Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele [619208]

MINISTERUL EDUCAȚIEI, CERCETĂRII ȘI TINERETULUI
Universitatea Transilvania din Brașov
Facultatea de Inginerie Mecanică
Programul de studii: Inginerie Mecatronică – master

LUCRARE DE DISERTAȚIE
Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru
dispozitivele de ștanțare la rece

Masterand: [anonimizat]. Mihaly KOVACS

Conducător științific:
Prof. dr. ing. Simona LACHE

2010

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
2

Majoritatea elementelor componente ale dispozitivelor de ștanțare și matrițare la rece
sunt supuse unui proces continuu de uzură și la solicitări dinamice de compresiune . În cazul
ștanțelor de debavurat cuțitele de tăiere sunt componentele cel mai mult sup use la uzură . Fiind
vorba despre un proces simplu din punct de vedere fizic, procesul de debavurare este relativ
simpl u de modelat într -un mediu virtual. În primele faze ale proiectării este esențială realizarea
unei analiz e de durabilitate a cuțitelor de tăiere, în vederea optimizării designul ui acestora,
pentru o funcționare performantă .
În lucrare este prezentată o metodă relativ simplă pentru determinarea vieții la oboseală a
cuțitelor de tăiere. Modelul CAD al unui cuțit de tăiere este analizat aplicând metoda elementelor
finite , folosind pachetul comercial ANSYS Workbench 12.0, pentru determinarea deformațiilor
maxime și a tensiun ilor maxime ce apar în timpul încărcării cuțitului cu o forță F. Rezultatele
obținute sunt apoi folosite pentru determ inarea durabilității cuțitului de tăiere. Pe baza
rezultatelor se deduce numărul de cicluri de funcționare și cantitatea de material ce trebuie
înlăturată pentru reascuțirea cuțitului .

Rezumat

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
3
Abstract

Most components of cold fo rming die s are subject to continuous wear and dynamic
compression. In the case of the cutting dies, the components that most subject to wear are the
cutting tools . Since this is a simple process from a physical point of view, the cutting process is
relatively simple to model in a virtual environment. In the early design stages it is essential a
durability analysis of the cutting tools to optimize their design for efficient operation.
The paper presents a relatively simple method for determining the fatigue life of the
cutting tools . CAD model of a cut ting tool is analyzed with finite element method using the
commercial package of ANSYS Workbench 12.0, to determine the maximum deformation and
maximum stres s occurring during a n applied load of a force F. The results are then used to
determine the durability of the cutting tool . The analysis gives the end number of cycles and the
amount of material that needs to be removed while resharpening the cutting tool .

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
4
Cuprins

Rezumat ………………………………………………………………………………………………………………………… 2
Abstract …………………………………………………………………………………………………………………………. 3
Cuprins ………………………………………………………………………………………………………………………….. 4
1. Introducere ………………………………………………………………………………………………………………. 5
1.1 Scopul lucrării …………………………………………………………………………………………………… 5
1.2 Obiectivele lucrării: ……………………………………………………………………………………………. 5
2. Noțiuni generale privind ștanțarea și matrițarea la rece …………………………………………………. 6
2.1 Generalități ……………………………………………………………………………………………………….. 6
2.2 Clasificarea operațiilor de ștanțare și matrițare la rece ……………………………………………. 9
2.3 Clasificarea dispozitivelor de presare la rece ……………………………………………………….. 11
3. Ștanța de debavurat …………………………………………………………………………………………………. 13
3.1 Procesul de proiectare ………………………………………………………………………………………. 13
3.2 Ștanța de debavurat ………………………………………………………………………………………….. 15
3.3 Semifabricatul …………………………………………………………………………………………………. 17
3.4 Modelul CAD a unei ștanței de debavurat …………………………………………………………… 20
3.5 Tipuri de cuțite folosite la ștanțele de debavurat …………………………………………………… 23
3.6 Tăierea cu foarfece cu cuțite paralele ………………………………………………………………….. 26
4. Modelul CAD a unui cuțit de tăiere ………………………………………………………………………….. 29
5. Analiza cu elemente finite a unui cuțit de tăiere …………………………………………………………. 31
5.1 Faza de pre- proceasre ……………………………………………………………………………………….. 32
5.1.1 Definirea materialului cuțitului de tăiere …………………………………………………………….. 32
5.1.2 Modelul cu elemente finite al cuțitului de tăiere …………………………………………………… 33
5.1.3 Condițiile la limită aplicate pe cuțitul de tăiere …………………………………………………….. 36
5.1.4 Aplicarea încărcărilor pe cu țitul de tăiere ……………………………………………………………. 38
5.2 Procesare ………………………………………………………………………………………………………… 39
5.3 Post-procesare …………………………………………………………………………………………………. 41
6. Analiza durabilității a unui cuțit de tăiere ………………………………………………………………….. 43
6.1 Elemente generale ……………………………………………………………………………………………. 43
6.2 Procesul de simulare …………………………………………………………………………………………. 46
6.3 Tipuri de analize de durabilitate …………………………………………………………………………. 47
6.4 Analiza de durabilitate a cuțitului de tăiere ………………………………………………………….. 47
7. Concluzii ……………………………………………………………………………………………………………….. 52
8. Bibliografie ……………………………………………………………………………………………………………. 53

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
5
1. Introducere

Procedeul de prelucrare mecanică prin presare la rece dobândește, pe zi ce trece, o tot mai
largă aplicabilitate, ca urmare a avantajelor pe care le prezintă: productivitate ridicată, precizie
mare a pieselor și cost scăzut. Așadar, stadiul de dezvoltare a presării la rece, extinderea acestui
procedeu de prelucrare mecanică în toate ramurile industriei construct oare de mașini, reprezintă
un indiciu al progresului tehnic ce caracterizează epoca noastră. Dar aici încă nu se oprește evoluția industriei presării la rece. Economia și nevoile populației sunt în continuă creștere, iar
aceste două tendințe determină dezv oltarea domeniului presării la rece. Pentru îmbunătățirea
industriei presării la rece se introduc zi de zi noi metode de optimizarea:
– procesului de presrare
– procesului de proiectare
– procesului de fabricarea sculelor , etc.
Pentru optimizarea procesului de proiectare, la ora actuală se utilizează pe scară largă
instrumentele asistate de calculator (CAD/CAE), ce contribuie la scurtarea ciclului de proiectare a produselor.

1.1 Scopul lucrării
Scopul acestei lucrări de disertaț ie îl constituie optimizarea formei și dimensiunii
cuțitelor de tăiere pentru ștanțele de debavu rat. În acest sens se utilizează metodele asistate de
calculator pentru modelarea, analiza și simularea comportării cu țitului de debavurat
(CAD/CAE), respectiv pentru analiza durabilită ții.

1.2 Obiectivele lucrării :
Pentru realizarea scopului lucrării, formulat mai sus, s -au stabilit următoarele obiective:
a) Studiul principiilor stanțării la rece
b) Realizarea modelului CAD al unei ștanței de debavurat
c) Studiul cuțitelor folosite la o ștanță de debavurat
d) Modelarea CAD a unui cuțit de tăiere
e) Analiza cu elemente finite a cuțitului de tăiere
f) Analiza durabilității a cuțitului de tăiere

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
6
2. Noțiuni generale privind ștanțarea și matrițarea la rece

2.1 Generalități
Ștanțarea și matrițarea la rece [6] cuprind operații de prelucrare mecanică a pieselor prin
presiune, fără așchii. Pe scurt, o perațiile de ștanțare și matrițare la rece se denumesc operații de
presare la rece.
Presarea la rece este un procedeu de prelucrare mecanică modern î n continuă dezvoltare.
În majorita tea cazurilor, operațiile de pr esare la rece se execută cu aju torul dispozitivelor
speciale acționate de prese. Forma și dimen siunile pieselor obținute cores pund, suficient de
exact, cu forma și dimensi unile elementelor active (poan sonului și plăcii active ) ale
dispozitivului de presare respectiv.
Presarea la rece prezintă o serie d e avantaje tehnico -economice, față de procedeele
clasice de prelucrare a metalelor (turnare, forjare și așchiere). Prin presare la rece, se pot obține
piese de formă complexă a căror confec ționare prin alte procedee de prelucrare este foarte
dificilă, ineficientă sau chiar impo sibilă. Piesele obținute au o precizie dimension ală ridicată
astfel încît inter schimbabilitatea acestora, la asamblare, nu constituie o problemă. în majori tatea
cazurilor, aceste piese nu mai necesită alte prelucrări mecanice. Ca urmare a consumului specific redus de material (pînă la 70…75%, față de piesele similare obținute prin alte procedee de
prelucrare mecanică), piesele sînt foarte ușoare. în același timp, rigiditatea pieselor este mare,
datorită formei lor stabilite la proiectare.
Productivitatea utilajelor de presare este ridicată, iar deservire a acestora este simplă,
necesitând munci tori cu calificare inferioară. În consecință, manopera aferentă pr elucrării
pieselor prin presare la rece este scăzută. Timpul pe operație, la piesele mari, este de ordinul
secundelor, iar la piesele mici, de ordinul fracțiunilor de secundă. Pentru ca prelucrarea pieselor
prin presare la rece să decurgă î n bune condiții, este necesar să se acorde o mare atenție
soluționării problemelor tehnice complexe referito are la pregătirea fabricației. Î n acest scop, se
va urmări ca piesele proiectate să aibă o formă rațională și tehnologică, pentru a se putea realiza în condiții cît mai economice. Materialul prevăzut pentru
executarea unor piese date trebuie să
aibă proprietăți tehnologice și meca nice corespunzătoare realizării procesului de deformare și a
asigurării dura bilității necesare pieselor obținute. Procesul tehnologic de pr elucrare mecanică

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
7
prin presare la rece trebuie să fie elaborat corect din punct de vedere tehnic și judicios din punct
de vedere economic. Dispozitivele de presare trebuie să fie proiectate corect, iar execuția lor să
se facă îngrijit. Se va alege presa co respunzătoare ca tip, iar puterea acesteia trebuie să se
folosească rațional. Locurile de muncă trebuie bine organizate , în deplină concordanță cu
specificul produselor și cu volumul de producție dat.
Elaborarea proceselor tehnologice de prelucrare mecanic ă prin presare la rece a pieselor
și proiectarea dis pozitivelor speciale aferente sunt strâns legate între ele, deși pot f i executate de
persoane diferite. De aceea, tehno logul trebuie să cunoască bine construcția s tanțelor și
matrițelor, iar con structorul trebuie să aibă temeinice cunoștințe tehnologice referitoare la
presarea la rece.
Presarea la rece este specifică producției de serie mare și de masă. Numai un asemenea
volum de producție justifică, din punct de vedere economic, utilizarea dispozitivelor speciale de
presare. De obicei, piesele obținute prin presare la rece, în special obiectele de larg consum, se
fabrică în zeci și chiar sute de milioane de bucăți anual.
Fiind un domeniu eficient al industriei constructoare de mașini, presarea la rece se
dezvoltă continuu. Pentru aceasta sunt necesare următoarele preo cupări permanente:
a) îmbunătățirea proceselor tehnologice existente;
b) aplicarea presării la rece și la prelucrarea pieselor în serie mică prin utilizarea
dispozitivelor simple și universale;
c) reduc erea consumului specific de material prin aplicarea unei croiri raționale, a utilizării
deșeurilor și a măririi preciziei de calcul la stabilirea dimensiunilor semifabricatelor;
d) mărirea preciziei dimensionale a pieselor obținute prin presare la rece;
e) mărir ea durabilității dispozitivelor de presare la rece;
f) mărirea capacității de fabricație prin mecan izarea și automatizarea utilajelor;
g) utilizarea pe scară largă a procedeelor de presare la anumite operații de asamblare.
Domeniul de aplicare a prelucrării mec anice prin presare la rece s -a extins și la piesele cu
gabarit mare. Sa execută piese din material feros din ce in ce ma i gros, se decupează piese d in
tablă cu grosimea pînă la 20…25 mm, se fac perforări în materiale cu grosimea până la 30…35

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
8
mm, ambuț ișări din semifabricate cu grosimea până la 35…40 mm și se prelucrează piese prin
îndoire din semifabricate cu grosimea pâ nă la 90…100 mm.
Construcția rachetelor de diferite tipuri, problemă deosebit de importantă, necesită piese
ale căror dimensiuni de găbă rit depășesc chiar și 1 0 m, iar materialul acestora eșt e foarte dur. Din
acest e cauze, utilajul clasic de presare nu poate fi folosit, pentru prelucrarea unor asemenea
piese. In consecință , a devenit necesară realizarea unor instalații, speciale de presare ce dispun de
energii și viteze mari, dezvoltate de obicei, prin detonația explozivilor brizanți.
Datorită proprietăților mecanice superioare ale materialului semifabricatelor folosite și a
aplicării metodelor de îmbunătățire a rigidității prin nervu rare, bordurare etc., piesele obținute
prin presare la rece au o mare rezistență și su nt foarte rigide. Prin urmare, micșorarea greutății, în
paralel cu mărirea rigidității și a rezistenței pieselor obținute din tablă, prin presare la rece, în
comparație cu piesele turnate, forjate sau prelucrate prin așchiere, reprezintă un indice
constructiv progresiv de bază, care justifică, cu prisosință, aplicarea și extinderea procedeelor de
prelucrare mecanică prin pre sare la rece.
Factorul tehnologic progresiv de ba ză, care trebuie urmărit în dezvol tarea continuă a
presării la rece constă în obținerea unor piese complet finite care să nu necesite prelucrări
mecanice ulterioare.
Datorită productivității tehnologice mari a preselor și a volumului de muncă relativ scăzut
la operațiile de presare, caracteristicile și mărimea seriei sunt, întrucâ tva, deosebite de cele ale
prelucrării pieselor pri n așchiere. Valo rile cantitative ale seriilor la presarea la rece se deosebesc
de seriile existente la prelucrarea mecanică prin așchiere, deoarece la presare există condiții cu
totul deosebite pentru organizarea producției. Aceste valori depind de dimensiunile și de complexitatea pieselor de prelucrat prin presare, întrucât caracterul, dimensiunile și greutatea
diferită a semifabri catelor impun un mod diferit de alimentare și deservire a presel or precum și
timpi diferiți pen tru schimbarea dispozitivului de presare.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
9
2.2 Clasificarea operațiilor de ștanțare și matrițare la rece

Ștanțarea și matrița rea la rece [6],[7] cuprind un numă r mare de operații diverse a căror
clasificare, după caracterul general al deformațiilor, es te dată în schema ce urmează ( Figura 1).
Ștanțarea cuprinde mai multe tipuri de operații caracterizate prin separarea, parțială sau
totală, a unei părți a semifabricatului de cealaltă, prin forf ecare. Operațiile de ștanțare su nt de
fapt operații de tăiere care se execută cu ajutorul dispozitivelor, pe prese.

Figura 1, Operații de presare la rece
Când operațiile de prelucrare mecanică pr in forfecare se execută la foar fece, fără
dispozitiv, elementele active fiind fixate direct de berbecul și su portul fix al mașinii, acestea se
numesc numai operații de tăier e. Operații de acest fel se întâlnesc, de obicei, în secții le de
pregătire a semifabricatelor și su nt cunoscute, în practică, sub denumirea de operații de debitare.
Matrițarea se caracterizează prin aceea că operațiile se execută numai prin deform are
plastică fără să aibă loc o divizare a semifabricatului , ci numa i modificarea fo rmei și
dimensiunilor acestuia. Operații de presare la rece
Tăiere Matrițare
La foarfeci Cu dispozitive pe prese
() Cu modificarea formei
semifabcatului, fără
redistribuirea voită a
materialului Cu modificarea formei
semifabcatului, cu
redistribuirea voită a
materialului

retezare
crestare
decupa re
perforare Îndoire
Ambutisare
Fasonare Lățire
Refulare
Calibrare
Stampare
Extrudare Îndoire
Răsucire
Roluire
Ambutisare propriu zisă
Tragere pe calapod
Reliefare
Răsfrângerea marginilor
Bordurare
Gâtuire
Lărgire

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
10
Matrițarea cuprinde două categorii de operații: operații prin care se modifică voit numai
forma semifabricatului, grosimea rămânâ nd teoretic aceeași (operații specifice prelucrării
pieselo r din tablă) și oper ații prin care se modifică atât forma cât și grosimea semifabricatului,
materialul redistribuindu- se vo it (operații specifice prelucrării pieselor din semifabricate
confecționate din diverse laminate profilate sau din tablă)
Prelu crarea mecanică prin presare la rece a pieselor se poate face prin operații simple de
ștanțare sau de matrițare (Figura 2), sau prin operații combinate. Stabilirea procedeului de
prelu crare ce trebuie aplicat se face în funcție de volumul de producție dat și de precizia de
prelucrare a pieselo r astfel încât să fie posibilă obținerea cali tativă și economică a acestora. De
aceea, în practică, operațiile combinate de presare la rece su nt foarte frecvente.
După caracteristicile tehnologice, operațiile combinate de presare la rece pot fi de
ștanțare, de matrițare și de ștanțare și matrițare, iar după modul de asociere, fiecare dintre acestea
poate fi simultană, succesivă și simultan- succesivă, așa cum rezultă din următoarea schemă:

Figura 2, Operații de presare combinate

Operația combinată simultană se caracterizează prin aceea că piesa respectivă se obține
dintr -o singură cursă act ivă a berbecului presei. La ope rația de presare combinată succesivă se
execută succesiv diverse prelucrări simple cu câ te o sculă din cele prevăzute dispozitivului;
semifabricatul se deplasează, prin dispozitiv, de la un post de lucru la altul, iar piesa se obține
după două sau mai multe curse active ale berbecului presei. Operații combinate
De ștanțare De matrițare De ștanțare și matrițare
Simultană
Succesivă
Simultan -succesivă Simultană
Succesivă
Simultan -succesivă
Simultană

Succesivă

Simultan -succesivă

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
11
Operația de presare combinată simult an-succesivă rezultă prin asoci erea celor două
operații (simultană și succesivă). Aceasta este asemănătoare cu operația succesivă cu deosebirea că
la cel puțin unul din posturile de lucr u ale dispozitivului trebuie să existe o presare sintultană.

Figura 3, a-decupare perforare, b -perforare și decupare, c-perforare și decupare, d-ambutisâre -reliefare,
e-decupare- ambutisare, f -perforare și retezare- îndoire

Dintre operațiile combinate de presare, mai f recvent întâlnite în practică sunt operațiile combinate
simultane de ștanțare (Figura 3, a- decupare perfora re), operațiile combinate succesive de ștanțare
(Figura 3 , b- perforare și decupare) operațiile combinate simultan -succesive de ștanțare ( Figura 3, c –
perforare și decupare), operațiile combinate simultane de ștanțare și matrițare ( Figura 3 ig. 3, e -decupare –
ambutisare) și operațiile combinate simultan -succesive de ștanțare și matrițare ( Figura 3 , f-perforare și
retezare- îndoire). Operațiile combinate succesive de ștanțare și matrițare se execută pe prese automate
multipoziționale, sau pe prese simple, folosind dispozitive combinate. Operațiil e combinate de matrițare
se întâ lnesc foarte r ar în practică și, de obicei, sun t numai simultane ( Figura 3 , d-ambutisâre- reliefare).

2.3 Clasificarea dispozitivelor de presare la rece

Dispozitivele de prelucr are mecanică [6],[7] prin presare la rece se aseamănă, principial,
cu cele de pr elucrare prin presare la cald, însă acestea sunt mai complicate; în afară de poanson și
placă activă, dispozitivele de presare la rece conțin un număr relativ mare de elem ente dintre care
unele participă ne mijlocit la realizarea procesu lui de defor mare plastică. Pe de altă parte,

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
12
operațiile de presare la rece su nt mai numeroase și diverse, din punct de vedere al complexității
procesului de deformare a mat erialului semifabricatului, com parativ cu operațiile de presare la
cald. De aceea, denumirea și clasificarea dispozitivelor de prelucrare mecanică prin presare la
rece necesită o mai atare diversificare, față de dispozitivele de prelucrare la cald.
Denumirea dispozitivelor de presare la r ece utilizată în prezent în uzinele constructoar e
de mașini din țara noastră, câ t și în uzinele din majoritatea țărilor industriale avansate, nu în
toate, cazu rile corespunde rolului funcțional al acestora. De asemenea, neconcordanța dintre
denumirea dispozitivelor de presare la rec e și r olul lor funcțional se reliez ează în egală m ăsură și
în unele standarde de stat în vigoare. Neconcordanța mai evide ntă există în cazul dispoz itivelor
de matrițare la rece când și acestora li se spune stanțe.
Atribuind dispozitivelor de presare la re ce o denumire în deplină concor danță caracterul
deformațiilor specifice ope rației ce o realizează, clasifi carea acest ora s e prezintă conform
schemei următoare:

Figura 4, Dizpozitivele de presare la rece

Dispozitivele de ștanțare (Figura 4) cărora li se spune, pe scur t, stanțe, se folosesc în
exclusivitate, pentru executar ea diverselor operații de ștanțare; ștanța simplă este destinată
executării unei singure operații de ștanțare cum ar fi: decuparea, perforarea, retezarea, crestarea
etc. Cu ajutorul unei ștanțe com binate se execută simultan, succesiv sau s imultan -succesiv o
operație combi nată de acest gen după cum urmează: decupare și perforare la același post de Dispozitivele de
presare la rece
Dispozitivele de
ștanțare Dizpozitivele de
matrițare Dispozitivele
combinate de ștanțare
și matrițre
simple combinate
Cu acțiune simultană
Cu acțiune succesivă
Cu acțiune simultan
succesivă simple combinate
Cu acțiune simultană

Cu acțiune succesivă

Cu acțiune simultan
succesivă
Cu acțiune simultană

Cu acțiune succesivă

Cu acțiune simultan
succesivă

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
13
lucru; perforare la primul post da lucru și apoi decupare la următorul post de lucru; decupare și
perforare la primul post de lucru și apoi retezare la următorul post de lucru.
Dispozitivele de matrițare (Figura 4) , pe scurt, matr ițele, se folosesc pentru execu tarea
unor operații simple sau combinate de matrițare; matrițele simple se folosesc pentru executarea
unor operații simple, iar matrițele combinate se foloses c pentru executarea unor operații
combinate simultane, succesive sau simultan -succesive.
Dispozitivele combinate de ștanțare și matrițare la rece (Figura 4) servesc pentru
executarea unor operații combinate de ștanțare și matrițare. Acestea pot fi: cu acți une simultană,
de exemplu, pentru decupare și ambutisare; cu acți une succesivă, de exemplu, decupare și apoi
ambutisa re; cu acțiune simultan -succesivă, de exemplu, perforare și apoi retezare și îndoire. Dată
fiind natura diferită a deformațiilor la operați ile de ștanțare și matrițare ce se combină,
dispozitivele aferente nu se vor denumi niciodată stanțe sau matrițe, ci numai dispozitive combinate de ștanțare și matrițare.
Elementele principale ale unui dispozitiv de presare la rece su nt sculele, adică poan sonul
și placa activă. în scopul punerii în evidență a tipului dispozitivului respectiv din care fac parte,
aceste scule se vor denumi, mai sugestiv, în funcție de natura operației ce o execută, de exemplu:
poanson de decupare, poanson de perforare, poanson de îndoire, poanson de ambuti sare etc. și,
respectiv, placă de decupare, de perforare, de îndoire, de ambu tisare etc.
În concluzie, ansamblurile auxiliare utilizate pentru realizarea operațiilor de ștanțare sau
matrițare, simple sau combinate, se numesc dispozitive de presare la rece.
3. Ștanța de debavura t

3.1 Procesul de proiectare

Procesul de proiectare este un proces in general iterativ, ce constă în mai multe faze.
Unele din aceste faze pot fi mai accentuate sau diminuate în funcție de tipul de proiect, ș i anume:
– analiza de nevoi: de exemplu – deficicențe la produsele deja proiectate sau necesitatea
dezvoltării unui nou produs; activitatea este efectuată de un inginer;
– definirea problemei: este cuprinsă într -o specificație a produsului ce trebuie proiecta t;
specificaț ia include caracteristicile fizice și funcționale, cost, cantitate și performanțele
de funcționare.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
14
– Analiza și sinteza: sunt relativ legate și cuprinse într -un proces iterativ. O anumită
componență sau un anumit subsistem al unui sistem cuprinzător este conceptualizată de
proiectant, supusă analizei, îmbunătățită prin procedura de analiză și reproiectată.
Acest proces este repetat până ce proiectul a fost optimizat în cadrul constrângerilor
impuse de proiectant. Componentele și subsistemele sunt sintetizate în cadrul sistemului global într -un mod similar.
– Evaluarea: este considerată prin determinarea gradului de satisfacere a condițiilor impuse în cadrul specificațiilor stabilite în faza de definire a problemei. Etapa necesită
deseori fabricarea și testarea unui model prototip pentru a se obține date privind
performanțele, calitatea, rentabilitatea sau privind alte criterii.
– Prezentarea: este faza finală a proiectului și include documentația necesară în vederea realizării produsului – desene de execuție, specificații de materiale, liste de piese etc.
Procesul de proiectare asistat de calculator are, în principiu, aceleași etape ca și
proiectarea tradi țională, dar acestea pot fi redefinite astfel:
a. analiza de nevoi;
b. definirea problemei;
c. generarea mo delului;
d. analiza;
e. revizuirea proiectului și reevaluarea acestuia;
f. elaborarea automată a documentaț iei de execu ție.
Optimizarea procesului de proiectare nu reprezintă un proces facil, fiecare proiect diferă
în funț ie de produs. Modelarea CAD a produsului și a sculei care prelucrează aceasta, a ajutat
foarte mult ingineriilor prin scurțirea timpului de proiectare, crescând așa productibilitatea, și
prin creștea precizie a proiectelor finale. Cercetarea, inovarea si concepția; aceste etape
informatizate au gen erat domeniul Computed Aided Engineering- CAE si care se referă nu
numai la simularea asistată de calculator a sistemelor continui sau discrete (caracterizate de sisteme de ecuații diferențiale ordinare sau cu diferențe finite) ci și la modelarea corpurilo r și
câmpurilor (prin tehnici de tip finite element method/finite element analysis sau altele similare) utilizate în rezolvarea ecuațiilor cu derivate parțiale, întâlnite în mecanică, rezistență, mecanica
fluidelor termotehnica etc.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
15
Proiectarea și dezvoltarea de produse și tehnologii, bazată în principal pe CAD.
Realizarea de prototipuri și produse de serie, care prin informatizare au generat domeniul
Computer Aided Manufacturing- CAM. În urma unui proces de standardizare (drawing exchange
and interoperabil ity) atât sistemele complexe cât și părțile lor, componente relativ simple tind să
fie descrise într -un limbaj informatic unic, ceea ce determina tendința că cele trei abordări
CAE/CAD/CAM să se integreze în una unica numita Computer Integrated Manufacturi ng- CIM.

3.2 Ștanța de debavurat
Ștanța de debavura t, reprezintă un dispozitiv de ștanțare la rece care realizează
debavur area semifabricatul turnat. În Figura 5 este descris principiul de funcționare al ștanțelor
de debavurat . Partea superioară este acțion ată de o presă .
Cuțit de tăiere
Prestablă
Piesa
Suport piesă
Loc liber pentru
îndepărtarea
bavurii

Figura 5, Un schelet general a ștanțelor de debavurat

Procesul de debavurare este format din următoarele etape :
1. Se pune piesa turna tă în ștanță, pe suport ul de piesă
2. Prin intermediul p restablai se presează pies a cu forță de o anumită valoare astfel încăt
piesa să rămână nemișcată timpul debavurării
3. Presa acționează cuțitele de tăiere
4. Se realizează debavurarea
5. Prestabla împinge piesa rămasă între cuțite
Elementele componente ale ștanțelor de debavurat se împart în două grupe:

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
16
a) elemente active;
b) elemente auxiliare.
Elementele active sunt acelea care acționează nemijlocit, asupra semi fabricatului de
prelucrat, iar elementele auxiliare servesc la asamblarea și conducerea acestora precum și la
ghidarea semifabricatului în dispozitiv.
În mod obișnuit, elementele active ale unui dispozitiv de ștanțare la rece sunt poansonul
și placa activă sau cuțitele.
Din grupa elementelor auxiliare fac parte plăcile de bază și de cap, plă cile de sprijin,
plăcile portsculă pentru pansoane și plăci active, coloanele și bucșele de ghidare, bolțurile și
riglele de ghidare a benzii, opritoarele etc.
Materialele utilizate în construcția elementelor componente ale ștanțelor și matrițelor se
stabilesc în funcție de scopul în care a fost constr uit dispozi tivul de ștanțare respectiv și de
solicitările la care vor fi supuse elementele componente ale acestuia.
Materialele destinate confecționării elementelor active ale dispozitivelor de ștanțare
trebuie să aibă tenacitate ridicată, reziliență cât mai mare, stabilitate termică și rezistență mare la
uzură.
O condiție deosebită ce trebuie s -o îndeplinească materialele sculelor ștanțelor și
matrițelor de presare la rece este ca dimensiunile acestora să aibă variații minime la tratament
termic.
Poansoanele ștanțelor de dimensiuni mijlocii, supuse unor solicitări ușoare, se
confecț ionează din oțel de scule , 1.1730 sau OLC25, când forma acestora este simplă și din oțel
slab aliat OL52 , când forma lor este complexă.
Poansoanele stanțelor de dimensiuni mai m ari, care necesită o călire în adâncime, se
confecționează din oțel aliat 1.2379. Plăcile active de formă simplă ale stanțelor se vor
confecționa din oțel de scule carbon de calitate mai bună, 1.1730. Peansoanele și plățile active
ale ștanțelor se tratează termic la o duri tate de 60 … 62 HRC.
Oțelurile aliate de scule, comparativ cu oțelurile carbon, prezintă avan tajul unor
proprietăți mecanice superioare. Elementele de aliere ale oțelului conferă sculelor o mai mare durabilitate. Cromul contribuie la m ărirea rezis tenței materialului la coroziune și a capacității de
tăiere. Nichelul favorizează călirea în adâncime a sculei, iar wolframul contribuie la menținerea

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
17
rezistenței sculei, a durității și capacității de tăiere la temperaturi înalte. Molibdenul mărește
rezistența la oboseală și duritatea, iar vanadiul mărește rezistența la șoc a sculei.
După călire, duritatea suprafețelor active ale sculelor confecționare din oțel aliat este
similară cu cea a sculelor construite din oțel carbon. Insă, sculele conf ecționate din oțel aliat au
avantajul că deformațiile lor, după călire, sunt minime și rezistența la uzură este mai mare. Pe de altă parte, tensiunile ce apar în materialul sculelor construite din oțel carbon, în timpul
tratamentului termic, sunt mari, put ând provoca deformarea sculei și chiar apariția fisurilor. Din
această cauză, oțelurile de scule carbon se fclosesc numai pentru confec ționarea sculelor de
formă simplă.
Plăcile de bază (inferioare) și cele de cap (superioare) ale dispozitivelor de presar e la rece
se confecționează din 1.1730.
Coloanele de ghidare se execută din OLC25 și se tratează termic (cemen – tare, călire și
revenire) la duritatea de 56 … 60 HRC. Bucșele de ghidare a coloanelor se confecționează din
OLC15 sau OLC25 și se tratează te rmic la duritatea de 52 … 56 HRC. Plăcile de sprijin pentru
scule se confecționează din OLC45 și se tratează termic la duritatea
:
3.3 Semifabricatul de 46 … 50 HRC. Plăcile de
fixare a, sculelor pe placa de bază sau pe placa de cap se construiesc din OLC45 și se trateaz ă
termic la duritatea de 42 … 45 HRC. Plăcile de ghidare a poansoanelor se construiesc din OLC25 sau din OLC45 și se tratează termic la duritatea 52 … 55 HRC. Elementele de ghidare a benzii în
dispozitiv (riglele, bolțurile și opritoarele) se execută din OLC45 și se tratează termic la duritatea
de 42 … 45 HRC. Plăcile și tijele de eliminare a pieselor sau deșeurilor din dispozitivul de presare la rece se construiesc din OLC45 și se tratează termic la duritatea de 45 … 48 HRC.
Cepurile de fixare a dispozitivelor de: presare la rece de berbecul presei se confecționează din
OLC45. La nevoie, materialele elementelor dispozitivelor de presare la rece se pot înlocui cu
altele, echivalente ca proprietăți mecanice.

Primul pas din procesul de realizare al unui produs nou este proiectarea și avizarea lui din
punct de vedere a l domeniului de utilizare. A doua etapă constă în elaborarea procesului
tehnologic de realizare. Urmează apoi proces tehnologic. În timpul elaborării procesul ui

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
18
tehnologi c design -ul inițial propus poate suferi mici modificări. Faza tehnologică depinde de
materialul piesei. În această lucrare se vorbește numai despre piese turnate din aliaje de aluminiu.
În faza tehnologică se stabilește rețeaua de al imentare, ae risitoare, înclinațiile pe părțile
laterale a piesei, etc. Din punct de vedere a l turnării pieselor aceasta fază este esențială pentru
umpl erea piesei în timpul turnării. Piesa turnată va avea un plus de material în forma de
aerisitoare și a unor rețele de alimentar e, care trebuie îndepărtate ( Tabel 1 ). Pentru îndepărtarea
acest or plusuri inutile, se folosește ștanțe de debavurat.

1
Datorită faptului că matrița de turnare nu se închide
perfect, apar niște bavuri pe piesa turnată.
2
Matrița conține niște aerisi taore pentru ca , în timpul
procesul ui de turnare piesa să poat ă fi umpl ută 100%.

3
Alimentarea, rețeaua cu ajutorul căreia materialul
ajunge în părțile active ale matriței.
Tabel 1, Părțile piesei care trebuie îndepărtate cu p resare la rece

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
19
Modelul CAD a l piesei cu rețeaua de almintare și aerisitoarele aferente este pr ezentat în
Figura 6. Se poate observa că m atrița de turnare are două cuibuiri identice. Cu ajutorul acestui
model se proiectează ștanța de debavurat. În Figura 6, piesa este marcat ă cu roșu , iar părțile
care trebuie îndepărtate cu gri ( Tabel 1 ): bavura, aerisitoarele și rețeaua de alimentare.

Figura 6, Modelul CAD a piesei turnate

Piesa Rețeaua de alimentare Aerisitor

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
20
3.4 Modelul CAD a unei ștanței de debavurat

Figura 7 prezintă modelul 3D a l ștanței de debavurat, a le cărui cuțite vor fi analizate.
Ștanța a fost proiectată utilizând pachetul comercial Catia V5R17. Modelul 3D este complet
parametrizat în funcție de modelul CAD a l piesei ; astfel, dacă se modi fică modelul 3D a piesei se
poate modifica cu ușurință toate ștanța.

Figura 7, Model CAD a ștanței de debavurat

În Figura 8 este ilustrat desenul 2D a ștanței în discuție , iar Figura 9 și Figura 10
reprezintă desenele 2D , în detaliu, pentru părțile de sus și de jos a ștanței.
Partea superioară
Partea
inferioară Părți pentru
prinderea ștanței
în resă Jgheaburi, care
asigură că nu
rămân piese
tăiate în ștanță Elemente
de ghidare Suport piesă Cuțite Placa port
cuțite

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
21

Figura 8, Desenul 2D a ștanței de debavurat

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
22

Figura 9, Desenul 2D a părții superioare a ștanței

Figura 10, Desenul 2D a părții inferioare a ștanței

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
23
3.5 Tipuri de cuțite folosite la ștanțele de debavurat

Tăierea materialul nedorit a pieselor turnate, de diverse di mensiuni, este o operație
pregătitoare caracterizată prin separarea totală a unei părți a semifabricatului de cealaltă, prin
forfecare, după un contur închis. Operația de tăiere a pieselor turnate sunt executate în diferite
feluri:
a) Tăiere cu suport
b) Foarfecele cu cuțite paralele
c) Tăiere cu poansoane de tăiere
Utilizarea unui anumit tip , dintre acestea, se face în funcție de tipul, de forma și de
dimensiunile ce trebuie obținute.
Tăierea la foarfece, sau cu ajut orul stanțelor pe prese [7], se face introducând piesa
turnată în stanț ă după care, la coborârea berbecului mașinii, acestea acționează transvers al asupra
semifabricatului respectiv cu o presiune care crește până la o anumită valoare egală cu rezistenț a
la forfecare a materialului. Î n acel moment, are loc sepa rarea unei părți a semifabricatului de
cealaltă ( Figura 11).
Procesul tăierii pieselor cuprinde trei faze succesive după cum urmează:
a) faza elastică în care semifabricatul este comprimat și puțin deformat între cuțite. Tensiunile și deformațiile din material nu depășesc limitele de elasticitate;
b) faza plastică în care deformațiile materialului d evin remanente, iar tensiunile
depășesc limita de curgere și cresc continuu pînă la valoarea maximă corespunzătoare
rezistenței la forfecare a metalului. Î n timpul acestei faze, cuțitele pătrund în material
pe o anumită adîncime hf
c) faza de for fecare î n care se formează microfisuri, apoi macrofisuri, după care se
produce detașarea unei părți a semifabricatului de cealaltă. Fisurile de forfecare
pornesc de la muchiile tăietoare ale cuțitelor și se propagă în metal pe direcția
planelor de alunecar e formâ nd, dacă jocul dintre cuțite este normal, o suprafață
comună de forfecare (Figura 12 );

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
24

Figura 11, Procesul de tăiere

Figura 12, Suprafața piesei obținute

Pe suprafața piesei obținute prin forfecare ( Figur a 12) se observă două zone distincte: o
fâșie îngustă lucioasă, zona a, corespunzătoare fazei plastice și o fâșie mai lată decât prima și
mată, zona b, corespunzătoare fazei de forfe care. Lățimea relativă a fâșiei lucioase este specifică
durității materia lului semifabricatului folosit și are valoarea
g hf × = 5,0…2,0 (1.1)
Când materialul este mai dur, lățimea relativă a fâșiei lucioase este mai mică , iar când
materialul este mai plastic, lățimea relativă a fâșiei lucioase este mai mare.
Analizându- se materialul din zona secțiunii obținute prin tăiere, se constată că
proprietățile mecanice și structura acestuia s -au modificat ca urmare a ecruisării, generate î n
procesul de deformare. Grosimea stratului de material ecruisat și structura acestuia depind d e
următorii factori:
a) grosimea piesei ;
b) proprietățile mecanice ale mat erialului piesei;
c) starea muchiilor tăietoare ale cuțitelor;
d) valoarea jocului dintre cuțite;
e) viteza de forfecare.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
25

Între cuțitele foarfecelor se preve de, întotdeauna, un anumit joc j astfel încât procesul de
tăiere să decurgă în bune condițiuni, adică fisurile de forfecare să se propage în material după
planele de alunecare ( Figura 13). Astfel, mărimea jocului optim dintre cuțite se determină cu
relația ( 1.2),
αtg hgjf×−= ) ( (1.2)

Figura 13, Jocul între cușitele paralele

Conform cercetărilor experimentale, valoarea unghiului α, format de planul de alunecare
cu direcția de mișcare a cuțitelor, are valoarea
°= 6…4α (1.3)

Având în vedere valorile unghiului a și valorile adâncimii relative de pătrun dere a
cuțitului în material, în momentul formării fisurilor de forfecare (1.2 ), rezultă că jocul optim
dintre cuțite, la operațiile de tăiere, are valorile următoare:
– pentru materiale moi, j=0,04…0,06
– pentru materiale dure, j=0 g;
,06…0,08
În cazul unui joc mare, j ≥0,1 g.
g,
La pătrunderea cuțitelor în material, pe o anumită adîncime, forța de tăiere F nu va
acționa în planul muchiei tăietoare ci la o anumită distanță de aceasta ( Figura 11), dând naștere
unui moment de r ăsturnare M=F ×a, unde a≈2j. Sub acțiunea acestui moment, piesa turnată
supusă procesului de tăiere are tendința să se rotească în sensul de mișcare a cuțitelor, să ocupe o în special când materialul piesei este moale, deformarea
plastică este însoțită de încovoierea și intrarea materia lului între cuțite, iar separarea unei părți a
semifabricatul ui de cealaltă are loc prin rupere și nu prin forfecare.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
26
poziție înclinată și să intre între cuțite dând naștere, astfel, unei forțe laterale Fx
3.6 Tăierea cu foarfece cu cuțite paralele de distanțare a
acestora. De aceea, cuțitele trebuie să fie rigide și precis ghidate.

Cuțitele de acest tip au forme [7] constructive diverse ( Figura 14). în mod normal se
folosesc cuțite robuste cu unghiul de tă iere δ=90° ( Figura 14, a).
în acest caz, cuțitele au patru
muchii tăietoare asigurând mașinii o funcționare îndelungată între două reascuțiri, prin
schimbarea succesivă a poziției acestora

Figura 14, Tăiere cu foarfece cu cuțite le paralele, a – cuțite cu 4 muchii tăietoare, b – cuțite cu o muchie de
tăietoare, c – cuțite cu 2 muchii tăietoare
după uzarea unei muchii. Aceste cuțite au dezavantajul că se uzează relativ repe de pe suprafața
de așezare. De acest neajuns sunt lipsite cuțitele cu o muchie tăietoare ( Figura 14, b) și cuțitele
cu două muchii tăietoare ( Figura 14, c). Valorile unghiurilor acestor cuțite depind de
proprietățile mecanice ale materialului semifabricatelor de debitat; cu cât materialul pieselor
turnate va fi mai moale cu atât unghiul de tăiere va fi mai mic și invers, când materialul va fi mai
dur ( Tabel 2 ).

Nr.
crt. Materialul semifabricatelor Unghiurile cuțitului
α γ δ
1 Oțel moale 30'…1,5° 5°. ..10° 80°…85°
2 Cu, Al 1,5°…3° 10°…15° 75°…8 0°
3 Aliaje de magneziu 2°.. .3° 35°…45° 45°…55°
Tabel 2, Valorile unghiilor cuțitelor de tăiere în raport cu materialul semifabricatelor

Valoarea jocului dintre cuțite se stabilește în funcție de duritatea materialu lui
semifabricatelor de tăiat. Î n acest scop, se vor folosi relațiile ( 1.2) și (1.3).

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
27
Forța necesară pentru tăierea pieselor turnate cu cuțite paralele ( Figura 11 ) se determină
teoretic cu relația ( 1.4),
0τ××= gbF (1.4)

Unde τ0 este rezistența de f orfecare convențională. Practic însă, datorită uzurii muchiilor
tăietoare ale cuțitelor, variației jocului dintre cuțite, calității di ferite a pieselor turnate și
neuniformității structurii și ecruisării materialului în procesul de deformare, condiții de tăiere se
modifică și, în consecință, rezistența reală de forfecare τr va fi
mai mare decât rezistența de
forfecare convențională. Astfel forța de tăiere va fi mai mare decât forța teoretică și se va,
calculată cu relația
rgbF τ××= (1.5)
Unde
0ττ×=kr (1.6)

iar acest coeficient, care ține seama de influența factorilor citați mai sus, are valoarea

3.1…2.1=k (1.7)

În timpul procesului de tăiere, forța reală nu rămâne constantă , ci variază în funcție de
adâncimea de pătrun dere a cuțitului în material ( Figura 15 ). Valoarea maximă a forței de tăiere
corespunde momentului apariției macrofisurilor de forfecare, adică momentului când cuțitul a
pătruns în material pe adâncimea hf
. Existența ramurei descendente a curbei forței de tăiere
rezidă în frecarea dintre suprafața de așezare a cuțitului mobil și semifabricat.

Figura 15, Forța reală în timpul procesului de tăiere

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
28
Lucrul mecanic consumat în timpul tăierii reprezintă produsul dintre forță și drumul
parcurs de cuțit. Cantitativ, lucrul mecanic este egal cu aria cuprinsă între curba forței de tăiere și
abscisa sistemului de referință. Deoarece curba de variație a forței de tăiere se poate stabili numai
experimental și nu analitic, rezultă că lucrul me canic nu poate fi stabilit prin integrare. De aceea
lucrul mecanic se calculează aproximând aria mărginită de curba forței de tăiere și abscisă cu
aria unui dreptunghi de dimensiuni Fmed și g
unde
F Fmed×=λ (1.8)

Deci, lucrul mecanic la tăierea pieselor se determină cu relația:

1000gFL××=λ (1.9)

unde F este forța maximă de tă iere, în daN.
Coeficientul λ, care reprezint ă raportul dintre forța medie și forța maximă de tăiere,
depinde de duri tatea și grosimea materialului de tăiat și a re valorile conform Tabel ului 3.
Valorile mari ale acestui coeficient corespund tăierii mat eriarelor moi și subțiri, iar valorile mici
cores pund tăierii ma terialelor dure și groase.

g (mm) <2 2…4 >4
λ 0,75.. .0,60 0,60… 0,45 0,45…0,30
Tabel 3, Coeficientul λ în funcție de grosimea materialului

Materialul folosit pentru executarea pieselor prin presare la rece, trebuie să corespundă
nu numai destinației și condițiilor de exploatare a pieselor ci și condițiilor tehnologice privind
caracterul și gradul de deformare a semifabricatului.
Proprietățile tehnologice ale metalelor sunt determinate, în principal, de proprietățile lor
mecanice, iar acestea, la rândul lor, depind compoziția chimică, structura și mărimea grăunților,
tratamentul termic aplicat și gradul de ecruisare.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
29
4. Modelul CAD a unui cuțit de tăiere

Figura 16 re prezintă piesa turnat ă împreună cu cuțitle de tăiere. Se observă că piesa este
tăiată pe tot conturul ei . Cuțitele de tăiere alcătuiesc o buclă închisă în împrejurul piesei. În
continuare se va analiza cuțitul î ncercuit în Figura 16.

Figura 16, Modelul CAD a piesei turnate cu cuțiele de tăiere

Cuțitul este proiectat în așa fel încât să fie ușor monta bil, demonta bil precum și ușor de
reascuți t. Cuțitul este prins pe placa de port cuțite cu trei șuruburi și două știfturi. Cele două
știfturi interzic mișcarea cuțitului în planul XOY iar șuruburile strâng cuțitul pe placa de port
cuțite , nepermițând asfel mișcarea.
Cuțitu l a fost modelat după conturul modelului piesei CAD utilizând CATIA V5R17
(Figura 17). Analiza cu elemente finite se va face în continuare folosind ANSYS Workbench
12.0. Pentru importarea geometriei în

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
30

Figura 17, Modelul CAD a cuțitului de tăiere

ANSYS , modelul trebuie să fie disponibil într -un format universal, precum IGS, STP, etc. În
acest caz , modelul cuțitului a fost exportat din CAT IA în format STP. Modelul 2D a l cuțitului
este prezentat în Anexa 1. Importarea în ANSYS s-a făcut cu parametrii defini ți în Tabel ul 4;
acesta conține materialul, dimensiunile, volum, masa și momentele de inerție.
Definition
Suppressed No
Stiffness Behavior Flexible
Coordinate System Default Coordinate System
Reference Temperature By Envi ronment
Material
Assignment 1.2379
Nonlinear Effects Yes
Length X 64.506 mm
Length Y 156.91 mm
Length Z 125. mm
Properties
Volume 9.6241e+005 mm³
Mass 7.5549 kg
Moment of Inertia Ip1 22092 kg·mm²
Moment of Inertia Ip2 11363 kg·mm²
Moment of Ine rtia Ip3 15631 kg·mm²
Tabel 4, Caracteristicele modelului CAD importat în ANSYS Suprafața de tăiere
6 mm adaos, lăsat
pentru reascuțire Gaură pentru șurub
Gaură pentru știft
Conturul piesei

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
31
5. Analiza cu elemente finite a unui cuțit de tăiere

Pentru a începe analiza de durabilitate a cuțitului de tăiere trebuie efectuată mai întâi o
analiză de rezistență a cuțitului. Analiza se face cu metoda elementelor finite. Această metodă
constă în discretizarea unui corp continuu si finit în mai multe elemente finite (FEM – Finite
element method). Prin discretizarea unei structuri se înțelege subînpărțirea acesteia într -un număr
oarecare de elemente finite sau rețea de puncte de integrare numerică, interconectate prin
nodurile lor exterioare.
Metoda are o aplic abilitate pe scară largă și se bucură de utilizarea extensivă în zone
structurale, analize term ice si fluide. Metoda elementului finit, este formată din trei faze
principale :
a. Pre-procesarea : realizarea modelul solid al sistemului analizat (caracterizat prin
formă, dimensiuni, caracteristici de material), discretizarea modelului solid în
elemente fi nite, aplicarea condi țiilor la limită și a încărcărilor;
b. Procesarea: rezolvarea numerică a ecuaț iilor caracteristice comportării sistemului și
obținerea solu ției;
c. Post-procesarea : vizualizarea rezultatelor în vederea analizei comportării sistemului
și identificării zonelor cu solicitări critice.

Avantajele metodei cu elemente finite (FEM – Finite Element Model) sunt numeroase și
importante. În cazul conceperii unui design nou se poate modela și studia comportamentul
structurii în diverse medii de sarcin ă, în timp real; prin urmare , în baza rezultatelor obținute se
poate modifica modelul înainte de crearea desenelor finale de execuție. Odată ce este dezvoltat
modelul CAD, aplicând FEM se poate analiza designul sructurii în detaliu. Utilizând FEM se
poate economisi timp și bani prin reducerea numărului necesar de prototipuri. În cazul unui
produs deja existent , la care apar probleme în timpul utilizar ii, sau care necesită o îmbunătățire,
acesta poate fi analizat utilizând FEM în vederea acceler ării procesu lui de schimbare de desgin
și, de asemenea, pentru reducerea costuri lor de proiectare.
În următoarel e subcapitole vor fi prezentate fazele analizei FEM pentru cuțitul de tăiere
prezentat în capitolul precedent .

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
32
5.1 Faza de pre- proceasre

Obiectivele pre- procesării sunt: atribuirea proprietăților de material potrivit modelului,
dezvoltarea modelului cu elemente finite, aplicarea încărcărilor și condițiilor la limită.
5.1.1 Definirea materialul ui cuțitului de tăiere
După importarea geomtriei în ANSYS, primul pas este definirea parametrilor de material
a cuțitului de tăiere. Materialul folosit la cuțitul respectiv este 1.2379, un aliaj de oțel.
Compoz iția ch imică :
C Cr Mo V
1.55 0.70 12.0 1.00
Tabel 5, Compoziția chimică a materialului

Dato rită conținutului crescut de Carbon materialul are o duritate și rezistență la uzură
mărită , dar Carbonul scade soliditatea materialului , devenind casant . Cromul mărește rezistența
la coroziune și rezistența la uzură. Molibdenumul mărește rezistența la uz ură. Vanadium
modifică structura grăunților , mărește rezistența la oboseală.
Materialul este livrat cu o duritate de 55 HRC , dar cu tratare termică ajunge la 6 3 HRC
(Figura 18, Figura 19).

Figura 18, Diagrama de temperare

Figura 19, Temperatura de temperare în raport cu
duriratea HRC
Parametri de material setați în ANSYS Workbench; densitatea, limita de curgere, limita
de rupere, modulul de elasticitate Young, coeficientul Poisson, pentru material ul 1.2379 sunt
definite în Tabel ul 6.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
33
Density 7.85e -006 kg mm^ -3
Compressive Yield Strength 820 MPA
Tensile Yield Strength 820 MPA
Tensile Ultimate Strength 1995 MPA
Young's Modulus 2.e+005 MPA
Poisson's Ratio 0.3
Tabel 6, Parametri materialului
Pentru un test la oboseală a piesei , folosind metoda Stress -life, este necesar definirea în
ANSYS a parametrilor de stress -life a materialului ( Tabel 7 ). Prin acești parametrii se defin ește
variația tensiuniloir din material cu număr ul de cicluri. Diagram a din Figura 20 reprezintă
grafic Tabel ul 7.

Alternating Stress MPa Cycles
3999 10
2827 20
1896 50
1413 100
1069 200
441 2000
262 10000
214 20000
138 1.e+005
114 2.e+005
86.2 1.e+006

Tabel 7, Tensiune alternanta pentru materialul 1.2379

Figura 20, Tabel 8 reprezentat grafic

5.1.2 Modelul cu elemente finite al cuțitului de tăiere

Rețeaua de elemente finite a unui model solid subdivide structura în elemente,
interconectate prin noduri.
În cadrul fazei de pre -procesare se aleg tipurile de elemente finite care vor fi utilizate și
se stabilieste repartiția lor pe domeniul discretizat, rezultând astfel numărul, dimensiunea și
forma acestora. Discretizarea se realizează în funcție de tipul domeniului geometric
(unidimensional, bidimensional sau tridimensional) ( Tabel 8):

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
34
a. elemente finite de tip linie a domenilui unidimensional
b. elemente finite de tip triunghi a domeniilor de tip suprafata; muchiile elementelor
finite pot fi linii drepte sau parabole (domeniul bidimensional)
c. elemente finite de tip tetraedru a domeniului tridimensional
d. elemente speciale, ca elemente axisimetrice pentru unele situații la care geometria,
materialul și condițiile la limită sunt simetrice în jurul un ei axe.
Dezvoltarea rețelei de elemente finite consumă, de obicei, mult timp. Rețeaua de
elemente finite este dezvoltată direct pe modelul CAD a cuțitului ( Tabel 8 ):
a. wireframe cu puncte și curbe reprezentând muchiile solidului
b. cu suprafețe reprezentând lim itele solidului
c. solid pentru definirea materialului

Dimensiunea Tip Forma elementului Tip de element
1D Linear

Wireframe Cadratic

Cubic

2D Linear

Suprafață Cadratic

Cubic

3D Linear
Solid

Cadratic

Tabel 8, Tipuri de elemente finite

Rețeaua de elemente finite este aplicată pe modelul CAD folosi nd algoritmul de
discretizare liberă. Discretizarea liberă subdivide automatic modelul î n elemente finite. Avantajul
acestui proces este rapiditate și adapta rea dimensiunea elementelor finite cu ușurință la modelul

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
35
respectiv . Dezavantajele ar fi generarea unui model prea mare(care ocupă multă spațiu pe
momoria calculatorului) din cauza căruia procesarea poate fi lent ă.

Defaults
Physics Preference Mechanical
Relevance 0
Sizing
Use Advanced Size
Function Off
Relevance Center Fine
Element Size 2.0 mm
Initial Size Seed Active Assembly
Smoothing Medium
Transition Fast
Span Angle Center Coarse
Minimum Edge
Length 0.224640 mm
Inflation
Use Automatic Te st
Inflation None
Inflation Option Smooth Transition
Transition Ratio 0.272 Maximum Layers 5
Growth Rate 1.2
Inflation Algorithm Pre
View Advanced
Options No
Advanced
Shape Checking Standard Mechanical
Element Midside
Nodes Program Controlled
Straight Sided
Elements No
Number of Retries Default (4)
Rigid Body Behavior Dimensionally
Reduced
Mesh Morphing Disabled
Statistics
Nodes 138049
Elements 84100
Mesh Metric None
Tabel 9, Principalele caracteristici ale modelulu i meshuit

În Tabel ul 9 sunt definite principalele caracteristici setate în ANSYS pentru calcularea
modelului discretizat . Acestea sunt caracteristici fizice, mărimea și precizia elementelor, nr. de
noduri și de elemente folosite la mesh.
Rețeaua de elem ente calculate după setările definite în Tabel ul 9, aplicată pe modelul
CAD a cuțitului de tăiere , este prezentată în Figura 21.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
36

Figura 21, Modelul meshuit cu elemente finite

5.1.3 Condițiile la limită aplicate pe cuțitul de tăiere

Cuțitul este prins la placa de port cuțite cu două șuruburi și două știfturi, iar cuțitele fac o
buclă închisă în împrejurul piesei. În cazul acesta sunt aplicate următoarele restrângeri de
mișcare:
a. cele două părți laterale ale cuțitului de tăiere, supra fețele care ating cuțitele alăturate
b. partea de jos a cuțitului pe suprafața care este așezată pe placa de port cuțite
c. găurile pentru știfturi
În Tabelul 10 sunt definite condițiile la limită aplicate pe cuțitul de tăiere.
„Displacement ” este definit pentr u restrângerile de mișcare aplicate pe cele două părți laterale ale
cuțitului de tăiere care îi restrâng mișcarea pe axa OY. „Displacement 2” este definit pe partea
de jos a cuțitului , pe suprafața care este în contact cu placa de port cuțite; acesta restrânge
mișcarea cuțitului pe OZ. „Displacement 3” este aplicat pe găurile știfturilor, care restrâng
mișcarea cuțitului pe OY și OX.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
37

Object Name Displacement Displacement 2 Displacement 3
State Fully Defined
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geom etry 2 Faces 2 Faces 2 Faces
Definition
Type Displacement
Define By Components
Coordinate System Global Coordinate System
X Component Free 0. mm (ramped)
Y Component 0. mm (ramped) Free 0. mm (ramped)
Z Component Free 0. mm (ramped) Free
Suppressed No
Tabel 10, Parametri restrângerilor de mișcare

Restrângerile de mișcare sunt reprezentate grafic în Figura 22.

Figura 22, Restrângeri de mișcare pe modelul solid

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
38
5.1.4 Aplicarea încărcărilor pe cuțitul de tăiere

Pe muchia de tăiere, marcată cu roșu în Figura 23, se aplică o forță lineară F de 17.500 N , pe
direcția axei OZ ( Figura 24) . Principalele setări pentru forța F sunt definite în Tabel ul 11.

Figura 23, Forța aplicată pe muchia de tăiere a cuțitului

Figura 24, Forța aplicată pe muchia de tăiere a cuțitului
este lin iară

Object Name Force (F)
Scope
Scoping Method
Geometry 8 Edges
Definition
Type Force
Define By Vector
Coordinate System Global Coordinate System
X Component No
Y Component No
Z Component Yes
Suppressed No
Magnitude 17500 N (ramped)
Direction Z
Tabel 11, Forța aplicată pe muchia de tăiere a cuțitului

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
39

5.2 Procesare
În timp ce fazele de pre -procesare și de post -procesare a modelului cu elemente finite
sunt interactive și consumatoare de t imp, faza de procesare este un proces care consumă
resursele calculatorului. Ecuațiile derivate din faza de pre -procesare sunt asamblate în formă de
matrice și sunt rezolvate numeric. Procesul de asamblare în matrice nu depinde doar de tipul de
analiză (de ex. Static sau dinamic), dar și de tipur i de elemente finite folosite la cr earea
modelului discretizat și proprietățile acestora.
Object Name Static Structural
(A5)
State Solved
Definition
Physics Type Structural
Analysis Type Static Structural
Solver Target ANSYS
Mechanical
Options
Environment
Temperature 22. °C
Generate Input Only No
Tabel 12, Setări referitoare la tipul structurii, fizica
problemei propuse, și mediu

Object Name Analysis Settings
State Fully Defined
Step Controls
Number Of Steps 1.
Current Step Number 1.
Step End Time 1. s
Auto Time Stepping Program
Controlled
Solver Controls
Solver Type Program
Controlled
Weak Springs Program
Controlled
Large Deflection Off
Inertia Relief Off
Nonli near Controls
Force Convergence Program
Controlled
Moment Convergence Program
Controlled
Displacement
Convergence Program
Controlled
Rotation Convergence Program
Controlled
Line Search Program
Controlled
Output Controls
Calculate Stress Yes
Calcula te Strain Yes
Calculate Results At All Time Points
Tabel 13, Setări referitoare la analiza FEM

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
40

În ANSYS Workbench 12.0 trebuie setați parametri i pentru procesarea datelor primit e de
la pre- procesare. Sunt două tipuri de param etrii care trebuie să fie defini ți:
– Setări referitoare la fizica problemei propuse (Tabel 12)
Aici este definit faptul că încărcarea structurii este de tip static și mediul înconjurător
tipic cu 22șC
– Setări referitoare la analiza FEM (Tabel 13)
Aici sunt de finite setările pentru controlul procesării. Deoarece modelul și
problematica cuțitului de tăiere sunt destul de simple, toată procesarea este contrlată
automatic
Soluțiile primite din procesare sunt prezente în Tabel ul 14. Pentru analiza FEM a
cuțitului de tăiere sunt necesare soluțiile: deformația totală, deformația direcțională (definită pe
OZ) și tensiunile în model în timpul încărcării cu forța F. Din Tabel ul 14 reiese faptul că
deformația maximă este de 0.015 mm, deformația pe axa OZ este 0.01mm iar tensiunea maximă
este de 440.35 M Pa. Soluț iile obț inute sunt vizualizat e grafic cu ajutorul post -procesorului.
Object Name Total
Deformation Directional Deformation Equivalent Stress
State Solved
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry All B odies
Definition
Type Total
Deformation Directional Deformation Equivalent (von -Mises)
Stress
By Time
Display Time Last
Calculate Time
History Yes
Orientation Z Axis
Coordinate System Global Coordinate
System
Use Average Yes
Results
Minimum 0. mm -1.5246e -003 mm 2.7842e -002 MPa
Maximum 1.506e -002 mm 1.0044e -002 mm 440.35 MPa
Tabel 14, Principalele reultate ale fazei de procesare

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
41
5.3 Post-procesare

După ce un model cu elemente finite a fost elaborat și verificat, co ndiții la limită au fost
aplicate, iar calculul numeric a fost rezolvată, este timpul pentru a investiga rezultatele.
Post-procesarea este utilizată pentru a crea o reprezentare grafică a rezultatelor primite
de la solver, care arată distribuția de tensi uni, deformatii, temperaturi, precum și alte aspecte ale
modelului. Interpretarea acestor rezultatele este cheia pentru a identifica zonele de interes
(zonele slabe într -un model), zonele cu material rezidual, sau alte valoroase informații cu privire
la alte caracteristici de performanță ale modelului , care altfel nu ar fi cunoscute făr ă testarea
fizică a unui prototip.
Post-procesarea începe cu o verificare amănunțită a problemelor care ar fi putut apărea
loc în timpul calculului . Odată ce soluția este ver ificată, datele de interes pot fi examinate.
Numeroase opțiuni de afișare sunt disponibile, alegerea depinzând de forma matematică a
problemei, precum și de semnificația sa fizică. Capabilitățile de vizualizare dinamică cu animații
și imagini ajută în mod considerabil la înțelegerea modului de deform are al modelului. Setul de
rezultate selectate este disponibil pentru vizualizare în mai multe feluri:
a. Diagrame
b. Chart -uri
c. Text
d. Direct pe modelul CAD, în deformații sau culori
Figura 25 prezintă deformația totală pe muchia de tăiere, unde a fost aplicată forța F.
Legenda de culori prezintă vizual deformațiile, unde culoarea roșie este deformația maximă, iar albastru reprezintă deformația minimă a solidului. Din figură reiese că deformația maximă este
pe muchia unde afost aplicată încărcarea.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
42

Figura 25, Deformația totală a modelului

Principalele vectori de tensiuni sunt fi afișate cu săgeți colorate care indcă mărimea și
direcția vectorilor ( Figura 26).

Figura 26, Deformarea totală reprezentată cu săgeți

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
43
Tensiunea în model în timpul încărcării este prezentată grafic în Figura 27. Legenda de
culori indică tensiunile maxime si minime. Din imagine reiesă că pe dealungul muchiei, unde
piesa este solicitată direct, are o tensiune între 150 și 250 de M Pa. Tensiunile maxime sunt pe
cele două margini ale muchiei tăietoare, unde modelul este cel mai sensibil din punct de vedere a
designului.

Figura 27, Tensiunea von- Mises

6. Anal iza durabil ității a unui cuțit de tăiere

6.1 Elemente generale

Oboseala material ului conduce la cedarea lacestuia din cauza sarcinilor repetate
[4]. Aceste sarcini aplicate individual în unele cazuri poate nu ar duce la cedare,. Componentele
însă se defectează din cauza aplicarii unor sarcini repetate. Astfel , în primele faze de proiectare
considerarea distrugerii la oboseala este fundamental ă pentru prevenirea eșecurilor accidentale.
În ANSYS Workbench funcția de d urabilitate permite să prezică oboseal a în primele fa ze
de proiectare, prin integrarea analizei de oboseal ă într-un proces de durabilitate la nivel ul
4:1

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
44
sistem ului. Acest proces include un ciclu complet, de la pre zicerea sarcini i la prezicerea de
probleme cu oboseală locală.
Atingerea performanț elor necesar e a componentelor funcționale și a structurilor complete
este o etapă esențială în procesul de dezvoltare. Prin urmare, modelarea și simularea CAE bazat ă
pe proprietățile de inginerie cum ar fi zgomotul, vibrațiile, manipulare, confort ul si durabilitate în
primele faze de proiectare ajută la îmbunătățirea procesului de dezvoltare, și reduce testarea
fizică necesară pentru un produs final ideal.
Pentru obținerea unor rezultate expresive de durabilitate, trebuie să fie luat în considerare
întregul proces ce condu ce la oboseala unei componente ( Figura 28) .
Design
Physical
prototype
Load data
analysis
test
schedulePhysical
rig testFail
OKFatigue life
prediction
FE
Virtual
test rigLoads
predictionVirtual
prototype
OKFail

Figura 28, Etapele t estării de oboseală

În mod tradițional ingineria durabilității a fost bazată pe test e. Prin urmare, prototipurile
a trebuit să fie disponibile înainte de lansarea testului . Teste de durabilitate au fost efect uate
folosind un sistem complet cu încărcare reală. Acet aspect presupune, pe de o parte , foarte un
timp îndelungat de relizare iar , pe de o altă parte, po ate fi periculos . Pentru aceasta, construc torii
de aut omobile a u inceput să construiească piste de testare speciale, astfel încât testele ar putea fi

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
45
efectuate mult mai rapid, fără a afecta siguranța publică. De asemenea, la folosirea unei piste de
testare este nevoie de un vehicul complet, înainte de a putea începe testarea. Folosind un
dispozitiv de testare, se poate aplica direct sarcini la componente separate.
Pentru îndeplinirea testului de durabilitate este esențial ca piesa să aibă sarcini corecte, de
aceea pentru măsurarea unui prototip al component ei, este necesar și sistemul
complet. Încărcarea din urmă, poate să fie simulată prin intermediul unor proceduri de testare
standardizate.
Aceste teste sunt făcute într -o fază mai târzie a procesului de proiectare, dar ce est e de
făcut în cazul în care piesa nu reușește să treacă testul de durabilitate . În principiu, trebuie
început întregul proces de proiectare din nou.
Prin urmare, simularea în primele faze ale procesului de proiectare poate înlocui unele
teste, dar poate să fie utilizată pentru a defini sa rcinile pentru test. Se poate simula sarcini știind
topologia pistei de încercare sau prin măsurători de la alte vehicule și se poate recalcula în mod
corect sarcinile pe următoarea generație de design.
Este important să se mențion eze faptul că întregul la nț de proces trebuie să fie luat în
considerare pentru a ajunge la rezultate valoroase în baza unei analiz e numerice de
durabilitate. Aceste rezultate trebuie să ajute inginerul mai mult decât rezultate le binare cum ar
fi:
• Este piesa bună pentru un test fi zic?
Cel mai important rezultat este de a ști :
• Cum se poate îmbunătății designul ,
• Reducerea greutății, sau conservarea durabilității ?
• Reducerea condițiile de încărcare locale care pot duce la problem de durabilitate ?
Analiza de durabitate va fi folosită prima dată pentru :
• Identificarea regiunilor critice .
Aceasta oferă informații despre cazul la care proiectul poate necesita modificări. Regiunea poate
să fie critică, datorită:
• Tensiuni lor locale care sunt induse geometric de muchii le ascuțite, etc.
În acest caz, modificările locale geometrice (care pot fi automatizate prin metode de optimizare
pe baza rezultatelor de durabilitate) pot fi aplicate direct pentru a îmbunătăți performanța.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
46
O analiză mai detaliată poate fi utilizată pentru a identifica rea efectul ui sarcini aplicate pe
model.
• Care sarcini sunt importante pentru care regiune critică ?
• Care evenimente afectează în special proiectul ?
Răspunsurile la aceste întrebări permit ingineri lor să dezvolt e modele care pot fi
optimizate în regiunile critice.

6.2 Procesul de simulare

Oboseala unui model este un process complex. Variabilele care influențează cel mai mult
procesul sunt următoarele:
• Încărcarea
• Duritatea str ucturii definită prin
 Material
 Geometrie /Design
Toate aceste trei au o influență mare asupra obose alii componenței . (Figura 29)

Geometria Material Încărcări
Mesh
Analiza de tensiuni
Analiz
Stress-life / Strain-lifeă
Rezultate
de durabilitate
Figura 29, Procesul de simulare

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
47
6.3 Tipuri de analize de durabilitate

Cedarea materialului este datorată încărcării ciclice repetate. Pentru metale, acest lucru de
obicei înseamnă inițierea unor mici fisuri pe suprafața liberă a unui exemplar, componente, sau
structură, care transforma mai apoi în fisuri mari, ce provoacă ruperea unei componente.
Pentru cele mai multe mașini și vehicule, durata de timp până la inițierea de microfisuri
este, de obicei , mult mai mare decât durata de timp necesară pentru ca microfisuri le să devină
macrofisuri. Aceasta înseamnă că durata de viață utilă a pieselor poate să fie aproape la fel ca
durata de timp cât este nevoie pentru inițiera fisurilor. Două abordări de bază au fost elaborate
pentru a estima durata de viață a componentelor:
• Metoda stress- life
• Metoda strain -life
Opțiunea pentru un anumit mod de abordare în cazul analizei la oboseală depinde de
modul de cedare a structurii. Ca o regulă simplă, stress- life este adecvat ă pentru domenii de
oboseală high-cycle , în timp ce strain -life în este adecvat ă pentru domenii de oboseală low-
cycle . Însă, din punct de vedere a aplicabilității , există un criteriu mai important, și anume
experiența.

6.4 Analiza de durabilitate a cu țitului de tăiere

În cazul cuțitului de tăiere pentru determinarea durata ei de viață se folosește metoda Stress –
life. Motivele pentru care se folosește această metodă sunt:
– Principala cauză a cedarii piesei este aplicarea ciclică de încărcări pe aceasta
– Sunt prezente condiții de oboseală de High -cycle
– Un număr mare de cicluri pînă oboseala materialului
– Deformarea plastică a materialului este relativ mică
ANSYS Workbench folose ște, pentru calcularea du rabilității, parametri i setațila faza de
pre-proceasre în analiza FEM. Setările pentru analiza de durabilitate sunt definite în Tabel ul 15.
Fizica problemei cuțitului de tăiere este simplă , berbecul presei mișcă partea de sus a ștanței și
totodată cuțitele cu forța F, liniară, cu o amplitudine constantă. De aceea se setează o ciclicitate
pulsativă , cu amplitudine constantă (Zero -Based) ( Figura 30).

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
48
Object Name stress life
State Solved
Materials
Fatigue Strength Factor (Kf) 1.
Loading
Type Zero -Based
Scale Factor 1.
Definition
Display Time End Time
Options
Analysis Type Stress Life
Mean Stress Theory Goodman
Stress Component Signed Von Mises
Life Units
Units Name cycles
1 cycle is equal to 1. cycles
Tabel 15, Parametri setate pentru procesarea durabilității

Figura 30, Încărcări cu amplitudine constantă

Pentru a analiză mai detailată se aplică corecția de tensiune medie după teoria Goodman
(Figura 31 ).

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
49

Figura 31, Tensiunea medie calcu lată cu metoda Goodman

Rezultatele obținute sunt afișate în Tabel ul 16. Cele mai importante valori din acest tabel
sunt legate durata de viață a piesei și factorul de sigutanță. Din tabel reiese că viața minim ă a
cuțitului de tăiere este de 18 .144 cicluri . Factorul de siguranță arată zonele cuțitului care cedează
înainte de durata de viață impusă. În cazul prezent , durata de viață impusă este de 1.000.000.000
de cicluri, deci dacă sunt zone ale cuțitului care cedează la 18.000 de cicluri atunci scade facto rul
de siguranță. Locurile unde factorul de siguranță scade sub cota 1, trebuie reevaluate din punct e
vedere a designului.
Object Name Life Damage Safety Factor Equivalent Alternating Stress
State Solved
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geomet ry All Bodies
Definition
Type Life Damage Safety Factor Equivalent Alternating Stress
Identifier Design Life 1.e+009 cycles
Results
Minimum 18144 cycles 0.39151 1.3921e -002 MPa
Maximum 55115 220.17 MPa
Tabel 16, Rezultatele analizei Stress -life

Durata de viață și factorul de siguranță este reprezentat grafic în Figura 32, respectiv Figura 33.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
50

Figura 32, Viața de durabilitate a cuțitului de tăiere

Se vede că factorul de siguranță este sub cota 1 pe muchia de tăiere, unde este aplicată forța F .

Figura 33, Factorul de siguranță a modelului

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
51
În cadrul analizei de durabilitate a cuțitului se mai face o analiză cu forței F aplicată pe
muchia de tăiere. Analiza se numește sensitivitate la oboseală ( Tabel 17), adică, în cazul curent,
se aplică o forță mai mare cu 30% și o forță mai mică cu 30% față de forța aplicată. Diagrama
acestei analize este reprezentată pe Figura 34.

Object Name Fatigue Sensitivity
State Solved
Scope
Geometry All Bodies
Definition
Sensitivity For Life
Options
Lower Variation 70. %
Upper Variation 130. %
Number of Fill Points 25
Chart Viewing Style Linear
Tabel 17, Sensitivitatea încărcărilor la viața produsului

Figura 34, Sensitivitatea încărcărilor la viața produsului ±30%
Din Figura 34 reiese că, în cazul unei forțe mai mar i cu 30% durabilitata produsului
scade la 7.610 de cicluri, iar în cazul unei forțe mai mici viața la obosea lă crește la 66 .700 de
cicluri.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
52
7. Concluzii

Majoritatea elementelor componente ale dispozitivelor de ștanțare și matrițare la rece
sunt supuse unui proces continuu de uzură și sunt solicitate la compresiune cu șoc, încovoiere
etc. În plus, sculele acestor dispozitive sunt solicitate și termic. Din aceasta cauză în primele faze
ale proiectării este esențială analiza de durabilitate a componentelor supuse la uzură pentru optimizarea desginul produsului pentru o funcționare mai performantă.
În cazul ștanțelor de debavurat pă rțile cele mai mult supuse la uzură sunt cuțitele de
tăiere. F iind vorba despre un proces din punct de vedere fizic simplu, încărcările procesul de
debavurat pe cuțitele de tăiere sunt relativ simple de modelat într -un mediu virtual.
În lucrare este propusă analiza de durabilitate a cuțitelor de tăiere. Analiza a fost făcută
cu ajutorul programului ANSYS Workbench 12.0. Programul are o interfață ușor de folosit. Se
poate introduce toate datele care sunt necesare pentru analiză de durabilit ate.
Ștanța de debavurat a fost proiectată în CATIA V5R17 iar cuțitul analizat a fost exportat
într-un format general STP, care se poate importa în ANSYS. La importarea geometriei a fost
definit materialul cuțitului de tăiere, adică 1.2379. Cuțitul a fos t discetizat și analizat utilizând
metoda elemete finite. Din această analiză a reieșit că la o forță F de 17.500 N aplicată pe a
muchia de tăiere a cuțitului, cuțitul are o deformare maximă de 0.01 mm pe axa OZ, iar tensiunea maximă este de 440 Mpa.
ANSYS folosește rezultatel obținute din analiza FEM pentru a face analiza de durabilitate
a cuțitului. Din această analiză de durabilitate a ieșit că sunt puncte pe muchia de tăiere la care
materialul cedează după 18.000 de cicluri.
Din rezultatele obținute se poate constata că, cu o încărcae de 17.500 N , cuțitul trebuie
reascuțit după fiecare 17.000 de tăieri cu minim 0,015 mm. Factorul de siguranță arată unde
rebuie optimizată desginul cuțitului pentru o viață la oboseală mai lungă a acestuia.
Metoda este ușo r de refăcut pentru fiecare cuțit a ștanței de debavurat și se poate aplica la
alte dispozitive de presare la rece.

Universitatea „Transilvania” din Brașov – Fac. Inginerie Mecanică – Catedra MFM
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Mihaly KOVACS , Analiza durabilității cuțitelor de tăiere pentru dispozitivele
de ștanțare la rece
53
8. Bibliografie

[1] O.C. Zienkiewicz, CBE, FRS, The Finite Element Method: Its Basis and
Fundamentals 6th, Ed. Elsevier Oxford 2005;

[2] Y. Nakasone, S. Yoshimoto, Engineering Analysis with Ansys Software , Ed. Elsevier
Oxford 2006;

[3] Y. Lee, J. Pan, R. Hathaway, M. Barkey, Fatigue Testing and Analysis (Theory and
Practice) , Ed. Elsevier Oxford 2005;

[4] LMS VL Rev 8A -SL1 Help, Durabilit y;
[5] Ansys 12.0 Workbench Help, Fatigue Analysis;
[6] V.P. Romanovski, Îndrumător pentru presarea la rece , Ed. Tehnică Bucuresti 1957

[7] C. Iliescu, Tehnologia ștanțării și matriță rii la rece , Ed Didactică și Pedagogică
Bucure ști 1977

[8] S. Timoshenko, Strength of Materials , Ed D. Van Nostrand Co New York 1940