συναφής μειωμένη παραγωγικότητα καθώς και η ανάγκη περαιτέρω επεξεργασίας των προϊόντων, κυρίως για την αποκοπή των τμημάτων πού χρησιμοποιήθηκαν για την πρόσδεση. 4.6. Περιδίνηση. Η μέθοδος αυτή της περιδίνησης είναι αρχαία και χρησιμοποιήθηκε πρωταρχικά για τη διαμόρφωση πηλού. Η χρησιμοποίησή της για την παραγωγή εκ περιστροφής συμμετρικών αντικειμένων από μέταλλο είναι αρκετά σύγχρονη. Στη μέθοδο αυτή, η λαμαρίνα κομμένη κυκλικά, προσδένεται στην περιστρεφόμενη κεφαλή ενός ειδικού τύπου τόρνου. Η κεφαλή αυτή αποτελεί ουσιαστικά και τη μήτρα διαμόρφωσης της λαμαρίνας. Η λαμαρίνα περιστρεφόμενη με αριθμό στροφών πού ποικίλλει από 6-3500 rpm συμπιέζεται με κατάλληλα εργαλεία πάνω στην κεφαλή και παραμορφουμενη παίρνει το σχήμα της. Τη χρησιμοποιούμενη διάταξη και τα εργαλεία περιδίνησης δείχνει το σχήμα 61.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 59 Σχήμα 61 Τα εργαλεία αυτά συμπιέζονται από τον χειριστή της μηχανής στην επιφάνεια του μετάλλου, ενώ συγχρόνως διοχετεύεται και λιπαντικό για τη μείωση των τριβών. Για τον καλύτερο έλεγχο του εργαλείου και την αύξηση της δυνάμεως του τεχνίτη χρησιμοποιείται το σύστημα προσδέσεως στο εργαλειοφορείο του σχήματος 62. Σχήμα 62 Τα τελευταία χρόνια με την αύξηση των εφαρμογών της περιδίνησης κατασκευάστηκαν αυτόματοι τόρνοι περιδίνησης οι οποίοι έχουν μηχανικό αυτοματοποιημένο έλεγχο των εργαλείων. Η διαδικασία παραμόρφωσης του ελάσματος είναι βαθμιαία και απαιτεί μεγάλη τέχνη από το μέρος του χειριστή της μηχανής. Στο σχήμα 63 παρουσιάζονται οι βαθμιαίες φάσεις διαμόρφωσης κωνικών, σφαιρικών και κυλινδρικών επιφανειών.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 60 Σχήμα 63 Επίσης με τη μέθοδο της περιδίνησης είναι δυνατή η διαμόρφωση και πιο πολύπλοκων σχημάτων με τη χρησιμοποίηση ειδικών εργαλείων, όπως ο συνδυασμός έκκεντρου Β,C,F,G,D,E του σχήματος 64. Γενικά η περιδίνηση παρουσιάζει ακρίβεια διαστάσεων πού φθάνει το 0.5 mm για διάμετρο αντικειμένου 1 m. Σχήμα 64 Κατά τη βαθμιαία παραμόρφωση του μετάλλου επέρχεται σκλήρυνση και για πολλά υλικά είναι απαραίτητη η ενδιάμεση ανόπτηση του κομματιού. Κατά τη σχεδίαση του κομματιού πρέπει να αποφεύγονται οι γωνίες, όπως στην περίπτωση (Α) του σχήματος 65 και να προτιμάται η μορφή (Β) με κατά το δυνατό μεγαλύτερες ακτίνες καμπυλότητας στα σημεία κάμψης. Έτσι εξασφαλίζεται και μικρότερος χρόνος παραγωγής, μικρότερο κόστος και καλύτερο προϊόν.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 61 Σχήμα 65 4.7. Μέθοδοι Υψηλού Ρυθμού Ενέργειας Παραμόρφωσης (HERF). Υπό τον όρο υψηλός ρυθμός ενέργειας παραμόρφωσης περιλαμβάνουμε ένα μεγάλο αριθμό σύγχρονων μεθόδων κατεργασίας πού έχουν σαν κύριο χαρακτηριστικό τους τη διαμόρφωση του υλικού κάτω από συνθήκες τάσεων δημιουργούμενων από ταχέως μεταβαλλόμενα φορτία. Έχουμε ήδη αναφέρει στο κεφάλαιο της σφυρηλάτησης, αντίστοιχες διατάξεις πού χρησιμοποιούνται για τη θερμή διαμόρφωση του μετάλλου με μεθόδους ΗΕRF. Εκτός από τη θερμή κατεργασία μετάλλων, η μέθοδος ΗΕRF χρησιμοποιείται και για την ψυχρή διαμόρφωση αντικειμένων σε περιπτώσεις όπου οι άλλες μέθοδοι που ήδη εξετάσαμε δεν προσφέρονται. Τις μεθόδους ΗΕRF ανάλογα με τη βασική αρχή λειτουργίας τους διακρίνουμε στις κατηγορίες ηλεκτρομαγνητικές, ηλεκτροϋδραυλικές, εκρηκτικές κ.ά. Στις ηλεκτρικές γενικά μεθόδους, η ενέργεια παραμόρφωσης προέρχεται από τη μετατροπή μέσα σε χρόνο της τάξης 1μs, ηλεκτρικής ενέργειας συσσωρευμένης σε πυκνωτές. Αντίστοιχα, στις εκρηκτικές μεθόδους, η ενέργεια παραμόρφωσης προέρχεται από την έκλυση της χημικής ενέργειας του εκρηκτικού. Κάτω από την επιρροή των υψηλών αυτών δυναμικών φορτίων, στην παραμόρφωση του υλικού δεν επιδρούν μόνο οι τάσεις οι προερχόμενες από τα επιφανειακά εφαρμοζόμενα φορτία, αλλά και οι τάσεις πού προέρχονται από τις αδρανειακές δυνάμεις πού δρουν στη μάζα του μετάλλου. Η συμπεριφορά του υλικού σε παρόμοιες φορτίσεις είναι διαφορετική, καθόσον οι τάσεις αναπτύσσονται ομοιόμορφα στη μάζα του αντικειμένου. Έτσι είναι δυνατή η κατεργασία μετάλλων σε διάφορες μορφές πού δεν είναι πραγματοποιήσιμες με τις συνηθισμένες εργαλειομηχανές στις όποιες η παραμόρφωση επιτυγχάνεται με αργό ρυθμό. 4.7.1. Ηλεκτρομαγνητική διαμόρφωση. Η ηλεκτρομαγνητική διαμόρφωση χρησιμοποιείται κυρίως για την κατεργασία μετάλλων και κραμάτων που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και παρουσιάζουν μεγάλη ολκιμότητα. Έτσι χρησιμοποιείται συνήθως για τη διαμόρφωση χαλκού, αλουμινίου και των κραμάτων τους, και σπανιότερα για χάλυβες, τιτάνιο, βολφράμιο κλπ. Για τη συσσώρευση της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται συστοιχία πυκνωτών υπό υψηλή τάση. Η ενέργεια αυτή με το κλείσιμο ενός ειδικού διακόπτη τροφοδοτεί το πηνίο της διάταξης του σχήματος 66. Το παραγόμενο ισχυρό ρεύμα δημιουργεί ένα αντίστοιχα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μεταβαλλόμενης έντασης. Το πεδίο αυτό δημιουργεί ισχυρά δινορεύματα μέσα στη μάζα του υπό διαμόρφωση αντικειμένου, και αντίστοιχα μαγνητικά πεδία.
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 62 Σχήμα 66 Η αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών αυτών πεδίων έχει σαν αποτέλεσμα τη βίαιη απώθηση και εκτόνωση του αντικειμένου με τη μορφή έκρηξης. Έτσι το αντικείμενο συμπιέζεται πάνω στη μήτρα παίρνοντας το σχήμα της. Η δύναμη της παραμόρφωσης, ανάλογα με το σχήμα του αντικειμένου και του υλικού, είναι δυνατό να ποικίλει και να συγκεντρωθεί σε ορισμένα σημεία του αντικειμένου. 4.7.2. Ηλεκτροϋδραυλική διαμόρφωση. Η ηλεκτροϋδραυλική μέθοδος διαμόρφωσης χρησιμοποιεί την ίδια βασικά μέθοδο συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας με την ηλεκτρομαγνητική. Τη διάταξη αυτή δείχνει το σχήμα 67. Σχήμα 67
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 63 Στην ηλεκτροϋδραυλική διαμόρφωση, η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου των πυκνωτών μετατρέπεται μέσω ενός ισχυρού σπινθήρα σε μηχανική και θερμική. Ο σπινθήρας αυτός πραγματοποιείται μέσα στο νερό το όποιο υπό την επίδραση του μετατρέπεται σε πλάσμα ατμού. Η εκτόνωση αυτή μεταδίδεται σφαιρικά μέσα στη μάζα του νερού με μορφή κυμάτων πίεσης. Τα κύματα αυτά είναι σε θέση να παραμορφώσουν αντικείμενα που εμποδίζουν τη διάδοση τους. Τις φάσεις διαμόρφωσης μετάλλων με τη μέθοδο αυτή δείχνει το σχήμα 68. Στη διάταξη αύτη, από το χώρο μεταξύ του φύλλου του μετάλλου και της μήτρας πρέπει να αντληθεί το νερό. Με τη μέθοδο της ηλεκτροϋδραυλικής διαμόρφωσης είναι δυνατή η ταυτόχρονη διαμόρφωση πολλών αντικειμένων. Επίσης δεν χρειάζεται τα αντικείμενα να είναι κατασκευασμένα από μέταλλο, καλό αγωγό του ηλεκτρισμού. Από οικονομική άποψη, η μέθοδος αυτή πλεονεκτεί σε κόστος αντικειμένου συγκριτικά με τις υπόλοιπες μεθόδους ΗΕRF. Πάντως το κόστος είναι αρκετά υψηλό ώστε να δικαιολογείται η παραγωγή μόνο μεγάλου αριθμού αντικειμένων. Σχήμα 68
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 64 4.7.3. Εκρηκτική διαμόρφωση. Η αρχή λειτουργίας της εκρηκτικής διαμόρφωσης είναι πολύ απλή. Τα καυσαέρια της έκρηξης δημιουργούν κύματα πίεσης τα όποια παραμορφώνουν αντικείμενα πού παρεμποδίζουν τη διάδοση τους. Την όλη διάταξη δείχνει το σχήμα 69. Σχήμα 69 Το βασικό πρόβλημα στη μέθοδο αυτή είναι η ρύθμιση της δύναμης της έκρηξης και η εστίασή της στο προς διαμόρφωση αντικείμενο. Για τον περιορισμό των καταστρεπτικών φαινομένων της έκρηξης και ιδίως το θερμικό κύμα, η διάταξη είναι συνήθως βυθισμένη σε δοχείο νερού, στην περίπτωση μικρών αντικειμένων ή στη θάλασσα ή λίμνη για αντικείμενα μεγάλων διαστάσεων. Ο αέρας ή το νερό μεταξύ αντικειμένου και μήτρας πρέπει να αντληθεί πριν από την έκρηξη. Στην περίπτωση της εκρηκτικής διαμόρφωσης το σχήμα του αντικειμένου που παράγεται εξαρτάται όχι μόνο από το υλικό και το σχήμα της μήτρας, αλλά και από το σχήμα του εκρηκτικού, όπως δείχνει το σχήμα 70. Κατ' αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η παραγωγή αντικειμένων κυλινδρικής, σφαιρικής μορφής κ.ά. ανάλογα με τη μορφή πού δίνεται στο κύμα πίεσης της έκρηξης. (σχήμα 71) Το βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η σχεδόν ολοκληρωτική έλλειψη υποδομής μηχανημάτων πού την καθιστά κατάλληλη για επιτόπια διαμόρφωση μεγάλων αντικειμένων σε περιοχές που η μεταφορά είναι προβληματική. Η μήτρα είναι δυνατό να κατασκευασθεί από μέταλλο, πλαστικό, ή και σιδηροπαγές σκυρόδεμα. Το κόστος παραγωγής κυρίως βαρύνεται από τη δαπάνη κατασκευής της μήτρας. Έτσι είναι οικονομικά παραδεκτή η παραγωγή και μικρού αριθμού αντικειμένων. Γενικά, οι μέθοδοι ΗΕRF έχουν αναπτυχθεί κατά τις δεκαετίες 1960-80 και μπορούμε να πούμε ότι αν και παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα για ορισμένες κατεργασίες, υλικά και μορφές αντικειμένων, δεν μπορούν να θεωρηθούν σαν βασικές μέθοδοι παραγωγής. Πάντως, παρουσιάζουν
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 65 σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον και μελλοντικές προοπτικές για μια γενικότερη εφαρμογή ατή μεταλλοβιομηχανία. Σχήμα 70 Σχήμα 71