MIHAEL CHIRCOR REMUS ZAGAN GRETI CHIŢU
ELEMENTE FUNDAMENTALE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR
EDITURA EX PONTO CONSTANŢA 2005
PREFAŢĂ
Lucrarea de faţã se adreseazã în special studenţilor Facultãţii de Inginerie Mecanicã a Universitãţii Ovidius Constanţa ca şi altor studenţi de la secţiile similare ale altor universitãţi. În cadrul fiecãrei metode si procedeu tehnologic au fost luate în discuţie urmãtoarele aspecte : bazele teroretice (fenomenele care stau la baza tehnologiei respective, legi specifice, interpretarea teoreticã a fenomenelor si legilor); dimensiunea materialã (utilaje, dispozitive, scule necesare obţinerii produsului finit prin procedeul tehnologic respectiv); dimensiunea normativã (succesiunea operaţiilor, reţetelor de fabricaţie, parametrii optimi). Autorii au avut intenţia de a da lucrãrii, care s-a vrut a avea un pronunţat caracter didactic, mai mult un caracter formativ decât informativ. Nu am urmãrit originaliatea, ci coerenţa şi calitatea, motiv pentru care am consultata cele mai reprezentative lucrãri în domeniu, preluând din acestea tot ceea ce ni s-a pãrut mai valoros. De aceea din lucrare lipsesc o seamã de informaţii, de genul tabelelor de parametrii, nomograme, care se pot gãsi cu usurinţã în orice alt manual de specialitate. Cu toate acestea lucrarea se adreaseazã în egalã masurã si inginerilor sau altor cadre tehnice care lucreazã în producţie sau proiectare. AUTORII
3
CAPITOLUL 1 NOTIUNI INTRODUCTIVE 1.1.Tehnologia - definiţii La baza oricãrei discipline ştiinţifice stã un set de noţiuni judicios stabilite, care servesc drept “cãrãmizi” de construcţie a întregului sistem. De regulã, aceste noţiuni sunt legate între ele şi de noţiunile ştiinţelor fundamentale. Definirea precisã a noţiunilor cu care urmeazã sã operãm este extrem de importantã, indiferent de domeniul pe care urmeazã sã-l abordãm, deoarece trebuie sã ştim exact la ce ne referim/raportãm, pentru a evita orice confuzie. Definiţia 1. Tehnologie = ştiinţa care se ocupă cu studiul, elaborarea şi determinarea proceselor, metodelor şi procedeelor de prelucrare a materialelor. Ca ştiinţă “tehnologia” s-a dezvoltat pe baza şi în strânsă legatură cu alte ştiinte şi discipline: matematica, fizica, chimia, electrotehnica, mecanica, metalurgia, ştiinţa materialelor, etc. In funcţie de materialul care se prelucrează, se deosebesc diverse tehnologii cum ar fi: - tehnologia elaborării metalelor; - tehnologia construcţiilor de maşini; - tehnologia produselor alimentare; - etc. Definiţia 2 . Tehnologie = ansamblu de procese, metode, procedee, reguli, operaţii, faze care se desfăşoară în scopul obţinerii (fabricării) unui anumit produs (piesã, organ de maşină, subansamblu, etc.). Tehnologia fabricării produselor impune în mod obligatoriu executarea operaţiilor într-o succesiune bine determinată şi prestabilită. Prin aceasta, până la transformarea în produse finite, materiile prime, materialele şi semifabricatele trec printr-o serie de schimbări ale formei şi dimensiunilor, ale compoziţiei chimice şi proprietăţilor fizico-mecanice, ale aspectului exterior, al poziţiilor reciproce a suprafeţelor, ale structurii. Definiţia 3. Tehnologia se referă la aplicarea practică a cunoaşterii prin intermediul tehnicilor utilizate în activităţile productive (ca ansamblu de instrumente, metode şi norme). Tehnologia este o ştiinţă care studiază transformările la care este supusă substanţa în procesele tehnologice de lucru şi le aplică în vederea obţinerii produselor. Tehnologia este ştiinţa care studiază toate transformările la care este supusă substanţa în procesele tehnologice de lucru şi modalităţile prin care 13
conducem aceste transformări în vederea obţinerii produselor, în condiţii tehnico-economice optime. Tehnologia este o ştiinţă aplicativă. Ea nu rezolvă problema realizării unui singur produs, ci a obţinerii de producţii industriale. Tehnolgia aplică legile celorlalte ştiinţe. Tehnologia utilizează legile fizicii, chimiei, ale altor ştiinţe, precum şi legi proprii. Tehnologia are trei dimensiuni: 1- Dimensiunea materială = care se referă la ansamblul uneltelor, instalaţiilor, maşinilor, materialelor, sculelor şi dispozitivelor utilizate în activitatea productivă; 2- Dimensiunea normativă = care cuprinde normele de utilizare a dimensiuii materiale şi reţelele de organizare a producţiei asociate unei tehnologii; 3- Dimensiunea socială = reprezentată de suma de abilităţi şi comportamente individuale şi colective, ca şi de normele sociale generate de utilizarea unei anumite tehnologii; Din punct de vedere al fenomenelor ştiinţifice care stau la baza principiului fizic al metodei tehnologice, tehnologiile se împart în două mari categorii: 1. Tehnologii clasice (convenţionale); 2. Tehnologii neconvenţionale; Tehnologii neconvenţionale sau electrotehnologiile s-au dezvoltat rapid în ultimele două decenii ca urmare a unor cerinţe ale industriei. Dezvoltarea şi răspândirea lor se datorează şi apariţiei unor noi materiale foarte greu sau imposibil de prelucrat folosind tehnologiile clasice. De asemeni exploatarea spaţiului cosmic şi cursa înarmărilor au constituit factorii motrici ai apariţiei şi răspândirii tehnologiilor neconvenţionale. Marea majoritate a procedeelor şi metodelor de prelucrare neconvenţională au la bază, transformarea energiei electrice într-o altã formă: energie calorică, luminoasă, mecanică. Această nouă formă de energie este utilizată apoi pentru prelucrarea materialelor. Procedeele tehnologice clasice nu pot fi înlocuite prin cele neconvenţionale. Dimpotrivă, electrotehnologiile sunt o completare a tehnologiilor clasice, care rămân cu ponderea cea mai mare în construcţia de maşini. Asimilarea de către industrie de noi metode de prelucrare este legată direct de preţul de cost, productivitatea şi timpul de amortizare al investiţiei.
14
Prin automatizare, robotizare şi computerizare o tehnologie clasică nu poate trece în sfera neconvenţionalului, deoarece principiile fizice care stau la baza metodei tehnologice respective rămân aceleaşi. Toate aceste considerente, împreună cu cele economice care joacă un rol decisiv, fac ca importanţa şi dimensiunile tehnologiilor clasice să rămână neştirbite. De aici derivã şi spaţiul considerabil pe care-l vom aloca studiului tehnologiilor clasice (de exemplu în Japonia existau în 1980 10% maşini pentru prelucrări neconvenţionale). Vom defini în cele ce urmeazã unele noţiuni fundamentale cu ajutorul cãrora vom explicita principalele noţiuni ale tehnologiei. ISO 9000 defineşte urmãtoarele noţiuni: Necesitate – nevoie sau dorinţã resimţitã de cãtre un utilizator. Cerinţã – nevoie sau aşteptare care este declaratã, în general implicitã sau obligatorie. Satisfacţie a clientului – percepţie a clientului despre mãsura în care cerinţele sale au fost îndeplinite. Management – activitãţi coordinate pentru a orienta şi controla o organizaţie. Sistem de management – sitem prin care se stabilesc politica şi obiectivele şi prin care se îndeplinesc acele obiective. Organizaţie – grup de persoane şi facilitãţi cu un ansamblu de responsabilitãţi, autoritãţi şi relaţii determinate. Eficienţã – relaţie între rezultatul obţinut şi resursele utilizate. Structurã organizatoricã – ansamblu de responsabilitãţi, autoritãţi şi relaţii dintre persoane. Infrastructurã – sistem de faciltãţi, echipamente şi servicii necesare pentru funcţionarea unei organizaţii. Mediu de lucru – ansambli de condiţii în care se desfãşoarã activitatea. Proces – ansamblu de activitãti corelate sau în interacţiune care transformã intrãrile în ieşiri. Produs – rezultatul unui proces. Proiect – proces unic care constã dintr-un ansamblu de activitãţi coordinate şi controlate, cu data de început şi de finalizare, întreprins pentru realizarea unui obiectiv conform cerinţelor specifice şi care include constrângeri referitoare la timp, costuri şi resurse. Procedurã – mod specific de desfãşurare a unei actrivitãţi sau a unui proces. Caracteristicã – trãsãturã distinctive. 15
Informaţie – date semnificative. Document – informaţie împreunã cu mediul sãu suport. Încercare – determinare a uneia sau a mai multor caracteristici în conformitate cu o procedurã. Analizã – activitate de determinare a potrivirii, adecvanţei şi eficienţei în ceea ce priveşte îndeplinirea obiectivelor stabilite. Client – organizaţie sau persoanã care primeşte un produs. Prin proces (procedeu) înţelegem un ansamblu de mijloace şi de activitãţi coerente care transformã elementele de intrare în elemente de ieşire. Intrãri
Ieşiri
PROCES Orice activitate umanã conştientã este realizatã printr-un proces. Fiecare proces are elemente de intrare sub forma unor fluxuri de materiale, utilaje, scule, dispozitive, resurse umane, energie, know-how. Ieşirile din sistem pot fi produse, servicii, programe de calcul, etc. Procesul este o activitate de-a lungul cãreia elementele de intrare suferã transformãri şi li se adaugã valoare. Standardul francez NF X50-150, defineşte urmãtoarele noţiuni: Constrângere (NF X50-150) – limitarea în libertatea de alegere a proiectantului / realizatorului unui produs. Constrângerile apar datoritã: - unor condiţii impuse produsului; - lipsei unor mijloace; - cerinţelor pieţei; - necesitãtii respectãrii unor norme; - impunerii unei soluţii de principiu. Constrângerile evolueazã în timp şi nu depend de loc. Constrângerile inutile trebuiesc identificate şi înlãturate. Intr-un produs constrângerile se regãsesc sub formã de “funcţii de constrângere”. Criteriu de apreciere (NF X50-150) –character reţinut pentru a aprecia modul în care o funcţie este îndeplinitã sau o constrângere este respectatã. Pentru o aceeaşi funcţie por exista criterii diferite de apreciere. In mãsura în care este posbil orice criteriu de apreciere trebuie asociat unei scãri care sã permitã evaluarea nivelului. 16
Produs (NF X50-150) – Ceea este sau va fi furnizat unui utilizator pentru a rãspunde necesitãţilor sale. Bunurile materiale obţinute sau create în urma unor procedee de munca se numesc produse. Obţinerea sau crearea produselor este rezultatul desfăşurării unui proces de producţie. Proces de producţie = proces tehnico-economic complex care cuprinde întreaga activitate desfăşurată pentru realizarea produselor. După obiectul asupra căruia se exercită, procesele de producţie pot cuprinde : 1. Procese de bază, care realizează fabricarea sau repararea produselor prin tehnologii de lucru şi tehnologii de control; procesele de bazã contribuie direct la transformarea materiilor prime si ale semifabricatelor în produse finite. 2. Procese de pregătire, (cuprinde activitãţile de proiectare, organizare); aceste procese se constituie în activitatea de pregãtire tehnologicã a fabricaţiei, de a cãrei acurateţe depinde succesul întregii activitãti productive; 3. Procese anexe, completare a celor de bază şi se referã la activitãţi cum ar fi cea de întreţinere a sculelor i utiliajelor; 4. Livrare şi comercializare
Structura Proces de producţie
Activitate de conducere - luarea deciziilor; Proces de pregătire; Proces de bază; procese de producţie, care pot fi:; - fabricaţie; -reparaţie; procese de control; Procese anexe; Livrare;
Procesele de producţie se pot clasifica în : - procese de extractie; - procese tehnologice de fabricaţie; Pornind de la materiile prime, prin procesele tehnologice de fabricaţie se pot realiza: - materiale de fabricaţie (produse neprelucrate în piese); 17
- materiale semifabricate (materiale folosite pentru fabricarea unor piese); Dimensiunile semifabricatului fiind întotdeauna mai mari decât ale piesei finite, se defineşte noţiunea de indice (randament) de utilizare al materialului (η M ). M pf x100 [%] ηM = M sf unde Mpf reprezintã masa piesei finite iar Msf masa semifabricatului. - piese finte (produsul finit rezultat din procesul tehnologic); - ansamblu tehnic, produs (totalitatea pieselor montate care alcătuiesc un sistem tehnic cu o anumitã funcţiune); Un produs este un sistem tehnic care îndeplineşte o funcţie principală si este compus din mai multe repere. Fiecare reper este definit prin configuraţie geometrică şi caracteristici de material. Configuraţia geometrică este caracterizată prin - formă; - dimensiuni; - poziţie relativă a suprefeţelor; - gradul de netezime al suprafeţelor sale (rugozitatea). Caracteristicile de material sunt definite de: - compoziţie chimică; - caractersitici mecanice; - structură; proprietăţi tehnologice. Reperele mai pot fi definite însă şi prin funcţiunile, caracteristicile esenţiale care le definesc. Produsul finit rezultat în urma derulării unui proces tehnologic poate juca rolul de semifabricat în desfăşurarea altui proces tehnologic. Proces tehnologic 1 ASEMIFAATBRICAT1
Proces tehnologic 2
PIESÃ FINITÃ 1
SEMIFABRICAT
PIESÃ FINITÃ 2
2 Procesele tehnologice de fabricaţie au următoarele ţinte : 1. - modificarea proprietăţilor fizico-mecanice ale materialelor; 18
2. - modificarea formei, dimensiunilor, poziţiei reciproce şi calităţii suprafeţelor; 3. – modificarea structurii ; Procesul tehnologic este o parte costitutivã a procesului de producţie în decursul cãreia se realizeazã transformarea materialului din semifabricat în piesã finitã. Procesele tehnologice pot fi : procese tehnologice de prelucrare (elaborare, tratament termic, prelucrare dimensionalã); Procesele tehnologice de prelucrare urmăresc modificarea configuraţiei geometrice, şi pot fi: - procese tehnologice de elaborare=vizează obţinerea materialelor ce urmează a fi supuse prelucrării; - procese tehnologice de semifabricare=vizează obţinerea semifabricatelor prin modificarea configuraţiei geometrice a pieselor; - procese tehnologice de tratament=vizează modificarea structurii materialelor şi deci a caracetristicilor lor mecanice şi a proprietăţilor tehnologice; procese tehnologice de control; procese tehnologice de asamblare (demontabilã sau nedemontabilã); procese tehnologice de reparare şi recondiţionare. Procese tehnologice de semifabricare Materii prime
Materiale brute
Semifabricate
Procese tehnologice de elaborare
Piesã finitã Procese tehnologice de prelucrare mecanicã si tratament termic
Prin prelucrare se modifică starea sau compoziţia materialului, forma, dimensiunile, rugozitatea, poziţia reciprocă a suprafeţelor, iar prin asamblare se unesc piesele în mod ordonat într-un sistem tehnic. Procesul tehnologic de prelucrare se referã la : elaborare; confecţionare; tratament termic; suprafaţare; 19
Metoda tehnologică (MT) exprimã principiul de execuţie al unei operaţii sau a unei serii de operaţii din punct de vedere al naturii fenomenelor fizico-chimice pe care le suportă materialul. Metoda tehnologică reprezintă un mod sistematic şi principial de executare a unei operaţii într-un proces tehnologic, dintr-un punct de vedere esenţial: natura fenomenelor care conduc la transformarea materialului supus prelucrării. Procedeul tehnologic (PT) se referă la mijloacele concrete prin care se realizează metoda tehnologică din punct de vedere al utilajelor folosite, al mediului de lucru şi al materialelor folosite. Procedeul tehnologic cuprinde şi mijloacele prin care se realizează o metodă tehnologică, din punct de vedere al dimensiunii materiale şi a celei normative a tehnologiei aplicate. Putem considera procedeul tehnologic ca fiind un sistem ordonat de douã elemente(în sens algebric). Pentru ca douã sisteme ordonate de douã elemente sã fie identice este necesar ca elementele lor componente sã fie identice. De aceea orice diferenţa oricât de micã în una din dimensiuni conduce la apariţia unui nou procedeu tehnologic. PT = (Dmat, Dnorm) O metodã tehnologică nu se aplică prin ea însăşi, ci prin intermediul procedeelor tehnologice. O aceeaşi metodă tehnologică se poate aplica prin una sau mai multe procedee tehnologice. Metoda aratã modul principial de executare iar procedeul modul concret. Procedeele tehnologice aferente unei metode se deosebesc între ele prin utilajele şi sculele utilizate. Fiecare metodã tehnologicã îşi are fenomenele şi legile sale fundamentale. Procedeele respectã fenomenele şi legile fundamentale, completându-le cu fenomene şi legi proprii, corespunzãtoare utilajului tehnologic specific procedeului. Diferitele procedee tehnologice, aferente unei aceleaşi metode, pot avea anumite elemente comune. Putem astfel delimita în cadrul aceleaşi metode “grupe” “sau “familii “ de procedee tehnologice, care în ciuda individualizãrii lor au anumite elemente comune. Procedeele tehnologice se deosebesc prin utilajele tehnologice folosite. Exemplu : Metoda - turnarea. Procedee tehnologice–turnarea în forme vidate, turnarea în forme permanente, etc. Procedeul tehnologic de fabricaţie este o sumă de operaţii care se execută în serie sau în paralel (secvenţial sau suprapus). 20
Operaţia tehnologică este o parte constitutivă a unui procedeu tehnologic şi este o activitate ordonată, limitată în timp, efectuată fără întrerupere de către un operator, la un singur loc de muncă, asupra unuia sau mai multor materiale supuse lucrării, în scopul modificării proprietăţilor fizico-chimice, a formei geometrice şi a dimensiunilor materialului. Pe parcursul unei operaţii tehnologice se folosesc semifabricate şi materiale, maşini şi aparate de lucru, diverse dispozitive. Operaţia este compusă din mai multe faze. Faza este o parte a unei operaţii ce realizează un singur scop sau obiectiv tehnologic cu ajutorul aceleiaşi scule şi cu acelaşi regim de lucru. Faza poate fi compusă din mai multe mânuiri. Utilajul tehnologic poate fi acţionat manual, semiautomat sau automat. Prin sistem manual înţeleg un sistem la care fiecare fazã este comandã manual. La sistemele semiautomate numai extragerea piesei finite este manualã, restul fazelor derulându-se în regim automat. Pentru sistemele automate trebuie comandat manual numai începutul ciclului. Fiecare procedeu tehnologic este definit prin anumite caracteristici tehnologice, care sunt mărimi utilizate pentru determinarea, aprecierea şi diferenţierea modificărilor realizate asupra obiectului supus prelucrării. 1.2. Principii tehnologice Orice tehnologie este o sumã de procese multidimensionale, cu foarte mulţi parametri, rezultaţi din interacţiunea concretã a unor materiale reale cu mijloacele de transformare ale acestora. In ciuda caracterului relativ empiric al tehnologiei, existã totuşi legitãţi care conferã consistenţã şi coerenţã tehnologiei ca ştiinţã. Acestea sunt: -
Principiul multidimensional; Principiul eficienţei; Principiul informaţiei.Principiul proiectării proceselor tehnologice.
Principiul multidimensional Procesul de producţie este extrem de complex, existând o multitudine de mãrimi de intrare în sistem, şi o multitudine de factori externi cu care reacţioneazã. Existã de asemeni un numãr considerabil de variabile în sistem determinate de numãrul mare de materiale, scule, dispozitive, masini care concurã la realizarea procesului de producţie. Aceastã multitudine de variabile, de factori de interacţiune impune un 21
anumit tip de organizare a producţiei care sã se apropie de un optim tehnologic şi economic. Principiul eficienţei O tehnologie trebuie să permită realizarea nivelului maxim de eficienţă pentru care a fost proiectată. Această eficienţă trebuie să se regăsească în indicatori cum ar fi: cost, fiabilitate, productivitate, consum de materiale, consum de energie, consum de scule, etc. Prin derularea unui proces de producţie nu numai cã trebuie sã realizãm o anumitã cantitate de produse de o anumitã calitate dar trebuie ca activitatea productivã sã atingã anumiţi parametrii economici care sã confere unitãţii de producţie o rentabilitate cât mai ridicatã. Principalii indicatori de eficienţã sunt costul produsului, productivitatea muncii, fiabiltatea. Performanţele tehnice şi/sau tehnologice nu au nici o valoare dacã nu sunt dublate de o bunã eficienţã a procesului de producţie respectiv. Principiul informaţiei. Principiul proiectării proceselor tehnologice In desfăşurarea unui proces tehnologic, trebuie să asigurăm permanent controlul fluxurilor de intrare şi de ieşire în limitele prescrise. Procesul tehnologic trebuie să se desfăşoare cu cu minimum de efort şi cu maximum de rezultate. Proiectarea unui pordus cuprinde: - proiectarea funcţională = se referă la conceperea produsului, ca sistem tehnic ce trebuie să îndeplinească anumite funcţiuni; - proiectarea tehnologică = se referă la conceperea produsului astfel încât el să fie realizat printr-o tehnologie cât mai convenabilă. Putem defini tehnologicitatea unei piese ca fiind cu atât mai bună cu cât piesa a fost produsă în parametri de calitate cu un consum minim de materiale, utilaje, manoperă. Aceasta presupune ca orice proces tehnologic să fie proiectat atât din punct de vedere funcţional (constructiv), cât şi tehnologic. Fluxurile de intrare şi de ieşire (ale unui proces tehnologic) sunt redate în figura de mai jos:
22
Materiale Energie
Produs
Proces tehnologic
Forţă de muncă
Energie disipată Deşeuri materiale
Cunoaştere
Noi cunoştinţe
Fig. 1.1 1.3. Proprietăţile materialelor (metalice) În momentul de faţã în practicã sunt folosite o multitudine de materiale , fiecare având anumite proprietãţi care le recomandã pentru realizarea animitor repere. Se impune de aceea sã analizãm aceste proprietãţi şi sã le clasificãm dupã anumite criterii : Mecanice Termice Electrice Magnetice etc.
Fizice Intriseci Chimice Proprietăţi
Tehnologice De utilizare De exploatare
Proprietăţile intriseci sunt independente de locul şi modul de folosire. Proprietăţile de utilizare sunt dependente de metoda de prelucrare tehnologică, de domeniul de utilizare şi condiţiile de exploatare. Proprietăţile mecanice sunt cele corespunzătoare comportării lor la solicitările mecanice. Un material solid poate fi solicitat la solicitãri ca: tracţiune, compresiune, încovoiere, forfecare, răsucire. 23
Materialele metalice posedă următoarele proprietăţi mecanice: 1) Elasticitatea - proprietatea materialelor metalice de a se deforma sub acţiunea unor forţe exterioare şi de a reveni la forma lor iniţială după ce solicitarea a încetat. 2) Rigiditatea - proprietatea metalelor de a se opune deformaţiilor elastice. Este o proprietate contrară elasticităţii. Cu cât modulul de elasticitate longitudinal (E) creşte cu atât rigiditatea creşte. 3) Plasticitatea - proprietatea materialelor deformate de a nu mai reveni la forma iniţială după ce forţele exterioare şi-au încetat acţiunea. 4) Fragilitatea - proprietatea materialelor de a nu permite deformaţii plastice până la rupere. Este o proprietate opusă plasticităţii. (o întâlnim la fontã). 5) Fluajul - proprietatea unor materiale de a se deforma în timp lent şi continuu sub acţiunea unor sarcini constante. 6) Tenacitatea - proprietatea materialelor de a acumula o energie mare de deformare plastică până la rupere. Materialele tenace se rup după deformatii plastice mari. Ca o măsură a tenacitătii este rezilienţa. 7) Duritatea - proprietatea unui material de a opune rezistenţă la pătrunderea din exterior în stratul sãu de suprafaţă a unui material mai dur. Duritatea se poate determina prin metodele Brinell, Rockwell, Vickers şi se exprimă în HB (unitãţi Brinell), HR (unitãţi Rocwell), HV (unitãţi Vickers); Proprietăţile tehnologice - sunt cele corespunzatoare prelucrabilităţii prin diferite procedee tehnologice. După proprietăţile lor tehnologice, materialele se pot prelucra prin mai multe metode şi procedee. 1) Turnabilitatea - proprietatea materialelor de a lua dimensiuni impuse după solidificarea materialului topit introdus în cavitatea de turnare; 2) Deformabilitatea - proprietatea unor materiale de a se obţine deformări remanente sub acţiunea solicitărilor. 3) Sudabilitatea - proprietatea materialelor de a realiza asamblãri nedemontabile prin stabilirea unor legături între atomii marginali ai pieselor de îmbinat; 4) Călibilitatea - proprietatea unor materiale de a deveni mai dure în urma încãlzirii şi răcirii lor bruşte la o anumită temperatură; Proprietãţile economice ale materialului sunt definite de o sumã de relaţii de interdependenţã dintre material şi piaţa de desfacere şi utilizare.
24
CAPITOLUL 2. PRELUCRAREA PRIN TURNARE 2.1. Consideraţii generale Turnarea - este metoda tehnologică de fabricaţie a unei piese prin solidificarea unei cantităţi determinate de metal lichid, introdus într-o cavitate de configuraţie geometrice corespunzătoare. Este una dintre cele mai vechi metode tehnologice de prelucare a metalelor. Turnarea este o metoda tehnologică care are la bază principiul fizic în virtutea căruia orice lichid ia forma vasului ce îl conţine. Avantaje (Puncte tari) 1) Permite realizarea unor piese de geometrie complexă la preţuri reduse în raport cu piesele obţinute prin alte metode; 2) Accesibilitate (se poate asimila cu costuri minime şi în general nu necesitã mânã de lucru înalt calificatã); 3) Se pretează la mecanizare şi automatizare; 4) Permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului piesei. Dezavantaje (Puncte slabe) 1) Compactitate şi rezistenţă mecanică redusă a pieselor obtinute prin acest procedeu; 2) Precizia dimensionalã este redusã; 3) Consum mare de manoperã, mai ales la turnarea în forme temporare; 4) Consum mare de energie pentru elaborarea şi menţinerea materialului în stare lichidã; 5) Este o metodã de fabricaţie poluantã. Prin turnare se pot prelucra atât piese metalice cât şi cele nemetalice. Statistic 50 - 70% din totalitatea pieselor utilizate se obţin prin turnare (spre exemplu 55% la subansamblele tractorului). Dezvoltarea sectorului de turnătorie conduce la micşorarea sectorului de prelucrări prin aşchiere, deoarece prin creşterea preciziei de turnare adaosurile de prelucrare devin mai mici şi ponderea prelucrãrilor ulterioare turnãrii scade. Teoria turnării studiază următoarele probleme: proprietăţile metalelor în stare lichidă; solidificarea pieselor turnate; hidraulica turnării; 25
proprietăţile materialelor de formare; proiectarea şi execuţia formei de turnare; Dintre proprietăţile metalelor în stare lichidă în procesele de turnare intervin în mod direct fluiditatea şi tensiunea superficială. La temperatura de turnare, metalele lichide prezinta o vâscozitate de 1,5 … 3 ori mai mare decât cea a apei. Vâscozitatea materialului topit este influenţată de : - temperatura metalului lichid (în mod normal este de 50 … 100 °K peste temperatura de topire, în momentul turnãrii. Limita superioarã nu trebuie depãşitã deoarece riscãm arderea elementelor de aliere, cu consecinţe nefaste asupra caracteristicilor mecanice ale piesei obţinute prin turnare); - compoziţia chimică; Procesul cristalizării primare a materialului turnat are o importanţă hotărâtoare pentru calitatea piesei şi în primul rând pentru proprietăţile mecanice ale acesteia. Creşterea rezistenţei mecanice rezultă din micşorarea dimensiunilor grăunţilor, condiţie care se obţine din mărirea artificială a numărului germenilor de cristalizare prin introducerea în masa metalului lichid a unor cantităţi mici de substanţe numite modificatori (Ca, Si, Al, Mg). Viteza de solidificare se poate defini ca viteza de deplasare a frontului de cristalizare în interiorul masei de metal topit. Odată cu mãrirea vitezei de solidificare se înrãutãtesc rezistenţa şi plasticitatea metalelor. 2.2. Proprietăţile de turnare ale metalelor şi aliajelor Proprietatea tehnologica a materialului metalic de a se turna în piese se numeşte turnabilitate. Proprietăţile fizice care influenţează turnabilitatea sunt: 1) Fuzibilitatea - proprietate a materialelor metalice de a trece în stare lichidă. Metalele şi aliajele care se topesc la temperaturi joase se numesc uşor fuzibile. Pentru metalele uşor fuzibile se folosesc instalaţii de topire simple, iar preţul acestora este scãzut. 2) Fluiditatea - proprietatea metalelor şi aliajelor aflate în stare lichidă de a curge cu uşurinţă şi de a umple forma în care sunt turnate. Piesele cu pereţi subţiri şi contur complex se obţin numai din materiale cu fluiditate ridicată. 3) Tensiunea superficială - forţa care se exercită tangenţial la suprafaţa lichidelor, datorită interacţiunii dintre atomii 26
de la suprafaţa lichidului şi cei din jur. Cu cât tensiunea superficială este mai mare, cu atât calitatea suprafeţei pieselor turnate este mai bună. În timpul procesului de solidificare în piesa turnată au loc fenomene secundare care conduc la formarea retasurilor, suflurilor, fenomene care se datoreazã în principal stării de agregare şi reducerii dimensiunilor la răcire (contracţie). 2.3. Structura formelor turnate Forma de turnare este dispozitivul specific cu ajutorul cãruia se realizeazã piesa turnatã. Sinonime sunt: cochila, matriţa de injecţie, etc. Părţile componente ale formelor de turnare sunt: reţeaua de turnare; cavitatea formei; maselotele (atunci când sunt necesare); Reţeaua de turnare - reprezintă ansamblul canalelor care servesc la introducerea şi dirijarea metalului lichid în formă. Ea are ca scop să asigure umplerea rapidă a formei fără distrugerea acesteia şi să favorizeze răcirea uniformă şi dirijată a piesei turnate. Ea trebuie sã asigure: - umplerea rapidã dar liniştitã a cavitãţii formei; - sã reţinã impuritãţile, astfel încât acestea sã nu ajungã în interiorul cavitãţii formei; - sã asigure o repartizare corectã a temperaturii în metalul din formã, prin alegerea corectã a punctelor de intrare.
27
1 = gura pâlniei; 2 = piciorul pâlniei; 3 = canalul colector de zgurã; 4 = canalele de alimentare Fig. 2.1. Reţeaua de turnare Elementele componente ale reţelei de turnare sunt : 1) Gura pâlniei de turnare - uşurează introducerea metalului lichid în cavitatea formei preluând o parte din şocul vânei de metal topit. Din punct de vedere constructiv gura pâlniei se execută sub forma de pâlnie tronconică, cupă sau bazin. • Cupa este folosită în cazul debitelor mari de lichid şi este prevazută cu un prag pentru reţinerea zgurei; • Bazinele sunt cupe de dimensiuni mari, cu o capacitate de 50 - 60% (uneori 100%) din volumul de metal necesar turnării şi au dopuri la intrarea în piciorul pâlniei. Se aplică la turnarea pieselor de gabarite mari.
28
Fig.2.2. Variante c onstructive ale gurii pâlniei 2) Piciorul pâlniei de turnare - este un canal vertical, tronconic, care face legatura între gura pâlniei şi colectorul de zgură. El se execută cu secţiunea tronconica variabilă, descrescătoare înspre punctul de alimentare. 3) Colectorul de zgură - are rolul de a reţine zgura, impurităţile şi de a asigura pătrunderea liniştită a metalului în canalele de alimentare. Pentru a se reţine zgura colectorul trebuie să aibă o înãlţime mare ca să permită ridicarea la suprafata a impurităţilor. 4) Canalele de alimentare - (unul sau mai multe) fac legatura între colectorul de zgură şi cavitatea formei. Secţiunea transversala a acestora poate fi dreptunghiulară, triunghiulară sau trapezoidală şi mai rar circulară. Calitatea unei piese turnate depinde în mod esenţial de corectitudinea dimensionării şi execuţiei reţelei de turnare. Proiectarea reţelei de turnare impune: 1) Stabilirea locului de alimentare cu metal a cavităţii formei turnare directa; turnare laterală; turnare indirectă cu sifon; 2) stabilirea schemei de amplasare a canalelor; 3) determinarea duratei de turnare; 4) calculul secţiunii elementelor reţelei; Trebuie sã avem în vedere faptul cã reţeaua de turnare se înlãturã dupã turnare şi deci o reţea de turnare voluminoasã conduce la un indice scãzut de utilizare a metalului, în timp ce o reţea de turnare subdimesionatã poate conduce la îngheţarea metalului topit si deci la obţinerea unor piese incomplet turnate. Cavitatea formei - asigura obţinerea piesei turnate la configuraţia şi dimensiunile dorite. Proiectarea geometriei cavităţii formei este o problemă fundamentală în tehnica turnării. 29
Cavitatea formei trebuie să reziste presiunii dinamice a jetului de metal lichid. Maselotele sunt rezervoare de metal lichid, amplasate corespunzător sub formă de prelungiri ale piesei turnate. Rolul lor principal constă în alimentarea cu metal lichid a cavităţii formei pe durata răcirii şi solidificării, în vederea compensării contracţiei volumetrice. Cavitatea formei se umple cu metal lichid cu volum specific corespunzător temperaturii de turnare, mai mare cu 3…12% decât volumul specific al metalului la temperatura mediului ambiant. Deci fără luarea unor măsuri imediate va apare un deficit de material sub formă de goluri de contracţie numite retasuri. Pentru combaterea retasurilor trebuie asigurată solidificarea dirijată a pieselor turnate prin: aşezarea părţii groase a pieselor în sus; corecta dimensionare şi amplasare a maselotelor; Problema retasurilor se pune în special la materialele cu coeficienţi de contracţie ridicaţi: oţel, fonte. Maselotele au următoarele dezavantaje: creşte consumul de metal (35-50%); măreste consumul de manoperă pentru înlăturarea lor; 2.4. Clasificarea procedeelor de turnare Clasificarea procedeelor tehnologice de turnare se face dupã urmãtoarele criterii: I. După durabilitatea formei (numărul de turnări ce se pot efectua cu aceeaşi formă) : 1. forme temporare (1 formã de turnare conduce la obţinerea unei piese turnate); 2. forme semipermanente (1 formã de turnare conduce la obţinerea a aproximativ 10 piese turnate); 3. forme permanente (1 formã de turnare conduce la obţinerea câtorva sute de piese turnate); II. După forţele care acţioneazã asupra metalului topit în timpul turnãrii şi al solidificãrii metalului: 1. statică (gravitaţionalã); 2. centrifugală; 3. sub presiune; 30
III. Dupã mãrimea presiunii la care se toarnã: 1. depresiune; 2. suprapresiune; 3. presiune normalã; IV. Dupã modul de turnare: 1. directã; 2. indirectã; 3. continuã; 4. intermitentã; 5. în planul de separaţie; V. Dupã numãrul planelor de separaţie: 1. fãrã plan de separaţie; 2. cu un plan de separaţie; 3. cu mai multe plane de separaţie; VI. Dupã grosimea pereţilor: 1. pereţi groşi; 2. pereti subţiri (coji); VII. Dupã gradul de uscare al formei: 1. forme crude (umede); 2. forme uscate; VIII. Dupã natura liantului: 1.solid (argilã, bachelitã, etc.); 2. lichid (apã, rãşini, silicat de sodiu, etc.); 3. gazos (vid); IX. Dupã gradul de automatizare: 1. manual; 2. mecanizat; 3. automatizat; Varietatea extrem de mare a procedeelor de turnare utilizate în prezent este legatã de : volumul producţiei (cantitatea de material turnatã anual) ; caracterul producţiei ; 31
numãrul de repere ; mãrimea seriei de fabricaţie . 2.5. Etapele fundamentale ale procesului tehnologic de turnare Ciclul de fabricaţie al unei piese turnate cuprinde urmãtoarele etape : 1. Proiectare tehnologică. Este etapa cea mai importantã, de ea depinzând succesul întregului ciclu de fabricaţie. Acum se concepe dimensiunea normativã a procedeului tehnologic, succesiunea fazelor, ca şi echipamentul tehnologic de formare şi miezuire. 2. Confecţionarea modelului, cutiilor de miezuri, ramelor de formare (echipamentul tehnologic). 3. Executarea cavităţii formei. Specificitatea fiecãrui procedeu tehnologic de turnare constã în modul de obţinere a cavitãţii formei , restul etapelor fiind comune, indiferent de procedeul tehnologic de turnare adoptat. 4. Elaborarea materialului topit. 5. Turnarea propriu-zisă. 6. Constituirea piesei turnate. 7. Dezbatere. Constã în extragerea piesei turnate constituite din cavitatea formei. Dacã forma este durabilã, atunci dezbaterea se reduce la deschiderea formei si extragerea piesei turnate. Dacã forma este temporarã, extragerea piesei turnate presupune distrugerea acesteia. 8. Îndepărtarea reţelei de turnare. Se realizeazã prin tãierea canalelor de alimentare, fie cu flacãrã de gaze, fie prin aşchiere. 9. Curăţarea. Constã în îndepãrtarea particulelor aderente la suprafeţele piesei turnate. Operaţia se poate realiza prin sablare cu alice, cu jet de apã sub presiune, manual sau în tobe rotative. 10. Controlul tehnic de calitate (C.T.C.). Presupune verificarea dimensionalã, a calitãţii suprafeţei, a compoziţiei chimice, a caracteristicilor mecanice, a structurii, a masei. Orice abatere de la valorile nominale indicate în documentaţia de execuţie este consideratã defect. Defectele pieselor turnate sunt standardizate. 11. Remedierea defectelor de turnare se face prin diferite metode ce vor fi detaliate în capitolele urmãtoare. 12. Tratament termic primar urmãreşte atât eliminarea tensiunilor interne ce apar în timpul solidificãrii şi rãcirii, cât şi obţinerea unei structuri cu grãunţi fini, urmare a recistalizãrii.
32
Varietatea mare a procedeelor de turnare este condiţionată de modul de obţinere a cavităţii formei turnate, restul etapelor fiind identice. Diferenţa dintre diferitele procedee tehnologice de turnare constã în principal în modul de generare a cavitãţii formei, restul etapelor fiind aceleaşi, indiferent de procedeul tehnologic utilizat. De aceea, în cele ce urmeazã studiul diferitelor procedee tehnologice de turnare se va reduce în mare mãsurã la modul de obţinere a cavitãţii formei . 2.6. Turnarea în forme temporare Formele temporare se confecţionează din amestecuri de formare constituite din materiale granulare refractare (nisipuri), din lianţi şi materiale de adaos. Rezistenţa mecanică a acestor forme se obţine în urma îndesării granulelor refractare învelite cu o peliculă de liant. Formele temporare se realizează din punct de vedere constructiv în două variante: cu pereţi groşi (50 … 250 mm); cu pereţi subţiri (forme coji, 5 … 15 mm); 2.6.1. Turnarea în forme temporare cu pereţi groşi Turnarea în forme temporare cu pereţi groşi reprezintã nu un procedeu tehnologic, ci o familie de procedee tehnologice, deoarece confecţionarea formelor temporare se realizeazã în mai multe moduri, fiecare dintre ele efectuându-se cu utilaje specifice, deci constituindu-se în procedee tehnologice distincte. Vom distinge deci un procedeu tehnologic de turnare în forme temporare cu pereţi groşi ale cãror forme se obţin prin formare manualã cu model în rame de formare , un altul la care formele se obţin prin formare manualã cu şablon în solul turnãtoriei, sau diferite procedee tehnologice de turnare în forme temporare cu pereţi groşi obţinute prin diferite metode de formare mecanizatã, în funcţie de utilajul utilizat. Varietatea mare a procedeelor tehnologice de turnare în forme temporare este condiţionatã de echipamentul tehnologic utilizat pentru formare şi miezuire, de natura sursei de energie folositã pentru operaţiile de îndesare, demulare şi asmblare a formelor, de locul unde se confecţioneazã forma de turnare. Dupã fiecare turnare, formele temporare se distrug în faza de extragere a piesei turnate. 33
Avantaje Procedeul permite obţinerea unei game largi de piese turnate din punct de vedere al greutăţii şi configuraţiei geometrice. Ele se pretează în special pentru fabricaţia individuală şi de serie mică. Dezavantaje precizie dimensionalã mică; calitate slabă; proprietăţi mecanice inferioare ale metalului turnat; consum mare de material pentru reţeaua de turnare; adaosuri de prelucrare mari; În ciuda dezavantajelor, prin acest procedeu se obţin 80% din totalul pieselor turnate gravimetric. În vederea obţinerii cavităţii formei turnate prin acest procedeu tehnologic avem nevoie de : - Echipament tehnologic pentru formare şi miezuire; - Materiale pentru forme şi miezuri; Echipamentul pentru formare şi miezuire se compune din:
modele; plăci model; şabloane; cutii de miez; rame de formare.
Modelele sunt dispozitive cu ajutorul cărora se imprimă în amestecul de formare cavitatea formei corespunzător configuraţiei exterioare a piesei de turnat. Modelele se execută din lemn (60-70%) de esenţă moale (pin, molid), de esenţă tare (tei, arin, pãr), din metal sau din materiale plstice şi compozite. Modelele din lemn rezistă la 100 de formări manuale sau 1000 de formări mecanice. Modelele metalice se confecţionează din aluminiu. Modelele trebuie să posede următoarele elemente constructivtehnologice, dintre care majoritatea se regăsesc şi în piesa turnată: planul de separaţie asigură demularea şi trebuie să fie în număr minim, cel puţin 1;
34
înclinări ale suprafeţelor frontale - pentru uşurarea demulării; racordări - pentru a preveni apariţia fisurilor; mărci - locaşuri pentru montarea miezurilor; adaosurile de contracţie; adaosurile de prelucrare.
Fig.2.3. Mãrci de centrare În vederea recunoaşterii cu uşurinţã a modelelor, datoritã faptului cã o aceaşi piesã turnatã poate fi obţinuta din diferite aliaje cu diferiţi coeficienţi de contracţie, acestea se vopsesc în diferite culori, dupa cum urmeazã : oţel - albastru ; fontã - roşu ; mărcile de centrare se vopsesc în negru; aliaje neferoase - galben sau lac incolor. Plăcile model se obţin prin dispunerea unor semimodele metalice pe plăci metalice (din aluminium); Şabloanele sunt dispozitive sub formă de plăci, cu contur bine determinat şi care supuse unor mişcări de rotaţie sau translaţie generează în amestecul de formare suprafeţele interioare ale cavităţii formei. Se folosesc la serii de fabricaţie mici şi au o precizie scãzută. Au avantajul costului redus faţã de modele.
35
Fig. 2.4. Şabloane de rotaţie şi de translaţie Ramele de formare - sunt dispozitive metalice utilizate pentru susţinerea formelor temporare cu pereţi groşi. Pentru fixarea şi centrarea ramelor se folosesc bolţuri de centrare. De cele mai multe ori se obţin din construcţii sudate.
1=ramã superioarã; 2=ramã inferioarã; 3=suprafaţã separaţie 4=mâner manipulare; 5=guler ghidare; 6=bolţ centrare Fig. 2.5. Rame de formare Miezurile sunt o parte distinctã a formei de turnare, cu ajutorul cãrora se obţine configuraţia interioarã a pieselor turnate. Cutiile de miez - sunt dispozitive a căror configuraţie corespunde golurilor sau orificiilor din piesa de turnat şi servesc la confecţionarea miezurilor. 36
Pentru piese cu configuraţie simplă se execută un model, iar pentru piese cu configuraţie complicată este necesar să se construiască : - modelul propriu-zis; - cutia de miez; - modelul reţelei de turnare; - modelele maselotelor; Golurile interioare ale piesei se obţin cu ajutorul miezurilor executate în cutii de miez. Pentru a avea o anumită poziţie în cavitatea formei, miezurile se aşează în nişte locaşuri numite mărci de centrare. Ele se materializeazã în cavitatea formei prin nişte proeminenţe pe conturul exterior al modelului. Materiale folosite pentru forme şi miezuri sunt amestecul de formare şi amestecul de miez. Amestecul de formare este materialul din care se realizeazã, la formele temporare, interiorul formei de turnare. El este compus din: nisipuri; lianţi; materiale de adaos; Nisipurile - sunt materialele de bază ale amestecurilor de formare. Ele au drept principală componentă siliciul datorită proprietăţilor lui refractare. Ele pot fi brute , cu până la 50% argilă şi spălate cu până la 0,2 … 2 % argilă. Lianţii - sunt materialele care aderă la grăunţii de nisip şi fac legătura între ei. Ei asigură plasticitatea şi rezistenţa necesară a amestecului. - ARGILĂ; - BENTONITĂ ANORGANICI CIMENTUL; Lianţi
- ULEIURI VEGETALE; - ULEIURI MINERALE; ORGANICI - ULEIURI SINTETICE 37
Fig.2.6. Structura amestecului de formare Accelerarea proceselor naturale de disociere şi uscare este posibilă prin : suflarea formelor şi miezurilor cu CO2; introducerea de ferosiliciu măcinat în amestecul de formare; scufundare formelor în clorură de amoniu; Materiale de adaos cele mai frecvent utilizate sunt : apă; agenţi de activare şi accelerare a proceselor de întărire; adaosuri pentru îmbunătăţirea caracteristicilor, mecanice şi tehnologice; Pe cavitatea formei, înainte de a se închide forma, se aplicã un strat de vopsea refractarã. Vopselele refractare de turnătorie sunt suspensii de material refractar (grafit, cuarţ) în apă sau alcool, cărora li se adaugă melasă, dextrină sau bentonită pentru mărirea stabilităţii. Aceste vopseluri sunt de protecţie sau de izolaţie. Se aplică pe suprafaţa formelor şi miezurilor înainte de uscare. Pentru lipirea sau separarea formelor şi miezurilor se utilizează cleiuri de turnătorie. 38
Pudrele de turnătorie sunt materiale antiaderente. Ele pot fi de izolaţie sau protecţie. Pudrele de izolaţie se presară pe suprafeţele modelelor sau al cutiilor de miez pentru a le izola de amestecul de formare (de exemplu licopodiul). Pudrele de protecţie se presară pe suprafeţele formelor şi a miezurilor crude pentru a evita aderenţa amestecului de formare la piesa turnată (exemplu grafit, talc, etc). Amestecurile de formare se diferenţiazã, din punct de vedere al compoziţiei chimice, în amestecuri de formare pentru fontã, oţel sau aliaje neferoase. Amestecuri de formare se folosesc pentru : formare; miezuire; remedieri; Amestecurile de forme se clasificã în amestecuri de model amestecuri de umplere amestecuri unice Proprietăţile amestecurilor de formare sunt : a) - plasticitatea; b) - compresibilitatea; c) - permeabilitatea la gaze; d) - rezistenţa mecanică; e) - refractaritatea; f) - durabilitatea; Aceste proprietăţi sunt influenţate de: umiditatea amestecului; compoziţia granulometrică; gradul de îndesare; compoziţia chimică; compoziţia mineralogică; Procesul tehnologic de obţinere a cavităţii formei piesei turnate se execută conform schemei de mai jos:
Prep. amestec
Execuţie model
Execuţie cutie miez
39
Prep. amestec miez
Exexutia cavitãţii formelor de turnare
Execuţie miez
Uscare
Uscare Asamblarea formelor
1=cavitatea formei; 2=reţea de turnare; 3=rame de formare; 4=suprafaţa de separaţie 5=miez; 6=amestec formare; 7=maselote; 8=marcã de miez; 9=canale aerisire Fig.2.7. Structura formei de turnare Prezentãm mai jos un exemplu de reţetã de amestecuri de formare unice pentru obţinerea unei piese turnate din oţel în forme uscate Amestec folosit
Nisip spãlat
Argilã 40
Umiditate
şi regenerat 40 - 80%
5 - 50%
4 - 9%
5 - 6%
Formarea este ansamblul operaţiilor prin care se realizeazã forma de turnare. Termenul se referã numai la formele de turnare temporare şi semipermanente confecţionate din amestec de formare. Formarearea presupune: - introducerea amestecului de formare în rame; - îndesarea amestecului de formare; - extragerea modelului din formă (demularea). Metodele de confecţionare a formelor (de formare) pot fi : manuale; mecanizate. Metode manuale de formare – Aproximativ 40-60% din volumul de munca necesar obţinerii pieselor turnate se consumă pentru executarea formelor. Se aplică la unicate şi serie mică. Principalele procedee tehnologice de formare manualã sunt: 1. cu model în solul de turnătoriei; 2. cu şablon în solul turnătoriei; 3. cu şablon în forme semipermanente; 4. în rame de formare cu model dintr-o bucată; 5. în rame de formare cu model demontabil; 6. în rame de formare cu placa model; 7. în rame de formare cu şablon; Formarea mecanizată Specific acestor metode este utilizarea plăcilor model şi a amestecurilor de formare unice. Se aplicã la operaţii grele şi cu volum mare de muncã. Pe maşinile de format se execută mecanizat cele trei operaţii principale ale formării şi anume: introducerea amestecului de formare în rame; îndesarea amestecului de formare; extragerea modelului din formă; Avantaje precizie mare; reduc efortul fizic; productivitate mare; personal cu calificare redusă, de aici rezultând costul redus al manoperei; 41
După modul de îndesare a amestecului, maşinile de format mecanizat se clasifică în : 1. Maşini de format prin scuturare; 2. Maşini de format prin presare; 3. Maşini de format prin aruncare; 4. Maşini de format prin suflare; 5. Maşini de format combinate. Maşini de format prin scuturare Îndesarea amestecului se face sub acţiunea forţelor de inerţie ale granulelor de nisip. Sunt maşini pneumatice. Înălţimea de cădere a pistonului este de 30 - 80 mm, iar frecvenţa scuturărilor este de 250 lovituri / minut. Pentru formare sunt necesare 30 - 50 lovituri.
1=traversã; 2=sabot presare; 3=placã model; 5=piston cilindru 6=cilindru presare; 7=ramã formare; 10=piston; 11=canal admisie evacuare Fig. 2.8. Schema maşinii de format prin scuturare Dezavantaje şocuri construcţie complicată a plăcii model şi a fundaţiei maşini Maşini de format prin presare
42
Fac parte din familia preselor pneumatice. Dozarea amestecului este asigurată prin dimensionarea corespunzătoare a unei rame de umplere, aşezată deasupra ramei de formare.
1=traversã; 2=sabot presare; 3=ramã formare; 5=cilindru; 6=ramã formare; 7=placã model. Fig.2.9. Schema maşinii de format prin presare Maşini de format prin aruncare Realizează îndesarea prin proiectarea amestecului de formare, în straturi succesive până la umplerea formei. Capul aruncătorului este fixat pe un braţ articulat. Se foloseşte pentru formarea pieselor mari.
43
1=model; 2=ramã formare; 3=amestec formare; 4=cupã 5=carcasã metalicã; 6=bandã transportoare. Fig.2.10. Schema maşinii de format prin aruncare Maşini de format prin suflare Funcţionează pe principiul amestecării aerului comprimat cu amestecul de formare şi proiectării amestecului în cutia de formare special cosntruitã. 2.6.2. Turnarea în forme temporare cu pereţi subţiri (forme coji) Formele coji sunt forme cu pereţi subţiri având grosimi de 3...5 mm, realizate din amestecuri de formare speciale. Caracteristici Se aplică în special pieselor mici, cu grad mare de complexitate, în turnătorii specializate, în producţia de serie mare şi masă, la care costul relativ ridicat al materialelor utilizate la formare este compensat de eliminarea unor operaţiuni ulterioare de prelucrare prin aşchiere a piesei turnate. Avantajele metodei
reduce consumul de amestec de formare; reduce manopera de formare şi dezbatere; 44
îmbunătăţeşte calitatea pieselor turnate, întrucât permeabilitatea şi compresibilitatea formelor coji sunt mai bune; creşte precizia dimensionaleşi calitatea suprafeţelor, obţinute prin turnare; posibilitatea mecanizării procedeului; 2.6.2.1. Tehnologia de confecţionare a formelor coji cu liant pe bază de răşini termoreactive
Amestecul de formare este compus din nisip cuarţos (granulaţie 0,1 … 0,2 mm), praf de bachelită sau novolac (răşină termoreactivă, 5 - 9% ) ca liant şi urotropină fin măcinată (0,5 - 1% ), ca material de adaos. Plăcile model, exclusiv metalice, se încălzesc la 500 - 750 °K (în general la temperaturi mai mari decât punctul de polimerizare al liantului). Datorită temperaturii ridicate a plăcii model, răşina termoreactivă se topeşte, polimerizează şi se întăreşte ireversibil legând grăunţii de nisip între ei. Pentru a împiedica aderarea amestecului la placa model se pulverizează pe aceasta ulei mineral sau ulei siliconic. Grosimea formei coji este cu atât mai mare cu cât temperatura plăcii este mai mare şi durata de menţinere creşte. Ea poate ajunge la 6 - 10 mm. Pentru omogenizarea cojii ea este supusă după demulare unei calcinări la 550 - 600 °K. Formele coji se pot obţine prin următoarele metode ; căderea amestecului termoreactiv pe placa model caldã; prin suflarea amestecului termoreactiv pe placa model calda ; prin imersia plãcii model în amestecul de formare ; Semiformele coji astfel obţinute (care au şi reţeaua de turnare şi eventual mãrci de centrare) se asamblează corespunzător solidarizându-se cu scoabe elastice sau prin lipire cu cleiuri adecvate. Pentru turnare formele mari se introduc în containere, iar spaţiul rămas între formã si peretele containerului se umple cu nisip. Aceste containere se introduc în cuptoare unde are loc calcinarea, iar turnarea se face in forma caldã, din urmãtoarele considerente - Se evitã prezenţa apei (sau a altui lichid) care în contact cu metalul topit poate vaporiza instantaneu şi produce o presiune care sã distrugã forma şi sã pericliteze integritatea celor din jur. - Forma fiind caldã viteza de solidificare şi rãcire scade, cu consecinţe benefice asupra structurii (se obţin grãunţi fini).
45
-
Se evita distrugerea formei , datorita diferenţei foarte mari de temperaturã dintre formã şi metalul topit.
Fig. 2.11. Forme coji obţinute prin cãderea amestecului de formare
46
Fig. 2.12. Forme coji obţinute prin suflarea amestecului de formare 2.6.2.2. Tehnologia de confecţionare a formelor coji cu modele uşor fuzibile Particularitatea esenţială a acestui procedeu de formare constă în aceea că operaţia de demulare se realizează prin scurgerea din formă a materialului modelului adus în stare lichidă. În consecinţă este posibilă confecţionarea unor forme de turnare fără suprafaţã de separaţie, ceea ce permite obţinerea unor piese turnate cu precizie dimensionalã ridicată (+0,25 mm) la care este exclusă în principiu necesitatea unei prelucrări mecanice ulterioare. Cel mai des modelele se execută din materiale ceroase (stearină + parafină) prin presare în stare păstoasă într-o matriţă. Modelele din materiale ceroase au uneori ataşată reţeaua de turnare, iar alteori se asamblează în ciorchine la o pâlnie de turnare comună. Pentru realizarea formei coji ciorchinele se imersionează de 3 - 6 ori în amestecul de formare compus din 50% praf de cuarţ şi 50% silicat de sodiu după care se presară nisip cuarţos. Aplicarea unui strat nou se face numai după întărirea celui precedent. Accelerarea proceselor de întărire a liantului se asigură prin imersionarea ciorchinelui presărat cu nisip în soluţie de clorură de amoniu. După obţinerea unei forme cu grosimea dorită, modelele fuzibile se îndepărtează din formă prin încălzire în curent de aer sau apă. Formele coji se usucă la 450 - 575 °K şi apoi se introduc în cutii metalice cu nisip şi se calcinează la 1275 - 1325 °K în cuptoare electrice. Formele se scot din cuptor cu câteva minute înainte de turnare, iar turnarea se face în forme calde la 1000 °K. Metoda asigură o mare precizie, dar este limitată de greutatea pieselor turnate. Se toarnă în formele coji calde (aproximativ 1000°K) deoarece în acest mod se controlează viteza de răcire (prin scăderea acesteia se ameliorează structura piesei turnate şi prin aceasta caracteristicile mecanice) şi se preîntâmpină eventualele accidente ce ar putea fi cauzate de prezenţă vaporilor de apă în cavitatea formei. 2.6.3. Turnarea în forme vidate Turnarea în forme vidate reprezintă un procedeu de turnare statică în forme temporare. Deoarece specificitatea acestui procedeu constă în modul 47
de obţinere a cavităţii formei, (celelalte etape fiind identice cu cele ale celorlalte procede tehnologice de turnare) în cele ce urmează vom detalia numai această operaţie. Procedeul se recomandã pentru obţinerea pieselor de dimensiuni mijlocii, în producţie de serie mare şi masã, permitând automatizarea completã a procesului. În vederea obţinerii cavităţii formei se utilizeză plãci model, rame de formare de construcţie specială, amestec de formare din nisip fin fără liant sau materiale de adaos şi folie de polietilenă. Rama de formare se umple cu nisip fin, peste care se aplică o folie de polietilenă. Cu ajutorul modelului (prin apăsarea acestuia) se imprimă în nisip forma şi dimensiunile acestuia. În acest moment se cuplează rama de formare la o instalaţie de vid, obţinându-se prin vidare cavitatea formei. În mod analog se obţine şi cealaltă semiformă. Pe durata turnãrii şi solidificãrii forma de turnare rãmâne cuplatã cu instalaţia de vidare. Dupã arderea polietilenei la contactul cu aliajul topit etanşarea se face satisfãcãtor prin masa aliajului. După turnare se recuperează 90% din nisip. Procedeul permite obţinerea unor piese turnate în condiţii de precizie dimensională şi de calitate a suprafeţei deosebite. De asemeni se reduc manopera de formare şi de obţinere a amestecului de formare.
48
Fig. 2.13. Schema turnãrii în forme vidate Turnarea în forme vidate are următoarele avantaje: - cost redus al materialelor de formare; - este nepoluantă; - productivitate ridicatã; - cost redus al manoperei de formare; - condiţii mai bune de lucru; 49
- simplificã prepararea amestecului de formare; Se remarcă necesitatea folosirii unor rame de formare de construcţie specială, prevăzute cu orificii pentru absorbţia aerului şi cu site fine pentru a preveni absorbţia nisipului. In cazul pieselor cu configuraţie interioarã se pot folosi miezuri clasice din amestec de miez. Se utilizează plăci model metalice, care se încălzesc în prealabil în vederea unei mai bune mulări a foliei de polietilenă. După asamblare şi închidere formele se menţin vidate pânã la umplerea completă a formei şi solidificarea unei cruste de metal la partea exterioară a piesei. Vidarea favorizează o bună degazare a metalului turnat. 2.6.4. Turnarea de precizie cu modele gazefiabile din polistiren Ca şi alte procedee tehnologice de turnare, specificitatea acestuia constã în modul de obţinere a cavitãţii formei. În 1958 Harold Shroyer patenteazã tehnologia de turnare în forme pline, fãrã demularea modelului (cavityless casting mold - forma de turnare fãrã cavitate a formei). Tehnologia pãtrunde în Romania în anii `80 prin achiziţionarea de la firma italianã FATA a unui robot de turnare cu patru posturi pentru pistoanele autoturismelor OLTCIT, care utilizeazã tehnologia numitã POLICAST PROCES (modele expandabile din polistiren expandabil).
50
Fig. 2.14. Reprezentarea schematicã a proceselor metalurgice la turnarea cu model gazeificabil Vom expune în cele ce urmeazã principiul acestui procedeu , aşa cum rezultã el şi din figura 2.15. Geometria piesei turnate rezultã concomitent cu eliminarea modelului din polistiren din forma construitã din nisip uscat, fãrã liant. Sunt utilizate modele din polistiren expandat, vopsite, astfel încât crusta refractarã sub acţiunea presiunii gazelor rezultate la termodistrucţia modelului menţin rigiditatea formei şi pastreazã configuraţia cavitãţii amprentã, evitând surparea nisipului. Stratul de vopsea trebuie sã aibã şi o oarecare permeabilitate astfel încât sã asigure evacuarea corespunzãtoare a gazelor rezultate prin descompunerea polistirenului. Nu existã un contact direct între aliajul lichid şi nisip şi nici între metal şi polistiren. Spaţiul “D”poartã denumirea de “volum de control “şi are o mãrime de aproximativ 1 mm. Pentru creşterea vitezei de gazefiere, în compoziţia polistirenului expandat se introduc diferiti compuşi care contribuie la : 51
creşterea vitezei de topire şi de gazefiere al polistirenului; ruperea completã şi rapidã a legãturilor din lanţul polistirenului în procesul de termodistrucţie. Topirea totalã a modelului are loc într-un interval scurt de timp 1,5…4 secunde. Rezistenţa la rupere a aliajelor turnate prin acest procedeu tehnologic este superioarã cu aproximativ 5% celei a aceluiaşi aliaj turnat în formã temporarã cu model de lemn. Modelele de polistiren se obţin în matriţe prin umflarea granulelor de polistiren şi sudarea între ele. Dacã modelele sunt foarte complexe, ele se pot confecţiona din bucãţi şi asambla prin lipire. Operaţia de formare are trei etape principale : 1) Aşezarea modelului centrat în cutia de formare ; 2) Acoperirea modelului cu nisip uscat, fãrã liant ; 3) Indesarea nisipului în jurul modelului, pentru a realiza o mularea cât mai perfectã a nisipului pe suprafaţa lui. Pentru formare, în locul perechii clasice de rame de formare se utilizeazã cutii metalice de tip container, cilindrice sau poligonale, care permit manipularea mecanizatã. Dupã umplerea cu nisip a cutiilor se realizeazã îndesarea prin scuturare. Putem mãrii gradul de îndesare al nisipului prin vidare. Dacã piesele turnate au şi configuraţie interioarã se pot utiliza miezuri (metalice sau nemetalice), care se încastreazã în prealabil în model, la operaţia de expandare a granulelor de polistiren. Se pot utiliza reţele de turnare clasice. Faţã de procedeele de turnare “clasice“ în forme temporare, acest procedeu de turnare cu modele gazificabile din polistiren prezintã urmãtoarele avantaje: 1) Nu apar bavuri în special în planul de separaţie, datoritã absenţei acestuia, modelele fiind monobloc; 2) Lipsa mãrcilor de centrar, ceea ce micşoreazã toleranţa dimensionalã şi de poziţie ; 3) Se eliminã operaţia de demulare; 4) Eliminã lemnul din modelarii, scãzând costurile de fabricaţie; 5) Dispare operaţia de întãrire a formei; 6) Procedeul se preteazã la automatizare. Având în vedere faptul cã fenomenele şi legile proprii ale acestui procedeu diferã de cele ale celorlalte procedee tehnologice de turnare, procedeul poate fi asimilat în categoria celor neconvenţionale.
52
2.7. Turnarea în forme durabile (metalice) Formele permanente sunt confecţionate din materiale durabile, care permit utilizarea formei de mai multe ori, fãrã recondiţionãri.. Ele sunt confecţionate din materiale metalice, refractare ceramice. Cel mai frecvent ele sunt confecţionate din fontã cenuşie sau perliticã. În raport cu turnarea în forme temporare, turnarea în forme durabile prezintă următoarele particularitãţi: Avantaje îmbunătăţeşte caracteristicile mecanice ale pieselor turnate cu 10 - 30 %; îmbunătăţeşte precizia dimensională şi calitatea suprafeţelor turnate; reduce cu 50 - 60% manopera de formare; reduce consumul de materiale de formare; asigură condiţii mai bune de lucru; se reduce adaosul de prelucrare; Dezavantaje cost ridicat al formelor; conductivitate termică ridicată a formei, ceea ce duce la îngheţarea rapidă a metalului; Din punct de vedere economic procedeul se justifică numai la producţia de serie mare. Din punct de vedere tehnologic există următoarele probleme : evacuarea aerului şi a gazelor din formă (se construiesc canale de aerisire şi răsuflatori); asigurarea unei corelaţii între temperatura de topire a materialului care se toarnă şi temperatura de topire a materialului formei; evitarea reacţiilor chimice între topiturã şi formã; 2.7.1. Turnarea în cochilã Cochilele sunt forme metalice în care se introduce metalul lichid exclusiv sub acţiunea forţelor gravitaţionale. Cochilele pot avea unul sau mai multe plane de separaţie. Prin acest procedeu se pot turna şi piese cu configuraţie interioară folosind miezuri metalice. Alimentarea cu metal lichid a cochilelor se asigură printr-o reţea de 53
turnare plasată în planul de separaţie. Pentru evacuarea gazelor sunt prevăzute canale de aerisire cu diametrul de 0,2 - 0,5 mm. Principalele faze ale turnării în cochilã sunt : 1. Pregătirea cochilei. Se asamblează cochilia, eventual cu miezuri şi se acoperă suprafeţele care intră în contact cu metalul lichid cu un strat de material refractar de 0,1 - 2 mm. Se folosesc grafitul, argila, uleiurile minerale, etc. Se preîncălzeşte cochilia la 375 - 725 °K pentru eliminarea vaporilor de apă. În plus se urmăreşte micşorarea vitezei de răcire a metalului. 2. Turnarea metalului lichid. 3. Constituirea piesei turnate. 4. Dezbaterea prin dezmembrarea cochilei. 5. Îndepartarea reţelei de turnare. În producţia de serie mare turnarea în cochilie se poate realiza mecanizat. Pentru eliminarea unuia dintre defectele principale - dificultatea de a obţine piese cu pereţi subţiri - se recurge la presarea materialului lichid în cavitatea formei. Se combinã astfel turnarea în cochilie cu matriţare. Este de fapt o variantã înruditã cu turnarea sub presiune. 2.8 Turnarea sub presiune La turnarea pieselor mici, cu pereti subţiri, complexe, pentru a evita îngheţarea materialului topit în formă, se recurge la presarea acestuia sub acţiunea unei forţe exterioare. Pentru învingerea rezistenţei opuse curgerii metalului lichid în reţeaua de turnare se aplică presiuni de până la 5 000 atmosfere. Viteza de alimentare a matriţei cu metal lichid variază de la 0,5 m/s la 150 m/s. Una dintre problemele tehnologice ale procedeului constă în eliminarea porilor (mai nou s-a încercat vidarea cavitãţii matriţei). Matriţele se confecţionează din oţeluri aliate. Maşinile folosite sunt din familia preselor hidraulice (orizontale sau verticale). Matriţa este caldă ca şi camera de compresie (uneori poate fi şi rece). Dozarea materialului se face prin cantitatea de metal lichid cu care se alimentează matriţa. Dezbaterea se face automat cu aruncător. Dozarea corectã a metalului lichid este absolut necesarã, deoarece incorecta dozare poate conduce fie la obţinerea unei piese incomplet turnate (metal lichid insuficient) fie la obţinerea unei bavuri foarte mari în planul de separaţie (cantitate prea mare de metal lichi).
54
Fig. 2.15. Instalaţie de turnare sub presiune cu piston vertical Avantaje Dezavantaje
productivitate mare; posibilitatea automatizării; precizie dimensională şi calitatea suprafeţei; se elimină prelucrările mecanice ulterioare. se aplică la serie mare; costuri mari ale matriţei.
2. 9 Turnarea în forme metalice în mişcare de rotaţie (turnarea centrifugală) Procedeul se caracterizează prin faptul că în timpul turnării şi solidificării metalului, forma de turnare este antrenată în mişcare de rotaţie în jurul unei axe verticale sau orizontale. Există posibilitatea ca prin rotirea suficient de rapidă a formei, combinată cu răcirea metalului lichid, să se obţină un corp cilindric tubular, având o grosime uniformă a peretelui. Prin acest procedeu se toarnă piese de revoluţie cu înălţime mică şi diametru mare. De asemeni se pot turna piese mici în afara axei de rotaţie. Piesele obţinute prin acest procedeu tehnologic sunt compacte fără defecte de turnare. În cazul rotaţiei în jurul unei axe orizontale a unei forme parţial umplute cu metal lichid se pot distinge trei situaţii caracteristice în funcţie de turaţia “n”: 55
n=n1 metalul lichid este imobil; n=n2>n1 metalul lichid este antrenat prin frecare de către forma în rotaţie; n=n3>n2 metalul este supus mişcãrii de rotaţie împreună cu forma de turnare tubulară;
Fig. 2.16. Schema turnãrii centrifugale cu ax vertical Turnarea centrifugală cu ax orizontal se aplică la obţinerea pieselor tubulare cu lungimi mari şi grosimi mari, de tip bucşe. Formele de turnare folosite sunt metalice dar pot fi căptuşite cu amestec de formare. Cele necăptuşite se protejează prin acoperire cu vopsele refractare. Dezbaterea pieselor este posibilă datorită conicităţii interioare a formei. Turnarea se face în forme încălzite. Principala problemã tehnologicã este cea a dozãrii materialului, dozajul fiind singurul mod de a asigura grosimea doritã a peretelui piesei turnate. Avantaje economie de amestecuri de miez ; economie de metal prin eliminarea reţelei de turnare; 56
compactitate şi proprietăţi mecanice superioare; productivitate a muncii mare; Dezavantaje adaosuri de prelucrare mari; cochilã scumpă; 2.10. Turnarea continuă Spre deosebire de toate procedeele de turnare prezentate anterior la turnarea continuă introducerea de metal lichid în cavitatea formei şi extragerea piesei turnate se efectuează simultan fără întrerupere. Aceasta este un procedeu tehnologic de mare productivitate prin care se obţin piese de lungimi mari în raport cu secţiunea , cum ar fi barele şi ţevile. Instalaţiile pentru turnare continuă au ca element esenţial cristalizorul. Aceasta este o formă metalică cu pereţi subţiri, răcită intens prin circulaţia apei. Cavitatea formei se obturează cu o placă, care prin construcţia ei va constitui un dispozitiv de prindere al capătului solidificat al produsului. Metalul lichid se solidifică în contact cu pereţii răciţi forţat. După solidificare el este tras prin intermediul plăcii de bază şi al unui sistem de role care-i imprimă o mişcare continuă cu o viteză corespunzătoare. Problema principală o constituie corelarea vitezei de răcire cu cea de tragere. Cristalizorul se construieşte din cupru şi se acoperă cu grafit pe suprafeţele active. Procedeul se aplică mai ales la obţinerea semifabricatelor din aliaje neferoase. Datorită tensiunilor interne mari ce sunt introduse de regimul de răcire forţată se impune aplicarea unui tratament termic de detensionare.
57
1 = cristalizor; 2 = cavitatea formei; 3 = placã de bazã; 4 = role antrenare; 5 = piesã turnatã. Fig.2.17. Schema de obţinere a pieselor prin turnare continuã
2.11. Defectele pieselor turnate şi remedierea lor
-
Prin defect al unei piese turnate se înţelege orice abatere de la: - forma, - dimensiunile, - masa, - aspectul exterior, - compactitatea, - structura, - compozitia chimică, - proprietăţiile fizico-chimice ale aliajelor turnate. Defectele de turnare sunt provocate de nerespectarea tehnologiilor de turnare, de utilizarea unor materiale necorespunzãtoare, de alegerea nejudicioasã a procedeului de turnare. Ele se datoreazã fenomenelor care însoţesc elaborarea şi solidificarea metalelor. 58
Conform STAS 782-79 defectele pieselor turnate se simbolizează printr-un caracter alfanumeric format dintr-o literă şi trei cifre. Litera indică categoria de bază a defectului. Prima cifră indică grupa defectului. A doua cifră indică subgrupa defectului, iar a treia cifră este specifică fiecărui defect. De exemplu B122 este simbolul suflurilor de colţ. Clasificare : A= excrescenţe metalice; B= goluri; C= discontinuităţi, crăpături; D= defecte de suprafaţă; E= piesa turnată incomplet; F= dimensiuni sau configuraţii necorespunzătoare; G= incluziuni şi defecte de structură; H= compoziţia chimică,proprietăţi chimice şi mecanice necorespunzătoare. Metode de remediere se împart, conform STAS, în 3 categorii. 1. Metode de remediere cu materiale metalice a pieselor turnate din fontă şi aliajelor neferoase grele. 2. Metode de remediere cu materiale feroase şi condiţii impuse pentru piesele turnate din oţel. 3. Remedierea pieselor turnate cu materiale nemetalice. Printre metodele de remediere enumerăm: metalizarea, supraturnarea, sudarea, lipirea tare, doparea, bucşarea, pastilarea, împregnarea, chituirea.
59
CAPITOLUL 3. PRELUCRAREA PRIN DEFORMARE PLASTICĂ A MATERIALELOR METALICE 3.1. Generalitãţi 3.1.1. Noţiuni introductive Deformarea plastică este o metodă de prelucrare a materialelor metalice prin care, în scopul obţinerii unor piese finite sau semifabricate, se produce deformarea permanentă a materialelor în stare solidă (la cald sau la rece) fără fisurare micro sau macroscopică. Principiul fizic al metodei Atunci când tensiunile din materialul metalic depãşesc limita de curgere, în materialul supus acestor tensiuni apar deformaţii permanente. Avantaje proprietăţi mecanice îmbunătăţite datorită unei structuri omogene şi mai dense ; consum minim de materiale (coeficient de utilizare al materialului foarte bun); precizie mare de prelucrare (mai ales la deformare plastică la rece); posibilitatea obţinerii unor forme complexe cu un număr minim de operaţii şi manoperă redusă; posibilitate de automatizare (linii de automatizare + celule flexibile de fabricaţie ); Dezavantaje investiţii iniţiale mari în ceea ce privesc utilajele şi sculele folosite; necesitatea unor forţe mari pentru deformare; După temperatura la care are loc deformarea distingem : - deformare plastică la cald; - deformare plastică la rece; Deformarea se consideră plastică dacă eforturile unitare datorate forţelor de prelucrare tehnologică sunt peste limita de curgere convenţională (efortul unitar căruia îi corespunde o deformare remanentă de 0,2% , σ 0,2 ). Mecanismele intime ale deformaţiilor plastice se realizaeză prin: Întărirea (Ecruisarea) este ansamblul fenomenelor legate de modificarea proprietăţilor mecanice, fizice, ale metalelor în procesul de deformare plastică la rece. Fenomenul apare numai în cazul deformãrilor plastice la rece. El se manifestã prin creşterea rezistenţei la rupere şi a duritãţii, concomitent cu scãderea proprietãţilor care definesc plasticitatea materialului. Structura se modificã şi ea, forma grãunţilor devenind alungitã. 60
Întărirea se poate interpreta ca fiind datorată acumulării deformaţiilor elastice (a energiei de deformare) care crează o stare de tensiune care îngreunează procesul deformărilor plastice.
a-structurã iniţialã; b-structurã ecruisatã; c-structurã recristalizatã. Fig. 3.1 Structurã ecruisatã O altã cauză a întăririi este creşterea frânării mişcării dislocaţiilor odată cu creşterea gradului de deformare. Mecanismul deformării la cald are loc ca şi în cazul deformării la rece prin alunecare şi maclare. Constituie o stare la care mărirea gradului de deformare este mică sau imposibilã. Pentru a impiedica apariţia timpurie a acestei stări şi pentru a uşura procesul de deformare plastică se procedează la încălzirea materialelor. Practic deformarea plasticã devine imposibilã dupã momentul apariţiei ecruisãrii. Alunecarea este deplasarea straturilor subţiri ale cristalului unele faţă de altele. Alunecarea se produce de-a lungul unor plane de densitate atomica maximă, distanţa între două plane fiind de aproximativ 1 μm. Deformarea plastică a policristalelor se compune din deformarea cristalelor şi din deformarea substanţei intercristaline. Deformarea grăunţilor în policristal începe cu planurile grăunţilor care sunt orientaţi favorabil faţă de axa eforturilor unitare. Maclarea - este fenomenul de reorientare a unei părţi dintr-un cristal în raport cu restul, de-a lungul unui plan numit plan de maclare. Partea rotită a cristalului se numeşte maclă. Apare la viteze de deformare mari. Procesul se realizează instantaneu sub acţiunea unor forţe tangenţiale mai mici decât cele de alunecare. Ca urmare a deformãrii plastice metalele şi aliajele îşi modificã unele proprietãţi faţã de structurile turnate. Astfel rezistenţa la rupere şi duritatea cresc, plasticitatea cuantificatã prin alungirea la rupere şi gâturea la rupere, scade. Unele proprietãţi tehnologice (turnabilitate, cãlibilitate) cresc, iar altele 61
(deformabilitate, uzinabiltate, sudabilitate) scad o datã cu creşterea gradului de deformare. Orientarea fibrelor se modificã prin deformare plastică. In plan practic, trebuie sã ţinem cont de aceste modificãri, în sensul cã eforturile de întindere şi compresiune trebuie sã coincidã cu direcţia fibrelor, iar eforturile tangenţiale trebuie sã fie perpendiculare pe direcţia fibrelor. Ideal ar fi ca fibrele sã înfãşoare conturul piesei.
a-repere obţinute prin aşchiere cu direcţia fibrelor necorespunzãtor orientatã faţã de axa eforturilor; b- repere obţinute prin deformare plasticã cu direcţia fibrelor corespunzãtor orientatã faţã de axa eforturilor; Fig. 3.2 Orientarea fibrelor la diferite repere 3.1.2. Influenţa temperaturii asupra deformării plastice Prin încălzirea materialelor metalice se produc fenomenele de revenire şi recristalizare. Revenirea - este fenomenul de înlăturare a tensiunilor reţelei şi mărirea plasticităţii materialului, fără a produce nici o modificare a microstructurii (0,2tt 62
< tr < 0,4tt, unde tt reprezintă temperatura de topire şi tr reprezintă temperatura de recristalizare). Prin încălzire mobilitatea atomilor creşte, constatându-se o mărire a fenomenului de difuzie determinată de deplasarea atomilor în vacanţe şi interstiţii, stare care duce în final la eliminarea tensiunilor interne. Recristalizarea - Are loc în stare solidă şi constă în reorganizarea reţelei cristaline deformate şi apariţia unor noi centre de cristalizare. Prin recristalizare se elimină complet tensiunile interne, micşorându-se duritatea, rezistenţa la deformare şi mărindu-se plasticitatea. In cazul metalelor pure, recristalizarea are loc la o temperaturã Trc = 0,40 Ttop. Temperatura de recristalizare creşte odatã cu creşterea gradului de aliere, ajungând la 450...6000C la oţelurile carbon şi 600...8000C la oţelurile aliate. 3.1.3. Influenţa temperaturii asupra rezistenţei la deformare şi a plasticităţii Creşterea temperaturii provoacă schimbări esenţiale ale caracteristicilor de rezistenţă ale metalelor. Rezistenţa la deformare scade spectaculos odată cu creşterea temperaturii, datorită următoarelor fenomene: la temperaturi mari creşte amplitudinea oscilaţiilor atomilor datorită creşterii energiei lor potenţiale. Atomii trec mai uşor dintr-o poziţie de echilibru în alta; la temperaturi mari rezistenţa la deformare scade mult, deplasarea şi orientarea grăunţilor devine mai uşoară astfel încât deformarea se poate face la eforturi mai mici; Parametrii care definesc încălzirea sunt: - viteza de încălzire (temperatura de încălzire raportată la timpul de atingere al acesteia); - viteza de răcire (temperatura de răcire raportată la timpul de atingere al acesteia); - durata menţinerii la temperatura palierului; 3.1.4. Zone de temperatură la deformarea plastică la cald În funcţie de influenţa reciprocă a fenomenelor ce au loc la deformarea la cald (întărire, revenire, recristalizare) se deosebesc următoarele faze: deformare plastică la rece : td< 0,2 tt (acţionează ecruisarea); deformare incompletă la rece : 0,2tt < td < 0,4tt ; Apare fenomenul de ecruisare şi cel de revenire. Este caracteristic prelucrării cu viteze mari de deformare. 63
deformare incompletă la cald 0,4tt < td < 0,6tt; Deformarea se caracterizează prin acţiunea completă a fenomenului de revenire şi incompletă a fenomenului de recristalizare. Datorită neomogenităţii grăunţilor, materialul este puternic tensionat ceea ce duce la apariţia fisurilor. deformare la cald - se caracterizeazã prin lipsa efectelor întăririi după prelucrare şi printr-o structură fină şi omogenă a materialului metalic ca urmare a acţiunii complete a revenirii şi recristalizării. 1 Rezistenţa la deformare la cald este foarte mică, din cea la rece, 10 iar plasticitatea este mare (0,6tt < td < 0,85tt ). Pentru 0,85tt < td se constată supraîncălzirea şi tendinţa de ardere.
TT – temperatura de topire; Trc-temperatura de recristalizare; Tid-temperatura de început de deformare plasticã; Tsd- temperatura de sfârşit de deformare plasticã; Fig. 3.3 Alegerea corectã a intervalului de temperaturã în care se face deformarea plasticã
64
3.1.5.1. Legile deformãrii plastice Aceste legi sunt valabile atât la deformarea plastică la cald cât şi la rece. 1. Legea volumului constant. Volumul semifabricatului supus deformãrii plastice (la cald sau la rece) este egal cu volumul piesei finite. Facând abstracţie de micile variaţii de volum prin îndesare sau pierderi de oxizi, putem considera cã volumul piesei finite obţinut prin deformare plasticã este egal cu volumul semifabricatului. Aceastã lege este foarte importanta în practica, ea permiţând calculul volumului semifabricatului supus deformarii plastice. 2. Legea prezenţei deformaţiilor elastice în timpul deformărilor plastice.
ε = εe + ε p Deformarea plastică este întotdeauna însoţită de o deformare elastică. Nu putem ajunge în zona de plasticitate fără să trecem prin cea de elasticitate. (Hooke). Conform acestei legi, dupa prelucrarea prin deformare plastica la rece apare o tendinţă de relaxare a materialului. Solicitarea încetând , încetează deformarea elastica, ceea ce produce “relaxarea“ materialului, ramănând numai deformarea plastică. De efectele acestei legi se tine cont la proiectarea unor scule pentru deformare plastica, ca de exemplu matritele de tragere şi extrudare care au intotdeauna un con de ieşire. 3. Legea rezistenţei minime. Această lege are mai multe formulări: Orice formă a secţiunii transversale a unui corp supus deformării plastice prin refulare în prezenţa frecării pe suprafaţa de contact tinde să ia forma care are perimetrul minim la suprafaţa dată ; la limită tinde către cerc. Deplasarea punctelor corpului pe suprafaţa perpendiculară pe direcţia forţelor exterioare are loc după normala cea mai scurtă dusă la perimetrul secţiunii. Deplasarea maximă se va produce în acea direcţie în care se va deplasa cea mai mare cantitate de material.
65
4. Legea apariţiei şi echilibrării eforturilor interioare suplimentare. La orice schimbare a formei unui corp policristalin aflat în stare plastică apar în interiorul materialului eforturi suplimentare care se opun deformării relative şi care tind să se echilibreze reciproc. Eforturile suplimentare apar datorită frecărilor de contact dintre sculă şi semifabricat, neomogenitãţii compoziţiei chimice, proprietăţilor mecanice, etc. Eforturile unitare produse şi rămase în piesa prelucrată se pot adauga eforturilor unitare ce apar în timpul funcţionării, ceea ce poate produce fisuri sau distrugerea piesei. Pentru evitarea apariţiei eforturilor suplimentare se vor reduce frecările între suprafaţa materialului deformat şi suprafaţa activă a sculei. 5. Legea similitudinii. Pentru aceleaşi condiţii de deformare a două corpuri geometrice asemenea care au mărimi diferite, presiunile specifice de deformare sunt egale între ele, raportul forţelor de deformare fiind egal cu pătratul raportului mărimilor liniare (raportul de asemănare). Legea este valabilă când ambele corpuri au aceleasi faze structurale, aceeaşi stare chimică şi aceleaşi caracteristici mecanice, iar temperatura corpului la începutul deformării este aceeaşi. Legea similitudinii se aplică în cercetările experimentale care în cazul structurilor mari se efectuează pe structuri mai mici, la scară. 3.1.5.2. Încălzirea materialelor metalice pentru deformare plastică Prin încălzirea semifabricatului pentru deformare plastică se urmăreşte: micşorarea limitei de curgere; reducerea tensiunilor interne (prin revenire şi recristalizare); omogenizarea structurii. O încălzire corectă se asigură prin: scurtarea timpului de încălzire până la atingerea td (temperatura de deformare); asigurarea unei încălziri uniforme; reducerea arderilor şi decarburărilor; Valorile superioare sunt limitate de apariţia oxidării. Limita inferioară se stabileşte în funcţie de natura materialului. Din punct de vedere termic în procesul de deformare plastică la cald se disting trei stadii.: 66
stadiul încălzirii de la 0 - tid (temperatura de început de deformare); stadiul deformării propriu-zise tid - tsd (temperatura de sfârşit de deformare); stadiul de răcire; Cuptoarele în care se realizeazã încãlzirea sunt variate din punct de vedere al formelor, dimensiunilor şi al principiului de funcţionare. Ele se clasificã astfel : a) 1.cu funcţionare intermitentă; 2.cu funcţionare continuă. b) 1. electrice; 2. cu flacără; c) 1. în atmosfera obişnuită 2. în atmosfera controlată. d) 1. Normale; 2. Adânci.
67
3.2. LAMINAREA 3.2.1. Generalităţi. Laminarea este procedeul tehnologic de prelucrare prin deformare plastică (la cald sau la rece) caracterizat prin aceea cã materialul este obligat să treacă forţat printre doi cilindri aflaţi în mişcare de rotaţie. Utilajul se numeşte laminor, iar procedeul laminare. Produsul rezultat este denumit laminat. Laminatele au secţiunea transversalã constantã. La laminare dimensiunile materialului se reduc în direcţia apăsării şi cresc în celelalte direcţii (volumul rămãnând constant). Materialul laminat are o structura omogenă cu grăunţi alungiţi şi ordonaţi după direcţia de laminare.
1-grãunţi iniţiali; 2- grãunţi deformaţi; 3- grãunţi recristalizaţi; Fig. 3.4 Modificarea structurii materialului laminat Laminarea se poate efectua între doi cilindri netezi ca în cazul produselor plate sau cu canale inelare numite calibre, practicate în corpul cilindrilor , în zona de lucru pentru prelucrarea profilelor. Pentru cazul cel mai răspândit al laminãrii longitudinale, cilindrii au sensuri diferite de rotaţie, axele cilindrilor fiind paralele.
68
Atunci când se doreşte obţinerea unor produse cu secţiune constantã şi lungime mare, laminarea este soluţia tehnologicã. Ca semifabricate iniţiale se folosesc lingouri turnate, bare turnate continuu. Aproximativ 90% din producţia mondială de oţel este supusă laminării. Principalele scheme de laminare sunt: 1. Laminare longitudinală.
Figura 3.5. Schema laminãrii longitudinale 2. Laminare transversală. 3. Laminare elicoidală. După direcţia de laminare, acestea se clasifică astfel : 1) Laminare longitudinală – de-a lungul dimensiunii maxime. 2) Laminare transversală. 3) Laminare tangenţială – utilizată pentru obţinerea unor piese inelare de tipul bandajelor pentru roţile de cale ferată. 4) Laminare elicoidală – pentru laminarea ţevilor. Pentru a se realiza un anumit grad de deformare se execută de obicei mai multe treceri succesive ale semifabricatului printre cilindri, după micşorarea distanţei dintre ei. Elementele geometrice ale laminării şi forţele de laminare sunt redate în figura 3.6.
69
αc = unghiul de contact; h0=dimensiune semifabricat; h1=dimensiune produs finit Fig. 3.6. Elementele laminãrii Prin laminare se obţin repere având următoarele rugozităţi : - laminare la cald : Ra = (12,5 – 50) μm - laminare la rece : Ra = (6,3 – 0,2) μm 3.2.2. Bazele teoretice ale laminării În procesul de deformare plastică prin laminare se disting trei stadii: 1. Stadiul prinderii materialului de către cilindrii laminorului. 2. Stadiul laminării propriu-zise. 3. Stadiul de ieşire al materialului laminat dintre cilindrii laminorului. 3.2.3. Forţele care apar în zona de deformare. Condiţia laminării. Între cilindri de lucru şi semifabricat în zona de contact acţionează două forţe principale: 1. Forţa radială de apăsare N, cu componentele ei No şi Nv ; 2. Forţa tangenţială de antrenare (frecare) cu componentele To şi Tv ; Componenta orizontala a forţei de frecare To produce antrenarea materialului între cilindri. Componenta verticală Nv a forţei de apăsare se numeşte forţa de laminare şi produce deformarea materialului. 70
N O = N ⋅ sin α N V = N ⋅ cosα TO = T ⋅ sin α TV = T ⋅ cosα Greutatea cilindrilor se neglijează, iar „f” reprezintă coeficientul de frecare dintre cilindrii şi semifabricat. Pentru ca laminarea să fie posibilă este necesar ca să avem pentru componenta orizontalã urmãtoarele condiţii : RO = TO − N O > 0 TO > N O T ⋅ cosα
N ⋅ sin α
>
T = f ⋅N f ⋅ N ⋅ cosα > N ⋅ sin α dar → f = tgϕ f > tgα - unde ϕ este unghiul de frecare; - unde α este unghiul de atac; pentru ca laminarea sa fie posibilă este necesar deci ca unghiul de frecare să fie mai mare decât unghiul de atac adica a tgϕ > tgα ⇒ ϕ > α Valorile coeficientului de frecare f sunt de : f=0,20 … 0,70 pentru oţel laminat la cald şi f=0,03 … 0,12 pentru oţel laminat la rece.
3.2.4. Avansul şi întârzierea în zona de deformare
Zona de deformare poate fi împărţită în trei părti distincte, din punct de vedere al raportului dintre viteza periferică a cilindrilor „vpc” şi viteza semifabricatului „vsf”: I. zona de întârziere a vitezei semifabricatului faţă de viteza periferică a cilindrilor (vpc > vsf); II. zona de avans a vitezei semifabricatului faţă de viteza periferică a cilindrilor (vpc < vsf); III. zona neutră sau a vitezelor egale (vpc = vsf);
71
Fig. 3.7. Avansul şi întârzierea în zona de laminare. 3.2.5. Calibrarea cilindrilor de laminor Calibrul reprezintã ansamblul format din două caneluri opuse executate pe o pereche de cilindri şi care corespunde cu forma produsului pe care dorim să-l obţinem prin laminare. Prin calibrare se înţelege calculul şi construcţia formelor secţiunilor succesive ale calibrelor astfel ca plecând de la secţiunea iniţială a semifabricatului să se ajungă la produsul finit prin laminãri succesive. Prin calibrare se urmăreşte obţinerea unor produse fără defecte şi dintr-un număr minim de treceri. Tipuri de calibre: 1. Calibre de degroşare; 2. Calibre de pregătire; 3. Calibre de finisare; Dupa construcţia lor ele pot fi: a) complet deschise; b) parţial închise; c) cu deschideri mixte. După deschidere: a-deschise; b-închise;
72
a-barã rotundã; b-barã pãtratã; c-cornier cu aripi egale; d-profil „I”; e-profil şinã cale feratã. I, II-calibre degroşare; III-calibru pregãtitor; IV,V-calibru presinisor; VIcalibru finisor; VII-profil produs finit. Fig. 3.8 Schema de principiu a unor sisteme de calibrare
73
1-semifabricat; 2,3-cilindri laminori; 4-cadru susţinere; 5-dispozitiv reglare; 6-bare cuplare cardanice; 7-dispozitiv reglare turaţie; 8,11- roţi dinţate; 9,12-cuplaj; 10-reductor; 13-motor electric asincron. Fig. 3.9 Schema de principiu a unei caje de laminare Mai multe caje alcătuiesc un tren de laminare. 3.26 Tipuri de laminare
Laminoarele se clasificã astfel: 1. După metalul sau aliajul prelucrat : a) Laminor pentru prelucrarea oţelurilor; b) Laminor pentru prelucrarea aliajelor de cupru; c) Laminor pentru prelucrarea aliajelor de zinc. 2. După temperatura de lucru : a) Laminoare pentru prelucrare la cald; b) Laminoare pentru prelucrare la rece. 3. După sensul de rotaţie al cilindrilor : a) Laminoare ireversibile ( într-un singur sens ); b) Laminoare reversibile ( în ambele sensuri ). 4. După dispunerea cilindrilor : a) Laminoare orizontale; b) Laminoare verticale; c) Laminoare oblice; 5. După numărul de caje : a) Laminoare cu o cajă; b) Laminoare cu mai multe caje. 74
6. După natura operaţiei: a) Laminoare de degroşare; b) Laminoare de finisare. 3.2.7. Tehnologia laminării
Materialele care se laminează sunt lingouri (de diferite forme şi mărimi) sau alte semifabricate obţinute prin forjare sau prin laminări anterioare. Etapele procesului de laminare la cald sunt : 1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei. 2. Alegerea şi pregătirea semifabricatului. Lingourile se curăţă de retasuri, iar celelalte semifabricate se debitează la dimensiunile necesare. 3. Încălzirea. 4. Laminarea propriu-zisă. Calibrele sunt alese astfel încât semifabricatul să se lamineze la forma finală la o singură încălzire, respectând domeniul optim al temperaturii de deformare (pentru oţel 1100 - 1600 0 K). 5. Tratament termic final; 6. După laminare se taie produsul la dimensiunile prescrise şi se curãţã. 7. Control tehnic de calitate.
Figura 3.10 Scheme de laminare. Etapele laminării la rece sunt: 75
1. Debitarea semifabricatului obţinut prin laminare la cald; 2. Curăţirea suprafeţei; 3. Laminarea propriu-zisă; 4. Tăiere la dimensiuni; 5. Tratament termic; 6. Control tehnic de calitate. Exemple de repere care se obţin prin laminare : piese lungi de secţiune constantă (şine de cale ferată şi orice alt tip de profil); table; ţevi; axe, roţi, bandaje; 3.2.8. Laminarea ţevilor
Ţevile şi conductele pot fi clasificate în funcţie de metoda de obţinere ca fiind fără cusătură sau sudate. În afara procedeului de laminare, ţevile se mai pot obţine şi prin sudare fie pe generatoare, fie elicoidal. Ţevile fără cusătură se produc prin laminare (cel mai economic procedeu) prin metoda Mannesmann şi reprezintã cea mai productiva metodã de obţinere a acestora. Obţinerea ţevilor prin laminare are douã etape importante: - obţinerea unor ţevi brute, denumite „eboş”; - prelucrarea prin laminare de finisare a eboşului în vederea obţinerii produsului finit. Prin laminare al cald se obţin ţevi cu diametrul cuprins între 20 şi 700mm şi grosimea peretelui de 1,5....60mm. Cilindrii au dublă conicitate şi se rotesc în acelaşi sens. Se introduce l semifabricatul Incălzit. Datorită c < 1 materialul în rotaţie este deformat hm numai la suprafaţă, în interior luând naştere un orificiu conic. Pentru uniformizarea găurii şi a pereţilor se folosesc dornuri de netezire.
76
Fig. 3.11 Perforarea la laminorul cu cilindrii bitronconici
1-ţeavã eboş; 2-cilindrii calibraţi; 3-dop; 4-ţeavã laminatã; Vlam-viteza de laminare. Fig. 3.12 Laminarea ţevilor
77
3.3. TRAGEREA MATERIALELOR METALICE 3.3.1. Principiul tragerii
Tragerea este procedeul de deformare plastică a materialelor sub acţiunea unei forţe de tracţiune pentru obţinerea barelor, sârmelor sau a ţevilor , prin trecerea forţată a unui material ductil printr-o matriţă a cărei secţiune este mai mică decât secţiunea iniţială a materialului. Procedeul aplicat la tragerea sârmelor se numeşte trefilare, iar matriţa se numeşte filieră. Valoarea reducerii de secţiune este cuprinsă între 10 şi 45%, putând ajunge până la 95 %.
1-semifabricatul; 2-matriţa; 3-suport portsculã; 4-produs tras; 5-dispozitiv tragere; Fig. 3.13 Schema de principiu a tragerii Procedeul prezintã urmãtoarele avantaje, faţã de alte procedee de deformare plasticã: - conduce la obţinerea unor produse cu o precizie dimensionalã şi calitate a suprafeţei deosebitã;
78
-
permite obţinerea în condiţii de eficienţã economicã şi precizie dimensionale a unor produse greu de obţinut prin alte procedee de deformare plasticã.
3.3.2. Bazele teoretice ale tragerii 3.3.2.1. Calculul preliminar
A0, l0, d0 - dimensiunile iniţiale ale semifabricatului; A1, l1, d1 - dimensiunile finale ale produsului rezultat prin tragere; Reducerea de secţiune absolută se exprimă prin relaţia: Δa = A0 − A1 A − A1 Reducerea de secţiune relativă se exprimă prin relaţia: Δr = 0 A0 A − A1 Reducerea procentuală de secţiune se exprimă prin relaţia: Δp = 0 ⋅ 100 A0 Reducerea absolută este dată de relaţia : λa = l0 − l1 l −l Reducerea relativă este dată de relaţia : λr = 0 1 l0 l −l Reducerea procentuală este dată de relaţia : λ p = 0 1 ⋅ 100 l0 A Coeficientul de reducere a secţiunii este dat de relaţia: k = 1 A0 La tragere modificarea secţiunii semifabricatului se produce sub acţiunea forţelor transversale exercitate de pereţii filierei (matriţei). Pe măsură ce materialul avansează în filieră întreaga masă a semifabricatului suferă o deformare plastică sub acţiunea forţelor de compresiune care iau naştere prin tragere. La ieşirea din filieră materialul este întărit şi va trebui tratat termic (recoacere). Expresia forţei de tragere este dată de relaţia (determinată experimental) :
F = C ⋅ σ m ⋅ ( A0 − A1 )
[daN ]
unde: - F = forţa de tragere; - σ m = rezistenţa medie de deformare; - C = constantă în funcţie de coeficientul de frecare între metal şi filieră şi unghiul deschiderii 2α . 79
3.3.2.2. Calculul numărului de treceri Se consideră o secţiune într-o filieră în dreptul conului de deformare şi se observă două secţiuni: A1 în care metalul este puternic supus compresiunii şi A2 în care materialul este supus tracţiunii
Fig. 3.14. Secţiune printr-o filierã în dreptul conului de formare Pe suprafaţa A1 : π FC = (d 02 − d 12 )σ C 4 Pe suprafaţa A2 : π Ft = d 12 σ t 4 Ft > FC
Pentru ca tragerea să fie posibilă este necesar ca:
si
σt < σC
80
π 4
d 12σ t =
π 4
(d
2 0
− d 12 )σ C
d 12 (σ t + σ C ) = d 02σ C
Din condiţia limită se obţine :
d 12 σC =k 2 = d0 σt + σC unde k <1, reprezintă coeficientul de tragere. Cu ajutorul lui k se poate calcula numărul de treceri necesar pentru a se ajunge de la diametrul d0 la dn atunci când reducerea totală este mai mare decât 45%. d 12 k= 2 d0 d 12 = k ⋅ d 02 d1 = k ⋅ d 0
deci d1 = k ⋅ d 0 d 2 = k ⋅ d1 = k 2 ⋅ d 0 • • • d n = k ⋅d n −1=k n ⋅d 0 log aritmam ln (d n ) = n ⋅ ln (k ) + ln (d 0 ) deci ln (d n ) − ln (d 0 ) n= ln (k ) 3.2.3. Factorii care influenţează tragerea
Factorii care influenţează tragerea sunt :
81
1. viteza de tragere (pentru oţeluri este de 90-120 m/min, iar pentru cupru 150-300m/min); 2. materialul sculei; 3. caracteristicile de formă ale sculei; 4. lubrefiantul folosit; 5. gradul de tensionare al materialului semifabricat; 6. calitatea suprafeţei semifabricatului; Prin tragerea la rece se realizează o puternică ecruisare a materialului care duce la creşterea rezistenţei la rupere la tracţiune şi la scăderea alungirii la rupere şi a gâtuirii Z, iar sudabilitatea materialului scade şi ea. Cu cât gradul de deformare este mai mare cu atât modificarea proprietăţilor este mai accentuată. Pentru înlăturarea efectelor negative ale tragerii se recomandă executarea unui tratament termic de recoacere. 3.3.3 Filiera
Se cunoaşte că principala sculă folosită în procesul de tragere este filiera, de ea depinzând atât calitatea produsului tras cât şi randamentul maşinii. Durabilitatea unei filiere depinde de materialul din care este confecţionată şi de tehnologia de execuţie a orificiului filierei. Zonele orificiului filierei sunt: 1. conul de prindere ; 2. con de ungere; 3. con de deformare; 4. cilindru de calibrare; 5. con de degajare; 6. con de ieşire; La ieşirea din cilindrul de calibrare, materialul suferă o revenire elastică motiv pentru care se execută conurile de degajare şi ieşire, pentru a împiedica ruperea materialului. Dacă semifabricatul iniţial este mai mare decât 10 mm atunci scula pentru tragere se numeşte matriţă. Duritatea suprafeţei orificiului de tragere este de 60 … 65 HRC.
82
Fig.3.15. Filiera
Fig. 3.16 Matriţa de tragere Maşinile de tras se clasifică după următoarele criterii: A. După dimensiunile produselor trase: Maşini pentru tras - sârmă; - ţevi; - bare; 83
B. După modul de aşezare al tobelor de tras: Maşini de tras - cu tobe orizontale; - cu tobe verticale; 3.3.4. Tehnologia tragerii
Procesul tehnologic de tragere la rece are următoarele etape: 1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (alegerea utilajelor, sculelor, a parametrilor de lucru); 2. Pregătirea materialului (debitarea, înlăturarea oxizilor, tratament termic iniţial pentru înmuiere); 3. Ascuţirea capãtului semifabricatului pentru a permite intrarea în matriţã sau filierã; 4. Incãlzirea; 5. Tragerea propriu-zisă; 6. Tratament termic de recoacere; 7. Debitarea la dimensiuni şi curãţirea; 8. Control final. Sârmele cu peste 0,25% C li se aplică un tratament termic de “patentare” care constă din încălzire pentru austenitizare urmată de o răcire cu o viteză controlata sau de introducere în baie de plumb la 600 K pentru a se forma o structura perliticã fină. 5.5. Tragerea ţevilor
Ţevile rezultate prin laminare sau alte procedee de prelucrare sunt adeseori finisate prin tragere la rece. Tragerea la rece se utilizează pentru a obţine toleranţe dimensionale strânse şi o bună calitate a suprafeţelor. De asemenea se obţine o îmbunătăţire a proprietăţilor mecanice prin ecruisare. Instalaţia de tragere poarta denumirea de banc. Suprafaţa interioară a ţevilor se sprijină pe dorn.
84
3.4. EXTRUDAREA 3.4.1. Bazele teoretice ale extrudarii
Extrudareareprezintă procesul de prelucrare prin deformare plastică care constă în trecerea forţată a materialului, datorită unei forţe de compresiune, printr-o matriţă a cărei deschidere este profilata şi de secţiune mai mică decât a materialului semifabricat.
1-semifabricatul iniţial; 2-camera de presare; 3-poanson; 4- matriţã; 5-suport matriţã; 6-produs extrudat. Fig. 3.17 Schema de principiu a extrudãrii Procesul de extrudare are loc în 4 (patru) faze: 1. Presarea până la umplerea completă a orificiului matriţei. În această fază forţa de extrudare creşte de la zero la valoarea maximă. 2. Începutul curgerii prin orificiul matriţei. 85
3. Curgerea metalului prin orificiul matriţei. 4. La sfârşitul cursei pistonului semifabricatul este complet deformat, iar forţa se reduce la zero. Forţa de extrudare este influenţată de : a) rezistenţa la deformare a semifabricatului; b) gradul de reducere; c) valoarea forţelor de frecare; d) tipul extrudării; e) complexitatea piesei; f) forma şi dimensiunile semifabricatului; Expresia de calcul e dată de relaţia: F=pA unde p - presiunea de deformare a materialelor. Valorile presiunilor sunt calculate pe baza unor relaţii empirice sau determinate experimental. Spre exemplu valorile recomandate ale presiunii la extrudarea oţelului sunt cuprinse între 170 şi 280 daN/cm2, iar pentru aluminiu între 40 şi 120 daN/cm2 . 3.4.2. Clasificarea extrudării
I. După temperatura avem extrudare la rece sau la cald. II. După natura forţelor de deformare avem: extrudare mecanică; extrudare hidraulică; extrudare prin explozie. III. După sensul de actionare al forţei şi de deplasare al materialului avem: extrudare directă; extrudare inversă; extrudare combinată. a-extrudare directã; b-extrudare inversã; c-extrudare combinatã. Fig. Scheme de extrudare IV. După poziţia axei maşinii avem: Maşină de extrudat cu ax orizontal; Maşină de extrudat cu ax vertical; Maşină de extrudat cu ax oblic. Presele mecanice pentru extrudare pot fi : 86
cu excentric; cu genunchi; cu manivelă. Caracteristic este viteza mare de lucru exprimată în număr de curse duble pe minut (ncd/min). Sculele folosite la extrudare sunt formate din matriţă şi poanson. Matriţa
1=con de deformare; 2=cilindru de calibrare; 3=cilindru de ieşire
Fig. 3.18. Matriţa de extrudare
87
Poansonul
1=zonã de prindere; 2=corp poanson; 3=zona activã Fig. 3.19. Poanson Materialele din care se execută sunt : oţeluri aliate cu Mo cu duritatea de 55 - 66 HRC; carburi metalice; 3.4.3 Tehnologia extrudării
Etapele procesului tehnologic de extrudare sunt: 1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (alegerea semifabricatului, a sculei, a utilajului, a regimurilor de lucru); 2. Obţinerea semifabricatului prin debitare; 3. Pregătirea pentru extrudare (prerefulare, recoacere, curăţire, fosfatare, lubrefiere). 4. Extrudarea propriu-zisă 5. Operaţii de completare (retezare, găurire, calibrare) 6. Control tehnic de calitate. Procesul de extrudare la rece creează deplasări de material cu presiuni specifice foarte mari în timp foarte scurt (10-2 - 10-1 secunde). Prin faptul că 88
materialul semifabricatului freacă pe suprafaţa sculei pot apare fenomene de uzură a sculei şi a utilajului. Practic aceste fenomene au împiedicat multă vreme aplicarea procedeului de extrudare la rece. A fost nevoie să se elaboreze o nouă metodă care utilizează un strat intermediar între sculă şi materialul supus deformării. Acest strat trebuie să fie legat metalic de materialul supus deformării şi să fie poros pentru a îngloba lubrefiant. Metoda, astăzi unanim folosită este cea a fosfatării. Ea constă dintr-o transformare chimică superficială a materialului obţinându-se un strat de fosfaţi compuşi insolubili. Fosfatarea se execută după decapare. În cazul extrudării la rece a oţelului, presiunea la suprafaţa de contact semifabricat-matriţă poate atinge 250 daN/mm2. Lubrefianţii nu trebuie să adere la pereţii matriţei, ci să preia sarcinile. Ca lubrefianţi se folosesc lubrefianţii solizi, ca de exemplu bisulfura de molibden. Prin extrudare se pot obţine următoarele rugozităţi ale suprafeţelor : - extrudare la rece : Ra = 0,2 – 1,6 μm - extrudare la cald : Ra = 1,6 – 6,3 μm Produse obţinute prin extrudare
Datoritã avantajelor pe care le prezintã, extrudarea este recomandatã în urmãtoarele cazuri: - bare rotunde sau profilate; - ţevi; - tuburi şi recipienţi pentru produse alimentare şi cosmetice; - elemente pentru schimbãtoare de cãldurã; - elemente pentru radiatoare.
89
a-bare; b-ţevi; c-sârme; d-profile simple; e-profile complexe; f-elemente pentru schimbãtoare de cãldurã; g-radiatoare; h-butelii şi recipienţi; i-recipienţi bimetalici. Fig. 3.20 Produse obţinute prin extrudare
90
3.5. FORJAREA 3.5.1. Generalităţi Forjarea - este procedeul de prelucrare prin deformare plastică la cald care constă în modificarea formei unui semifabricat, datorită forţelor statice sau dinamice exercitate de utilaje specifice, forţe care provoacă curgerea materialului pe diferite direcţii sub acţiunea unor lovituri succesive sau prin presare. Forjarea se realizează prin crearea unei stări tensionale în volumul materialului, însoţită de curgerea materialului pe diferite direcţii sub acţiunea unor lovituri succesive sau a unor forţe statice. Natura forţelor tehnologice: 1. statică - presarea; 2. dinamice - lovituri repetate. În funcţie de natura forţelor tehnologice şi de restricţiile de curgere a materialelor deosebim două procedee tehnologice: 1. Forjare liberă, la care curgerea materialului este liberă. 2. Forjare în matriţă, la care curgerea materialului este limitată, deformarea făcându-se într-o cavitate a unei scule numită matriţă. Avantaje se obţin piese complexe, de la câteva grame la câteva tone; prin forjare se îmbunătăţesc proprietăţile mecanice ale pieselor obţinute, ceea ce face ca procedeul să fie utilizat la prelucrarea pieselor puternic solicitate cum ar fi arborii cotiţi, supapele,bielele, roţi dinţate, etc.; se îmbunătăţeşte indicele de utilizare a materialelor; se realizează o orientare favorabilă a fibrelor faţă de axa eforturilor; Forjabilitatea este o proprietate tehnologică. Prin materiale forjabile se înţeleg acele materiale şi aliaje care pot fi deformate plastic prin forjare. De exmplu oţelurile “calmate”, aliajele cuprului, aliajele aluminiului, ale magneziului, sunt forjabile. Nu toate materialele sunt forjabile. Semifabricatele pentru forjare pot fi sub formă de lingouri, laminate, turnate.
91
3.5.2. Forjarea liberă
Forjarea liberã se aplicã în scopul îmbunãtãţirii proprietãtilor mecanice ale metalelor sau al modificãrii formei acestora. Procesele de forjare liberă sunt foarte variate, dar toate nu reprezintă decât combinarea unor operaţii simple numite operaţii de bază. La forjarea liberă prelucrarea se face pe verticală, materialul fiind aşezat de regulă pe o piesă fixă numită “nicovală” sau “sabotă” şi fiind presat sau lovit de un berbec, direct sau prin intermediul unor scule speciale. Zonele în care sabotul intră în contact cu materialul sunt detaşabile, putând fi utilizate sabote conform necesităţilor. Principalele operaţii (de bazã) care se pot realiza prin forjare liberă sunt: 1. Refularea - mărirea dimensiunilor transversale în detrimentul celor longitudinale (lungimea). 2. Intinderea - inversul refulării (avem intindere simplă la plăci, intindere pe dorn ce se face cu scopul măririi lungimii şi micşorării diametrului exterior, lărgire pe dorn). 3. Găurire. 4. Indoire. 5. Tăiere. 6. Sudare. 7. Răsucire. Forjarea liberã se recomandã în cazul pieselor de dimensiuni mari sau al pieselor complexe, înainte de forjarea în matriţã. Tehnologia forjării libere
Etapele procesului tehnologic de forjare liberã sunt: 1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (elaborarea desenului piesei forjate); 2. Alegerea semifabricatului; 3. Stabilirea masei piesei forjate şi debitare semifabricatului; 4. Incălzirea; 5. Forjarea; 6. Tratamentul termic; 7. Curăţirea; 8. Control tehnic de calitate.
92
3.5.3. Forjarea în matriţă
Procedeu de prelucrare prin deformare plastică la cald prin care materialul se deformează simultan pe diferite direcţii, iar curgerea este condiţionată de forma şi dimensiunile cavitătii matriţei. Prin matriţare semifabricatul este obligat sã ia forma matriţei. Scula în care are loc deformarea se numeşte matriţã de forjat. Matriţa propriu-zisã se compune din douã pãrţi numite semimatriţe şi din douã coloane (bolţuri) de centrare. Cavitatea matriţei are forma şi dimensiunile piesei forjate calde. Elementele tehnologice ale unei matriţe de forjat sunt : planul de separaţie ; razele de racordare înclinãrile suprafeţelor frontale ; adaosurile de prelucrare ; adaosurile de contracţie ; canalul de bavurã. Se observã cã majoritatea elementelor tehnologice ale unei matriţe de forjat sunt similare celor ale modelelor pentru turnare. Canalul pentru bavurã are rolul de a prelua excesul de material, deoarece nu se poate realiza un calcul exact al semifabricatului, între situaţia de subdimensionare a volumului semifabricatului care ar conduce la obţinerea unei piese cu configuraţie incompletã datoritã neumplerii cavitãţii matriţei şi cea de supradimensionare, alegîndu-se ultima care conferã garanţia obţinerii unei piese matriţate bune. Acest surplus de material (practic marja de siguranţã pe care ne-o luãm pentru a obţine o piesã matriţatã cu configuraţie completa) este dirijat cãtre aceste canale pentru bavura. Prin crearea unei rezistenţe sporite la umplerea acestui canal de bavura, se dã posibilitatea de umplere completã a cavitãţii matriţei. Bavura este formatã din douã pãrţi : puntiţa bavurii ; magazia bavurii.
93
1 = puntiţa; 2 = magazie; 3 = plan de separaţie Fig. 3.21 Canalul de bavurã Principalele tipuri de bavuri sunt redate în figura de mai jos :
Fig. 3.22 Tipuri de locaşuri pentru bavurã Matriţa de forjat poate sã aibã o cavitate sau mai multe. O matriţã cu mai multe cavitãţi cuprinde : cavitatea de pregãtire (preforjare) ; cavitatea de matriţare propriu-zisã. Dacã matriţa are o singura cavitate, aceasta se aşeazã în centrul matriţei, care coincide cu axa maşinii. Dacã matriţa are mai multe cavitãţi, acestea se dispun în ordinea de desfãşurare a operaţiilor de matriţare. Matriţa de forjat se confecţioneazã din oţeluri aliate cu crom şi nichel (pentru a-i conferi refractaritate şi o înalta rezistenţa la rupere). Aceste oţeluri sunt oţeluri de cementate (pentru a-i conferi rezistenţa la uzurã), partea superficialã fiind calitã la 55-60 HRC, în timp ce miezul este mai moale pentru a fi mai tenace şi a prelua şocurile. 94
Bavura rezultatã se îndepãrteazã printr-o operaţie de debavurare care de fapt reprezintã o ştantare. Debavurarea se poate executa la cald sau la rece, cu ajutorul unor scule de construcţie specialã numite matriţe de debavurat. O matriţã de debavurat se compune dintr-o placã de bazã (tãietoare) şi un poanson. Piesa matriţatã cu bavura se dispune pe placa tãitoare. În urma decupãrii se obţine piesa matriţatã fãrã bavurã. Uneori piesa astfel obţinutã este supusa unei ultime operaţii de finisare printr-o matriţare de calibrare în matriţã de forjat. Dacã piesa matriţatã este complexã, atunci semifabricatul utilizat în vederea matriţãrii este o piesã preforjatã sau o piesa turnatã.
Fig. 3.23. Schema debavurãrii Ca avantaje ale forjării enumerăm productivitate ridicată, precizie şi consum redus de material, iar ca dezavantaje: limitarea greutăţii pieselor forjate şi costul ridicat de realizare a matriţelor. Finisarea pieselor matriţate constă în: debavurare la cald sau la rece; îndreptare după debavurare; calibrare - operaţie finală care are ca scop creşterea preciziei dimensionale şi a calităţii suprafeţelor; curăţirea prin sablare. Forjarea radială se realizează prin reducerea succesivă a secţiunii prin aplicarea unor forţe identice ce acţionează după două, trei, patru direcţii transversale. Materialul primeşte o mişcare de avans şi o mişcare de rotaţie, iar operaţia executată este o întindere. Precizie +/- 0,2 %.
95
Fig.3.24 Schema forjãrii radiale Utilajele folosite sunt : 1. Ciocane mecanice pentru forjare liberă sau în matriţă cu simplu sau dublu efect; Ciocanele transmit brusc materialului ce se deformează energia cinetică a masei aflată în mişcare. Acţiunea lor este însoţită de zgomot şi vibraţii mecanice. Timpul de lovire fiind scurt, presiunea de deformare nu are timp să se transmită până în interiorul pieselor. 2. Presele utilizate pot fi: - hidraulice; - cu fricţiune - cu manivelă; - cu arbore cotit. Tehnologia matriţării
Etapele procesului tehnologic de matriţare sunt: 1. Pregãtirea tehnologicã a fabricaţiei (elaborarea desenului piesei forjate şi proiectarea matriţei de forjare); 2. Debitarea semifabricatului; 3. Incălzirea; 4. Matriţarea; 5. Debavurarea; 6. Tratamentul termic; 7. Curăţirea; 8. Controlul tehnic de calitate.
96
Rezistenţele la rupere ale diferitelor oţeluri la diferite temperaturi sunt redate în tabelul de mai jos : Material
Oţel carbon moale Oţel carbon Oţel carbon dur Oţel aliat
σ r la rece [MPa} 700 C 75 162 242 320
400 600 800 1000
σr [MPa] 900 C 50 75 110 130
1100 C 25 37 50 60
In funcţie de aceste valori se decide dacă procedeul de prelucrare va fi efectuat la cald sau la rece.
97
3.6. PRELUCRAREA TABLELOR PRIN DEFORMARE PLASTICĂ 3.6.1.Generalităţi
Tablele sunt semifabricate care au una dintre dimensiuni mai mică decât celelalte două. Prelucrarea lor prin deformare plastică (la cald sau la rece) asigură obţinerea unor piese apropiate de forma finală, cu adaosuri minime sau chiar zero. Debitarea tablelor ce urmează a fi prelucrate prin deformare plastică se face la indici de utilizare ridicaţi (peste 90%). Întreg procesul tehnologic poate fi uşor automatizat. Piese obţinute prin deformare plastică pot înlocui cu succes pe cele turnate, forjate, laminate sau obţinute prin alte procedee în condiţiile asigurării scopului funcţional al piesei, al reducerii consumului de material şi a manoperei. Perfecţionările aduse în procesul de fabricare al matriţelor au stimulat dezvoltarea tehnologiilor de deformare plastică a tablelor, preţul de cost ridicat al matriţei fiind unul dintre factorii care au frânat implementarea pe scară largă a acestor tehnologii. Dezvoltarea fără precedent a industriei constructoare de automobile constituie unul din factorii care au accelerat progresul acestor procedee tehnologice. Principalele procedee tehnologice de prelucrare a tablelor sunt : 1.Îndoirea - procedeu de deformare plastică (la cald sau la rece, în funcţie de forţele necesare deformării şi a calităţii materialului deformat) prin care se schimbă orientarea axei semifabricatului, fără afectarea lungimii lui.
Fig.3.25. Indoirea 2.Profilarea - operaţia de prelucrare prin deformare plastică a tablelor prin care se obţin forme diferite prin îndoiri repetate, paralele cu muchiile longitudinale. Profilul se obţine prin îndoiri succesive, pe utilaje de tip abkant, folosind dispozitive şi scule profilate.
98
Fig. 3.26 Table profilate 3.Curbarea - operaţia de prelucrare prin deformare plastică a tablelor prin care se obţin din semifabricate plate piese parţial sau total cilindrice, cu axa paralelă cu muchia semifabricatului. Se execută de obicei pe valţuri prin vălţuire. 4. Răsfrangerea - procedeu de deformare plastică prin care la un semifabricat plan cu orificii se realizează lărgirea orificiului prin formarea unui guler.
Fig.3.27. Rãsfrângerea 99
5. Fasonarea la strung - metoda de deformare plastică la rece a semifabricatelor pe modele în mişcare de rotaţie. Se poate executa cu sau fără subţierea materialului. Metoda se aplică pentru o serie de fabricaţie mică. Viteza de rotaţie a modelului este de 400 … 600 rot / min. pentru oţel şi 600 … 1200 rot / min pentru materiale cu plasticitate ridicată (Al, Cu). Fasonarea se poate executa pe strung sau pe utilaje special concepute numite drukbank. Există o grosime maximă a tablelor ce se pot deforma (la oţel 0,75 mm, la alamă 1,50 mm).
Fig. 3.28 Fasonarea pestrung 6. Umflarea - operaţiune de fasonare pentru mărirea dimensiunilor transversale. Operaţia se poate executa cu poanson de cauciuc sau hidraulic.
1 = matriţã; 2 = suport matriţã; 3 = semifabricat 4 = poanson cauciuc; 5 = poanson metalic Fig. 3.29 7. Ambutisarea - procedeu tehnologic de prelucrare prin deformare plastică (la cald sau la rece) prin care se obţine dintr-un semifabricat
100
plan o piesă cavă (concavă sau convexă) cu sau fără modificarea grosimii materialului. Se execută pe utilaje de tipul preselor hidraulice folosind dispozitive de tipul matriţelor.
1 = poanson; 2 = semifabricat; 3 = matriţã; 4 = aruncãtor. Fig.3.30. Principiul ambutisãrii Matriţele sunt alcătuite din : a) poanson; b) corpul matriţei; c) aruncător. 3.6.2. Bazele teoretice ale procesului de ambutisare
Considerăm un semifabricat plat cu diametrul “D“ din care prin ambutisare (fără subţierea pereţilor) se obţine o piesă cavă cu diametrul “d” şi înălţimea “h”. În cursul procesului de ambutisare volumul de material excedentar deplasat contribuie la formarea cutelor. Pentru materiale groase, aceste cute sunt netezite de jocul dintre poanson şi matriţă, în timp ce pentru piesele adânci din 101
materiale subţiri, împiedicarea formării cutelor se face cu ajutorul unui inel de reţinere care apasă asupra materialului în timpul deformării. Întrebuiţarea sau nu a inelului de reţinere se face dacă D - d > 18 s, unde “s” este grosimea materialului. Definirea coeficientului de ambutisare este dată de relaţia: df m= Di
m<1 Uneori pentru piesele care au adâncimi mari, ambutisarea nu se poate face dintr-o singură operaţie, efectuându-se ambutisari succesive. In acest caz coeficientul total de ambutisare va fi : dn mt = m1 ⋅ m2 ⋅K⋅mn = D d1 m1 = D d m2 = 2 d1 d m3 = 3 d2 M dn D Pentru prima ambutisare considerăm m1=0,45 0,60, iar pentru următoarele mi=0,65 … 0,80. Pentru grosimi ale materialului mai mici decât 2 mm se aleg valori inferioare ale coeficientului de ambutisare. Pentru evitarea fenomenelor de gripare sau rupere a materialului în timpul ambutisării, între poanson şi matriţă se lasă un joc z=(1,1 … 1,3)s. Ambutisarea cu subţierea pereţilor se deosebeşte de cea fără subţierea pereţilor prin faptul că jocul “z” se alege mai mic, z=(0,25 … 0,65)s. s −s Gradul de deformare se determină cu relaţia ε = n −1 n unde sn-1, sn sn −1 sunt grosimile pereţilor înainte şi după ambutisare. Pentru prima operaţie ε=0,25, iar pentru celelalte ε i=0,30. mn =
102
3.6.3. Ambutisarea prin explozie
Ambutisarea prin explozie este un procedeu de deformare plastică a tablelor cu viteză mare de deformare. Explozivii folosiţi pot fi lenţi (presiuni până la 30 daN/mm2 şi viteze de 300 … 2400 m/s) sau brizanţi (presiuni până la 3000 daN/mm2 şi viteze de 1200 … 7500 m/s). Prelucrările se fac în camere închise special amenajate. Folosind explozivii brizanţi se pot fabrica produse de dimensiuni mari (diametre până la 10 metri şi grosimi de 30 mm).
1 = matriţã; 2 = semifabricat; 3 = sursã explozivã 4 = mediu undã şoc; 5 = conductã evacuare aer; 6 = placã fixare Fig.3.31. Ambutisarea prin explozie 3.6.4. Ambutisare electro-hidraulică
Ambutisarea electro-hidraulică întrebuinţează ca sursă de energie descărcarea electrică de înaltă tensiune sub forma unor impulsuri de scurta durata amorsata în medii dielectrice lichide. Undele de presiune generate de descărcarea în mediu lichid sunt transmise semifabricatului producând deformarea.
103
1 = sursã alimentare; 2 , 4= contacte; 3 = condensator; 5 = electrozi; 6 =canal descãrcãri 7 = camerã amorsare; 8 = matriţã; 9 = semifabricat; 10 = canal evacuare; 11= apã Fig.3.32. Ambutisarea electro-hidraulicã 3.6.5. Ambutisarea electro-magnetică
Se aplică pentru prelucrarea cu viteză mare a semifabricatelor cilindrice din tablă. Forţa necesară deformării plastice se obţine din interacţiunea unui câmp magnetic sub forma de impuls de mare intensitate şi curenţii electrici induşi în semifabricat. 3.6.6. Domenii de aplicare şi perspective
Prelucrarea tablelor prin deformare plastica se aplica pentru semifabricate şi piese finite în domenii ca : 1. Industria automobilelor - la executarea caroseriilor. 2. Industria chimică - executarea fundurilor pentru recipienti, calote semisferice. 3. Industria bunurilor de larg consum (obiecte de uz casnic). 4. Industria constructoare de maşini (carcase, rezervoare) Dezvoltarea tehnologiilor spaţiale a necesitat punerea la punct a unor procedee de deformare plastică a unor materiale dure şi stabile la temperaturi înalte în condiţii de precizie ridicată. 104
3.6.7. Controlul tehnic al pieselor deformate plastic. Defecte. Remedieri
Controlul tehnic se execută pe întreg fluxul. Se executa controlul dimensional, al materialului şi al eventualelor defecte. El poate fi : a) distructiv; b) nedistructiv - cu radiaţii gama, ultrasonic, etc.; Defectele pieselor deformate plastic pot fi : a) defecte de material - retasuri, porozităţi, sufluri, capilarităţi, segregaţii, incluziuni, compoziţie chimică necorespunzătoare; b) defecte de prelucrare - fisuri, crăpături, suprapuneri, amprente, loviri; c) defecte de încălzire - decarburări, arderi; Defectele pot fi remediabile sau neremediabile în care caz ele devin rebuturi. Remedierea se face conform unor tehnologii speciale după tipul defectului ce trebuie corectat.
105
CAPITOLUL 4 SUDAREA METALELOR 4.1.Generalităţi Sudarea este o metodã de îmbinare nedemontabilã a douã corpuri metalice, prin stabilirea unor legãturi între atomii marginali ai celor douã corpuri, în anumite condiţii de temperatura şi presiune. Peste 42% din producţia mondialã de oţel este utilizatã în construcţii sudate. Rezultatul sudãrii este cusãtura sudatã sau cordonul de sudurã. Avantajele metodei - faţã de celelalte procedee de asamblare (în special nituirea) se realizeazã o economie de material (nu se mai suprapun tablele),se realizeazã etanşietatea îmbinãrii şi în absenţa gãurilor pentru nituri creşte rezistenţa asamblãrii. - faţã de piesele turnate se obţin construcţii mai suple, consumul de manopera la sudare este mai mic, iar rezistenţa la rupere a materialelor laminate (care se sudeazã) este mai mare decât al celor turnate; - se pot obţine construcţii mixte formate din mai multe pãrţi, fiecare din alt material sau obţinut prin alt procedeu tehnologic; - pentru a suda materiale uzuale utilajele necesare sunt accesibile şi simple; - calitate superioarã a îmbinãrii din punct de vedere al rezistentei mecanice; - permite mecanizarea şi automatizarea completã a proceselor; - se realizeazã o importantã economie de manoperã faţã de alte procedee; - se pot realiza construcţii mai uşoare, adaosurile de prelucrare fiind mai mici decât în cazul pieselor turnate sau forjate; Dezavantaje - nu se pot executa serii de fabricaţie mari; - procedeele tehnologice de sudare de mare productivitate necesitã
106
utilaje scumpe; - de cele mai multe ori piesele sudate trebuiesc detensionate prin tratamente termice, ceea ce conduce la creşterea costurilor, a consumurilor energetice şi a manoperei; - majoritatea construcţiilor sudate necesitã un constrol nedestructiv; - este necesarã utilizarea unei forţe de muncã calificate; 4.1.1. Principiul fizic al sudãrii Pentru crearea unor forţe de legãtura între corpuri este necesar ca atomii dispuşi pe suprafaţa unuia dintre corpuri sã reacţioneze cu atomii celuilalt corp. Aceasta presupune apropierea celor din atomi la o distanţã de 10-10m. Aceasta condiţie se poate realiza prin doua soluţii de bazã: 1) încãlzirea pãrţilor de îmbinat în poziţie alãturatã 2) exercitarea unei presiuni asupra lor. Prin încãlzire se mãreşte energia libera a atomilor şi se slãbesc legaturile interatomice şi creşte plasticitatea materialului. Dacã încãlzirea este mare se realizeazã o baie de metal topit prin solidificarea cãreia se obţine cordonul de sudurã. Fenomenele care au loc în baia de metal topit se supun legilor metalurgiei. Presiunea exercitatã între pãrţile de îmbinat dã naştere la deformaţii plastice care determinã curgerea materialului de-a lungul suprafeţelor în contact astfel încât se obţine apropierea unor straturi interioare de metal. Dacã presiunea este destul de mare, ea singurã poate realiza sudarea la rece. Mecanismul apariţiei forţelor de legãturã între pãrţile de sudat, depinde în primul rând de starea de agregare în care se gãsesc acestea. Ele pot fi ambele lichide sau ambele solide. La sudarea în faza lichida stabilirea legãturii începe în baia comuna odatã cu interacţiunea materialelor topite şi se continuã cu procesul de cristalizare. O mare influenţã o au solubilitatea celor douã metale în stare solida şi diferenţa între proprietãţile fizice. La sudarea în stare solida forţele de prindere a unei piese de alta se obţin prin apropierea mecanica a atomilor de pe suprafeţele în contact. Pentru prinderea totala ar trebui ca distanta dintre atomi celor doua corpuri sa fie de ordinul parametrilor reţelei cristaline. Practic acest lucru nu se produce datorita existentei unor straturi de oxizi la contactul metalelor. Aceste straturi împiedicã coeziunea moleculara. În plus microneregularitãţile suprafeţelor de separaţie determina o
107
suprafaţa de contact realã mai micã decât cea aparentã. În concluzie prin presare la rece posibilitatea întâlnirii a douã cristale aparţinând celor douã corpuri este micã şi de aceea chiar în cazul sudãrii prin presiune când materialele sunt în stare solida este necesara încãlzirea lor, prin încãlzire creşte plasticitatea metalului şi amplitudinea oscilaţiilor termice ale atomilor, creşte numãrul de vacanţe. 4.1.2. Structura îmbinãrilor sudate prin topire Prin sudurã se înţelege rezultatul operaţiei de sudare , iar prin cusaturã sudatã se defineşte aceea zonã a îmbinãrii în care au acţionat efectiv forţele de coeziune interatomicã. Zona îmbinãrii este diferitã de zona materialului de bazã, deosebirea datorându-se şi modului în care s-a realizat cusãtura: prin topire sau prin presiune. Cordoanele de sudurã obţinute prin topire au o structurã şi o compoziţie chimicã proprie. În cazul obişnuit al sudurii cu adaos de material cusãtura înglobeazã pe lângã acesta şi materialul de bazã. Baia de sudura astfel rezultatã intrã în reacţii chimice cu elemente din mediul înconjurãtor (O2, H2, N2) şi cu diferite elemente de aliere(Si , Mn, C, Cr). Oxigenul dã naştere la oxizi, hidrogenul se dizolvã şi favorizeazã apariţia fisurilor, iar azotul formeazã nitruri dure care reduc plasticitatea sudurii. În plus se pot introduce elemente de aliere prin materialul de adaos sau prin materialele menite sã protejeze baia. Trebuie sã ţinem cont de faptul cã unele elemente de aliere se pot pierde prin ardere. Dupã solidificare la locul îmbinãrii apar patru zone cu structuri caracteristice. Cusãtura (1) are o structura dendridicã tipica metalelor turnate. Intre cusãturã şi metalul de baza se distinge o zona foarte îngustã de trecere (2) provenitã dintr-un amestec de metal topit şi metal de baza supraîncãlzit şi format din constituenţi de difuzie reciprocã. Cu cât deosebirea dintre compoziţia chimicã a metalului de adaos şi cea de bazã este mai mare, cu atât aceastã zonã este mai vizibilã.
108
Fig.4.1. Structura îmbinãrii sudate prin topire În metalul netopit din apropierea cusãturii, datorita încãlzirii şi rãcirii rapide, au loc transformãri structurale, fãrã modificarea compoziţiei chimice într-o zonã numitã zonã de influenţã termicã (Z.I.T.) (3). În aceastã zonã au loc recristalizãri şi transformãri de fazã, difuziuni. Adâncimea ei depinde de regimul termic folosit. În funcţie de viteza de rãcire se obţin în Z.I.T. structuri de cãlire care mãresc duritatea oţelului. Zona (4) este cea a materialului de bazã. La sudarea prin presiune, absenţa materialului de adaos şi încãlzirea la temperaturi mai mici determinã o structurã mai simplã. Nu apar diferenţe sensibile de compoziţie chimicã şi se obţin structuri cu grãunţi mari (datoritã vitezelor de rãcire mari) care înrãutãţesc proprietãţile mecanice. 4.1.3. Sudabilitatea materialelor metalice Sudabilitatea este o proprietate tehnologicã care determinã în condiţii de sudare date, capacitatea materialelor de a realiza îmbinãri sudate. Cordoanele de sudurã trebuie sã corespundã condiţiilor impuse din punct de vedere metalurgic, constructiv şi tehnologic. Noţiunea de sudabilitate este condiţionatã atât de proprietãţile metalului cât şi de modul de realizare a sudurii. Pentru aprecierea sudabilitãţii existã prescripţii şi criterii de apreciere specifice fiecãrui material şi fiecãrei ţãri. Metodele sunt empirice. În România, conform STAS 7194-79 oţelurile se împart, din punct
109
de vedere al sudabilitãţii în trei grupe: I Bunã II Posibilã III. Necorespunzãtoare Pentru determinarea sudabilitãţii se fac încercãri de duritate în zona de influenţã termicã Z.I.T. Duritatea este influenţatã de conţinutul de carbon.
Fig.4.2. Diferenţa dintre duritatea materialului de bazã si cea a Z.I.T. Se observã cã la procente mai mari de 0,30% C duritatea Z.I.T. – ului creşte mult favorizându-se ruperea fragilã. Fiecare element de aliere conţinut de oţel afecteazã duritatea cordonului şi deci sudabilitatea. Pentru a ţine cont şi de acestea se introduce noţiunea de carbon echivalent Ce[%]. Carbonul echivalent este procentul de carbon al unui oţel nealiat care are aceeaşi sudabilitate cu a oţelului aliat utilizat. Conform STAS 7194-79 carbonul echivalent se stabileşte cu formula.
P M o C r M n Cu N i + + + + + +0,0024 g 2 4 5 6 13 15 unde “g” este grosimea tablelor care se sudeazã. Ce=C+
110
1-procedee de sudare cu flacãrã oxigaz; 2-procedee de sudare cu arc electric Fig. 4.3 Dependenţa sudabilitãţii oţelurilor în funcţie de conţinutul de carbon echivalent De obicei se prefera utilizarea oţelurilor cu pânã la 0,25%C. Clase de sudabilitate Distingem urmãtoarele clase de sudabilitate: I.
Sudabilitate bunã necondiţionatã
Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent mai mic de 0,25%, cum ar fi OL37, OLC 10, OLT 32, etc. Se caracterizeazã prin: - nu suferã transformãri structurale în urma sudãrii;
111
II.
nu sunt sensibile la configuraţia geometricã a ansamblului sudat şi a sudurilor; pot fi sudate prin toate procedeele de sudare, fãrã restricţii speciale. Sudabilitate bunã condiţionatã
Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent de 0,25...0,50%, cum ar fi oţelurile slab aliate şi cele carbon de calitate. Se caracterizeazã prin: - pot suferi transformãri structurale nefavorabile şi durificãri, fac sudura sensibila la fisurare şi la rupere; - sunt sensibile la configuraţia geometricã a ansamblului sudat. III.
Sudabilitate sever condiţionatã
Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent de 0,50...0,68%, cum ar fi oţelurile austenitice inoxidabile. Se caracterizeazã prin: - pot fi sudate prin toate procedeele de sudare prin topire cu condiţia respectãrii unor mãsuri tehnologice (preîncãlzire la 100...200 0C). IV.
Sudabilitate foarte sever condiţionatã
Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent de 0,68...1,0%, cum ar fi oţelurile inoxidabile feritice şi martensitice. Se caracterizeazã prin: - suferã întodeauna transformãri structurale nefavorabile şi schimbãri ale proprietãţilor fizice şi mecanice; - sunt sensibile la configuraţia geometricã a ansamblului sudat, conducând la fragilitate, rezsistenţã la obosealã scãzutã; - pot fi sudate printr-un numãr redus de procedee, cu condiţia respectãrii unor mãsuri tehnologice severe. V.
Sudabilitate necorespunzãtoare
Din aceastã clasã fac parte oţelurile cu un carbon echivalent mai
112
mare de 1%. Se caracterizeazã prin: - suferã transformãri fizice, chimice şi mecanice total nefavorabile:
1-cusãturã sudatã; 2-zonã de supraîncãlzire; 3-zonã de normalizare; 4-zonã de recristalizare parţialã; 5-zonã de recristalizare totalã; 6-metalul de bazã. Fig. 4.4 Transformãrile structurale ale oţelului carbon cu 0,20% C, în timpul încãlzirii şi rãcirii cauzate de sudurã 4.1.4. Materiale de adaos la sudare Sudarea se poate efectua fie cu material de adaos, atunci când cusãtura sudatã se formeazã şi cu material metalic din afara pãrţilor îmbinate, fie fãrã material metalic de adaos. Proprietãţile materialelor metalice de adaos Pentru a fi corespunzãtor materialul de adaos trebuie sa îndeplineascã urmãtoarele condiţii: - sã aibã o compoziţie chimicã apropiatã de cea a materialului de bazã; - sã conducã la suduri cu proprietãţi mecanice apropiate de cele ale
113
metalului de bazã. Din acest punct de vedere proprietatea care se urmãreşte în primul rând este tenacitatea - prin solidificare sã conducã la structuri omogene, cu granulaţie finã - sã corespundã condiţiilor de mediu în care lucreazã piesa - sã fie uşor prelucrabil În afara materialului care intrã direct în masa cusãturii (sârme, electrozi) se considerã drept material de adaos şi materialele care contribuie la alierea sudurii (învelişuri, fluxuri) 4.1.4.1. Sârme de sudurã Sârmele de sudurã se prezintã sub forma de colaci sau vergele şi au diametre cuprinse între 0,5 şi 12,5mm. Se utilizeazã la sudarea cu flacãrã, la sudarea sub strat de flux sau la sudarea în medii protectoare de gaze. Ele pot fi aliate sau nealiate. Din punct de vedere constructiv sârmele pentru sudură se împart în două mari categorii: 1. Sârme pline din oţel; 2. Sârme tubulare. La rândul lor, sârmele pline din oţel sunt standardizate astfel: a) Sârme pentru sudare sub strat de flux (SR EN 756:1997); b) Sârme pentru sudare în medii de gaz protector cu electrod fuzibil (SR EN 440: 1996); c) Sârme pentru sudare WIG (SR EN 1668: 2000); Sârmele tubulare pentru sudare se folosesc la sudarea cu arc electric cu sau fără gaz de protectie (SR EN 758: 1998). Sârme pentru sudare sub strat de flux Simbolizarea acestor sârme-electrod este reglementată prin SR EN 756:1997 şi cuprinde 5 grupe: 1. Simbolul produsului şi/sau procedeului identificat (litera S); 2. Simbolul rezistenţei la tracţiune, a limitei de curgere şi a alungirii metalului depus prin sudare pentru tehnica de sudare în mai multe straturi (Tabelul T 4.3), sau rezistemţa la tracţiune şi limita de curgere minimă a metalului de bază, pentru tehnica de sudare în două straturi (Tabelul T 4.1); 3. Simbolul caracteristicilor de încovoiere prin şoc ale metalului depus
114
sau ale îmbinării sudate realizate în vederea clasificării (Tabelul T 4.3); 4. Simbolul tipului de flux utilizat (Tabelul 4.2); 5. Simbolul compoziţiei chimice a sârmei-electrod utilizate conform EN 756: 1995 (Tabelul T4.4); Simbolizarea caracteristicilor la tracţiune pentru tehnica cu douã straturi Tabelul 4.1 Limita de curgere a Rezistenţa la rupere a Simbol metalului de bază îmbinării sudate [N/mm2 ] Rp0,2 minim 2T 3T 4T 5T
[N/mm2 ] 275 355 420 500
Simbol (1) MS silico-manganos CS silico-calcic ZS silico-zirconic RS silico-rutilic AR alumino-rutilic AB alumino-bazic AS alumino-siliconic
370 470 520 600 Tabelul 4.2 Constituenţi chimici caracteristici (2) MnO+SiO2>50% CaO<15% CaO+MgO+SiO2>55% CaO+MgO>15% ZrO2+SiO2+MnO>45% ZrO2>15% TiO2+SiO2>50% TiO2>20% Al2O3+CaO+MgO>40%
Al2O3+CaO+MgO>40% Al2O3>20% CaF2<22% Al2O3 + SiO2 + ZrO2 >40% CaF2 + MgO>30% Zr2O>5%
115
(1) AF alumino-fluoro-bazic FB fluoro-bazic Z
(2) Al2O3 +CaF2 >70% CaO+MgO+CaF2+MnO>50% CaF2 >15% SiO2 <20% Orice altă compoziţie Tabelul T 4.3 Simbolizarea caracteristicilor la încovoiere prin şoc
Simbolizarea caracteristicilor la tracţiune Simbol
Limita de curgere
Rezistenţa la rupere Rm
Alungire a rupere [%]
Simbol
Energia la rupere KV minim
Tem. de încercare o C
35
355
440-570
-
Z
-
38 42 46 50
380 420 460 500
470-600 500-640 530-680 560-720
20 20 20 18
A 0 2 3 4 5 6 7 8
Medie 47 Valoare individu ală 32
+20 0 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 Tabelul T4.4
Simbol
Compoziţie chimică C
S0 (1) S1 S2 S3 S4 S1Si S2Si S2Si2
(2) 0,05-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15
Si Mn Mo Ni Orice altă compoziţie pusa de acord (3) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15-0,40 0,15-0,40 040-0,60
(4) 0,35-0,6 0,8-1,3 >1,3-1,75 >1,75-2,25 0,35-0,6 0,8-1,3 0,8-1,3
116
(5) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15
(6) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15
Cr (7) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15
(1) S3Si S4Si S1Mo S2Mo S3Mo S4Mo S2Ni1 S2Ni1,5 S2Ni2 S2Ni3
S2Ni1 Mo S3Ni1,5
S3Ni1 Mo S3Ni1,5 Mo
(2) 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15 0,07-0,15
(3) 0,15-0,40 0,15-0,40 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25 0,05-0,25
(4) >1,3-1,85 >1,85-2,25 0,35-0,6 0,8-1,3 >1,3-1,75 >1,75-2,25 0,8-1,3 0,8-1,3 0,8-1,3 0,8-1,3 0,8-1,3
(5) 0,15 0,15 0,45-0,65 0,45-0,65 0,45-0,65 0,45-0,65 0,15 0,15 0,15 0,15 0,45-0,65
(6) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,8-1,2 >1,2-1,8 >1,8-2,4 >2,8-3,7 0,8-1,2
(7) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,20
0,07-0,15 0,07-0,15
0,05-0,25 0,05-0,25
>1,3-1,7 >1,3-1,8
0,15 0,45-0,65
>1,2-1,8 0,8-1,2
0,20 0,20
0,07-0,15
0,05-0,25
1,2-1,8
0,30-0,50
1,2-1,8
0,20
Exemplu de simbolizare: Cuplu sârmă-flux pentru sudare cu arc electric sub strat de flux, tehnica în mai multe straturi, prin care se depune un metal având limita de curgere de minimum 460 N/mm2 (46) şi o valoare a energiei de rupere la încovoiere prin şoc de minimum 47 J la –300C (3), realizat cu flux aluminobazic (AB) şi o sârmă electrod S2 Cuplu sârmă-flux EN756 – S 46 3 AB S2
Sârme pentru sudare în medii de gaz protector cu electrod fuzibil Simbolizarea acestor sârme-electrod este reglementată prin SR EN 440: 1996 şi cuprinde: 1. Simbolizarea produsului şi/sau procedeului de sudare (litera G=sudare cu electrod fuzibil; litera W=sudare cu electrod nefuzibil); 2. Simbolul rezistenţei şi alungirii metalului depus (vezi standard); 3. Simbolul caracteristicilor la încovoierea prin şoc a metalului depus
117
(vezi standard); 4. Simbolul gazului de protecţie utilizat (conform Tabelului T 4.5). Compoziţia chimică a electrodului este redată în EN 440: 1994. Tabelul T 4.5 Simbol M C
Gaz de protecţie Amestecuri de gaze EN 439-M2, dar fără heliu Gaz de protecţie EN 439-C1, dioxid de carbon
Exemplu de simbolizare: Metalul depus prin sudare cu arc electric în mediu protector de gaz, cu electrod fuzibil (G), având limita de curgere de minim 460 N/mm2 (46) şi valoarea medie a energiei de rupere de minimum 47 J la –300C(3), obţinut prin sudare în amestec de gaze (M), utilizând o sârmă electrod G3Si 1. EN 440 – G 46 M G3Si 1 Simbolizarea sârmelor-electrod pentru sudarea WIG este reglementată prin SR EN 1668: 2000 iar simbolizarea sârmelor tubulare pentru sudarea cu arc electric cu sau fără gaz de protecţie este reglementată prin SR EN 758: 1998. Din punct de vedere constructive sârmele tubulare pot fi cu contur închis şi cu contur deschis. Fluxuri pentru sudarea cu arc electric sub strat de flux Fluxurile sunt materiale granulate formate din amestecuri de minerale având roluri de: - protecţie a bãii de metal topit; - de a contribui cu elemente de aliere şi elemente dezoxidante la formarea sudurii; - de a elimina gazele;
118
-
de a micşora viteza de rãcire a sudurii; în cazul sudãrii cu arc şi rolul de stabilizator al acestuia. In afara acestor funcţiuni principale fluxurile mai îndeplinesc şi toate celelalte funcţiuni pe care le îndeplineşte învelisul electrodului. După modul de obţinere şi din punct de vedere al compoziţiei lor chimice fluxurile se clasifică în: 1. Fluxuri topite (T) = au în compoziţie mangan, cuarţ, oxizi de magneziu, oxizi de aluminiu, etc. Aceste materiale se topesc şi se granulează prin turnare în apă.Fluxurile turnate au un aspect sticlos. Acest tip de flux se utilizează în special la sudarea oţelurilor carbon şi slab aliate, fiind cele mai utilizate tipuri de fluxuri. 2. Fluxuri ceramice (C) = se obţin prin aglomerare cu silicat de sodium şi au în compoziţie: feldspat, oxid de aluminiu, feroaliaje de mangan, crom, siliciu, etc. Se utilizează în special la încarcărea prin sudură si la sudarea oţelurilor slab aliate. Sunt higroscopice şi scumpe. 3. Fluxurile sinterizate = se obţin din pulberi metalice sinterizate. Granulele astfel obţinute sunt mai puţin higroscopice decât fluxurile ceramice. 4. Fluxuri pasive = se obţin prin înlocuirea oxizilor de siliciu şi mangan cu oxizi de aluminiu. Datorită pasivităţii aceste fluxuri nu interacţionează cu baia de metal topit. Sunt recomandabile la sudarea oţelurilor aliate, pentru a nu influenţa compoziţia chimică a cusăturii. In funcţie de caracterul lor fluxurile pot fi bazice sau acide. Bazicitatea influenţează semnificativ tenacitatea cusăturii. Fluxurile pentru sudarea cu arc electric sub strat de flux se simbolizeazã conform EN 760: 1996 şi simbolozarea cuprinde şase elemente: 1. Simbolul produsului şi/sau procedeului (litera S); 2. Simbolul metodei de fabricaţie: F – flux topit; A – flux aglomerat; M – flux mixt (amestecat); 3. Simbolul tipului de flux, pe baza constituenţilor chimici caracteristici (Tabelul T 4.2); 4. Simbolul referitor la utilizare – clasa fluxului (Tabelul T 4.6);
119
Tabelul T 4.6 Clasa de fluxuri 1
2 3
Domeniul de utilizare Fluxuri pentru sudarea cu arc electric sub strat de flux ale oţelurilor nealiate şi ale oţelurile pentru construcţii, oţelurile de înaltă rezistenţă şi termorezistente. In general fluxurile nu conţin elemnte de aliere în afară de Mn şi Si.; în consecinţă, compoziţia metalului depus este influenţată în mod esenţial de compoziţia sârmelor electrod şi de reacţiile metalurgice. Aceste fluxuri sunt adecvate atât pentru executarea îmbinărilor sudate, căt şi pentri încărcarea prin sudare. In cazul sudării de îmbinare, majoritatea acestor fluxuri pot fi utilizate cu tehnica în mai multe straturi şi cu tehnica într-un singur strat şi/sau în două straturi. Fluxuri pentru sudarea şi încărcarea oţelurilor inoxidabile şi a oţelurilor cu Cr şi cu Cr-Ni refractare şi/sau a nichelului şi a aliajelor de nichel. Fluxuri destinate, în special, încărcării prin sudare, conducând la obţinerea unui metal rezistent la uzurã prin transfer al elementelor de aliere din flux, cum sunt C, Cr sau Mo.
5. Simbolul referitor la activitatea metalurgică (creşterea şi/sau scăderea conţinutului de elemente de aliere). Există 5 clase de activitate metalurgică, menţionate în standard Exemplu de simbolizare Flux pentru sudare cu arc electric sub strat de flux (S) fabricat prin topire (F), de tip silico-calcic (CS) pentru utilizare în clasa I (I), cu 0,2 % creştere pentru siliciu (6) şi 0,5% pentru mangan (7), care poate fi utilizat în c.a. sau în c.c (AC) şi cu care se obţine un metal depus conţinând 8 ml de hidrogen la 100 g metal depus (H10): Flux pentru sudare EN 760 – S CS 1 67 AC H10 Partea obligatorie a simbolizării este:
120
EN 760 – S CS 1 Granulaţia fluxului nu intră în simbolizarea acestuia, dar este obligatorie la marcarea ambalajelor, indicându-se fie simbolul pentru dimensiunile minime şi maxime ale granulelor, conform Tabel T 4.7, fie direct dimensiunile în mm. Exemplu : 2 – 16 sau 0,2 – 1,6. Tabelul T 4.7 Simbol
Dimensiunile granulelor [mm] 2,5 2,0 1,6 1,25 0,8 0,5 0,315 0,2 0,1 <0,1
25 20 16 12 8 5 3 2 1 D
Alte materiale de adaos
In afara acestor materiale de adaos mai există următoarele materiale de adios: -
Electrozi înveliţi pentru sudarea fontelor – ISO 1071: 1983 şi STAS 7242-82; Electrozi pentru sudarea aluminiului cu electrozi înveliţi STAS 8524-70; Vergele şi sârme pentru sudarea aluminiului şi a aliajelor de aluminiu STAS 11019-85; Electrozi de wolfram pentru sudare WIG şi cu plasmă EN 26848:1991 (ISO 6848:1984);
121
Gaze de protecţie Gazele de protecţie au rolul de a realize o barieră protectoare între baia de metal topit şi gazele din atmosferă. Ele pot fi active (CO2) sau inerte (argon, heliu, amestecuri). Gazele de protecţie utilizate la sudarea cu arc electric sunt standardizate conform SR EN 439: 1996. Tabelul T 4.8 Notare Gr. Nr.
Constituenţi Oxidant CO2
R I
M1
M2
1 2 3 4 1
>0-5 >0-5 >0-5 >525
2
M3
3
>0-5
4
>525 >2550
1 2 3
C F
O2
1 2 1 2 3
1 2 1 2
>550 100 Rest
>0-3 >0-3 >310 >310 >0-8
[procente de volum] Inert Reducator Ar He H2 Rest >0-15 Rest >15-35 100 100 Rest >095 Rest Rest Rest Rest Rest
Aplicaţii
Obs.
WIG, sudare cu plasmă MIG, WIG, sudare plasmă
Red
MAG
Mai putin oxid.
Nere activ N2 Inert
Mai mult oxid.
Rest Rest Rest Rest
>1015 >815
Rest Rest
0-30 >0-50
122
100 Rest
Tăiere plasmă
Nere activ Redu c.
Standardul mai sus menţionat clasifică gazele astfel: R = amestecuri de gaze reducătoare. I = gaze einerte şi amestecuri inerte. M = amestecuri oxidante, dioxid de carbon saui ambele. C = gaze puternic oxidante şi amestecuri puternic oxidante. F =gaze nereactive sau amestecuri de gaze reducătoare. Simbolizarea gazelor de protecţie utilizate la sudare se face prin indicarea următoarelor elemente: - termenul de “gaz de protecţie”; - numărul standardului; - grupa şi numărul de identificare, conform standardului Exemplu de simbolizare: Gaz de protecţie EN 439 – I3 Amestec conţinând 30% 4.1.4.2. Electrozii înveliţi pentru sudare Prin electrod se înţelege orice corp metalic legat la unul din polii sursei electrice de sudare, dacã acel corp nu este corpul de sudat. - nefuzibili - nu participã la realizarea sudurii ci numai la realizarea sursei termice Electrozi - fuzibili - înveliţi-sudurã manualã cu arc - neînveliţi - sudura în mediu protector Invelişul este un strat format dintr-un amestec de substanţe aplicat pe exteriorul materialului de adaos. Invelisul electrodului îndeplineşte urmãtoarele funcţiuni: 1. Funcţia ionizatoare se realizeazã prin introducerea unor substanţe care îmbunãtãtesc stabilitatea funţionãrii arcului electric, prin intensificarea procesului de ionizare a spaţiului dintre electrod şi piesã. 2. Funcţia moderatoare se realizeazã prin formarea unei cruste de zgurã deasupra cordonului de sudurã, reducându-se astfel viteza de
123
rãcire şi ameliorându-se structura. 3. Funcţia protectoare realizeazã protecţia bãii de metal topit împotriva contactului cu gazele din atmosferã. 4. Funcţia de aliere se realizeazã prin introducerea unor elemnte de aliere sub formã de feroaliaje, care modificã proprietãţile cordonului de sudurã în sensul dorit. 5. Funcţia de curãţire conduce la reducerea conţinutului de sulf şi fosfor din cordonul de sudurã, reducând astfel riscul apariţiei fisurilor atât la cald cât şi la rece. 6. Funcţia de sprijinire asigurã întãrirea rapidã a zgurii formate prin solidificarea peliculei de învelis topit. Materialele care intrã în structura învelişului sunt: - ionizate - carburi de calciu; - zgurifiante - minereu de Mn, Fe, T; - dezoxidanţi-feroaliaje(Si, Mn); - componente de aliere - feroaliaje, oxizi; - fluidifianţi - bioxid de titan; - lianţi; - plastifianţi – bentonitã , dextrinã; - componenţi de adaos - pulberi de fier; Electrozii înveliţi sunt cei definiţi prin STAS 1125-64. Ei pot avea diametre cuprinse de : 1,2;1,6;2;2,5;3,25;4;5;6;.......12,5 mm şi lungimi de 300;350;450, 500 mm Dupã natura învelişului electrozii pot fi: acizi, bazici, celulozici, oxidanţi, titanic, rutilic, special. - electrozi cu înveliş acid Asigurã viteze mari de sudare şi proprietãţi bune ale sudurii oţelurilor cu maximum 0,20%C. La conţinut mai mare de carbon au tendinţã de fisurare la cald. Invelişul acid este format din oxizi metalici, silicaţi naturali, substanţe organice, dezoxidanţi. - electrozi cu înveliş bazic Conţin carbonaţi de calciu, fluoruri, silicaţi şi feroaliaje. Invelişul bazic asigurã o puritate mare a sudurii şi alierea cu Mn. Se recomandã pentru oţelurile greu sudabile. Dezavantaje: - sunt higroscopici;
124
- nu asigura stabilitatea arcului; - produc o zgurã aderentã; - electrozi cu înveliş oxidant Conţin oxizi metalici şi silicaţi. Arcul este stabil, dar protecţia bãii faţã de O2 şi N2 este slabã. Se utilizeazã la lucrãri nepretenţioase. - electrozi cu înveliş titanic Au o compoziţie asemãnãtoare cu a celor acizi, dar au TiO2ca substanţã dominantã. Sunt cele mai larg utilizate învelişuri. Produc cusãturi cu rezistenţã mare şi puţin predispuse la fisurare. - electrozi cu înveliş celulozic Conţin 10% celuloza sau alte substanţe organice care au efect reducãtor pentru O2 şi N2, dar introduc H2 în cusãturã. - electrozi cu înveliş rutilic Zgura rezultatã este vâscoasã fapt ce îi recomandã pentru sudurile de poziţie. - electrozi cu învelişuri speciale Se folosesc la sudarea sub apã (cu înveliş nehigroscopic) sau au penetraţie adâncã. Clasificarea şi simbolizarea electrozilor înveliţi pentru sudarea oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină Simbolizarea internaţională a electrozilor înveliţi pentru sudarea oţelurilor nealiate şi slab aliate, conform ISO 2560:1973 Standardul internaţional stabileşte un cod de simbolizare in vederea identificării electrozilor pentru sudarea manuală a oţelurilor nealiate şi slab aliate, având rezistenţa la rupere nominală cuprinsă între 490 şi 50 N/mm2. Codificarea cuprinde patru părţi: 1. Litera E – simbolul general pentru electrozi înveliţi;
125
2. Un simbol indicând rezistenţa la rupere a metalului depus prin sudare; 3. Un simbol indicând energia la rupere KV; 4. Simboluri indicând: a) tipul învelişului; b) randamentul nominal; c) poziţiile de sudare; d) caracteristicile curentului de sudare; e) conţinutul de hidrogen difuzibil. Simbolizarea rezistenţei la rupere la tracţiune se face conform datelor cuprinse în tabelul T 4.9 Tabelul T 4.9 Simbol 43 51
Rezistenţa la rupere [N/mm2] 430-510 510-610
Simbolizarea energiei la rupere KV se face conform datelor cuprinse în tabelul T 4.10. Tipul electrodului
Rezistenţa la rupere, Rm [N/mm2 ]
E 43 0 E 43 1 E 43 2 E 43 3 E 43 4 E 43 5 E 51 0 E 51 1 E 51 2
430-510 430-510 430-510 430-510 430-510 430-510 510-610 510-610 510-610
Alungirea minimă la rupere, A5 [%] 20 22 24 24 24 18 18
126
Tabelul T 4.10 Temperatura la care energia de rupereKV=28 J [0C] +20 0 -20 -30-40 +20 0
E 51 3 E 51 4 E 51 5
510-610 510-610 510-610
20 20 20
-20 -30 -40
Energia de rupere se determină ca medie a rezultatelor obţinute pe şase epruvete. Dacă media este mai mică decât 16 J, nu sunt îndeplinite condiţiile. Dacă media este mai mare decât 35 J, sunt îndeplinite condiţiile. Dacă media este cuprinsă între 16 şi 35 J, se încearcă încă 12 epruvete. Pentru a se îndeplini condiţiile, media celor 18 rezultate trebuie să fie egală cu 28 J. Simbolizarea învelişurilor se face conform datelor din tabelul T 4.11. Simbol A AR B C O R RR S
Tabelul T 4.11 Observaţii Limita între învelişul cu grosime medie şi cel cu grosime mare corespunde aproximativ unui raport de 1,5 între diametrul exterior al învelişului şi diametrul vergelei.
Tipul învelişului Acid Acid (rutilic) Bazic Celulozic Oxidant Rutilicînveliş cu grosime medie Rutilic(înveliş cu grosime mare) Alte tipuri
Simbolizarea randamentului nominal se face conform datelor din tabelul T 4.12. Simbol 110 120 130
Tabelul T 4.12 Observaţii
Randament nominal [%] <105 >105 < 115 >115 < 125 >125 < 135
Randamentul nominal se determina conform ISO 2401:1972
127
Simbolizarea poziţiilor de sudare se face conform datelor din tabelul T 4.13.
Simbol 1 2 3 4 5
Tabelul T 4.13 Poziţia de sudare Toate poziţiile Toate poziţiile, cu excepţia poziţiei verticale descendente Poziţie orizontală, orizontală în jgheab, orizontală pe perete vertical Poziţie orizontală, orizontală în jgheab Poziţie orizontală, orizontală în jgheab, orizontală pe perete vertical şi vertical descendentă
Simbolizarea caracteristicilor curentului de sudare se face conform datelor din tabelul T 4.14. Simbol 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Curent continuu Polaritate recomandată + + sau + + sau + + sau +
Tabelul T 4.14 Curent alternative Tensiune nominală de mers în gol 50 50 50 70 70 70 90 90 90
1) Simbol destinat electrozilor utilizaţi numai în current continuu 2) (+) Polaritate inversă (polul plus la electrod) (–) Polaritate directă (polul minus la electrod) 3) Tabelul T 4.14 se aplică numai electrozilor cu diametru de cel puţin 2,5 mm 128
4) Frecvenţa curentului alternativ este de 50 sau 60 Hz. Simbolizarea conţinutului de hidrogen difuzibil din metalul depus se face conform datelor din tabelul T 4.15. Simbol H
Tabelul T 4.15 Conţinutul de hyirogen difuzibil Numai când nu depăşeşte 15 cm3 la 100g metal depus determinat conform ISO 3690: 1977
Simbolizarea cuprinde o parte obligatorie (simbolul E, caracteristicile mecanice şi simbolul tipului învelişului) şi o parte facultativă (celelalte simboluri). Exemplu de simbolizare: 1) E 43 2R 13 2R) 2) E 51 3B 160 20 (H) 3B)
(partea obligatorie este E 43 (partea obligatorie este E 51
Simbolizarea europeană a electrozilor înveliţi pentru sudarea oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină, conform EN 499: 1994 EN 499: 1994 prezintă caracteristicile pentru clasificarea electrozilor înveliţi şi a metalului depus, în stare brută după sudare, pentru sudarea manuală cu arc electric a oţelurilor nealiate şi cu granulaţie fină având limita de curgere ce poate atinge o valoare de 500 N/mm2 după sudare. Simbolizarea se referă la proprietătile metalului depus cu un electrod de 4 mm şi este împărţită în opt părţi: 1) Simbolul produsului/procedeului de sudare – litera E; 2) Simbolul limitei de curgere a metalului depus (conform T 4.16); 3) Simbolul caracteristicilor determinate la încercarea de încovoiere prin şoc (conform T 4.17); 4) Simbolul compozitiei chimice a materialului depus (conform T
129
5) 6) 7) 8)
4.18); Simbolul tipului de înveliş al electrodului (conform T 4.19); Simbolul randamentului si al tipului de curent (conform T 4.20); Simbolul poziţiei de sudare (conform T 4.13); Simbolul pentru conţinutul de hidrogen difuzibil din metalul depus (conform T 4.21).
Simbolizarea este împărţită în două părţi: -
partea obligatorie – punctele 1,2,3,4,5; partea facultativă – punctele 6,7,8.
Exemplu de simbolizare EN 499 – E 46 3 1Ni B 54 H5 A cărui parte obligatorie este EN 499 – E 46 3 1Ni B Simbolizarea limitei de curgere a metalului depus conform T 4.16. Simbol 35 48 42 46 50
Limita de curgere [N/mm2] 355 380 420 460 500
Rezistenţa la rupere [N/mm2] 440-570 470-600 500-640 530-680 560-720
Tabelul 4.16 Alungirea A5 [%]
22 20 20 20 18
Simbolizarea caracteristicilor determinate la încercarea de încovoiere prin şoc conform T 4.17
130
Tabelul T 4.17 Temperatura medie corespunzătoare unei energii minime de rupere în valoare medie de 47 J Nici o condiţie +20 0 -20 -30 -40 -50 -60
Simbol
Z A 0 2 3 4 5 6
Simbolizarea compozitiei chimice a materialului depus conform T 4.18 Simbolul Compoziţia chimică 1) 2) 3) aliajului Mn Mo Fără 2,0 simbol Mo 1,4 0,3-0,6 Mn Mo >1,4-2,0 0,3-0,6 1Ni 1,4 2Ni 1,4 3Ni 1,4 Mn1Ni >1,4-2,0 1NiMo 1,4 0,3-0,6 Orice altă compoziţie convenită Z
Tabelul T 4.18 Ni 0,6-1,2 1,8-2,6 >2,6-3,8 0,6-1,2 0,6-1,2
1) Dacă nu se specifică, Mo<0,2; Ni<0,2; Cr<0,2; V<0,05; Nb<0,05; Cu<0,3 2) 2) Valorile singulare date în tabele reprezintă valori maxime; 3) Rezultatele trebuie să fie rotunjite la acelaşi număr de cifre semnificative ca şi cel al valorilor specificate, utilizând reguli conform ISO 31-0 anexa B, regula A.
131
Simbolizarea tipului de înveliş al electrodului conform T 4.19 Simbol A C R RR RC RA RB B
Tabelul T 4.19 Tipul învelisului Înveliş acid Înveliş celulozic Înveliş rutilic Înveliş rutilic cu grosime mare Înveliş rutilic-celulozic Înveliş rutilic – acid Înveliş rutilic-bazic Înveliş bazic
Simbolizarea randamentului si al tipului de curent conform T 4.20 Simbol 1 2 3 4 5 6 7 8
randament
Tabelul T4.20 Tipul curentului
<105 <105 >105<125 >105<125 >125<160 >125<160 >160 >160
c.a.+c.c. c.c. c.a.+c.c. c.c. c.a.+c.c. c.c. c.a.+c.c. c.c.
1) 2)
1) pentru a demonstra posibilitatea de utilizare a curentului alternativ, trebuie să fie effectuate încercări cu tensiuni de mers în gol cel mult egale cu 65V 2) c.c. = current continuu ; c.a. = current alternative Simbolizarea pentru conţinutul de hidrogen difuzibil din metalul depus conform T 4.21.
132
Simbol H5 H 10 H 15
Tabelul T 4.21 Conţinut de hidrogen difuzibil, ml/100g metal topit, max. 5 10 15
In afara acestui tip de electrozi mai exista standarde pentru: - sudarea oţelurilor slab aliate de înaltă rezistenţă şi a oţelurilor utilizate la temperature scăzute EN 757: 1992; - sudarea oţelurilor termorezistente ISO 3580: 1975 EN 1599: 1994 - sudarea oţelurilor inoxidabile şi refractare ISO 3581: 1976 EN 1600: 1994 4.2. Sudarea prin topire Existã o multitudine de modalitãţi de materializãri a principiului fizic al sudãrii , din punct de vedere al formei de energie utilizate, al tipului de electrod utilizat şi a altor modalitãţi concrete de realizare a îmbinãrii sudate. Acestea se pot clasifica dupã cum urmeazã : A. Dupã starea de agregare a metalului de bazã : I. Prin topire I.1. Cu energie electricã I.1.1. Cu arc electric; Ì.1.2. În baie de zgurã; I.1.3. Cu plasma; Ì.2. Cu energie chimicã I.2.1. Cu flacarã de gaze; I.2.2. Cu termit; I.3. Cu energie de radiaţii II. Prin presiune II.1. La cald II.1.1. Cu încãlzire cu flacãrã;
133
II.1.2. Cu încãlzire în cuptor; II.1.3. Cu încãlzire electrica; II.2. La rece II.2.1. Cu deformare plasticã la rece; II.2.2. Cu ultrasunete; 4.2.1. Sudarea prin topire cu energie electricã Energia necesarã topirii poate fi obţinutã prin : - descãrcãri electrice în medii gazoase (arcul electric, arcul şi jetul de plasmã) ; - efectul Joule dezvoltat în conductori solizi sau lichizi de curenţii electrici. 4.2.2. Arcul electric la sudare Arcul pentru sudare este o descãrcare electricã stabilã în mediu gazos, la o tensiune relativ micã (de la 10 la câteva sute de volţi ), densitãţi mari de curent (zeci de A/mm2) şi o lungime micã a arcului (câţiva mm pânã la 1-2 cm.) Arcul poate fi alimentat cu un curent continuu sau alternativ. Dupã natura electrozilor arcul electric poate fi: - cu electrod fuzibil (consumabil); - cu electrod nefuzibil; Dupã felul polaritãţii : – directã; - inversã; Dupã felul acţiunii : - cu acţiune indirectã;
134
1 = electrod; 2 = material de adaos; 3 = piesã de sudat Fig. 4.5. Arcul electric cu acţiune indirecta - cu acţiune directã şi electrod nefuzibil;
a-electrod nefuzibil; b-electrod fuzibil. Fig. 4.6. Arcul electric cu acţiune directã - cu acţiune directã şi electrod fuzibil;
135
Cel mai frecvent utilizat este arcul electric în curent continuu, cu acţiune directã, cu electrod fuzibil. În funcţionarea arcului electric se succed trei perioade: 1) Perioada tranzitorie de amorsare a descãrcãrii (aprinderea arcului) Aprinderea arcului se realizeazã prin contact metalic între electrodul de sudurã şi piesã. Curentul de scurtcircuit încãlzeşte puternic prin efect Joule zona rezistentã provocând o topire localã, dupã care retrãgându-se electrodul are loc amorsarea propriu-zisã a descãrcãrii . 2) Perioada arcului staţionar, în care arcul arde stabil la o tensiune Ua şi un curent de sudare Is, în urma atingerii unui echilibru cvasistaţionar al fenomenelor de ionizãri recombinãri, disocieri-asocieri. Repartiţia tensiunilor pe arc nu este uniformã. Arcul are trei zone : ZK - zona catodicã ZA - zona anodicã CA - coloana arcului
1 = electrod fuzibil; 2 = metal lichid; 3 = piesã de sudat Fig.4.7. Amorsarea arcului electric pentru sudare Cãderile de tensiune mari din zona anodicã accelereazã electronii spre anod şi ionii spre catod. Energia cineticã acumulatã de aceste particule este cedatã la impactul cu reţeaua cristalinã a electrozilor formând pe suprafaţa acestora zone calde cu luminozitate şi densitate de curent mare numite pete electrodice. Vom avea deci o patã catodicã şi o patã anodicã. Temperatura petei catodice atinge 25000 K la fier şi 37000K la wolfram. Temperatura petei anodice atinge 26000K la fier şi 42500K la wolfram. Deci temperatura petei anodice este mai mare pentru cã prin intrarea electronilor în anod se restituie aceastã energie piesei. Când se sudeazã cu polaritate inversã, piesa devine catod şi
136
deci încãlzirea ei va fi mai micã producând o deformare mai micã a piesei.
Zk , Uk , lk =zona catodului, tensiunea şi lungimea ei ZA, Ua , la =zona anodului, tensiunea şi lungimea ei CA , Uc , lc =coloana arcului, tensiunea şi lungimea ei. Fig.4.8. Repartizarea tensiunii pe lungimea arcului Arcul electric poate funcţiona stabil la valori diferite ale tensiunii Ua, curentului Is şi lungimii arcului Legãtura între aceste mãrimi se numeşte “caracteristica statica a arcului”, care de obicei se prezintã sub forma unei familii de curbe Ua=f(Is),având Is ca parametru. 3) Perioada tranzitorie a stingerii arcului . Stingerea arcului se face prin variaţia lungimii arcului (când “l” creşte). Conform caracteristicii statice a arcului , la creşterea lungimii creşte tensiunea şi descãrcarea nu mai poate fi întreţinutã.
137
1-caracteristica sursei de curent; 2-caracteristicile statice ale arcului electric pentru diferite lungimi. Fig. 4.9. Caracteristica staticã a arcului electric În curent alternativ condiţiile de întreţinere a descãrcãrii în arc sunt mai grele, deoarece perioadele de aprindere, ardere şi stingere se succed cu dublul frecvenţei tensiunii, de câte ori curentul este obligat sã-şi schimbe sensul. La sudarea cu arc electric cu electrod fuzibil picãturile metalice rezultate din topirea materialului de adaos, trebuie sã treacã prin spaţiul arcului pentru a ajunge în baia de sudurã. Picãturile trec întotdeauna spre piesã ,chiar şi atunci când sudându-se la poziţie, ele fac acest lucru împotriva forţelor gravitaţionale. Arcul electric poate fi descoperit (în atmosfera) , în mediu protector de gaz (CO2, Ar, He), sub strat de flux. Pentru fiecare din aceste trei situaţii existã tehnologii de sudare.
138
4.2.2.1. Sudarea manualã cu arc electric descoperit Arcul electric topeşte prin acţiune directa o parte din metalul de bazã şi pe cel de adaos, formând baia comunã de metal lichid, care odatã cu deplasarea electrodului cu viteza vs în direcţia de sudare, se rãceşte formând cusãtura sudatã. Concomitent sub acţiunea arcului învelişul electrodului se topeşte parţial formând o baie de zgurã lichidã protectoare. Parametrii regimului de sudare manualã cu arc electric sunt: 1. - tipul electrodului 2. - diametrul electrodului 3. - Ua 4. - Is 5. – Vs - viteza de sudare 6. – “n” numãrul de straturi 7. – “p” adâncimea de pãtrundere 8. - tipul polaritãţii In cele ce urmeazã vom defini câţiva dintre parametrii regimului de sudare cu arc electric. Tensiunea arcului la sudare (Ua) - este tensiunea stabilită în timpul sudării, tensiune care întreţine arcul electric. Valoarea ei este cuprinsă între 16 şi 40 V, la un curent de 1000 A. Valoarea Ua depinde de lungimea arcului la. Tensiunea de aprindere a arcului electric (Uap) – este tensiunea la care se aprinde singur arcul electric la un electrod de diametru stabilit. Tensiunea de aprindere necesară este : - în curent continuu 35 V; - în curent alternativ 60 – 70 V; Curentul de scurtcircuit (Isc) – este curentul ce se stabileşte prin circuitul de sudură, tensiunea dintre electrod şi piesă devenind Ua = 0. Curentul de lucru la sudare (Is) – este curentul ce se stabileşte prin arcul electric care arde stabil la o anumită tensiune de lucru Ua şi o anumită lungime a arcului. Trecerea metalului topit prin arcul electric se face întotdeauna în sensul electrod – piesă, indiferent de polaritate. 1.Tipul electrodului se alege în funcţie de materialul de sudat. Compoziţia chimicã a electrodului trebuie sã fie cât mai apropiatã de cea a materialului de bazã, ca şi caracteristicile mecanice. Tipul învelişului se alege în funcţie de cele menţionate anterior.
139
2.Diametrul electrodului-de se stabileşte în funcţie de grosimea materialului de sudat S şi de felul îmbinãrii din tabelele existente în literatura de specialitate. De exemplu pentru sudarea cap la cap. S 1,5-2 3 4-8 9-12 13-15 de 1,6-2 3 4 4-5 5 sau, de = 1,5 s Sudarea primului strat se face cu electrod de diametru mic (sub 4 mm) pentru a putea asigura pãtrunderea în spaţiul îngust al rostului. 3. Tensiunea de alimentare a arcului Ua. [20-30] V De regula Ua este trecuta în paşaportul electrozilor. 4. Intensitatea curentului de sudare Is reprezintã intensitatea curentului de sudare. Is =K*de , unde k ∈ [25,60] k=k(de) de 2 3 4 5 6 k 25-30 30-35 35-50 40-55 45-60 5. Viteza de sudare Vs=
αt * IS 3600 * γ * Fi
αt= coeficient de topire al electrozilor αt =8-l2 g/A ora γ = densitatea Fi = secţiunea cordonului depus la o trecere [cm2]
Fn − F1 +1 Fi Fn = aria cordonului de sudurã; Fi = aria unui strat de sudurã; F1 = (6 - 8) de pentru primul strat; Fi = (8 - l2) de pentru celeleate straturi.
6. Numãrul de treceri n=
7. Adâncimea de pãtrundere p=( 0,3-0,5)*0,022 Ua * IsVs 8. Polaritatea. Marea majoritate a tablelor se sudeazã cu polaritate normala (cu masa la piesã). 140
Excepţii - electrozi bazici care au înveliş gros - electrozi din oţel aliat - la sudarea tablelor subţiri 4.2.2.2. Pregãtirea tablelor în vederea sudãrii Locul unde urmeazã sa fie plasatã sudura trebuie pregãtit ţinându-se cont de douã cerinţe: - îndepãrtarea impuritãţilor - asigurarea spaţiului cusãturii În acest scop marginile pieselor se prelucreazã în funcţie de grosimea presei şi forma înclinãrii. Piesele pregãtite se prind reciproc printr-un numãr de suduri provizoriu efectuate cu electrozi de diametru mic şi plasate din loc în loc de-a lungul cusãturii. Spaţiul creat între piese se numeşte rost. Forma şi dimensiunile rostului sunt indicate prin STAS 6662-62.
h= înãlţimea; h1= pãtrunderea; b= lãţimea. Fig.4.10. Forma rostului de sudurã Capetele tablelor sudate se pregãtesc prin diferite procedee tehnologice (aşchiere, ştanţare, debitare oxiacetilenicã). Forma şi dimensiunile rosturilor se aleg în funcţie de grosimea tablelor şi de natura materialului. Condiţii bune pentru formarea cusãturii se asigurã atunci când secţiunea rostului are 50-60 o
141
Fig. 4.11. Schema rostului La grosimi mari existã pericolul scurgerii de material topit pe partea opusã a cordonului, din care cauzã baia trebuie protejatã printr-un cordon de sudura pe partea opusã. Acest cordon este tehnologic, are dimensiuni reduse şi va fi înlãturat ulterior. Pentru grosimi mici ale tablelor se foloseşte forma „I” cu marginile rãsfrânte. S1>2 S2>1 e> S1
142
143
