Διαμορφώσεις Σχήμα 1
Στην κατεργασία μετάλλου υπάρχουν δύο κατηγορίες διαμορφώσεων, κατεργασίες με αφαίρεση υλικού και μηχανικής διαμόρφωσης χωρίς αφαίρεση υλικού 1. Ποια η διαφορά των μηχανικών διαμορφώσεων/κατεργασιών διαμόρφωσης? 2. Η χύτευση θεωρείτε μηχανική διαμόρφωση? Η συγκόλληση? 3. Ποιος ο ρόλος του ορίου διαρροής και ορίου θραύσης στις διαμορφώσεις αυτές? 4. Τι είδους υλικά θέλουμε (όλκιμα, ψαθυρά κτλ.)? 5. Πως μπορεί να ξεπεραστεί ο περιορισμός που προκύπτει από την μικρή «πλαστικότητα» των μετάλλων. Πλεονεκτήματα των μηχανικών διαμορφώσεων: Υψηλή παραγωγικότητα. Εξοικονόμηση πρώτης ύλης και Εξαιρετική ποιότητα επιφάνειας Μειονεκτήματα των μηχανικών διαμορφώσεων: Περιορισμοί που σχετίζονται με την γεωμετρία του τελικού αντικειμένου και τα πάχη των διατομών. Κόστος. Μικρή ακρίβεια διαστάσεων. Σχήμα 2 Γενικά
Η πρώτη ύλη για τις κατεργασίες μηχανικής διαμόρφωσης συνήθως είναι: Χάλυβας και χαλυβοκράματα Κράματα αλουμινίου Κράματα χαλκού Οι χάλυβες που είναι κατάλληλοι για έλαση, είναι αυτοί που έχουν άνθρακα κάτω του 0,8%, ενώ τα χαλυβοκράματα συνήθως διαμορφώνονται δυσκολότερα από τους ανθρακούχους χάλυβες (γιατί έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε άνθρακα >2.5%). Αναλόγως με την πρώτη ύλη επιλέγουμε και το τύπο της διαμόρφωσης: εν θερμώ, όπου το υλικό θερμαίνεται μέχρι μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και μετά διαμορφώνεται ή εν ψυχρώ όπου το υλικό διαμορφώνεται, χωρίς προηγουμένως να θερμανθεί. Σχήμα 3 Πρώτες ύλες
Τις διαμορφώσεις εν ψυχρώ τις χωρίζουμε στις παρακάτω κατηγορίες. Ψαλιδισμός Απότμηση (Ποια η διαφορά τους?) Απλή αβαθής διαμόρφωση (αναφέρετε ένα παράδειγμα αυτής της διαμόρφωσης) Κάμψη Κυλίνδρωση Κοίλανση (αναφέρετε ένα παράδειγμα αυτής της διαμόρφωσης) Πλαστική διέλαση (ποια η διαφορά με την εξέλαση). Ο εξοπλισμός που απαιτείται για την εκτέλεση των παραπάνω εργασιών, είναι μηχανήματα όπως πρέσσες, ψαλίδες, μηχανές κάμψης (στράντζες), μηχανές κύρτωσης κ.λπ. Πλεονεκτήματα έναντί των εν θερμώ διαμορφώσεων Κατά τις εν ψυχρώ διαμορφώσεις δεν απαιτείται θέρμανση. Επιτυγχάνεται καλύτερο φινίρισμα επιφανείας (γιατί?). Επιτυγχάνεται ανώτερος διαστατικός έλεγχος Έχουμε βελτίωση της αντοχής, της κόπωσης και των ιδιοτήτων φθοράς (γιατί?). Ελαττώνονται οι κατευθυντικές ιδιότητες (γιατί?). Σχήμα 4 Εν ψυχρώ διαμορφώσεις
Οι εν ψυχρώ όμως διαμορφώσεις παρουσιάζουν και ορισμένα μειονεκτήματα: Οι απαιτούμενες δυνάμεις για διαμόρφωση είναι μεγαλύτερες. Απαιτείται βαρύτερος και μεγαλυτέρας ισχύος εξοπλισμός. Διατίθεται μικρότερη ολκιμότης. Οι μεταλλικές επιφάνειες πρέπει να είναι καθαρές και απαλλαγμένες σκουριάς. Επέρχεται επιπονητική σκλήρωση (οπότε απαιτούνται ενδιάμεσες ανοπτήσεις). Οι μειωμένες κατευθυντικές ιδιότητες μπορεί να είναι καταστρεπτικές. Μπορεί να παραχθούν ανεπιθύμητες υπολειμματικές τάσεις (τι συμαίνει αυτό). Σχήμα 5 Εν ψυχρώ διαμορφώσεις
Ψαλιδισμό ονομάζουμε την κοπή του ελάσματος σε ευθεία γραμμή, σε ειδικές μηχανικές ψαλίδες. Συνήθως η κλίση είναι α= 8 15. Κλίση μεγαλύτερη των 15 ο δεν έχουμε για να αποφύγουμε ολίσθηση του ελάσματος Εξηγήστε την πορεία της δύναμης κατεργασίας P Στην α περίπτωση το έργο κοπής είναι: Ε = P SS 2 Έχουμε καθαρή διάτμηση άρα: P = l SS τ BB όπου SS : το πάχος του ελάσματος l : το μήκος κοπής τ BB : η διατμητική τάση θραύσης. Ε = SS2 2 l τ BB Μεταβάλλεται το έργο κοπής στην περίπτωση b? Ποιος ο λόγος να επιλέξουμε την δεύτερη διάταξη ψαλιδισμού? Σχήμα 6 Ψαλιδισμός
Ψαλιδισμό ονομάζουμε την κοπή του ελάσματος σε ευθεία γραμμή, σε ειδικές μηχανικές ψαλίδες. Συνήθως η κλίση είναι α= 8 15. Κλίση μεγαλύτερη των 15ο δεν έχουμε για να αποφύγουμε ολίσθηση του ελάσματος Στην β περίπτωση το έργο κοπής είναι: Ε = P h = P ll tan aa Επειδή λοιπόν τα δύο έργα είναι ίδια, έχουμε: P ll tan aa = SS2 2 l τ BB συνεπώς P = SS2 τ BB 2 tan aa Σχήμα 7 Ψαλιδισμός
Στην παρακάτω πλάγια όψη των μαχαιριών της ψαλίδας, φαίνεται η θέση τους σε σχέση με το έλασμα. Είναι προφανές ότι δημιουργείται μια ροπή Μ = Ρ x b Πως εξουδετερώνεται η ροπή αυτή? Ποιος ο ρόλος της απόστασης c? Η απόσταση C αυξάνει με το πάχος του ελάσματος. Για S 3 mm C = KK SS σσ BB s Κ : έχει την τιμή 0,005 για καθαρές επιφάνειες και σσ BB : η τάση θραύσης του υλικού σε εφελκυσμό. Μεγάλη σημασία έχει η καλή τρόχιση των μαχαιριών. Όσο μικρότερη είναι η γωνία ω τόσο μικρότερη είναι η απόσταση β και μεγαλύτερη η φθορά των μαχαιριών. Το ωφέλιμο μήκος μιας ψαλίδας κυμαίνεται από 1 έως 6 m. Σχήμα 8 Ψαλιδισμός
Άσκηση 5 Έλασμα από χάλυβα St 37-2 (όριο διαρροής: 237MPa και όριο θραύσης: 410MPa) Μήκους 1,2 m και πάχους 8 mm πρόκειται να κοπεί με μηχανική ψαλίδα. Υπολογίστε: Το έργο κοπής για παράλληλα μεταξύ τους μαχαίρια, Την εξοικονόμηση (ποσοστιαία) της δύναμης διαμόρφωσης εάν το άνω μαχαίρι εισχωρήσει στο έλασμα με κλίση 8 και 15% σε σχέση με το κάτω μαχαίρι. Ποιο είναι το απαραίτητο αντέρεσμα ώστε να εξασφαλιστεί σωστή κατεργασία. Υπολογίστε το αντέρεισμα τόσο για παράλληλα μαχαίρια όσο και στην περίπτωση του άνω μαχαιριού με κλίση 15% (θεωρήστε ότι στην περίπτωση αυτή η κοπή γίνεται με ακμή και όχι επιφάνεια). Τα εργαλεία διαμόρφωσης έχουν σε κάθε περίπτωση πλάτος 80mm Σχήμα 9 Ψαλιδισμός
Απότμηση ονομάζουμε την κοπή ελάσματος κατά μια κλειστή ή μη κλειστή γραμμή. Η κοπή γίνεται από τα εργαλεία απότμησης (κοπτικά καλούπια). Τα κοπτικά καλούπια αποτελούνται από έμβολο και μήτρα και είναι χαλύβδινα και βαμμένα (σπάνια το έμβολο μπορεί να είναι άβαφο). Η απότμηση είναι καθαρή διάτμηση. Έτσι η δύναμη κοπής δίνεται από την εξίσωση: P = UU SS ττ BB Όπου: U : η περίμετρος κοπής σε mm S : το πάχος του ελάσματος σε mm ττ BB : η τάση διάτμησης σε Kp/mm 2. Στην πράξη για λόγους ασφαλείας, αντί του ττ BB παίρνουμε την τάση θραύσης σε εφελκισμό σσ BB (γιατί?). Σχήμα 10 Απότμηση (Punching)
Κατά την επιλογή της πρέσσας, θα πρέπει για λόγους ασφαλείας να παίρνουμε πρέσσα με 25% τουλάχιστο μεγαλύτερη ονομαστική δύναμη από την δύναμη κοπής που υπολογίσαμε. Πως μπορούμε να ελαττώσουμε την δύναμη απότμησης? Με λοξή διαμόρφωση της μετωπικής επιφάνειας. Έτσι έχουμε βαθμιαία και ομαλότερη κοπή. Πειραματικά βρέθηκε ότι η δύναμη κοπής Pλ με λοξή διαμόρφωση είναι: P λλ = (0,67 0,70) P Για να έχουμε σωστή απότμηση μεγάλη σημασία έχει η χάρη Χ μεταξύ εμβόλου και μήτρας (γιατί). Η τιμή της χάρης δίνεται σε σχέση με το πάχος του ελάσματος S από την: Χ 0,05*S. Σχήμα 11 Απότμηση (Punching)
Η καλή λείανση τόσο της παράπλευρης όσο κυρίως όμως της μετωπικής επιφάνειας έχει μεγάλη σημασία. Το έργο απότμησης δίνεται από την εξίσωση Ε = P S CC όπου: CC : συντελεστής με τιμές από 0,5 έως 0,6. Συνήθως το απότμημα πέφτει προς τα κάτω και απομακρύνεται. Μερικές φορές όμως είναι ανάγκη να γίνει εξαγωγή του από πάνω, οπότε απαιτείται δύναμη εξόλκευσης. Η δύναμη αυτή υπολογίζεται εμπειρικά: για S < 1 mm Ρεξ = 0,1 P για 1 < S < 5 mm Ρεξ = (0,12 0,15) P για S > 5 Ρεξ = (0,15 0,2) P Η διαμόρφωση του κόστους του προϊόντος επηρεάζεται από το βαθμό χρησιμοποίησης υλικού, που δίνεται από την εξίσωση: ε = Αωω Αuu όπου: Αωω : είναι το εμβαδόν της πρώτης ύλης που εκμεταλλευόμαστε (το απότμημα?) Αuu : το συνολικό εμβαδόν της πρώτης ύλης Σχήμα 12 Απότμηση (Punching)
Η διαμόρφωση αυτή γίνεται στις λεγόμενες στράντζες (μηχανές κάμψης) με μήκος που κυμαίνεται από 1 έως 6 μέτρα. Η δύναμη κάμψης P δίνεται από την εξίσωση: P = ll σ BB SS 2 2 c όπου l : το ολικό μήκος κάμψης και C : σταθερά με τιμές από 4/3 έως 5/3 Αν η κάθοδος του μαχαιριού προχωρήσει τόσο, ώστε να έχουμε σε επαφή τόσο το Μαχαίρι όσο και το Υλικό αλλά και την Μήτρα, τότε η δύναμη κάμψης αυξάνεται απότομα και γίνεται P = (2 3) P. Σχήμα 13 Κάμψη κατά V
όπου 2 2l : το ολικό μήκος κάμψης Η δύναμη αυτή είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη της κάμψης κατά V? Η δύναμη κάμψης P δίνεται από την εξίσωση: P κ = ll σ BB S Η δύναμη εξόλκευσης Ρ εξ είναι: Ρ εξ = (0,2 0,3) Ρ κ ενώ το έργο κάμψης είναι : E = (n x P κ + Ρ εξ ) x h κ όπου: h κ είναι ενεργός διαδρομή = (3 4) S και η : σταθερά που ισούται με= 2/3 Ποιοι παράμετροι πρέπει να συντρέχουν ώστε μια απότμηση να μετατραπεί σε κάμψη? Απουσία Αντερίσματος, δύναμη μικρότερη της δύναμης απότμησης και μεγάλη χάρη! Σχήμα 14 Κάμψη κατά U
Άσκηση 6 Έλασμα από χάλυβα St 37-2 (όριο διαρροής: 237MPa και όριο θραύσης: 410MPa) πάχους 3 mm και διαστάσεων 40 x 40 mm πρόκειται να υποβληθεί σε διαμόρφωσης αποκοπής σε τελική διάσταση 40 x 20 mm. Υπολογίστε: a) Την ελάχιστη δύναμη που απαιτείτε να ασκηθεί και ποια η απαραίτητη χάρη μεταξύ μήτρας και εμβόλου. b) Την μεταβολή της δύναμης αποκοπής αν η τελική διάσταση ήταν 20 x 20 mm. c) Αν η δύναμη που θα ασκηθεί είναι κατά 30% μικρότερη της δύναμης που υπολογίσατε στο σημείο a, επαρκεί η δύναμη αυτή για να προκαλέσει κάμψη του ελάσματος κατά U? Ποια είναι η μέγηστη πτώση δύναμης που αρκεί για την διαμόρφωση του σημείου c? d) Ποια θα πρέπει να είναι η ελάχιστη χάρη στην περίπτωση c? Σχήμα 15 Ψαλιδισμός
Βαθειά κοίλανση ονομάζουμε την διαμόρφωση ενός επίπεδου ελάσματος σε κοίλο ή την σε μεγαλύτερο βαθμό κοίλανση προκοιλαθέντος τεμαχίου με την βοήθεια εμβόλου και μήτρας (διαμορφωτικό καλούπι). Κατά την βαθειά κοίλανση δεν έχουμε αξιόλογη μεταβολή του πάχους του ελάσματος και απαιτείται η ύπαρξη συγκράτησης. Γιατί να προκοιλάνουμε κάποιο έλασμα? Σχήμα 16 Βαθειά Κοίλανση
Η βαθειά κοίλανση είναι η κυριότερη εργασία από τις διαμορφώσεις εν ψυχρώ και έχει την ευρύτερη εφαρμογή. Ταυτόχρονα είναι και η δυσκολότερη από όλες τις μηχανικές διαμορφώσεις. Η δυσκολία της οφείλεται κυρίως στην μελέτη και κατασκευή των αναγκαίων εργαλείων (διαμορφωτικών καλουπιών). ππ DD 2 4 = ππ dd2 4 + π d h Συνεπώς D = dd 2 + 4ddd Παρόλο που δεχόμαστε ότι δεν συμβαίνει μεταβολή πάχους και η επιφάνεια του κοίλου τεμαχίου ισούται με την επιφάνεια του αναπτύγματος γνωρίζουμε ότι: h > DD dd καθώς 2 στην πραγματικότητα το υλικό υφίσταται εφελκυστική διέλαση κατά μήκος των ακτινών της φλάντζας και συμπίεση κατά την κάθετον. Σχήμα 17 Βαθειά Κοίλανση
Για την κατασκευή των καλουπιών απαιτείται πολλή μελέτη, εργασία, πείρα, διαίσθηση και τέχνη. Από μια σωστή διαδικασία βαθειάς κοίλανσης απαιτούμε: Διαμόρφωση σε όσο το δυνατόν λιγότερες φάσεις (οικονομία σε εργατικά και καλούπια). Ομοιόμορφος καταπόνηση του υλικού. Οικονομία υλικού. Αποφυγή πτυχώσεων. Αποφυγή ενδιάμεσων ανοπτήσεων Η κοίλανση καταπονεί το υλικό και επιφέρει σκλήρυνση. Συνέπεια αυτού είναι σε μια επόμενη φάση το υλικό να σπάσει. Γι αυτό απαιτείται ανόπτηση. Αυτή είναι ανεπιθύμητη γιατί το κόστος της είναι περίπου ίσο με το κόστος τριών κοιλάνσεων. Η κοίλανση γίνεται πολλές φορές σε περισσότερες από μια φάσεις (γιατί? και πως?) Σχήμα 18 Βαθειά Κοίλανση
Μέγεθος που χαρακτηρίζει την κοίλανση είναι ο λόγος κοίλανσης β και ο συντελεστής κοίλανσης m=1/β. Όταν σε μια μόνο φάση εξαντληθεί η δυνατότητα βαθυτέρας κοίλανσης, χωρίς να υποστεί ρωγμή το υλικό, τότε ο αντίστοιχος λόγος β λέγεται οριακός λόγος κοίλανσης και συμβολίζεται με β 0. Το β 0 μας δίνει το λόγο του αναπτύγματος προς την διάμετρο του βαθύτερου προϊόντος κοίλανσης. Γενικά ο λόγος κοίλανσης για την πρώτη φάση είναι μεγαλύτερος από τους αντίστοιχους των επομένων φάσεων. Για β 0 μικρότερο 1,2 η κοίλανση θεωρείται αντιοικονομική. Αν γίνει ανόπτηση τότε η τιμή του β ανέρχεται στο 1,5. Παράγοντες που επηρεάζουν την τιμή του β είναι: Το είδος του υλικού (φορτίο θραύσης, σκληρότητα κ.λπ.). Η ποιότητα της επιφάνειας. Η φορά έλασης του υλικού. Ο λόγος της διαμέτρου του εμβόλου προς το πάχος του ελάσματος. Οι τριβές. Η καμπυλότητα του εμβόλου και της μήτρας. Σχήμα 19 Βαθειά Κοίλανση
Α = Υλικό πολύ βαθειάς κοίλανσης Β = Υλικό κοίλανσης Σχήμα 20 Βαθειά Κοίλανση
Η δύναμη κοίλανσης υπολογίζεται από την εξίσωση: P = UU SS σσ BB Χρ όπου: U : η περίμετρος του δακτύλιου κοίλανσης (μήτρας) σε S : το πάχος του ελάσματος σε σ Β : το φορτίο θραύσης σε Kp/mm2 Χ ρ : σταθερά που εξαρτάται από το λόγο κοίλανσης και λαμβάνεται από πίνακες Σχήμα 21 Βαθειά Κοίλανση