26

26

3 POSTUPCI HLADNOG OBLIKOVANJA

Postoji nekoliko postupaka kojima se danas služi proizvodnja raznovrsne, pretežno sitne, metalne robe. Kao primer navodimo:

- hladno presovanje - duboko utiskivanje - površinsko valjanje - pečatiranje - utiskivanje navoja i ozubljenja

Kod nekih od tih postupaka sam rpoces preoblikovanja izvodi se u vrlo kratko vreme, u delovima sekunde, što opravdava za njih ponekad upotrebljivane nazive kao: hladno štrcanje, udarna ekstruzija. Nasupreto tome moraju pri dubokom utiskivanju brzine oblikovanja biri vrlo male, odnosno toliko male da se mogu upotrebiti samo sporohodne hidraulične prese. Pri svim tim postupcima potrebni su relativno visoku specifični pritisci alata na metal, što utiče na vek trajanja alata i na rentabilnost postupaka. Previsoki pritisci izbegavaju se tako što se proces preoblikovanja izvodi postepenije, u dve ili više iteracija. 3.1 Hladno sabijanje ili presovanje. Slika 3.1 nam pokazuje čest izgled predmeta – otpresaka koji se tim postupkom proizvede, kao što su delovi motora raznih aparata i merača, instalacijskih pribora i dr. Jedni su, kako se vidi, čisto puni oblici ili sa plitkim utisnućem, drugi su pretežno šuplji, odnosno čaurastog oblika. Težine otpresaka kreću se u širokim granicama počevši od samo nekoliko grama pa do najtežih od 10 i više kilograma.

Slika 3.1 – Primeri optresaka

Početni oblik sirovog komada se bira prema izgledu i dimenzijama gotovog odpreska. Razlikujemo sledeće glavne delove sirovog komada:

- Štapićasti odrezak, služi prvenstveno za štapićaste i pune oblike otpresaka, kratki okrugli odresci služe za otpreske u obliku plitkih posuda.

- Rondele, kao okrugle ploče, štancane iz lima, služe za šuplje cevaste otpreske, posude i tankozidne tube.

- Posuda, služe za čaure i čauraste šuplje otpreske

27

27

Sirovi komadi treba da su besprekorne površine i tačnih dimenzija jer to utiče na kvalitet površine i tačnost otpresaka. Slika 3.2 pokazuje osnovne šeme alata za nekoliko oblika odpresaka. Glavni delovi alata su žigovi, kalupi ili matrice kao i izbacivači odnosno skidači. U jednim od alata je ispresovani metal u kalupu sa svih strana potpuno zatvoren, kod drugih je kalup poluotvoren i dopušta slobodno tečenje metala u dotičnom smeru. Osim toga zapaža se da se kod alata br. 1 i 4 ispresovani metal savija u smeru savijanja pokretnog žiga, kod alata br. 2 i 3 savija se metal delom u smeru savijanja žiga a delom nasuprot njemu.

Slika 3.2 – Šeme alata za otpreske

Savijanje u smeru savijanja žiga se primenjuje pri presovanju čeličnih kao i neolovnih materijala. Suprotno savijanju metaa primenjuje se uvek u proizvodnji tuba. Smer savijanja metala ima veliki uticaj na lakoću presovanja, na visinu specifičnih pritisaka i na vek trajanja alata.

Slika 3.3 – Alat za presovanje čaurastih otpresaka Slika 3.4 – Alat za presovanje aluminijumskih tuba Slika 3.3 pokazuje nešto detaljniji izgled alata za presovanje čeličnih čaurastih otpresaka, a slika 3.4 za presovanje aluminijumskih tuba. S obzirom na visoke specifične pritiske potrebno je da svi opterećeni delovi alata budu kaljeni na tvrdoću od 58 do 62 Rc.

28

28

Visina srednjih specifičnih pritisaka pm merena na čelu žiga raste sa veličinom prečnika prvobinog preseka, odnosno prečnika okruglih otpresaka. Za vek trajanja alata i rentabilnost postupaka važno je da taj pritisak bude najviše 250 kp/mm2. U slučaju ako bi planirano preoblikovanje zahtevalo još veće pritiske, treba ga provesti postepenije tj u više faza, čime će se pm primetno smanjiti. Pri proivodnji aluminijumskih tuba pritisak pm jako zavisi od debljine zidova plašta, pa tako iznosi 80-100 kp/mm2 za zidove debljine 0,15-0,20 mm. Za čelične tube debljine zidova oko 1,5-2,0 mm taj bi pritisak iznosio otprilike 200 do 220 kp/mm2. Materijal opterećenih delova alata, pojedinačno žiga i matrice, gotovo uvek je legirani alatni čelik. Za žigove i delove matrica alata za proizvodnju tuba rado se uzima čelik Č. 4150 sa 12% hroma, koji izdržava oko 50000 otpresaka. Radna površina žiga treba da bude tvrdoće 60 do 62 Rc. Od neolovnih metala prikladni su za prozvodnju po tom postupku Pb, Cu, Zn, Sn čisti Al, bronza sa 63-85% bakra, zatim legure Al-Mg-Si, Al-Mn, AlMg 3. Manje su prikladni AlMg 5, AlCuMg. Od čelika prvenstveno dolaze u obzir čelici sa ispod 0,2% C. Za lakoću presovanja i uspeha u radu važno je da svi materijali budu u najmekšem stanju. Poželjna je osim toga i odgovarajuća finoća njihove strukture. Za čelične materijale je u slučaju težih plastičnih operacija važan ne samo izbor odgovarajućeg maziva, već i prethodno fosfatiranje površine da bi se sprečilo istiskivanje maziva po delovanje visokih specifičnih pritisaka. Hladno preoblikovanje metala u tom postupku ima za posledicu jaku promenu njegovih mehaničkih svojstava. Uopšteno je čvrstoća materijala otpreska za 50-80% veća od čvrstoće materijala sirovog komada, a produženje se smanjuje na ispod 1/3 od prvobitne vrednosti. U tom smislu taj postupak znači i stanovito poboljšanje materijala. U poredjenju sa postupkom izrade pomoću skidanja strugotine taj potupak presovanja ima velike prednosti i sa stanovišta uštede na materijalu. Isto tako on zadovoljava zahteve sa stanovišta tačnosti dimenzija i kvaliteta površine, tako da naknadne dorade u mnogo slučaja nisu potrebne. 3.2 Hladno duboko utiskivanje je način izrade gravure matrica ukovnja, alata za pritisni izliv i za preradu plastičnih masa pomoću utiskivanja žiga u blok relativno mekšeg materijala. Tako izradjena gravura tj. utisnina, je negativ pogodno oblikovanog žiga. Tako se može izraditi gravura bez skidanja strugotine uz dobru tačnost oblika i kvalitetnu površinu. Taj način izrade alata je relativno nov i nije potpuno udomaćen u proiuvodnji alata, premda obećava racionalniju izradu spomenutih alata. Materijali domaće proizvodnje označeni su znakom po JUS a strani po DIN 17006

Tabela 3.1

Grupa Oznake materijala za matrice Tvrdoća u odžarenom stanju HB

kp/mm2

I Č.1841 – C15 W5 – X 6 CrMo5 – X 8 CrMoV5 100-130

II Č.1941 – 95 V4 – Č.4140 – Č.4752 – X 32 CrMoV 33 – Č.4321 170-210

III Č.3840 – 55 NiCr 10 – X 45 NiCrMo 4 – Č.5742 – Č.6450 210-250

29

29

Sila utiskivanja zavisi od niza komleksih uticajnih faktora: od mehaničnih i fizikalnih svojstava materijala klina i matrice, od oblika i dimezija utisnute gravure, od trenja i podmazivanja, od zahteva za odredjenim kvalitetom površine gravure, kao i od režima izvodjenja deformacije. Tačno odredjivanje sile utiskivanja je stoga otežano, pa se orijentacijski proračun izvodi na temelju:

F = A · p

Na veličinu specifilnog pritiska najveći uticaj ima vrsta materijala matrica i žiga. Čelični materijali koji se upotrebljavaju za matrice svrstani su u skupine obradivosti hladnim utiskivanjem, pri čemu skupina i obuhvata materijale koji uz inače uslove omogućavaju dobijanje relativno najdubljih utisaka. Izvor materijala matrice zavisi će od namene, od uslova eksploatacije i od mehaničnih osobina nakon kaljenja i napuštanja.

Slika 3.5 – Specifični pritisci pri utiskivanju Veličina specifičnih pritisaka pri utiskivanju tih materijala cilindričnim klinom date su u dijagramu na slici 3.5 za odnosu utisnute dubine t i prečnika klina d za tzv. reduciranu dubinu. Pri četvrtastim utiscima reducirana dubina dobija se iz izraza t/1, 13√A, gde A označava projekciju površine utisaka.

Slika 3.6 – Uticaj konusnosti žiga na veličinu specifičnog pritiska

30

30

Uticaj konusnosti žiga na veličinu specifičnog pritiska pri utiskivanju u matricu od materijala skupine obradivosti I prikazan je na slici 3.6. Za materijale skupine obradivosti II i III specifični pritisci su viši od onih za materijale I skupine i za odgovarajući α/2 u približno istim proporcijama kako je prikazano na slici 3.5, gde se vide vrednosti p za α/2 = 0. Izbor materijala žiga zavisi od njegovih dimenzija, od oblika gravure, od dubine utiskivanja, od podmazivanja i od kvaliteta obrade površine klina koji se utiskuje, no presudnu ulogu ima pri tom dopušteno pritisno specifično opterećenje čeone površine klina. Materijali koji se najčešće upotrebljavaju prikazani su u tabeli 3.2. S obzirom na najveća dopuštena specifična opterećenja žiga moguće je odrediti i najveću silu utiskivanja na osnovu pomenutog izraza.

Podaci čelika za žigove

Tablica 3.2

Oznake po JUS-u i DIN 17006

Tvrdoća u termički obradjenom stanju HRc

Dopušteno specifično opterećenje pritiskom

Č.4750 – 75 CrMoNiW 67 – 55 NiCr 10

58-63 220-300

Čelici od kojih se izradjuju žigovi ne smeju imati nikakvih defekata strukture. Tvrde faze mikrostrukture moraju biti podjednako rasporedjene po čitavom preseku.

Slika 3.7 – Sila utiskivanja Slika 3.8 – Raspored matrica u toku utiskivanja

Silu utiskivanja moguće je odrediti na osnovu medjusobne zavisnosti tvrdoće materijala matrice, specifičnog pritiska, dubine i dimenzije površine projekcije utisaka. Ta zavisnost prikazana je na dijagramu na slici 3.7. Veličina specifičnih pritisaka ograničena je maksimalnom vrednošću dopuštenog specifičnog opterećenja žiga. Tačnost tako odredjene sile je unutar granica ±10%, što zadovoljava praktične potrebe. U svom početnom obliku matrica je najčešće cilindrični blok odgovarajučeg čelika poliranih

31

31

površina. S obzirom na gravuru koja će se utisnuti, da bi se olakšao tok metala, praktikuje se izvodjenje ispupčenja ili udubljenja na površini utiskivanja. Takvo predoblikovanje može osetno smanjiti silu utiskivanja, a u nekim slučajevima je i neophodno da bi se izbegle pukotine. Osnova predoblikovanja je da se omogući tečenje metala pod delovanjem pritisnih naprezanja. Na slici 3.8 prikazan je smeštaj matrice u toku izvodjenja utiskivanja. Cilindrični blok (a) prečnika D smešten je u dvodelni medjuprsten (d). Da bi se olakšalo tečenje metala, prikazane su 2 varijante: na levoj strani (a) sa podložnim prstenom (c) i na desnoj strani (b) sa predoblikovanom donjom pločom i plaštom cilindra. Dvodelni prsten (d) uložen je u prstenasti držač (e). Cilindrični blok izvodi se sa blagim konicitetom od 1° do 2,5° prečnika D, koji kod okruglog utisaka mora biti bar dva puta veći od prečnika klina. Prečnik prstenastog držača D1 je oko 2,5 puta veći od prečnika bloka D. Visina bloka je oko 2,5 puta veća od dubine utiskivanja. Podloženi prsten i dvodelni medjuprsten izradjuju se od alatnog čelika, koji u termički obradjenom stanju ima čvrstoću loma 160 do 180 kp/mm2. Prstenasti držač izradjuje se od čelika, koji u poboljšanom stanju ima čvrstoću loma 110 do 130 kp/mm2. Žig se oblikuje u skladu sa zahtevima tehnike kaljenja, a pri tom valja izbegavati velike razlike u površini preseka i ostre prelaze. Potrebno je predvideti blaga zaobljenja na delu koji se utiskuje jer oštri rubovi izazivaju pukotine u matrici, a uz to otežavaju i utiskivanje.

Slika 3.9 – Verzija žiga i njegov raspored u alatu za hladno utiskivanje Pozeljan je i blaga konusnost klina, koji treba da iznosi najmanje 1/2°. Na slici 3.9 vidi se izvodjenje žiga i njegov smeštaj u alatu za hladno utiskivanje. Za takav žig kružnog preseka dimenzije su date u tablici 3. Dimenzije žiga kružnog preseka za hladno utiskivanje

Tabela 3.3

Prečnik radnog

dela klina d (mm) Prečnik klina

D (mm) Dužina klina

l (mm) Dužina radnog dela klina h2

(mm)

Radijus zakrivljenosti R

(mm)

32

32

do 30 30 do 50 50 do 80

više od 80

2d 1.5d 1.2d

d

h2+0.4D+5 (1.15-1.25) h1 0.5d (0.15-0.25) d

0.1d -

Na slici 3.9 se vidljiv blok (a) u koji ce se utisnuti klin smešten u dvodelni prsten (b) i prstenasti držač (d) koji se oslanjaju na podložnu ploču (c). Na delu žiga koji se ne utiskuje osigurano je neophodno tačno vodjenje pomoću vodećeg prstena (e). Na zigu je redom izvedena rupa sa navojem, koja služi za prihvatanje odgovarajuceg alata pri vadjenju žiga iz matrice. Sve površine ziga koje se utiskuju su polirane. Na slici 3.10 prikazan je proizvod (A), koji se izradjuje presovanjem. Blok čelika 1841 prethodno je oblikovan u skladu sa dimenzijama proizvoda i radi toga da bi se olakašalo tečenje metala (B). Matrica (C) definitivno je obradjena nakon utiskivanja gravure pomocu žiga (D) izgradjenog od materijala Č.4750. Sve radne ploče žiga i bloka su pre utiskivanja polirane do oglednog sjaja. Utiskivanje je izvedeno silom od 60 Mp jednim hodom žiga u trajanju od 1,5 minuta.

Slika 3.10 – Proizvod izveden pritisnim livenjem

Brzina utiskivanja žiga zavisi u prvom redu od mogućnosti plastičnog tečenja materijala matrice pa takodje i o dimenzijama i obliku gravure. Po pravilu se hladno utiskivanje

33

33

izvodi brzinama od 0,1 do 10 mm/min, pri čemu se donja granica brzine odabira za izvodjenje komplikovanih gravura u tvrdjem čeliku. Trenje može pri hladnom utiskivanju biti značajna poteškoća. U tu svrhu poliraju se sve kontaktne ploče, praktikuje se i pobakrivanje klina. Kao sredstvo za podmazivanje služi u lakšim slučajevima visokopritisno mineralno ulje, a u težim molibden-disulfid (MoS2), koji se utrlja na površinu metala. Hidraulične prese za hladno utiskivanje odlikuju se krajnje sporim gibanjem radnog klipa i relativno malim hodom. Delovi prese koji se gibaju imaju vrlo dobro vodjenje, sto je veoma važno za uspeh procesa. Konstrukcija je zbijena, a radni prostor oklopljen radi zaštite okoline zbog mogućnosti eksplozivnih lomova alata izazvanih delovanjem visokih specifičnih pritisaka. Savremeno izvodjenje ima automatiku za ograničavanje sile utiskivanja i iskopčavanje pri postignutoj dubini utiskivanja te mogucnost vrlo fine regulacije brzine utiskivanja. Izvode se do sila od 2500 Mp. 3.3 Povrsinsko valjanje je način obrade metalnih povrsina u hladnom stanju, a ima za svrhu poboljšanje glatkoće uz istovremeno povišenje tvrdoće i očvršćenje površinskog sloja. Glatkoća površine poboljšava se na specijalnim mašinama pomocu glatkih i tvrdih valjaka čija je površina polirana uz pomoc sile pritiska. Predmet koji se obradjuje upet je na mašini i ima rotacijsko gibanje. Valjak postavljen na suprot mašine ostvaruje smicaj i silu pritiska. On takodje rotira zbog trenja. Sema postupka prikazana je na slici 3.11. Slika 3.11 – Šema postupka površinskog valjanja Slika 3.12 – Veličine pritisnih sila za

valjanje okruglih predmeta

Veličina sila pritisaka zavisi od materijala, o dimenzijama predmeta koji se valja o širini pritisne ploče valjka. Dijagram 3.12 pokazuje velicine pritisnih sila za slučaj valjanja okruglih predmeta različitih prečnika načinjenih iz različitih vrsta čelika za poboljšavanje. Dijagram važi za valjak prečnika 180mm, širine valjanja 10mm i poluprečnika zaobljenja 10mm uz smicaj od 0.5 mm/okr. Takvim načinom obrade moguće je smanjiti dubine površinskih neravnina nekih 40 mikrometara na svega par mikrometara. Postupak je kratkotrajan i vrlo pogodan za masovnu proizvodnju. Primenjuje se i kao dorada za postizanje jednolicnije raspodele polja tolerancija pri izradi predmeta na automatskim mašinama. Posledica površinskog valjanja je očvršćenje površine i slojeva u neposrednoj blizini povrsine. Na površinskim slojevima moguće je postići i do 100% povećanja

34

34

tvrdoće. Takvo očvršćivanje primenjuje se za stabla ventila, za prstene kugličnih ležajeva, za različite prelaze i zaobljenja kolenastih osovina – u principu svugde gde se želi povećana otpornost protiv zamora. Na slici 3.13 prikazana je šema gibanja valjka pri očvršćenju stabla ventila. 3.4 Pečatiranje. Služi u proizvodnji metalnog novca, medalja, znački i sličnih predmeta. Postupak se sastoji u relativno plitkom utiskivanju žiga sa ugraviranim oznakama, figurama itd u prethodno obrezanu rondelu ili platinu.

Slika 3.13 – Šema gibanja valjaka pri očvršćenju Slika 3.14 – Utiskivanje navoja

valjanjem pomoću motke ventila ravnih

čeljusti 3.5 Utiskivanje navoja i ozubljenja. Utiskivanje navoja moguće je na metalnim materijalima koji se daju hladno plastično oblikovati. Profil navoja postiže se utiskivanjem odgovarajućeg kalibriranog alata u prethodno obradjeni predmet. Na taj način izradjuju se navoji valjaka od čelika, lakih i obojenih metala na znatno racionalniji način u odnosu prema izradi navoja skidanjem strugotine. Uz tačnost površine profila navoja odlikuju se glatkoćom, povećanom čvrstoćom i trajnom tvrdoćom. Uobičajena su dva glavna postupka: utiskivanje navoja valjanjem pomoću ravnih profiliranih čeljusti kao i pomoću profiliranih valjaka. Prvi postupak prikazan je šematski na slici 3.14. Navoj se formira odvaljivanjem okruglog predmeta izmedju dveju čeljusti sa urezanim profilima. Jedna čeljust je nepomična (a), a druga nešto duža pomična je u smislu translatornog gibanja (b). Nepomična čeljust ima tri karakteristične zone: zona 1, gde obradjivani predmet postepeno ulazi u zahvat sa čeljustima i gde postepeno raste specifičan pritisak do veličine koja omogućava tečenje metala, zona 2, u kojoj se obavlja kalibriranje profila navoja, i zona 3, gde je izlaz obradjivanog predmeta iz zahvata sa čeljustima. Dužina zone 1 jednaka je najmanjem opsegu predmeta, dok je dužina zone 2 za 2 do 4 puta veća od opsega predmeta na kojem se izradjuje navoj. Ispravan je položaj predmeta (4) na ulazu onda kad su vrhovi kalibriranog profila alata u medjusobnom položaju koji je prikazan presekom x-x . Polozaj koji ne odgovara (5) prikazan je presekom y-y. Nagib profila na alatu odredjen je uglom uspona navoja φ te vredi :

35

35

Dužina navoja izradjenog tim postupkom ograničena je širinom čeljusti.

Drugi postupak javlja se u više varijanti. Slika 3.15 prikazuje izradu navoja valjka (c) uloženog izmedju dva kalibrirana valjka (a,b) na podložnu letvu (d). Valjci su jednakog prečnika, imaju isti smer rotacije, a osi su im postavljene paralelno u istoj ravni. Jedan je nepomičan a drugome je omogućeno bočno translatorno gibanje, čime se podešava radni pritisak, obično pomoću hidraulicnog uredjaja, koji daje i zaštitu od preopterećivanja. Za vreme utiskivanja navoja uloženi valjak nema translatornog gibanja, pa je dužina navoja odredjena dužinom kalibriranih valjaka. Takvim načinom moguće je izraditi i konusne navoje do ukupnog ugla konusa 1/2° ako se nepomični valjak postavi koso u odnosu prema osi valjka za odgovarajući ugao, ali uz uslov da profil navoja bude oslonjen na plašt konusa. Za veće uglove konusa potrebni su ovima odgovarajući posebno kalibrirani valjci. Osim tog postupka poznata je i varijanta pri kojoj uloženi vijak za vreme utiskivanja

navoja ima i translatorno gibanje. To se postiže izradom spiralnih kalibriranih ureza na valjcima sa uglom uspona u odnosu prema uzdužnoj osi vijka. Na taj nacin moguće je izraditi poželjnu dužinu navoja. Isti se efekat moze postići i sa valjcima prema slici 3.15 ako su im ose relativno ukrštene u prostoru pod uglom koji ce omogućiti postizanje ugla uspona navoja vijka. Česta je varijanta i sa tri kalibrirana valjka koji su konstruktivno rešeni kao jedna celina. Valjci ne dobijaju poseban pogon nego im rotaciju daje vijak koji ulazi u zahvat. Kalibrirani urezi valjka su paralelni i bez ugla uspona navoja. Ovaj se, medjutim postiže odgovarajucim relativnim nagibom rukavca valjaka oko kojih ovo rotiraju u odnosu prema osi vijka. Ni u tom slučaju nije ograničena dužina navoja koji se može izradititi. Svi opisani postupci su visoko Slika 3.15 – Utiskivanje navoja valjanjem pomoću proizvodni, daju solidnu

36

36

geometrijsku tačnost profila i pogodni su za automatizaciju. Uobičajene su brzine rotacije, odnosno gibanja čeljusti do 30m/min, dok se kod alata sa tri valjka postižu brzine rotacije i do 80m/min. Kalibrirani alati izradjuju se od alatnog čelika sa 12% hroma, a nakon termičke obrade zahteva se tvrdoća od 60 do 62 HRc. Za izradu ravnih kalibriranih čeljusti može se upotrebiti i ugljenični alatni nelegirani čelik sa 1% ugljenika ako je alat namenjen utiskivanju navoja na mekim materijalima. Izrada unutrasnjih navoja utiskivanjem prikazana je šematski na slici 3.16. Alat Slika 3.16 – Izrada unutrašnjeg navoja utiskivanjem je sličan narezanom svrdlu, ali je bez reznih ivica. Taj način je posebno pogodan za izradu finih navoja, a najčešće se upotrebljava za navoje M3 do M10. Zbog očvršćenja povećava se čvrstoća za nekih 20%. Utiskivanje se primenjuje za serijsku izradu zupčanika. Šema na slici 3.17 pokazuje izradu ozubljenog dela osovine. Kao alat služe dva valjka sa kalibrisanim urezima odrenjenog modula u obliku pužnog navoja, koji se utiskuje u obradjenu osovinu. Profil bočnih stranica ureza alata formiran je u obliku evolente. Tačnim medjusobnim odnosima za vreme rotacije alata i obradjivanje osovine nastaje odvalno gibanje, pri čemu se osovina giba i translatorno i u smeru svoje ose. Postepenim pomeranjem alat, uz istovremeno delovanje pritisne sile, kalibrisani urezi sve više ulaze u osovinu do potrebne dubine, formirajući na njoj evulventno ozubljenje. Tečenjem Slika 3.17 – Proizvodnja ozubljenih delova utiskivanjem materijala osonvine njen vanjski prečnik se povećava pa nakon završetka takvog oblikovanja ona ima prečnik približno povećan za 2 modula. Osim očvršćenja površine formiranog zuba postiže se i hrapavost manja od 1/10 mikrometara.