Tarcie i smarowanie w procesach kształtowania blach - ebook

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

ap – skok narzędzia

A – powierzchnia kontaktu

A₅₀ – wydłużenie

Anom – nominalna powierzchnia kontaktu

Aq – powierzchnia oddziaływania dociskacza

Ar – rzeczywista powierzchnia kontaktu

As – stosunek rzeczywistej do nominalnej powierzchni kontaktu

b₀ – szerokość początkowa próbki

bf – szerokość śladu tarcia

d₁ – średnica wytłoczki

dm – średnica otworu w matrycy

dWJ – średnica dyszy

D – średnica krążka

E – moduł sprężystości Younga

E* – zredukowany moduł Younga

f – posuw

fhk – wskaźnik tarcia warstwy międzyfazowej

Fd – siła docisku

Fg – siła gięcia

Fmax – siła wytłaczania

FN – siła nacisku

Fnom – siła nominalna

Fnw – siła naciągu wstecznego

FP – siła przeciągania blachy

Frz – nacisk przenoszony przez wierzchołki nierówności

Fs – siła oddziaływania stempla

FT – siła tarcia

Fv – siła wypadkowa

Fx, Fy, Fxy – składowe poziome siły kształtowania przyrostowego

Fz – składowa osiowa siły kształtowania przyrostowego

Fzr – siła zrywająca

g – grubość blachy

h – grubość warstwy smaru

hw – głębokość wytłoczki

HT – twardość materiału

K – współczynnik umocnienia

Ks – współczynnik sprężynowania

Kz – współczynnik zużycia

l₀ – długość początkowa próbki

lC – długość linii kontaktu

L – bezwymiarowy współczynnik smarowania

Lh – długość klina smarowego

Ls – współczynnik efektywności smarowania

LT – ramię tarcia

m – czynnik tarcia

m₁ – współczynnik wytłaczania

M – moment obrotowy

Mr1 – współczynnik długości nośnej na górnej granicy profilu rdzenia chropowatości

n – wykładnik umocnienia materiału próbki

no – prędkość obrotowa narzędzia

N – liczba wektorów zbioru uczącego

p – nacisk jednostkowy

pnom – nacisk nominalny

ps – ciśnienie smaru

psr – średni nacisk jednostkowy

pw – ciśnienie cieczy

r – współczynnik anizotropii normalnej

– średni współczynnik anizotropii normalnej

rk – promień krążka blachy

rm – promień zaokrąglenia krawędzi matrycy

R – promień przeciwpróbki

Ra – średnie arytmetyczne odchylenie rzędnych profilu

Rdc – różnica między dwoma poziomami cięcia

Rk – głębokość profilu rdzenia chropowatości

Rku – współczynnik nachylenia profilu

Rm – wytrzymałość na rozciąganie

Rmax – maksymalna głębokość chropowatości

Rmr – względny udział materiałowy

Rn – promień zaokrąglenia nierówności powierzchni narzędzia

Rp0,2 – granica plastyczności

Rpk – zredukowana wysokość wzniesień

Rq – średnie kwadratowe odchylenie rzędnych profilu

Rs – promień zaokrąglenia krawędzi stempla

Rsk – współczynnik asymetrii profilu

Rt – całkowita wysokość nierówności

Rvk – zredukowana głębokość dolin

s – stosunek rzeczywistej do nominalnej powierzchni kontaktu

Sa – średnie arytmetyczne odchylenie rzędnych powierzchni

Sal – długość odcinka najszybszego zanikania funkcji autokorelacji

Sbi – wskaźnik nośności powierzchni

Sca – średnia wytrzymałość na ścinanie styku ciernego

Sci – wskaźnik zatrzymania cieczy przez rdzeń

Sdq – średnie kwadratowe nachylenie powierzchni

Sdr – współczynnik rozwinięcia obszaru wydzielonego

Sds – gęstość wierzchołków nierówności powierzchni

Sku – współczynnik nachylenia powierzchni

Spk – zredukowana wysokość wzniesień

Sq – średnie kwadratowe odchylenie rzędnych powierzchni

Ssc – średnia arytmetyczna krzywizna wierzchołków nierówności powierzchni

Ssk – współczynnik asymetrii powierzchni

St – maksymalna wysokość powierzchni

Std – kierunek tekstury powierzchni

Str – wskaźnik tekstury powierzchni

Svi – wskaźnik zatrzymania cieczy przez wgłębienia

Sz – wysokość chropowatości według 10 punktów

T – siła tarcia

– siła tarcia w smarowaniu hydrodynamicznym

Tp – temperatura

u – strzałka ugięcia pod obciążeniem

us – strzałka ugięcia po odciążeniu

v – prędkość poślizgu

vr – względna prędkość poślizgu

vs – prędkość poślizgu materiału odkształcanego względem narzędzia

Vmc – objętość rdzenia

Vmp – objętość materiału wierzchołków

Vvc – objętość pustek rdzenia

Vvv – objętość pustek we wgłębieniach

wz – wskaźnik zużycia

yi – sygnał neuronu wyjściowego dla i-tego wzorca

zi – oczekiwany sygnał neuronu wyjściowego dla i-tego wzorca

α – kąt pochylenia ścianki wytłoczki

β – współczynnik wytłaczania

βs – kąt sprężynowania

– szybkość ścinania

Δr – współczynnik anizotropii płaskiej

ε – odkształcenie

– prędkość odkształcenia

εb – odkształcenie rzeczywiste szerokości próbki

εg – odkształcenie rzeczywiste grubości próbki

ηd – lepkość dynamiczna smaru

θ – kąt opasania przeciwpróbki

λc – długość fali filtru profilu

μ – współczynnik tarcia

μB – współczynnik tarcia Wanheima–Bay’a

μl – współczynnik tarcia w warunkach smarowania

μN – współczynnik tarcia Nortona–Hoffa

μs – współczynnik tarcia w warunkach tarcia suchego

υ – współczynnik Poissona

ξ – kąta natarcia wierzchołka chropowatości

ρ – gęstość wierzchołków

– naprężenie zredukowane

σav – średnia wartość naprężenia uplastyczniającego

σp – naprężenie uplastyczniające

τ – naprężenie styczne

τmax – wytrzymałość materiału na ścinanie

ϕ – kąt pochylenia powierzchni matrycy

φr – odkształcenie rzeczywiste

ψ – wskaźnik względnej grubości warstwy smaruWYKAZ WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW

AHSS – zaawansowane stale wysokowytrzymałe

ANOVA – analiza wariancji

AW – dodatki przeciwzużyciowe

AWJ – strumień wodno-ścierny

BP – (algorytm) wstecznej propagacji

CCD – centralny plan kompozycyjny

CLF – współczynnik strat tarcia

CNC – sterowanie numeryczne (obrabiarek)

CNT – nanorurki węglowe

CVD – chemiczne osadzanie z fazy gazowej

CP – technicznie czysty (tytan)

DLC – powłoka diamentopodobna

DLIP – bezpośrednia laserowa litografia interferencyjna

EA – emisja akustyczna

EBT – teksturowanie wiązką elektronów

EMF – kształtowanie elektromagnetyczne

EMIF – elektromagnetyczne kształtowanie przyrostowe

FLC – krzywa odkształceń granicznych

FLD – wykres odkształceń granicznych

FLSD – wykres naprężeń granicznych

GRNN – sieć neuronowa realizująca regresję uogólnioną

h-BN – heksagonalny azotek boru

HMH – Huber–Mises–Hencky (hipoteza)

HVOF – natryskiwanie ultradźwiękowe

ISO – Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna

MAO – utlenianie elektrolityczno-plazmowe

MES – metoda elementów skończonych

MHP – młotkowanie maszynowe

MLP – perceptron wielowarstwowy

OFC – miedź beztlenowa

PECVD – chemiczne osadzanie z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym

PVD – fizyczne osadzanie z fazy gazowej

RBF – radialna funkcja bazowa

RMS – błąd średniokwadratowy

SFE – energia błędu ułożenia

SPIF – jednopunktowe wytłaczanie przyrostowe

TD – dyfuzja termiczna

TPIF – dwupunktowe wytłaczanie przyrostowe

WC – węglik wolframu

WJ – strumień wody

WJISF – kształtowanie przyrostowe strumieniem wody

WMS – wtórna mgła wodna

ZDDP – dialkiloditiofosforan cynku1
WPROWADZENIE

Technologie obróbki plastycznej pozwalają nadać materiałowi odpowiednie właściwości użytkowe, które zależą od warunków reologicznych procesu obróbki plastycznej oraz od zabiegów cieplno-plastycznych przeprowadzanych w trakcie lub bezpośrednio po zakończeniu procesu kształtowania. Przetwórstwo metali stanowi jeden z najważniejszych sektorów gospodarki. Oprócz ciągłego doskonalenia istniejących metod kształtowania plastycznego wdrażane są także nowe technologie, których celem jest zmniejszenie energochłonności obróbki, modernizacja maszyn technologicznych, narzędzi, a także stworzenie warunków kształtowania przyjaznych środowisku naturalnemu, wpisując się w politykę klimatyczną państw Unii Europejskiej.

Branża przeróbki plastycznej blach jest w dużym stopniu uzależniona od zapotrzebowania ze strony innych sektorów przemysłu, które są jej największym użytkownikiem. Postęp w technologiach obróbki plastycznej stymulowany jest przede wszystkim rozwojem w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, które obfitują w innowacje egzogeniczne, przede wszystkim w nowe technologie wytwarzania, nowy park maszynowy oraz systemy automatyzujące produkcję. W kontekście koncepcji „Przemysł 4.0” rozwój technologii przeróbki plastycznej może być kołem zamachowym wprowadzanych innowacyjnych wdrożeń. Realizacja tej koncepcji kreuje zwiększony popyt na innowacje w obszarze nowych materiałów oraz technologii wytwarzania. Dążenie do ciągłej optymalizacji kosztów produkcji, rosnące wymagania jakości wyrobów oraz częste zmiany konstrukcyjne wyrobów wymuszają modernizację narzędzi, technologii wytwarzania oraz parku maszynowego. Równolegle wymagane jest kompleksowe podejście do zmniejszenia energochłonności oraz materiałochłonności.

Jednym z kluczowych zjawisk warunkujących otrzymanie wyrobów o odpowiedniej jakości jest zjawisko tarcia występujące pomiędzy powierzchniami narzędzia oraz odkształcanego materiału. Tarcie zachodzące przy dużych wartościach nacisków może w sposób istotny różnić się od zjawisk występujących przy małych obciążeniach oraz w węzłach kinematycznych maszyn z uwagi na duży wpływ odkształceń plastycznych mogących intensyfikować wiele zjawisk w strefie kontaktu. W porównaniu z konwencjonalnymi węzłami kinematycznymi maszyn w procesach kształtowania blach z założenia wytrzymałość materiału jednego elementu pary ciernej (narzędzia) jest znacznie większa niż wytrzymałość elementu współpracującego – kształtowanego materiału, który doznaje intencjonalnych odkształceń plastycznych. Początkowa topografia powierzchni blachy pod wpływem dużych odkształceń podlega ciągłej ewolucji w trakcie procesu obróbki. Zużycie będące efektem mechanicznego oddziaływania trących materiałów jest zjawiskiem utrudniającym uzyskanie elementów o założonej jakości powierzchni. Tarcie nierozerwalnie wiąże się z przeróbką plastyczną metali, a zjawiska z nim związane są nieodwracalne. Technolog ma do dyspozycji wiele środków i metod doboru optymalnych warunków smarowania w celu zwiększenia wydajności i niezawodności procesu kształtowania.

W książce przedstawiono specyfikę zjawiska tarcia występującego w procesach kształtowania blach wykonanych z podstawowych materiałów stosowanych w tłocznictwie, przede wszystkim na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego. Wyszczególniono metody badań zjawiska tarcia i zużycia w poszczególnych obszarach formowanej blachy oraz wskazano ich wady i zalety. Dużo uwagi poświęcono także opisowi stanowisk tribologicznych i składających się na nie elementów. Omówiono również rolę tarcia w prowadzeniu typowych i niekonwencjonalnych metod przeróbki plastycznej blach. Scharakteryzowano podstawowe smary wykorzystywane w praktyce kształtowania blach, w tym smary bazujące na olejach roślinnych o wysokim stopniu biodegradowalności wpisującej się w trend projektowania procesów technologicznych sprzyjających ochronie środowiska naturalnego. Znajomość mechanizmów, jakie zachodzą w procesach tarcia i smarowania, pozwala na konstruowanie narzędzi zużywających się w minimalnym stopniu podczas pracy i odznaczających się niezawodnością i trwałością. Jednymi z najbardziej efektywnych sposobów na zwiększenie właściwości fizykomechanicznych narzędzia są metody mechanicznego i fizykomechanicznego umocnienia warstwy wierzchniej, naniesienie odpornych na zużycie powłok i kompleksowa obróbka powierzchniowa. Przedstawiono techniki konstytuowania warstw wierzchnich na narzędziach z uwzględnieniem powierzchni teksturowanych oraz metody laserowego, chemicznego i fizycznego osadzania powłok. Omówiono również materiały oraz powłoki samosmarujące. Efektywność pracy narzędzi do przeróbki plastycznej oraz jakość powierzchni wyrobów zależą przede wszystkim od właściwości eksploatacyjnych warstwy wierzchniej narzędzia, w szczególności jej odporności na zużycie cieplne, tribologiczne oraz zmęczeniowe. Znajomość przedstawionych mechanizmów zużycia narzędzi jest fundamentem w zrozumieniu problemu doboru właściwego materiału i technologii obróbki do wytwarzania określonego wyrobu.

Obserwuje się rosnące zainteresowanie przemysłu motoryzacyjnego blachami ze stopów metali nieżelaznych, które przy wytrzymałości dorównującej stali charakteryzują się mniejszą masą. Wytwarzanie wytłoczek z blach charakteryzujących się niską tłocznością wiąże się z koniecznością pokonania wielu problemów związanych z odkształceniami sprężystymi wyrobów i ograniczoną możliwością zadawania odkształceń. W ostatnich latach wraz z upowszechnieniem obrabiarek sterowanych numerycznie obserwuje się dynamiczny rozwój kształtowania przyrostowego. W procesie wytłaczania przyrostowego trzpień formujący o zaokrąglonym kształcie o swobodnym lub wymuszonym ruchu obrotowym formuje stopniowo blachę, wykonując zintegrowany ruch dookoła brzegu kształtowanego półfabrykatu. Miejscowy charakter kontaktu narzędzi z blachą sprawia, że zjawiska tarcia towarzyszące temu procesowi odbiegają od zjawiska zachodzącego podczas klasycznego wytłaczania. Zwiększone naciski jednostkowe to między innymi większa skłonność do występowania połączeń tarciowych, co z kolei powoduje wzrost oporów tarcia i zwiększone zużycie związane z bardziej intensywnym względnym przemieszczaniem się powierzchni skojarzenia tarciowego.

Przedstawienie specyfiki tarcia zachodzącego w różnych procesach kształtowania ze względu na kinematykę ruchu narzędzi, występujące naciski oraz właściwości tribologiczne narzędzi oraz odkształcanego materiału jest jednym z celów niniejszej publikacji. Wobec licznych problemów towarzyszących deformacji plastycznej materiałów książka stanowi kompendium wiedzy na temat tribologicznych aspektów procesów kształtowania blach. Na wybranych przykładach dokonano analizy zjawisk towarzyszących konwencjonalnym i niekonwencjonalnym metodom obróbki najczęściej wykorzystywanych gatunków materiałów metalowych.

Książka przeznaczona jest dla szerokiego kręgu Czytelników, w szczególności dla studentów, doktorantów, słuchaczy studiów podyplomowych oraz inżynierów, zwłaszcza technologów opracowujących procesy kształtowania wyrobów powłokowych. Może stanowić również wartościową pomoc dla pracowników naukowych zainteresowanych problemami tarcia i smarowania w procesach kształtowana blach.