Ambutisarea cu diferențierea temperaturii semifabricatului
Introducere Rezistenta Rezistenta la deformare reprezintă reprezintă rezistenta rezistenta care o opun materialele materialele supuse prelucrării prelucrării plastic plastic prin presiune. presiune. Un material metalic metalic se va deforma cu atât mai uș or cu cat rezistenta rezistenta sa la deformare este mai mica. Pentru ca rezistenta la deformare sa fie cat mai mica trebuie create condiții ca la nivelul rețelei cristaline cristaline a materialului materialului metalic metalic supus deformări deformăriii sa se realizeze o ușoara oara depl deplas asar aree a disl disloc ocaaț ii iilo lorr indi indife feren rentt de densi densita tate teaa lor lor ș i de bloc blocări ările le exis existe tent ntee intr intree disloc dislocaații. Cre Creștere tereaa rezistentei la deformare se datorează in mare parte fenomenului de ecruisare. Modificările structurale pe care le suferă materialele metalice in timpul deformării lor, conduc la varia variația proprieta proprietaril rilor or fizico-me fizico-mecan canice ice ale acestor acestora. a. Daca prin deformar deformaree se obț ine o creș tere tere a proprietatilor de rezistenta a materialelor metalice, se considera ca respectivul material a suferit un proces de ecruisare. Starea de ecruisare se datorează frânarii frânarii deplasării dislocaț iilor, gradul de ecruis ecruisare are crescând crescând odată odată cu mărire mărireaa gradul gradului ui de deform deformare. are. Din punct punct de vedere vedere practic practic,, ecruisarea ecruisarea are o importanta importanta deosebita deosebita dar trebuie ț inut cont ca o ecruisare ecruisare exagerata conduce conduce la pierderea proprietatilor de plasticitate ale materialului metalic, producându-se fisurarea sau chiar distru distrugere gereaa lui. lui. Ecruis Ecruisarea area exagerat exagerataa poate poate fi evitata evitata prin prin încălz încălzirea irea material materialului ului pana la o temp tempera eratu tura ra la care care stru struct ctur uraa revi revine ne la star starea ea ini iniț iala iala de echi echili libr bru. u. Aces Acestt proce procede deuu poart poartaa denumirea de recoacere de recristalizare. Expre Expresi siaa gene general ralaa a rezis reziste tent ntei ei la defo deform rmare are (p): (p): p=K+q (1) K- rezistenta la deformare naturala a materialului materialului metalic corespunzătoare unei stării de tensiune liniara (depinde de prop. materialului) q- componenta rezistentei la deformare datorita efectului condițiilor de frecare. frecare. Rezistenta la deformare fiind influențata de următorii factori: Condi Condiții iile le de frecare; Comp Compoz oziiția chimica a materialului supus deformării; •
•
•
Temperatura de deformare;
•
Viteza de deformare;
•
Gradul de deformare;
•
Forma sculelor de deformare;
Schema stării de tensiune;
Influenta temperaturii semifabricatului in deformarea plastica Temper Temperatur aturaa de deform deformare are influe influennț ează reziste rezistenta nta la deform deformare are atât atât prin prin interm intermediu ediull compon component entei ei K (in măsura măsura mai mare) mare) cat ș i prin prin interm intermediu ediull compone componente nteii q (in măsura măsura mai mica). Prin Prin creșterea terea tempera temperatur turii ii de deform deformare, are, reziste rezistenta nta la deforma deformare re scade atât datorita datorita micș orării orării comp compon onent entei ei K ca urmar urmaree a creș teri teriii plasti plastici cită tăț ii cat ș i datori datorita ta micș orări orăriii compon component entei ei q ca urmare a reducerii coeficientului de frecare. In cazul cazul unor anumit anumitee materi materiale ale metali metalice ce însa, însa, datori datorita ta comple complexit xităăț ii proces procesulu uluii de deformare deformare și al transformărilor transformărilor de faze ce au loc in timpul încălzirii încălzirii,, rezistenta rezistenta la deformare in anumite anumite intervale intervale de temperatur temperaturaa poate sa ș i crească. crească. Astfel Astfel in cazul cazul otelurilor otelurilor (fig. (fig. 1) creș terea temperaturii pana in jurul a 250-300°C produce mărirea rezistentei la deformare ca urmare a apariție proceselor proceselor de durificare prin precipitar precipitaree1 după care ridicarea in continuare a temperaturii produce o scădere continua a rezistentei la deformare. Varia iatiarezistenteiladeform rmare 80 60 40 20 0 0°C
200°C
400°C
600°C
800°C
1000°C
1200°C
Fig. 1 Variația rezistentei rezistentei la deformare deformare (exprimata (exprimata prin prin rezistenta rezistenta la rupere) in func funcț ie de temperatura de deformare a unui otel carbon.
1
tratamentul termic care constă c onstă în încălzirea înc ălzirea materialului la o temperatură temperatur ă sub curba curba solvus pentru pentru a obţine o stare structu structurală rală mai aproape de echilibru
Ambutisarea cu diferențierea temperaturii semifabricatului Încălzirea semifabricatului se face cu scopul măririi plasticităţii şi reducerii rezistenţei la deformare realizându-se astfel o adâncime mare de ambutisare. In acest scop se poate încălzi întreg întreg semifa semifabri bricat catul ul sau doar doar zonele zonele în care intervi intervinn deform deformaţi aţiii plasti plastice ce mari mari astfel astfel fiind fiind econom economisi isita ta energi energiee iar anumite anumite zone, zone, unde reziste rezistenţa nţa materi materialu alului lui trebui trebuiee mărită mărită,, pot fi menținute la temperaturi temperaturi scăzute. Încălzirea Încălzirea locală se face cu ajutorul ajutorul unor instalaţii instalaţii de încălzire încălzire elec electr tric ice, e, cupr cuprin inse se într întree plac placaa de ambu ambuti tisa satt şi inel inelul ul de reţi reţine nere re sau sau chia chiarr cone conect ctân ândd semifabricatul intre doi electrozi (fig. 2). Răcirea zonei centrale a semifabricatului se realizează prin intermedi intermediul ul poansonului poansonului care este racordat racordat la un circuit de răcire cu lichid,dar lichid,dar ș i prin placa activa activa (fig. (fig. 3) asigurâ asigurând nd astfel astfel reziste rezistenţă nţă sporit sporităă materi materialu alului lui,, în locuri locurile le in care care forţa forţa de deformare deformare poate produce produce fisuri. fisuri. Încălzirea Încălzirea ș i răcirea răcirea materialului materialului in in presa economise economiseș te timp timp in procesul procesul tehnologic tehnologic deoarece deoarece călirea materialu materialului lui are loc in aceeaș i operaț ie cu ambutisarea. ambutisarea.
Fig. 2 Încălzirea semifabricatului Evoluția analizei cu element finit din ultimele decenii a dezvoltat dezvoltat o tehnica uzual folosita in simularea deformării plastice a materialelor. Autenticitatea rezultatelor analizei element finit cu cele cele expe experi rime ment ntat atee pract practic ic a adus adus nume numeroa roase se inova inovaț ii in dome domeni niul ul defo deform rmăr ării ii plas plasti tice ce
contribuind contribuind de asemenea asemenea ș i la creș terea preciziei preciziei prelucrări prelucrărilor. lor. Astfel Astfel fiind posibil posibilaa ambutisarea ambutisarea mai adânca adânca in in acelaș i tip de semifabri semifabricat cat evitându-s evitându-see subț ierea excesiv excesivaa a pereț ilor. Inevit Inevitabil abil nevoia nevoia de perfec perfecț ionare ionare conduce conduce spre spre eficie eficienta nta maxima maxima,, in domeni domeniul ul ambuti ambutisăr sării ii aceasta fiind raportul minim dintre dintre diametrul unui semifabricat ș i diametrul unui poanson care îlîl poate ambutisa ambutisa pe o adâncime cat mai mare fara a-l distruge. distruge. S-a ajuns la concluzia concluzia ca procesul procesul de ambutisare poate fi analizat in 5 regiuni diferite (fig. 4): I.
Deformare Deformare plastic plasticaa sub acțiunea element elementului ului de reț inere
II.
Alungirea peretelui lateral pe raza plăcii active
III.
Pozi Poziții iile le U și N sunt sunt punctele critice in care tensiunea de deformare este cea mai ridicata
IV.
Alungire a peretelui pe raza poansonului
V.
Deformare plastica prin presare
Fig. 3 Răcirea semifabricatului
Fig.4 Ambutisarea adânca a unui cilindru (a) faza iniț iala (b) faza intermediara Prin modificarea temperaturii semifabricatului pe zonelor de ambutisare se poate optimiza piesa finita (fig. 5).
Fig. 5 Deformarea in condiț iile: (a) T poanson=Tpl=180° (b) T poanson=180°C Tpl=25°C
Metode de încălzire a semifabricatului Încălzirea semifabricatului prin rezistenta electrica Foile de tabla pot fi încălzite folosind rezistenta electrica (fig. 2). Principalul avantaj al electricită electricității este rapiditatea, rapiditatea, putând fi sincronizata sincronizata cu presa. Foaia de tabla este încălzita încălzita prin trec trecer erea ea unui unui curen curentt elec electr tric ic prin prin doi doi elec electr trozi ozi care serves servescc ș i ca elem element entee de reț inere inere,, ambutisarea având loc imediat fara a scădea temperatura. Distri Distribu buția căldurii in foaia de tabla este cat se poate de uniforma (fig. 6) iar pentru o foaie cu dimensiunea de 130/80mm este suficient un voltaj de 10V ș i o rezistenta rezistenta de 1mΩ. Temperatura la care ajunge foaia de table este de 810±30°C in doar 2 secunde
Fig. 6 Distribu Distribuția temperaturii intr-o foaie de tabla de dimensiunea dimensiunea 130/80mm încălzita electric electric
Încălzirea semifabricatului folosind unda laser Unda laser este folosita folosita in industrie industrie de câteva decenii decenii in care a primit primit o atenț ie tot mai mare datorita avantajelor economice dar ș i celor tehnologice. In ultimul timp se depun eforturi de a combina deformarea plastica plastica ș i încălzirea folosind folosind laserul. Procesul deformării plastice asistat de unda laser consta in încălzirea zonei de deformare cu un fascicul laser astfel incat coeficientul de ambutisare al materialului sa fie mărit. Calitatea piesei prelucrate poate fi de asemenea crescuta scăzându-i-se rugozitatea dar ș i precizia de prelucrare In figura 7 este exemplificat un proces de deformare plastica de precizie in care semifabricatul este încălzit printr-o unda laser. Diametrul poansonului este de 4mm, raza poansonului 0.002mm, jocul pe raza 0.002mm, grosimea materialului 0.5mmsi diametrul semifabricatului 20mm.
Fig. 7 Încălzirea semifabricatului cu unda laser
Influenta temperaturii la ambutisarea duraluminiului AA2024 Aliajul de aluminiu 2024 are o mare răspândire in industria aeronautica deoarece prezintă o rezistenta ridicata atât atât la deformare cat ș i la oboseala. După După tratamentul termic adecvat se obține un material aproape de echilibru structural însa având o flexibilitate flexibilitate scăzuta. Acest lucru îngreunează prelucrarea făcând aproape imposibila imposibila obț inerea unor piese cu forme complexe complexe prin metodele metodele clasice clasice de prelucrare. Astfel, Astfel, piese cu pereț i subț iri sunt prelucrate prelucrate prin aschere aschere din blocuri solide de metal metal indepartandu-se pana la 90% din material ridicând costurile costurile de producț ie dar și energia consumata. Ca și la majoritate majoritateaa aliajelor aliajelor metali metalice ce creș terea ductil ductilită ităț ii (fig. (fig. 8) se se poate poate realiza realiza prin creșterea temperaturii, însa ambutisarea cu încălzirea încălzirea semifabricatului este este rareori folosita folosita deoarece microstructura dorita este deformata astfel pierzându-se calitatile mecanice. Mai mult de atât daca tratamentul termic este aplicat după prelucrare piesele tind sa isi piardă forma. Recent o noua tehnica, presarea la la cald ș i călirea in prese răcite, a fost dezvoltata. Ideea de baza consta in (I) încălzirea semifabricatului pana la temperatura la care are loc tratamentul termic, temperatura la care rezistenta la deformare este minima, ș i (II) simultan se va ambutisa ș i căli semifabricatul folosim prese răcite. Piesa ambutisata se va păstra timp de 5-6 secunde in presa pentru a reduce temperatura la aproximativ 100°C unde microstructura se va stabiliza obținându-se inându-se rezistent rezistentaa maxima. funcție de temperatura pentru aliajul de aluminiu 2024
Fig. 8 Coeficientul de ambutisare in
Fig. 9 Rezultatele deformării (a)450°C (b) 493°C
Fig. 10.Examinarea incluziunilor incluziunilor și a precipitației la temperaturi diferite
Ambutisarea cu diferenț ierea temperaturii semifabricatului semifabricatului in industria auto In indust industria ria constr construct uctoare oare de autoveh autovehicu icule le este este tot mai necesa necesara ra reducere reducereaa greută greutăț ii produselor produselor pentru a imbunatati imbunatati consumul consumul de carburant carburant dar totodată este este nevoie de o creș tere a rezistentei materialelor pentru a spori siguran siguranț a. Astfel a fost introdusa ambutisarea cu încălzire a semifabricatului in 1977 de Plannja, o companie Suedeza care producea pânze pentru ferăstrău ș i lame pentru pentru mașini de tuns iarba. iarba. In 1984 Saab Automobile Automobile (fig. 11) a fost primul primul producător producător de vehicule care a adoptat elemente de caroserie din hotel călit pentru modelul Saab 9000. Piesele obținute prin aceasta aceasta metoda au crescut de la 3 milioane milioane buc./an in 1987 la 8 milioane buc./an buc./an in 1997 1997.. Din Din anul anul 2000 2000 pies piesel elee obț inut inutee pri prin ambu ambuttisar isaree cu dife difere rennț ierea erea tem tempera peratturi urii semifabricatului au devenit tot mai utilizate ajungând la 107 milioane buc./an in 2007 fiind folosite pentru construirea întregului ș asiu (fig. 12).
Fig.. 12 Șasiu Fig asiu mașina 2007
Fig. 11 Modelul Saab 9000 din anul 1984
Procesul de ambutisare cu încălzirea semifabricatului este folosit in prezent in doua modalitati: metoda de ambutisare directa și iindirecta ndirecta Metoda directa (fig. 13a) consista in:
Metoda indirecta (fig. 13b) consta in:
1.
Încălzirea semifabricatului
1.
Ambutisare Ambutisare parțiala la la rece
2.
Transferul in presa
2.
Încălzirea semifabricatului
3.
Ambutisarea
3.
Transferul in presa
4.
Călirea
4.
Ambutisare
5.
Călire
Fig. 13 Procedeu de ambutisare cu diferenț ierea temperaturii semifabricatului semifabricatului Marca de otel cea mai utilizata la acest tip de ambutisare este 22MnB5- Otel cu bor calibil, avnd compozitia chimica C (%)0.200 - 0.250 Mn (%)1.10 - 1.40 P (%)≤ 0.025 S (%)≤ 0.008 Și (%)0.15 - 0.35 Al (%)≥ 0.015 Ti (%)0.020 - 0.050 B (%)0.0020 - 0.0050. Livrat materialul prezintă o microstructura ferito-perlitica cu o duritate de aproximativ 600 MPa iar după procedeul de ambutisare cu încălzirea semifabricatului microstructura devine martensitica cu o duritat duritatee de aproxima aproximativ tiv 1500 MPa (Fig. (Fig. 14). Pentru Pentru a obț ine aceasta aceasta microst microstruct ructura ura ș i duritate semifabricatul livrat trebuie încălzit la 950°C pentru cel Putin 5 minute după care este ambut ambutis isat at și răcit răcit in acela același ti timp mp intr-o intr-o presa presa răcita răcita cu apa apa timp timp de 5-10 5-10 secunde secunde.. In urma cont contac actu tulu luii dint dintre re semi semifa fabri bricat catul ul fierb fierbin inte te
și
pres presaa rece rece,, meta metalu lull este este căli călitt rezul rezultâ tând nd
microstructura martensitica și duritatea ridicata.
Fig. 14 Starea materialului 22MnB5
