5. Analiza teoretyczna kinematyki procesu ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych
5.1. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do osi
Analiza ma na celu wyjaśnienie, jakie efekty zachodzą w ciągadle dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu oraz w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do osi drutu. Mechanizmy zachodzące w kotlinie odkształcenia w obu przypadkach odpowiedzialne są za obniżenie siły w procesie ultradźwiękowego ciągnienia.
5.1. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle monolitycznym
drgającym wzdłużnie do osi drutu.
Ciągadło monolityczne wykonuje drgania w kierunku wzdłużnym do osi drutu zgodnie z zasadą ruchu harmonicznego. Na Rys. 5.1.1 zaprezentowano sinusoidę opisującą ruch drgający ciągadła monolitycznego. Poniżej zamieszczono szczegółową analizę zjawisk zachodzących w kotlinie odkształcenia podczas procesu równoczesnego ciągnienia i kucia przez monolityczne ciągadło drgające wzdłużnie do osi drutu. Dodatkowo podczas odkształcenia drutu wzdłużnych aktywnym zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła monolitycznego spotykamy się z działaniem aktywnych i reaktywnych sił tarcia. Siły aktywne tarcia odpowiedzialne są za spadek siły ciągnienia.
Rys.5.1.1 Sinusoida opisująca ruch harmoniczny drgającego wzdłużnie ciągadła monolitycznego.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego w poszczególnych ćwiartkach sinusoidy. Ćwiartka I.
Na Rys. 5.1.2 pokazano pierwszą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.3 schematycznie pokazano ruch ciągadła w I ćwiartce okresu drgań. Ciągadło drgając w pierwszej ćwiartce ucieka przed materiałem zgodnie z kierunkiem ciągnienia na odległość równą amplitudzie drgań A. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Następuje w takim przypadku odciążenie materiału od nacisku ściany ciągadła. Następuje wtedy tak zwany proces ułatwionego ciągnienia w warunkach zmniejszonego nacisku ciągadła na metal. W tych warunkach należy spodziewać się spadku siły ciągnienia.
Rys. 5.1.2. Pierwsza ćwiartka sinusoidy opisująca ruch ciągadła monolitycznego w czasie ¼T.
A
D
0 1
Rys. 5.1.3. Ruch ciągadła (ćwiartka I) zgodnie ze zwrotem i kierunkiem ciągnienia z położenia wyjściowego 0 do maksymalnego położenia w amplitudzie drgań A.
ciągadła w II ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od ¼ T do ½ T wraca do swojego położenia wyjściowego z punktu 1 do punktu 2 na osi T. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia i natrafia na ścianę ciągadła. Następuje uderzenie ciągadła w powierzchnię drutu. Następuje wzrost nacisku ciągadła na metal.
Rys. 5.1.4. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch wzdłużny ciągadła monolitycznego w czasie od ¼ T do ½ T.
A
D
2 1
Rys. 5.1.5. Ruch ciągadła w przeciwnym kierunku do działającej na materiał siły ciągnienia (ćwiartka II) do położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi czasu T.
Ćwiartka III.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie w III ćwiartce okresu drgań. Na Rys. 5.1.6 pokazano trzecią ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.7 schematycznie pokazano ruch ciągadła w III ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od 1/2 T do 3/4 T drga przeciwnie do zwrotu działania siły ciągnienia od położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi czasu, do maksymalnego położenia w punkcie 3. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy proces ciągnienia z udziałem dodatkowej siły z osobnego źródła energii. Ciągadło drgające wykonuje w tym momencie największą pracę odkształcenia. W tych warunkach praca odkształcenia wykonywana jest głównie od energii ultradźwiękowej.
Rys. 5.1.6. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch drgającego wzdłużnie ciągadła monolitycznego w czasie od 1/2T do 3/4 T.
A
D
3 2
Rys. 5.1.7. Ruch ciągadła monolitycznego (ćwiartka III) przeciwnie do zwrotu ciągnienia z położenia wyjściowego 2 do maksymalnego położenia w lewo 3.
Ćwiartka IV.
Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie w IV ćwiartce okresu drgań. Na Rys. 5.1.8 pokazano czwartą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.9 schematycznie pokazano ruch drgający ciągadła w IV ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od 3/4 T do T wraca do swojego położenia wyjściowego zmniejszając równocześnie nacisk na materiał odkształcany. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy proces ciągnienia z malejącym naciskiem ścian ciągadła na powierzchnię odkształcanego materiału. W tych warunkach należy spodziewać się spadku siły ciągnienia.
Rys. 5.1.8. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch ciągadła monolitycznego w czasie od 3/4T do 1 T.
A
D
3 4
Rys. 5.1.9. Ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie (ćwiartka IV) zgodnie ze zwrotem działającej na materiał siły ciągnienia z maksymalnego położenia 3 do położenia wyjściowego w punkcie 4 na osi czasu.
Podsumowując rozważania nad procesem odkształcenia metalu w stożku ciągadła monolitycznego można powiedzieć, że drgające ciągadło wykonuje pracę odkształcenia z osobnego źródła energii. Siła drgającego wzdłużnie ciągadła przyłożona jest za pomocą
narzędzia do ciągnionego materiału. Minimalizujemy efekty bezpośredniego przyłożenia siły do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego ciągnienia. Ciągadło drgające wzdłużnie porusza się ruchem harmonicznym na przemian zgodnie ze zwrotem siły ciągnienia oraz przeciwnie do tego zwrotu, powoduje odciążenie siły ciągnienia w ćwiartce I oraz IV. Dodatkowo, gdy ciągadło przemieszcza się przeciwnie do działającej na materiał siły wykonuje ono pracę odkształcenia z innego źródła energii. Efekt pozytywnego wpływu ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od prędkości ciągnienia i współczynnika wydłużenia. Proces taki można określić terminem „ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” wzdłuż osi ciągnionego materiału. Schemat efektu spadku siły ciągnienia pod wpływem ultradźwiękowych drgań ciągadła monolitycznego pokazano na Rys. 5.1.10.