Postupci i alati oblikovanja deformiranjem Kovanje Kovanje je najstariji postupak oblikovanja deformiranjem. Najčešće se obavlja u toplom stanju, ali je za izratke manjih dimenzija moguće i hladno oblikovanje. Oblikovanje u toplom stanju zahtjeva manje deformacijske sile i manji utrošak rada, ali i utrošak energije za zagrijavanje. Osim toga, neminovno je i stvaranje obgora i oksida. Osim onečišćenja površine to znači i gubitak mase od 2 do 5%, ovisno o brojnim faktorima, a najviše o temperaturi i trajanju zagrijavanja. Moguće je da oksidi budu uvučeni u uprešani ispod površine te postati razlog loma. Stoga ih se nastoji ukloniti, što se izvodi udaranjem. Do traženog oblika proizvoda dolazi se postepeno. Razlozi za kovanje su postizanje određenog oblika i postizanje određene kvalitete proizvoda, koja je neostvariva drugim tehnologijama (važno za dinamički opterećene dijelove).
Slobodno kovanje Slobodno kovanje je najstariji postupak. Radi se o postupku deformiranja bez upotrebe kalupa, a primjenjuje se za otkovke svih veličina.
Osnovne operacije su -
sabijanje – redukcija visine i slobodno tečenje u transverzalnom smijeru
-
iskivanje i raskivanje – smanjivanje poprečnog presjeka (debljine)
-
probijanje – oblikovanje slijepe rupe i probijanje
-
zasijecanje – predoperacija iskivanja
-
savijanje
Kovanje u ukovnjima U ovom postupku metal pod udarcem malja ili kovačkog bata, te pritiskom preše ispunjava profiliranu šupljinu u ukovnju, pa je tečenje materijala ograničeno stjenkama ukovnja. Postupak se može automatizirati, pa je pogodniji za serijsku i masovnu proizvodnju. Automatizacija također uzrokuje i ujednačenu kvalitetu, oblik i dimenzije gotovo svih izradaka. Postupak se dijeli na -
pripremno kovanje – u pripremnim gravurama, glavni cilj je preraspodjela mase i približavanje završnom obliku (I-III) završno kovanje – zadnji korak pri kojem otkovak poprima završni oblik i nastaje vijenac (IV)
Sve gravure se nalaze u istom kalupu, što omogućuje brži rad i uklanja potrebu za više grijanja. Završna gravira treba imati kanal za vijenac na rubu. U kanal za vijenac odlazi višak materijala, a ako je kovanje korektno ispuni se do 70% i
vijenac ima jednoliku širinu, a oko 40% ukupne energije deformiranja troši se na njegovo formiranje. Vijenac se odstranjuje posebnim kovačkim alatom operacijom odsvijecanja.
Ukovnji se dijele na otvorene i zatvorene. Kod otvorenih ukovnja javlja se gubitak materijala oko 25%, a očituje se kroz vijenac, obgor, slijepe rupe i drugo. Zatvoreni ukovnji nemaju gubitak materijala za vijenac, ali je potrebno precizno odrediti količinu materijala, što može biti problematično. Osim toga, u zatvorenim su ukovnjima naprezanja puno veća, pa se uglavnom koriste otvoreni ukovnji.
Provlačenje Provlačenje je postupak kojim se proizvode različiti šipkasti materijali jednostavnih i složenih oblika. Mogu se provlačiti žice debljine od 0,008 do 6 mm i cijevi promjera od 1 do 360 mm s debljinama stjenki od 0,1 do 10 mm. Provlače se i valjani i ekstrudirani profili.
Osim promjene oblika, ovim se postupkom ostvaruje i očvršćenje (što je važno za materijale koji se ne mogu toplinski obrađivati). Izbjegava se iskrivljenje koje je tipična posljedica zagrijavanja. Površina profila nakon provlačenja vrlo je visoke kvalitete, više finoće od postizive poliranjem, honanjem ili lepanjem. Kalibriranjem se postiže točnost i jednoličnost dimenzija presjeka po čitavoj duljini. Provlačenje je u nekim slučajevima jedini ekonomski isplativ i tehnološki primjenjiv postupak obrade (npr. za tanke žice i bešavne cijevi).
Duboko vučenje Duboko vučenje je tehnologija oblikovanja limene robe debljine lima od 0,02 do 50 mm pri sobnim ili povišenim temperaturama. S obzirom na to da se uglavnom obrađuju limovi debljine oko 1 mm ipak je najčešća hladna deformacija, dok se toplo deformiranje koristi za limove deblje od 10 mm. Postupak se uglavnom sastoji od više faza jer se do konačnog oblika vrlo rijetko može doći samo jednom fazom vučenja. U svakoj fazi dolazi do očvršćenja, a nakon 3 do 4 faze lim se mora meko žariti kako ne bi došlo do pucanja. Alat za duboko vučenje sastoji se od žiga, matrice i tlačnog prstena. Tlačni prsten sprječava pojavu nabora na rubu posude, a nije ga nužno koristiti ako je lim dovoljno debeo.
Lim tijekom deformiranja ne mijenja debljinu, pa mora biti vrlo istezljiv, što znači da mu sadržaj ugljika treba biti ispod 0,8%. Osim toga mora biti površinski kemijski obrađen – dekapiran. Tim se postupkom na površini stvara sloj fosfida koji sprječava kontakt materijala i alata. Greške pri dubokom vučenju -
pucanje lima pri dnu posude, ako je odnos vučenja i sile tlačnog prstena prevelik nejednolika visina posude, koja je posljedica anizotropije lima (veće istezljivosti u smjeru valjanja) raspucavanje ruba, može biti posljedica ekscentriciteta žiga i matrice, nejednolike debljine lima, neadekvatnog podmazivanja, istrošenosti alata, prevelike zračnosti između žiga i matrice i drugo
Ekstruzija (istiskivanje) Ekstruzija ili istiskivanje je postupak oblikovanja deformiranjem u hladnom, polutoplom ili toplom stanju. Mogu se oblikovati profilirane (često je to jedini način za dobivanje nekih profila) šipke i cijevi, najčešće od lakih metala i legura. Za šuplje profile stap preše nosi trn.
Trupac (sirovac) za ekstruziju lijeva se kontinuiranim lijevom kako u njemu ne bi bilo šupljina i troske, a postupkom homogenizacije postiže se homogena struktura. Dobar stupanj prognječenja postiže se ako je omjer površine presjeka trupa i površine presjeka istiskivanog profila veći od 7, a u praksi on često iznosi od 20 do 60. Ako je ovaj omjer prevelik (npr. kod istiskivanja žica za dalekovode, kada je omjer površina preko 1400) istovremeno se istiskuje više profila. Ekstrudira se oko 90% ukupne duljine trupca, kako bi se izbjeglo škart, Uz to, potrebne sile za istiskivanje pri kraju trupca rastu. Ako se materijal ugrije na previsoku temperaturu dolazi lijepljenja materijala na matricu. Neovisno o tome je li materijal prije ekstruzija zagrijan, ekstrudirani profili uvijek su topli zato što se jedan dio energije pretvori u toplinu. To je uzrok lakog deformiranja materijala na izlasku iz matrice, a time i razlog za propuštanje kroz sustav valjaka ili u uređaj za natezanje trazejm. Osim ovih postupaka moguće je i protusmjerno istiskivanje. Pri ovom postupku alat se kreće u jednom, a materijal u drugom smjeru. Žig u vrlo kratkom vremenskom intervalu (od 0,01 do 0,07 sekundi) udara u materijal, a on zatim teče u suprotnom smjeru.
Greške kod ekstrudiranja uključuju -
izdužavanje kristalnog zrna u smjeru deformiranja i anizotropiju ispucanost zbog prevelike brzine ili neadekvatno zagrijanog materijala krupno zrno, kada se temperatura na kraju istiskivanja spusti blizu temperature rekristalizacije oksidni uključci i šupljine
Valjanje Valjanje je najzastupljenija tehnologija među tehnologijama oblikovanja deformiranjem, a primjenjuje se za čelike, lake i obojene metale. Valjanje se vrši prolazom materijala između parova suprotno rotirajućih valjaka koji su međusobno udaljeni manje od debljine materijala. Razmak među valjcima se postupno smanjuje te se tako i
debljina materijala kontinuirano smanjuje, dok se širina i dužina povećavaju. Pri tome se ingot najprije valja u polufabrikat (blum, slab, gredice), a tek zatim u konačni proizvod (tračnice, profile, limove, trake i durgo). Predmeti većih presjeka oblikuju se u toplom stanju, jer je time omogućena veća redukcija debljine u jednom prolasku uz manje sile i manji utrošak energije. Tanki limovi i trake valjaju se u hladnom stanju jer se time postiže kvalitetnija površina i uža tolerancijska polja. Zagrijavanje tankih materijala neekonomično je zbog odnosa površine i mase. Za prvi dio valjanja u toplom stanju dovoljno je do najviše tri para valjaka jer ingot više puta prolazi kroz iste valjke. Zadnji stupnjevi valjanja u toplom stanju i većina valjanja u hladnom stanju obavljaju se na sistemima s više valjaka. Valjci manjeg promjera imaju manje trenje s metalom, a time je potrebna i manja snaga. Nedostatak manjih valjaka je manja krutost, što rezultira iskrivljenjem i većom debljinom valjanog materijala u sredini. Ovaj se problem rješava bombiranjem (zadebljanjem centra valjka) i sistemima s više valjaka (u kojima su manji valjci poduprti s do 12 drugih valjka veće krutosti) koji daju bolju dimenzijsku točnost. Valjci mogu biti glatki ili profilni, ovisno o tome želi li se proizvesti materijal glatke površine (poput limova i folija) ili nekog profila (npr. tračnice).
Redukcija presjeka ovisi o materijalu i njegovoj debljini, ali se u pravilu nastoji postići maksimalna redukcija. Time se dobiva veća produktivnost, ali i homogeniji materijal. Šipke i profili valjaju se iz kvadratnih i osmerokutnih ingota prolaskom materijala kroz odgovarajuće kalibre koji oblikuju profil. Problematično je valjanje cijevi, a postupak se razlikuje za valjanje bešavnih i šavnih cijevi. Bešavne cijevi imaju bolja mehanička svojstva i viši stupanj sigurnosti. Postupak oblikovanja sastoji se od dvije glavne faze. U prvoj fazi oblikuje se cijevnica, i to rušenjem usijanog sirovca i utiskivanjem trna ukošenim valjcima.
Tijek proizvodnje može se nastaviti pilgerovanjem ili kontinuiranim postupkom valjanja. Pri pilgerovanju cijevnica je zahvaćena jednim dijelom kalibra, koji joj stanjuje stjenku, a zatim joj drugi dio luka zagladi površinu. Nakon pola okretaja dolazi do zastoja i cijevnica se pomiče unazad te tako korak po korak prolazi postupak valjanja. Kod kontinuiranog postupka valjanja cijevnica prolazi kroz 7 do 9 naizmjence nagnutih parova valjaka. Ovaj je postupak brži i zato ima prednost kod velike produkcije.
U završnim postupcima cijevima se može još povećati ili smanjiti promjer. Šavne cijevi služe za protok fluida pri nižim tlakovima, te stoga trpe i manja opterećenja. Postupak valjanja šavnih cijevi uvijek se sastoji od savijanja lima ili trake u oblik cijevi, a zatim zavarivanja. Po potrebi može se nastaviti ravnanje, kalibriranje, sužavanje ili proširivanje.
Savijanje Postupci savijanja koriste se pri proizvodnji različite limene robe, te se sve više koriste u industriji. Primjenjuju se i za male i za velike serije, pretežno u hladnom stanju, a za teške profile, debele limove i cijevi velikih promjera u toplom. Postupci savijanja dijele se na kružno i oštro ili profilno kutno savijanje. Kružno savijanje obavlja se na posebnim strojevima, savijalicama. Savijalice imaju tri ili rjeđe četiri valjka. Kod savijalica s tri valjka pogonjena su dva donja, dok se treći, koji je obično većeg promjera, pomiče vertikalno. Savijanje se provodi u više prolaza, a nakon svakog prolaza gornji se valjak spušta. Zbog toga rubovi lima ostaju ravni, pa ih je potrebno predsaviti.
Savijalice s četiri valjka imaju pogonjen samo gornji, veći valjak, dok se manji valjci mogu premještati. Time je omogućeno i predsavijanje.
Oštro ili profilno kutno savijanje primjenjuje se za proizvodnju limene robe (prvenstveno limenih traka) kojoj je omjer polumjera zakrivljenosti i debljine lima malen. Materijal se deformira samo plastično, a dolazi do promjene presjeka i debljine lima te premještanja neutralne površine. S obzirom na veliko plastično deformiranje dolazi i do znatnog očvrsnuća. Postupak se može provoditi postupno (na hidrauličkoj ili koljenastoj preši) ili kontinuirano (na valjcima i valjačkim stanovima).
Posebni postupci Hladno duboko utiskivanje je postupak koji se provodi u hladnom stanju, a suštinski je utiskivanje žiga od tvrdog materijala u blok relativno mekšeg materijala. Tlakovi koji se postižu prelaze 1500 MPa, ali su brzine male.
Površinsko valjanje je postupak kojim se povećava glatkoća površine, ujednačuju odstupanja od propisanih dimenzija te povećava tvrdoća i čvrstoća površinskog sloja. Utiskivanje navoja i ozubljenja je način formiranja navoja na vijku ili svornjaku, a efikasniji je od narezivanja. Navoj se utiskuje kalibriranim valjcima ili profiliranim čeljustima u vijak.
Tiskanje (spinning) je metoda izrade limenih tanjurastih ili zdjelastih predmeta, obično u hladnom stanju. Radi se o tlačenju lima pomičnim valjkom na oblik matrice koja se vrti zajedno s limom.
Duboko vučenje primjenom magnetskog polja je postupak dubokog vučenja gdje se umjesto žiga koristi naglo pražnjenje magnetskog polja. Izradak se prstenom stegne na nosač zavojnice. Propuštanjem struje kroz kondenzatorske baterija stvara se kratkotrajno magnetsko polje koje tlači lim.
Duboko vučenje primjenom pražnjenja električnog polja je postupak pri kojem se kroz obradak stegnut na matricu pušta struja. Iskrenjem dolazi do pražnjenja i naglog isparavanja kapljevitog medija koji stvara pritisak i oblikuje lime.
Oblikovanje eksplozijom je postupak koji koristi detonaciju eksplozivnog punjenja. Eksplozijom iznad lima dolazi do širenja udarnog vala kroz kapljeviti medij, što oblikuje izradak. Postupak se često primjenuje za izradu obradaka velikih dimenzija, gdje bi korištenje konvencionalnih alata bilo vrlo skupo.
Strojevi za oblikovanje deformiranjem Batovi Batovi su najstariji alati za oblikovanje deformiranjem. Prema vrsti pogona dijele se na mehaničke, pneumatske (zračne) i parne. Mehanički batovi često se izvode kao polužni s oprugom od čeličnih lamela. Time se pojačava efekt udarca i produljuje vrijeme kontakta malja i obratka. Pogonjeni su elektromotorom, a ekscentrom s rotacijsko gibanje pretvara u pravocrtno. Mase maljeva kreću se između 40 i 250 kg, dok se broj udaraca u minuti kreće između 120 i 300. Energija koja je na raspolaganju je mala, li dovoljan za kovanje plitkih predmeta. Koriste se i gravitacijski batovi kod kojih malj slobodno pada. Ovi su batovi jednostavne konstrukcije i lako se održavaju, ali imaju veoma mali broj udaraca u minuti.
Zračni i parni batovi dijele se na jednoradne i dvoradne. Kod jednoradnih rad pina se koristi samo za dizanje malja, a kod dvoradnih dodaje se energija komprimiranog plina. Dvoradni batovi zato za istu masu imaju 35 do 40% veću energiju udarca, odnosno jednaku energiju za podizanje na manju visinu, što povećava frekvenciju (kratkohodni batovi). Kao radni medij za ove batove koristi se vodena para (za tlakove do 9 bara) i komprimirani zrak (za tlakove do 7 bara). Zahtijevaju se posebne izvedbe konstrukcija koje moraju biti dobro utemeljene zbog opasnosti prenašanja vibracija na okolinu.
Batovi se također mogu podijeliti na batove s mirujućim nakovnjem i protuudarne batove. Kod batova s mirujućim nakovnjem efikasnost iznosi oko 0,95, a kod protuudarnih 1. Protuudarni batovi. Za razliku od batova s mirujućim nakovnjem, ne trebaju temelj, pa se mogu seliti unutar pogona, ali su i oko 30% skuplji.
Preše Preše se mogu koristiti kod kovanja, dubokog vučenja, istiskivanja, savijanja, provlačenja, ali i drugih postupaka oblikovanja deformiranjem. Dijele se na hidrauličke, vretenaste i koljenaste. Hidrauličke preše imaju malu brzinu rada pa se koriste za oblikovanje teže deformabilnih materijala. Mirniji rad ima i prednosti, a to su mali dodatci na obradu i veća dimenzijska točnost, Hidrauličke preše stvaraju izuzetno velike sile, do 1000 MN. Pritisci tlačnog medija iznose 180 do 240bara, a veći tlakovi uzrokuju probleme u brtvljenju. S obzirom na pogon razlikuju se preše s pogonom direktno na pumpi i preše s akumulatorom pritiska, koji se sastoji od niza čeličnih boca kapaciteta 8 m3.
Vretenaste preše su tarne ili frikcijske. Imaju izraženo udarno djelovanje (karakteristika bata) i pritiske žiga manje nego kod koljenaste preše. Tipična konstrukcija ima dva vetikalna i jedan horizontalni disk, a pogonski se moment dobiva pomoću elektromotora. Trapezno navoj omogućuje prijenos velikih sila (0,8 do 3,05 MN) i podnošenje velikih pritisaka, ali je broj udaraca malen te su stoga pogodne za otkovke koji se kuju samo jednim udarcem.
Koljenaste preše sastoje se od elektromotora koji preko reduktora i spojke energiju prenosi na koljenastu osovinu (pretvara rotacijsko gibanje u pravocrtno). Rade sa silama od 5 do 100 MN, a broj hodova je im je od 35 do 90 u minuti. Pogodne su za širok dijapazon kovanja, pa se, unatoč činjenici da su skuplje od batova sve više koriste u privredi.
Horizontalni kovački strojevi Horizontalni kovački strojevi se najčešće koriste za kovanje sitnih dijelova u motornoj industriji. Od polaznog materijala (šipka) izrađuju se svornjaci, motke, poluge, cijevne spojnie i drugo. Sile sabijanja su do 30 MN, a hod iznosi 80 do 380 mm.
