Widok Zmiany poziomu naprężeń własnych w stemplach do wyciskania przeciwbieżnego wyrobów z cynku

(1)

Dr inŜ. Jarosław SAMOLCZYK

Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: jarosa@inop.poznan.pl

Zmiany poziomu napręŜeń własnych w stemplach

do wyciskania przeciwbieŜnego

wyrobów z cynku

Variations of internal stresses in punches for backward

extrusion of zinc products

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań napręŜeń własnych w warstwie powierzchniowej stempli do wyciskania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku. Pomiarów napręŜeń dokonano rentgenowską metodą sin2ψ , która okazała się przydatną do wyznaczania napręŜeń własnych w stemplach do wyciskania przeciwbieŜnego metali. W przy-padku stempli do wyciskania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku, czas eksploatacji narzędzi wyraźnie zaleŜy od rodzaju napręŜeń panujących w ich warstwie wierzchniej. NapręŜenia ściskające przy powierzchni zapewniają bezpieczną eksploatację stempli do wyciskania. Zmiana napręŜeń ściskających na napręŜenia rozciągające w warstwie wierzchniej powoduje przyspieszenie zuŜycia narzędzi.

Abstract

The paper presents the results of investigation of internal stresses in the surface layer of punches for backward extrusion of zinc products. Stress measurements have been effected by the x-ray sin2_{ψ method which proved}

to be suitable for the determination of internal stresses in punches for backward extrusion of metals. In the case of the punches for backward extrusion of zinc products, the tool exploitation time is clearly dependent on the kind of stresses present in their surface layer. Compressive stresses at the surface result in safe exploitation of extrusion punches. The change of compressive stresses into tensile ones accelerates the tool wear.

Słowa kluczowe: stempel do wyciskania przeciwbieŜnego, metoda dyfrakcji rentgenowskiej, napręŜenia wła-sne, warstwa powierzchniowa

Key words: backward extrusion punch, x-ray diffraction method, internal stresses, surface layer

1. WPROWADZENIE

W artykule przedstawiono badania rozkła-du napręŜeń własnych w stemplach do wyci-skania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku. Otrzymane wyniki z przeprowadzonych badań stempli do wyciskania przeciwbieŜnego były podstawą ustalenia poziomu napręŜeń wła-snych sygnalizujących etap przyspieszonego zuŜycia, który poprzedzany jest zmianą znaku napręŜeń (z „minus” na „plus” ściskanie-rozciaganie).

1. INTRODUCTION

The paper presents investigation of inter-nal stress distribution in punches for backward extrusion of products made of zinc. The results obtained in the examination of backward extru-sion punches have been a reference for the de-termination of the internal stress level signa-lling the stage of accelerated wear which is preceded by the change of the stress sign (from “minus” to “plus” compressive-tensile).

(2)

2. PODSTAWY POMIARU MAKRONA-PRĘśEŃ METODĄ sin2

ψ

NapręŜenia powstające w materiale powo-dują odkształcenie sieci krystalicznej badanego materiału. Znajduje to odzwierciedlenie w zmianie połoŜenia lub charakteru refleksów rentgenowskich na dyfraktogramie.

Istnieją róŜne dyfraktometryczne metody pomiaru napręŜeń, przy czym najczęściej sto-sowana tzw. metoda sin2

ψ

ψ , która szczegółowo

omówiona została w pracy [1].

W metodzie tej miernikiem napręŜeń są zmiany odstępów dhkl płaszczyzn sieciowych.

W rentgenowskiej metodzie sin2

ψ

do pomiaru napręŜeń własnych wykorzystuje się zjawisko dyfrakcji promieni X na płaszczyznach atomo-wych kryształu. Metoda polega na wykorzysta-niu symetrycznej dyfrakcji Bragga-Brentana, gdzie wektor dyfrakcji jest prostopadły do płaszczyzn uginających {hkl} i do powierzchni próbki, a odpowiednie nachylenie wektora dy-frakcji o kąty

ψ

, w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny dyfrakcji, uzyskuje się w go-niometrze typu

ψ

(rys. 1).

2. REFERENCES FOR MACRO STRESS

MEASUREMENT BY THE sin2

ψ

METHOD

The stresses arising in a material cause deformation of the crystal lattice of the mate-rial under investigation. This is represented in by a change of the position or character of x-ray reflexes in a diffraction pattern.

There are various diffraction pattern methods of stress measurement, but the most

often applied one is the so called sin2

ψ

method which has been discussed in detail in work [1]. In this method, the stresses are measured by

the changes of the dhkl gaps of the lattice

planes. In the x-ray sin2

_ψ

ψ

method, the phe-nomenon of diffraction of the X rays on the atomic planes of crystal is utilized.

The method consists in utilization of sy-mmetrical Bragg–Brentan diffraction, where the diffraction vector is perpendicular to the deflecting planes {hkl} and to the sample surface and adequate inclination of the

diffrac-tion vector by the angles of

ψ

in a plane

per-pendicular to the diffraction plane is obtained

in a goniometer type

ψ

(fig. 1).

Rys. 1. Geometria promieni rtg w goniometrze ψ : 1 – źródło promieni rentgenowskich, 2 – szczelina rozbieŜności, 3 – próbka, 4 – szczelina wejściowa detektora, 5 – okrąg ogniskowania promieni rentgenowskich [1] Fig. 1 Geometry of x rays in a ψ goniometer: 1 – a n x-ray source, 2 – divergence gap, 3 – sample,

(3)

Rys. 2. Liniowa zaleŜność ε_ϕψ w klasycznej metodziesin2ψ. Punkty (1), (2), (3) odpowiadają pomiarom odległości między płaszczyznowej {hkl} w odpowiednio zorientowanych ziarnach mikrostruktury [2]

Fig. 2. Linear ε_ϕψ relationship in the classical sin2_{ψ method. Points (1), (2), (3) correspond to the measurements}

of the distance between the planes {hkl} in the properly oriented microstructure grains [2]

Odkształcenie sieci krystalicznejε_ϕψ zmie-rzone w kierunku wyznaczonym przez kąty ϕ i ψ, jest liniową funkcją sin2ψ (rys. 2), nieza-leŜnie od kierunku wyznaczonego przez azymut ϕ [2]. Ta liniowa zaleŜność

(

)

b

a +

=

σ

ψ

ε

_ϕψ _ϕ sin2 wykorzystywana jest do obliczeń makronapręŜeń własnych przy zało-Ŝeniu izotropowości stałych spręŜystości.

Do obliczeń bezwzględnych wartości σ_ϕ nie jest konieczny pomiar d materiału wzor-_o cowego (bez napręŜeń), gdyŜ napręŜenie obli-czone jest z nachylenia prostej. Takie postępo-wanie przy załoŜeniach ciała izotropowego czyni tę metodę bezwzorcową, umoŜliwiającą pomiary bezwzględnych wartości makronaprę-Ŝeń własnych.

3. BADANIA WŁASNE 3.1. Materiał do badań

Stemple do wyciskania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku wykonane były z jednego odcinka pręta, ze stali HS6-5-2. Skład che-miczny stali wyznaczono za pomocą optycz-nego spektrometru emisyjoptycz-nego o wzbudzeniu jarzeniowym GDS500A firmy LECO. Wyniki zamieszczono w tablicy 1.

Deformation of the crystal lattice, ε_ϕψ,

measured in the direction determined by the

angles of ϕ and ψ , is a linear function,

ψ 2

sin (fig. 2) regardless of the direction

de-termined by the azimuth, ϕ. [2]. The linear

relationship of

ε

_ϕψ =a

σ

_ϕ

(

2

ψ

)

+b

sin is used

in the calculation of macro stresses with the assumption of constant elasticity isotropy

The measurement of d0 of the model

mate-rial (with no stress) is not necessary for the

calculation of the absolute values of σ_ϕ,

be-cause the stress is calculated from the straight line inclination. Such a procedure, with the assumptions of an isotropic body, makes the method a no model one, enabling the abso-lute values of internal stresses to be measured . 3. THE AUTHOR’S OWN

INVESTIGA-TION

3.1. Investigation material

The punches for backward extrusion of zinc products were made from one section of a HS6-5-2 steel bar. The chemical composi-tion of the steel has been determined by means of a glow discharge spectrometer, GDS500A made by LECO. The results can be found in table 1.

(4)

Tablica 1. Skład chemiczny stali HS6-5-2 uŜytej do wykonania stempli Table 1. The chemical composition of the HS6-5-2 steel used for the punches

Zawartość pierwiastków, % Content of elements, % Znak stali Steel designation C Si Mn P S Cr W Mo V Ni Ti. Co Cu HS6-5-2 1,02 0,37 0,31 0,028 0,017 3,71 6,31 4,28 1,84 0,53 0,57 0,42 0,15

Rys. 3. Stempel do wyciskania przeciwbieŜnego i wypraska Fig. 3. A backward extrusion punch and a die stamping

Zdjęcie stempla do wyciskania przeciwbieŜne-go z wyrobem z cynku pokazano na rys. 3. 3.2. Aparatura do badania napręŜeń

wła-snych

Pomiary napręŜeń w stemplu przeprowa-dzono za pomocą dyfraktometru rentgenow-skiego Kristatalloflex 4 firmy Siemens z go-niometrem Eg 4/201 (rys. 4). Zastosowano dyfraktometryczną metodę pomiaru napręŜeń tzw. metodę sin2ψ.

Pomiary kontrolne przeprowadzono na odpręŜonym proszku Ŝelaza ARMCO. Do ana-lizy wybrano refleks (211) widoczny przy promieniowaniu CrKα. Wyniki zaprezentowano

w tablicy 2. Zaobserwowano, Ŝe zastosowane procedury pomiarowe dla goniometru EG 4/201 umoŜliwiają pomiar odległości między-płaszczyznowej z dokładnością ± 0.00001 Å i w tych granicach nie zmieniają się równieŜ dla próbki wzorcowej (bez napręŜeń).

A photograph of a backward extrusion punch with a zinc product has been show in fig. 3. 3.2. Internal stress investigation apparatus

The stress measurement in the punch has been performed by means of an x-ray diffrac-tometer, Kristalloflex 4 made by Siemens, with a goniometer, Eg 4/201 (fig. 4). The diffracto-metric method of stress measurement, the so

called sin2ψ method, has been applied.

Check measurements have been performed on a relieved iron powder, ARMCO. For the analysis, the reflex (211) visible in

the CrKα radiation has been selected. The

re-sults are shown in table 2. It has been found that the measurement procedure applied for the EG 4/201 goniometer make it possible to measure the distance between the planes with the accuracy of ± 0.00001 Å and within that limit they do not vary for the model sample (with no stress) either.

(5)

Stempel do wyciskania przeciwbieŜnego Stolik do próbek Okienko lampy rtg Detektor promieniowania X σσwzdłuŜneσσ σ σ σ σobwodowe

Rys. 4. Stempel do wyciskania umieszczony w goniometrze EG 4/201 Fig. 4. Extrusion punch placed In the EG 4/201 goniometer

Tablica 2. Sprawdzenie poprawności procedury pomiaru na proszku Ŝelaza ARMCO (odpręŜony proszek) Table 2. Check of the measurement procedure correctness on the ARMCO iron powder (relieved one)

Lp. Item ψ ψ ψ ψ [ °°°° ] d [ o A] 2ΘΘΘ Θ [ °°°° ] 1 -40 1,17351 154,646 2 -30 1,17350 154,649 3 -20 1,17350 154,650 4 0,0 1,17350 154,650 gdzie:

ψ - kąt między normalną do powierzchni i normalną do uginających płaszczyzn {hkl},

d - odległość między płaszczyznami krystalo-graficznymi {hkl},

θ - kąt Bragga.

Zapisy dyfrakcyjne wykonano stosując nastę-pujące parametry:

• promieniowanie CrKα ,

• napięcie lampy 40kV, • natęŜenie 16 mA,

• szczelinę ograniczającą wiązkę pierwotną DS = 0,5°,

• szczelinę przyjmującą licznika SS=0,2 mm, • zakres zapisów dyfrakcyjnych: 147°÷154°, z

krokiem 0,5° i czasem zliczania INT = 30 s, • zmiany kątów ψ = -40°, -30°, -20°, 0,0°.

where:

ψ - the angle between normal to the surface

and the normal to the deflecting planes, {hkl},

d - distance between the crystallographic pla-nes, {hkl},

θ - Bragg angle.

The diffraction records have been made with the use of the following parameters:

● radiation CrK,

● lamp voltage 40 kV, ● intensity 16 mA,

● primary beam limiting gap, DS = 0.5o,

● counter receiving gap, SS = 0.2 mm,

● diffraction recording range: 147°÷154°,

with the step of 0.5o and computation time of

INT = 30 s,

● variations of ψ angles = -40°, -30°, -20°,

(6)

Ψ Ψ Ψ

Ψ=0,0o ΨΨ=-20ΨΨ o Ψ=-30ΨΨΨ o ΨΨΨΨ=-40o

NatęŜenie I

Rys. 5. Przykład układu profili dyfrakcyjnych na stemplu - prasa nr 1, sekcja nr 1 Fig. 5. An example of diffraction profile arrangement on a punch – press no. 1, section no.1

Otrzymane profile linii dyfrakcyjnych stali (211) (rys. 5) wygładzono, odejmowano tło, składową α2, wyznaczano maksimum. Z linii

dyfrakcyjnych obliczono odległość między-płaszczyznową d221 stanowiącą podstawę do

obliczeń napręŜeń.

3.3. Badania napręŜeń w stemplu do wyci-skania

Pomiary rentgenowskie wykonano na stemplach do wyciskania przeciwbieŜnego wy-robów z cynku w przerwach eksploatacyjnych. Ekspozycji poddano powierzchnie stempli w obszarze części roboczej. Wszystkie pomiary przeprowadzono w tych samych warunkach prądowo-napięciowych i optycznych wiązki rentgenowskiej. KaŜdy pomiar wykonano w trzech punktach na obwodzie stempla, po obrocie o kąt 120° wokół jego osi.

4. WYNIKI BADAŃ 4. 1. Materiał badany

Materiałem badanym były stemple do wy-ciskania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku. Badania przeprowadzono w przerwach eksplo-atacyjnych. Stemple oznaczano: prasa nr 1, sekcja nr 1, 2, 3, 4 (rys. 6).

The obtained profiles of diffraction lines of the steel (211) (fig.5) have been smoothed,

the background, component α2 have been

sub-tracted, maximum has been determined. From the diffraction lines, the distance between

the planes, d221 (which is the basis for

the stress calculation) has been calculated. 3.3. Examination of stresses in an extrusion

punch

X-ray measurements have been performed on punches for backward extrusion of zinc products in exploitation intervals. The parts exposed were the punch surfaces in the wor-king areas of them. All the measurements have been performed under the same current, vol-tage and optical conditions of the x-ray beam. Each measurement has been performed at three points on the punch circumference, after

turning the punch by the angle of 120o around

its axis.

4. INVESTIGATION RESULTS

4.1. Material under investigation

The material under investigation was punches for backward extrusion of zinc prod-ucts. The investigation has been performed under exploitation conditions. The punches have been marked: press no. 1, section no. 1, 2, 3, 4 (fig. 6).

(7)

Stempel po wykonaniu 150.500 sztuk wyrobów

Punch after execution of 150,500 pcs of products Stempel po wykonaniu 523.125 sztuk wyrobów Punch after execution of 523,125 pcs of products

Stempel po wykonaniu 841.625 sztuk wyrobów

Punch after execution of 841,625 pcs of products Stempel po wykonaniu 1.050.125 sztuk wyrobówPunch after execution of 1,050,125 pcs of products

Stempel po wykonaniu 1.538.875 sztuk wyrobów

Punch after execution of 1,538,875 pcs of products

Rys. 6. Stemple do wyciskania wyrobów z cynku wybrane do badań Fig. 6. Zinc product extrusion punches selected for the investigation

(8)

4.2. Pomiary napręŜeń

W tablicach 3÷7 podano wyniki pomiarów napręŜeń własnych w warstwach wierzchnich stempli do wyciskania przeciwbieŜnego. Gra-ficzną interpretację badanego stanu napręŜeń podano na rys. 7÷11.

4.2. Stress measurements

In tables 3÷7, one can find the results of inter-nal stress measurements ion the surface layers of backward extrusion punches. A graphic in-terpretation of the stress condition under inves-tigation has been presented in figs 7÷11. Tablica 3. NapręŜenia własne w warstwach powierzchniowych badanych stempli po wykonaniu 150.500 sztuk wyrobów

Table 3. Internal stresses in the surface layers of the investigated punches after execution of 150,500 pcs of products

Tablica 4. NapręŜenia własne w warstwach powierzchniowych badanych stempli po wykonaniu 523.123 sztuk wyrobów Table 4. Internal stresses in the surface layers of the punches under investigation after execution of 523,123 pcs of products

Ilość wykonanych wyrobów – 150.500 sztuk

Number of products executed – 150,500 pcs

Charakterystyka stempla Punch characteristics Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla Angular position of the

measu-rement point on the punch circumference [o] NapręŜenia Stresses σ [MPa] Średnia wartość napręŜeń Average stress value [MPa] 120 -740 240 -738

Stempel nr 1 / Punch no. 1 Prasa nr 1 / Press no. 1

Sekcja nr 1 / Section no. 1 ₃₆₀ _-762

-747

120 -517

240 -497

-512

120 -687

240 -716

-700

120 -769

240 -643

-682

Charakterystyka stempla Punch characteristics Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla Angular position of the mea-surement point on the punch

circumference [o] NapręŜenia Stresses σ [MPa] Średnia wartość napręŜeń Average stress value [MPa] 120 -696 240 -631

-681

120 -524

240 -532

-517

120 -703

240 -723

-719

120 -728

240 -641

(9)

Stempel nr 1, ilość sztuk - 150 500 -740 -738 -762 -780 -760 -740 -720 120 240 360 N ap re Ŝ en ia w ła sn e [M P a] .. .

Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla [o_]

Stempel nr 2, ilo•• sztuk - 150 500 -517 -497 -523 -540 -520 -500 -480 120 240 360 N ap r• •e n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 3, ilość sztuk - 150 500 -687 -716 -698 -740 -720 -700 -680 -660 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 4, ilość sztuk - 150 500 -769 -643 -633 -800 -760 -720 -680 -640 -600 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Rys. 7. Wartości napręŜeń własnych w warstwie powierzchniowej stempli po wykonaniu 150.500 sztuk wyrobów Fig. 7. Internal stress values in the surface layer of the punches after execution of 150,500 pcs of products

Stempel nr 1, ilość sztuk - 523 123 -696 -631 -717 -740 -720 -700 -680 -660 -640 -620 -600 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 2, ilość sztuk - 523 123 -524 -532 -495 -560 -520 -480 -440 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 3, ilość sztuk - 523 123 -703 -723 -730 -760 -720 -680 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 4, ilość sztuk - 523 123 -728 -641 -656 -760 -720 -680 -640 -600 -560 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Rys. 8. Wartości napręŜeń własnych w warstwie powierzchniowej stempli po wykonaniu 523.123 sztuk wyrobów Fig.8. Internal stress values In the surface layer of the punches after execution of 523,123 pcs of products

-480 -720 -600 -660 -440 -600 -560 -680

(10)

Tablica 5. NapręŜenia własne w warstwach powierzchniowych badanych stempli po wykonaniu 841.625 sztuk wyrobów

Table 5. Internal stresses in the surface layers of the punches under investigation after execution of 841,625 pcs of products

Tablica 6. NapręŜenia własne w warstwach powierzchniowych badanych stempli po wykonaniu 1.050.125 sztuk wyrobów

Table 6. Internal stresses in the surface layers of the punches under investigation after execution of 1,050,125 pcs of product

Charakterystyka stempla Punch characteristics Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla Angular position of the mea-surement point on the punch

-641

120 -508

240 -503

-500

120 -727

240 -699

-720

120 -28

240 -26

Sekcja nr 4 / Section no. 4 ₃₆₀

-24

-26

Ilość wykonanych wyrobów – 1.050.125 sztuk

Number of products executed – 1,050,125 pcs

Charakterystyka stempla Punch characteristics

Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla Angular position of the mea-surement point on the punch

-592

120 -445

240 -415

-422

120 -664

240 -643

-656

120 213

240 247

Sekcja nr 4 / Section no. 4 ₃₆₀ ₂₄₃

(11)

Stempel nr 1, ilość sztuk - 841 625 -674 -601 -648 -700 -660 -620 -580 -540 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 2, ilość sztuk - 841 625 -508 -503 -488 -520 -480 -440 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 3, ilość sztuk - 841 625 -727 -699 -733 -750 -740 -730 -720 -710 -700 -690 -680 -670 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla [o_] Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla [o_]

Rys. 9. Wartości napręŜeń własnych w warstwie powierzchniowej stempli po wykonaniu 841.625 sztuk wyrobów Fig. 9. Internal stress values in the surface layer of the punches after execution of 841,625 pcs

Stempel nr 1, ilość sztuk -1 050 125 -628 -545 -605 -650 -610 -570 -530 -490 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 2, ilość sztuk -1 050 125 -445 -415 -406 -460 -420 -380 -340 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 3, ilość sztuk -1 050 125 -664 -643 -660 -680 -640 -600 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 4, ilość sztuk -1 050 125

213 247 ₂₄₃ 160 200 240 280 120 240 360 N ap rę Ŝ en ia w ła sn e [M P a] … .

Rys. 10. Wartości napręŜeń własnych w warstwie powierzchniowej stempli po wykonaniu 1.050.125 sztuk wyrobów Fig.10. Internal stress values In the surface layer of the punches after execution of 1,050,125 pcs of products

(12)

Tablica 7. NapręŜenia własne w warstwach powierzchniowych badanych stempli po wykonaniu – 1.538.878 sztuk wyrobów

Table 7. Internal stresses in the surface layers of the punches under investigation after execution of 1,538,878 pcs of products

Stempel nr 1, ilość sztuk -1 538 878 -649 -630 -602 -680 -640 -600 -560 120 240 360

Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla [ ]

N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 2, ilość sztuk -1 538 878 -418 -401 -415 -440 -400 -360 120 240 360

Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla [ ]

N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Stempel nr 3, ilość sztuk -1 538 878 -680 -657 -633 -720 -680 -640 -600 120 240 360 N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] … .

Rys. 11. Wartości napręŜeń własnych w warstwie powierzchniowej stempli po wykonaniu 1.538.878 sztuk wyrobów Fig. 11. Internal stress values in the surface layer of the punches after execution of 1,538,878 pcs of products

Ilość wykonanych wyrobów – 1.538.878 sztuk

Number of products executed – 1,538,878 pcs

Charakterystyka stempla Punch characteristics

Kąt połoŜenia punktu pomiarowego na obwodzie stempla Angular position of the mea-surement point on the punch

-627

120 -418

240 -401

-411

120 -680

240 -657

(13)

5. WYNIKI KOŃCOWE BADAŃ

ZuŜycie lub zniszczenie stempli do wyci-skania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku w wyniku ich eksploatacji uzaleŜnione jest od następujących głównych czynników:

• charakterystyki i sposobu obciąŜenia,

• struktury i właściwości materiałów stempli do wyciskania przeciwbieŜnego,

• warunków eksploatacyjnych, • oddziaływania środowiska.

ObciąŜenia eksploatacyjne stempli do wy-ciskania przeciwbieŜnego wywołują w nich złoŜony stan napręŜeń. Cechą charakterystycz-ną, jak wynika z przeprowadzonych badań na stemplach do wyciskania przeciwbieŜnego, jest występowanie w warstwie wierzchniej stempla napręŜeń wewnętrznych.

W strefie przypowierzchniowej występuje koncentracja napręŜeń wynikająca ze stykowe-go oddziaływania współpracujących elemen-tów (stempel–matryca). Powoduje ona zmniej-szenie wytrzymałości stempli w wyniku dzia-łania okresowo zmiennych obciąŜeń.

Pomiary napręŜeń własnych stempli do wyciskania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku były wykonywane na stemplach (rys. 6) w cza-sie prowadzenia konserwacji przyrządów pro-dukcyjnych. Stwierdzono, Ŝe napręŜenia wła-sne w punktach pomiarowych na obwodzie stempli wykazują róŜnice w przypadku stempli nr 1, 2 , 3 wynoszą ok.20 MPa, natomiast dla stempla nr 4 ok. 130 MPa (rys. 7).

W trakcie eksploatacji obciąŜenie stempli zmienia się cyklicznie. Stempel jest bowiem ściskany w czasie roboczego ruchu suwaka prasy i rozciągany w czasie ruchu powrotnego. Wskutek nakładania się w warstwie wierzch-niej napręŜeń własnych i napręŜeń od obciąŜeń zewnętrznych w przypadku stempla nr 4 po pomiarach napręŜeń zaobserwowano nagłe obniŜenie napręŜeń ujemnych do wartości ok. -26 MPa (rys. 9). MoŜe to być sygnał przyspie-szonego zuŜycia stempla nr 4, które poprzedza przewartościowanie znaku (z „-” na „+”) na-pręŜeń własnych (rys. 10).

Przebieg zmian napręŜeń własnych (warto-ści średnie) w stemplach nr 1, 2, 3, 4 do wyci-skania przeciwbieŜnego wyrobów z cynku zo-stał przedstawiony na rys. 12.

5. FINAL RESULTS OF THE INVESTIGA-TION

The wear or destruction of punches for backward extrusion of zinc products as result of their exploitation depends on the following major factors:

● character and manner of loading,

● structure and properties of the backward extrusion punch materials,

● exploitation conditions, ● influence of the environment.

The exploitation loads of backward extru-sion punches cause a complex state of stresses in them. A characteristic feature is, as found in the performed investigation of backward extrusion punches, is the occurrence of internal stresses in the punch surface layer.

There is a concentration of stresses in the near surface layer resulting from the con-tact impacyt of the matching parts (punch–die). It causes a reduction of the punch strength resulting from periodically variable loads.

The measurements of internal stresses of the punches for backward extrusion of zinc products have been performed on the punches (fig. 6) during maintenance works on produc-tion devices. It has been found that the internal stresses at the measurement points on the punch circumference show differences; in the case of punches no. 1, 2, 3 the diffe-rences are about 20 MPa; in the case of punch no. 4 about 130 MPa (fig. 7).

In the course of exploitation, the load of the punches varies in a cyclic way for the punch is compressed during the working stroke of the press and stretched during the re-turn stroke. Due to the coincidence of the in-ternal stresses and those resulting from exter-nal loads in the surface layer, in the case of punch no. 4, after stress measurements a sudden drop of negative stresses down to about -26 MPa has been observed (fig. 9). This can be a symptom of accelerated wear of punch no.4 which is followed by the change of the sign of the internal stresses (from “-“ to “+”) (fig. 10).

The progress of internal stress variations (average values) in punches no. 1, 2, 3, 4 for backward extrusion of zinc products has been shown in fig. 12.

(14)

-800 -600 -400 -200 0 200 400 0 400000 800000 1200000 1600000

Liczba wyciśniętych wyrobów [mln]

N ap rę Ŝe n ia w ła sn e [M P a] .. .. Stempel nr 1 stempel nr 2 Stempel nr 3 Stempel nr 4

Rys. 12. Wartości napręŜenia w stemplach do wyciskania przeciwbieŜnego w zaleŜności od liczby wykonanych wyrobów

Fig. 12. Stress values in backward extrusion punches as a function of the number of products executed

6. WNIOSKI

Uzyskane wyniki wskazują, Ŝe:

1. Monitorowanie stanu napręŜeń własnych w stemplach do wyciskania wyrobów z cynku umoŜliwia precyzyjną ocenę wa-runków pojawienia się przy powierzchni napręŜeń rozciągających, niedopuszczal-nych z punktu widzenia eksploatacji. 2. NapręŜenia ściskające zapewniają

długo-trwałą eksploatację stempli do wyciskania przeciwbieŜnego.

3. Z chwilą wystąpienia zmiany napręŜeń ściskających na napręŜenia rozciągające występuje przyspieszenie zuŜycia stempli do wyciskania.

Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej BB 901 69 002 Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu.

6. CONCLUSIONS

1. Monitoring of the state of internal stresses in the punches for extruding zinc products enables precise assessment of the condi-tions of occurrence of tensile stresses, inadmissible from the exploitation point of view, to be effected.

2. Compressive stresses provide long lasting exploitation of backward extrusion pun-ches.

3. When the compressive stresses change into tensile ones, the wear of the extrusion punches accelerated.

The work has been performed within statute activity BB 901 69 002 of the Metal Forming Institute in Poznań.

LITERATURA/REFERENCES

[1] Samolczyk J.: Wyznaczanie napręŜeń własnych w wyrobach metalowych metodą rentgenowską. Praca INOP: BM 901.78.01.02.03.04.2005.

[2] Lai MO, Oh JT, and Nee AYC: Fatigue Properties of Holes with Residual Stresses. Eng Fracture Mech. 1993, 45(5), 551-557.