Rozdział 8: Struktura produktu i kolejność operacji formowania
Na miejscu produkcji wytłaczania na zimno często pojawia się następująca sytuacja:
Priorytetycznie przy tym samym gatunku materiału i tych samych wymiarach produkowanie zwykłych śrub przebiega sprawnie; jednak po zmianie na produkty z dużą głowicą, cienkim kołnierzem, głębokimi otworami lub wieloma stopniami zaczynają pojawiać się problemy takie jak niedostateczne wypełnienie, fałdowanie, ekscentryczność, a nawet pękanie.
Wówczas pierwszą reakcją wielu osób jest pytanie: czy ten partii materiału nie nadaje się do obróbki?
W rzeczywistości materiał pozostaje niezmieniony – zmieniają się natomiast wymagania dotyczące jego przepływu podczas procesu formowania.
Wytłaczanie na zimno nie polega jedynie na skróceniu pręta stalowego; chodzi raczej o odpowiednie rozłożenie ograniczonej ilości materiału zgodnie ze strukturą wyrobu.
W niniejszym rozdziale nie będziemy omawiać materiałów, powłok technologicznych ani urządzeń, zajmiemy się wyłącznie wpływem struktury wyrobu i kolejności operacji formowania na kierunek przepływu materiału.
Schematyczny przebieg procesu formowania na kilku stanowiskach: każde stanowisko wykonuje tylko część procesu przemieszczania materiału.
I. Dokąd uchodzi materiał podczas wytłaczania na zimno?
Podczas procesu wytłaczania na zimno materiał nie powstaje z niczego i nie znika bez śladu; przepływa jedynie z jednego miejsca do innego.
Nadmiar materiału w części główkowej pochodzi z pierwotnej długości pręta; zwiększenie średnicy kołnierza oznacza, że materiał musi przepływać od środka ku obwodowi; gdy produkt wymaga otworu wewnętrznego, materiał musi również omijać rdzeń i równomiernie rozmieszczać się wokół otworu.
Proces wytłaczania na zimno można rozumieć jako ustalanie trasy dla materiału:
Która część przepływa naprzód;
Która część przepływa na zewnątrz;
Jakie miejsce deformuje się najpierw;
Jakie miejsce formuje się później;
Czy całość wykonujemy za jednym razem, czy rozkładamy pracę na kilka stanowisk.
Im bardziej bezpośrednia jest trasa i im łagodniejsze są zmiany, tym łatwiej uzyskać równomierne formowanie; im dłuższa trasa i im ostrzejsze zakręty, tym większe ryzyko lokalnych anomalii.
II. Jakie struktury wyrobów szczególnie wyzwalały przepływ materiału?
1. Duża głowica, cienki korpus
Im większa objętość głowicy, tym więcej materiału musi zostać przesuniętego z korpusu.
Jeśli w jednym kroku przesuniemy dużą ilość materiału w stronę głowicy, centralna część może już być mocno sprężona, podczas gdy obszar zewnętrzny nie zdąży się równomiernie rozprowadzić, co ostatecznie może prowadzić do niedostatecznego wypełnienia, miejscowych fałdowań lub pęknięć na krawędziach.
2. Duża średnica kołnierza, ale bardzo cienka grubość
Tenki kołnierz mimo niewielkiego zużycia materiału w rzeczywistości jest trudny do formowania.
Materiał musi przepływać na zewnątrz przez stosunkowo długą drogę, jednocześnie zachowując równomierną grubość kołnierza. Ruch materiału w obszarze centralnym i na obwodzie nie odbywa się synchronicznie, a krawędź zewnętrzna zwykle staje się słabszą częścią konstrukcji.
Dlatego w przypadku produktów z dużym kołnierzem nie wystarczy patrzeć tylko na końcową średnicę; ważne jest również to, jak wcześniej stopniowo doprowadzano materiał na obrzeża.
3. Nagła zmiana poziomów, zbyt ostre przejścia
Gdy produkt gwałtownie przechodzi z grubego na cienki przekrój, albo pomiędzy sąsiednimi sekcjami brakuje płynnych przejść, materiał jakby nagle napotykał ostry zakręt.
Przeciwko części materiału wznosi się opór, podczas gdy pozostała część kontynuuje swój tok; w miejscu styku mogą pojawić się nagromadzenia, fałdowanie lub nierównomierna deformacja.
4. Głębokie otwory, wąskie kanały lub cienkie ścianki
Podczas wytłaczania otworu wewnętrznego materiał nie znika, lecz zostaje przesunięty wokół rdzenia.
Im głębszy otwór i im cieńsze ścianki, tym wyższe wymagania dotyczące dystrybucji materiału. Jeśli poprzednia operacja nie została odpowiednio przygotowana, późniejsze forsowne formowanie może prowadzić do nierównomiernych grubości ścianek, przesunięcia otworu lub miejscowych uszkodzeń.
III. Dlaczego nie można wszystkiego wykonać w jednym etapie roboczym?
Proste produkty mogą być formowane za pierwszym razem, ponieważ materiał przemieszcza się na krótką odległość, a kierunek jego przepływu jest stosunkowo jednolity.
Gdy chcemy również ukształtować złożony produkt „za jednym zamachem”, to przypomina próbę przepuszczenia wielu pojazdów jednocześnie przez bardzo wąskie skrzyżowanie: choć cel jest jasno określony, w środku brakuje wystarczającej przestrzeni do rozdzielenia ruchu.
Zaletą formowania na zimno na wielostanowiskowej maszynie jest podzielenie zbyt dużych zmian na mniejsze:
Pierwszy stanowisko przygotowuje odpowiedni kształt ściągu;
środowe stanowiska kierują materiał w żądane miejsca;
ostatnie stanowiska finalizują wymiary, kontur oraz lokalne detale.
Na przykład w przypadku produktu z dużym kołnierzem najpierw tworzy się grubsza, mniejsza głowa wstępna, następnie stopniowo rozszerzana ku zewnętrznej stronie, aż wreszcie uzyskuje się ostateczny wymiar kołnierza.
Takie podejście nie polega na zwykłym zwiększaniu liczby stanowisk, lecz na tym, by każde stanowisko realizowało tylko jeden główny zadanie.
Widok z terenu na wielostanowiskową maszynę do formowania na zimno: produkt powoli nabiera kształtu na kolejnych stanowiskach.
IV. Czy im więcej stanowisk, tym lepiej?
Nie.
Jeśli sekwencja etapów została ustalona nieprawidłowo, materiał może na poprzednim stanowisku przesuwać się na zewnątrz, a na następnym z kolei być zmuszany do cofania się do środka; niedawno utworzone fragmenty ponownie ulegają znacznym deformacjom, co prowadzi do jeszcze większego skupienia naprężeń plastycznych.
Aby ocenić, czy sekwencja etapów jest właściwa, należy zwrócić uwagę na trzy aspekty:
Kamieniem miliowym każdego kroku jest to, dokąd głównie przepływa materiał?
Czy kierunki przepływu są spójne pomiędzy sąsiednimi etapami?
Czy któryś z etapów nagle przejmuje większość zmian kształtu?
Dobry proces formowania powinien stopniowo zbliżać materiał do docelowego kształtu, a nie powodować ciągłych zmian kierunku.
V. Dlaczego ten sam materiał zachowuje się inaczej w zależności od rodzaju produktu?
Materiał zapewnia tylko zdolność do odkształcania plastycznego, natomiast sposób jej wykorzystania zależy od konstrukcji produktu.
Przy produkcji zwykłej śruby wymagana deformacja jest stosunkowo łagodna, a materiał pozostawia dużą rezerwę; jednak gdy zmieniamy projekt na głowicę typu big head, cienki kołnierz, głębokie otwory lub złożone stopnie, ten sam materiał może już zbliżać się do granicy możliwości formowania w danym procesie.
Dlatego:
normalna produkcja w trybie standardowym，Nie można udowodnić, że skomplikowany produkt działa poprawnie；
awaria skomplikowanego produktu，ani od razu stwierdzić, że materiał jest niezgodny；
materiał、konstrukcja produktu i forma wykonania muszą być analizowane wspólnie.
6. Jak przeprowadzić diagnostykę na miejscu?
Nie skupiaj się wyłącznie na wyrobach z pęknięciami na ostatnim stanowisku.
Zdecydowanie skuteczniejszym podejściem jest kolejne ułożenie próbek ze wszystkich stanowisk i ich porównawcza analiza:
Na którym stanowisku pojawiają się pierwsze nieprawidłowości;
na jakim etapie zmiany średnicy lub wysokości są największe;
czy materiał gromadzi się gwałtownie w określonym miejscu;
czy flansa, głowa czy ścianka otworu formują się stopniowo;
czy po dostosowaniu kształtu preformy zmienia się lokalizacja anomalii.
Jeśli nierównomierna przepływowość występuje już na pierwszych stanowiskach, to forma końcowa zwykle tylko powiększa i uwidocznia problem.
W takich przypadkach zwykła wymiana materiału lub wielokrotne korygowanie formy końcowej rzadko prowadzi do trwałego rozwiązania; należy przede wszystkim sprawdzić, czy rozkład materiału na wcześniejszych etapach jest właściwy.
Pogląd inżyniera
Czarno-na-białym na rysunku konstrukcyjnym widzimy, jaki produkt mamy otrzymać, natomiast próbki poszczególnych operacji pokazują, jak materiał do tego dociera.
Zdolność materiałowa stanowi fundament; struktura wyrobu określa cel, a kolejne operacje formowania decydują o tym, jaką drogą materiał do niego dotrze.
To, czy dany materiał nadaje się do udarowego podkuwania, zależy nie tylko od jego własności, ale także od tego, dokąd i w ilu etapach produkt kieruje jego przepływ.
Grupa Creation Group, oceniając przydatność materiałów do chłodnego podkuwania, bierze pod uwagę nie tylko markę, specyfikację oraz dane badań laboratoryjnych, lecz także rysunek konstrukcyjny wyrobu, średnicę surowca, liczbę stanowisk oraz próbki z poszczególnych operacji.
Ajans na następny odcinek
Rozdział 9: „Dlaczego przy tych samych materiałach i formach osiągi różnią się w zależności od użytego urządzenia?”