AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali

Rozprawa doktorska

WPŁYW ENERGII DRGAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH NA PROCES CIĄGNIENIA PRZEZ DZIELONE CIĄGADŁO.

mgr inż. Katarzyna Szajding

PROMOTOR: prof. dr hab. inż. Janusz Łuksza

Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2008-2010 jako projekt badawczy.

Kraków, 2010

Pamięci mojego Taty Prof. dr hab. inż. Antoniego Pasierba pracę tę poświęcam

Pragnę złożyć serdeczne podziękowania promotorowi mojej pracy Panu Prof. dr hab. inż. Januszowi Łukszy za opiekę i wsparcie oraz wszystkim osobom, które swoimi pomysłami, przyczyniły się do realizacji moich badań i powstania tej pracy.

4

Spis treści

Spis oznaczeń. ............................................................................................................................6

1. Wprowadzenie ........................................................................................................................8

2. Stan zagadnienia w świetle danych literaturowych................................................................9

2.1. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych w procesach przeróbki plastycznej. ................11

2.2. Spadek stacjonarnej siły ciągnienia podczas wzbudzenia drgań ultradźwiękowych.....14

2.3. Wpływ drgań ultradźwiękowych na parametry procesu ciągnienia oraz własności

wyrobu gotowego..................................................................................................................15

2.4. Badania współczynnika tarcia w procesie ciągnienia z ultradźwiękami........................19

2.5. Badania nad zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia materiałów

trudnoodkształcalnych...........................................................................................................20

2.6. Podsumowanie dotychczas opublikowanych wyników badań. .....................................21

3. Teza pracy oraz cel i zakres badań. ......................................................................................23

4. Koncepcja realizacji celów badawczych. .............................................................................25

5. Analiza teoretyczna kinematyki procesu ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych

drgań ciągadła...........................................................................................................................27

5.1. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do osi

drutu. .....................................................................................................................................27

5.2. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu.

...............................................................................................................................................36

6. Badania doświadczalne.........................................................................................................51

6.1. Program badań. ..............................................................................................................51

6.2. Materiały zastosowane w badaniach. .............................................................................55

6.3. Metodyka badań. ............................................................................................................58

6.4. Opis urządzeń zastosowanych do badań. .......................................................................62

6.4.1. Układ służący do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych. ..................63

6.4.2. Układ służący do wytwarzania prostopadłych drgań ultradźwiękowych. ...............64

7. Budowa stanowiska w poszczególnych schematach ciągnienia drutów z zastosowaniem

drgań ultradźwiękowych. .........................................................................................................65

7.1. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów V-VII

oraz XIV................................................................................................................................65

5

7.2. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematu I-IV oraz

XIII. .......................................................................................................................................69

7.3 Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów VIII-X.

...............................................................................................................................................73

7.4. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów XI-XII.

...............................................................................................................................................74

7.5. Stanowisko do badań własności mechanicznych w próbie rozciągania z zastosowaniem

drgań ultradźwiękowych. ......................................................................................................75

8. Wyniki badań........................................................................................................................77

8.1. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów I- IV. ...................................77

8.2. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów V-VII. .................................90

8.3. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów VIII - X...............................99

8.4. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów XI-XII...............................116

8.5. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIII. .....................................119

8.6. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIV......................................122

8.7. Pomiar temperatury powierzchni drutu........................................................................123

8.8. Wyniki otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania drutów. ................124

8.9. Własności mechaniczne i mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia. ..............132

8.10. Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia..............................................................139

9. Analiza wyników badań. ....................................................................................................140

10. Podsumowanie..................................................................................................................156

11. Wnioski.............................................................................................................................158

12. Literatura. .........................................................................................................................161

6

Spis oznaczeń. A – amplituda drgań,

Aw – wydłużenie względne próbki w próbie rozciągania na ciągarce bębnowej,

A100 – wydłużenie względne próbki o bazie pomiarowej 100 mm,

A250 - wydłużenie względne próbki o bazie pomiarowej 250 mm,

D – średnica początkowa drutu,

Dk – średnica części kalibrującej ciągadła,

d – średnica końcowa drutu,

E – moduł Younga,

EU - energia uderzenia połówki ciągadła,

EV – energia uderzenia połówki ciągadła na jednostkę objętości materiału,

F – siła ciągnienia,

FbUD – siła ciągnienia bez ultradźwięku,

Fe – siła w momencie odchylenia krzywej rozciągania od prostoliniowego przebiegu,

Fm – największa siła w próbie rozciągania,

Fp0,2 – siła przy wydłużeniu względnym,

Fr– siła w próbie rozciągania,

Fśr – średnia siła ciągnienia,

FUD – siła ciągnienia z ultradźwiękiem,

f - częstotliwość drgań,

Lu – długość próbki po rozerwaniu,

L0 – początkowa długość próbki,

l – długość kotliny odkształcenia,

lgr – długość kotliny odkształcenia przy granicznej prędkości ciągnienia.

lk- długość części kalibrującej ciągadła,

l0 (1/4T) - przemieszczenie punktu w czasie ¼ T,

P – moc uderzenia połówki ciągadła,

Re – fizyczna granica plastyczności,

Rm- wytrzymałość na rozciąganie,

Rp0,2 – umowna granica plastyczności,

Sk - przekrój końcowy ciągnionego wyrobu,

S0 - przekrój początkowy ciągnionego wyrobu,

T – okres drgań,

7

TbUD – temperatura powierzchni drutu ciągnionego bez drgań ultradźwiękowych,

TUD – temperatura powierzchni drutu ciągnionego z drganiami ultradźwiękowymi,

tk - średni czas przejścia punktu przez kotlinę odkształcenia,

u - ilość uderzeń ciągadła,

V – prędkość ciągnienia,

Vm – objętość materiału,

Vmax – prędkość maksymalna,

VŚr – prędkość układu wsadowego,

σ – odchylenie standardowe siły ciągnienia,

ω – częstość kołowa,

λ – współczynnik wydłużenia,

2α – kąt rozwarcia części stożkowej ciągadła,

8

1. Wprowadzenie

Ciągnienie jest to proces technologiczny przeróbki plastycznej na zimno, w którym

materiał przeciągany jest przez nieruchome ciągadło. Po każdym ciągu obrabiany materiału

zmienia swoje własności, jako efekt umocnienia odkształceniowego. Wyżarzanie

rekrystalizujące jest metodą, która może przywrócić materiałom własności plastyczne,

umożliwiające dalszą przeróbkę plastyczną na zimno. Innym sposobem stwarzającym

możliwości intensyfikacji procesu ciągnienia jest zmniejszenie siły potrzebnej do

odkształcenia materiału. Daje to możliwość zwiększenia ubytku przekroju poprzecznego w

jednym ciągu, a co za tym idzie stwarza możliwość otrzymania wyrobu gotowego przy

zastosowaniu mniejszej ilości ciągów podczas całego procesu. Równocześnie obniżenie siły

ciągnienia powoduje zmniejszenie wielkości współczynnika zapasu wytrzymałości, co

powoduje zmniejszenie niebezpieczeństwa występowania zerwań ciągnionego wyrobu.

Zastosowanie drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia powoduje znaczące obniżenie

sił w porównaniu z konwencjonalnym ciągnieniem. Zjawiska zachodzące podczas

zastosowania drgań ultradźwiękowych w procesach przeróbki plastycznej metali takich jak

wyciskanie, walcowanie, ciągnienie oraz tłoczenie są od wielu lat przedmiotem wielu

interesujących badań naukowych. Istnieją udokumentowane korzyści zastosowania drgań

ultradźwiękowych w procesie ciągnienia. Proces ten charakteryzuje się możliwością

zmniejszenia siły ciągnienia, polepszeniem jakości wyrobu, zawężeniem tolerancji

wymiarowych, zmniejszeniem zużycia narzędzi, poprzez zmniejszenie sił i czasu trwania

kontaktu na styku metal – narzędzie. Proces wykorzystujący wysokoczęstotliwościowe

drgania ciągadła stwarza również możliwość ciągnienia metali i stopów

trudnoodkształcalnych, trudnych do konwencjonalnej przeróbki plastycznej na zimno.

W pracy przedstawiono opis literaturowy wyjaśniający wpływ oraz celowość

zastosowania drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia drutów. Zaprezentowano

specjalnie skonstruowane, unikatowe stanowisko badawcze, służące do prowadzenia procesu

ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło z zastosowaniem prostopadłych drgań jednej części

ciągadła z ultradźwiękową częstotliwością. Zamieszczono zakres i program doświadczalnych

oraz wyniki eksperymentów obejmujące między innymi pomiary siły ciągnienia oraz

własności mechanicznych badanych materiałów. Niezależną część pracy stanowi model

kinematyczny procesu ciągnienia z wymuszeniem ultradźwiękowych drgań ciągadła. Proces

taki nazwany w pracy „ciągnienie – obkuwanie” pozwala na wyjaśnienie szeregu zjawisk i

9

skutków obserwowanych podczas niekonwencjonalnego procesu ciągnienia zarówno z

zastosowaniem wzdłużnych jak i poprzecznych drgań ciągadła.

2. Stan zagadnienia w świetle danych literaturowych.

Procesy przeróbki plastycznej mają na celu kontrolowane odkształcenie metalu tak, aby

otrzymać wyrób gotowy o założonym kształcie, wymiarach oraz własnościach. Odkształcenie

zachodzi pod wpływem siły, jaką wywiera narzędzie na materiał. W procesach przeróbki

plastycznej występują siły tarcia, na których pokonanie zużywana jest część energii

potrzebnej do przeprowadzenia procesu. Procesy przeróbki plastycznej korzystnie jest

sklasyfikować pod kątem sposobu przyłożenia siły powodującej odkształcenie materiału.

Istnieją procesy, w których siła jest przykładana do materiału (np. proces ciągnienia), przez co

wywołany zostaje pośredni nacisk narzędzia na materiał oraz na takie, w których siła

przykładana jest bezpośrednio do narzędzia (np. proces walcowania).

Jednym z podstawowych procesów przeróbki plastycznej jest ciągnienie. Dokładny opis

tego procesu można znaleźć w bogatej literaturze autorów zakresu przeróbki plastycznej

metali [1-6]. Ciągnienie jest to proces odkształcenia przebiegający najczęściej na zimno.

Proces ciągnienia polega na zmniejszeniu przekroju poprzecznego materiału przez narzędzie

ukształtowane w postaci stożka zwane ciągadłem. Podczas przeciągania materiał obciążony

jest siłą ciągnienia, oraz siłami pochodzącymi od nacisku normalnego metalu na ścianę

ciągadła oraz od naprężeń wywołanych tarciem na powierzchni styku metal-narzędzie. Jeśli

zastosowany jest przeciwciąg materiał dodatkowo obciążony jest siłą przeciwciągu.

Siły obciążające materiał powodują, że w strefie odkształceń w ciągadle panuje przestrzenny,

trójosiowy stan naprężenia i odkształcenia. W procesie ciągnienia otrzymuje się pręty, rury,

druty oraz inne kształtowniki. Oprócz wielu zalet proces ciągnienia posiada również wady

ograniczające możliwości odkształcenia metali. Jednostkowy ubytek przekroju poprzecznego

w pojedynczym ciągu jest ograniczony wartością wytrzymałości na rozciąganie, a dokładniej

wartością granicy plastyczności materiału po przejściu przez oczko ciagadła. Wiele prac

naukowych i badawczych ma na celu opracowanie technologii zwiększających wydajność

procesu ciągnienia. Przekłada się to na analizę naprężenia ciągnienia, które jest funkcją:

naprężenia uplastyczniającego ciągnionego materiału, geometrii ciągadła, prędkości

ciągnienia oraz współczynnika tarcia na powierzchni styku ciągnionego metalu z narzędziem.

Większość rozważań skupia się w dużej mierze na zagadnieniach, które umożliwiają

zmniejszenie naprężenie ciągnienia. Ważnym czynnikiem wpływającym na naprężenie

10

ciągnienia materiału jest tarcie w roboczej strefie ciągadła. Zmniejszenie tarcia prowadzi do

obniżenia naprężenia ciągnienia, co daje w efekcie zmniejszenie ilości ciągów i operacji

wyżarzań międzyoperacyjnych. Obniżenie naprężenia ciągnienia powoduje w efekcie

końcowym wzrost wydajności procesu. Dążenie do osiągnięcia większej wydajności

zaowocowało odkryciem niekonwencjonalnego procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych.

Fale sprężyste o częstotliwościach znajdujących się powyżej górnej granicy słuchu

człowieka (tj. powyżej 20kHz) nazywa się ultradźwiękami. Odkrycie ultradźwięku przypada

na koniec wieku XIX. W roku 1922 W.G. Cady na podstawie odkrycia braci J. i P. Curie

skonstruował generator piezoelektryczny. Następnie w roku 1928 G. W. Pierce zbudował

pierwszy generator magnetostrykcyjny. Zjawisko dotyczące fal sprężystych,

piezoelektryczności, magnetostrykcji oraz budowę generatorów i przetworników

ultradźwiękowych opisano wyczerpująco między innymi w pracach [7-17]. Ultradźwięki to

fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk).

Termin ,,ultradźwięki” obejmuje zjawisko zachodzące do częstotliwości 10GHz. Podstawy

teorii fal sprężystych oraz techniki ultradźwiękowej zostały wnikliwie opisane w pozycjach

[7-12]. Ultradźwięki można wytworzyć mechaniczne, termiczne, optycznie a także za pomocą

zjawiska magnetostrykcji oraz efektu piezoelektrycznego. Te dwa ostatnie sposoby

wytwarzania drgań są najbardziej interesujące z punktu widzenia procesów przeróbki

plastycznej. Zjawisko magnetostrykcji zostało wykryte w 1847 r. przez J. P. Joule’a i polega

ono na zmianie długości rdzenia magnesu np. wykonanego z żelaza czy niklu, pod wpływem

zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń. Drgania te są

szczególnie silne w przypadku rezonansu, tj., gdy częstotliwość zmian pola pokrywa się z

częstotliwością własną pręta. Za pomocą tej metody można wytworzyć drgania nawet o

częstotliwości 60 kHz, przy długości pręta niklowego zaledwie 4 cm. Zjawisko

piezoelektryczne, odkryte zostało przez braci Curie w 1880 roku. Po odkryciu tego zjawiska

fizyk Lippman odkrył, że ze zjawiskiem piezoelektrycznym należy kojarzyć odwrotne

zjawisko piezoelektryczne. Odwrotne zjawisko piezoelektryczne znalazło zastosowanie do

wytwarzania ultradźwięków. Polega ono na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn

kryształu kwarcu (lub innego minerału) szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Prowadzi

to do zwiększenia (rozszerzenia) lub zmniejszenia (skrócenia) płytki i do powstania drgań o

odpowiedniej częstotliwości. Płytki kryształów używane do wytwarzania ultradźwięków

wycina się prostopadle do osi biegunowej kryształu i pokrywa się cienkimi warstwami

metalu. Płytkę umieszcza się w pojemniku z olejem, którego zadaniem jest przekazywanie

11

ultradźwięków do badanego obiektu, oraz chłodzenie. Przy zastosowaniu płytek

piezokwarcowych uzyskana częstotliwości mieści się w zakresie od kilkudziesięciu tysięcy do

kilkudziesięciu milionów herców. W przypadku płytek z turmalinu, uzyskuje się ultradźwięki

o częstotliwości do 300 milionów herców.

Jeżeli wykorzysta się silne źródło ultradźwięków, to mogą one niszczyć, ale także

rozgrzewać niektóre materiały, co pozwala na różnego rodzaju obróbkę wytwarzanych

przedmiotów np. zgrzewanie, cięcie, grawerowanie. Przegląd dotyczący zastosowania drgań

ultradźwiękowych można znaleźć między innymi w opracowaniu [18]. Wykorzystując

ultradźwięki można również prowadzić nieniszczące badania właściwości materiałów i

połączeń. Znalazły one również zastosowanie w technice, hutnictwie i przeróbce plastycznej.

Ultradźwięki znajdują także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego

i rejestrującego fale ultradźwiękowe zwanego ultrasonografem można uzyskać obraz

narządów wewnętrznych. Wymienione przykłady zastosowań ultradźwięków to tylko kilka

sposobów wykorzystania możliwości fal sprężystych. W pracy przedstawiono zastosowanie

drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia drutów.

W ostatnich latach prowadzonych jest wiele badań, mających na celu udoskonalenie

procesów przeróbki plastycznej poprzez obniżenie oporu odkształcenia i równoczesne

podniesienie własności plastycznych odkształcanego materiału. Zagadnienia te stanowią

główny problem w przypadku przeróbki plastycznej materiałów trudnoodkształcalnych. Jeśli

chodzi o niekonwencjonalne procesy ciągnienia to stosuje się między innymi: ciągnienie w

warunkach smarowania hydrodynamicznego, ciągnienie przez ciągadło obrotowe i rolkowe,

ciągnienie w podwyższonych temperaturach oraz z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.

Niekonwencjonalne procesy ciągnienia zostały syntetycznie opisane w monografiach [5,19].

2.1. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych w procesach przeróbki plastycznej.

Zagadnienie związane z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesach

plastycznej przeróbki metali znajduje znaczące miejsce w literaturze krajowej i zagranicznej

już od lat 50 XX wieku. Literatura ta nie wyczerpuje jednak tematu dotyczącego wielu

złożonych zagadnień związanych z tym niekonwencjonalnym procesem przeróbki plastycznej

metali. Podjęto próby zastosowania drgań ultradźwiękowych do różnych procesów przeróbki

plastycznej takich jak tłoczenie, walcowanie, ciągnienie profili pełnych i rur [20-34].

12

Wykonano różnego rodzaju badania doświadczalne mające na celu zbadanie wpływu i

celowości zastosowania drgań ultradźwiękowych w procesach rozciągania i ściskania próbek

wykonanych z różnych materiałów [35-38].

Istnieje wiele sprzecznych teorii wyjaśniających przyczyny spadku siły w procesie

ciągnienia z udziałem drgań ultradźwiękowych. Niektóre mechanizmy nie zostały do końca

poznane i wyjaśnione. Wszystkie badania opisane w literaturze udowadniają, że głównym

celem zastosowania drgań ultradźwiękowych jest obniżenie siły ciągnienia. Zastosowanie

ultradźwięków do odkształcenia metali zostało po raz pierwszy opisane przez Garskiego i

Efomorova [39] w roku 1953. Następnie Blaha i Langanecker kontynuowali badania nad

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych, głównie w próbie jednoosiowego rozciągania

monokryształu cynku [40]. Wpływem drgań ultradźwiękowych na warunki tarcia i

współczynnik tarcia zajmowali się między innymi Lehfeld [41], Siewierdienko, Kłubowicz,

Stiepanienko [42-46], Rozner [47, 48], Pasierb [29], Siegert, Mock, Ulmer [49-51], Storck,

Littmann, Wallaschek, Mracek [52, 53] oraz Kumar, Hutchings [54]. Jedną z ostatnich

polskich prac poświęconych badaniom współczynnika tarcia jest praca Knycha [55], w której

dokonano eksperymentalnej analizy procesu swobodnego ciągnienia rur z zastosowaniem

układów drgających wzdłużnie ciągadeł. Z przeprowadzonej analizy czynnikowej i w oparciu

o opracowany model zmian grubości ścianki wykazano, że jednym z bardziej istotnych

parametrów kontrolowanych przez parametry ruchu drgającego jest zjawisko tarcia, a spadek

wartości współczynnika tarcia może osiągać nawet kilkadziesiąt procent. Przeprowadzone

badania udowadniają znaczącą przewagę procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych nad konwencjonalnym ciągnieniem. Przegląd literatury [25-82] potwierdza

korzystny wpływ drgań na następujące parametry procesu:

• siłę ciągnienia,

• naprężenie uplastyczniające,

• współczynnik tarcia,

• jakość powierzchni i mniejsze odchyłki wymiarowe,

• możliwość odkształcania materiałów o małej plastyczności.

Mechanizm zjawisk towarzyszących procesowi ciągnienia z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych jest bardzo złożonym i skomplikowanym zagadnieniem zarówno z punktu

widzenia samego procesu przeróbki plastycznej jak i natury zjawisk fizycznych, jakimi są

13

ultradźwięki. Oddziaływanie drgań ultradźwiękowych na siłę ciągnienia oraz na inne

parametry procesu jest uzależnione od wielu czynników takich jak: częstotliwość, amplituda,

kierunek drgań, warunki odkształcenia, położenie elementu przenoszącego ultradźwięki w

układzie drgającym, rodzaj i moc zastosowanego układu generującego i przetwarzającego

drgania oraz od rodzaju i własności odkształcanego materiału. Poprawne zaprojektowanie

układu drgającego jest podstawowym czynnikiem umożliwiającym korzystną zmianę różnych

parametrów procesu, w którym wykorzystuje się działanie ultradźwięków. Procesy takie nie

są jednak powszechnie stosowane ze względu na konieczność zatrudnienia przy

projektowaniu, konstrukcji a następnie obsłudze takich urządzeń fachowców, posiadających

nie tylko wiedzę, ale również doświadczenie w tak wąskiej i jednocześnie specjalistycznej

dziedzinie. Projektowanie takiego układu wymaga rzetelnego przemyślenia, aby można było

wykorzystać w pełni pozytywny wpływ drgań ultradźwiękowych na procesy przeróbki

plastycznej.

Drgania ultradźwiękowe wytwarza się między innymi poprzez opisane wcześniej efekty

magnetostrykcyjne i piezoelektryczne. Praktycznie stosowany zakres częstotliwości w

procesach ciągnienia to 18-24 kHz. Do procesu ciągnienia stosuje się przetworniki o mocy 0,5

– 30 kW. Przetwornik magnetostrykcyjny lub piezoelektryczny łączy się z koncentratorem

drgań, w celu zwiększenia ich amplitudy. Elementy muszą być tak dobrane, aby dostarczyć

maksymalną ilość energii przy jak najmniejszych jej stratach. W celu zapewnienia skutecznej

transmisji energii konieczne jest dopasowanie koncentratora drgań wraz z ciągadłem do

przetwornika ultradźwiękowego. Materiały do konstrukcji przetwornika muszą posiadać

wysoką wytrzymałość zmęczeniową. Koncentrator wykonany jest zwykle ze stali lub tytanu i

posiada on długość rezonansową.

Pierwsze prace nad zastosowaniem ultradźwięków na skalę przemysłową wykonano w

USA. Zostały one opublikowane [25, 56] i dotyczyły procesu ciągnienia rur na trzpieniu,

który został poddany drganiom wzdłużnym. Następnie wykorzystano fakt pozytywnego

wpływu drgań w procesie ciągnienia rur i zastosowano taki proces na skalę przemysłową w

Koncernie Columbia Summerhill w 1966 roku. Zastosowane do tego celu generatory

posiadały moc akustyczną 1,5 kW, częstotliwość drgań wynosiła 15 kHz. Następnie z

sukcesem drgania ultradźwiękowe zostały wykorzystane do ciągnienia, tłoczenia oraz

walcowania metali na skalę przemysłową w Rosji, Japonii oraz w Europie [57].

Drgania wprowadzające w ruch ciągadło mogą być wzdłużne, skrętne, promieniowe oraz

prostopadłe. W procesie ciągnienia rur i drutów stosuje się na ogół drgania wzdłużne. W

14

systemie trzech ciągadeł istnieje możliwość wytworzenia fali stojącej w drucie. Istnieje

również możliwość umieszczenia ciągadła drgającego w węźle lub w strzałce fali stojącej.

2.2. Spadek stacjonarnej siły ciągnienia podczas wzbudzenia drgań ultradźwiękowych.

Według Langeneckera, Blahy, Siewierdienki i innych [40, 46, 58, 59, 60] bezpośrednią

przyczyną spadku siły ciągnienia jest wzrost szybkości powstawania dyslokacji i ich

przemieszczenie się pod wpływem energii pochodzącej od drgań ultradźwiękowych. Blaha i

Langanecker badali wpływ rezonansowych drgań o mierzalnych amplitudach na obniżenie

granicy plastyczności. Zauważyli znaczący spadek siły ciągnienia w przypadku zastosowania

drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia metali lekkich takich jak aluminium i cynk.

Langanecker rozszerzył swoją prace o metale o wysokiej wytrzymałości takie jak stal

nierdzewna, wolfram i odkrył w tym przypadku większy efekt. W swoich badaniach

odnotował obniżenie statycznej granicy plastyczności liczbowo większy od obliczonego

oddziaływania amplitudy drgań dla stali nierdzewnej i dla wolframu. Stwierdzono, że to

zjawisko może zostać wykorzystane z powodzeniem przy przeróbce plastycznej materiałów

trudnoodkształcalnych. Rezultaty prac [40, 46, 58, 59, 60] były zadowalające i w większości

obserwowano wyraźny spadek energii koniecznej do odkształcenia. Natomiast jednoznacznie

nie wyjaśniono, czy redukcja siły potrzebnej do odkształcenia jest spowodowana

zmniejszeniem sił tarcia, czy zmniejszeniem się naprężenia uplastyczniającego. Do tej pory

nie udowodniono fizycznych podstaw teorii dotyczącej aktywacji ruchu dyslokacji pod

wpływem drgań ultradźwiękowych. W swoim artykule Baker i Carpenter [61] podważają

słuszność teorii o dyslokacyjnych przyczynach spadku siły ciągnienia twierdząc, że fala

sprężysta nieznacznie oddziaływuje ze stacjonarnymi dyslokacjami. Autorzy wyprowadzają

zależność energii dyslokacji od naprężenia i wyciągają wniosek, że nie jest możliwe, aby

energia była magazynowana w dyslokacjach od cyklu do cyklu przy częstotliwościach

zastosowanych w badaniach Langeneckera i innych. Według autorów różnice w zachowaniu

się dyslokacji pod wpływem dwóch rodzajów sił są powodem efektów bezwładnościowych i

możliwych różnic w umocnieniu. Efekty bezwładnościowe mogą jednakże być znaczące tylko

przy wysokich częstotliwościach zbliżonych do naturalnych częstotliwości drgań. Przy

częstotliwościach znacznie mniejszych dyslokacje znajdują się w quasi statycznej

równowadze z zewnętrznymi i wewnętrznymi naprężeniami. Jeśli zaś chodzi o interpretację

hipotezy o wpływie energii ultradźwięku na plastyczne płynięcie metali

15

trudnoodkształcalnych badanych przez Langeneckera istnieje według autorów pracy [61]

prawdopodobieństwo, że takie rezultaty są następstwem narastających drgań rezonansowych

przyłożonych do próbki rozciąganego materiału. Doprowadziło to do obecności o wiele

większych naprężeń w próbce. Dodatkowo rezonans prowadzi do lokalnego wzrostu

temperatury jako skutku tarcia wewnętrznego, a to z kolei do obniżenia naprężenia

uplastyczniającego.

Druga bardziej wiarygodna teoria tłumaczy zmniejszenie siły ciągnienia zmianą

warunków tarcia materiału na ścianie ciągadła podczas ciągnienia z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych [29-33, 41-44, 49-55, 62]. W wymienionych pracach analizowano wpływ

kierunku drgań i prędkości trących się powierzchni na spadek współczynnika tarcia. Pomiary

wykazały jednoznacznie, że drgania ultradźwiękowe powodują obniżenie współczynnika

tarcia. W przypadku, gdy wektor prędkości drgań jest równoległy do wektora sił tarcia i

powierzchni trących odnotowano największy spadek współczynnika tarcia. Stwierdzono

również możliwość zgrzewania trących się powierzchni w przypadku małej prędkości

poślizgu oraz dużej amplitudy drgań. Zjawisko to występuje w przypadku, gdy wektor

prędkości drgań jest prostopadły do wektora sił tarcia a równoległy do trących się

powierzchni. Siewierdienko [44] wykazał, że wpływ ultradźwięków na współczynnik tarcia

wyraźnie zależy od prędkości wzajemnego poślizgu trących się powierzchni. Im prędkość

ciągnienia jest większa tym oddziaływanie drgań jest mniejsze. Istnieje również teoria

dotycząca głównie ciągnienia rur na zamocowanym trzpieniu, której zwolennikami są między

innymi Rymsza i Nosal [63]. Udowodnili oni, że zachodzi rewersja wektorów sił tarcia w

momencie, gdy prędkość drgań jest większa od prędkości ciągnienia oraz gdy kierunek

wektora jest identyczny z kierunkiem ciągnienia. Wówczas efektywna wartość naprężenia

ciągnienia maleje. Według autorów publikacji [47, 62], podczas procesu ciągnienia z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych następuje poprawa własności adhezyjnych i

absorpcyjnych smaru.

2.3. Wpływ drgań ultradźwiękowych na parametry procesu ciągnienia oraz własności wyrobu gotowego.

Zastosowanie drgań ultradźwiękowych powoduje wyraźne obniżenie siły (naprężenia

ciągnienia). Efekt jest tym większy, im większa jest amplituda drgań. Badania wpływu

zmiany amplitudy i częstotliwości na spadek siły ciągnienia można znaleźć w publikacjach

16

[43, 44, 64-68]. Badania potwierdzają teorię, iż częstotliwość drgań ma duży wpływ na

spadek siły ciągnienia. Im wyższa jest częstotliwość układu drgającego tym mniejszy spadek

siły ciągnienia. Autorzy wyciągnęli wnioski, że dobór częstotliwości drgań jest zagadnieniem

kluczowym. Im mniejsza częstotliwość drgań, tym mniejsze tłumienie amplitudy drgań.

Spadek siły ciągnienia można uważać za liniową funkcję amplitudy przyspieszenia kątowego

drgań ciągadła. Zminimalizowanie siły ciągnienia można osiągnąć zwiększając moc

elektryczną, akustyczną oraz amplitudę drgań ciągadła.

Większość dotychczas przeprowadzonych badań opisanych w pracach [29, 42, 49, 55, 63-

71] wskazuje, że istnieje zależność między spadkiem siły ciągnienia a prędkością ciągnienia z

ultradźwiękiem. Im większa jest prędkość ciągnienia tym spadek siły jest mniejszy z powodu

krótszego czasu oddziaływania energii drgań ultradźwiękowych na jednostkę objętości

odkształcanego materiału. Pozytywny efekt spadku siły pod wpływem zastosowania drgań

ultradźwiękowych można jednak wykorzystać na skalę przemysłową. Aby zaradzić zjawisku

spadku siły wraz ze wzrostem prędkości oraz równocześnie zachować dużą prędkość procesu

należy zwiększać moc ultradźwiękową oraz amplitudę drgań.

Wyniki prezentowanych badań udowadniają znaczący spadek siły ciągnienia (nawet około

50%) pod wpływem drgań ultradźwiękowych [25-34, 39-77, 80-82]. Obniżenie siły

ciągnienia pod wpływem drgań ultradźwiękowych jest tłumaczone nakładaniem

następujących efektów:

1. Superpozycją naprężenia akustycznego z naprężeniem ciągnienia,

2. Zmniejszeniem sił tarcia na powierzchni styku narzędzie – metal,

3. Obniżeniem naprężenia uplastyczniającego w wyniku generowania ciepła w obszarze

odkształcenia lub poprzez aktywizację ruchu dyslokacji.

Z badań wynika, że zmniejszenie siły ciągnienia jest zróżnicowane w zależności od wartości

amplitudy i częstotliwości drgań, rodzaju materiału, wielkości gniotu oraz prędkości

ciągnienia. Istotny wpływ na siłę ciągnienia ma również kierunek przyłożonych drgań

ultradźwiękowych do ciągadła. Wśród wielu badań dominującym kierunkiem drgań, który

jest stosowany do procesu ultradźwiękowego ciągnienia, jest kierunek wzdłużny do osi drutu.

Badania udowadniają, że przy drganiach wzdłużnych krzywa zmian siły ciągnienia w czasie

ma gładki przebieg, a wyrób końcowy posiada lepszą powierzchnię. Badania [30, 64, 65]

wykazują również zmniejszenie siły ciągnienia pod wpływem obrotowych drgań ciągadła.

Obrotowe drgania ciągadła mają jednak swoją wadę, która polega na zjawisku nie osiowości

ciągadła w stosunku do ciągnionego drutu oraz skręcania drutu podczas procesu ciągnienia.

Jeśli chodzi o kierunki drgań, istnieje również możliwość zastosowania prostopadłych drgań

17

ciągadła. Kierunek prostopadły był tematem mniejszej liczby badań. Badania dotyczące

procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań prostopadłych do osi drutu można znaleźć w

pracach [49, 62, 75, 76]. Uzyskano spadek siły ciągnienia średnio 10%-60% dla drutów z

aluminium, miedzi, mosiądzu i stali, dla tytanu około 10%. Autorzy tłumaczą zjawisko

spadku siły tzw.,,superpozycją” statycznego naprężenia ciągnienia ze zmiennym naprężeniem

akustycznym.

Ważnym zagadnieniem procesów przeróbki plastycznej z udziałem ultradźwięków jest

temperatura. Zagadnienie to jest problematyczne ze względu na utrudniony sposób pomiaru

temperatury w strefie odkształcenia. Doświadczalnie uzyskane informacje na ten temat można

znaleźć w pracach [29, 32, 33, 60, 64, 65, 67, 72]. Autorzy prac [65, 67] wskazują na

nieznaczny wzrost temperatury ciągadła w przypadku procesu z zastosowaniem

ultradźwięków w porównaniu do konwencjonalnego procesu ciągnienia. Dla stopów

aluminium jest to wzrost temperatury o ok. 10 ˚C dla stali wzrost do 20 ˚C, a dla tytanu do

23˚C. Pozostałe badania wykazują również nieznaczny wzrost temperatury drutu w zakresie

20-60 °C w stosunku do temperatury drutu ciągnionego tradycyjnie z tą samą prędkością. W

badaniach przedstawionych w pracach [32,33] dotyczących ciągnienia rur z ultradźwiękiem

autorzy wyciągnęli wniosek, że podwyższenie temperatury na skutek energii drgań

akustycznych nie stanowi głównej przyczyny zmniejszenia oporu odkształcenia. W pracy [72]

zaobserwowano między innymi badaniem wpływu drgań ultradźwiękowych na proces

ciągnienia drutów z cynku. Pomiaru temperatury drutu dokonano za pomocą termopary.

pomiędzy ciągadłem a bębnem. Uzyskano temperaturę o maksymalnej wartości 60 ˚C. Autor

pracy [72] zaobserwował obniżenie wytrzymałości na rozciąganie o 3,7% oraz umownej

granicy plastyczności o 32% jak również wzrost wydłużenia całkowitego. Na podstawie

analizy struktury drutów w pracy [72] stwierdzono, że w materiale zaszła rekrystalizacja

podczas procesu ciągnienia z ultradźwiękiem.

Dyskusyjnym zagadnieniem w przypadku procesu ciągnienia z udziałem drgań

ultradźwiękowych pozostaje temat dotyczący zmiany własności wytrzymałościowych

ciągnionych materiałów. Na podstawie analizy wyników badań zamieszczonych w dostępnej

w tym temacie literaturze wynika, że nie ma w tym względzie jednoznacznej opinii. W pracy

[68] zamieszczono wyniki badań wpływu ultradźwięków na granicę plastyczności,

wydłużenie i wytrzymałość na rozciąganie drutów ciągnionych z zastosowaniem ultradźwięku

i metodą tradycyjną. Badano druty aluminiowe, stalowe i tytanowe ciągnione z małą

prędkością. Między drutami aluminiowymi nie odnotowano różnic w badanych parametrach,

są one zbliżone dla procesu tradycyjnego ciągnienia i z zastosowaniem ultradźwięku. Dla

18

drutów stalowych odnotowano różnicę około 6% w kierunku wzrostu badanych wielkości w

przypadku procesu ciągnienia z ultradźwiękiem, natomiast w przypadku tytanu występuje

sytuacja odwrotna. Ciągnione druty ze stali i tytanu poddano badaniom metalograficznym.

Nie stwierdzono istotnych różnic mikrostruktur badanych materiałów. Autorzy prac [65, 71]

nie zauważyli istotnych różnic w zmianie własności drutów ciągnionych tradycyjnie oraz z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Odnotowali za to różnice w rozkładzie twardości na

przekroju poprzecznym drutu. Niższą twardość przy powierzchni stwierdzono dla drutów

ciągnionych z udziałem ultradźwięków. W pracy [73] nie stwierdzono różnic w wynikach

badań mikrotwardości drutów ciągnionych tradycyjnie i z udziałem ultradźwięków, a badania

metalograficzne nie wykazały zmian w strukturze materiału. Natomiast w pracy [72]

otrzymano następujące spadki umownej granicy plastyczności i doraźnej wytrzymałości na

zerwanie:

• dla Cu, 5,4% (R0,2)oraz 2,5% (Rm),

• dla Al, 2,6% (R0,2) oraz 2,3% (Rm),

• dla stali, 3,1% (R0,2) oraz, 2,4%(Rm).

Dla wszystkich materiałów zaobserwowano wzrost wydłużenia całkowitego. Autor tłumaczy

to zjawisko zmniejszeniem sił tarcia podczas ciągnienia z ultradźwiękami. W pracach [43, 45]

dla drutów z tytanu, stopów nikiel – mangan oraz stali kwasoodpornych ciągnionych z

ultradźwiękiem otrzymano mniejszą wartość wytrzymałości na rozciąganie rzędu 2-6% oraz

średnio 9% dla materiałów plastycznych. Jak wynika z przedstawionych analiz, wyciągnięcie

jednoznacznych wniosków odnośnie wpływu drgań na własności jest trudne, a czasem wręcz

niemożliwe i wymaga przeprowadzenia specjalnie zaplanowanych eksperymentów

zdeterminowanych na konkretny cel.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku oceny wpływu drgań ultradźwiękowych

na jakość powierzchni ciągnionego materiału. Z wielu badań [29, 32, 33, 49, 72, 73, 74]

wynika, że zastosowanie ultradźwięków w procesie ciągnienia znacząco poprawia gładkość

powierzchni oraz kołowość otrzymanego wyrobu gotowego.

W Polsce obszerne badania nad zastosowaniem drgań i ich wpływem na procesy

przeróbki plastycznej prowadzone były na Akademii Górniczo-Hutniczej na Wydziale Metali

Nieżelaznych między innymi przez Prof. A. Pasierba, Prof. T. Knycha, J. Gocała oraz A.

Wojnara. Wyniki tych badań można znaleźć między innymi w artykułach [20, 30, 31, 65, 66,

72], w pracy habilitacyjnej Pasierba [29] oraz pracy doktorskiej Knycha [55]. W swojej pracy

habilitacyjnej A. Pasierb wyczerpująco przebadał i przeanalizował proces ciągnienia drutów

w układzie trzech ciągadeł, z których środkowe z nich wykonuje wzdłużne drgania pod

19

wpływem przyłożonej energii ultradźwiękowej. Badania te jednoznacznie udowadniają

spadek siły w momencie włączenia drgań ultradźwiękowych. Badania są także w dużej

mierze poświęcone procesowi ciągnienia prętów oraz rur na trzpieniu aktywowanym

ultradźwiękami. W wielu badaniach [25-34, 55] dotyczących ciągnienia rur udowodniono, że

wpływ ultradźwięków jest bardzo korzystny. Przejawia się to między innymi zmniejszeniem

siły ciągnienia, zastąpieniem ciągnienia na długim trzpieniu procesem ciągnienia na korku,

zwiększeniem redukcji przekroju w jednym ciągu lub zmniejszeniem liczby ciągów,

zwiększeniem dokładności wymiarów, poprawą jakości powierzchni rury, zwiększeniem

żywotności narzędzi. Zwiększa się również możliwość ciągnienia rur cienkościennych

(D/g~500) oraz możliwość wykonania złożonych profili o minimalnych promieniach

zaokrągleń.

2.4. Badania współczynnika tarcia w procesie ciągnienia z ultradźwiękami.

Po przeanalizowaniu obszernej literatury dotyczącej procesu ciągnienia z zastosowaniem

drgań ultradźwiękowych, można stwierdzić, że znaczna większość badań przeprowadzona

została z zastosowaniem monolitycznych ciągadeł drgających wzdłużnie do osi drutu.

Zagadnienia związane z prostopadłymi do osi drutu drganiami ciągadła dzielonego

opublikowano w pracach [44, 47, 77, 78, 79]. Praca [47] dotyczyła głównie obliczenia

współczynnika tarcia w procesie ciągnienia z zastosowaniem ultradźwięku. Autor badań

wykorzystał tutaj metodę ciągadła dzielonego do obliczenia współczynnika tarcia. Na

maszynie wytrzymałościowej przeciągano przez dzielone ciągadło płaskowniki z miedzi,

brązu oraz miękkiej stali. Jedna połówka ciągadła drgała z częstotliwością 20 kHz a druga

była zamocowana na sztywno. Po wykonaniu pomiarów i obliczeń okazało się, że uzyskano

zmniejszenie wartości współczynnika tarcia dla procesu z zastosowaniem drgań ciągadła

dzielonego. Drgania te spowodowały oczywiście zmniejszenie siły ciągnienia oraz siły

rozpierającej ciągadło. W pracach [44, 77] również badano zmianę warunków tarcia w

procesie ciągnienia płaskowników z miedzi i aluminium przez ciągadło dzielone. W tym

przypadku drgania wykonywały równocześnie dwie połówki ciągadła, które stanowiły

zaokrąglone końcówki dwóch koncentratorów. Uzyskano bardzo zadawalające wyniki w

przypadku drgań połówek ciągadeł w przeciwfazie.

Prace [78, 79] dotyczą doskonalenia procesów ciągnienia pod względem zmniejszenia

konieczności użycia smarów. Stosowanie smarów w procesie powoduje konieczność mycia

20

obrabianego przedmiotu oraz zanieczyszczenie środowiska. Analizowano wyniki badań

ciągnienia stopów aluminium przez ciągadło rolkowe i dzielone ciągadło wzbudzone

ultradźwiękowo. Z badań wynika, że ciągnienie z ultradźwiękiem przez dzielone ciągadło

diamentowe jest korzystne i nie wymaga użycia smarów, natomiast uzyskane wyniki

dotyczące smarowania są jeszcze lepsze w przypadku ciągadeł rolkowych.

2.5. Badania nad zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia materiałów trudnoodkształcalnych.

Wyniki badań przemysłowych zawarte w pracach [26, 56] udowodniły, że przy

zastosowaniu drgań ultradźwiękowych istnieje możliwość ciągnienia cienkich drutów ze stali

i stopów trudnoodkształcalnych (np.: stopy cyrkonu, niob). Badaniem efektów związanych z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia materiałów

trudnoodkształcalnych zajmowali się między innymi autorzy następujących publikacji [43,

45, 49, 60, 65, 67-69, 80-82].

W pracy [49] opisano wyniki badań przeprowadzonych na drutach z wysokostopowej

nierdzewnej stali austenitycznej. Stosowano różne współczynniki wydłużenia, oraz zmienną

prędkość ciągnienia. Zastosowano ciągadła drgające z częstotliwością około 22 kHz. Ciągadła

umiejscowiono w strzałce fali stojącej i w węźle fali stojącej. Badania wykazały, spadek siły

rzędu od 12%-40%.

Langenecker [60] podczas odkształcania z udziałem drgań ultradźwiękowych zauważył

znaczącą redukcję siły w przypadku metali o wysokiej wytrzymałości. Odnotował spadek

statycznej granicy plastyczności liczbowo większy od obliczonego oddziaływania amplitudy

drgań dla stali nierdzewnej i dla wolframu. W tych pracach uwaga została poświęcona

weryfikacji tak znacznej redukcji naprężenia uplastyczniającego pod wpływem zastosowania

drgań w rezonansie. Po wielu badaniach znaleziono prawidłowość pomiędzy zmniejszeniem

granicy plastyczności, która następuje powyżej częstotliwości od 15 do 1,5*106 Hz.

Zaobserwowano również, że jeśli intensywność drgań była mniejsza niż krytyczna wartość

naprężenia stycznego (ścinającego) wtedy efekt nie był widoczny (Blaha i Langanecker).

Z badań własnych autorów pracy [81] opisujących zagadnienie dotyczące wpływu

ultradźwięku na parametry procesu ciągnienia drutu tytanowego wynika, że ultradźwięki

powodują zmniejszenie siły, wzrost plastyczności, wzrost wytrzymałości na pełzanie i

zmęczenie, bardziej równomierną średnicę wyrobu gotowego niż konwencjonalny proces

21

ciągnienia. Autorzy twierdzą, że ultradźwięki ujednorodniają dystrybucje dyslokacji, co w

konsekwencji obniża wewnętrzną koncentrację naprężeń. Maropis do swoich badaniach [67-

69] wybrał następujące materiały: stal AISI 4340, stop tytanu 6A1-4V, które charakteryzują

się wysoką wytrzymałością na rozciąganie. Ciągadła z węglika wolframu zapewniały

redukcję przekroju od 7 do 37%. Przetwornik ultradźwiękowy połączony był z ciągadłem

drgającym wzdłużnie o częstotliwości w przedziale od 15 do 28 kHz. Elektryczna moc

wejściowa przetwornika wynosiła maksymalnie 8 kW. Ciągarka hydrauliczna została

zmodyfikowana tak, aby można było dokonać pomiarów siły ciągnienia, temperatury

ciągadła, elektrycznej mocy wejściowej pobieranej przez system ultradźwiękowy oraz

amplitudy drgań ciągadła. Następnie pręty przeciągnięto, stosując różne współczynniki

wydłużenia oraz różne prędkości ciągnienia: 30,5m/min dla stali i powyżej 61,0 m/min dla

stopu tytanu. Badano wpływ ultradźwięków na granicę plastyczności, wydłużenie i

wytrzymałość na rozciąganie. Przeprowadzono próby rozciągania dla prętów ciągnionych z

zastosowaniem ultradźwięku i bez. Autor udowadnia również, że przyłożenie drgań

ultradźwiękowych pozwala na odkształcenie prętów tytanu z prędkością większą niż 0,5 m/s

W normalnych warunkach proces ciągnienia tego materiału przy takiej prędkości jest bardzo

trudny do przeprowadzenia. W tradycyjnym procesie ciągnienia jest on tylko możliwy na

gorąco. Autor artykułu [82] przeprowadził próbę ściskania oraz rozciągania między innymi

wysokostopowych gatunków stali oraz stopów tytanu. Drgania wzdłużne posiadały

częstotliwość 22 kHz oraz amplitudę w granicach 5-20 µm. Badania wykazały spadek siły

potrzebnej do przeprowadzenia ściskania w momencie włączenia drgań ultradźwiękowych np.

z 25 kN na 16 kN. Udowodniono zależność spadku siły od amplitudy drgań oraz od struktury

i składu chemicznego badanego materiału. Autor jest zwolennikiem teorii Siewierdienki

dotyczącej zmniejszenia oporu plastycznego płynięcia jako skutku przyłożonych drgań

ultradźwiękowych.

2.6. Podsumowanie dotychczas opublikowanych wyników badań.

Na podstawie analizy dostępnej literatury, można wyciągnąć następujące kompleksowe

wnioski dotyczące procesu ciągnienia z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Drgania

ciągadła mają wpływ na:

1. Siłę ciągnienia:

• drgania ultradźwiękowe zastosowane w procesie ciągnienia powodują znaczne

zmniejszenie siły ciągnienia; średnio 30-50%,

22

• jedna z głównych tez wyjaśniających obniżenie siły ciągnienia dotyczy zmniejszenia

współczynnika tarcia oraz zmniejsza energii potrzebnej do odkształcenia,

• na spadek siły ciągnienia mają wpływ następujące parametry: prędkość ciągnienia,

amplituda i częstotliwość drgań definiujące ilość dostarczanej energii, rodzaj i stan

ciągnionego materiału, położenie drgającego ciągadła względem innych stałych

elementów układu rezonansowego oraz kierunek drgań,

• zjawisko rezonansu wpływa korzystnie na spadek siły ciągnienia,

• w badaniach wielu autorów wśród stosowanych kierunków drgań przeważa kierunek

wzdłużny,

• im większa prędkość ciągnienia tym mniejszy spadek siły ciągnienia,

• dobór prawidłowego układu do wytwarzania drgań jest ogromnie istotny i ma wpływ

na wartość spadku siły ciągnienia,

• istnieje wiele sprzecznych teorii dotyczących przyczyn spadku siły ciągnienia, pod

wpływem przyłożonych drgań narzędzia,

• brak jednolitej teorii na temat przyczyn spadku siły ciągnienia powoduje konieczność

dalszych badań nad poszukiwaniem mechanizmów zjawisk zachodzących w procesie

ultradźwiękowego ciągnienia.

2. Własności materiału:

• jeśli gęstość energii przypadająca na jednostkę objętości ciągnionego materiału jest

wystarczająco wysoka to dostarczona do materiału energia zmniejsza granicę

plastyczności [67-69]. Mechanizm tego zjawiska nie jest w pełni udowodniony i

wymaga przeprowadzenia dalszych wnikliwych badań doświadczalnych,

• własności mechaniczne oraz struktura materiału ciągnionego z ultradźwiękiem w

badaniach niektórych autorów wykazują różnicę w stosunku do własności materiału

ciągnionego sposobem tradycyjnym.

3. Jakość powierzchni:

• zastosowanie drgań ultradźwiękowych poprawia jakość powierzchni materiału oraz

kołowość drutu i powoduje mniejsze zużycie narzędzi niż w tradycyjnym procesie

ciągnienia.

23

4. Temperatura:

• nie odnotowano istotnych różnic w rozkładzie temperatury na powierzchni

ciągnionego drutu. Maksymalny przyrost temperatury w stosunku do tradycyjnego

procesu wynosił 60ºC. Większe wartości temperatury zaobserwowano w węźle fali

stojącej. Małą prędkość procesu może zwiększyć wydzielanie się ciepła,

• w przypadku metali o niskiej temperaturze rekrystalizacji (Zn) może dojść do

rekrystalizacji i obniżenia granicy plastyczności materiału po przeciągnięciu z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.

5. Pozostałe wnioski:

• wpływ ultradźwięków jest bardziej widoczny dla większych stosunków powierzchni

do objętości (np. podczas ciągnienia rur),

• zastosowanie energii ultradźwiękowej pozwala na prowadzenie procesu ciągnienia

materiałów trudnych do odkształcenia w procesie tradycyjnego ciągnienia,

• osiągnięcie postępów w procesie ciągnienia takich metali jak tytan i beryl może

gwarantować sukces procesowi ciągnienia z ultradźwiękiem na skalę przemysłową.

3. Teza pracy oraz cel i zakres badań.

Tradycyjny proces ciągnienia drutów, prętów i rur charakteryzuje się relatywnie niskimi

wartościami współczynnika wydłużenia w stosunku do innych procesów plastycznej

przeróbki metali. Fakt ten jest prostą konsekwencją niekorzystnego stanu naprężenia w strefie

wyjścia z ciągadła, w której aksjator stanu naprężenia może przyjmować wartości dodatnie.

Graniczny warunek procesu zakładający relację бC < бplk (naprężenie ciągnienia mniejsze od

granicy plastyczności przeciągniętego materiału) narzuca konieczność stosowania niewielkich

współczynników wydłużenia.

Analiza literatury umożliwia stwierdzenie, że mechanizm zjawisk towarzyszących

wprowadzeniu energii drgań ultradźwiękowych do kotliny ciągarskiej nie jest dostatecznie

rozpoznany i jednoznacznie wyjaśniony. Analiza publikacji wskazuje również na brak

eksperymentów wykazujących zmniejszenie oporu plastycznego płynięcia w wyniku

wprowadzenia energii drgań ultradźwiękowych do stożka roboczego dzielonego ciągadła

podczas procesu ciągnienia drutów.

24

Podwyższenie własności plastycznych i obniżenie oporu odkształcenia metali i stopów

jest głównym problemem w procesach odkształcania materiałów o niskiej plastyczności, które

są coraz częściej stosowane we współczesnej technice. Pozytywne rozwiązanie problemów

badawczych określonych w pracy wniesie nowe elementy w dotychczasowy stan wiedzy na

temat ultradźwiękowego ciągnienia oraz umożliwi wdrożenie nowego sposobu

ultradźwiękowego „ciagnienia-obkuwania” materiału przy użyciu dzielonego ciągadła.

Badania parametrów siłowych i granicznych odkształceń w procesie ciągnienia przez dzielone

ciągadło z wymuszeniem prostopadłych drgań połówki ciągadła do osi drutu mają na celu

dostarczenie niezbędnych informacji dotyczących niekonwencjonalnego sposobu

odkształcania drutów. Jest to proces dotychczas niezbadany, a przewidywane rezultaty mogą

mieć istotne znaczenie w dziedzinie budowy technologii ciągnienia drutów z materiałów

trudnoodkształcalnych.

Po wnikliwej analizie literatury oraz teoretycznych rozważania nad procesem

„ciągnienie – obkuwanie” w kierunku prostopadłym do osi drutu sformułowano tezę pracy

doktorskiej oraz cele badawcze. Tezą pracy jest domniemywanie że:

„Aktywizacja dzielonego ciągadła energią drgań ultradźwiękowych prostopadłych do

osi drutu powoduje zmianę schematu naprężenia i odkształcenia, co spowoduje obniżenie

naprężeń rozciągających w ciągnionym drucie. Na skutek znacznego obniżenia naprężenia

(siły) ciągnienia nastąpi wydatny wzrost odkształcalności ciągnionego materiału. W dalszym

ciągu zakłada się, że zmiana tradycyjnego procesu ciągnienia na ultradźwiękowy proces

„ciągnienie – obkuwanie” materiału w stożku dzielonego ciągadła umożliwi odkształcenie

materiału ze współczynnikami wydłużenia, które nie są możliwe do osiągnięcia ani w

tradycyjnym procesie ciągnienia, ani w procesie ciągnienia z zastosowaniem tylko wzdłużnie

drgających ciągadeł”.

Cel badań jest następujący:

1. Opracowanie nowego sposobu ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło z zastosowaniem

energii drgań ultradźwiękowych. Celem tego procesu jest spowodowanie zmian schematu

naprężenia i odkształcenia w kierunku wymuszenia odkształcenia przy ujemnym aksjatorze

naprężenia.

2. Zbadanie i opracowanie mechanizmu zjawisk towarzyszących wprowadzeniu energii drgań

ultradźwiękowych do kotliny ciągarskiej przy zastosowaniu do procesu ciągnienia dzielonego

25

ciągadła, ale także układów współpracujących ze sobą ciągadeł drgających poprzecznie i

wzdłużnie.

3. Opracowanie mechanistycznego modelu nowego procesu „ciągnienie – obkuwanie” i

określenie na tej podstawie rzeczywistych przyczyn spadku naprężenia ciągnienia w wyniku

wprowadzenia energii drgań ultradźwiękowych do strefy odkształcenia.

4. Pomiary zmian parametrów siłowych procesu ciągnienia z ultradźwiękiem dla oceny

możliwości intensyfikacji odkształceń.

5. Zbadanie wpływu drgań ultradźwiękowych na własności mechaniczne otrzymane w próbie

rozciągania drutów na ciągarce bębnowej z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

6. Ostatecznym celem badań jest próba opanowania procesu odkształcenia materiałów

trudnoodkształcalnych.

Dla realizacji przedstawionego celu pracy przyjęto następujący zakres badań:

1. Ciągnienie ze zmianą schematu odkształcenia w procesie ultradźwiękowego

ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło (drgającą połówka ciągadła prostopadle do

osi drutu).

2. Jednoczesne skojarzenie drgań wzdłużnych ciągadła monolitycznego oraz

prostopadłych drgań ciągadła dzielonego według różnych schematów procesu

ciągnienia.

3. Badania wpływu intensywności energii drgań ultradźwiękowych na zmianę własności

mechanicznych rozciąganego materiału. Badania modelowe będą realizowane w

próbie ultradźwiękowego rozciągania na ciągarce bębnowej z nałożeniem drgań o

energii porównywalnej z realnym procesem ciągnienia.

4. Koncepcja realizacji celów badawczych.

W celu ułatwienia procesu ciągnienia materiałów trudnoodkształcalnych zaproponowano i

opracowano nowy sposobu ciągnienia drutów przez dzielone ciągadło z zastosowaniem

energii drgań ultradźwiękowych. W tym celu skonstruowano unikatowe stanowisko służące

do przeprowadzenia procesu ciągnienia przez ciągadło dzielone drgające prostopadle do osi

drutu. Zaprojektowano i wykonano układy wytwarzające drgania ultradźwiękowe,

konstrukcje mocujące oraz ciągadła.

26

W celu udowodnienia, iż proces ten powoduje zmianę tradycyjnego procesu ciągnienia na

ultradźwiękowe „obkuwanie” materiału w stożku dzielonego ciągadła, przeprowadzono

teoretyczną analizę kinematyki zjawisk zachodzących w kotlinie odkształcenia w procesie

ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych drgań ciągadła.

Opracowano program badań oraz sposób postępowania umożliwiający uzyskanie

założonego celu pracy. Zaproponowano czternaście schematów ciągnienia (Tablica 6.1.1)

umożliwiających zbadanie wpływu ultradźwięków na parametry ciągnienia przez ciągadło

dzielone i systemy z nim sprzężone. Program badań opracowano tak, aby ocenić wszystkie

dotychczas badane efekty wpływające na zmianę procesu ciągnienia pod wpływem drgań

ultradźwiękowych.

Najważniejszym przedmiotem badań jest określenie rzeczywistych przyczyn spadku siły

ciągnienia w wyniku wprowadzenia energii drgań ultradźwiękowych do strefy odkształcenia

w stożku roboczym ciągadła dzielonego drgającego prostopadle do osi drutu. Ważnym

zagadnieniem w pracy jest również zbadanie różnic w spadku siły ciągnienia pod wpływem

zastosowania drgań wzdłużnych ciągadła oraz drgań prostopadłych. Badania takie mają na

celu porównanie tych dwóch różnych sposobów ciągnienia z zastosowaniem drgań o innych

kierunkach. Część pracy została poświęcona na zsynchronizowanie obu rodzajów drgań w

jednym procesie odkształcenia drutu przez układy ciągadeł posobnych umiejscowionych w

różnych konfiguracjach. Podjęto między innymi próby skojarzenia ultradźwiękowych

naprężeń przeciwciągu z jednoczesną ultradźwiękową wibracją połówki ciągadła dzielonego

jak również zastosowano odwrotną kolejność posobnych ciągadeł.

W celu sprawdzenia teorii dotyczącej zmiany własności w procesie ciągnienia z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych podjęto próbę zbadania wpływu drgań

ultradźwiękowych w próbie rozciągania na specjalnie przystosowanej do tego ciągarce

bębnowej z zamontowanym przetwornikiem wytwarzającym drgania wzdłużne do osi

rozciąganego drutu.

Mając na celu sprawdzenie wpływu drgań na własności wytrzymałościowe

ciągnionych materiałów wykonano badania wyrobów gotowych w próbie rozciągania drutów

ciągnionych metodą tradycyjną oraz z ultradźwiękiem. W przypadku znaczących zmian tych

własności zaplanowano również badania struktury materiału.

W programie badań przewidziano również pomiar temperatury drutu w obszarze przed

i za ciągadłem za pomocą termopary stykowej, pirometru i kamery termowizyjnej.

Każdorazowo oceniano jakość powierzchni ciągnionego drutu oraz dokonywano pomiaru

średnicy końcowej wyrobu. Badania obejmują wpływ wielkości odkształcenia oraz prędkości

27

ciągnienia jako dwóch najważniejszych parametrów procesu ciągnienia na siłę ciągnienia.

Częstotliwość drgań była stała i wynosiła zarówno dla drgań poprzecznych jak i wzdłużnych

20 kHz. Szacowana amplituda drgań wzdłużnych osiągała wartość ok. 10µm, zaś drgań

poprzecznych ok. 20 µm. Do badań zastosowano druty aluminiowe 1050 w stanie

wyżarzonym o średnicy 3 mm. Ograniczone moce generatorów ultradźwiękowych użytych do

badań były podstawą wyboru materiału trudnoodkształcalnego. Wybrano stal austenityczną

AISI 302 w stanie wyżarzonym o średnicy 3 mm.

5. Analiza teoretyczna kinematyki procesu ciągnienia z uwzględnieniem ultradźwiękowych drgań ciągadła.

Analiza ma na celu wyjaśnienie, jakie efekty zachodzą w ciągadle dzielonym

drgającym prostopadle do osi drutu oraz w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do

osi drutu. Mechanizmy zachodzące w kotlinie odkształcenia w obu przypadkach

odpowiedzialne są za obniżenie siły w procesie ultradźwiękowego ciągnienia.

5.1. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle monolitycznym drgającym wzdłużnie do osi drutu.

Ciągadło monolityczne wykonuje drgania w kierunku wzdłużnym do osi drutu

zgodnie z zasadą ruchu harmonicznego. Na Rys. 5.1.1 zaprezentowano sinusoidę opisującą

ruch drgający ciągadła monolitycznego. Poniżej zamieszczono szczegółową analizę zjawisk

zachodzących w kotlinie odkształcenia podczas procesu równoczesnego ciągnienia i kucia

przez monolityczne ciągadło drgające wzdłużnie do osi drutu. Dodatkowo podczas

odkształcenia drutu wzdłużnych aktywnym zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła

monolitycznego spotykamy się z działaniem aktywnych i reaktywnych sił tarcia. Siły aktywne

tarcia odpowiedzialne są za spadek siły ciągnienia.

28

Rys.5.1.1 Sinusoida opisująca ruch harmoniczny drgającego wzdłużnie ciągadła

monolitycznego.

Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego w poszczególnych ćwiartkach sinusoidy.

Ćwiartka I.

Na Rys. 5.1.2 pokazano pierwszą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.3 schematycznie

pokazano ruch ciągadła w I ćwiartce okresu drgań. Ciągadło drgając w pierwszej ćwiartce

ucieka przed materiałem zgodnie z kierunkiem ciągnienia na odległość równą amplitudzie

drgań A. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na

niego siły ciągnienia. Następuje w takim przypadku odciążenie materiału od nacisku ściany

ciągadła. Następuje wtedy tak zwany proces ułatwionego ciągnienia w warunkach

zmniejszonego nacisku ciągadła na metal. W tych warunkach należy spodziewać się spadku

siły ciągnienia.

29

Rys. 5.1.2. Pierwsza ćwiartka sinusoidy opisująca ruch ciągadła monolitycznego w czasie ¼T.

A

D

0 1

Rys. 5.1.3. Ruch ciągadła (ćwiartka I) zgodnie ze zwrotem i kierunkiem ciągnienia z

położenia wyjściowego 0 do maksymalnego położenia w amplitudzie drgań A.

Ćwiartka II.

Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła drgającego wzdłużnie w II ćwiartce okresu drgań. Na Rys.

5.1.4 pokazano drugą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.5 schematycznie pokazano ruch

30

ciągadła w II ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od ¼ T do ½ T wraca do swojego położenia

wyjściowego z punktu 1 do punktu 2 na osi T. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się

zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia i natrafia na ścianę ciągadła.

Następuje uderzenie ciągadła w powierzchnię drutu. Następuje wzrost nacisku ciągadła na

metal.

Rys. 5.1.4. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch wzdłużny ciągadła monolitycznego w

czasie od ¼ T do ½ T.

A

D

2 1

Rys. 5.1.5. Ruch ciągadła w przeciwnym kierunku do działającej na materiał siły ciągnienia

(ćwiartka II) do położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi czasu T.

31

Ćwiartka III.

Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie w III ćwiartce okresu

drgań. Na Rys. 5.1.6 pokazano trzecią ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.7 schematycznie

pokazano ruch ciągadła w III ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od 1/2 T do 3/4 T drga

przeciwnie do zwrotu działania siły ciągnienia od położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi

czasu, do maksymalnego położenia w punkcie 3. Materiał w tym samym czasie przemieszcza

się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy proces

ciągnienia z udziałem dodatkowej siły z osobnego źródła energii. Ciągadło drgające

wykonuje w tym momencie największą pracę odkształcenia. W tych warunkach praca

odkształcenia wykonywana jest głównie od energii ultradźwiękowej.

32

Rys. 5.1.6. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch drgającego wzdłużnie ciągadła

monolitycznego w czasie od 1/2T do 3/4 T.

A

D

3 2

Rys. 5.1.7. Ruch ciągadła monolitycznego (ćwiartka III) przeciwnie do zwrotu ciągnienia z

położenia wyjściowego 2 do maksymalnego położenia w lewo 3.

33

Ćwiartka IV.

Rozpatrzymy teraz ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie w IV ćwiartce okresu

drgań. Na Rys. 5.1.8 pokazano czwartą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.1.9 schematycznie

pokazano ruch drgający ciągadła w IV ćwiartce okresu. Ciągadło w czasie od 3/4 T do T

wraca do swojego położenia wyjściowego zmniejszając równocześnie nacisk na materiał

odkształcany. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem

działającej na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy proces ciągnienia z malejącym

naciskiem ścian ciągadła na powierzchnię odkształcanego materiału. W tych warunkach

należy spodziewać się spadku siły ciągnienia.

34

Rys. 5.1.8. Kolejna ćwiartka sinusoidy opisująca ruch ciągadła monolitycznego w czasie od

3/4T do 1 T.

AD 3 4

Rys. 5.1.9. Ruch ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie (ćwiartka IV) zgodnie ze

zwrotem działającej na materiał siły ciągnienia z maksymalnego położenia 3 do położenia

wyjściowego w punkcie 4 na osi czasu.

Podsumowując rozważania nad procesem odkształcenia metalu w stożku ciągadła

monolitycznego można powiedzieć, że drgające ciągadło wykonuje pracę odkształcenia z

osobnego źródła energii. Siła drgającego wzdłużnie ciągadła przyłożona jest za pomocą

35

narzędzia do ciągnionego materiału. Minimalizujemy efekty bezpośredniego przyłożenia siły

do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego ciągnienia. Ciągadło drgające wzdłużnie

porusza się ruchem harmonicznym na przemian zgodnie ze zwrotem siły ciągnienia oraz

przeciwnie do tego zwrotu, powoduje odciążenie siły ciągnienia w ćwiartce I oraz IV.

Dodatkowo, gdy ciągadło przemieszcza się przeciwnie do działającej na materiał siły

wykonuje ono pracę odkształcenia z innego źródła energii. Efekt pozytywnego wpływu

ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od prędkości

ciągnienia i współczynnika wydłużenia. Proces taki można określić terminem

„ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” wzdłuż osi ciągnionego materiału. Schemat

efektu spadku siły ciągnienia pod wpływem ultradźwiękowych drgań ciągadła

monolitycznego pokazano na Rys. 5.1.10.

Rys. 5.1.10. Schemat efektu spadku siły ciągnienia pod wpływem ultradźwiękowych drgań

ciągadła monolitycznego w czasie jednego okresu drgań.

36

5.2. Opis kotliny odkształcenia w ciągadle dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu.

Ciągadło dzielone wykonuje powtarzające się drgania prostopadłe do osi drutu

zgodnie z zasadą ruchu harmonicznego. Na Rys. 5.2.1 zaprezentowano sinusoidę opisującą

ruch połówki ciągadła dzielonego drgającego z określoną amplitudą A. Analizę zjawisk

zachodzących w kotlinie odkształcenia podczas procesu równoczesnego ciągnienia i

„obkuwania” przez dzielone ciągadło drgające prostopadle do osi drutu pokazano na

kolejnych rysunkach. Na Rys. 5.2.2 pokazano ruch ściany ciągadła w czterech ćwiartkach

okresu drgań.

Rys.5.2.1. Sinusoida opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego.

37

Rys.5.2.2. Ruch krawędzi ściany ciągadła w płaszczyźnie osiowej w czasie całego okresu

drgań.

Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w każdej ćwiartce okresu drgań.

Pominiemy w tym przypadku wpływ prędkości ciągnienia.

Ćwiartka I.

Na Rys. 5.2.3 pokazano pierwszą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.4 schematycznie

pokazano ruch połówki ciągadła w I ćwiartce. Połówka ciągadła unosi się w górę z położenia

0 do maksymalnego położenia w górze równego amplitudzie drgań A. Materiał w tym samym

czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia. Materiał

podchodzi pod ścianę podnoszącej się do góry połówki ciągadła dzielonego. Gdy prędkość

ciągnienia jest odpowiednio dobrana, następuje w takim przypadku odciążenie materiału od

nacisku ściany ciągadła. Następuje wtedy tak zwany proces ułatwionego ciągnienia w

warunkach zmniejszonego nacisku ciągadła na metal. W tych warunkach należy spodziewać

się spadku siły ciągnienia.

38

Rys. 5.2.3. Pierwsza ćwiartka sinusoidy opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w czasie

¼ T.

ADA

Rys. 5.2.4. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka I) w górę z położenia wyjściowego 0 do

maksymalnego położenia w górze równego amplitudzie drgań A.

Ćwiartka II.

Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w II ćwiartce okresu drgań. Na Rys.

5.2.5 pokazano drugą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.6 schematycznie pokazano ruch

połówki ciągadła w II ćwiartce okresu. W tym przypadku również pomijamy zagadnienie

doboru prędkości ciągnienia. Połówka ciągadła w czasie od ¼ T do ½ T opada w dół od

39

położenia w szczytowym punkcie 1 do stanu wyjściowego położenia maksymalnego punkcie

2. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego

siły ciągnienia i natrafia na ścianę ciągadła. Następuje wtedy wstępny proces „ciągnienie –

obkuwanie”. Następuje wzrost nacisku ciągadła na metal.

Rys. 5.2.5. Kolejna ćwiartka sinusoidy (II) opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w

czasie od ¼ T do ½ T.

ADA

Rys. 5.2.6. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka II) w dół z maksymalnego położenia w górze do

położenia wyjściowego.

40

Ćwiartka III.

Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w III ćwiartce okresu drgań. Na Rys.

5.2.7 pokazano trzecią ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.8 schematycznie pokazano ruch

połówki ciągadła w III ćwiartce okresu. W tym przypadku również pomijamy zagadnienie

doboru prędkości ciągnienia. Połówka ciągadła w czasie od 1/2 T do 3/4 T opada w dół od

położenia wyjściowego w punkcie 2 na osi czasu, do dolnego położenia maksymalnego w

punkcie 3. Materiał w tym samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej

na niego siły ciągnienia. Następuje wtedy pełny proces „ciągnienie – obkuwanie”. Ciągadło

drgające wykonuje w tym momencie największą pracę odkształcenia obkuwając podawany

przez ciągarkę materiał. W tych warunkach praca odkształcenia wykonywana jest z innego

źródła energii, czyli od energii ultradźwiękowej.

41

Rys. 5.2.7. Kolejna ćwiartka sinusoidy (III) opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w

czasie od 1/2T do 3/4 T.

ADA

Rys. 5.2.8. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka III) w dół z położenia wyjściowego do

maksymalnego położenia w dole w punkcie 3.

Ćwiartka IV.

Rozpatrzymy teraz ruch połówki ciągadła dzielonego w IV ćwiartce okresu drgań. Na Rys.

5.2.9 pokazano czwartą ćwiartkę okresu drgań a na Rys. 5.2.10 schematycznie pokazano ruch

połówki ciągadła w IV ćwiartce okresu. W tym przypadku również pomijamy zagadnienie

42

doboru prędkości ciągnienia. Połówka ciągadła w czasie od 3/4 T do T wraca do swojego

położenia wyjściowego zmniejszając równocześnie nacisk na materiał drutu. Materiał w tym

samym czasie przemieszcza się zgodnie z kierunkiem działającej na niego siły ciągnienia.

Następuje wtedy proces „ciągnienie – obkuwanie” z malejącym naciskiem ścian ciągadła na

powierzchnię odkształcanego materiału. W tych warunkach należy spodziewać się spadku siły

ciągnienia.

Rys. 5.2.9. Kolejna ćwiartka sinusoidy (IV) opisująca ruch połówki ciągadła dzielonego w

czasie od 3/4T do 1 T.

ADA

Rys. 5.2.10. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka IV) w górę z maksymalnego położenia w dole

do położenia wyjściowego w punkcie 4.

43

Podsumowując rozważania nad procesem „ciągnienia – obkuwania” w stożku ciągadła

dzielonego można powiedzieć, że drgające ciągadło wykonuje pracę odkształcenia z

osobnego niż ciągarka źródła energii. Dynamiczna siła uderzenia przyłożona jest za pomocą

narzędzia do ciągnionego materiału. Minimalizujemy efekty bezpośredniego przyłożenia siły

do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego ciągnienia. W procesie „ciągnienia –

obkuwania” zmienia się stan naprężenia i odkształcenia na korzystniejszy – występuje

przewaga składowych ściskających promieniowych i obwodowych. Efekt pozytywnego

wpływu ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od

prędkości ciągnienia i współczynnika wydłużenia.

Przeanalizujmy teraz taki sam proces polegający na ruchu drgającym ciągadła

dzielonego uwzględniając wpływ prędkości ciągnienia.

Przypadek 1 Opisany przypadek dotyczy ruchu ciągadła z położenia 0 do 1 na sinusoidzie, czyli pierwszej

ćwiartki okresu. Na Rys. 5.2.11 pokazano fragment sinusoidy dotyczący rozpatrywanego

przypadku ruchu ciągadła. Zakładamy pewną prędkość graniczną. Ciągniony materiał porusza

się z taką prędkością graniczną, która powoduje, że materiał pozostaje w swobodnym

kontakcie z powierzchnią ciągadła. Oba materiały stykają się ze sobą natomiast nie następuje

odkształcenie materiału. Ściana ciągadła przemieszcza się w kontakcie bezsiłowym wraz z

powierzchnią drutu w I ćwiartce okresu drgań ultradźwiękowych. Na Rys. 5.2.12. zaznaczono

odpowiednie wielkości. Wzór na obliczenie prędkości granicznej procesu wyprowadzono

przy założeniach:

Założenie: V =Vgr , l(V )=l(Vgr )

44

Rys. 5.2.11. Pierwsza ćwiartka okresu obrazująca rozpatrywany w przykładach: 1-3 ruch

połówki ciągadła dzielonego w czasie ¼ T.

Rys. 5.2.12. Ruch połówki ciągadła (ćwiartka I) w górę przy założeniu: V =Vgr , w

momencie, gdy następuje swobodny kontakt materiału ze ścianą ciągadła.

grlAtg =α (1)

αtgAlgr = (2)

45

Tl

V grgr = (3)

αTtgAVgr

4= (4)

Przypadek 2

Opisany przypadek dotyczy ruchu ciągadła z położenia 0 do 1 na sinusoidzie. Zakładamy

teraz, że prędkość ciągnienia jest mniejsza od wartości prędkości granicznej opisanej wzorem

numer (4) w przykładzie 1. Ciągniony materiał porusza się z tak małą prędkością, że nie

pozostaje w kontakcie z powierzchnią ciągadła. Prędkość mniejsza od obliczonej prędkości

granicznej powoduje, że dana objętość materiału nie zdąża podejść pod ścianę ciągadła i nie

następuje odkształcenie materiału. Materiał jest tylko podawany przez bęben ciągarki. W

takim momencie siła ciągnienia wynosi 0 N. Na Rys. 5.2.13 pokazano ruch ciągadła przy

założeniu: Vc <Vcgr , l(Vc )<l(Vcgr ).

ADA

Rys.5.2.13. Ruch krawędzi ściany ciągadła w płaszczyźnie osiowej w ¼ T przy założeniu, że

Vc <Vcgr .

46

Przypadek 3

Opisany przypadek dotyczy ruchu ciągadła z położenia 0 do 1 na sinusoidzie. Zakładamy, że

prędkość ciągnienia jest większa od wartości prędkości granicznej opisanej wzorem w

przykładzie 1. Ciągniony materiał porusza się z tak dużą prędkością, że napotyka na ścianę

ciągadła, którego ruch do góry jest wolniejszy. Prędkość większa od obliczonej prędkości

granicznej powoduje, że ściana ciągadła nie zdąża podnieść się w górę i hamuje materiał. W

tym momencie następuje odkształcenie materiału i siła ciągnienia wzrasta.

Założenie Vc >Vcgr , l(Vc )>l(Vcgr )

Przeanalizujmy teraz przebieg siły podczas ruchu materiału i ciągadła w całym okresie

drgań pokazany na Rys. 5.2.14. Zakładamy, że Vc =Vcgr oraz Vc <Vcgr . Ciągadło drgające

prostopadle do osi drutu porusza się na przemian w górę i w dół. Przy powyższych

założeniach dotyczących prędkości następuje odciążenie siły ciągnienia dzięki ruchom

ciągadła w górę oraz przez bezsiłowy styk powierzchni ścian ciągadła i materiału w I i IV

ćwiartce okresu drgań. Dodatkowo, gdy ciągadło przemieszcza się w dół wykonuje wtedy

pracę odkształcenia z innego źródła energii. Proces taki można określić terminem

„ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” w kierunku prostopadłym do osi ciągnionego

materiału.

Rys. 5.2.14. Przebieg siły podczas ruchu materiału i ciągadła w czasie całego okresu drgań

przy założeniu, że Vc =Vcgr , Vc <Vcgr .

47

Wyznaczamy teraz liczbę uderzeń ściany ciągadła w punkt na powierzchni materiału

przechodzącego przez kotlinę odkształcenia przez ciągadło dzielone wykonujące drgania

prostopadłe do osi drutu. Obliczenia zostaną wykonane przy następujących parametrach

procesu:

mmlsmmV

smmV

mmdD

mmdmmD

mmmAsTHzf

Śr

26,1/265

/3009

4,03,16,2

302,020

10*520000

5

=

==

°==−

===

===

=−

α

λ

µ

Przemieszczenie punktu w czasie ¼ T można zapisać wzorem:

mmVTl Śr 0033,010*5*41*26510*5*

41*)

41( 55

0 === −− (5)

Średni czas przejścia punktu przez kotlinę obliczamy Ilość zależności:

sV

ltŚr

k 00475,0265

26,1=== (6)

Ilość uderzeń ciągadła obliczamy ze wzoru:

9510*5

00475,05 === −T

tu k (7)

To znaczy, że każdy punkt zanim opuści kotlinę odkształcenia dostanie około 95 uderzeń

ciągadła.

48

W tabeli 5.2.1 zestawiono wyniki obliczeń liczby uderzeń połówki ciągadła dzielonego dla

wszystkich zastosowanych współczynników wydłużenia oraz wszystkich zastosowanych w

badaniach prędkości ciągnienia przy częstotliwości drgań 20 kHz.

Tabela 5.2.1. Liczba uderzeń połówki dzielonego ciągadła w każdy punkt leżący na

powierzchni stożkowej w obszarze odkształcenia.

Współczynnik wydłużenia

λ

Prędkość ciągnienia

V, m/s

Prędkość średnia układu

wsadowego VŚr, mm/s

Długość kotliny

odkształcenial, mm

Ilość uderzeń ciągadła

dzielonego

Średni czas przejścia punktu przez

kotlinę, s 0,3 265 95,0 0,00475

1,0 885 28,4 0,00142

1,5 1326 18,0 0,0009 1,30

2,0 1769

1,26

14,2 0,00071

0,3 239 184,0 0,00924

1,0 796 55,4 0,00277

1,5 1194 37,0 0,00185 1,69

2,0 1592

2,21

27,0 0,00138

0,3 231 218 0,0109

1,0 770 65,6 0,00328

1,5 1155 43,8 0,00219 1,85

2,0 1540

2,53

32,8 0,00164

0,3 217 290 0,0145

1,0 722 87,0 0,00437

1,5 1083 58,2 0,00291 2,25

2,0 1444

3,16

43,6 0,00218

Z tabeli wynika, że liczba uderzeń połówki ciągadła dzielonego jest ściśle uzależniona

od prędkości ciągnienia oraz współczynnika wydłużenia. Im mniejsza jest prędkość

ciągnienia tym liczba uderzeń jest większa na jednostkę objętości ciągnionego materiału

przechodzącego przez kotlinę odkształcenia. Im większy jest współczynnik wydłużenia λ,

tym więcej uderzeń ciągadła dzielonego przypada na każdy punkt materiału poruszający się

49

na powierzchni styku z „ obkuwającym” narzędziem. Przy większych współczynnikach

wydłużenia wielkość powierzchni styku materiału z narzędziem jest większa, stąd większa

jest liczba uderzeń podczas przejścia punktu przez kotlinę odkształcenia. W przypadku

większego współczynnika wydłużenia mamy do czynienia z mniejszą wartością średniej

prędkości, co również ma istotny wpływ na zwiększenie liczby uderzeń przy większym

współczynniku wydłużenia. Zauważmy jednak, że w przypadku większego współczynnika

wydłużenia objętość materiału jest większa, co wynika właśnie z większej powierzchni styku

metalu z narzędziem, co ma wpływ na opisany w późniejszych rozdziałach spadek siły

ciągnienia. Na podstawie tej tabeli można przeprowadzić bilans dwóch energii, które

współpracują ze sobą podczas procesu „ciągnienie – obkuwanie” prostopadle do osi drutu.

Według hipotezy Hubera - Misesa - Henkego materiał zawsze potrzebuje do procesu

odkształcenia w danej chwili stałą ilość energii. Materiał przechodzi w stan plastyczny wtedy,

gdy energia odkształcenia postaciowego osiągnie wartość krytyczną właściwą danemu

materiałowi, lecz niezależną od rodzaju stanu naprężenia. Zajmiemy się teraz obliczeniem

energii uderzenia połówki ciągadła podczas włączonych drgań ultradźwiękowych.

Przeanalizujmy przykład obliczeniowy dotyczący wyznaczenia energii uderzenia połowy

ciągadła.

Częstość kątowa:

(8)

Okres drgań:

(9)

Równanie ruchu harmonicznego:

(10)

(11)

Prędkość maksymalna:

(12)

fπω 2=

fT 1

=

tAx ωsin=

Ax =max

fAAV πω 2max ==

50

Energia uderzenia ciągadła dzielonego:

2222 AmfEU π= (13)

Obliczenia wykonano dla następujących parametrów procesu:

3

5

5

75,3

10*25,141

26,1/750

/19

4,03,16,2

302,020

10*520000

mmVgm

sT

mmlsmmV

smV

mmdD

mmdmmD

mmmAsTHzf

m

Śr

=

=

=

=

==

°==−

===

===

=

−

−

α

λ

µ

Korzystając ze wzoru wykonano obliczenia energii uderzenia połówki ciągadła dzielonego.

Energia jednego uderzenia:

JEs

mkgE

AmfE

U

U

U

01104,0

]*[10*110410*4*10*4*10*5,3*14,3*2

)10*20()20000(10*5,3*14,3*22

2

2510832

6232222

=

==

==

−−−

−−π

51

Energia jednego uderzenia na jednostkę objętości materiału:

][6,1

][158

]*[10*7

10*1104

3

39

5

MPaEmJE

mmN

VEE

V

V

m

UV

≅

=

== −

−

Moc jednego uderzenia:

][12,1][1120 kWWP ==

Obliczona energia jednego uderzenia przy λ = 1,3 oraz V = 1 m/s wynosi około

0,01104 J, natomiast na jednostkę objętości materiału znajdującego się w kotlinie jest to

energia około 1,6 MPa, co odpowiada mocy równej 1,12 kW.

6. Badania doświadczalne.

6.1. Program badań.

Szczegółowy program badań doświadczalnych dotyczących procesu ciągnienia

zamieszczono w tabeli 6.1.1. W kolejnych kolumnach tabeli przedstawiono schematy

układów badawczych, krótki opis parametrów procesu, a w szczególności rodzaj

zastosowanych ciągadeł i sposobu przyłożenia drgań, średnice ciągadeł, współczynnik

wydłużenia, prędkość ciągnienia i rodzaje mierzonych wielkości.

52

Tabela 6.1.1. Program badań doświadczalnych dotyczących procesu ciągnienia.

Lp Schemat układu badawczego Opis procesu Współczynnik wydłużenia

Prędkość ciągnienia,

m/s Program pomiarów

I

ciągadło dzielone średnica:2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=1,30

V=0,06 V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0

Siła ciągnienia Siła rozpierająca ciągadło Pomiary tensometryczne

Temperatura Własności

wytrzymałościowe

II

ciągadło dzielone średnica: 2,3 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=1,69 V=0,3 V=1,0 V=1,5

Siła ciągnienia Pomiary tensometryczne Siła rozpierająca ciągadło

Temperatura

III

ciągadło dzielone średnica: 2,2 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=1,85

V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0

Siła ciągnienia Siła rozpierająca ciągadło

Temperatura Własności

wytrzymałościowe

IV

ciągadło dzielone średnica: 2,0 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=2,25

V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0

Siła ciągnienia Siła rozpierająca ciągadło

Temperatura

V

ciągadło monolityczne średnica:2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu.

λ=1,30 V=0,3 V=1,0 V=1,5

Siła ciągnienia Pomiary tensometryczne

Temperatura Własności

wytrzymałościowe

53

Tabela 6.1.1 cd.

VI

ciągadło monolityczne średnica:2,2 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu.

λ=1,85

V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0

Siła ciągnienia Własności

wytrzymałościowe

VII

ciągadło monolityczne średnica: 2,0 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu.

λ=2,25

V=0,3

Siła ciągnienia

VIII

ciągadło monolityczne (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu ciągadło dzielone (2) średnica: 2,3 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=1,69

V=0,3 V=1,0 V=1,5 V=2,0

Siła ciągnienia Pomiary tensometryczne Siła rozpierająca ciągadło

Temperatura

IX

ciągadło monolityczne (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu ciągadło dzielone (2) średnica: 2,2 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=1,85 V=0,3 V=1,0 V=1,5

Siła ciągnienia Własności

wytrzymałościowe

X

ciągadło monolityczne (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu ciągadło dzielone (2) średnica: 2,0 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu

λ=2,25 V=0,3 V=1,0 V=1,5

Siła ciągnienia

54

Tabela 6.1.1 cd.

XI

ciągadło dzielone (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu ciągadło monolityczne (2) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu

λ=1,30 V = 0,2 Siła ciągnienia Temperatura

XII

ciągadło dzielone (1) średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu ciągadło monolityczne (2) średnica: 2,2 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu

λ=1,85 V=0,3 V=1,0

Siła ciągnienia

XIII

ciągadło dzielone średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: prostopadłe do osi drutu stalowego

λ=1,30

V=0,3 Siła ciągnienia

XIV

ciągadło monolityczne średnica: 2,63 mm rodzaj drgań: wzdłużne do osi drutu stalowego

λ=1,30 V=0,3 Siła ciągnienia

55

6.2. Materiały zastosowane w badaniach.

Drut aluminiowy z gatunku 1050.

Materiałem zastosowanym do badań był drut aluminiowy w stanie wyżrzonym z

gatunku A1 1050 o średnicy 3 mm. Materiał ten charakteryzuje się wysoką odpornością na

korozję, wysoką przewodnością właściwą i cieplną oraz wysoką plastycznością. Wymagania

techniczne wg normy: PN-EN 1301-1,2,3; Skład chemiczny: PN-EN 573–3. Skład chemiczny

aluminium przedstawiono w tabeli 6.2.1, własności mechaniczne w tabeli 6.2.2. Własności

fizyczne zamieszczono w tabeli 6.2.3 a własności użytkowe wyrobów z aluminium 1050 w

tabeli 6.2.4.

Tabela. 6.2.1. Skład chemiczny aluminium z gatunku 1050.

Gatunek Skład chemiczny, %

Znak Cecha Oznaczenie

międzyn. Dopuszczalna zawartość zanieczyszczeń, maks.

Al.

min Fe Si Cu Zn Ti

Inne

oddzielnie

Razem

zaniecz.

Al

99,5

A1

EN AW-

1050 A

99,5

0,40 0,30

0,05

0,07

0,05

0,03

0,50

Tabela. 6.2.2. Własności mechaniczne aluminium z gatunku 1050 otrzymane w próbie

jednoosiowego rozciągania (baza pomiarowa 100 mm) oraz twardość mierzona metodą

Vickersa.

Własności Al. 1050 stan wyżarzony

Rp0,2, MPa 18

Rm, MPa 76

Wydłużenie A100, % 42

Twardość Vickersa, HV 20

56

Tabela. 6.2.3. Własności fizyczne aluminium z gatunku 1050.

Własności Wartość

Gęstość 2.71 g/cm3

Temperatura topnienia 650°C

Moduł sprężystości 71 GPa

Opór właściwy 0.0282x10-6 Ω.m

Przewodność cieplna 222 W/m.K

Rozszerzalność cieplna 24x10-6 /K

Tabela. 6.2.4. Własności użytkowe wyrobów z aluminium z gatunku 1050.

Proces Ocena

Przeróbka plastyczna na zimno Bardzo dobra

Obróbka skrawaniem Zła

Spawalność Bardzo dobra

Zdolność do lutowania twardego Bardzo dobra

Zdolność do lutowania miękkiego Bardzo dobra

Drut stalowy z gatunku AISI 302.

Materiałem do badań był drut ze stali austenitycznej odpornej na korozję z gatunku

AISI 302. Oznaczenie stali użytej w badaniach według różnych norm przedstawiono w tabeli

6.2.5. Skład chemiczny stali przedstawiono w tabeli 6.2.6. Drut do badań był w stanie

przesyconym.

57

Tabela. 6.2.5. Oznaczenie stali użytej w badaniach według różnych norm [6].

Gatunek stali Odpowiednik wg

Znak Numer PN-71/H-86020 AISI

X8CrNiS18-9 1.4305 1H18N9 302

Tabela. 6.2.6. Skład chemiczny stali z gatunku AISI 302.

Zawartość, % Gatunek stali

C Mn Si P S Cr Ni Mo N

AISI 302 0,094 0,89 0,70 0,026 0,0029 17,62 7,75 0,42 0,03

Stale austenityczne odporne na korozję, w stanie zmiękczonym, w którym wykazują

największą odporność na korozję, są bardzo plastyczne, lecz wykazują niskie własności

wytrzymałościowe (około Rm = 700 MPa, Rp0,2 = 200 MPa). Podwyższenie tych własności

można uzyskać poprzez wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych (Mn), jest to

jednak mało skuteczne. Drugim sposobem jest przeróbka plastyczna na zimno. Umocnienie

zależy wtedy od ilości dodatków stopowych, przy czym im wyższa zawartość tych

składników (z wyjątkiem niklu), tym umocnienie w czasie ciągnienia jest większe, lecz

równocześnie pogarsza się odporność na korozje i maleje plastyczność, co jest związane z

wydzieleniem się martenzytu [6]. W tabeli 6.2.7 przedstawiono parametry technologiczne

produkcji drutów ze stali AISI 302.

Tabela. 6.2.7. Parametry technologiczne dla stali z gatunku AISI 302 [6].

Obróbka cieplna

(przesycanie) Gatunek

stali

Gniot

krytyczny

%

Dopuszczalny

gniot

częściowy %

Możliwy

gniot

sumaryczny

%

Temperatura

ºC

Sposób

chłodzenia

AISI 302 5 20 98 1100 szybki

Druty ze stali AISI 302 znajdują między innymi zastosowanie do wyrobu sprężyn, lin,

cięgien oraz elementów złącznych.

58

6.3. Metodyka badań.

Dla realizacji założonego celu badań, czyli zbadaniu wpływu prostopadłych drgań

ultradźwiękowych oraz układów z nim sprzężonych na parametry siłowe procesu ciągnienia

ustalono następujące postępowanie. Zaproponowano schematy ciągnienia, podczas, których

cyklicznie włączano i wyłączano drgania ultradźwiękowe. Prędkość ciągnienia była

zmieniana podczas prób z zakresie od 0,06 m/s do 2m/s. Po przeprowadzeniu prób

ciągnienia we wszystkich czternastu opisanych w Rozdziale 6.1. schematach ciągnienia

zebrano następujące wyniki pomiarów:

• Wartość siły ciągnienia,

• Temperatura drutu w obszarze wejścia i wyjścia z ciągadła,

• Własności mechaniczne otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania

drutów,

• Własności mechaniczne oraz mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia,

• Wygląd powierzchni wyrobów po procesie ciągnienia.

Wartość siły ciągnienia.

W celu dokonania pomiaru siły ciągnienia zastosowano czujnik tensometryczny. Aby

dokonać oceny wpływy drgań na parametr procesu ciągnienia, jakim jest siła ciągnienia

zaproponowano następujący sposób przedstawienia wyników badań:

• Sporządzono wykresy przebiegu siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła w

czasie każdej próby oraz dla każdej zastosowanej prędkości,

• Obliczono średnią wartość siły ciągnienia w każdej wykonanej próbie,

• Obliczono odchylenie standardowe siły dla każdej próby ciągnienia,

• Obliczono procentowy spadek średniej siły ciągnienia dla każdego schematu

ciągnienia,

• Stabelaryzowano średni procentowy spadek siły ciągnienia dla różnych prędkości

ciągnienia oraz różnych schematów odkształcenia,

• Sporządzono wykresy procentowego spadku siły w zależności od prędkości ciągnienia

dla każdego ze schematów, w których zmieniano prędkość ciągnienia,

• Sporządzono zbiorczy wykres procentowego spadku siły ciągnienia w zależności od

prędkości ciągnienia dla wszystkich schematów ciągnienia.

59

Procentowy spadek siły ciągnienia określono następująco:

• zmierzono wartość siły ciągnienia podczas procesu, obliczono jej średnią wartość dla

przypadków, gdy ciągadło było poddane drganiom oraz bez drgań,

• obliczono stosunek zmniejszenia siły ∆F/F (gdzie ∆F to różnica między wartościami

średnimi sił ciągnienia z i bez ultradźwięku, a F jest średnią siłą ciągnienia bez

ultradźwięku).

W ten sposób oszacowano wpływ ultradźwięków na siłę ciągnienia w czternastu

zaproponowanych schematach badawczych. Wyniki procentowanego spadku siły ciągnienia

w funkcji prędkości ciągnienia z ultradźwiękiem zostały naniesione na odpowiednie wykresy.

Temperatura powierzchni drutu w obszarze wyjścia z ciągadła.

Pomiar temperatury wykonywano w obszarze ciągadła przy użyciu kamery

termowizyjnej FLIR SYSTEMS AB, model S60 PAL oraz za pomocą pirometru i termopary

stykowej na powierzchni drutu przy wejściu do ciągadła i zaraz na wyjściu z ciągadła.

Pomiary te prowadzono w sposób wyrywkowy.

Własności mechaniczne otrzymane podczas próby ultradźwiękowego

rozciągania drutów

Aby zweryfikować teorię dotyczącą spadku własności w procesie ciągnienia z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych zdecydowano się na przeprowadzenie próby

ciągnienia w warunkach jak najbardziej przypominających proces ciągnienia drutów. Stosując

ten sam układ do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych zapewniono tą samą

amplitudę drgań oraz porównywalną intensywność energii drgań do przeprowadzonych prób

ciągnienia według czternastu schematów. Próbę ultradźwiękowego „rozciągania”

zdecydowano się wykonać na tej samej ciągarce bębnowej, co pozostałe badania. W

koncentratorze drgań zamontowano specjalnie wykonane szczęki, które nieruchomo trzymały

drut podczas rozciągania. Bęben ciągarki posłużył za szczękę ruchomą wykonującą

rozciąganie drutu. Próby prowadzono każdorazowo do zerwania drutu. Zastosowano

minimalną możliwą prędkość rzędu 0,06 m/s. Przeprowadzenie eksperymentu w taki sposób

gwarantuje podobieństwo z procesem, w którym drut przechodzi przez drgające ciągadło w

60

procesie ciągnienia. Z badań otrzymujemy wartość siły ciągnienia. Obliczono fizyczną

granicę plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie. Mierzono również wydłużenie

próbek po rozciąganiu.

Własności mechaniczne oraz mikrostruktura wyrobów po procesie

ciągnienia.

Badania własności wytrzymałościowych przeprowadzono na maszynie

wytrzymałościowej INSTRON typ 4502. Próbie rozciągania poddano druty ciągnione z

zastosowaniem drgań ultradźwiękowych oraz odkształcane w procesie tradycyjnego

ciągnienia.

Próba rozciągania polega na wolnym rozciąganiu próbki materiału na maszynie

wytrzymałościowej, na ogół aż do rozerwania. Prędkość rozciągania, w zależności od rodzaju

materiału i wyznaczanych własności, powinna być taka, by szybkość przyrostu naprężenia w

czasie próby rozciągania mieściła się w granicach podanych w tabeli.

Tabela 6.3.1. Prędkość rozciągania w zależności od Modułu Younga.

Szybkość przyrostu naprężenia, N/mm2s-1 Moduł sprężystości

materiału, N/mm min max

< 150 000 2 10

≥ 150 000 6 30

Próby przeprowadzano w temperaturze pokojowej, przy prędkości trawersy 60 mm/min.

Pierwsza prędkość do pomiaru Rp0,2 wynosiła 10 mm/min. Baza pomiarowa próbki wynosiła

100 mm. Badania wykonano przy użyciu ekstensometru. Próbki mocowano w odpowiednich

uchwytach tak, aby zapewnić osiowe działanie siły rozciągającej, szczegółowe wytyczne

dotyczące przeprowadzania próby rozciągania podają odpowiednie normy (PN-EN 10002-

1+AC1:1998). W czasie próby rozciągania maszyna dokonuje rejestracji siły oraz wydłużenia

próbki.

Spośród własności mechanicznych wyodrębnić można dwie grupy. Pierwsza, to

własności wytrzymałościowe będące reakcją materiału na przyłożoną siłę, których

miernikiem jest naprężenie. Druga grupa to własności plastyczne określane w oparciu o

zmianę wymiarów odkształcanej próbki.

61

Wyznaczano następujące własności mechaniczne rozciąganych drutów:

• Naprężenie graniczne przy przyroście nieproporcjonalnym Rp. Jest to naprężenie

określone przy przyroście nieproporcjonalnym, równym umownemu procentowi

długości pomiarowej ekstensometru (Le). Symbol wielkości uzupełnia się

wskaźnikiem określającym umowny procent przyrostu długości pomiarowej

ekstensometru, na przykład Rp0,2. Wielkość Rp0,2 określa się w przypadku braku cech

wyraźnej granicy plastyczności. Rp0,2, jest to naprężenie, które wywołuje trwałe

odkształcenie równe 0,2%, nazywane jest terminem ”umowna granica plastyczności".

• Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest to naprężenie odpowiadające największej sile

Fm. Wytrzymałość na rozciąganie jest podstawową wielkością opisującą własności

wytrzymałościowe materiałów.

• Wydłużenie procentowe po rozerwaniu A100 jest to trwałe wydłużenie długości

pomiarowej po rozerwaniu (Lu – L0), wyrażone w procentach początkowej długości

pomiarowej L0.

Badano również zależność własności od długości bazy próbki drutu o średnicy 3 mm w

stanie wyjściowym. Zaplanowano również zbadanie materiału pod względem jego czułość na

prędkość odkształcenia, w tym celu rozciągano próbki drutu w stanie wyjściowym o średnicy

3 mm oraz bazie pomiarowej 100 mm z różnymi prędkościami trawersy. Dane zestawiono w

tabeli oraz sporządzono wykres zależności zmiany wytrzymałości na rozciąganie w

zależności od prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej.

W celu ujawnienia ewentualnych różnic w stanie materiałów ciągnionych z

zastosowaniem ultradźwięków zbadano dla porównania mikrostrukturę materiałów

ciągnionych z zastosowaniem ultradźwięków oraz sposobem tradycyjnym według tych

samych schematów. Wykonano zgłady metalograficzne, które następnie wytrawiono.

Wykonano zdjęcia mikrostruktur używając mikroskopu optycznego przy różnych

powiększeniach.

Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia.

Każdorazowo oceniano wizualnie jakość oraz gładkość powierzchni. Wymiary

końcowe mierzono wyrywkowo przy użyciu suwmiarki oraz śruby mikrometrycznej.

62

6.4. Opis urządzeń zastosowanych do badań.

Badania własne zostały przeprowadzone według czternastu schematów ciągnienia, do

których rysunki oraz parametry ciągnienia zostały zamieszczone w rozdziale 8. Badania

własne zostały wykonane na ciągarce bębnowej w laboratorium Katedry Plastycznej

Przeróbki Metali na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej w budynku B4

na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Pod stołem ciągarki znajduje się silnik prądu

stałego o mocy 7 kW wraz z wentylatorem. Maksymalna prędkość ciągnienia na ciągarce

bębnowej wynosi 2,5 m/s, średnica bębna nawijającego wynosi około 180 mm. Do sterowania

ciągarką służy szafa z napędem tyrystorowym. Ciągarka bębnowa wyposażona jest w

tensometryczny czujnik do pomiaru statycznej siły ciągnienia. Na Rys. 6.4.1 pokazano

stanowisko pomiarowe.

Rys. 6.4.1. Stanowisko pomiarowe do przeprowadzenia procesu ciągnienia z ultradźwiękiem.

W badaniach własnych wykorzystano dwa rodzaje układów służących do wytworzenia

drgań ultradźwiękowych:

• wzdłużnych do osi drutu,

• prostopadłych do osi drutu.

Bęben

Drut

Szafa sterownicza Przetwornik

ultradźwiękowy

Generator ultradźwiękowy

63

6.4.1. Układ służący do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych.

Drgania wzdłużne zastosowano w schematach ciągnienia nr. V-VII, VIII-XII, XIV,

oraz w próbie rozciągania na ciągarce bębnowej.

Do zasilania przetwornika użyto generatora magnetostrykcyjnego UNITRA GU 22-

2500. Dane techniczne generatora zamieszczono w tabeli nr. 6.4.1.1.

Tabela 6.4.1.1. Dane techniczne generatora typ: UNITRA GU 22-2500.

Napięcie zasilania 220 V 50 Hz

Częstotliwość 15-25 kHz

Moc wyjściowa średnia (przy 20 kHz) 2,5 kW

Sprawność 75%

Rodzaj pracy ciągła

Energia pobierana z sieci prądu przemiennego zostaje przetworzona w energię prądu

stałego za pomocą tyrystorowego zasilacza, a następnie na energię podwyższonej

częstotliwości w falowniku tyrystorowym. Energia ta może być przetworzona na energię

drgań ultradźwiękowych w przetworniku magnetostrykcyjnym. Zasilacz mocy jest objęty

sprzężeniem zwrotnym poprzez jego układ sterowania i regulator składowej dynamicznej

prądu przetwornika. Do wejścia regulatora doprowadzono sygnały: składowej dynamicznej

prądu przetwornika, napięcia wyjściowego falownika i sygnał nastawienia amplitudy. Przez

odpowiednią obróbkę tych sygnałów regulator składowej dynamicznej prądu przetwornika

realizuje stabilizację amplitudy drgań przetwornika oraz zabezpiecza generator przed

przeciążeniem i ogranicza wielkość napięcia wyjściowego generatora.

Do tego układu został użyty ferrytowy przetwornik magnetostrykcyjny o sprawności około

45-50%. Układ drgający posiada trzykrotne wzmocnienie amplitudy drgań. Przetwornik

magnetostrykcyjny został połączony ze stalowym, stożkowym koncentratorem drgań

obrabianym cieplnie o twardości 36 HRC. Amplituda drgań wynosiła 10 mikronów, a

częstotliwość około 20 kHz. Obie te wielkości były stałe podczas badań we wszystkich

schematach ciągnienia z zastosowaniem drgań wzdłużnych do osi drutu.

Na rysunku 6.4.1.1. znajduje się schemat koncentratora drgań, który został specjalnie

zaprojektowany do badań własnych.

64

Rys. 6.4.1.1. Koncentrator drgań zaprojektowany do przetwornika magnetostrykcyjnego

(projektował i wykonywał mgr. inż. Andrzej Wojnar).

6.4.2. Układ służący do wytwarzania prostopadłych drgań ultradźwiękowych.

Przez drgania prostopadłe nazywamy drgania poprzeczne do osi ciągnionego drutu.

Taki rodzaj drgań ultradźwiękowych zastosowano w schematach ciągnienia nr. I-IV, VIII-

XIII.

Do zasilania przetwornika użyto generatora piezoelektrycznego firmy BRANSON

1300P. Dane techniczne generatora zamieszczono w tabeli nr. 6.4.2.1.

Tabela 6.4.2.1. Dane techniczne generatora typ: BRANSON 1300P.

Napięcie zasilania 220 V 50 Hz

Częstotliwość 15 - 50kHz

Moc wyjściowa średnia 2,5 kW

Sprawność 95%

Rodzaj pracy okresowa do 10 minut

Do generatora piezoelektrycznego zastosowano przetwornik ultradźwiękowy,

piezoelektryczny o wysokiej sprawności około 95%. Do przetwornika zamontowano

65

stożkowy koncentrator drgań. Amplituda drgań wynosiła 20 mikronów, a częstotliwość około

20 kHz. Obie te wielkości były stałe podczas badań we wszystkich schematach ciągnienia z

zastosowaniem prostopadłych drgań ciągadła dzielonego.

7. Budowa stanowiska w poszczególnych schematach ciągnienia drutów z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.

7.1. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów V-VII oraz XIV.

Badanie polegało na przeprowadzeniu procesu ciągnienia przez pojedyncze ciągadło

monolityczne drgające wzdłużnie do osi drutu. Do przeprowadzenia badań ciągnienia według

schematów od V-VII oraz XIV użyto układu wytwarzającego drgania wzdłużne. W

koncentratorze drgań montowano ciągadła monolityczne o różnych średnicach kalibrujących

(2,63 mm, 2,2 mm, 2,0 mm). Ciągadła wykonane zostały z węglika spiekanego.

Do stołu ciągarki bębnowej przymocowano stalowe prowadnice w celu zamontowania

przetwornika w jednej osi. Następnie w specjalnie zaprojektowanej sztywnej obejmie

stalowej wyposażonej w gumowe uszczelki zamontowano za pomocą śrub przetwornik

magnetostrykcyjny wraz z koncentratorem drgań (Rys. 7.1.1.) Układ ten wraz z generatorem

magnetostrykcyjnym o mocy 2,5 kW służył do wytworzenia wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych. Częstotliwość drgań wynosiła 20 kHz, natomiast amplituda drgań w

płaszczyźnie ciągadła wynosiła około 10 µm. Częstotliwość oraz amplituda nie ulegały

zmianie podczas procesu ciągnienia według schematów V-VII oraz XIV.

W koncentratorze drgań montowano za pomocą połączenia gwintowego ciągadła

monolityczne o różnych średnicach kalibrujących. Ciągadła wykonane zostały z węglika

spiekanego. Na Rys. 7.1.1 pokazano przetwornik wraz z koncentratorem drgań zamontowany

w stalowej obejmie oraz przykładowe wymiary ciągadła monolitycznego użytego do badań

(Rys. 7.1.2.). Współosiowy otwór w pakiecie blach przetwornika magnetostrykcyjnego oraz

w koncentratorze zapewniał przelot drutu przez ciągadło. Opis ciągarki zamieszczono w

Rozdziale 6.4.

66

Rys. 7.1.1. Przetwornik magnetostrykcyjny oraz koncentrator z zamontowanym ciągadłem

w sztywnej obejmie stalowej skręconej za pomocą śrub.

67

Rys. 7.1.2. Przykładowe wymiary oczka ciągadła monolitycznego zamontowanego w

koncentratorze drgań.

Na rysunku 7.1.3. pokazano wzmocnienie amplitudy drgań w układzie wytwarzającym

drgania ultradźwiękowe.

68

x=Asinωt

Rys. 7.1.3. Schematyczny rozkład amplitudy drgań na długości przetwornika oraz

koncentratora drgań.

Do przeprowadzonych prób ciągnienia według schematów V-VII oraz XIV z

zastosowaniem wzdłużnych drgań ultradźwiękowych dobrano następujące warunki procesu:

• Częstotliwość drgań 20 kHz,

• Amplituda drgań 10 µm,

• Prędkość ciągnienia: V=0,3 m/s; V=1 m/s; V=1,5 m/s; V=2 m/s,

• Ciągarka bębnowa wyposażona w tensometryczny czujnik do pomiaru statycznej siły

ciągnienia,

• Współczynnik wydłużenia: λ=1,3; λ=1,85; λ=2,25,

• Podstawowa część badań przy ciągnienia drutu aluminiowego bez użycia smaru,

• Dla stali badania przeprowadzone z użyciem smaru – proszek mydła sodowego,

• Materiał do badań: dla schematów od V-VII to druty o średnicy 3 mm z technicznego

aluminium z gatunku 1050 w stanie wyżarzonym; dla schematu XIV to druty o

średnicy 3 mm ze stali austenitycznej z gatunku AISI 302 w stanie wyżarzonym.

69

7.2. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematu I-IV oraz XIII.

Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez ciągadło

dzielone przedstawiono na rysunku 7.2.1. Do ceowników umocowanych do sztywnej ławy,

zamocowano stalowe kształtowniki umożliwiające regulację odległości przetwornika od

bębna nawijającego ciągarki. Do stalowych szyn przykręcono konstrukcję mocującą

przetwornik piezoelektryczny wraz z dwoma połówkami ciągadła dzielonego. Konstrukcja ta

umożliwiała płynną regulację wysokości przetwornika i falowodu z zamontowaną na stałe

górną połówką ciągadła dzielonego oraz regulację wysokości i osiowości dolnej połówki

ciągadła. Konstrukcja mocująca przetwornik oraz ciągadło dzielone pokazana została na

rysunku numer 7.2.2.

Ciągadłodzielone

Przetwornikultradźwiękowy

Bębenciągarki

Rys. 7.2.1. Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez ciągadło

dzielone.

70

Rys. 7.2.2. Konstrukcja mocująca przetwornik i falowód oraz ciągadło dzielone.

Na rysunku numer 7.2.3 przedstawiono konstrukcję specjalnie zaprojektowanego ciągadła

dzielonego wykorzystanego do eksperymentu. Ciągadło wykonano ze stali NC10 o twardości

62 HRC. Na Rys. 7.2.4 pokazano dzielone ciągadło zamontowane w koncentratorze drgań.

71

Rys. 7.2.3. Konstrukcja ciągadła dzielonego użytego do badań.

72

Rys. 7.2.4. Dzielone ciągadło zamontowane w koncentratorze drgań.

Do przeprowadzonych prób ciągnienia z zastosowaniem prostopadłych drgań

ultradźwiękowych według schematów I-IV oraz XIII dobrano następujące warunki procesu:

• Częstotliwość drgań 20 kHz,

• Amplituda drgań 20 mikronów,

• Współczynnik wydłużenia: λ=1,3; λ=1,69; λ=1,85; λ=2,25,

• Prędkość ciągnienia: V=0,06 m/s; V=0,3 m/s; V=1 m/s; V=1,5 m/s; V=2 m/s,

• Połówka ciągadła dzielonego drgała prostopadle do osi drutu,

• Podstawowa część badań dla drutów aluminiowych bez użycia smaru,

• Dla stali badania przeprowadzone z użyciem smaru – proszek mydła sodowego,

• Materiał do badań: dla schematów od I-IV to druty o średnicy 3 mm z technicznego

aluminium z gatunku 1050 w stanie wyżarzonym; dla schematu XIII to druty o

średnicy 3 mm ze stali austenitycznej z gatunku AISI 302 w stanie wyżarzonym.

73

7.3 Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów VIII-X.

Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ posobny

ciągadeł monolitycznego i dzielonego przedstawiono na rysunku numer 7.3.1.

Ciągadłodzielone

Ciągadłomonolityczne

Przetwornikultradźwiękowy

Bębenciągarki

Rys. 7.3.1. Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ

posobny ciągadeł monolitycznego i dzielonego.

Do badań zastosowano te same układy wytwarzające drgania ultradźwiękowe wzdłużne i

prostopadłe, które opisano w punktach 6.4.1. oraz 6.4.2 . Do ceowników umocowanych do

sztywnej ławy, zamocowano stalowe kształtowniki umożliwiające regulację odległości

przetworników magnetostrykcyjnego i piezoelektrycznego oraz odległości od bębna

nawijającego ciągarki. Do stalowych szyn przykręcono konstrukcję mocującą przetwornik

magnetostrykcyjny wraz z koncentratorem drgań i zamontowanym na jego końcu ciągadłem

monolitycznym o średnicy części kalibrującej 2,63 mm. Następnie na tej samej szynie

zamontowano konstrukcję mocującą przetwornik piezoelektryczny wraz z koncentratorem i

74

dwoma połówkami ciągadła dzielonego. Średnica ciągadła monolitycznego w schematach od

VIII-X nie ulegała zmianie, natomiast wymieniano ciągadło dzielone. Średnice kalibrujące

ciągadła dzielonego wynosiły: 2,3 mm; 2,2 mm i 2,0mm.

Do przeprowadzonych prób ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i prostopadłych

drgań ultradźwiękowych dobrano następujące warunki procesu:

• Częstotliwość drgań 20 kHz,

• Amplituda drgań wzdłużnych 10 µm,

• Amplituda drgań prostopadłych 20µm,

• Prędkość ciągnienia: V=0,3 m/s; V=1 m/s; V=1,5 m/s; V=2 m/s,

• Ciągnienie bez użycia smaru,

• Materiał do badań: druty o średnicy 3 mm z technicznego aluminium z gatunku 1050

w stanie wyżarzonym.

7.4. Stanowisko do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów według schematów XI-XII.

Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ posobny

ciągadeł dzielonego i monolitycznego przedstawiono na rysunku 7.4.1. Do badań

zastosowano te same układy wytwarzające drgania ultradźwiękowe wzdłużne i prostopadłe,

które opisano w punktach 6.4.1. oraz 6.4.2. Do ceowników umocowanych do sztywnej ławy,

zamocowano stalowe kształtowniki umożliwiające regulację odległości przetworników

magnetostrykcyjnego i piezoelektrycznego oraz odległości od bębna nawijającego ciągarki.

Do stalowych szyn przykręcono konstrukcję mocującą przetwornik piezoelektryczny wraz z

koncentratorem i dwoma połówkami ciągadła dzielonego o średnicy części kalibrującej 2,63

mm. Następnie na tej samej szynie zamontowano konstrukcję mocującą przetwornik

magnetostrykcyjny wraz z koncentratorem drgań i zamontowanym na jego końcu ciągadłem

monolitycznym. Średnica ciągadła dzielonego w schematach XI i XII nie ulegała zmianie,

natomiast wymieniano ciągadło monolityczne. Średnice kalibrujące ciągadła monolitycznego

wynosiły: 2,63 mm; 2,2 mm.

Do przeprowadzonych prób ciągnienia z zastosowaniem prostopadłych i wzdłużnych

drgań ultradźwiękowych dobrano następujące warunki procesu:

• Częstotliwość drgań 20 kHz,

• Amplituda drgań wzdłużnych 10 µm,

75

• Amplituda drgań prostopadłych 20µm,

• Prędkość ciągnienia: V=0,06 m/s,

• Ciągnienie bez użycia smaru,

• Materiał do badań: druty o średnicy 3 mm z technicznego aluminium z gatunku 1050

w stanie wyżarzonym.

Przetwornikultradźwiękowy

Ciągadłomonolityczne

Ciągadłodzielone

Bębenciągarki

Rys. 7.4.1. Schemat stanowiska do badań ultradźwiękowego ciągnienia drutów przez układ

posobny ciągadeł dzielonego i monolitycznego.

7.5. Stanowisko do badań własności mechanicznych w próbie rozciągania z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych.

Próbę rozciągania przeprowadzono na ciągarce bębnowej, wykorzystując ten sam

układ do wytwarzania wzdłużnych drgań ultradźwiękowych, który został użyty w

schematach: V-VII, VIII-XII oraz XIV. Próba rozciągania z ultradźwiękiem została celowo

przeprowadzona na ciągarce bębnowej, aby stworzyć warunki porównywalne z warunkami

panującymi w pozostałych schematach ciągnienia. Druty były mocowane w specjalnej

76

szczęce, która wkręcana była na stałe do koncentratora drgań. Drut dokręcany był śrubami.

Bęben ciągarki służył jako ruchoma szczęka rozciągająca drut. Badanie miało na celu

doświadczalne zbadanie wpływu intensywności drgań ultradźwiękowych na wartość fizycznej

granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenie drutów w próbie

ultradźwiękowego rozciągania na ciągarce bębnowej. Rozciąganie drutów prowadzone było

każdorazowo do momentu jego zerwania. Na Rys. 7.5.1 pokazano koncentrator z

zamontowaną szczęką wraz z drutem aluminiowym.

Rys. 7.5.1. Sposób montowania drutu w koncentratorze drgań przy próbie rozciągania na

ciągarce bębnowej.

Opis i zakres badań.

• generator magnetostrykcyjny o mocy 2,5 kW, przetwornik magnetostrykcyjny z

przewierconym otworem dla osiowego wprowadzenia drutu, z zamocowaną śrubą w

koncentratorze drgań,

• śruby mocujące rozciągany drut w koncentratorze drgań o różnym gwincie: M4, M6

• częstotliwość drgań 10 kHz,

• prędkość ciągnienia V=0,06m/s,

• ciągarka bębnowa wyposażona w tensometryczny czujnik do pomiaru statycznej siły

ciągnienia użyta została jako maszyna wytrzymałościowa,

• materiał do badań: druty o średnicy 3 mm z technicznego aluminium z gatunku 1050

w stanie wyżarzonym,

• pomiary siły ciągnienia, wydłużenia oraz ocena wizualna powierzchni zrywanego

drutu.

77

8. Wyniki badań. W rozdziale tym zamieszczono wyniki badań własnych w postaci wykresów

zależności siły ciągnienia od czasu dla wszystkich schematów ciągnienia. Drgania

ultradźwiękowe włączano oraz wyłączano podczas procesu ciągnienia. Wykresy opisano,

umieszczając na każdym z nich: schemat ciągnienia, prędkość oraz współczynnik wydłużenia.

Oznaczono przebiegi siły z ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku. Zamieszczono także na

wykresach średnie wartości siły ciągnienia z ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku oraz

wartości odchylenia standardowego siły ciągnienia. Dane dotyczące własności

wytrzymałościowych otrzymanych w próbie rozciągania oraz zmierzoną temperaturę na

powierzchni drutu zestawiono w tabelach.

8.1. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów I- IV.

78

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

Na

b

1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 0,06 m/s

Fśr = 239 N; σ = 9,6 N

Fśr = 38,6 N; σ = 13,2 N

Rys. 8.1.1. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 0,06 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 239

N, σ = 9,6 N; b) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 38,6 N, σ = 13,2 N.

79

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

Na

b

Fśr = 268,9 N; σ = 3,3 N

Fśr = 61,6 N; σ = 11 N

1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 0,06 m/s

Rys. 8.1.2. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 0,06 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 268,9

N, σ = 3,3 N; b) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 61,6 N, σ = 11 N.

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 76,8 N; σ = 15,1 N

Fśr = 241,7 N; σ = 12,2 N

Rys. 8.1.3. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 76,8 N

σ = 15,1 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 241,7 N, σ = 12,2 N.

80

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 159,9 N; σ = 8,5 N

Fśr = 29,8 N; σ = 6,2 N

Rys. 8.1.4. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 29,8 N,

σ = 6,2 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 159,9 N, σ = 8,5 N.

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 36 N; σ = 5,1 N

Fśr = 166 N; σ = 43 N

Rys. 8.1.5. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 36 N, σ

= 5,1 N b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 166 N, σ = 43 N.

81

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N a

b1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 1,0 m/s

Fśr = 290,1 N; σ = 10,9 N

Fśr = 160 N; σ = 32 N

Rys. 8.1.6. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 160 N, σ

= 32 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 290,1 N, σ = 10,9 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6

Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

bFśr = 305 N; σ = 58 N

Fśr = 94 N; σ = 22 N

1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 1,0 m/s

Rys. 8.1.7. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 94 N, σ =

22 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 305 N, σ = 58 N.

82

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 1,5 m/s

Fśr = 371,4 N; σ = 183,4 N

Fśr = 170,1 N; σ = 30,4 N

Rys. 8.1.8. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami: Fśr = 170,1

N, σ = 30,4 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 371,4 N, σ = 183,4 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 1,5 m/s

Fśr = 319 N; σ = 51 N

Fśr = 179,9 N; σ = 16,6 N

Rys. 8.1.9. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 179,9

N, σ = 16,6 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 319 N, σ = 51 N.

83

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b

1 SCHEMAT I

λ = 1,3 V = 2,0 m/s

Fśr = 296,7 N; σ = 24,2 N

Fśr = 214,7 N; σ = 26,4 N

Rys. 8.1.10. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,3, V = 2 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 214,7 N,

σ = 26,4 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 296,7 N, σ = 24,2 N.

0

50

100

150

200

250

300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT II

λ = 1,69 V = 0,3 m/s

Fśr = 224,3 N; σ = 12,4 N

Fśr = 73 N; σ = 8 N

Rys. 8.1.11. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,69, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 73 N,

σ = 8 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 224,3 N, σ = 12,4 N.

84

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

bFśr = 402,4 N; σ = 51,9 N

Fśr = 191,9 N; σ = 34,3 N

1 SCHEMAT II

λ = 1,69 V = 1,0 m/s

Rys. 8.1.12. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,69, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 191 N,

σ = 34,3 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 402,4 N, σ = 52 N.

85

0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N a

bFśr = 442 N; σ = 98,2 N

Fśr = 222,3 N; σ = 71,2 N

1 SCHEMAT II

λ = 1,69 V = 1,5 m/s

Rys. 8.1.13. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,69, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami: Fśr = 222,3

N, σ = 71,2 N; b) ciągnienie bez ultradźwięków: Fśr = 442 N, σ = 98,2 N.

0

50

100

150

200

250

300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT III

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Fśr = 263,1 N; σ = 14,3 N

Fśr = 100,5 N; σ = 6,4 N

Rys. 8.1.14. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,85, V = 0,3 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 100,5

N, σ = 6,4 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 263,1 N, σ = 14,3 N.

86

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N a

b1 SCHEMAT III

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

Fśr = 290,3 N; σ = 15,6 N

Fśr = 157,3 N; σ = 4,6 N

Rys. 8.1.15. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,85, V = 1 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 157,3

N, σ = 4,6 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 290,3 N, σ = 15,6 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N a

b1 SCHEMAT III

λ = 1,85 V = 1,5 m/s

Fśr = 344,7 N; σ = 46 N

Fśr = 199 N; σ = 8 N

Rys. 8.1.16. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,85, V = 1,5 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 199

N, σ = 8 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 344,7 N, σ = 46 N.

87

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT III

λ = 1,85 V = 2,0 m/s

Fśr = 371 N; σ = 11,5 N

Fśr = 246,6 N; σ = 17,1 N

Rys. 8.1.17. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ = 1,85, V = 2 m/s, bez smaru. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 246,6

N, σ = 17,1 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 371 N, σ = 11,5.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b1 SCHEMAT IV

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

Fśr = 363,5 N; σ = 7,7 N

Fśr = 107,7 N; σ = 15,8 N

Rys. 8.1.18. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ=2,25, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 107,7 N, σ =15,8 N;

b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr =363,5 N, σ =7,7 N.

88

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT IV

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

Fśr = 112,5 N; σ = 7,9 N

Rys. 8.1.19. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr =112,5 N, σ = 7,9 N.

0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N a

b1 SCHEMAT IV

λ = 2,25 V = 1,0 m/s

Fśr = 498 N; σ = 17,5 N

Fśr = 259 N; σ = 14,6 N

Rys. 8.1.20. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ =2,25; V=1 m/s., Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 259 N, σ = 14,6 N;

b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 498 N, σ = 17,5 N. Urwało drut po 1 metrze bez drgań

ultradźwiękowych.

89

0

100

200

300

400

500

600

4 4,5 5 5,5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a b

1 SCHEMAT IV

λ = 2,25 V = 1,5 m/s

Fśr = 490,6 N; σ = 14,6 N

Fśr = 418,1 N; σ = 9,3 N

Rys. 8.1.21. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ =2,25, V=1,5 m/s., Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr =418,1 N, σ =9,3 N;

b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 490,6 N, σ = 14,6 N. Urwało drut bez drgań

ultradźwiękowych.

90

0

100

200

300

400

500

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT IV

λ = 2,25 V = 2,0 m/s

Fśr = 457,4 N; σ = 22,8 N

Rys. 8.1.22. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi

drutu: λ =2,25, V=2 m/s, Fśr =457,4 N; σ =22,8 N. Urwało drut od razu po wyłączeniu drgań

ultradźwiękowych.

8.2. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów V-VII.

91

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

SCHEMAT V1

Fśr = 253 N; σ = 6,3 N

Fśr = 174,4 N; σ = 11,9 N

Rys. 8.2.1. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,3,

V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 174,4 N, σ = 11,9 N; b) ciągnienie

bez ultradźwięku: Fśr = 253 N, σ = 6,3 N.

92

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a b

λ = 1,3 V = 1,0 m/s

SCHEMAT V1

Fśr = 256,2 N; σ = 6,4 N

Fśr = 219,7 N; σ = 9,3 N

Rys. 8.2.2. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,3, V=1

m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 219,7 N, σ = 9,3 N; b) ciągnienie bez

ultradźwięku: Fśr = 256,2 N, σ = 6,4 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a b

λ = 1,3 V = 1,5 m/s

SCHEMAT V1

Fśr = 253,4 N; σ = 14,5 NFśr = 267,3 N; σ = 8,1 N

Rys. 8.2.3. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,3,

V=1,5 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr = 253,4 N, σ = 14,5 N; b) ciągnienie

bez ultradźwięku: Fśr = 267,3 N, σ = 8,1 N.

93

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 291,8 N; σ = 10,3 N

Rys. 8.2.4. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85, V

= 0,3 m/s, Fśr = 291,80 N, σ = 10,3 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 352,6 N; σ = 4,7 N

Rys. 8.2.5. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=0,3 m/s,

Fśr = 352,6 N, σ = 4,7 N.

94

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 356,2 N; σ = 10,6 N

Rys. 8.2.6. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85, V

= 1 m/s, Fśr = 356,2 N, σ = 10,6 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 342,1 N; σ = 11,4 N

Rys. 8.2.7. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,

V=1 m/s, Fśr = 342,1 N, σ = 11,4 N.

95

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 364,9 N; σ = 10,7 N

Rys. 8.2.8. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=1 m/s,

Fśr = 364,9 N, σ = 10,7 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 373,5 N; σ = 7,3 N

Rys. 8.2.9. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=1 m/s,

Fśr = 373,5 N, σ = 7,3 N.

96

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,5 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 339,9 N; σ = 13,8 N

Rys. 8.2.10. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,

V=1,5 m/s, Fśr = 339,9 N, σ = 13,8 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,5 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 351,7 N; σ = 13 N

Rys. 8.2.11. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,

V=1,5 m/s, Fśr = 351,7 N, σ = 13 N.

97

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 1,5 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 368,4 N; σ = 9 N

Rys. 8.2.12. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=1,5 m/s,

Fśr = 368,4 N, σ = 9 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 2,0 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 361,5 N; σ = 13,8 N

Rys. 8.2.13. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =1,85,

V=2 m/s, Fśr = 361,5 N, σ = 13,8 N.

98

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 1,85 V = 2,0 m/s

SCHEMAT VI1

Fśr = 379,6 N; σ = 14,2 N

Rys. 8.2.14. Zmiana siły ciągnienia w tradycyjnym procesie ciągnienia: λ =1,85, V=2 m/s, Fśr

= 379,6 N, σ = 14,2 N.

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

SCHEMAT VII1

Fśr = 119,6 N; σ = 26,5 N

Rys. 8.2.15. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =2,25,

V=0,3 m/s, Fśr = 119,6 N, σ = 26,5 N. Zerwało drut przy bębnie.

99

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

SCHEMAT VII1Fśr = 193,1 N; σ = 9,2 N

Rys. 8.2.16. Przebieg siły ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła: λ =2,25,

V=0,3 m/s, Fśr = 193,1 N, σ = 9,2 N. Ekstremalny proces, zrywa drut.

8.3. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów VIII - X.

100

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 0,3 m/s

Fśr = 124,9 N; σ = 6,4 N

Rys. 8.3.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ=1,69, V=0,3 m/s, Fśr = 124,9 N, σ = 6,4 N. Proces

nieustabilizowany – pierwsza próba.

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 0,3 m/s

Fśr = 153,4 N; σ = 9,3 N

Rys. 8.3.2. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=0,3 m/s, Fśr = 153,4 N, σ = 9,3 N.

101

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 1,0 m/s

Fśr = 322,8 N; σ = 6,6 N

Rys. 8.3.3. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1 m/s, Fśr = 322,8 N, σ = 6,6 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N 1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 1,0 m/s

Fśr = 329,7 N; σ = 7,9 N

Rys. 8.3.4. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1 m/s, Fśr = 329,7 N, σ = 7,9 N.

102

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

Fśr = 347,5 N; σ = 7,3 N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 1,5 m/s

Rys. 8.3.5. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1,5 m/s, Fśr = 347,5 N, σ = 7,3 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 1,5 m/s

Fśr = 338,9 N; σ = 13,9 N

Rys. 8.3.6. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1,5 m/s, Fśr = 338,9 N, σ = 13,9 N.

103

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 2,0 m/s

Fśr = 369,2 N; σ = 14,4 N

Rys. 8.3.7. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=2 m/s, Fśr = 369,2 N, σ = 14,4 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 0,3 m/s

Fśr = 342,5 N; σ = 10,3 N

Fśr = 199,3 N; σ = 6,9 N

Rys. 8.3.8. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 199,3 N, σ = 6,9 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 342,5 N, σ

= 10,3 N.

104

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

ab

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 1,0 m/s

Fśr = 352,6 N; σ = 8,9 N

Fśr = 438,9 N; σ = 29,8 N

Rys. 8.3.9. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 352,6 N, σ = 8,9 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 438,9 N, σ =

29,8 N.

105

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a bFśr = 457,8 N; σ = 14,2 N

Fśr = 387,3 N; σ = 8,9 N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 1,5 m/s

Rys. 8.3.10. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=1,5 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 387,3 N, σ = 8,9 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 457,8 N, σ =

14,2 N.

106

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 2,0 m/s

Fśr = 463,5 N; σ = 14,8 N

Rys. 8.3.11. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=2 m/s. Nie można rozróżnić przebiegu a)

i b) Fśr = 463,5 N, σ = 14,8 N.

0

100

200

300

400

500

600

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT VIII

λ = 1,69 V = 2,0 m/s

Fśr = 491,9 N; σ = 24,9 N

Rys. 8.3.12. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,69, V=2 m/s. Trudno rozróżnić przebieg a) i b)

Fśr = 491,9 N, σ =24,9 N. Zerwał się drut.

107

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b

1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Fśr = 204 N; σ = 15,1 N

Fśr = 144 N; σ = 11,5 N

Rys. 8.3.13. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem wzdłużnych i prostopadłych

drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami:

Fśr = 144 N, σ = 11,5 N; b) ciągnienie bez ultradźwięków: Fśr = 204 N, σ = 15,1 N.

108

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b

cFśr = 373 N; σ = 9 N

Fśr = 254,6 N; σ = 9 N

Fśr = 165,8 N; σ = 6,5 N1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Rys. 8.3.14. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękami wzdłużnymi i prostopadłymi: Fśr = 165,8 N, σ = 6,5 N; b) ciągnienie z

ultradźwiękami prostopadłymi: Fśr = 254,6 N, σ = 9 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr =

373 N, σ = 9 N.

109

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N a

bFśr = 371,7 N; σ = 8,1 N

Fśr = 175,2 N; σ = 4,8 N

1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Rys. 8.3.15. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 175,2 N, σ = 4,8 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 371,7 N, σ =

8,1 N.

110

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

bFśr = 354,3 N; σ = 8,6 N

Fśr = 191,7 N; σ = 8,1 N1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Rys. 8.3.16. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 191,7 N, σ = 8,1 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 354,3 N, σ =

8,6 N.

111

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

ab

cFśr = 352,9 N; σ = 7,9 N

Fśr = 226,7 N; σ = 4,9 N

Fśr = 198,1 N; σ = 7,8 N1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Rys. 8.3.17. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 198,1 N, σ = 7,8 N; b) ciągnienie z ultradźwiękami prostopadłymi: Fśr

= 226,7 N, σ = 4,9 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 352,9 N, σ = 7,9 N.

112

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a

b

1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

Fśr = 364,8 N; σ = 9,3 N

Fśr = 261,9 N; σ = 6,7 N

Rys. 8.3.18. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=1 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękiem: Fśr = 261,9 N, σ = 6,7 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 364,8 N, σ

= 9,3 N.

113

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

ab

1 2 SCHEMAT IX

λ = 1,85 V = 1,5 m/s

Fśr = 389,8 N; σ = 8,8 N

Fśr = 302,4 N; σ = 6,6 N

Rys. 8.3.19. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,85, V=1,5 m/s. Przebieg a) ciągnienie z

ultradźwiękami: Fśr = 302,4 N, σ = 6,6 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 389,8 N, σ =

8,8 N.

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT X

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

Fśr = 192,9 N; σ = 5,2 N

Rys. 8.3.20. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr = 192,9 N, σ = 5,2 N.

114

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT X

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

Fśr = 219,4 N; σ = 5,1 N

Rys. 8.3.21. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr = 219,4 N; σ = 5,1 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6 7 8Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 2 SCHEMAT X

λ = 2,25 V = 1,0 m/s

Fśr = 349,1 N; σ = 25 N

Rys. 8.3.22. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=1 m/s, Fśr = 349,1 N, σ = 25 N.

115

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

NFśr = 323,8 N; σ = 15 N

1 2 SCHEMAT X

λ = 2,25 V = 1,0 m/s

Rys. 8.3.23. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=1 m/s, Fśr = 323,8 N, σ = 15 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

Fśr = 396,5 N; σ = 3,2 N

1 2 SCHEMAT X

λ = 2,25 V = 0,3 m/s

Rys. 8.3.24. Przebieg siły podczas tradycyjnego procesu ciągnienia bez udziału wzdłużnych i

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =2,25, V=0,3 m/s, Fśr = 396,5 N, σ = 3,2 N. Zrywa

się drut.

116

8.4. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematów XI-XII.

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas [s]

Siła

cią

gnie

nia

[N]

a

b

c

Fśr = 25,2 N; σ = 20,4

Fśr = 272,9 N; σ = 10,7 N

Fśr = 498,9 N; σ = 25,3 N

λ = 1,3 V = 0,2 m/s

SCHEMAT XI21

Rys. 8.4.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z zastosowaniem prostopadłych i

wzdłużnych drgań ultradźwiękowych: λ = 1,3, Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami

wzdłużnymi i prostopadłymi: Fśr = 25,2 N, σ = 20,4 N; b) ciągnienie z ultradźwiękami

prostopadłymi: Fśr = 272,9 N, σ = 10,7 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 498,9 N, σ

= 25,3 N.

117

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12Czas [s]

Siła

cią

gnie

nia

[N]

a

b

c

Fśr = 82,5 N; σ = 6,6 N

Fśr = 115 N; σ = 12,1 N

Fśr = 254,8 N; σ = 11 N

λ = 1,3 V = 0,2 m/s

SCHEMAT XI21

Rys. 8.4.2. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych

drgań ultradźwiękowych: λ = 1,3, Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękami wzdłużnymi i

prostopadłymi: Fśr = 82,5 N, σ = 6,6 N; b) ciągnienie z ultradźwiękami prostopadłymi: Fśr =

115 N, σ = 12,1 N; c) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 254,8 N, σ = 11 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

Fśr = 346,2 N; σ = 17,9 N

1 2 SCHEMAT XII

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Rys. 8.4.3. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych

drgań ultradźwiękowych: λ =1,85, V=0,3 m/s, Fśr = 346,2 N, σ = 17,9 N.

118

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

a bFśr = 421,1 N; σ = 7,9 N

Fśr = 361,3 N; σ = 9,2 N

1 2 SCHEMAT XII

λ = 1,85 V = 0,3 m/s

Rys. 8.4.4. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych

drgań ultradźwiękowych: λ =1,85, V=0,3 m/s. Przebieg a) ciągnienie z ultradźwiękiem: Fśr =

361,3 N, σ = 9,2 N; b) ciągnienie bez ultradźwięku: Fśr = 421,1 N, σ = 7,9 N.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

Fśr = 447,3 N; σ = 8,4 N 1 2 SCHEMAT XII

λ = 1,85 V = 1,0 m/s

Rys. 8.4.5. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia z udziałem prostopadłych i wzdłużnych

drgań ultradźwiękowych: λ =1,85, V=1 m/s, Fśr = 447,3 N, σ = 8,4 N. Po wyłączeniu

ultradźwięków od razu zerwało drut.

119

8.5. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIII.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT XIII

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 133,2 N; σ = 100,5 N

Rys. 8.5.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 133,2 N, σ = 100,5 N.

Proces nieustabilizowany.

120

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT XIII

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 456,7 N; σ = 32,1 N

Rys. 8.5.2. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 456,7 N, σ = 32,1 N.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT XIII

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 520,6 N; σ = 59,6 N

Rys. 8.5.3. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 520,6 N, σ = 59,6 N.

121

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT XIII

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 523,5 N; σ = 11,6 N

Rys. 8.5.4. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 523,5 N, σ = 11,6 N.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT XIII

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 491,4 N; σ = 31,9 N

Rys. 8.5.5. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 491,4 N, σ = 31,9 N.

122

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

1 SCHEMAT XIII

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

Fśr = 447,2 N; σ = 13,6 N

Rys. 8.5.6. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia stali austenitycznej z zastosowaniem

prostopadłych drgań ultradźwiękowych: λ =1,3, V=0,3 m/s, Fśr = 447,2 N, σ = 13,6 N.

8.6. Wyniki badań siły ciągnienia drutów według schematu XIV.

123

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80 100 120Czas, s

Siła

cią

gnie

nia,

N

ab

c

Fśr = 1450,9 N; σ = 54,4 N

Fśr = 1602,6 N; σ = 27,1 NFśr = 1739,9 N; σ = 245,2 N

λ = 1,3 V = 0,3 m/s

SCHEMAT XIV1

Rys. 8.6.1. Przebieg siły podczas procesu ciągnienia drutu ze stali austenitycznej z

zastosowaniem wzdłużnych drgań ultradźwiękowych; λ =1,3, V=0,3 m/s. Na początku

stabilizacja procesu, po 70 sekundach wyłączenie drgań ultradźwiękowych, następnie przy 95

sekundzie powtórne włączenie drgań ultradźwiękowych. Przebieg a) Fśr = 1739,9 N, σ =

245,2 N; przebieg b) Fśr = 1602,6 N, σ = 27,1 N; przebieg c) Fśr = 1450,9 N, σ = 54,4 N.

8.7. Pomiar temperatury powierzchni drutu.

Wykonano pomiar temperatury pirometrem oraz termoparą stykową, 10 mm za ciągadłem na

powierzchni przeciągniętego drutu. Temperatura drutu przed ciągnieniem wynosiła około 21

C. Pomiar wykonano dla procesu ciągnienia przez ciągadło dzielone drgające prostopadle do

osi drutu. Współczynnik wydłużenia wynosił 1,85. Wyniki pomiarów temperatury zestawiono

w Tabeli. 8.7.1.

124

Tabela 8.7.1. Porównanie temperatury na powierzchni drutu ciągnionego z zastosowaniem

drgań ultradźwiękowych oraz w tradycyjnym procesie ciągnienia według schematu III.

V, m/s TUD, ºC TbUD, ºC

0,3 22,6 21,6

0,7 22,5 21,1

1 21,7 21,5

2 21,7 21,7

8.8. Wyniki otrzymane podczas próby ultradźwiękowego rozciągania drutów.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.1. Wykres rozciągania aluminium przy zastosowaniu wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

125

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.2. Wykres rozciągania aluminium przy zastosowaniu wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.3. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

126

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.4. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.5. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

127

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.6. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.7. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

128

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.8. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.9. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

129

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.10. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.11. Wykres rozciągania aluminium bez zastosowania wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

130

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys.8.8.12. Wykres rozciągania aluminium z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych.

Na Rys. 8.8.13 pokazano zestawienie wszystkich prób rozciągania z zastosowaniem

ultradźwięku na ciągarce bębnowej. Przebiegi siły dla drutów zrywanych z ultradźwiękiem

oznaczono kolorem czerwonym oraz dla drutów zrywanych bez ultradźwięku oznaczono

kolorem granatowym.

131

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Czas, s

Siła

rozc

iąga

nia,

N

Rys. 8.8.13. Wykresy rozciągania dla drutów aluminiowych zrywanych na ciągarce bębnowej

z ultradźwiękami (kolor czerwony) oraz bez ultradźwięków (kolor granatowy).

W tabeli 8.8.1. zestawiono przykładowe wartości wydłużenia drutów otrzymanych w próbie

zrywania na ciągarce bębnowej.

Tabela 8.8.1. Zmiana własności wytrzymałościowych drutów zrywanych z zastosowaniem

drgań ultradźwiękowych oraz sposobem tradycyjnym.

S0, mm2

Sposób rozciągania Fe, N Re, MPa Fm, N Rm, MPa

204 28,7 492 69,3 300 42,3 531 74,8 188 26,5 518 72,9 252 35,5 507 71,4 216 30,4 507 71,4 268 37,7 505 71,1

z ultradźwiękiem

172 24,2 492 69,3 368 51,8 522 73,5 248 34,9 523 73,7 208 29,3 527 74,2 256 36,1 534 75,2

7,1

bez ultradźwięku

220 30,9 482 67,9

132

Tabela 8.8.2. Wydłużenie drutów zrywanych z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych oraz

sposobem tradycyjnym.

Sposób rozciągania L0, mm LU, mm Aw, %

z ultradźwiękiem 495 610 19

z ultradźwiękiem 496 598 17

bez ultradźwięku 496 630 21

bez ultradźwięku 494 632 22

8.9. Własności mechaniczne i mikrostruktura wyrobów po procesie ciągnienia.

Do badań własności wytrzymałościowych w próbie jednoosiowego rozciągania na

maszynie wytrzymałościowej wytypowano druty ciągnione z zastosowaniem ultradźwięku

oraz bez zastosowania ultradźwięku w procesie ciągnienia z różnymi prędkościami. Wybrano

dla porównania druty ciągnione według różnych schematów ciągnienia: I, III, V oraz IX.

Zastosowano dwie różne prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej 60 mm/min przy

bazie próbki 100 mm oraz 250 mm/min przy bazie próbki równej 250 mm. W tabeli 8.9.1.

zamieszczono wyniki badań z próby rozciągania dla próbek o bazie pomiarowej 100 mm.

133

Tabela. 8.9.1 Własności wytrzymałościowe próbek z różnych schematów (sposobów) procesu

ciągnienia otrzymanych w jednoosiowej próbie rozciągania (próbki o bazie 100 mm, prędkość

trawersy 60 mm/min, pierwsza prędkość do pomiaru Rp0,2 wynosiła 10 mm/min).

W tabeli 8.9.2 zamieszczono wyniki badań z próby rozciągania dla próbek o bazie

pomiarowej 250 mm.

Tabela. 8.9.2. Własności wytrzymałościowe próbek z różnych schematów (sposobów)

procesu ciągnienia otrzymanych w jednoosiowej próbie rozciągania (próbki o bazie 250 mm,

prędkość trawersy 250 mm/min).

Na rysunkach od 8.9.1 – 8.9.7 pokazano sposób wyznaczania umownej granicy plastyczności

drutów dla prób rozciągania według tabeli 8.9.2.

Schemat λ Rp0,2, MPa Rm, MPa A100, %

I bez UD 1,3 61,39 75,24 25

I z UD 1,3 56,29 72,59 30

III z UD 1,85 75,53 87,14 5

III bez UD 1,85 76,41 85,13 5

V z UD 1,3 88,84 95,96 5

V bez UD 1,3 84,69 96,06 8

IX z UD 1,85 78,37 90,82 6

IX bez UD 1,85 72,66 91,69 5,5

Schemat λ V, m/s Rp0,2, MPa Rm, MPa A250, %

III z UD 1,85 1,5 85,5 93 2,3

VI z UD 1,85 1,5 99,5 110 1

VI bez UD 1,85 1,5 101 110 1

VIII z UD 1,69 0,3 75 91,5 4

VIII bez UD 1,69 0,3 75 92 4

IX z UD 1,85 1 88 97 3,2

IX bez UD 1,85 1 83 95 2,2

134

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

Pa

0,2

Rp0,2 = 88 Mpa

Rys.8.9.1. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu IX z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych (ciągadło monolityczne drgające wzdłużnie oraz ciągadło dzielone

drgające prostopadle do osi drutu).

0

20

40

60

80

100

120

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

Pa

Rp0,2 = 83 Mpa

0,2

Rys.8.9.2 Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu IX (bez zastosowania drgań

ultradźwiękowych).

135

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5

Odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

Pa

0,2

Rp0,2 = 99,5 Mpa

Rys.8.9.3. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VI (wzdłużne drgania ciągadła

monolitycznego).

0

20

40

60

80

100

120

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

Pa

Rp0,2 = 101 Mpa

Rys.8.9.4. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VI (bez zastosowania wzdłużnych

drgań ciągadła monolitycznego).

136

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

PaRp0,2 = 75 Mpa

0,2

Rys.8.9.5. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VIII (z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

Pa

Rp0,2 = 75 Mpa

0,2

Rys.8.9.6. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu VIII (bez zastosowania drgań

ultradźwiękowych).

137

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

odkształcenie, %

Nap

rężenie, M

PaRp0,2 = 85,5 Mpa

0,2

Rys.8.9.7. Wykres rozciągania oraz umowna granica plastyczności wyznaczona metodą

graficzną dla aluminium ciągnionego według schematu III (z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych).

W celu ustalenia czy aluminium 1050 jest materiałem wrażliwym na prędkość

odkształcenia wykonano próbę rozciągania na maszynie wytrzymałościowej drutu o średnicy

3 mm w stanie wyjściowym z różnymi prędkościami trawersy maszyny wytrzymałościowej.

Baza próbki wynosiła 100 mm. Wyniki pomiarów zamieszczono w Tabeli 8.9.3. Następnie

wykonano próby rozciągania aluminium o średnicy 3 mm w stanie wyjściowym przy

prędkości trawersy równej 60 mm/min. Zmieniano bazę próbki w zakresie od 100 do 400

mm. Wyniki pomiarów zamieszczono w Tabeli 8.9.4.

Tabela 8.9.3. Wpływ prędkości rozciągania na własności mechaniczne drutu aluminiowego

(drut w stanie wyjściowym o średnicy 3,0 mm, baza próbki 100 mm).

Lp V trawersy,

mm/min

Rp0,2,

MPa

Rm,

MPa

A100,

%

1 0,5 28,32 70,47 37

2 20 35,53 72,27 39

3 60 37,15 74,35 39

4 120 43,39 75,31 36

138

Tabela 8.9.4. Wpływ długości bazy pomiarowej na własności mechaniczne drutu

aluminiowego (drut w stanie wyjściowym o średnicy 3 mm, prędkość trawersy 60 mm/min).

Lp Baza, mm Rp0,2,

MPa

Rm,

MPa

A,

%

1 100 18,49 76,16 42

2 200 33,16 73,15 37,5

3 200 33,08 73 35

4 300 28,64 73,05 43

5 400 35,64 73,08 31,7

Do badań mikrostruktury wytypowano druty aluminiowe ciągnione z zastosowaniem

ultradźwięku oraz bez zastosowania ultradźwięku w procesie ciągnienia. Wykonano zgłady

metalograficzne, wytrawiono je a następnie poddano obserwacjom mikroskopowym przy

różnych powiększeniach. Na Rys. 8.9.8 – 8.9.10 zamieszczono zdjęcia mikrostruktur drutów

po ciągnieniu z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych (a) oraz bez zastosowania

ultradźwięków (b).

(a) (b)

Rys. 8.9.8. Mikrostruktura drutu ciągnionego według schematu I, 100 µm:

(a) – z ultradźwiękami prostopadłymi do osi drutu, (b) – bez ultradźwięków.

139

(a) (b)

Rys. 8.9.9. Mikrostruktura drutu ciągnionego według schematu III, 200 µm:

(a) – z ultradźwiękami prostopadłymi do osi drutu, (b) – bez ultradźwięków.

(a) (b)

Rys. 8.9.10. Mikrostruktura drutu ciągnionego według schematu III, 50 µm:

(a) – z ultradźwiękami prostopadłymi do osi drutu, (b) – bez ultradźwięków.

8.10. Wygląd powierzchni po procesie ciągnienia. Ocena powierzchni drutów oraz wymiary wyrobu gotowego ciągnionego z zastosowaniem

wzdłużnych drgań ciągadła były zadowalające. Natomiast podczas ciągnienia drutu z

zastosowaniem ultradźwiękowych drgań ciągadła dzielonego pojawiała się wypływa po obu

stronach wyrobu gotowego. Na Rys 8.10.1 pokazano drut z wypływką po ciągnieniu z

ultradźwiękiem przez ciągadło dzielone.

140

Rys. 8.10.1. Drut z wypływką po procesie ciągnienia przez ciągadło dzielone.

9. Analiza wyników badań. Schemat I:

Zamieszczone na rysunkach od 8.1.1-8.1.10. przebiegi siły ciągnienia z

zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi drutu wskazują na realne zjawisko

zmniejszenia siły ciągnienia podczas tego procesu. Każdorazowo po wyłączeniu drgań

ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla ciągnienia według schematu I (λ = 1,3)

otrzymano największy spadek siły z około 240 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków

na około 40 N, podczas, gdy zastosowano drgania prostopadłe do osi drutu. Wynik taki

otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,06 m/s. Średni procentowy spadek siły

ciągnienia wyniósł odpowiednio 81,4% dla prędkości 0,3 m/s; 69,22 % dla prędkości 1 m/s;

43,69 % dla prędkości 1,5 m/s oraz 27,7 % dla prędkości 2 m/s. Na Rys. 9.1 pokazano

zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu I.

141

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT I

Rys.9.1. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu I.

Schemat II:

Zamieszczone na rysunkach od 8.1.11-8.1.13 przebiegi siły ciągnienia z

zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi drutu pokazują zmniejszenie siły

ciągnienia podczas tego procesu. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła

ciągnienia wzrasta. Dla ciągnienia według schematu II (λ = 1,69) otrzymano największy

spadek siły z około 224 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 73 N,

podczas, gdy zastosowano drgania prostopadłe do osi drutu. Średni procentowy spadek siły

ciągnienia wyniósł 67,5 %. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.

Spadek siły ciągnienia rzędu 52,5 % otrzymano dla prędkości 1 m/s oraz 49,7 % dla

prędkości 1,5 m/s. Na Rys. 9.2 pokazano zależność procentowego spadku siły ciągnienia od

prędkości ciągnienia dla schematu II.

142

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT II

Rys.9.2. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu II.

Schemat III:

Dla schematu III (Rys. 8.1.14-8.1.17) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły

ciągnienia z zastosowaniem drgań ciągadła prostopadłych do osi drutu. Każdorazowo po

wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla ciągnienia według schematu

III (λ = 1,85) otrzymano największy spadek siły z około 264 N w procesie bez zastosowania

ultradźwięków na około 100 N, podczas, gdy zastosowano drgania prostopadłe do osi drutu.

Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s. Średni procentowy spadek

siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 61,97 % dla prędkości 0,3 m/s; 45,82 % dla prędkości 1

m/s; 42,30 % dla prędkości 1,5 m/s; 33,69 % dla prędkości 2 m/s. Na Rys. 9.3 pokazano

zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu III.

143

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT III

Rys.9.3. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu III.

Schemat IV:

Dla schematu IV (Rys. 8.1.18-8.1.22) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły

ciągnienia. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla

ciągnienia według schematu IV (λ = 2,25) otrzymano największy spadek siły z około 363 N w

procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 108 N, podczas, gdy zastosowano drgania

prostopadłe do osi drutu. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.

Przy prędkości 0,3 m/s w schemacie IV otrzymano większy procentowy spadek siły niż w

schemacie II i III gdzie współczynnik wydłużenia był mniejszy od tego w schemacie IV.

Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 70,37 % dla prędkości 0,3

m/s; 47,97 % dla prędkości 1 m/s; 14,78 % dla prędkości 1,5 m/s; Siła ciągnienia przy

prędkości 2 m/s podczas włączonych drgań ultradźwiękowych wynosi około 457 N. Dla

prędkości 2 m/s drut zrywa się natychmiast po wyłączeniu ultradźwięków. Na rysunku 9.4

pokazano zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla

schematu IV.

144

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT IV

Rys.9.4. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu IV.

Schemat V:

Zamieszczone na rysunkach od 8.2.1-8.2.3 przebiegi siły ciągnienia z zastosowaniem

wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły ciągnienia podczas tego procesu. Dla

ciągnienia według schematu V (λ = 1,3) otrzymano największy spadek siły z około 253 N w

procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 174 N, podczas, gdy zastosowano drgania

wzdłużne do osi drutu. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.

Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 31,1 % dla prędkości 0,3 m/s;

14,23 % dla prędkości 1 m/s; 5,23 % dla prędkości 1,5 m/s. Na Rys. 9.5 pokazano zależność

procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu V.

145

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT V

Rys.9.5. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu V.

Schemat VI:

Zamieszczone na rysunkach od 8.2.4-8.2.14 przebiegi siły ciągnienia z zastosowaniem

wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły ciągnienia podczas tego procesu. Dla

ciągnienia według schematu VI (λ = 1,85) otrzymano największy spadek siły z około 352 N w

procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 292 N, podczas, gdy zastosowano drgania

wzdłużne do osi drutu. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.

Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 17,25 % dla prędkości 0,3

m/s; 8,3 % dla prędkości 1 m/s; 4,6 % dla prędkości 1,5 m/; 4,7 % dla prędkości 2 m/s. Na

Rys. 9.6 pokazano zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia

dla schematu VI.

146

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT VI

Rys.9.6. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu VI.

Schemat VII:

Na rysunkach od 8.2.15-8.2.16 zamieszczono przebiegi siły ciągnienia z

zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła dla schematu VII (λ = 2,25). Proces z

ultradźwiękiem udało się przeprowadzić tylko przez krótki okres czasu dla najmniejszej

prędkości równej 0,3 m/s. Każdorazowo podczas próby drut zrywał się.

Schemat VIII:

Dla schematu VIII (Rys. 8.3.1-8.3.12) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły

ciągnienia. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla

ciągnienia według schematu VIII (λ = 1,69) otrzymano największy spadek siły z około 342 N

w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 199 N, podczas, gdy zastosowano

drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s.

Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 41,81 % dla prędkości 0,3

m/s; 19,6 % dla prędkości 1 m/s; 15,4 % dla prędkości 1,5 m/s. Dla prędkości 2 m/s proces

147

nie był możliwy do zrealizowania, ponieważ zrywał się drut. Na Rys. 9.7 pokazano zależność

procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu VIII.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT VIII

Rys.9.7. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu VIII.

Schemat IX:

Dla schematu IX (Rys. 8.3.13-8.3.19) otrzymane przebiegi wskazują na obniżenie siły

ciągnienia. Każdorazowo po wyłączeniu drgań ultradźwiękowych siła ciągnienia wzrasta. Dla

ciągnienia według schematu IX (λ = 1,85) otrzymano największy spadek siły z około 373 N w

procesie bez zastosowania ultradźwięków na około 166 N, podczas, gdy zastosowano drgania

ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s. Średni

procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł odpowiednio 55,6 % dla prędkości 0,3 m/s; 28,2

% dla prędkości 1 m/s; 22,4 % dla prędkości 1,5 m/s. Sugerując się tym, że w poprzednim

schemacie VIII proces przy prędkości 2 m/s nie był możliwy do zrealizowania, ponieważ

zrywał się drut, nie wykonano badań w przypadku schematu IX dla prędkości 2 m/s. W

schemacie IX otrzymano większy procentowy spadek siły niż w schemacie VIII gdzie

współczynnik wydłużenia był mniejszy od tego w schemacie IX. Na Rys. 9.8 pokazano

zależność procentowego spadku siły ciągnienia od prędkości ciągnienia dla schematu IX.

148

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT IX

Rys.9.8. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia podczas procesu

ciągnienia według schematu IX.

Schemat X:

Zamieszczone na rysunkach od 8.3.20-8.3.24 przebiegi siły ciągnienia z

zastosowaniem wzdłużnych oraz prostopadłych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły

ciągnienia podczas tego procesu. Dla ciągnienia według schematu X (λ = 2,25) otrzymano

największy spadek siły z około 396 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około

193 N, podczas, gdy zastosowano drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla

najmniejszej prędkości równej 0,3 m/s. Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł

51,35 % dla prędkości 0,3 m/s. Proces bez zastosowania drgań ultradźwiękowych udało się

przeprowadzić jedynie przy prędkości 0,3 m/s. Dla prędkości 1,5 m/s oraz 2 m/s proces nie

był możliwy do zrealizowania, ponieważ zrywał się drut nawet przy zastosowaniu w procesie

ciągnienia drgań ultradźwiękowych.

149

Schemat XI:

Zamieszczone na rysunkach od 8.4.1 – 8.4.2 przebiegi siły ciągnienia z

zastosowaniem prostopadłych oraz wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły

ciągnienia podczas tego procesu. Dla ciągnienia według schematu XI (λ = 1,3) otrzymano

największy spadek siły z około 255 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około

83 N, podczas, gdy zastosowano drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla

prędkości równej 0,2 m/s. Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł 67,5 % dla

prędkości 0,2 m/s. Wystąpiły trudności z ustabilizowaniem procesu, dlatego w przypadku

schematu XI zastosowano tylko jedną, najmniejszą prędkość ciągnienia.

Schemat XII:

Zamieszczone na rysunkach od 8.4.3 – 8.4.5 przebiegi siły ciągnienia z

zastosowaniem prostopadłych oraz wzdłużnych drgań ciągadła pokazują zmniejszenie siły

ciągnienia podczas tego procesu. Dla ciągnienia według schematu XII (λ = 1,85) otrzymano

największy spadek siły z około 421 N w procesie bez zastosowania ultradźwięków na około

361 N, podczas, gdy zastosowano drgania ultradźwiękowe. Wynik taki otrzymano dla

prędkości równej 0,3 m/s. Średni procentowy spadek siły ciągnienia wyniósł 14,2 % dla

prędkości 0,3 m/s. Po stabilizacji procesu podjęto próbę zastosowania większej prędkości

ciągnienia. Przy prędkości 1 m/s po wyłączeniu ultradźwięków drut od razu jest zrywany.

W tablicy 9.1 zestawiono wartości sił oraz procentowe spadki siły ciągnienia dla

różnych schematów ciągnienia. Na podstawie danych z tablicy 9.1 sporządzono rysunek

zbiorczy (Rys. 9.9), na którym przedstawiono zależność procentowego spadku siły od

prędkości ciągnienia dla wszystkich schematów ciągnienia, w których udało się zastosować,

co najmniej trzy różne prędkości ciągnienia.

150

Tablica 9.1. Średni procentowy spadek siły ciągnienia dla różnych prędkości ciągnienia

(schematy ciągnienia I-IX)

Schemat ciągnienia

Średnia siła

ciągnienia

Fśr z UD, N

Średnia siła

ciągnienia

Fśr bez UD, N

Prędkość

ciągnienia

V, m/s

Spadek siły

ciągnienia,

%

29,8 159,9 0,3 81,4 93,9 305 1,0 69,2 179,9 319,4 1,5 43,7

SCHEMAT I

214 296 2,0 27,7 72,9 224,3 0,3 67,5 191 402 1,0 52,5

SCHEMAT II

222,3 442 1,5 49,7 100 263,1 0,3 61,9 157 290 1,0 45,8 199 344,7 1,5 42,3

SCHEMAT III

246,6 371 2,0 33,7 107,7 363,5 0,3 70,4 258,9 497,5 1,0 47,9 SCHEMAT IV 418,1 490,5 1,5 14,8 174,4 253 0,3 31,1 219,7 256,2 1,0 14,2 SCHEMAT V 253,4 267,3 1,5 5,2 291,8 352,6 0,3 17,3 342 373,5 1,0 8,3

351,8 368,4 1,5 4,6 SCHEMAT VI

361,5 379,6 2,0 4,7 199,3 342,5 0,3 41,8 352,6 438,9 1,0 19,6 SCHEMAT VIII 387,3 457,7 1,5 15,4 210,3 354,4 0,3 40,6 261,8 364,8 1,0 28,2 SCHEMAT IX 302,4 389,8 1,5 22,4

151

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,5 1 1,5 2 2,5Prędkość ciągnienia, m/s

Spad

ek s

iły c

iągn

ieni

a, %

SCHEMAT I SCHEMAT II SCHEMAT III SCHEMAT IV SCHEMAT V SCHEMAT VI SCHEMAT VIII SCHEMAT IX

SCHEMAT I, II, III, IV SCHEMAT V, VI

SCHEMAT VIII, IX

Rys.9.9. Spadek siły ciągnienia w zależności od prędkości ciągnienia. Porównanie schematów

ciągnienia I-VI, VIII oraz IX.

Schemat XIII:

Analizując rysunki (Rys. 8.5.1-8.5.6) dotyczące procesu ciągnienia stali austenitycznej

według schematu XIII (λ = 1,3) można stwierdzić, że w początkowym czasie eksperymentu

były znaczące problemy z ustabilizowaniem się procesu ciągnienia z ultradźwiękiem. Proces

ciągnienia przeprowadzano z prędkością 0,3 m/s. Siła ciągnienia z ultradźwiękiem wahała się

w przedziale od 457 N do 524 N. Ze względu na obawę uszkodzenia generatora, który był

przeciążony oraz przetwornika ultradźwiękowego wraz z zamontowanym ciągadłem

dzielonym nie wyłączono drgań ultradźwiękowych podczas tego procesu.

Schemat XIV:

Analizując wykres (Rys. 8.6.1) dotyczący procesu ciągnienia stali austenitycznej

według schematu XIV (λ = 1,3) można stwierdzić, że drgania ultradźwiękowe powodują

obniżenie siły ciągnienia. Proces ciągnienia przeprowadzano z prędkością 0,3 m/s. Na

początku proces ciągnienia z ultradźwiękiem stabilizował się. Średnia siła ciągnienia z

ultradźwiękiem wzdłużnym w okresie stabilizacji procesu wynosiła około 1740 N, po

152

wyłączeniu drgań (70 sekunda procesu) średnia siła wynosiła około 1603 N, następnie

włączono drgania ultradźwiękowe (95 sekunda procesu) i otrzymano średnią wartość siły

ciągnienia około 1451 N. Spadek siły podczas fragmentu ustabilizowanego procesu wyniósł

około 9,5 %. Ze względu na obawę uszkodzenia generatora, który ulegał przeciążeniom nie

zdołano powtórzyć próby.

Porównując średnią wartość siły (488 N) podczas ciągnienia stali według schematu

XIII z zastosowaniem prostopadłych drgań ciągadła, z wartością siły (1451 N) ze schematu

XIV z zastosowaniem wzdłużnych drgań ciągadła w procesie widzimy znaczącą różnicę.

Zakładając wartość siły bez włączonych drgań ultradźwiękowych ze schematu XIV i

wprowadzając ją do wzoru na obliczenie procentowego spadku siły dla schematu XIII

otrzymalibyśmy 70% spadek siły ciągnienia w przypadku zastosowania prostopadłych drgań

ciągadła dzielonego do procesu „ciągnienia - obkuwania” stali. Podczas ciągnienia stali

według schematów XIII i XIV wystąpiły problemy technologiczne z ustabilizowaniem

procesu związane z wychylaniem się koncentratora drgań w kierunku działania siły

ciągnienia.

Analiza pozostałych wyników badań:

W celu sprawdzenia temperatury na powierzchni drutu za ciągadłem wykonano

zdjęcia termowizyjne, kamerą Therma Cam S60 firmy FLIR. Z powodu dużej refleksyjności

powierzchni drutu za ciągadłem oraz kształtu kołowego drutu (powierzchnia nie była

ustawiona prostopadle do kamery) nie udało się ustawić jednej wartości emisyjności dla

materiału drutu na jego obwodzie. Spowodowało to, że wyniki pomiarów za pomocą kamery

termowizyjnej były niezadowalające. Analizując pozostałe wyniki badań można powiedzieć,

że nie ulega zmianie temperatura powierzchni drutu poddanego działaniu drgań

ultradźwiękowych w procesie ciągnienia zmierzona za pomocą pirometru, który był

ustawiony prostopadle do powierzchni drutu.

Nie odnotowano znaczącej zmiany fizycznej granicy plastyczności oraz

wytrzymałości na rozciąganie, podczas próby rozciągania drutu aluminiowego na ciągarce

bębnowej. Z wykonanych obliczeń Re i Rm (Rys. 8.8.1 – 8.8.12) nie wynika, aby wartość siły

różniła się istotnie w procesie z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Próba rozciągania

na ciągarce bębnowej nie była wykonywana zgodnie z normami, ponieważ prędkość wynosiła

0,06 m/s, co znacznie przekracza wartość prędkości rozciągania opisanej w normach. Próba ta

była trudna do przeprowadzenia, ze względu na mocowanie drutu śrubami w szczęce

153

wkręcanej do koncentratora drgań. Mocowanie to nie mogło być za mocne, gdyż w takim

przypadku drut ulegał zerwaniu w szczęce. Nie mogło być ono także za słabe, ponieważ

szczególnie podczas procesu z nałożeniem drgań ultradźwiękowych następowało

wyślizgiwanie się drutu z mocowania, o czym świadczą poszarpane przebiegi siły na

rysunkach. Trudnym do ustawienia parametrem procesu okazała się również prędkość, która

była ustawiana ręcznie. Nie we wszystkich próbach była ona identyczna, co nie stanowiłoby

oczywiście problemu w przypadku wykonywania eksperymentu na precyzyjnym urządzeniu

do rozciągania, jakim jest maszyna wytrzymałościowa. Pomiary wydłużenia wskazują na to,

że ultradźwięki powodują większe umocnienie aluminium, o czym świadczy mniejsze

wydłużenie w porównaniu z drutami zrywanymi bez ultradźwięków. Należałoby jednak

powtórzyć pomiary wydłużenia przy zachowaniu stałej prędkości rozciągania oraz

identycznej długości bazy próbki.

Porównując własności wytrzymałościowe wyrobów gotowych ciągnionych z

ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku (Tabela 8.9.1 – 8.9.2. oraz Rys. 8.9.1 – 8.9.7) można

powiedzieć, że nie odnotowano znaczących różnic na podstawie przeprowadzonych badań w

próbie rozciągania na maszynie wytrzymałościowej. Na Rys. 9.10 pokazano zależność Rm od

prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej. Wraz ze wzrostem prędkości trawersy

wytrzymałość na rozciąganie nieznacznie wzrasta. Na Rys. 9.11 pokazano zmianę Rm oraz

Rp0,2 w zależności od długości bazy pomiarowej próbki.

154

70

71

72

73

74

75

76

0 20 40 60 80 100 120 140Prędkość trawersy, mm/min

Rm

, MPa

Rys. 9.10. Zmiana wytrzymałości na rozciąganie w zależności od prędkości trawersy

maszyny wytrzymałościowej. Próbki w stanie surowym o średnicy 3,0 mm, baza próbki 100

mm.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450Baza próbki, mm

Wła

snoś

ci w

ytrz

ymał

ości

owe,

MPa

Rm R0,2

Rys 9.11. Zależność własności od długości bazy próbki. Drut w stanie wyjściowym o

średnicy 3 mm. Prędkość trawersy 60 mm/min.

155

Badania mikrostruktury również nie wskazują istotnych różnic porównując

mikrostrukturę drutów ciągnionych z ultradźwiękiem oraz bez ultradźwięku.

Na uwagę zasługuje zjawisko pogorszenia się jakości powierzchni drutów

ciągnionych przez ciągadło dzielone. Pojawiająca się wypływa zależy od prędkości

ciągnienia. Im większa jest prędkość procesu tym mniejsza jest wypływa w przypadku

ciągnienia z ultradźwiękiem jak również w procesie tradycyjnego ciągnienia. Proces taki musi

zostać udoskonalony, aby mógł być wdrożony jako technologia przemysłowa, ponieważ

wyrób gotowy na etapie badań laboratoryjnych nie nadaje się do zastosowania praktycznego

ze względu na niekorzystne zjawisko wypływki.

Przeprowadzono również badania tensometryczne, które miały na celu pomiar

rzeczywistego naprężenia ciągnienia. Stosunek rzeczywistego naprężenia (maksymalnej jego

wartości) do granicy plastyczności materiału informuje nas o możliwości realizacji danego

współczynnika wydłużenia. Pomiar przeprowadzono za pomocą tensometrów jednorazowego

użytku firmy Hottinger o bazie pomiarowej 3 mm naklejanych na drucie. Nie udało się w

sposób zadowalający przeprowadzić pomiarów tensometrycznych rzeczywistego naprężenia

ciągnienia. Wyniki eksperymentu nie pozwoliły na sformułowanie prawidłowości i

wyciągnięcie jednoznacznych wniosków.

Aby dokonać oceny wpływy drgań na parametr procesu ciągnienia, jakim jest zmiana

współczynnika tarcia w stożku ciągadła zaproponowano następujące rozwiązanie. W celu

obliczenia współczynnika tarcia planowano wykorzystać metodę ciągadła dzielonego według

koncepcji Pawelskiego, która została między innymi opisana przez autorów prac [6, 47].

Metoda ta polega na przeciągnięciu drutu przez ciągadło podzielone płaszczyzną

przechodzącą przez oś. W przypadku badań dotyczących tej rozprawy mierzono siłę

ciągnienia oraz siłę rozpierającą ciągadło podczas procesu z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych jak i po ich wyłączeniu. Do pomiaru siły rozpierającej ciągadło służył

czujnik piezoelektryczny sprowadzony z USA o nazwie Force Sensor, ICP, model 201B03.

Został on umieszczony w specjalnej obejmie pod dolną połówką ciągadła dzielonego. Z

przeprowadzonych badań nie otrzymano satysfakcjonujących wyników, które nadawałyby się

do jednoznacznej interpretacji. Przypuszcza się, że było to spowodowane uszkodzeniem

czujnika, podczas, gdy nastąpiło ułamanie gwintu ciągadła dzielonego zamontowanego w

koncentratorze drgań w czasie trwania początkowych eksperymentów.

156

10. Podsumowanie.

W pracy wykonano szereg badań polegających na ciągnieniu drutów według różnych

schematów ciągnienia. Podczas procesu włączano i wyłączano drgania ultradźwiękowe.

Pomiary siły ciągnienia wskazują każdorazowo na spadek wartości siły w momencie

włączenia drgań ultradźwiękowych.

W celu zrozumienia oraz wyjaśnienia zjawiska dotyczącego spadku siły ciągnienia

podczas ultradźwiękowego procesu ciągnienia przeprowadzono analizę procesu ciągnienia

przez ciągadło monolityczne drgające wzdłużnie do osi drutu oraz ciągadło dzielone

drgające prostopadle do osi drutu. Podsumowując rozważania teoretyczne można krótko

scharakteryzować oba te procesy.

Ciągadło drgające wzdłużnie porusza się ruchem harmonicznym na przemian: zgodni ze

zwrotem siły ciągnienia oraz przeciwnie do tego zwrotu. Podczas gdy ciągadło

przemieszcza się przeciwnie do działającej na materiał siły wykonuje ono pracę

odkształcenia z innego źródła energii. Minimalizujemy w ten sposób efekty

bezpośredniego przyłożenia siły do drutu jak to ma miejsce w procesie tradycyjnego

ciągnienia. Natomiast, gdy przemieszcza się zgodnie ze zwrotem siły ciągnienia powoduje

odciążenie siły ciągnienia w ćwiartce I oraz IV. Efekt pozytywnego wpływu

ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy w tym przypadku głównie od prędkości

ciągnienia i współczynnika wydłużenia. Głębsza analiza relacji prędkość ciągnienia a

chwilowa prędkość drgającego ciągadła pozwala również na wyróżnienie w każdym

okresie ruchu drgającego relacji z aktywnym zwrotem sił tarcia. Proces taki można

określić terminem „ultradźwiękowego ciągnienia- ze wzdłużnym obkuwaniem materiału”.

Analogicznie można wytłumaczyć zjawiska zachodzące podczas ultradźwiękowego

ciągnienia drutu przez ciągadło dzielone drgające prostopadle do osi materiału. Drgając

ciągadło wykonuje pracę odkształcenia (II i III ćwiartka) z osobnego źródła energii,

poruszając się na przemian w górę i w dół. Dynamiczna siła uderzenia przyłożona jest za

pomocą narzędzia do ciągnionego materiału, co minimalizuje efekty bezpośredniego

przyłożenia siły do drutu. Przy odpowiednich założeniach dotyczących prędkości

ciągnienia następuje odciążenie siły ciągnienia dzięki ruchom ciągadła w I i IV ćwiartce

okresu drgań. Efekt pozytywnego wpływu ultradźwięków na spadek siły ciągnienia zależy

również w tym przypadku głównie od prędkości ciągnienia i współczynnika wydłużenia.

Proces taki można określić terminem „ultradźwiękowego ciągnienia- obkuwania” w

kierunku prostopadłym do osi ciągnionego materiału. W przeciwieństwie do procesu

157

„ciągnienia - ze wzdłużnym obkuwaniem materiału” w procesie „ciągnienia – obkuwania”

w kierunku prostopadłym do osi ciągnionego materiału zmienia się stan naprężenia i

odkształcenia na korzystniejszy – występuje przewaga składowych ściskających

promieniowych i obwodowych. Zmiana stanu naprężenia daje możliwość odkształcenia

materiałów o małej plastyczności oraz trudnoodkształcalnych. Analiza procesu

„ciągnienie – obkuwanie” w kierunku prostopadłym do osi drutu poprzez zmianę

schematu naprężenia i odkształcenia stwarza możliwości zminimalizowania siły

ciągnienia w skrajnym przypadku do minimalnej wartości, kiedy to materiał będzie

jedynie podawany przez bęben ciągarki do kotliny odkształcenia. Spadek siły ciągnienia

można tłumaczyć superpozycją naprężenia ciągnienia oraz naprężeń ściskających

pochodzących od pulsacji połówki ciągadła dzielonego. W tym przypadku druga połówka

ciągadła pełni rolę podobną do kowadła dolnego, bierze udział w procesie, ale w bierny

sposób. Układ dwóch połówek ciągadła można potraktować jako układ rezonansowy,

drgania przekazane przez dolną połówkę przechodzą do materiału, i w szczątkowych

ilościach do dolnej połówki i tam zanikają.

Materiał do odkształcenia potrzebuje w danej chwili stałą ilość energii. Źródło, z

którego materiał otrzymuje energię potrzebną do odkształcenia nie ma znaczenia, liczy się

jej odpowiednia ilość do zajścia nieodwracalnego procesu przeróbki plastycznej. Zjawisko

odkształcenia materiału w stożku ciągadła dzielonego można opisać jako bilans energii

działającej od dwóch sił: siły ciągnienia pochodzącej od ciągarki oraz siły uderzenia

połówki ciągadła dzielonego pochodzącej od drgań ultradźwiękowych. Przy założeniach

minimalnej prędkości i najmniejszego współczynnika wydłużenia największą pracę

odkształcenia wykonają drgania ultradźwiękowe, natomiast automatycznie zmniejszy się

udział siły ciągnienia, która nie będzie potrzebna do zajścia procesu. Sytuacja będzie się

zmieniać w zależności od parametrów procesu, udział siły ciągnienia w procesie będzie

się zwiększał wraz ze zmniejszeniem się udziału drgań ultradźwiękowych na jednostkę

objętości odkształcanego materiału. Należy nadmienić, że ilość energii dostarczanej do

materiału w czasie okresu drgań jest stała i tak jak już wspomniano zależy ściśle od

prędkości ciągnienia oraz od λ. Porównując procesy, gdy mamy do czynienia z większą

objętością materiału, co ma miejsce przy większych współczynnikach wydłużenia i taki

proces, w którym mamy mniejszy współczynnik wydłużenia i mniejszą objętość

materiału, można zauważyć (Tabela 5.2.1), że przy większym współczynniku wydłużenia

przy tej samej prędkości ciągnienia mamy więcej uderzeń połówki ciągadła. Wynika to

między innymi z mniejszej prędkości średniej przesuwu wsadu w dłuższej kotlinie

158

odkształcenia, co ma miejsce w przypadku większych λ. Nie przekłada się to jednak na

spadek siły ciągnienia, ponieważ tak jak wyżej wspomniano energia uderzenia jest taka

sama w obu przypadkach, ale objętość materiału różni się zasadniczo na niekorzyść

większych współczynników wydłużenia. Spadek siły ciągnienia jest na ogół większy w

przypadku zastosowania mniejszych współczynników wydłużenia podczas procesu

„ciągnienie – obkuwanie w kierunku prostopadłym do osi drutu. Istotne zagadnienie

stanowi zmiana sił tarcia w procesach ciągnienia z zastosowaniem drgań

ultradźwiękowych. W wielu pracach udowodniono zjawisko występowania aktywnych

oraz reaktywnych sił tarcia w procesie ciągnienia z zastosowaniem wzdłużnych drgań

ultradźwiękowych. W przypadku zastosowania drgań prostopadłych do osi drutu nie

występują siły aktywne i reaktywne, zmienia się charakter sił tarcia z tarcia w procesie

ciągnienia na tarcie w procesie „obkuwania” wywołanego rytmiczną pulsacją narzędzia

powodującą oprócz odkształcenia chwilowe zmniejszenie styku na powierzchniach

trących.

Zmiana schematu stanu naprężenia w strefie odkształcenia w kierunku zwiększenia

udziału składowych ściskających naprężeń poprawia możliwość odkształcenia materiałów

trudnoodkształcalnych. Ze względu na zmiany stanu naprężenia w stożku ciągadła

dzielonego drgającego prostopadle do osi drutu konieczne jest przeprowadzenie badań

ciągnienia stali lub innego trudnoodkształcalnego metalu na szerszą skalę. W tym celu

koniecznością jest zastosowanie generatorów o znacznie wyższej mocy, zwiększenie

amplitudy drgań oraz użycie bardzo stabilnej konstrukcji mocującej w jednej osi

przetwornik wraz z ciągadłem dzielonym.

11. Wnioski.

1. Wpływ drgań ultradźwiękowych na spadek siły ciągnienia.

• udowodniono znaczące obniżenie siły ciągnienia podczas zastosowania prostopadłych

do osi drutu drgań ciągadła dzielonego,

• przy zastosowaniu drgań prostopadłych występuje spadek siły ciągnienia rzędu od 14–

80%.

• maksymalny spadek siły rzędu 80% następuje dla najmniejszych zastosowanych

prędkości ciągnienia oraz dla najmniejszego współczynnika wydłużenia,

159

• zaobserwowano większy spadek siły ciągnienia dla schematów ciągnienia przez

ciągadło dzielone niż w przypadku procesu ciągnienia polegającym na kombinacji

dwóch układów drgających równocześnie (Rys. 9.9)

• kombinacja dwóch układów drgający równocześnie powoduje natomiast większy

spadek siły w zależności od prędkości ciągnienia niż ciągnienie z zastosowaniem

samych drgań wzdłużnych.

• z przeprowadzonych badań wynika, że wyłączenie ultradźwięków wzdłużnych w

schematach typu tandem nie wpływa znacząco na zmianę siły. Drgania wzdłużne

pomagają w małym stopniu drganiom prostopadłym obniżyć siłę ciągnienia.

• w procesie ciągnienia stali z zastosowaniem drgań prostopadłych ciągadła dzielonego

(schemat XIII) uzyskano mniejszą wartość siły ciągnienia niż w procesie ciągnienia

stali z zastosowaniem drgań wzdłużnych (schemat XIV) ciągadła monolitycznego.

2. Wpływ parametrów procesu ciągnienia z ultradźwiękiem na spadek siły

ciągnienia.

• zasadniczy wpływ na spadek siły ciągnienia w procesie ultradźwiękowego ciągnienia

przez ciągadło dzielone odgrywa prędkość ciągnienia oraz współczynnik wydłużenia.

Związane jest to ścisle z ilością uderzeń połówki ciągadła w powierzchnię drutu

przechodzącego przez kotlinę odkształcenia,

• im większa prędkość tym mniejszy udział oddziaływania energii drgań (mniej uderzeń

połówki ciągadła dzielonego) i co za tym idzie mniejszy spadek siły ciągnienia,

• częstotliwość około 20 kHz odpowiada kilku do kilkuset pulsacjom ciągadła w czasie

przejścia punktu leżącego na powierzchni drut przemieszczającego się przez kotlinę

odkształcenia. Wielkość odkształcenia materiału ma wpływ na liczbę pulsacji. Im

mniejsza λ tym mniej pulsacji.

3. Wpływ drgań ultradźwiękowych na własności mechaniczne ciągnionych drutów.

• nie stwierdzono wpływu drgań ultradźwiękowych w procesie ciągnienia na własności

wytrzymałościowe wyrobu gotowego. Nie zaobserwowano również istotnego wpływu

na zmiany w mikrostrukturze,

160

• nie stwierdzono znaczących zmian fizycznej granicy plastyczności oraz

wytrzymałości na rozciąganie otrzymanych w próbie ultradźwiękowego rozciągania

drutów na ciągarce bębnowej,

• na podstawie wyników otrzymanych z próby ultradźwiękowego rozciągania drutu na

ciągarce bębnowej widać zmianę wydłużenia próbek. Z pomiarów wynika, że dla

próbek rozciąganych z zastosowaniem wzdłużnych drgań ultradźwiękowych jest ono

mniejsze niż dla próbek ciągnionych tradycyjnie,

4. Pozostałe wnioski dotyczące procesu ciągnienia z ultradźwiękiem.

• korzystną cechą zastosowania schematów, w których ciągadło monolityczne drgające

wzdłużnie umiejscowione jest za ciągadłem dzielonym drgającym prostopadle do osi

drutu jest likwidacji wypływki powstającej za ciągadłem dzielonym,

• korzystną cechą zastosowania schematów polegających na umieszczeniu ciągadła

monolitycznego drgającego wzdłużnie do osi drutu przed ciągadłem dzielonym

drgającym prostopadle do osi drutu jest osiowe wprowadzenie drutu do ciągadła

dzielonego,

• należy sądzić, że w ciągnieniu według schematów polegających na umieszczeniu

ciągadła monolitycznego drgającego wzdłużnie do osi drutu przed ciągadłem

dzielonym drgającym prostopadle do osi drutu mamy do czynienia z korzystnym

wpływem przeciwciągu ciągadła drgającego wzdłużnie. Proces z przeciwciągiem

przebiegał bardziej stabilnie dla wszystkich zbadanych prędkości niż ciągnienie w

układzie, gdy ciągadło drgające wzdłużnie było umiejscowione po ciągadle dzielonym

(schemat XI i XII),

• badania polegające na ciągnieniu stali austenitycznej przez ciągadło dzielone drgające

prostopadle do osi drutu wykazały, że proces ciągnienia wspomagany

ultradźwiękowym „obkuwaniem” wykazał pozytywny efekt w przypadku ciągnienia

stali austenitycznej, która wykazuje skłonności do nalepiania na ściany ciągadła,

• w celu uzyskania jednolitego wymiaru na obwodzie drutu konieczne jest zastosowanie

ciągadła wygładzającego tradycyjnego lub obrotowego umiejscowionego za

ciągadłem dzielonym.

161

12. Literatura. 1. Wistreich J.G.: The fundamentals of wire drawing. Metallurgical Reviews, vol. 3, nr

10, 1958, s. 97-142

2. Robinson A.T., Conally J.C., Stayton L.H.: Wire and Wire Products, 1964, s. 192

3. Morawiecki M., Sadok L., Wosiek E.: Przeróbka plastyczna. Podstawy teoretyczne.

Wydawnictwo Śląsk, Katowice, 1986

4. Newberry J., Moss J., Kehoe D.F.: Wire drawing the time to change. Wire Industry,

May 1991, s. 254-256

5. Łuksza J.: Elementy ciągarstwa. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-

Dydaktyczne, Kraków 2001

6. Łuksza J., Skołyszewski A., Witek F., Zachariasz W.: Druty ze stali i stopów

specjalnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006

7. Hueter T.F., Bolt R.H.: Sonics. Jon Wiley & Sons, INC., New York 1955, s. 1-441

8. Ultrazwuk. Moskwa 1956, s. 13-576

9. Wyrzykowski R.: Ultradźwięki. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa

1957, s. 5-292

10. Tabin J.: Technika ultradźwiękowa w hutnictwie. Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze,

Katowice 1958, s. 7-212

11. Crawford F.C: Fale. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1972, s. 17-555

12. Svehla S., Figura Z.: Ultrazvuk v technologii. ALFA Vadavetelstvo Technickiej A

Ekonomickiej Literatury, Bratislava 1984, s. 13-502

13. Maeno T., Bogy D. B.: Effect of the Hydrodynamic Bearing on Rotor/Stator Contact

in a Ring-Type Ultrasonic Moto. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,

FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, vol. 39, nr. 6, 1992, s. 675-

682

14. Wallaschek J.: Contact mechanics of piezoelectric ultrasonic motors. Smart Mat.

Struct. vol. 7, 1998, s. 369-381

15. Zharii O.Y.: Ultrasonic motor, wave gyro and a snake – what do they have in

common? Mechatronic and advanced motion control. Proc. Of thr 3rd Int Heinz

Nixdorf Symposium, HNI-Verlagsschriftenreiche, vol. 49, 1999, s. 97-111

16. Suzuki Y., Tani K., Sakuhara T.: Development of a new type piezoelectric

micromotor. Sensors and Actuators, vol. 83, 2000, s. 244-248

162

17. Akhnak M., Martinez O., Montero de Espinosa F., Ullate L.G.: Development of a

segmentem annular array transducer for acoustic imaging. NDT&E International, vol.

35, 2002, s. 427-431

18. Thoe T.B., Aspinwall D.K., Wise M.L.H.: Rewiev of Ultrasonic Machining. Int. J.

Mach. Tools Manufact., vol. 38, 1998, s. 239 - 255

19. Petruzelka J.: Nekonvenci metody tvareni. Ostrawa 2002

20. Pasierb A., Wojnar A.: An experimental investigation of deep drawing processes of

thin – walled products with utilizaton of ultrasonic vibrations. Journal of Materials

Processing Technology, vol. 34, 1992, s. 489-494

21. Murakawa M., Koga N., Kumagai T.: Deep-drawing of aluminum sheets without

lubricant diamond-like carbon coated dies. Surface and Coatings Technology, vol. 76-

77, 1995, s. 553-558

22. Siegert K., Ziegler M.: Pulsating Blankholder Forces in the Deep-Draw Processes.

Received on January, vol. 9, 1997, s. 205-208

23. Jimma T., Kasuga Y., Iwaki N., Miyazawa O., Mori E., Ito K., Hatano H.: An

application of ultrasonic vibration to the deep drawing process. Journal of Materials

Processing Technology, vol. 80–81, 1998, s. 406–412

24. Alia S., Hindujaa S., Atkinsona J., Boltb P., Werkhovenb R.: The effect of ultra-low

frequency pulsations on tearing during deep drawing of cylindrical cups. International

Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 48, 2008, s. 558-564

25. Nosal W. W., Rymsza D. M.: Stal. 1966, s. 159

26. Tarply W.B., Kartluke H. : Aeroproects Inc. AEC Reports NV – 10008, 1961

27. Jones J.B. : Metal progress 1968, vol. 5, s. 103-107

28. Severdenko V.P., Kublovic V.V., Stepanenko A.V.: Ultrasonic Rolling and Drawing

of Metals. Consultans Bureau, New York, London, 1972

29. Pasierb A. Wpływ drgań ultradźwiękowych na parametry siłowe i tarcie w procesie

ciągnienia drutów i rur. Instytut Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa, Akademia

Górniczo- Hutnicza w Krakowie, 1979

30. Pasierb A.: Ciągnienie wibracyjne rur i prętów. Mechanik miesięcznik naukowo-

techniczny nr. 9, 1971, Wydawnictwa czasopism technicznych NOT., s. 500-502

31. Pasierb A.: Wpływ ultradźwiękowych drgań ciągadła na siłę ciągnienia rur. Rudy

Metali, nr. 5

32. Petruzelka J.: Ciągnienie rur z zastosowaniem ultradźwięków. Rudy Metale, nr. 10,

1994, s. 290-293

163

33. Petruzelka J., Licka S., Sarmanova J.: Analiza procesu ciągnienia rur na trzpieniu

aktywowanym ultradźwiękami. Hutnik, nr. 4, 1984, s. 129-136

34. Atanasiu N.: Intensification of tube drawing by axial ultrasonic oscillation of the plug.

Ultrasonics vol.18, 1980, s. 255-260

35. Daud Y., Lucas M., Huang Z.: Ultrasonic Compression Tests on Aluminium. Applied

Mechanics and Materials, vol. 3-4, 2005, s. 99-104

36. Izumi O., Oyama K., Suzuki Y.: On the Superimposing of Ultrasonic Vibration during

Compressive Deformation of Metals. Trans. JIM, vol. 7, 1966, s. 158-161

37. Izumi O., Oyama K., Suzuki Y.: Effects of Superimposed Ultrasonic Vibration on

Compressive Deformation of Metals. Trans. JIM., vol. 7, 1966, s. 162-167

38. Schinke B., Malmberg T.: Dynamic tensile tests with superimposed ultrasonic

oscillations for stainless steel type 321 at room temperature. Nuclear Engineering and

Design 100, vol. 3, 1987, s. 281-296

39. Garskii F.K., Efromov V.I.: Effect of Ultrasound of the Decomposition of Solid

Solutions. 1953

40. Blaha F., Langanecker B.: Dehung von Zink-Einkristallen unter

Ultraschalleinwirkung. Die Naturwissenschaften, vol. 42, 1955

41. Lehfeldt E.: Beeinflussung metallischer Reibungsvorgange durch Schall im 20 kHz –

Bereich. 1968

42. Siewierdenko W.P., Stiepanienko A.W., Zajasz I.W.: Dokłady Akademii Nauk ZSSR

10, 1969

43. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Konyszew R.A, Rzepin R.A., Dokłady

Akademii Nauk ZSRR 5, 1970, s. 415-418

44. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Stiepanienko A.W.: Ultrazwuk i płasticznost.

Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1976

45. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Stiepanienko A.W.: Prokatka i wołoczenije s

ultrazwukom. Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1970

46. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Stiepanienko A.W.: Obrabotka mietałłow

dawlenijem s ultrazwukom. Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1973

47. Rozner A.G.: Yournal of Acoustical Society of America, vol. 5, 1971, s. 1368-1371

48. Rozner A.G.: Effect of Ultrasonic Vibration on Coefficient of Friction during Strip

Drawing. Yournal of Acoustical Society of America, vol. 49, 1971, s. 1368-1371

49. Siegert K., Mock A.: Wire drawing with ultrasonically oscillating dies. Journal of

Materials Processing Technology, vol. 60, 1996, s. 657-660

164

50. Siegert K., Ulmer J.: Influencing the Friction in Metal Forming Processes by

Superimposing Ultrasonic Waves. Annals of the CIRP, vol. 50/1/2001, s. 195-200

51. Siegert K., Ulmer J.: Superimposing Ultrasonic Waves on the Dies in Tube and Wire

Drawing. Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 123, 2001, s. 517-

523

52. Littmann W., Storck H., Wallaschek J.: Sliding friction in the presence of ultrasonic

oscillations: superposition of longitudinal oscillations. Arch. Appl. Mech., vol. 71,

2001, s. 549–554

53. Storck H., Littmann W., Wallaschek J., Mracek M.: The effect of friction reduction in

presence of ultrasonic vibrations and its relevance to travelling wave ultrasonic.

Ultrasonics, vol. 40, 2002, s. 379–383

54. Kumar V.C., Hutchings I.M.: Reduction of the sliding friction of metals by the

application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. Tribology International,

vol. 37, 2004, s. 83-840

55. Knych T.: Badania zjawiska tarcia w procesie swobodnego ciągnienia rur z

zastosowaniem ultradźwiękowych drgań ciągadła. Akademia Górniczo-Hutnicza,

Kraków, 1981

56. Aeroprojects Incorporated: Fundamentals of Ultrasonic Welding. Res. Proj. 60-90

Navy Con. 59-6070c, 1960

57. Sansome D.H.: Recent developments in Oscillatory Metal Working. Engineering,

April 1973, s. 243-247

58. Blaha F., Langanecker B.: Acta metallurgica vol. 7, 1955, s 93

59. Siewierdenko W.P., Goriew K.W., Konowałow E.G.: Ultrazwukowa obrabotka

mietałłow. Wyd. Nauka i Technika, Mińsk, 1966

60. Langenecker B.: AIAA Yournal, vol.1, 1963, s. 80-83

61. Baker G.S., Carpenter S.H.: Deformation Under Combined static and Vibratory

Stresses. Transaction of the Metallurgical Society of Aime, vol. 236, 1966, s. 700-702

62. Pohlman R., Lehfeldt E.: Ultrasonics, vol. 4, 1966, s. 178

63. Nosal W.W., Rymsza O.M.: Stal, nr. 2, 1966, s. 159-162

64. Sansome D.H., Winsper C.E.: Wire Industry, vol. 419, 1968, s.1045-1048

65. Bazan J., Pasierb A.: Badania nad zastosowaniem wibracji w procesie ciągnienia.

Archiwum Hutnictwa Tom XVII, 1972, Zeszyt 1

66. Pasierb A.: Materiały III Sympozjum Techniki Wibracyjnej, Kraków, 1973, s. 72

165

67. Maropis N.: Ultrasonic Energy applied to Metal Drawing – Part I. Wire Industry,

May, 1991, s. 251-253

68. Maropis N.: Ultrasonic Energy applied to Metal Drawing – Part II. Wire Industry,

June, 1991, s. 327-333

69. Maropis N.: Ultrasonic Energy applied to Metal Drawing – Part III. Wire Industry,

July, 1991, s. 371-373

70. Gołubiew T.M., Diadeczko G.P., Chochriakow B.D.: Mietałłurgiczeskaja i

gornorudnaja promyszlennost, vol. 3, 1962, s. 84

71. Gołubiew T.M., Diadeczko G.P., Chochriakow B.D.: Mietałłurgiczeskaja i

gornorudnaja promyszlennost, vol. 6, 1962, vol. 56

72. Kamionka J.: Badania własności mechanicznych metali odkształcanych w polu

ultradźwiękowym. Akademia Górniczo – Hutnicza, Kraków, 1976, s. 1-63

73. Jones J.B.: Wire Industry, vol. 38, 1971

74. Mordyuk B.N., Mordyuk V.S., Buryak V.V.: Ultrasonic drawing of tungsten wire for

incandescent lamps production. Ultrasonics, vol. 42, 2004, 109-111

75. Oelschlegel D., Weiss B.: Acta. Phys. Austr., vol. 1-4, 1965, s. 363

76. Watruszin Ł. S.: Cwietnyje Mietałły 6, 1967, s. 75-78

77. Siewierdenko W.P., Stiepanienko A.W., Kułaga N.E.: Dokłady Akademii Nauk

ZSSR, 8, 1973

78. Murakawa M., Jin M., Hayashi M.: Study on semidry/dry wire drawing using DLC

coated dies. Surface and Coatings Technology, vol. 177-178, 2004, s. 631-637

79. Murakawa M., Jin M.: The utility of radially and ultrasonically vibrated dies in the

wire drawing process. Journal of Materials Processing Technology, vol. 113, 2001, s.

81-86

80. Siewierdenko W.P., Kłubowicz W.W., Kononowa Ł.A.: Dokłady Akademii Nauk

ZSSR, vol. 4, 1973, s. 325-328

81. Mordyuk B.N., Mordyuk V.S., Buryak V.V.: Ultrasonic drawing of tungsten wire for

incandescent lamps production. Ultrasonics, vol. 42, 2004, s. 109-111

82. Nerubai M.S.: Effect of Ultrasonic Vibrations on the Mechanical Properties of

Difficult-to-Deform Materials. Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov

4, 1987, s. 10-13