1.1. A képlékeny alakító eljárások történelmi áttekintése Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki a képlékeny alakító eljárások ie. időszakra jellemző megoldásait! Keressen az interneten ie. időszakra jellemző képlékeny alakító eljárásokkal készült tárgyakat! Gyűjtse ki a képlékeny alakító eljárások középkori és újkori megoldásait! Keressen az interneten középkori és újkori időszakra jellemző képlékeny alakító eljárásokkal készült tárgyakat, munkadarabokat, gépalkatrészeket! A Képlékeny alakító eljárások évezredes múltra tekintenek vissza, míg az egyéb fémalakító eljárásokat (pl: forgácsolás) az emberiség alig néhány száz éve használja. Kezdete a Krisztus előtti 5-4. évezred történelem előtti időkre nyúlik vissza: ∼ i.e. 4000 évvel A lemezalakítás első jelei; arany és réz kézműves kupák Mezopotámiában és Egyiptomban
Mezopotámiai réz váza
Bronz csákány ie. 3000
∼ i.e. 3000 évvel a bronz felfedezése (Cu és 8 % Zn ) kovácsolás megjelenése dél Törökország ∼ i.e. 1400 évvel „Sajtolással” történő lemezalakítás; bőr és fa sajtoló eszközök felhasználásával, a lemezt egy alakos bélyeggel nyomják, alkalmasint kalapálva. Ez időből származnak a Mykénei és Krétai alakító bélyegek. ∼ i.e. 1100 évvel Nyersvas feldolgozása kovácsolással, egyúttal acélgyártási eljárás is volt. ∼ i.e.900-800 évvel Bizonyítottan fémkalapácsokat használtak a földközi tengeri régiókban kovácsolásra ∼ i.e. 700-500 évvel A vas kiszorítja a bronzot a fegyverek gyártásában.
Vas dárdahegy – Görögország
Római dárdahegy 2
Római vasszeg
A középkorban már húzással állították elő a fémhuzalt. A XVI- XVII. Században a fegyvergyártás mestersége mellett a hajóépítés is igényelte a képlékeny alakító eljárások fejlesztését. Ekkor alkalmazták először a hengerlést, amellyel nagy tömegben gyárthattak további feldolgozáshoz előgyártmányt. A hidegen alakító eljárások a XIX. század közepétől indultak nagyobb mértékű fejlődésnek. A forgács nélküli alakítás fejlődését a különböző gépalkatrészek és tömegcikkek mennyiségi növekedése eredményezte. Egy kovácsolt vagy sajtolt gépalkatrész gyártásának általános menete az, hogy először a darab alakját és fő méretét képlékeny alakítással, pontos méretét pedig forgácsolással adják meg. A korszerű képlékeny alakítási technológia fejlődési iránya az, hogy a gépalkatrész alakját és méretét olyan pontosan állítsa elő, hogy az azt követő forgácsoló megmunkálás a lehető legkisebb legyen. A korszerű képlékeny alakító technológiák sok esetben forgácsoló megmunkálást már feleslegessé is teszik. A közlekedés (közúti, vasúti, vízi) mind nagyobb követelményeket támasztott a járműgyártással szemben. Így egyre biztonságosabb, nagyobb szilárdságú, kisebb súlyú járműveket alakítottak ki. Így váltak a járműgyártó üzemek a gyártástechnológia, ezen belül a képlékeny alakítás úttörőivé is. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki a képlékenységtan tudósainak nevét, meghatározó kutatási területeiket, eredményeiket! A képlékeny alakító eljárások korai kialakulása és fejlődése az idők folyamán gyakorlati tapasztalatokon alapult. Hosszú ideig megelégedtek azzal a tapasztalattal, hogy megfelelő nagyságú erő hatására a fém alakját célszerűen lehet változtatni. Hogy milyen összefüggés van a kifejtett erő-, az alakváltozás mértéke és a fém tulajdonságai között, csak az elmúlt századokban kezdték el kutatni. A képlékenyalakítás során lejátszódó jelenségek mélyebb megismerését csak a mechanika képlékenységtan fejezetének kidolgozása, a fémek fizikája (anyagszerkezettan) legújabb kori fejlődése és a metallográfia tette lehetővé. A képlékenységtan kialakulását Columb 1773-ban végzett – talajok folyásának és törési jelenségeinek – vizsgálatától számítják.
A fémek képlékeny viselkedését Tresca tanulmányozta behatóan (1864) Kísérletei alapján megállapította, hogy a fémek képlékeny állapota akkor következik be, amikor a legnagyobb nyírófeszültség egy kritikus értéket elér. Ezzel lényegében megvetette az elméleti képlékenységtan alapjait.
3
Saint-Venant (1870) Tresca képlékenységi feltételét felhasználva felismerte, hogy képlékeny állapotban a feszültségek és az alakváltozások között nem állítható fel egyértelmű kapcsolat, csupán a feszültségek és az alakváltozások növekménye között. Lévy (1870) ezeket az egyenleteket általánosította térbeli feszültségi állapot esetére.
Huber (1904), majd v. Mises (1913) és később Hencky (1924) egymástól függetlenül matematikai megfontolások alapján egy újabb képlékenységi feltételt állítottak fel. Eszerint a folyás akkor következik be, ha a fajlagos torzítási munka elér egy bizonyos kritikus értéket. Prandtl (1924) felírta a síkbeli állapotban levő rugalmas-képlékeny anyagú testek anyagegyenleteit.
Reuss Endre (1930) ezeket az egyenleteket felhasználva háromtengelyű állapotra általánosította és ezzel megalkotta a képlékenységtan alapjait képező Prandtl-Reuss ún. képlékeny folyás elméletével (Hencky) ellentétben a feszültségeket nem az alakváltozások növekményeivel, hanem magukkal az alakváltozásokkal állítja kapcsolatba. Ezzel megvetette az alapját a később széles körben alkalmazott ún. alakváltozás-elméletnek! A képlékenységtan elméletét összefoglaló első könyvet Nadai (1927)-ben írta. A fémek képlékeny alakításának kérdésével v. Kármán Tódor (1925) foglalkozott első ízben. Eredményeit Sachs (1927) és Siebel (1931)fejlesztették tovább.
A második világháború után a képlékenységtankutatás elsősorban az angolszászállamokban és az egykori Szovjetúnióban folytatódott tovább. Amíg 4
Angliában és az Egyesült Államokban főleg Prandt-Reuss képlékeny folyás elméletét alkalmazták és fejlesztették tovább, addig a szovjet iskola elsősorban Hencky alakváltozás-elméletét követte. E munkák eredményeként az 1948-51 években hat monográfia jelent meg, amelyek ma is alapvető forrásai a képlékenységtan elméletének Iljusin (1948), Freundental (1950), Hill (1950), Nadai (1950), Sokolovskij (1950), Prager, Hodge (1951). Igen jelentős eredményeket ért el és számos feladatnak mérnöki közelítő megoldását dolgozta ki Gelei Sándor professzor, akinek ilyen tárgyú könyveit idegen nyelvekre is lefordították.
E könyvek megjelenését követően a képlékenységtani kutatás jelentősen fellendült és fémfizika ismeretekkel együtt, a képlékenyalakító eljárások területét jelentős mértékben szélesítve. 1.2. Forgács nélküli alakító eljárások definíciói Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki a forgácsnélküli alakítás előnyeit! Gyűjtse ki a képlékeny alakító eljárások két fő típusát! Keressen képlékeny alakító eljárással készített munkadarabokat! Tanulja meg a képlékenység definícióját! Gyűjtse ki azokat a tulajdonságokat, amelyektől függ az anyag képlékenysége! Forgács nélküli alakító eljárások alatt a képlékenyalakító és a nyírással történő anyagszétválasztó eljárások összességét értjük. A tömeggyártásban a forgácsnélküli alakításnak a forgácsoló technológiával szemben a következő előnyei vannak: • anyagtakarékos; mivel a forgácsnélküli alakítás után a kész munkadarab térfogata gyakorlatilag megegyezik a kiinduló agyag térfogatával, • energiatakarékos; mivel a nagy alakváltozásokat viszonylag kisebb munkaráfordításokkal lehet elérni képlékeny alakítással mint forgácsolással, • anyag tulajdonságát javítja; mivel a képlékeny alakváltozás során a munkadarab szövetszerkezete kedvezőbbé válik, ennek eredményeként mechanikai tulajdonságai javulnak. • gazdaságosabb; az előzőekből következően, német statisztikai adatok alapján az alkatrész tömör anyagból való forgácsolásával szemben a meleg kovácsolás, a hidegalakítás költségaránya 1: 1,6 : 3. Képlékenyalakító eljárások csoportosítása az ipari gyakorlatban a kiinduló termék alakja szerint történik: 5
• •
Térfogat-alakítás; kiinduló termékek: kokillába öntött ill. folyamatos öntésű vagy előalakított – különböző keresztmetszetű – rúdacél.( Közel azonos térfogati kiterjedéssel jellemezgető termék.) Lemezalakítás; kiinduló termék: melegen vagy hidegen hengerelt lemez ill. szalag, felületi kiterjedéssel ( vastagsági mérete sokkal kisebb, mint szélessége és hosszúsága)
Képlékenység alatt az anyagoknak azt a tulajdonságát értjük, hogy a belőlük előállított termékek alakja, a külső célirányos erők hatására, repedés és szakadás nélkül alakítható ki. A képlékenység azonban a fémeknek, ötvözeteknek nemcsak anyagi sajátossága. A fém belső szerkezetét állandónak – homogénnak ( azonosnak) és izotrópnak ( összenyomhatatlannak ) – feltételezve, az anyag képlékenysége függ továbbá: • feszültségi állapotától, • hőmérsékletétől • az alakítás sebességétől. A képlékeny alakítás során az alakítandó anyagban a külső erők hatására feszültségek ébrednek. A külső erőket általában az alkalmazott technológiai eljárásnak megfelelő szerszám közvetíti. Így az anyagban ébredő feszültségeket a szerszám célszerű alakja, mérete és az alakító erő nagysága határozza meg. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Rajzolja le az 1. ábrát! Nevezze meg az ábra részeit, majd tanulja meg a fogalmakat! Gyűjtse ki a képlékeny alakítás két meghatározó tényezőjét! Gyűjtse ki a forgácsnélküli alakítás tervezéséhez tartozó három számítási eljárást, alkalmazási területeiket! Az alakítási technológiák elemeinek egységes szimbólum rendszerét mutatja be az 1. ábra. Az alakítási technológiák egységes szimbólum rendszerének legfontosabb összetevői: 1. Alakítási zóna 2. Az alakítandó anyag jellemzői 3. Az alakítás utáni anyagjellemzők 4. Határréteg 5. Alakító szerszám 6. Az alakított fém és a környezete közötti kölcsönhatások 7. Hőmérséklet 8.Alakítógép 1. ábra A képlékeny alakítás vizsgálatánál ill. annak tervezésénél két fontos kérdésre keresik a választ: • A külső terhelő erők hatására az anyagban mekkora belső feszültségek keletkeznek, és azok mekkora alakváltozást eredményeznek? • Mekkora belső feszültségek szükségesek az adott alkatrészt megvalósító alakváltozás létrejöttéhez, ill. a folyás megindulásához. A képlékenységtani elméletre támaszkodva meghatározhatók azok az erők, és munkaszükségletek, amelyek az alakításhoz szükségesek. 6
( A nehézséget az jelenti; hogy a legtöbb technológiai folyamatnál az alakítás háromtengelyű feszültségi állapotban történik, míg az alakítandó anyag számításokhoz felhasználandó alapvető sajátosságait, az anyagvizsgálatban általában egytengelyű feszültségi állapotban határozzák meg.) Ma a forgácsnélküli alakítás minden eljárása, folyamata számítható. A számításikhoz három út kínálkozik; • egzakt módszer: Ez általában parciális differenciálegyenletekhez vezet, amelyek ritkán integrálhatók zárt formában, de számítógéppel megoldhatók. Ma már egyre több képlékenyalakítási technológiát tervező programcsomag kapható a piacon. • egyszerűsített módszer: A folyamatok egyszerűsítő perem feltételekkel közönséges differenciál egyenletekkel le lehet írni, amelyek zárt formában, viszonylag egyszerűen integrálhatók. • gyakorlati módszer: Ezzel a feladatok az üzemi gyakorlatot kielégítő pontossággal megoldhatók differenciál egyenletek alkalmazása nélkül. Az alkalmazandó módszer attól függ, hogy az adott technológiai folyamatot milyen pontossággal igényli. 1.3. Képlékeny alakító eljárások felosztása/ osztályozása DIN szerint. Tevékenység: Olvassa el a bekezdést! Gyűjtse ki a képlékenyalakító eljárások típusait! Tanulja meg a típust azonosító DIN kódot! Tanulja meg a képlékenyalakító eljárások típusaihoz tartozó legfontosabb gyakorlati megoldások, technológiák nevét! Fordítsa le magyarra a 2-7. ábrán látható eljárások, alkatrészek neveit! A képlékeny alakító eljárásokat DIN 8582 az alakító erő által létrehozott és a műveletre jellemző feszültség jellege alapján rendszerezi 2-7. ábrák. Képlékeny alakító eljárások: DIN 8582
2. ábra Nyomásos alakítás ( DIN 8583)
7
Az alakváltozást egy vagy többtengelyű nyomófeszültség hozza létre. Ez a képlékenyalakítás legnagyobb területe: • hengerlés, • szabad-alakítás, szerszámban történő alakítás, • kisajtolás, folyatás.
Hengerlés
3. ábra
Meleg hengerlés
Szerszámban történő alakítás
Szabadalakító kovácsolás Húzó-nyomó alakítás ( DIN 8584) Területei: • rúd-, • huzal-, • csőhúzás, • lemezek mélyhúzása
4. ábra
8
Mélyhúzás Húzó igénybevételen alapuló alakítás ( DIN 8585) Területei: • húzás, • üreges testek feltágítása, • lemezek nyújtva húzása és domborítása. 5. ábra Hajlító igénybevételen alapuló alakítás (DIN 8586) Területei: • lemezek élhajlítása szerszámban, • görgős profilhajlítás.
6. ábra
Kézi hajlítógép
Hajlítás animáció
Csúsztatófeszültséggel létrehozott alakváltozás (DIN 8587 ) Területei: • szabadalakító kovácsolásnál az áttolás és csavarás műveletei, • lemezek vágása egyenes vonal mentén ollóval, és zárt vonal mentén • szerszámban; kivágás, lyukasztás.
9
7. ábra
