Capitolul 9 Prelucrarea materialelor prin fasonare [309504]

Capitolul 9

Prelucrarea materialelor prin fasonare

Fasonarea reprezintă procedeul de prelucrare prin deformare plastică la rece prin care se realizează o deformare locală a semifabricatului, fără modificarea intenționată a grosimii lui.

9.1 Clasificarea procedeelor de fasonare

În funcție de modul și scopul (finalitatea) deformării, există mai multe forme (procedee) de fasonare:

 planarea;

 reliefarea;

 umflarea;

 evazarea;

 gâtuirea;

 răsfrangerea marginii;

 bordurarea;

 filetarea prin fasonare;

 procedee speciale de fasonare.

Planarea este procedeul de fasonare ce se aplică pieselor din semifabricate subțiri pentru a le îndrepta sau pentru a se obține o [anonimizat]-o matriță, având:

a) suprafețe de lucru plane sau netede

b) suprafețe de lucru striate sau în puncte

c) suprafețe de lucru în fagure

În figura 9.1 [anonimizat].

a)

b) c)

Fig. 9.1 Matrițe pentru planare: (1 – placa de bază; 2, 4 – placi

active pentru planare; 3 – semifabricat; 4 – placă superioară; 5 – cep de prindere); a) cu plăci active lise; b) cu o plăci active striate sau în puncte; c) cu plăci active în fagure

În figura 9.2 si 9.3 sunt prezentate câteva tipuri de piese planate.

înainte de planare după planare

Fig. 9.2 Planare între suprafețe lise

Fig. 9.3 Planare între suprafețe striate[22]

Planarea între suprafețele plane netede se aplică la piese din materiale moi și subțiri.

[anonimizat].

[anonimizat] 9.1.

Forța necesară pentru planare se calculează cu relația:

F = pS daN (9.1)

unde:

– p = presiunea necesară pentru îndreptarea tablelor în funcție de forma elementelor active în daN/mm2

-S = suprafața în mm2.

La forme spațiale de planare sau îndreptare operația următoare este micșorarea razelor de rotunjire și îndreptarea părții de bază a pereților laterali ai pieselor obținute prin ambutisare (sau îndoire) așa cum se observă în figura 9.4.

a)

b)

Fig. 9.4 Planarea (calibrarea) unor zone ale unor

piese obtinute prin (a) îndoire, (b) ambutisare

Pentru asigurarea preciziei corespunzătoare a poziției reciproce a profilelor elementelor active pentru planare se folosesc matrițe cu coloane de ghidare ele fiind acționate pe prese cu fricțiune sau pe prese speciale de planare. [anonimizat]. Pentru producția de masă și piese din tablă de dimensiuni mici îndreptarea se poate executa automatizat cu mașini speciale sau între două valțuri rotitoare.

Reliefarea este procedeul de fasonare pentru executarea unui relief de mică adâncime cu păstrarea grosimii materialului în vederea obținerii unor inscripții sau desene sau pentru mărirea rigidității prin nervurare. [anonimizat], materialul fiind supus în principal solicitării de întindere. Principalele tipuri de reliefări sunt:

a) executarea nervurilor de rigidizare și a bosajelor;

b) executarea nervurilor (reliefurilor) cu scop ornamental;

c) executarea pieselor cu configurație complicată și nesimetrică, de formă deschisă.

Reliefarea nervurilor de rigidizare se aplică pe scară largă în construcția de automobile (caroserie), în construcția de aparate în electrotehnică și radiotehnică, utilizând pentru aceasta matrițe metalice. În construcția de avioane se aplică reliefarea prin deformarea hidraulică.

Reliefarea se obține de obicei prin întinderea materialului. Adâncimea posibilă a nervurilor și bosajelor depinde de capacitatea de deformare a materialului prelucrat. Dimensiunile caracteristice ale unei porțiuni reliefate sunt prezentate în figura 9.5.

a) b)

c) d)

e)

Fig. 9.5 Exemple de reliefare: a – bosaj tronconic; b – bosaj sferic; c, e – nervuri pentru rigidizare; d – nervuri pentru creșterea elasticității.

Din punct de vedere tehnologic, elementele geometrice trebuie să corespundă următoarelor valori:

-pentru proeminențe sau inscripții:

tronconice:

h = (1,5 – 2) g; r = (1 – 1,5) g; D = 3h; = 15 – 200.

sferice:

h < 2g; r > (0,8 – 1) g; R = (3 – 4) g.

-pentru nervuri de rigidizare:

r = (2 -5) g; R = (5 -15) g; h = (5 -15) g.

Forța necesară reliefării pieselor de dimensiuni mici, cu suprafața mai mică decât 20 cm2, executată din material subțire g < 1,5 mm la prese cu excentric, poate fi determinată cu următoarea relație empirică:

F=S∙K1∙g2 daN (9.2)

S=suprafața reliefului matrițat mm2;

K1= coeficient având valoarea 20-30 daN/mm4 pentru oțel și 15-20 daN/mm4 pentru alamă.

Forța necesară pentru executarea nervurilor de rigidizare poate fi calculată cu relația:

F=p∙S∙K2 daN (9.3)

p – presiunea de reliefare

K2 – coeficient

Exemple de piese obținute prin reliefare sunt date în figurile 9.6.

Fig. 9.6.a – Reliefare înscripție Fig. 9.6.b – Reliefare desen ornamental

Fig. 9.6.c – Reliefare bosaje Fig. 9.6.d – Reliefare forme complexe

Fig. 9.6.e – Reliefare nervuri de rigidizare

Fig. 9.6 Modele de piese realizate prin reliefare[22]

Piesele cu nervuri au tendința de formare a cutelor. Evitarea formării lor se face prin strângere, în acele zone, cu tampoane de cauciuc cu recomandarea executării mai întâi a nervurilor mai îndepărtate de marginile piesei, iar apoi cele mai apropiate de margine. În vederea reținerii semifabricatului se va adăuga pe margine o nervură de reținere ca la ambutisare, deci se va prevedea un adaos de prelucrare care se va îndepărta prin tăiere după deformarea piesei. Piesele de dimensiuni mici și mijlocii se reliefează pe prese cu manivelă sau cu fricțiune iar cele cu dimensiuni mari și cu grosimi g > 2 mm pe prese hidraulice.

Gâtuirea este un procedeu de fasonare prin care se realizează reducerea dimensiunii transversale la capătul unei piese convexe sau tubulare.

Pentru realizarea gâtuirii se utilizează frecvent două procedee:

a) gâtuirea pieselor cu secțiune plină și tubulară pe mașini rotative care lucrează prin apăsarea sau lovirea intermitentă a semifabricatului cu bacurile de lucru. Cadența de lucru este de circa 6000 lovituri/minut pentru semifabricatul cu diametrul mai mic decât 7 mm.

b) gâtuirea pieselor convexe și a țevilor realizate prin presare axială pe presă (fig. 9.6).

a) b) c)

Fig. 9.6 Piese realizate prin gâtuire

Pentru calculele tehnologice legate de operația de gâtuire se utilizează relațiile:

Coeficientul de gâtuire total este: (9.4)

Coeficientul mediu de gâtuire pentru fiecare operație:

(9.5)

Valorile coeficientului de gâtuire sunt:

pentru gâtuire liberă fără sprijinirea piesei:

mrec = 0,68 – 0,80

pentru gâtuire cu sprijin unilateral la exterior:

mrec = 0,50 – 0,63

pentru gâtuire cu sprijin bilateral interior și exterior:

mrec = 0,27 – 0,40

Pentru valori ale coeficientului de gâtuire mai mari sau egale cu cele recomandate, gâtuirea se execută într-o singură operație. La valori mai mici sunt necesare mai multe operații.

Numărul operațiilor de gâtuire n este egal cu:

(9.6)

d = diametrul inițial al semifabricatului;

d1, d2 = diametrele după fiecare operație de gâtuire;

dn = diametrul final într-o gâtuire.

Valorile coeficientului mediu de gâtuire sunt date în funcție de materialul prelucrat. Pentru prima operație, coeficientul de gâtuire se ia cu 10 % mai mic decât coeficientul mediu, iar pentru operația următoare cu (5…100)% mai mare. Influență mare are și unghiul α și coeficientul de frecare.

După tipul gâtuirilor, prezentate în figura 9.6, înălțimea semifabricatului H se determină astfel:

– pentru forma din figura 9.6a:

(9.7)

– pentru forma din figura 9.6b: (9.8)

-pentru forma din figura 9.6c:

(9.9)

unde: h = înălțimea piesei cu formă conică și cilindrică cu diametru d.

În zona deformării pereții pieselor se îngroașă până la valoarea: (9.10)

Pentru calcularea forței necesare realizarea unei operații de gâtuire se poate folosi relația:

F=1.2πD∙g∙σc. (9.11)

Dar pentru diferite forme de piese realizate prin gâtuire, literatura de specialitate indică și alte relații de calcul ale forței.

Umflarea sau lărgirea și evazarea

Umflarea (lărgirea) este un procedeu de fasonare ce se execută în scopul măririi dimensiunilor transversale ale unei piese cave sau pe anumite porțiuni ale unei țevi, dimensiunile semifabricatului rămânând practic aceleași (fig. 9.7).

Evazarea este mărirea progresivă a diametrului unei țevi sau piese cave la capătul acesteia.

În timpul procesului de deformare la umflare și evazare se produce o întindere radială a materialului de la interior spre exterior. Pentru umflare, dimensiunile semifabricatului se determină astfel:

– lungimea generatoarei:LS=(1+ε2)L+a (9.12)

alungirea specifică a dimensiunii transversale:

(9.13)

alungirea specifică a generatoarei:

ε2=(0.4…0.5)ε1 (9.14)

în care:

L = lungimea generatoarei piesei după umflare;

d,dS= diametru în zona deformată a piesei și respectiv a semifabricatului;

a = adaos pentru tăierea marginilor.

Fig. 9.7 Piesă lărgită

Datorită întinderii materialului în timpul umflării, grosimea în zona deformată va avea valoarea:

(9.15)

în care: g = grosimea semifabricatului înainte de umflare.

În principiu, umflarea se poate executa cu următoarele tipuri de matrițe:

– cu poanson de cauciuc;

– cu sectoare extensibile care se deplasează sub acțiunea unor pene

– cu deformare hidraulică.

La operația de umflare, placa activă sau de deformare se execută din cel puțin două sectoare sau segmente detașabile pentru a putea permite scoaterea piesei finite din matrița de umflare. Dacă operația de umflare se aplică la semifabricate obținute prin ambutisare, din mai multe operații succesive însoțite de ecruisarea materialului, înainte de umflare acestea se supun tratamentului de recoacere pentru a i se da materialului o plasticitate corespunzătoare.

Gradul de deformare la umflare poate fi exprimat prin coeficientul de umflare:

(9.16)

în care

du = diametrul maxim după umflare;

ds=diametrul inițial al semifabricatului cilindric.

Gradul de deformație la umflare poate fi mărit, dacă concomitent cu presarea radială internă a semifabricatului se execută și o comprimare axială a lui.

Pentru calcularea forței de umflare, când operația se execută pe matrițe cu sectoare extensibile, se poate utiliza relația:

F=2kL∙g∙σr∙nsinβ/2 daN (9.17)

L = lungimea generatoarei porțiunii deformate a semifabricatului [mm];

g = grosimea peretelui semifabricatului [mm];

σr = rezistența la rupere [daN/mm];

n = numărul sectoarelor care execută deformarea;

β = unghiul la centru al sectorului;

k = coeficientul care ia în considerare influența unghiului α al conului de acționare al sectoarelor și al coeficientului de frecare μ.

(9.18)

Dacă numărul sectoarelor este minim (8…12) atunci se poate considera că nsinβ/2=π, deci expresia forței devine:

F=2kπLg∙σr [daN] (9.19)

Pentru cazul deformării cu poanson de cauciuc mărimea forței de deformare este:

F=50πgdSσr (9.20)

în care: ds= diametrul semifabricatului [mm].

Dimensiunile poansonului de cauciuc cu care se execută operația de umflare se determină cu relația:

dp=0,985di-0,3g[mm] și (9.21)

în care:

dp = diametrul poansonului de cauciuc[mm];

H = înălțimea poansonului de cauciuc [mm];

di = diametrul interior al semifabricatului [mm];

Lg = lungimea generatoarei [mm];

g = grosimea peretelui semifabricatului [mm].

Forța presei pe care se execută operația de umflare se recomandă mai mare decât valoarea calculată pentru operația respectivă de (2..2,5) ori.

Evazarea este procedeul de fasonare prin care se realizează mărirea secțiunii transversale la capătul liber al unui semifabricat tubular. Procedeul este deseori utilizat pentru realizarea pieselor de legătură între tronsoane de țevi cu diametre diferite.

Pentru evazarea semifabricatelor tubulare din oțel, având unghiul α=20o (fig. 9.8), coeficientul de evazare se calculează cu relația:. (9.22)

Fig. 9.8 Schema modului de deformare prin evazare

Coeficientul de evazare are valori cuprinse între 1,45 și 1,60 în funcție de grosimea relativă (g/ds) 100.

Calitatea evazării depinde de numărul de treceri și calitatea lubrifiantului folosit.

Dacă = 900 evazarea se transformă în răsfrângere iar zona prelucrată devine flanșă.

Bordurarea este procedeul de fasonare care se execută la piese cave în scopul măririi rigidității sau pentru rotunjirea marginilor acestora . Pentru serii de fabricație mijlocii și mari, la piese de dimensiuni mici și mijlocii, operația se execută în matrițe pe prese mecanice și hidraulice. Deformarea materialului este prezentată în figura 9.9. Piesele de dimensiuni mari se realizează pe mașini speciale cu ajutorul unor role.

Clasificare:

I-după forma piesei: II-după modul de amplasare:

1-bordurare toroidală; 1-bordurare la interior;

2-bordurare semitoroidală; 2-bordurare la exterior.

Fig. 9.9 Piese bordurate

În cazul unei producții de serie mică bordurarea se execută pe strunguri.

De regulă, bordurarea semitoroidală se execută într-o singură operație iar cea toroidală în două operații cu recoacere intermediară.

Forța la bordurare se determină asemănător cu răsfrângerea marginilor:

P = 1,1dSRc daN (9.23)

Succesiunea etapelor de deformare este prezentată în figura 9.10.

Fig. 9.10 Succesiunea etapelor de deformare

Răsfrângerea marginilor constă în formarea unui guler de mică înălțime sau a unei flanșe pe un anumit contur al piesei prelucrate. După forma și poziția acestui contur se deosebesc mai multe tipuri de operații de răsfrângere (fig. 9.11):

1) Răsfrângerea marginilor orificiilor obținute anterior prin perforare sau burghiere de formă circulară sau necirculară;

2) Răsfrângerea marginilor unui contur exterior;

3) Răsfrângerea marginilor unei țevi pentru formarea unei flanșe pe axa ei.

Răsfrângerea marginilor este operația de fasonare prin care se execută flanșe din semifabricate plane sau tubulare în vederea asamblării.

Fig. 9.11 Răsfrîngerea marginilor

Câteva exemple de prelucrare prin răsfrângere sunt prezentate în figurile următoare:

Datorită întinderii materialului la marginea zonei răsfrânte grosimea materialului se micșorează astfel:

(9.24)

Diametrul găurii semifabricatului în vederea răsfrângerii se determină cu relația:

d0 = d-2(h-0,43r-0,72g) (9.25)

Tehnologia de răsfrângere a marginilor se stabilește pe baza coeficientului de răsfrângere, dat de relația:

m = d0/d (9.26)

Dacă m > mrec (mrecomandat pentru diferite tipuri de materiale) răsfrângerea se execută într-o singură operație.

Dacă m < mrec se execută mai multe operații, cu recomandarea:

mi=(1,15 – 1,2)m1 (9.27)

– pentru orificii perforate:

mrec = 0,68 pentru alamă;

mrec = 0,70 pentru aluminiu;

mrec = 0,72 pentru oțel moale.

– pentru orificii burghiate:

mrec = 0,62 pentru alamă;

mrec = 0,64 pentru aluminiu;

mrec = 0,68 pentru oțel moale.

În cazul filetării după răsfrângere se recomandă:

d = 0,45d1

unde d1=diametrul filetului.

Forța necesară la procedeul de răsfrângere, atunci cand se folosește poanson cilindric cu rază de racordare mai mare, se determină cu relația:

F = 1,1gRc(d-d0) daN (9.28)

Forma poansoanelor poate fi:

se utilizează cu perforare simultană;

se utilizează pentru d<10 mm;

se utilizează pentru d>10 mm.

b) c)

Fig. 9.16 Poansoane pentru răsfrîngerea marginilor

Forma curbelor forță – cursă pentru răsfrângerea marginii unui orificiu circular, având diferite geometrii ale zonei active a poansonului, este prezentată în figura 6.30.

Geometriile zonei active ale poansonului sunt prezentate mai jos:

– poanson cu zona de lucru parabolică;

– poanson semisferic;

– poanson cilindric cu rază mare de racordare;

– poanson cilindric cu rază mică de racordare.

Fig. 9.16 Curbele forță – cursă la răsfrângerea marginii unui orificiu circular

Raportat la mărimea forței de deformare se observă că, cea mai convenabilă geometrie este zona activă parabolică.

În figura 9.17 este prezentat procedeul de răsfrângere a marginii cu subțiere, necesar pentru realizarea unui guler cu înalțime mai mare. La acest procedeu, coeficientul de răsfrângere efectiv îl depășește pe cel admisibil.

În scopul obținerii unei înalțimi mai mari ale gulerului răsfrânt, se poate realiza subțierea în mai multe faze, folosind un poanson cu mai multe diametre ale zonei de lucru, ca în figura de mai jos.

Fig. 9.16 Prelucrarea de răsfrângere a marginii cu subțiere

Coeficientul de subțiere are următorile valori msr = g/g0 = 0,4…0,5.

Fazele piesei răsfrânte sunt prezentate în figura 9.17.

Din punct de vedere tehnologic se recomandă:

– raza plăcii de deformare rpl=0,5g

– jocul dintre poanson și placa de deformare este:

j = (0,83 – 0,87)g pentru piese plane;

j = 0,65g pentru găuri ce urmează să se fileteze.

Filetarea prin fasonare este procedeul prin care se realizează filete la semifabricate cave sau tubulare din tablă subțire, când realizarea filetului prin așchiere nu este posibilă datorită grosimii mici a peretelui piesei.

Profilul filetului este specific acestei prelucrări.

Procedeul se foloșeste current în domeniul industriei electrotehnice, a bunurilor de larg consum și în domeniul fabricării ambalajelor (fig. 9.17).

Fig. 9.17 Piese obtinute prin procedeul de filetarea prin fasonare[22]

În funcție de caracteristicile suprafeței filetate (diametru, lungime), prelucrarea se poate realiza prin trei procedee:

 Filetarea cu mandrină și rolă, simultan pe toată lungimea de filetat (fig. 9.18.a).

Procedeul se folosește pentru filetarea pieselor de lungime mică (fig. 9.18.b), rezultând precizie și productivitate ridicate.

Pentru a se putea respecta unghiul elicei la contactul mandrină-rolă, este necesar ca raportul diametrelor lor sa fie drolă/dmandrină = k, unde k = 1…n este un număr intreg, respectiv ca mandrina sa aibă un filet cu k începuturi.

a) b)

Fig. 9.18 Procedeu de filetarea prin fasonare: a) Filetarea cu mandrină și rolă; b) Piesa[22]

 Filetarea cu dorn filetat și role (fig. 9.19). Semifabricatul, introdus pe dornul filetat, se rotește odată cu acesta, iar rolele sub formă de disc (care au posibilitatea de reglare radială), îl deformează (eventual în mai multe treceri). În final se execută o operație de calibrare a zonei prelucrate.

Este posibilă prelucrarea unei lungimi filetate mai mari, fără subțieri semnificative ale peretelui piesei.

Fig. 9.19 Fazele de filetare cu dorn filetat și role: I – introducere semifabricat; II – începere deformare; III – deformare simultană cu două role la adâncimi diferite; IV –calibrare[22]

 Filetarea cu dorn cu pas variabil și role (fig. 9.20). Procedeul se aplică pentru realizarea suprafețelor filetate lungi. Semifabricatul tubular este deformat treptat de un număr de role (1…7 în figura 9.20), el deplasându-se în raport cu dornul până când se deformează (filetează) întreaga sa lungime (altfel nu poate fi eliminat de pe dorn).

Fig. 9.20 Procedeu de filetare cu dorn cu pas variabil și role

9.2. Procedee speciale de fasonare

Procedeele speciale de fasonare sunt folosite în situațiile în care prelucrarea prin procedeele prezentate anterior nu este posibilă din punct de vedere tehnic (semifabricatele sunt prea puțin rigide pentru a fi presate axial, sunt prea mari pentru a putea fi prelucrate în matriță, piesele de obținut au forme complexe, materiale dificil de prelucrat, etc.) sau nu este eficientă sub aspect economic (serii de fabricație mici care nu acoperă cheltuielile legate de realizarea echipamentelor tehnologice, productivitate redusă a prelucrării în matriță, etc.).

În asemenea situații se dovedesc a fi mai convenabile prelucrările de fasonare realizate pe mașini rotative care au un grad de universalitate destul de mare și pentru care elementele active care fac deformarea propriu-zisă au forme destul de simple și pot fi, în bună masură, refolosite și pentru prelucrarea altor piese.

În aceiași categorie a procedeelor speciale de fasonare mai pot fi incluse și procedeele utilizate pentru realizarea unor prelucrari de fasonare în condiții speciale de solicitare a semifabricatului, care conduc la o deformare mai convenabilă și un produs cu caracteristici calitative mai bune, cum este cazul procedeelor de fasonare hidraulică (hidroformare).

Se prezintă, în continuare, diverse asemenea situații de prelucrare prin fasonare:

 pe mașini rotative și folosind role pentru deformare;

 în matrițe la care unul dintre elementele active rigid este substituit printr-un element elastic (cauciuc), conducând la o solicitare locală a semifabricatului mai convenabilă;

 în echipamente tehnologice speciale la care solicitarea semifabricatului în vederea deformării se face prin intermediul unui fluid sub presiune sau în alt mod neconvențional.

În cazul prelucrării de tipul celei din figura 9.27, peste acțiunea de presare a fluidului de lucru se suprapune și o presare axială a semifabricatului prin intermediul celor două piese de capăt (care asigură rezemarea și etanșarea semifabricatului).