Rozwiązania techniczne w obrębie technologii KOBO

Procesy technologiczne bazujące na metodzie KOBO, w stosunku do procesów konwencjonalnych wzbogacone są o czynnik, wywołujący w odkształcanym materiale cykliczne zmian drogi odkształcenia wskutek cyklicznych zmian schematu jego obciążenia [218-220]. Zgodnie z zastrzeżeniami patentowymi czynnik ten zwykle ma charakter mechanizmu będącego źródłem dodatkowego momentu obrotowego, działającego w odgórnie przyjętej płaszczyźnie w sposób cykliczny i z określoną częstotliwością [221]. W przypadku metody KOBO czynnik ten sprawia, że dokonuje się permanentna destabilizacja struktury metalu przy dominacji zlokalizowanego plastycznego płynięcia w cyklicznie przecinających się pasmach ścinania. Według stosownej procedury towarzyszącej aplikacjom metody KOBO do procesów przeróbki plastycznej możliwe jest prowadzenie niskotemperaturowych („na zimno”) procesów kształtowania plastycznego z prędkością i stopniem przerobu znacznie wyższymi niż w procesach wysokotemperaturowych, zaś produkt uzyskuje drobnoziarnistą, jednorodną strukturę i korzystne właściwości mechaniczne [202]. Co więcej, utrzymywanie stałej wartości siły wyciskania dzięki regulacji częstotliwości oscylacji matrycy i prędkości ruchu stempla, sprzyja uzyskiwaniu tych samych właściwości materiału na całej długości wypraski [211,217].

Metoda KOBO może być stosowana podczas plastycznego kształtowania materiałów trudno odkształcalnych, do których należą kompozyty typu MMC, stopy aluminium (7075), tytanu, brązy (Cu8Sn), stopy magnezu (AZ31, AZ91, AZ61) [44,212,214,222-225], w typowych procesach przeróbki plastycznej, takich jak wyciskanie, prasowanie, kucie, walcowanie, czy ciągnienie [226,227]. We wszystkich tych sposobach wymuszone jest

dodatkowe plastyczne płynięcie materiału realizowane w kierunku odmiennym niż kierunek ruchu roboczego danego procesu. Może to być ruch rewersyjny obrotowy lub przesuwny, dokonywany w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu roboczego. W praktyce przemysłowej zmiany konstrukcyjne dokonują się w obrębie całego urządzenia, bądź polegają wyłącznie na doposażeniu urządzeń w dodatkowy moduł. Technologia KOBO może być wykorzystana do bezpośredniego przetwarzania złomu aluminiowych puszek aluminiowych do postaci drutów (z pominięciem fazy ciekłej) [228], odpadowych wiór ze stopów aluminium oraz tytanu (rys.29) [229, 230, 231] oraz stopów magnezu [232]. Z powodzeniem prowadzono próby przetwarzania odpadów po obróbce wiórowej, foli, a nawet materiałów proszkowych lub rozdrobnionych [232-234].

Rysunek 29. Próbki z wiór Ti przygotowane do wyciskania metodą KoBo: a) luźne wióra, b,c) wstępnie zagęszczone wióra do postaci brykietów, d) gotowy drut [231].

Najpełniejszej dokumentacji metody KOBO, doczekał się zmodernizowany proces wyciskania na prasie z obustronnie obracaną matrycą.

Schemat przedstawiony na rysunku 30a , według którego realizowany jest proces KOBO wymaga modernizacji typowej prasy hydraulicznej służącej do klasycznego wyciskania metali. Polega ona na wzbogaceniu go o mechanizm (moduł) umożliwiający rewersyjne obroty matrycy względem swojej osi. Zatem, prócz zestawu takich parametrów wyciskania jak stopień przerobu (wielkość odkształcenia), prędkość, siła wyciskania i temperatura, w metodzie KOBO pojawiają się dodatkowe czynniki, mianowicie kąt obustronnego obrotu matrycy i częstość jej oscylacji. Większa liczba parametrów, jakimi można operować w metodzie KOBO pozwala na sterowanie procesem w niespotykanym dotychczas zakresie.

Na rysunkach 31–32 pokazane zostały stanowiska do realizacji procesu wyciskania metodą KOBO zarówno w warunkach laboratoryjnych (prasa 1MN), jak i przemysłowych (prasy 2,5 MN, 7,1 MN i 25 MN). Wyciskanie metodą KOBO drutów charakteryzuje się tym,

że materiał wyciskany (1) wypychany jest przez nurnik (3) (stempel) z pojemnika (2) (recypienta) przez rewersyjnie skręcaną matrycę (4) aż do otrzymania gotowego wyrobu. Metoda KOBO pozwala wytwarzać wyroby w postaci prętów, drutów, rur i profili o różnych kształtach i przekrojach. Na rysunku 30b przedstawiona jest laboratoryjna prasa KOBO 100T (1MN), na której prowadzono badania opisane w niniejszej pracy, z zaznaczonymi charakterystycznymi elementami. Ważną cechą układu napędowego prasy jest możliwość nastawienia i utrzymania stałej prędkości wyciskania pod warunkiem, że siła wyciskania nie przekracza nastawionej, (w zakresie do 100T) wartości. Pozwala to na przeprowadzenie badań tzw. „stanu ustalonego płynięcia” w warunkach, w których ograniczenie siły wyciskania nie powoduje obniżenia prędkości wyciskania.

a b

Rysunek 30. a) Schemat procesu wyciskania metodą KOBO: (1) wlewek, (2) pojemnik, (3) stempel, (4) matryca rewersyjnie skręcana, b) Stanowisko do przetwórstwa materiałów metodą KOBO (prasa

hydrauliczna) zainstalowane na Wydziale Metali Nieżelaznych AGH.

a b

Rysunek 31. Stanowisko do przetwórstwa materiałów metodą KOBO zainstalowane w IMN Gliwice: a) małe, b) duże [Źródło: IMN Gliwice].

Rysunek 32. Stanowisko przetwórstwa metali metodą KOBO w wersji produkcyjnej zainstalowane w Firmie KRUEL [Źródło: KRUEL Sp. z o. o.].

Zastosowanie metody KOBO ma na celu zwiększenie wydajności procesów przeróbki plastycznej, poprzez obniżenie oporu plastycznego płynięcia. Wiąże się to jednak z kosztem energetycznym wynikającym z pracy momentu skręcającego. Ponieważ zmienia się sposób odkształcania metalu (deformacji plastycznej) z chwilą zmiany sposobu płynięcia (zmiana drogi deformacji), w efekcie następuje obniżenie umocnienia odkształceniowego. Zaobserwowano zatem, że optymalizacja parametrów wyciskania metodą KOBO pozwala, na co najmniej 50% obniżenie nacisku prasy, redukcję temperatury odkształcenia, wzrost stopnia przerobu oraz prędkości prowadzenia procesu. Dane pochodzące z badań dotyczących wyciskania stopu 7075 wskazują, że na prasie z oscylującą matrycą możliwe jest nie tylko odkształcanie trudnoodkształcalnych stopów z bardzo dużym stopniem przerobu i pod działaniem względnie niskiej siły wyciskania, dodatkowo przy niskiej temperaturze, ale że proces ten stanowi ciekawy wariant energooszczędnego kształtowania plastycznego [205,213]. Pobór mocy i praca sumaryczna są parametrami ściśle zależnymi od parametrów takich jak prędkość wyciskania i częstotliwość skrętu matrycy o zadany kąt. Ustalenie ich na odpowiednim poziomie sprzyja silnej redukcji kosztu energetycznego procesu. Inną zaletą metody KOBO jest możliwość kształtowania plastycznego bez homogenizowania i wstępnego nagrzewania materiału do wysokiej temperatury, choć sam proces może być realizowany również w podwyższonych temperaturach. Wielkość pracy potrzebnej do wyciśnięcia metalu tą metodą i w klasycznym procesie z nieruchomą matrycą jest taka sama, ale wydajność procesu KOBO jest dziesięciokrotnie większa [205,213].

Profile z metali i ich stopów w postaci rur cienkościennych zwykle uzyskuje się w wysokotemperaturowych procesach wyciskania, a następnie wielokrotnego ciągnienia lub

w procesach nawijania cienkich arkuszy, które dodatkowo zgrzewa się i poddaje przeciąganiu kalibracyjnemu. Istnieje też proces wyciskania rur na gotowo bazujący na specjalistycznym urządzeniu typu Conform, nie należy on jednak do najbardziej ekonomicznych zwłaszcza w świetle produkcji masowej. Wyciskanie rur cienkościennych metodą KOBO zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 33a jest procesem niskotemperaturowym i energooszczędnym. Pozwala uzyskiwać cienkościenne rurki ze stopów aluminium (rys. 33b), z czystej miedzi oraz niektórych jej stopów np. brązów. Wyroby uzyskane tą metodą charakteryzują się wysoką jakością powierzchni oraz zachowują tolerancje wymiarowe. Rezultaty badań eksperymentalnych potwierdziły, że również w aspekcie wytwarzania profili cienkościennych dodatkowo wywoływana zmiana drogi deformacji stanowi istotne narzędzie służące kontroli procesu wyciskania jak również generowania żądanych właściwości wyrobów gotowych [236].

a b

Rysunek 33. a) Schemat procesu wyciskania rur metodą KOBO: (1) wlewek, (2) pojemnik, (3) stempel, (4) rewersyjnie skręcana matryca, (5) przebijak, (6) rura, b) rurki o przekroju owalnym

wykonane ze stopu 3003 [236].

Materiały poddane wyciskaniu metodą KOBO mają niezwykłą „łatwość” bocznego wypływu (zgodnie z prawem Pascala). Z tego też powodu w procesie tym z powodzeniem mogą być wytwarzane wyroby o tzw. trudnych przekrojach poprzecznych zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 34a [237].

a b

Rysunek 34. a) Schemat procesu wyciskania metodą KOBO z bocznym wypływem prasówki: (1) pojemnik, (2) wlewek, (3) stempel, (4) matryca usytuowana na pobocznicy pojemnika, (5) obustronnie

obracany trzpień z nacięciami na powierzchni czołowej, (6) zamek, b) przykłady wyrobów płaskich [208].

Metodę KOBO zastosowano również w wielu innych procesach przetwórstwa metali, przy czym część z rozwiązań objętych zastrzeżeniami patentowymi pozostało w fazie projektowej.