V. Külm-mahtvormimine

Transcription

1 V. Külm-mahtvormimine Sisukord: Protsesside loetelu, liigitamine ja funktsioonid Seadmed, põhioperatsioonid, tööriistad, tooted Sisepinged ja defektid toodetes Tehnoloogiliste protsesside projekteerimine Toodete majanduslikud eelised 5.1. Külmvormstantsimise iseärasused Arvuliselt suurim hulk tooteid valmistatakse külmvormvstantsimisega (cold forging) temperatuuridel allpool rekristalliseerumistemperatuuri. Vormstantsimise liigitamine külmvormstantsimiseks, kuumvormstantsimiseks (hot forging) ning soevormstantsimiseks (warm forging) on otstarbekas, kuna deformatsiooni iseloom ja stantside konstruktsioon on nende meetodite korral tunduvalt erinevad. Külmvormstantsimisel on vajalikud märksa suuremad deformeerimisjõud ja energia kui kuumvormstantsimisel, mistõttu külmvormstantsimist kasutatakse peamiselt suhteliselt väikeste toodete stantsimisel, näiteks teras stantsised massiga tavaliselt kuni 10 kg, enamasti kuni kg. Väikseid stantsiseid, mida iseloomustab suur välispindala ja ruumala suhe (vormstantsimised massiga kuni 0,1 kg), ei olegi tavaliselt võimalik kuumstantsimisega toota tooriku liialt kiire jahtumise tõttu külmemas stantsis. Külmalt on võimalik toota ka suuremaid stantsiseid juhul, kui deformeerimine ei toimu samaaegselt toote kogu mahus, vaid järkjärguliste deformatsioonide summana piiratud mahus (vt. näiteks: Rotatsioonstantsimine). Külmstantsitakse toatemperatuuril piisava plastusega (deformeeritavusega) metalle: süsinikkonstruktsioonteraseid süsinikusisaldusega kuni 0,5%, platseid legeerteraseid, platseid Al-, Cu-, Ti-, Pb-, Zn- ja Sn-sulameid. Deformatsiooniprotsessis toimub toorikumetalli kalestumine, mistõttu deformatsiooniaste, erinevalt kuumvormstantsimisest, on piiratud. Suurte deformatsiooniastmete vajadusel kasutatakse vahelõõmutamist (process annealing, intermediate annealing) temperatuuridel üle rekristalliseerimistemperatuuri metalli plastsuse taastamiseks ja tugevuse vähendamiseks. Peamised külmvormstantsimismeetodid on: -külmjämendamine, külmkohtjämendamine; -väljasurumine, otsepressimine, redutseerimine, vastupressimine, radiaalpressimine, külgpressimine, nurkpressimine, kombineeritud pressimine; -painutamine; -väänamine. Külmvormstantsimise (külmvormpressimine, külmkohtjämendamine jt.) eelisteks on: toodete kõrge pinnakvaliteet ja täpsus; materjali kokkuhoid toote soovitud vorm saadakse lastu eraldamiseta;

2 toodete kõrgendatud mehaanilised omadused tänu kalestumisele (work hardening, strain hardening), mis sageli võimaldab täiendavast tugevdavast termotöötlusest loobuda. Külmvormstantsimise puudusteks on: kõrged nõuded tööriistamaterjalidele eelkõige kõrgete survete (kuni 2500 MPa ja enamgi) tõttu deformatsiooniprotsessis; kõrged nõuded toorikute kvaliteedile, mistõttu sageli tuleb toorikut täiendavalt (plastsuse suurendamiseks) termotöödelda, tagada täpsed mõõtmed ja pinnakvaliteet (näiteks tõmbamisega läbi tõmbesilma, tagi eemaldamiseks, määrimiseks jms.). Külmvormstantsimine on majanduslikult õigustatud reeglina stantsiste massvalmistamisel. Joonisel 5.1. on toodud kõlmvormpressimise tüüptoodete näited. Joon Tüüpilised kõlmvormpressitud toodete näited: a teljesümmeetrilised ja b kombineeritud meetoditel pressitud Külmvormpressimine Külmvormpressimisel e. väljasuruval külmstantsimisel (cold extrusion, impact extrusion) asetatakse toorik matriitsi õõnde, kust metall pressitakse templiga peenemasse õõnde. Eristatakse otse e. pärivormpressimist (forward extrusion, direct extrusion), vastuvormpressimist (backward extrusion, indirect extrusion) ning kombineeritud vormpressimist (combined backward and forward extrusion, indirect-direct extrusion) (Joon. 5.2).

3 Joon Külmvormpressimise skeemid: a vastuvormpressimine, b pärivormpressimine, ekstrudeerimine, koordinaatvõrgu deformatsioon, c kombineeritud (päri- ja vastu) vormpressimine ja deformeeritud koordinaatvõrk, d - külgpressimine, e - radiaalpressimine.

4 Otsevastupressimisel (Joon.5.2,a) toorikumetalli voolamise suund ühtib templi liikumise suunaga. Vastuvormpressimisel (Joon.5.2,b) on liikumised vastassuunalised. Kombineeritud vormpressimisel voolab osa metalli templi liikumise suunas, osa vastu (Joon.5.2,c). Külgpressimisel osa metalli voolab vastavasse matriitsi õõnde (Joon.5.2.d) ja radiaalpressimisel osa metalli voolab äärikusse (Joon. 5.2,e). Külmvormpressimise peamiseks eeliseks teiste külmvormstantsimise protsessidega, näiteks külmjämendamisega võrreldes on suurte deformatsiooniastmete saamise võimalus tänu ruumilisele survepingeolekule deformatsiooniprotsessis. Venitustegus külmvormpressimisel (extrusion ratio): S1 µ=, S 2 (5.1) kus S 1 ja S s on vastavalt tooriku alg- ja lõppristlõige. Plastsetel Al-sulamitel võib venitustegur ulatuda kuni 40 ja rohkemgi, madalsüsinikterastel kuni 5-ni. Külmvormpressimise skeemide kohaselt (Joon.5.2) saab toota väga erineva vormiga sisemise õõnsusega ja õõnsusteta stantsiseid (Joon.5.1). Tüüpnäideteks on surugaasiballoonid, tuubid, anumad ja teised õhukeseseinalised tooted. Sageli kasutatakse külmvormpressimist kombineeritult teiste külmvormstantsimise meetoditega, peamiselt külmjämendamisega e. külmkohtjämendamisega. Külmvormpressimise eri liigiks on hüdrostaatvormpressimine (hydrostatic extrusion). Hüdrostaatvormpressimisel (Joon.5.3,b) toimub tooriku matriitsiõõnest väljasurumine vedeliku surve abil. Tavalisest vormpressimisest erinevalt ümbritseb vedelik hüdrostaatvormpressimisel toorikut igast küljest. Analoogsel põhimõtte, kuid kõrgematel temperatuuridel toimub hüdrostaatekstrudeerimine (hydrostatic extrusion) profiilmetalli tootmisel metallurgiatööstuses (vt. Ekstrudeerimine). Joon Külmvorm ekstrudeerimine (a), hüdrostaatiline ekstrudeerimine (b) ja tüüpilised deformatsioonikolde kujud ekstrudeerimisel (c). c

5 Hüdrostaatvormpressimise peamised eelised tavalise vormpressimisega võrreldes on: suuremate deformatsiooniastmete (venitustegurite) ning suhteliselt habraste metallide (Mo, W, Be ja nende sulamid) deformeerimise võimalus; väga väike hõõrdumine tooriku ja matriitsi pindade vahel tänu headele määrimistingimustele pressimisvedelikuga, mis tagab pressimissurve ning matriits kulumise märgatava vähenemise. Analoogsed eelised on samuti hüdrostaatekstrudeerimisel, võrreldes tavalise ekstrudeerimisega. Hüdrostaatekstrudeerimise kõrged temperatuurid tekitavad vedelike kasutamise tõttu probleeme. Hüdrostaatvormpressimise-ekstrudeerimise (Joon.5.3,b) puudusteks on: tihendamisprobleemid vähendamaks vedeliku väljumist matriitsist (konteinerist); tooriku eeltöötluse vajadus matriitsiava sobitamiseks sisendkoonusega; tooriku ja vedeliku mahu ebasoodus suhe Defektid pressitud toodetes Külmpressitud toodetes võib esineda defektid toodete sees, välis- ja sisepinnal (Joon.5.4). Defekte liigitatakse põhiliselt kolme gruppi: praod, voolamistühikud ja pinnalisandid. Esimese grupi võib jaotada kaheks alagrupiks: välispinna ja sisepinna praod (Joon.5.4,a). Selliste pragude teke oleneb kohaliku hüdrostaatilise pinge suurusest, hõõrdetingimustest e. määrdest, materjali plastsusest vaadeldavas punktis ja pingete väljast selle punkti ümbruses. Kahanemistühikud tekivad pressimise lõppjärgus ja sisenevad detaili pinna osalises eemaldumises templi või matriitsi pinnast (Joon. 5.4,b). Otsepressimisel defekt tekib, kui detaili välja pressimata põhja paksus h on vähenenud piirini ( )d. Vastupressimisel kujuneb defekt, kui kübara põhja paksus h muutub 1.1 kuni 1.4 korda väiksemaks kübara seina paksusest S (Joon. 5.4,c). Kolmanda grupi defekte iseloomustab tooriku lisanditega pinnakihi sisenemine pressitavasse tootesse. a) b) c) Joon Tüüpilised defektid külmpressimisel: a pinnapraod, b voolamistühikud, ja c kahanemistühikud e. ringdefektid.

6 5.3. Külmjämendamine Külmjämendamist e. külmkohtjämendamist (cold heading) kasutatakse laialdaselt väikeste toodete poltide, kruvide, neetide, naelte, mutrite jms. massivalmistamisel traat- või varbtoorikust. Külmjämendatakse külmjämendusmasinatel (cold header, cold upsetter), mille tõõpõhimõte on sarnane horisontaalstantsimismasinate tööpõhimõttega (vt. Kuumvormstantsimine horisontaalstantsimismasinatel). Selliste masinate tootlikkus olenevalt stantsiste mõõtmetest on toodet tunnis. Sellistel masinatel toodetakse lisaks eelnimetatud kinnitusdetailidele ka teisi kohtjämendamise ja/või augustamise teel saadavaid tooteid nagu töötlemisel horisontaalstantsimismasinatelgi. Sarnased on samuti tehnoloogilise protsessi projekteerimise põhimõtted, näiteks piirangud tooriku jämendamisele mineva vaba osa pikkuse l suhtes: l (2...3)d. Eeltoodud piirangute ületamiseks (tooriku vaba osa pikkuse suhtes) kasutatakse sageli külmjämendamist külmvormpressimisega kombineeritult. Näiteks poldi tootmisel (Joon.5.5) selle asemel, et poldi pea väikese läbimõõduga toorikust kohtjämendamisega stantsi mitmes vaos (materjali kogumiseks) kasutatakse vahepealsete mõõtmetega toorikut (Joon.5.4,a). Joon Poldi külmvormstantsimine, mis koosneb pressimise, kohtjämendamise ja keermerullimise operatsioonidest. Esimeseks operatsiooniks on keermestatava peene osa moodustamine vormpressimisega (Joon. 5.5,b). Järgneb otsa külmjämendamine (Joon.5.5,c), kuuskandi vormimine (Joon.5.5,d), otsa ümardamine (Joon.5.5,e) ning keermerullimine (thread rolling, roll threading) (Joon.5.5,f). Kombineeritud külmvormpressimine külmjämendamine omab lisaks tehnilistele eelistele samuti majanduslikke eeliseid suurema läbimõõduga lähtetoorik (traat, varb) on selle tootmiseks vajalike operatsioonide väiksema arvu tõttu odavam Painutamine Painutamine (bending) on sageli kasutatav maht- ja lehtvormimismeetod, mida tehakse peamiselt külmalt, vähemplastsete metallide puhul ka kuumalt.

7 Painutamisel kasutatakse seadmeid, mis on sageli analoogsed lehtvormimisel kasutatavatega: 1. painutuspressid (press brake) vertikaalsed, pika raamiga pressid nii maht- kui ka lehtvormimiseks; 2. horisontaalpainutuspressid e. masinad (bulldozer, horisontal bending machine), mida kasutatakse enamasti suuregabariidiliste toodete painutustöödel; 3. tavalised mehaanilised pressid (mechanical press) väntpressid, väntpõlvpressid jms. (vt. Lehtstantsimisseadmed); 4. rullpainutusmasinad (roll-bending machine); 5. pöördpainutusseadmed (rotary bender). Joonisel 5.6 on toodud enimkasutatavad painutamisskeemid eelnimetatud seadmeid kasutades. Lihtsaim on painutamine templi ja matriitsi vahel painutuspressidel või tavalistel mehaanilistel pressidel (Joon.5.6,a). Rullpainutamist e.painutamist rullidega (roll bending) tehakse rullpainutusmasina kolme või enama paralleelse rulliga (Joon.5.6, b, c, d). Painutamist vormimistemplile tõmbamisega (draw bending), samuti painutamist vormimistemplile surumisega (compression bending) teostatakse pöördpainutusseadmetel. Esimesel juhul tõmmatakse toorik vormimistemplile viimase pöördumisel (Joon.5.6,c). Teisel juhul (painutamine vormimistemplile surumisega) on vormimistempel paigal ning paine saadakse tooriku järkjärgulise surumisega selle pinnale (Joon.5.6,d).

8 Joon Painutusskeemid: a stantsis pressil või sepahaamril, b rullidega, c tooriku surumisega rullile ja d õhukeseseinalise tooriku painutamine suunajates. Suure raadiusega painde saamiseks kasutatakse painutamist venitamisega (stretch bending). Sisuliselt toimub tooriku tõmbamine vormimistemplile (matriitsile) toorikumetalli voolavuspiire ületavate tõmbepingete moodustumisega, kusjuures jäävad deformatsioonid on väikesed tavaliselt kuni 2%. Plastsete deformatsioonide tekitamisega paindekohas vähenevad märgatavalt elastse järelmõjuga (springback) seotud probleemid paindenurga suurenemine peale deformeeriva jõu eemaldamist (vt. samuti: Painutamine; Vormimine venitamisega) Temmimine ja teised külmviimistlusprotsessid Temmimine (coining, sizing) on vermimisele (coining) sarnane külmviimistlusprotsess stantsiste mõõtmete ja kuju täpsuse tagamiseks plastset deformeerimist kasutades. Sageli nimetatakse selliste eesmärkidega protsessi kalibreerimiseks mõõtmete täpsuse tagamiseks plastse deformatsiooni teel (Joon.5.7). Vermimisel kantakse templite pinnareljeef toorikule üle (Joon.5.8). Selliselt valmistatakse metallraha, medaleid, ehteid. Sama põhimõte toorikule templi ja matriitsi täpsete mõõtmete vormi ülekandmist plastseid deformatsioone kaasates kasutatakse samuti temmimisel. Näitena on joonisel (5.7) toodud kuumvormstantsitud toote ääriku külmtemminime mõõtmete täpsuse ja tasapinnalisuse saavutamiseks. Paraneb samuti pinna kvaliteet. Tulemus saavutatakse majanduslikult väiksemate kulutustega, näiteks võrreldes lihvimisega või lõiketöötlemisega.

9 Joon Ääriku temmimine mõõtmete ja tasapinnalisuse tagamiseks tootes. Joon Metallraha vermimise skeem. Külmdeformeerimist kasutatakse, lisaks toodete täpsuse suurendamisele, samuti stantsiste pinnakvaliteedi parandamiseks. Üks töötlemismeetoditest on pindkalestamine e. pinna kalestamine (peening). Pindkalestamise eesmärgiks on jäävsurvepingete tekitamine vastutusrikaste toodete (võllid, kepsud, hammasrataste hambad jne.) pinnakihis. Pindmised jäävsurvepinged parandavad märgatavalt toodete väsimuspiiri. Pindkalestamist tehakse sagedamini pinda kalestava haaveldamisega (shot peening). Kasutamist leiab samuti pindkalestamine rullide või kuulidega üle rullides. Pindsilumise e. pinna silumise (burnishing) eesmärgiks on eelkõige pinnakvaliteedi tagamine pinnakonaruste silumisega plastset deformeerimist kasutades. Pindsilumisel kasutatakse enamasti rulle. Vastavat töötlemist nimetatakse viimistlusrullimiseks (roller burnishing). Viimistlusrullimist kasutatakse nii sisepindade (avade) kui ka välispindade silumiseks. Viimistlusrullimisega võib kaasneda jäävpingete tekkimine toote küllalt paksus pinnakihis. Sellisel juhul on tegemist pindkalestamise ja silumise kombinatsiooniga. Temmimise, pindkalestamise ja silumise kombinatsiooniga tagatakse ühe operatsiooniga toote mõõtmete täpsus, jäävsurgepinged pinnakihis ning kõrge pinnakvaliteet. Näitena võib tuua täpsete avade viimistlemist avast suuremate mõõtmetega torni või kuuli läbitõukamise teel.

10 5.7. Tõmbamine Tõmbamiseks nimetatakse metalltooriku tõmbamist läbi tõmbesilma tõmbejõu abil, mis on rakendatud tõmbesilma väljumispoolel. Olenevalt lõpptoote läbimõõdust tõmbamist liigitatakse kui varva-, varda-, toru- või traaditõmbamise protsessideks. Toru tõmbamist teostatakse kas tornita (tube sinking) või tornil (tube drawing), et toetada toru siseläbimõõtu tõmbamisel läbi tõmbesilma. Varva, traadi ja toru tõmbamine teostatakse tavaliselt külmalt, kuid suurel deformatsioonil tõmbesilmas tõmbeprotsessi jooksul toimub märgatav temperatuuri tõus Traadi ja varraste tõmbamine Sõltuvalt toote pikkusest kasutakse kett- või hüdroajamiga tõmbepinke (kuni 30 m) või siis mitmeastmelisi trummelpinke. Tõmbepinke kasutatakse peamiselt varraste ja torude tõmbamisel, kuna neid ei tohi rõngasse kerida (Joon. 5.9). Tõmbekiirus on reguleeritav 10 kuni 100 m/min. Trummeltõmbamisel lõpptoote pikkus ei ole piiratud, kuna traati on võimalik kerida rõngasse (Joon.5.10). Tõmbekiirus mitmeastmelistes tõmbepinkides võib terase puhul küündida kuni 600 m/min, värviliste metallide puhul on kiirus ~2000 m/min tavaline. Pigistusaste ühel tõmbeläbimil tavaliselt ei ületa 30% ja seepärast vajaliku läbimõõdu saavutamiseks kasutatakse järjestikku mitut tõmbeastet. Joon Tõmbepink torude, varraste, varbade ja traadi tõmbamiseks. Joon Traaditõmbamise seadme skeem.

11 Joon Mitmetrumlilise e. tõmbeastmega traaditõmbeseadme skeem. Olenemata tõmbepingi konstruktsioonist protsessi põhielemendiks siiski on tõmbesilm (Joon. 5.12). Joon Tõmbesilma telglõike skeem. Koonilise tõmbesilma sisendtsoon e. lehter (bell) on kujundatud nii, et silma sisenev traat tõmbaks endaga kaasa määrde. Sisendtsoon põhjustab hüdrostaatilise surve suurenemise ja soodustab määrde voolamist tõmbesilma. Deformeerimistsoon e. deformeerimiskoonus (approach angle) on tõmbesilma tsoon, kus toimub läbimõõdu tegelik vähenemine. Deformeerimiskoonuse poolnurk α (6-10 ) on oluline tõmbeprotsessi parameeter. Kalibreerimistsoon e. kalibreerimisvõõ (bearing region) ei põhjusta läbimõõdu vähenemist, aga see loob traadile hõõrdetakistuse. Kalibreerimisvõõ peamine

12 otstarve seega on võimaldada maandada koonilisel sisenemispinnal tekkinud pinnakahjustusi, mis on saadud näiteks tõmbesilma kulumise tõttu, ja veelkord viimistleda toote välispinda ilma silma dimensioone muutmata. Torukujulise toote sisepind kujuneb vabalt või kalibreeritakse tornil. Väljumistsoonis (back relief) toimub metalli vähene paisumine traadi väljumisel tõmbesilmast. Tõmbesilma matriitsid on tavaliselt valmistatud kõvasulamist või teemantidest, mis on pressitud paksust terasest korpusesse e. ümbrisesse (steel casing), et vältida nende purunemist tõmbepingetest ja ülekuumenemisest. Plastne deformatsioon ja hõõrdumine deformeerimiskoonuses ning kalibreerimisvõõs põhjustavad traadi temperatuuri tõusu kuni mitusada kraadi. Tekkinud soojus osaliselt eemaldub määrdesse ja teraskorpusesse soojusjuhtimise teel ja osaliselt akumuleerub tõmmatud traadis. Vaatamata sellel tõmmatud toode vajab termotöötlust kalestumise optimeerimiseks materjalis. Näiteks, terastraadile süsiniku sisaldusega üle 0.25% tehakse termotöötlus, mida nimetatakse patenteerimiseks. See seisneb kuumutamisest üle kriitilise temperatuuri ja kontrollitud kiirusega jahutamises või transformeerimises sula seatina vannis temperatuuril (600 F), et põhjustada peeneteralise perliidi moodustumist. Patenteerimine tekitab tugevuse ja plastsuse parima kombinatsiooni kõrgsüsinikusisaldusega muusikainstrumentide keelte traadi ja vedrutraadi edukaks tõmbamiseks. Defektid vardas, traadis ja torus võivad olla põhjustatuid lähtematerjalide defektidest või deformatsiooniprotsessist enesest. Kõige tavalisem defekt on siserebend (capping).