Widok Wywijanie obrzeży otworów w blachach grubych

mgr inŜ. Waldemar Matysiak Politechnika Poznańska, Poznań

WYWIJANIE OBRZEśY OTWORÓW

W BLACHACH GRUBYCH

Streszczenie

W artykule przedstawiono: przebieg i wyniki badań procesu wywijania obrzeŜy otworów w blachach grubych. Badania procesu wywijania realizowane były w Laboratorium Zakładu Obróbki Plastycznej Instytutu Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej. Badania podjęto w związku z moŜliwością zastosowania lasera do wycinania otworów w blachach grubych. W wyniku przeprowadzonych badań wykonano serię prób przy uŜyciu stempli: walcowego, kulistego i stoŜkowego oraz krąŜków z blach Bw11, 34GXA i 15HGMV o róŜnych średnicach otworów. Otwory uzyskano poprzez wiercenie i wycinanie laserem. Stwierdzono wpływ sposobu uzyskania otworu na moŜliwości wywijania i jakość wywiniętych obrzeŜy.

Słowa kluczowe: obróbka plastyczna, kształtowanie obrzeŜy, wywijanie

1. Wprowadzenie

Wywijanie jest procesem, w którym występuje powiększenie uprzednio wycię-tych otworów i wywinięcie dookoła wycię-tych otworów ścianek, najczęściej walcowych lub stoŜkowych. W czasie procesu wywija-nia występują znaczne wydłuŜewywija-nia obwo-dowe. Największą wartość osiągają one na brzegu wywinięcia i tu właśnie powstają pierwsze pęknięcia. Moment powstania pęknięć, dla określonego materiału i spo-sobu wywijania, zaleŜy od wartości od-kształcenia i sposobu wykonania otworu [1].

W czasie wywijania następuje wzrost średnicy obrzeŜa kosztem zmniejszenia grubości ścianki, zgodnie z rysunkiem 1. Wywijanie przeprowadza się dwoma meto-dami: wyoblania lub tłoczenia. Wymaganą wysokość kołnierza wywiniętego moŜna uzyskać po odpowiednim dobraniu średnicy d otworu wykonanego uprzednio w blasze o grubości g0. Średnica otworu nie moŜe

być dobrana dowolnie, bowiem jeśli prze-kroczona zostanie pewna wartość granicz-na, to mogą się pojawić pęknięcia na kra-wędzi kołnierza.

Rys. 1. Schemat wywijania

Stopień odkształcenia przy wywijaniu obrze-Ŝy otworów określa się stosunkiem średnicy otworu w półfabrykacie do średnicy obrzeŜa, czyli tzw. współczynnikiem wywijania [1].

. gr D d D d kw       > = (1) gdzie:

d – średnica otworu przed wywijaniem, D – średnica wywijania (średnica obrzeŜa),

wg warstwy środkowej, gr. – wartość graniczna.

jania kw zaleŜy od [1]:

• chropowatości powierzchni obrzeŜa otworu, im większa chropowatość, tym większe ryzyko pęknięcia obrzeŜą, • względnej grubości półfabrykatu,

wyra-Ŝonej stosunkiem g0/D0, cieńszy materiał

wyjściowy szybciej pęka z uwagi na dal-sze pocienienie przy wywijaniu,

• gatunku materiału i jego własności, • kształtu roboczej części stempla i

pro-mienia r. Im większy promień r, tym ma-teriał jest mniej podatny na pękanie. Wysokość obrzeŜa jest obliczana we-dług zaleŜności [1]:

(

)

r – promień zaokrąglenia matrycy, g0 – grubość materiału wyjściowego.

Najmniejsza grubość materiału g1 na

krawędzi obrzeŜa wynosi [1]: w

k g

g₁ = ₀ [mm] (3) gdzie:

g1 – grubość materiału na krawędzi obrzeŜa.

Siła wywijania stemplem walcowym w przybliŜeniu obliczana jest wg wzoru [1]:

(

)

π

Re – granica plastyczności materiału.

Celem prowadzonych badań była ocena przydatności otworów wycinanych laserowo do wywijania, porównanie wysokości i gru-bości ścianek wywiniętych obrzeŜy otworów wierconych i wycinanych laserowo.

2. Materiał, metodyka i wyniki badań doświadczalnych

Do badań uŜyto próbek w postaci krąŜ-ków o średnicy 160 mm, które zostały wyto-czone z kwadratów o boku 170 mm oraz wycięte laserowo z pasów blach następują-cych gatunków: Bw11, 34GXA, 15HGMV.

szczelina między stemplem i matrycą z = g0.

Wymienione stale były wykonane na specjalne zamówienie Politechniki Poznań-skiej, stal gatunku Bw 11 w Hucie Często-chowa a 34GXA i 15HGMV w Hucie Batory.

Rys. 2. KrąŜek wyjściowy do badań

Przed przystąpieniem do badań zapro-jektowano geometrię narzędzi i przygoto-wano stanowisko do wywijania obrzeŜy otworów (rys. 3).

Rys. 3. Przyrząd do wywijania obrzeŜy otworów zamontowany na prasie PYE 250

Do prób zastosowano trzy rodzaje stempli: o kształcie walcowym, kulistym oraz stoŜkowym (rys. 4).

Rys. 4. Stemple uŜyte do prób wywijania

Skład chemiczny wywijanych blach przedstawiono w tablicy 1.

Tablica 1 Skład chemiczny stali uŜytych do wywijania

Skład chemiczny, % Znak gatunku stali _{C Mn Si} P max. S max. Cr max. Ni Cu Al Mo V Ca 34GXA 0,280 1,080 0,190 0,008 0,002 0,150 0,221 0,060 0,022 - - - Bw11 0,09÷ ÷0,13 0,30÷ ÷0,5 max. 0,13 0,025 0,025 0,20 max. 0,2 - 0,03÷ ÷0,07 - - - 15HGMV 0,12÷ ÷0,18 0,80÷ ÷1,0 max. 0,2 0,020 0,015 1,25÷ ÷1,5 max. 0,4 max. 0,10 0,01÷ ÷0,03 0,80÷ ÷1,00 0,20÷ ÷0,30 ~0,002

KrąŜki zostały wycięte na maszynie do cięcia laserowego Behrens CB2500, wypo-saŜonej w laser Triagon 2500 o nominalnej mocy lasera 2700W. Parametry cięcia lase-rowego podano w tablicy 2.

Tablica 2 Parametry cięcia laserowego

Moc lasera w [%} [W} 45% / 1215W Ciśnienie gazu [mbar] 330 Posuw startu w [mm/min.] 800 Posuw cięcia w [mm/min.] 1300 Wielkość dyszy tnącej – śred.

otw. w [mm] 1

Chłodzenie dyszy tak

Odległość dyszy tnącej

od materiału 0,5

Rodzaj gazu wspomagającego

cięcie tlen

Soczewka ogniskująca 5”

W tablicy 2 wymieniono parametry, które były optymalnymi parametrami cięcia dla danej maszyny. Pozwoliły one uzyskać największą prędkość cięcia i najmniejszą chropowatość ciętej powierzchni.

Proces wywijania przeprowadzono na pra-sie PYE 250. Charakterystykę prasy poda-no w tablicy 3.

Tablica 3 Dane charakterystyczne prasy PYE 250

Nacisk nominalny 2500 kN

Maksymalna siła powrotu suwaka

800 kN

Maksymalna prędkość suwaka

przy ruchu w dół 20 mm/s

Maksymalna prędkość suwaka

przy ruchu w górę 63 mm/s

Maksymalny skok suwaka 500 mm Nominalne ciśnienie w układzie

hydraulicznym 20 MPa

Wymiary stołu 900x700 mm

Próby rozpoczęto od zamocowania krąŜka w przyrządzie oraz dociśnięciu go dociskaczem.

Jako pierwsze wywijano próbki z otwo-rami wyciętymi laserowo. UŜyto środka smarnego Rotanor CZU.

Wyniki tych prób przedstawiono w tabli-cach 4÷9.

Wyniki wywijania obrzeŜy otworów wyciętych laserowo, stempel walcowy Materiał próbek Grubość materiału g0 [mm] Średnica otworu d [mm] Grubość wywinię-tego kołnierza g1 [mm] Wysokość wywinięcia H [mm] Siła zmierzona P [kN] 8 23 5,6 30,4 400 Bw 11 8 21 5,4 31,1 450 8 19 5,0 32,6 480 8 23 7,2 30,2 550 34GXA 8 21 próbka pęknięta - -

8 19 - - - 8 23 5,2 28,8 550 15HGMV 8 21 4,8 29,5 580 8 19 próbka pęknięta - -

Tablica 5 Wyniki wywijania obrzeŜy otworów wyciętych laserowo, stempel kulisty

Materiał próbek Grubość materiału g0 [mm] Średnica otworu d [mm] Grubość wywinię-tego kołnierza g1 [mm] Wysokość wywinięcia H [mm] Siła zmierzona P [kN] 8 23 5,1 31,1 320 Bw 11 8 21 4,6 29,2 350 8 19 4,4 28,6 400 8 23 4,5 27,8 450 34GXA 8 21 próbka pęknięta - -

8 19 - - - 8 23 5,1 27,5 480 15HGMV 8 21 próbka pęknięta - -

8 19 - - -

Tablica 6 Wyniki wywijania obrzeŜy otworów wyciętych laserowo, stempel stoŜkowy

Materiał próbek Grubość materiału g0 [mm] Średnica otworu d [mm] Grubość wywinię-tego kołnierza g1 [mm]] Wysokość wywinięcia H [mm] Siła zmierzona P [kN] 8 23 5,5 26,8 340 Bw 11 8 21 5,1 27,5 360 8 19 4,8 28,2 380 8 23 7,5 26,9 500 34GXA 8 21 próbka pęknięta - -

8 19 - - - 8 23 6,8 26,1 520 15HGMV 8 21 próbka pęknięta - -

Tablica 7 Wyniki wywijania obrzeŜy otworów wierconych, stempel walcowy

Materiał próbek Grubość materiału g0 [mm] Średnica otworu d [mm] Grubość wywinię-tego kołnierza g1 [mm] Wysokość wywinięcia H [mm] Siła zmierzona P [kN] 8 23 5,7 32 400 Bw 11 8 21 5,1 32,8 440 8 19 4,9 31,5 460 8 23 5,3 30,1 500 34GXA 8 21 4,9 31,5 550 8 19 4,6 32 620 8 23 5,2 29,5 650 15HGMV 8 21 4,9 31 800 8 19 próbka pęknięta - - Tablica 8 Wyniki wywijania obrzeŜy otworów wierconych, stempel kulisty

Materiał próbek Grubość materiału g0 [mm] Średnica otworu d [mm] Grubość wywinię- tego kołnierza g1 [mm] Wysokość wywinięcia H [mm] Siła zmierzona P [kN] 8 23 4,9 28,3 280 Bw 11 8 21 4,5 29,6 320 8 19 4,2 30,5 350 8 23 4,9 28,6 400 34GXA 8 21 4,6 30,0 480 8 19 4,2 31,2 500 8 23 4,5 28,3 480 15HGMV 8 21 próbka pęknięta - - 8 19 - - - Tablica 9 Wyniki wywijania obrzeŜy otworów wierconych, stempel stoŜkowy

Materiał próbek Grubość materiału g0 [mm] Średnica otworu d [mm] Grubość wywinię-tego kołnierza g1 [mm] Wysokość wywinięcia H [mm] Siła zmierzona P [kN] 8 23 5,5 26,7 320 Bw 11 8 21 5,1 27,5 350 8 19 4,4 28,7 390 8 23 5,4 27,2 440 34GXA 8 21 5,1 28,2 460 8 19 próbka pęknięta - 8 23 5,5 27,2 540 15HGMV 8 21 5,2 27,6 570 8 19 próbka pęknięta - -

cach 4÷9 największą wysokość wywijanych obrzeŜy uzyskano dla otworów wierconych z blachy Bw11. Zastosowanie róŜnych stempli pozwoliło zredukować wartości sił, ale nie miało istotnego wpływu na grubość wywiniętych ścianek i wysokości obrzeŜy.

Wywijanie obrzeŜy otworów wycina-nych laserowo w wielu przypadkach nie powiodło się na skutek występowania stre-fy wpływu ciepła na obrzeŜu wywijanym, o odmiennej twardości w porównaniu do osnowy.

Po przeprowadzeniu badań dokonano pomiarów grubości ścianki g1. Grubość

ścianki g1 i wysokość H wywiniętego

obrzeŜa mierzono w czterech punktach próbki – co 90o. Nie stwierdzono istotnego wpływu kształtu stempla na grubość ścianki i wysokość wywinięcia.

Przeprowadzone badania dowodzą, Ŝe wywijanie nie wszystkich obrzeŜy zakoń-czyło się powodzeniem. Materiał pękał juŜ na początku procesu. Próbki z pękniętym obrzeŜem przedstawiają rysunki 5a i b. a)

b)

Rys. 5. Próbki z pękniętym obrzeŜem

cięcia laserowego (oddziaływania tempera-tury) na wywijane obrzeŜe [1, 2, 3]. War-stwa materiału będąca pod wpływem lase-ra jest utwardzona (Strefa Wpływu Ciepła - SWC), co potwierdziły badania twardości próbek. Pomiaru twardości dokonano me-todą Vickersa pod kątem 300 do krawędzi próbki (rys. 6a).

Schemat rozkładu twardości w prób-kach przedstawiono na rys. 6b.

a) b) 0 50 100 150 200 250 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 Odległość od krawędzi [mm] T w ar d o ś ć [ H V ]

Rys. 6. a) Schemat pomiaru twardości; b) rozkład twardości w próbkach

O występowaniu strefy SWC świadczą takŜe róŜne struktury metali przy po-wierzchni cięcia i w osnowie.

Struktura strefy SWC tuŜ przy po-wierzchni cięcia jest martenzytyczna (rys. 7a), podczas gdy struktura osnowy stali Bw11 jest ferrytyczna z niewielkim udzia-łem perlitu ze skoagulowanymi cząstkami cementytu (rys. 7b).

a)

b)

Rys. 7. a) Struktura martenzytyczna strefy SWC cięcia laserowego;

b) struktura ferrytyczna z niewielkim udziałem perlitu ze skoagulowanymi cząstkami cementy-tu osnowy charakterystyczna dla stali Bw11

W krąŜku ze stali 15HGMV struktura SWC przy powierzchni cięcia jest marten-zytyczna (rys. 8a), podczas gdy struktura stali poza strefą jest bainityczna (rys. 8b). a)

b)

Rys. 8. a) Struktura martenzytyczna strefy SWC cięcia laserowego dla stali 15HGMV; b) struktura bainityczna osnowy występująca

w krąŜku ze stali 15HGMV

Z pomiaru grubości strefy wpływu cie-pła – SWC cięcia laserowego wynika, Ŝe jest ona róŜna dla krąŜków wykonanych z róŜnych gatunków stali. Rozkład wielko-ści strefy wpływu ciepła - SWC dla stali 15HGMV przedstawiono na rys. 9.

Rys. 9. Rozkład wielkości strefy wpływu ciepła cięcia laserowego na grubości krąŜka, na przykładzie krąŜka ze stali 15HGMV

Aby zapobiec pękaniu nie zwiększano średnic otworów, poniewaŜ wysokość obrzeŜy wywiniętych byłaby mała a ich przydatność znikoma.

Istotny wpływ na pękanie ma równieŜ chropowatość powierzchni wokół otworów (rys. 10).

b)

Rys. 10. Powierzchnie wokół otworów: a) wyciętego laserem; b) wierconego

Pomiarów chropowatości dokonano profi-lometrem firmy Hommel Werke.

Średnie wartości parametru Ra otworów

wyciętych laserem wynosiły: - dla Bw11 – Ra = 4,79,

- 34GXA – Ra = 4,58,

- 15HGMV – Ra = 6,16.

Średnie wartości parametru Ra otworów

wierconych wynosiły: - dla Bw11 – Ra = 2,65,

- 34GXA – Ra = 2,45,

- 15HGMV – Ra = 3,02.

Wnioski

Z przeprowadzonych badań parametrów technologicznych wywijania obrzeŜy otwo-rów z róŜnych materiałów, uzyskanych róŜ-nymi metodami i przy róŜnych kształtach stempli moŜna wyciągnąć następujące wnioski:

1. Największą wysokość wywijanych obrzeŜy uzyskano dla otworów wierco-nych z blachy Bw11.

nych laserowo w wielu przypadkach nie powiodło się na skutek występowania strefy wpływu ciepła - SWC na obrzeŜu wywijanym, o odmiennej twardości w porównaniu do osnowy.

3. Pękanie obrzeŜy jest równieŜ wynikiem róŜnej chropowatości powierzchni wo-kół otworów uzyskanych róŜnymi meto-dami.

4. Przy przeprowadzaniu prób stwierdzo-no wpływ sposobu uzyskania otworu na moŜliwość wywijania i jakość wywinię-tych obrzeŜy.

5. Zastosowanie róŜnych stempli pozwoli-ło zredukować wartości sił, ale nie mia-ło istotnego wpływu na grubość wywi-niętych ścianek i wysokości obrzeŜy. 6. Aby moŜliwe było stosowanie cięcia

laserowego do wycinania otworów, któ-rych obrzeŜa będą wywijane, naleŜy otwór wycinany laserowo dodatkowo poddać obróbce skrawaniem, tak, aby usunąć strefę wpływu ciepła – SWC. 7. NaleŜy stwierdzić, Ŝe wycinanie

lase-rowe otworów moŜe zastąpić proces wycinania otworów na prasach, ale na-leŜy stosować dodatkowo obróbkę skrawaniem lub obróbkę cieplną obrze-Ŝy, chyba Ŝe nie są potrzebne wysokie wywinięte obrzeŜa.

8. Dalsze próby powinny być ukierunko-wane na: wprowadzenie obróbki ciepl-nej obrzeŜy, wprowadzenie skrawania cienkiej warstwy utwardzonej wokół otworu.

Literatura

1. Romanowski W. P., Poradnik obróbki plastycznej na zimno, WNT, Warszawa 1976.

2. Marciniak Z., Konstrukcja tłoczników, Warszawa 2002.

3. Ivanom Ju. L., Otbortovka flance v sten-ke trubnoj zagotovki, Kuzn.–štampov. Proiz. 1999 t. 41 nr 1 s. 19–20.

FORMATION ROUND OPENING FAT SHEET METAL Abstract

This article presents investigations as well results thick blanks burring. Investigations has made at Division of Plastic Work-ing Institute Materials Technology Poznan University of Technology. An investigation has started because usWork-ing laser events for thick discs cutting. In result of investigations some experiments has made using punches; cylindrical, spherical, conical, using disc blanks made of BW11, 34GXA and 15HGMV with different holes dimensions. Holes made conventional drilling and laser technique. Influence using holes made technique for specimen’s quality has observed.