Dr inŜ. Stanisław ZIÓŁKIEWICZ, mgr inŜ. Izabela CZARTORYSKA, Waldemar GRONOWSKI Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Badania procesu redukowania
średnicy końca rury metodą obciskania
Investigation of the process of pipe end diameter
reduction by the method of necking
Streszczenie
Artykuł omawia zagadnienie obciskania końcówek rur. Przedstawiono przeprowadzone badania mające na celu wyznaczenie granicznego współczynnika obciskania oraz optymalnych parametrów kształtowania. Jednym z problemów było pękanie odkształconego materiału podczas obciskania i formowania przekroju sześciokątnego końcówki rury. Wprowadzone wyŜarzanie międzyoperacyjne pozwoliło na wyeliminowanie powyŜszego zjawi-ska pękania materiału rury.
Abstract
The subject of the article is pipe end necking. It describes investigation performed to determine the limit coeffi-cient of necking and the optimum forming parameters. One of the problems was material cracking during forma-tion of the pipe end hexagonal secforma-tion. The introducforma-tion of interoperaforma-tion annealing has eliminated the phe-nomenon of the pipe material cracking.
Słowa kluczowe: obróbka plastyczna, obciskanie rur Key words: metal forming, pipe necking
1. WSTĘP
Redukcja średnicy rur jest zagadnieniem, które często znajduje zastosowanie w warun-kach produkcyjnych np. w produkcji wałków transmisyjnych. Przy kształtowaniu tego typu wyrobów moŜna stosować technologię obróbki plastycznej na zimno lub na gorąco oraz ob-róbki skrawaniem. W przypadkach nieduŜych serii jest stosowana metoda obciskania na zim-no poprzez przepychanie. Proces cechuje się niewielkimi stratami materiału, korzystnymi własnościami uŜytkowymi wyrobu oraz pro-stymi i tanimi narzędziami.
Zastosowanie określonej metody obróbki plastycznej wymaga znajomości granicznych wielkości deformacji przekroju poprzecznego, aby efektywnie i bezpiecznie przeprowadzić redukcję [1].
W Instytucie Obróbki Plastycznej w Po-znaniu zaprojektowano i wykonano gniazdo
produkcyjne do obciskania rur (rys. 1). W arty-kule przedstawiono problemy technologiczne, z jakimi napotkano się przy redukowaniu śred-nic precyzyjnych rur ze szwem [2].
Rys. 1. Gniazdo do obciskania rur zaprojektowane i wykonane w Instytucie Obróbki Plastycznej
w Poznaniu
Fig. 1. Pipe necking stand designed and executed in the Metal Forming Institute in Poznań
2. PROCES OBCISKANIA – PODSTAWY TEORETYCZNE PROCESU
Proces obciskania końcówek rur polega na miejscowym zmniejszeniu średnicy rury po-przez odkształcenie plastyczne, któremu podle-ga część rury. Do chwili wejścia końcówki rury do stoŜkowego otworu pierścienia obciskające-go panuje stan dwuosioweobciskające-go ściskania. Powo-duje to wzrost grubości ścianki. W miarę zbli-Ŝania się rury do wyjścia kształtującego pier-ścienia stoŜkowego, ściskające napręŜenia osiowe maleją. W warunkach przemysłowych taki proces jest zastosowany m.in. w produkcji zwęŜek stosowanych w rurociągach [3], [4], [5].
W przypadku procesu obciskania rur wy-stępują nawy-stępujące zjawiska ograniczające moŜliwość zmniejszania średnicy rury [5]: • fałdowanie się obrzeŜa obciskanej powłoki
walcowej na skutek ściskających napręŜeń obwodowych. Zjawisko to występuje, gdy grubość ścianki jest bardzo mała w stosunku do średnicy rury,
• wyboczenie walcowej powłoki pod wpły-wem siły ściskającej P,
• uplastycznienie rury przed narzędziem pod wpływem siły ściskającej P, przekraczającej Pgr.
Zgodnie z [3] parametrem krytycznym obci-skania końcówki rur jest stosunek średnicy początkowej φD do średnicy końcowej φd zwany współczynnikiem obciskania K (1):
K = d D (1) gdzie : K – współczynnik obciskania D – średnica początkowa d – średnica końcowa Współczynnik K zaleŜy od:
stosunku go/D. Dla małego stosunku go/D uzyskanie duŜych wielkości współczynni-ka obciswspółczynni-kania K jest ograniczone powsta-waniem fałd poprzecznych. Fałdowanie wzdłuŜne w części obciskanej wystąpi przy go/D ≤ 0,02; współczynnik obciskania K jest tym większy, im większy jest stosu-nek go/D rury; go – grubość ścianki rury wyjściowej,
rodzaju materiału - zwiększenie wytrzyma-łości na rozciąganie Rm i współczynnika potęgowego n krzywej umocnienia
materia-łu powoduje zmniejszenie współczynnika obciskania K,
kąta rozwarcia stoŜka – zwiększenie kąta rozwarcia stoŜka narzędzia stoŜkowego powoduje zmniejszenie K.
W przypadku obciskania rur stalowych [3] wartość krytyczna współczynnika obciskania K mieści się w przedziale od 1,25÷2,45. Stosunek grubości rury wyjściowej go do średnicy D wy-nosi od 0,021 do 0,920.
Podczas procesu obciskania następuje zmiana grubości ścianki rury. Jest ona najwięk-sza w miejscu minimalnej średnicy rury d w stoŜkowej części rury.
Grubość ścianki rury po obciskaniu – g1 moŜna wyznaczyć ze wzoru (2):
g1= go d
D (2)
3. PRZEBIEG BADAŃ
3.1. Materiał wyjściowy
Materiałem badanym była precyzyjna rura ze szwem ze stali S235JRH o średnicy ze-wnętrznej φ76,1±0,76 mm o grubość ścianki g0 = 3,2 mm ±10% (wg PN-EN 10219). Skład chemiczny rury był następujący (tabela 1):
Tabela 1. Skład chemiczny materiału badanej rury stalowej
Table 1. Chemical composition of the steel pipe material being investigated Składnik C Mn Si P S Zawartość [%] 0,07 0,76 0,02 0,015 0,014 Cr Ni Cu Al N2 0,02 0,02 0,04 0,036 0,0050
Struktura materiału rury (rys. 2) charakte-ryzuje się drobnym ziarnem o niewielkim od-węgleniu przy powierzchni. W obszarze zgrze-iny obserwuje się zmianę struktury i wyraźną strefę wpływu ciepła.
Materiał badany miał twardość w zakresie 130÷137 HB i następujące własności wytrzy-małościowe wyznaczone w próbie rozciągania próbek wyciętych wzdłuŜnie z rury: Re = 333 MPa, Rm = 398 MPa, A = 38,4% , A5 = 355/39,5 %.
a)
b)
Rys. 2. Struktura materiału rury stalowej (stal ferrytyczno-perlityczna) [2]
a) obszar zgrzeiny; b) obszar poza strefą wpływu ciepła Fig. 2. The structure of the steel pipe material
(ferritic-pearlitic steel) [2] a) pressure weld are; b) the area beyond
the heat affected zone
Obszar zgrzeiny posiada strukturę baini-tyczną. W obrębie działania źródła ciepła struk-tura w obszarze zgrzeiny jest inna niŜ poza nią. Poza obszarem sfery wpływu ciepła materiał jest jaśniejszy dzięki duŜej ilości ferrytu. Ob-szar zgrzeiny charakteryzuje się teŜ większą twardością w porównaniu z obszarem poza sferą wpływy ciepła. Na rysunku 2a widać równieŜ wypływ materiału.
3.2. Badania procesu obciskania końcówki rury
Celem badań było wyznaczenie optymal-nych parametrów procesu obciskania końcówki rury o średnicy początkowej φ d0 = 76,2 mm i procesu kształtowania końcówki sześciokąt-nej o wymiarze S = 34,75±0,10. Celem wyzna-czenia krytycznego współczynnika obciskania przeprowadzono próby redukowania średnicy rury na zimno i na półgorąco.
Badania obciskania na półgorąco przepro-wadzono na rurach o średnicy φ76,2 mm z temperatury nagrzania 7600C i przepychano przez stoŜkową matrycę o kącie rozwarcia 15o. Stwierdzono, Ŝe nawet przy współczynniku obciskania K = 1,17 następuje juŜ utrata sta-teczności rury w postaci wytłoczonego kołnie-rza (rys. 3).
Rys. 3. Odcinki rur wciskane na półgorąco w temperaturze 760 oC
Fig. 3. Pipe sections pressed in at 760°
Przed próbą obciskania rury na zimno, materiał wyjściowy poddano wyŜarzeniu zmiękczającemu. W procesie obciskania na zimno uzyskano współczynnik K = 1,23 i nie zaobserwowano śladów utraty stateczności rury (rys. 4).
Podobna wartość współczynnika obciska-nia uzyskano przy redukowaniu średnicy rury bez wstępnego procesu wyŜarzania.
Rys. 4. Odcinek rury obciskany na zimno po wyŜarzeniu zmiękczającym i ostudzeniu na powietrzu Fig. 4. A pipe section necked after softening annealing,
cooled in air
Na podstawie tak dobranego współczynni-ka obciswspółczynni-kania zaproponowano proces reduko-wania średnicy w sześciu operacjach w tym: cztery operacje redukcji średnicy oraz dwóch operacji kształtowania przekroju sześciokątne-go (tabela 2). Dla poszczególnych operacji współczynnik obciskania K leŜy poniŜej warto-ści krytycznej. Przed kaŜdym zabiegiem redu-kowania średnicy końce rur smarowane były smarem Neutol 1333.
Wielkości współczynnika obciskania dla przekrojów sześciokątnych dobierano ekspe-rymentalnie.
Tabela 2. Parametry obciskania końcówek rur Table 2. Pipe end necking parameters
Zabieg φ D [mm]/ /S mm φ d [mm]/ /S mm K g [mm] go/D 1 φ76,1 φ62,6 1,216 3,2 0,042 2 φ62,6 φ53,1 1,179 3,5 0,056 3 φ53,1 φ45,2 1,175 3,8 0,072 4 φ45,2 φ43,7 1,034 4,1 0,091 5 φ43,7 S36,6 6 S36,6 S34,75
Na rysunku 5 pokazano przebieg obciska-nia końca rur po proponowanym procesie tech-nologicznym.
Zaobserwowano, Ŝe podczas obciskania rur w operacji kształtowania sześciokąta po-wstają pęknięcia w naroŜnikach od strony we-wnętrznej (rys. 6), co jest niedopuszczalne na wyrobach typu wałek transmisyjny. Podobne zjawiska miały miejsce przy produkcji rur opi-sanych w [6], a przyczyną było przekroczenie dopuszczalnych odkształceń kształtowanego materiału.
a) b) c) d) e) f) g)
Rys. 5. Przebieg procesu obciskania końca rury:
a) materiał wyjściowy, b÷e) końcówka rury po operacji redukcji średnicy, f), g) końcówka rury o przekroju sześciokątnym
Fig. 5. The process of pipe end necking:
a) initial material, b)÷ e) pipe end after the operation of diameter reduction, f), g) pipe end with hexagonal section
Rys. 6. Pęknięcia w naroŜnikach w operacji kształtowania sześciokąta Fig. 6. Corner cracks formed in the operation of hexagon shaping
Jedną z metod eliminacji zjawiska pękania jest wyŜarzanie międzyoperacyjne. Badania wpływu wyŜarzania międzyoperacyjnego pro-wadzono dla trzech przypadków:
1. wyŜarzanie materiału wyjściowego, przed operacjami redukcji średnicy (P1),
2. wyŜarzanie międzyoperacyjne po drugiej operacji redukcji średnicy (P2),
3. wyŜarzanie międzyoperacyjne po czwartej operacji redukowania średnicy przed ope-racją formowania sześciokąta (P3).
Badania obejmowały obserwację mikro-skopową na zgładach poprzecznych sześcioką-ta po szóstej operacji i pomiaru twardości HV0,5. Próbki poddano trawieniu 3% nitalem.
Na rysunku 7 przedstawiono obserwacje mikroskopowe próbek po ostatniej operacji kształtowania sześciokąta końcówek rur.
Odkształcenia formowanej rury są na tyle duŜe, Ŝe mimo wyŜarzanie materiału wyjścio-wego występują pęknięcia w naroŜniku sze-ściokąta (rys. 7a). Te pęknięcia w naroŜniku mają długość ok. 2 mm co eliminuje taki pro-ces do zastosowań przemysłowych.
Zastosowanie wyŜarzania po drugiej i czwartej operacji (rys. 7b,c) znacznie popra-wiają warunki formowania. Widoczne mikro-pęknięcia o długości ok. 0,1 mm nie stanowią duŜego niebezpieczeństwa w eksploatacji tak formowanych wałków transmisyjnych.
a)
b)
c)
Rys. 7. NaroŜnik wewnętrzny końcówki rury po ukształ-towaniu sześciokąta - zgład poprzeczny próbek:
a) próbka P1, b) próbka P2, c) próbka P3 Fig. 7. Inner corner of a pipe end after the hexagon has
been formed – transverse microsection of the samples: a) sample P1, b) sample P2, c) sample P3
Porównanie struktur (rys. 8) badanych próbek wykazuje, Ŝe próbka P1 wyŜarzona przed procesem kształtowania wykazuje naj-większy zgniot. Ziarna są mocno wydłuŜone o średniej szerokości 3 µm. RównieŜ próbka P2 charakteryzuje się równieŜ duŜą pasmowością o ziarnach mocno wydłuŜone. Średnia szero-kość ziaren na obserwowanym zgładzie wynosi 5 µm. Najbardziej jednorodna strukturę posiada próbka P3.
a)
b)
c)
Rys. 8. Struktura materiału po ukształtowaniu sześciokąta końcówki rury: a) próbki P1, b) próbki P2,
c) próbki P3
Fig. 8. Material structure after the pipe end hexagon has been formed: : a)sample P1, b) sample P2,
c) sample P3
W tabeli 3 pokazano pomiary mikrotwar-dości HV0,5 dla poszczególnych próbek.
Na podstawie badań opracowano optymal-ny proces obciskania końca rury o średnicy φ76,1x3,2 mm na sześciokąt o wymiarze S34,75. Stwierdzono, Ŝe dla uzyskania wyrobu zgodnego z tolerancjami wykonania przy
jed-noczesnemu zapobieŜeniu powstawania pęk-nięć konieczne jest zastosowanie czterech ope-racji obciskania końcówki, po których następu-je 4.wyŜarzanie międzyoperacyjne. W następ-nych dwu operacjach formuje się na gotowo końcówkę sześciokątną. Tak opracowany pro-ces zapewnia w propro-cesie przemysłowym uzy-skanie wymiaru sześciokąta bez pęknięć o do-kładności wymiarowej podanej w tabeli 4.
Tabela 3. Twardość HV 0,5 po ukształtowaniu sześciokąta
Table 3. HV 0.5 hardness after the hexagon formation Numer
próbki 1 2 3
P1 180 172 178
P2 177 160 167
P3 145 140 135
Tabela 4. Wymiary końcówek rur – S Table 4. Pipe end dimensions – S Lp. Wymiar rysunkowy [mm] Wymiar rzeczywisty [mm] 1 34,75+/-0,1 34,73 34,67 34,65 2 34,75+/-0,1 34,62 34,59 34,60 3 34,75+/-0,1 34,60 34,64 34,68 5. WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań [2] opracowano proces technologiczny do obci-skania końcówki rur oraz zaprojektowano i przystąpiono do produkcji doświadczalnej w Instytucie i do etapu wdroŜenia specjalnego gniazda obciskania UR 285.
Podczas procesu technologicznego kształ-towania rury występują duŜe zgnioty, co wy-maga wprowadzenia wyŜarzania międzyopera-cyjnego przed dwoma ostatnimi operacjami kształtowania sześciokąta końcówki rury.
Kształtowanie końcówek rur odbywa się na zimno z zastosowaniem smarów ekologicz-nych.
Pracę zrealizowano w ramach działalności statu-towej finansowanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego: BK 918 77 000 - Opraco-wanie, wykonanie i wdroŜenie do produkcji gniazda
do obciskania rur o średnicy do 80 mm i długości do 2000 mm – THC-19, łącznie z kompletem narzę-dzi do rur wg rysunku 87563890.
LITERATURA
[1] Pacanowski J., Chałupczak J.: Ocena moŜliwości redukcji przekrojów prętów okrągłych wybranymi metodami obróbki plastycznej na zimno. Rudy i Metale 1997 R. 42 nr 11, s.519-523.
[2] Raport z badania nr 4/2007 - BK 918 77 000. [3] Chałupczak J., Thomas P.: Wpływ kąta roboczej
części narzędzia, rodzaju materiału i względnych grubości rury na wybrane parametry procesu obci-skania zwęŜek rurowych. Rudy i Metale 2000 R. 45 nr 10-11, s.556-559.
[4] Chałupczak J., Pacanowski J., Miłek T.: Ocena moŜliwości wykonania zwęŜek rurowych metodą obciskania oraz walcowania na walcarce profilowe mimośrodowej WPM-120. Rudy i Metale 1998 R. 43 nr 10, s.486-489.
[5] Marciniak Z., Kołodziejski J.: Teoria procesów obróbki plastycznej – część II. Wydawnictwo Poli-techniki Warszawskiej, Warszawa 1983 s. 131-134. [6] B. Czartoryski: Gniazdo produkcyjne obciskania rur. Określenie dopuszczalnego stopnia przefor-mowania rury gorąco walcowanej przy obciskaniu. Obr. Plast. Met. 2007 t. XVIII z. 2 s. 3-7, 4 rys. bibliogr. 1 poz.
