Politechnika-Lubelska PDF

Preview

Summary

Projekt : Kucie matrycowe korbowodu...

Description

Politechnika Lubelska Wydział Mechaniczny

Aspekty eksploatacyjne w projektowaniu oprzyrządowania do obróbki plastycznej

Projekt: Kucie matrycowe korbowodu Prowadzący: mgr inż. P. Surdacki Przygotowała: Sofiia Yaremenko Marta Sokół Grupa: IP Gl03

Lublin 2018

Spis treści 1.

Wstęp teoretyczny.......................................................................................................3

2.

Dobór materiałów........................................................................................................6

3.

Obróbka cieplna wybranych materiałów....................................................................6

4.

Młot matrycowy..........................................................................................................6

5.

Przedmiot....................................................................................................................8

6.

Dobór naddatków......................................................................................................10

7.

Odkuwka...................................................................................................................11

8.

Rowek na wypływkę.................................................................................................13

9.

Przedkuwka idealna..................................................................................................15

10.

Matryca.....................................................................................................................17

11.

Bibliografia................................................................................................................18

2

1.

Wstęp teoretyczny

Kucie matrycowe - polega na kształtowaniu wyrobu w matrycy. Dolna część matrycy spoczywa na nieruchomej części młota mechanicznego, zwanej szabotą. Górna część matrycy, umocowana w ruchomej części młota, zwanej bijakiem może podnosić się ku górze. Jeżeli w czasie pracy młota zostanie w obszarze wykroju dolnej części matrycy umieszczony nagrzany materiał, to uderzenie górnej części matrycy spowoduje wypełnienie wykroju matrycy materiałem. Powstaje wówczas produkt zwany odkuwką. Kucie matrycowe ma zastosowanie do wyrobu odkuwek o masie nieprzekraczającej kilkuset kilogramów. Kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym ma następujące zalety: 

możliwość stosowania mniejszych naddatków technologicznych,



większą dokładność wykonania odkuwek,



możliwość nadawania kształtów odkuwce, jakich nie można nadać przez kucie swobodne,



możliwość

łatwego

i

szybkiego

odkuwania

przedmiotów

o

kształtach

skomplikowanych, małą pracochłonność oraz dużą wydajność, 

znaczną oszczędność w kosztach robocizny,



możliwość zatrudnienia pracowników mniej wykwalifikowanych,



dużą powtarzalność kształtu odkuwek,



łatwość określenia czasu wykonania odkuwki, co umożliwia dokładną kalkulację kosztów.

Wady kucia matrycowego są następujące: 

konieczność

stosowania

maszyn

kuźniczych

o

podwyższonej

dokładności

prowadzenia matryc, 

dodatkowe koszty związane z prasami do okrawania wypływki,



duży koszt oprzyrządowania,



opłacalność przy dużych seriach odkuwek,



niewielkie wymiary wykonywanych odkuwek.

3

Odkuwki matrycowe wykonuje się przeważnie z wsadu uprzednio walcowanego i pociętego na odcinki odpowiadające masie pojedynczej odkuwki lub kilku odkuwkom w zależności od wymagań opracowanego procesu technologicznego. Wykrój matrycujący może być wypełniany przez spęczanie, dziurowanie lub wyciskanie (rys. 1). W przypadku odkuwek mających kształt prosty (rys. 1a) wykrój wypełnia się wyłącznie przez spęczanie. Jeżeli odkuwka ma jedno- lub dwustronne wgłębienie, to wypełnienie wykroju następuje przez spęczanie i dziurowanie (rys. 1b, c). Odkuwki z występami wykonuje się z przewagą procesu spęczania, jeżeli wsad jest wysoki (rys. 1d), lub wyciskania, jeżeli wsad jest niski (rys. 1e). W przypadku pokazanym na rys. 1f wypełnianie wykroju jest złożone i odbywa się przez spęczanie, dziurowanie oraz wyciskanie.

4

Wypełnianie wykroju matrycującego otwartego można podzielić na kilka etapów. Jeśli kucie odbywa się w matrycach otwartych (z wypływką), wyróżnia się cztery etapy (rys. 2): 

pierwszy etap (rys. 2a) rozpoczyna się z chwilą zetknięcia się matrycy górnej z metalem ułożonym w wykroju matrycy dolnej. Najczęściej następuje swobodne spęczanie metalu, a w przypadkach bardziej złożonych niewielkie jego wyciskanie. Obniżanie matrycy górnej wywołuje powstawanie beczułkowatości, podobnie jak przy spęczaniu swobodnym. Świadczy to o tym, że metal odkształca się nierównomiernie. Najbardziej odkształcają się jego warstwy środkowe. W pewnych obszarach odkształcanego materiału mogą powstać naprężenia rozciągające, co przy większych odkształceniach może doprowadzić do pojawienia się pęknięć. Naciski w pierwszym etapie wypełniania wykroju są niewielkie. Etap ten kończy się z chwilą zetknięcia się metalu z boczną ścianką wykroju;



w drugim etapie (rys. 2b) metal płynąc na boki, wypełnia wykrój. Etap ten kończy się, gdy nadmiar metalu zacznie wypływać między matryce. Pod koniec drugiego etapu wykrój jest już wypełniony, z wyjątkiem naroży. W tym etapie następuje wzrost nacisków spowodowany zwiększeniem siły tarcia na ściankach bocznych wykroju;



w trzecim etapie (rys. 2c) nadmiar metalu wypływa na zewnątrz i tworzy wypływkę. Wypływanie metalu na zewnątrz jest hamowane siłą tarcia na mostku wypływki i na ściankach bocznych wykroju w pobliżu wypływki. Utrudnione wypływanie metalu w obszarze wypływki powoduje wypełnianie naroży wykroju. Jeżeli matryca jest skonstruowana prawidłowo i wsad nie jest dobrany z dużym nadmiarem, to po wypełnieniu naroży kończy się proces kucia. Jednak w praktyce najczęściej występuje pewien nadmiar wsadu, z tego względu odkuwka nie osiągnęła wysokości zgodnej z żądaną, dlatego matryca górna powinna być dalej przemieszczana. Siła w tym etapie kucia zwiększa się znacznie;



w czwartym etapie (rys. 2d) wysokość odkuwki zmniejsza się o h4, co wiąże się z wyciskaniem nadmiaru metalu w wypływkę. W tym etapie naciski gwałtownie wzrastają i osiągają wartość maksymalną, co stanowi ok. 50 % całkowitej energii uderzenia. Bezwzględne odkształcenie odkuwki h4 w tym etapie nie przekracza zwykle 2 mm. Plastycznie odkształca się tylko wypływka i część środkowa odkuwki, a pozostała część metalu odkształca się sprężyście. Proces kucia przebiega najkorzystniej, gdy czwarty etap jest możliwie krótki. W tym przypadku zużycie

5

materiału wyjściowego i energii potrzebnej do ostatecznego wypełnienia wykroju jest minimalne. Czwarty etap kucia można skrócić do minimum, gdy:  dobierze się dokładnie objętość wsadu,  ustali się prawidłowy kształt przedkuwki,  ustali się w wyniku obliczeń i prób optymalne wymiary wypływki. Mechanizm wypełniania wykrojów bardziej złożonych odbywa się w sposób analogiczny do omówionego. Jeśli odkuwka posiada otwór, dwa pierwsze etapy kucia ulegają zmianie, ponieważ zamiast spęczania metalu występuje dwustronne dziurowanie (rys. 1c) lub dziurowanie oraz wyciskanie (rys. 1f).

2.

Dobór materiałów

Korbowody w najczęściej wykonuje się ze stali węglowej o zawartości węgla 0,35 0,45%, więc materiałem przez nas przyjętym będzie stal C45[]. Granica plastyczności Re=275 – 490 MPa, Wyroby mogą być hartowane powierzchniowo uzyskując do 50-60 HRC[]. Najczęściej stosowanym materiałem na matryce do kucia na ciepło są stale narzędziowe do pracy na gorąco typu: X38CrMoV51, X30WCrV93, 55NiCrMoV6, które charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi (duża wytrzymałość na rozciąganie, twardość, duża odporność na ścieranie, wysoka granica plastyczności 2200 MPa)[]. Matryca wykorzystana do procesu będzie wykonana z stali narzędziowej X38CrMoV51 po hartowaniu i odpuszczaniu 500 ℃ (uzyska 56,3 HRC)[].

3.

Obróbka cieplna wybranych materiałów

Po procesie kucia matrycowego odkuwka będzie zahartowana w t=820-860℃ powierzchniowo do uzyskania twardości 50-60 HRC.[] Matryca przed rozpoczęciem procesu zostanie poddana ulepszeniu cieplnemu ( hartowanie w t= 980-1030℃, odpuszczanie w t=500℃ ). Po przeprowadzonej obróbce cieplnej materiał uzyska twardość 56,3 HRC.[]

4.

Młot matrycowy

Wykorzystaną maszyną do kucia matrycowego został wybrany młot matrycowy ze względu na swoje zalety, prostą konstrukcje i uniwersalność. 6

Młoty matrycowe charakteryzują się tym, że wszystkie ich elementy składowe tworzą z szabotą jedną całość. Konstrukcja ich jest zwarta i mocna oraz zapewnia bijakowi dobre prowadzenie. Ogólny schemat konstrukcji młota matrycowego przedstawiono na rys. 4. Składa się on z szaboty 1, na której są umocowane stojaki 2, a na nich płyty 3 i mechanizm napędowy 4 (parowo-powietrzny, mechaniczny lub hydrauliczny). Stojaki są połączone elastycznie z szabotą i mechanizmem napędowym za pomocą śrub 6 i 7 ze sprężynami. Dzięki temu zmniejsza się w stojakach naprężenia występujące w czasie kucia. Natomiast w płaszczyźnie poziomej stojaki są sztywno połączone z szabotą za pomocą klinów 8. Prowadnice bijaka 5 są nastawialne, dzięki czemu uzyskać można dokładne osiowe prowadzenie bijaka. Rozróżniamy następujące typy młotów matrycowych: parowopowietrzne (jednostronnego i dwu-stronnego działania), parowo-powietrzne przeciwbieżne, wysokoenergetyczne, z indywidualnym napędem.

7

5.

Przedmiot

Naszym przedmiotem do kucia jest korbowód. Korbowód jest częścią mechanizmu korbowego. Służy (wraz z wałem korbowym) do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału korbowego albo obrotowego ruchu wału na ruch posuwisty tłoka lub innego elementu. Korbowody w silnikach spalinowych najczęściej wykonuje się ze stali węglowej o zawartości węgla 0,35 - 0,45%. Najczęściej są one odkuwane, zdarzają się także odlewane. Korbowody występują w wielu różnych maszynach, takich jak: 

silnik spalinowy tłokowy,



silnik parowy tłokowy,



sprężarka tłokowa,



pompa tłokowa,



prasa mimośrodowa,



maszyna do szycia.

Korbowody wykonuje się ze stali do ulepszania cieplnego, zwykle poprzez kucie matrycowe. Odkuwki obrabiane są następnie mechanicznie (obróbka skrawaniem) i cieplnie.

8

9

6.

Dobór naddatków Tab.6.3. Jednostronne naddatki na obróbkę odkuwek kutych na młotach[]

Masa przedmiotu wynosi około 0,418 kg (wyliczono za pomocą SolidEdge ST9) Na średnice (S1=40) dobraliśmy naddatek 1,5mm. Na srednicę (S2=30), wysokość (h=20mm) i szerokość (b=10..20mm) dobraliśmy naddatek 1,4 mm. Grubość denka. Tab.6.2. Najmniejsze grubości den odkuwek[]

h=20mm dśr= (S1+S2)/2= (40+30)/2=35[mm] h/dśr=20/35=0,57 Najmniejsza grubość denka powinna wynosić 3mm. Dla naszego przedmiotu przyjmujemy grubość denka równą 4 mm.

10

7.

Odkuwka Tab.7.1. Najmniejsze promienie zaokrągleń odkuwek[]

Tab.7.2. Pochylenia ścian odkuwek[]

11

12

8.

Rowek na wypływkę

Wymiary rowka na wypływkę dobiera się na podstawie zaleceń opracowanych przez Bruchanova i Rebelskiego []. W pierwszej kolejności wyznacza się minimalną wysokość mostka:

h=

β∗F od O od 4

3

β=0,4325∗x −1,0862∗x −0,2337∗x+ 0,0755

x=

F od l2

OOd – obwód przekroju odkuwki w płaszczyźnie podziału, FOd – pole powierzchni przekroju odkuwki w płaszczyźnie podziału,  – współczynnik przeliczeniowy l - największy wymiar przekroju odkuwki w płaszczyźnie podziału matryc – w przypadku odkuwek czołowych będzie to ich średnica, a dla odkuwek wydłużonych ich długość. OOd=556,93 mm FOd=3859,33 mm2  =0,048951 l =188,68 mm x=0,1084 h=0,339 mm Tab.8.1. Zalecane wymiary rowka na wypływkę przy kuciu na młotach[]

13

Rys.8.1 Geometria rowka

Objętość wypływki, która powstaje podczas kucia na młotach, wynosi[]: V v =φ∗F v∗ [ O od +δ ( l 1 +l2 ) ] =26387,45 mm3 14

gdzie: Fr, l1, l2 są wymiarami rowka odczytanymi z tabeli 8.1; OOd – obwód przekroju odkuwki w płaszczyźnie podziału;  – stopień wypełnienia rowka przez wypływkę, przy kuciu na młotach przyjmuje się  = 0,7;  – współczynnik uwzględniający kształt odkuwki,dla odkuwek kombinowanych –  = 69, przyjmujemy 7.

9.

Przedkuwka idealna

Następnym etapem projektowania jest wykonanie wykresów: 

przekrojów odkuwki w układzie współrzędnych lip – FOd (Rys.9.1),

gdzie: lip – długość przedkuwki idealnej (na wykresie odkłada się odległości poszczególnych przekrojów odkuwki od początku układu współrzędnych); FOd – pole charakterystycznych przekrojów poprzecznych odkuwki (w płaszczyźnie prostopadłej do osi głównej); 

przekrojów przedkuwki idealnej w układzie współrzędnych lip – Fip(Rys.9.1);

gdzie Fip – przekrój poprzeczny przedkuwki idealnej wyznaczony jako suma odpowiedniego przekroju odkuwki oraz wypływki – dla przekrojów skrajnych, F ip wyznacza się na podstawie wzoru[]: Fip=2∗Fv Fv=0,52cm2=52mm2 natomiast dla przekrojów środkowych[]: Fip=Fod +2∗φ∗Fv

gdzie:  – stopień wypełnienia rowka przez wypływkę, =0,7; 

przedkuwki idealnej w układzie współrzędnych lip – dip(Rys.9.2), gdzie

dip-średnicą przedkuwki, którą wyznacza się ze wzoru[]: d ip =

√

4 ∗F ip π

15

700 600

F[mm2]

500 400 300 200 100 0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

lip[mm] Fod

Fip

Rys.9.1. Wykres Fod(lip) oraz Fid(lid)

dip(lip) 30 28 26 24

d[mm]

22

d Power (d) Logarithmic (d) dsk

20 18 16 14 12 10 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

lip[mm]

Rys.9.2. Wykres dip(lip)

16

10.

Matryca

Rys.10.1. Matryca dolna

17

Rys.10.2. Matryca górna

11.

Bibliografia

18...