Determinarea Fortei de Deformare la Obtinerea Profilelor prin Lovire Intermitenta

Universitatea din PitetiFacultatea de Mecanic i TehnologieDepartamentul Fabricaie i Management IndustrialMaster IMFP

TEMA 3

Autor:

PitetiAnul universitar 2012-2013Universitatea din PitetiFacultatea de Mecanic i TehnologieDepartamentul Fabricaie i Management IndustrialMaster IMFP

Determinarea forei de deformare la obinerea profilelor prin lovire intermitent

Autor:

PitetiAnul universitar 2012-2013Cuprins

Introducere31.Studiul bibliografic: Aspecte teoretice privind procesul de deformare prin lovire intermitent; msurarea forelor de deformare31.1Procesul de deformare prin lovire intermitent31.2Forele de deformare; msurarea acestora41.3Materialul utilizat OLC1552.Modelarea procesului de achiere62.1Ecuaia forei de achiere63.Planificarea experienelor73.1Parametrii de intrare73.2Domeniul de variaie si valorile parametrilor de intrare73.3Planul de experiene84.Metode si mijloace utilizate la determinrile experimentale84.1Mijloace utilizate84.2Modul de lucru: reglaje, msurtori, verificri115.Prelucrarea datelor115.1Ecuaia forei n variabil normat115.2Ecuaia forei in variabil natural165.3Calculul dispersiei175.4Calculul adecvanei175.5Semnificaia coeficienilor ecuaiei195.6Determinarea parametrilor de cmp ai dependenei206.Concluzii21BIBLIOGRAFIE

IntroducereObiectivele cercetrilor: Se urmrete determinarea dependenei forei de deformare a materialului la obinerea unui profil metric din oelul OLC15 prin lovire intermitent n funcie de avans i de adncimea ptrunderii n material cu ajutorul unor valori obinute pe cale experimental.

Ce se prezint n lucrare: Lucrarea prezint modul de prelevare a datelor experimentale i prelucrarea acestora n cazul n care o mrime este n dependen liniar de 2 variabile (avans i adncimea de ptrundere). Datele experimentale se vor culege pentru 8 combinaii ale valorilor parametrilor de intrare

Locul unde s-au efectuat cercetrile: n laboratorul de cercetare al Universitii din Piteti.

1. Studiul bibliografic: Aspecte teoretice privind procesul de deformare prin lovire intermitent; msurarea forelor de deformare1.1 Procesul de deformare prin lovire intermitent

Procedeul de deformare prin lovire intermitenta este un procedeu de prelucrare prin deformare volumic la rece. La prelucrarea prin deformare volumic, materialul semifabricatului este redistribuit, total sau parial, n piesa finit, sub aciunea forei de presare cu care se acioneaz asupra lui. n funcie de modul n care se realizeaz aceast redistribuire i de mrimea ei, se disting i alte procedee de prelucrare prin deformare volumic:- lirea (aplatizarea);- refularea- presarea n matri;- calibrarea prin presare- extrudarea;- filetarea prin rulare;- procedee speciale de deformare volumic (deformarea volumic rotativ, forjarea radial, forjarea orbital, etc).Prin aceste procedee de prelucrare se obin, n foarte multe cazuri, piese finite, cu precizii dimensionale i de calitate a suprafeei foarte bune, cu o productivitate ridicat. Datorit ecruisrii materialului, se obin caracteristici mecanice superioaren comparaie cu cele ale semifabricatului iniial sau cu cele obinute la prelucrarea prin alte procedee.Avantajele deformri plastice:- economie de material;- productivitate mare;- proprieti mecanice mbuntite datorit unei structuri omogene i mai dense;- consum minim de materiale;- precizie mare de prelucrare (mai ales la deformare plastic la rece);- posibilitatea obinerii unor forme complexe cu un numr minim de operaii i manoper redus;- posibilitate de automatizare (linii de automatizare + celule flexibile de fabricaie);- posibilitatea de a realiza piese complexe, care sunt dificil sau chiar imposibil de a obine prin alte proceduri de prelucrare (nalt precizie a suprafeelor generate care nu necesit prelucrri ulterioare).Dezavantaje ale deformri plastice:- investiii iniiale mari n ceea ce privesc utilajele folosite;- necesitatea unor fore mari pentru deformare;- dei acestea sunt utilizate, ele sunt incomplet caracterizate din punct de vedere tehnologic, datele tehnice sunt strict legate de rezolvarea situaiilor concrete.Deformarea se consider plastic dac eforturile unitare datorate forelor de prelucrare tehnologic sunt peste limita de curgere convenional..Legile deformrii plastice sunt urmtoarele (aceste legi sunt valabile att la deformarea plastic la cald ct i la rece): legea volumului constant: volumul semifabricatului supus deformrii plastice (la cald sau la rece) este egal cu volumul piesei finite. legea prezenei deformaiilor elastice n timpul deformrilor plastice:

Deformarea plastic este ntotdeauna nsoit de o deformare elastic. Nu putem ajunge n zona de plasticitate fr s trecem prin cea de elasticitate. (Hooke). Conform acestei legi, dup prelucrarea prin deformare plastic la rece apare o tendin de relaxare a materialului. Solicitarea ncetnd, nceteaz deformarea elastic, ceea ce produce relaxarea materialului, rmnnd numai deformarea plastic. legea rezistenei minime.Orice form a seciunii transversale a unui corp supus deformrii plastice prin refulare n prezena frecrii pe suprafaa de contact tinde s ia forma care are perimetrul minim la suprafaa dat; la limit tinde ctre cerc.Deplasarea punctelor corpului pe suprafaa perpendicular pe direcia forelor exterioare are loc dup normal cea mai scurt dus la perimetrul seciunii. Deplasarea maxim se va produce n acea direcie n care se va deplasa cea mai mare cantitate de material. legea apariiei i echilibrrii eforturilor interioare suplimentare: La orice schimbare a formei unui corp policristalin aflat n stare plastic apar n interiorul materialului eforturi suplimentare care se opun deformrii relative i care tind s se echilibreze reciproc. legea similitudinii: Pentru aceleai condiii de deformare a dou corpuri geometrice asemenea care au mrimi diferite, presiunile specifice de deformare sunt egale ntre ele, raportul forelor de deformare fiind egal cu ptratul raportului mrimilor liniare. Legea este valabil cnd ambele corpuri au aceleai faze structurale, aceeai stare chimic i aceleai caracteristici mecanice, iar temperatura corpului la nceputul deformrii este aceeai.

1.2 Forele de deformare; msurarea acestora

Deformarea plastic a metalelor i aliajelor se produce numai la o anumit valoare a forelor exterioare. Aceast deformare se menine i dup ndeprtarea forelor care a provocat-o. Metalele i aliajele sunt corpuri solide deformabile care au nsuiri elastice i plastice. De aceea, la prelucrarea metalelor prin lovire sau presare, deformarea plastic este precedat ntotdeauna de deformarea elastic. Dup nlturarea forei exterioare, deformarea elastic se recupereaz i rmne numai deformarea plastic. La prelucrarea prin deformarea plastic, metalele i aliajele se deformeaz, n principal, prin dou mecanisme, i anume: alunecarea i maclarea. Alunecarea n reelele cristaline const n deplasarea n ntregime a unei pri de cristal, n raport cu altele, pe planele de maxim densitate de atomi, numite plane de alunecare, i n direciile de alunecare pe care atomii au aezarea cea mai dens. La alunecare, deplasarea se face cu un multiplu ntreg de distane atomice si pe un numr mic de plane atomice (1 pn la 100 plane atomice), fr a distruge coeziunea dintre prile alturate ale cristalului.Msurarea forei este prezena ingineria mecanic i civil. De fiecare dat cnd se va msura o presiune, se va msura de fapt o for.Metodele de sesizare a forei pot fi mprite n urmtoarele categorii: prin compararea forei de msurat cu fora gravitaional sau cu o mas standard prin msurarea acceleraiei unui corp de mas cunoscut atunci cnd i se aplic for exterioar prin compararea forei de msurat cu o for determinate de un cmp electromagnetic prin convertirea forei de msurat la o presiune a unui lichid i msurarea acelei presiuni prin msurarea deformrii produse de for asupra unui material elastic.

1.3 Materialul utilizat OLC15

Oelul OLC15 este un aliaj ce conine ca elemente principale fierul i carbonul, avnd un coninut de carbon sub 2,11%. Aliajele fier-carbon cu mai mult de 2,11% carbon se numesc fonte. Oelurile sunt materialele cu cea mai larg utilizare n industrie. Proprietile lor pot s varieze n limite foarte largi n funcie de coninutul de carbon i de alte elemente de aliere.OLC15 este un oel cementat cu rezisten redus n miez. Este folosit la boluri, prghii, chei, pene de ghidare.Compoziia chimic i caracteristicile mecanice ale materialului OLC15 sunt prezentate n tabelele urmtoare (tabel 1 i tabel 2).

Tabel 1Compozitia chimic Carbon ManganSiliciu Sulf Fosfor

0,12...0,18%0,35...0,65%0.17...0.370%0,02-0,045%max. 0,04%

Tabel 2Caract. mecanice Limita de curgere Rp0,2Rezist. la traciune RmAlung. la rupere A5Reziliena KCU 30/2Modulul de elastic. ECoef. PoissonDuritate Brinell n stare recoapt

480 N/mm2min. 273 N/mm2min. 27%40 J/cm221000 N/mm20.3max.207

Tratamentele termice aplicabile acestei mrci de oel sunt: tratamente termice primare, aplicate pe semifabricate cu grad redus de prelucrare: recoacere de normalizare, recoacere de omogenizare, recoacere de nmuiere; tratamente termice secundare (finale), aplicate pieselor finite: clire, revenire, tratamente termochimice.Printre caracteristicile tehnologice ale acestui material se regsesc i forjabilitatea, achiabilitatea i clibilitatea.2. Modelarea procesului de achiere2.1 Ecuaia forei de achiere

Valorile ce urmeaz a fi prezentate exprim dependena unei mrimi de 2 variabile

aceast dependen putnd fi exprimat printr-o ecuaie de form:

unde Y depinde liniar de variabilele i .

Variabilele i sunt variabile independente deoarece la experimentri au valori impuse, iar Y este variabil dependent, care se msoar. Pentru diferite valori , se msoar Y obinnd un ir de date. A prelucra acest ir de date nseamn, n principal, a determina ecuaia planului care exprima cel mai bine dependenta respectiv i cmpul n care se ncadreaz.Aceast ecuaie reprezint modelul matematic adoptat pentru caracterizarea procesului sau fenomenului. La o dependen liniar a unei mrimi de mai multe variabile se poate ajunge i prin artificii matematice.n urma cercetrilor experimentale privind dependena mrimii forei funcie de avans i de adncimea ptrunderii n material s-a stabilit ca fora poate fi exprimat printr-o relaie de form:

n care a, b, c sunt constante iar, i reprezint avansul i adncimea ptrunderii n material. Aceast dependen poate fi liniarizat prin logaritmare:

Fcnd substituirile: lg (Fz) = Y; lg (a) = A0; b=A1; lg (sr) =x1; c=A2; lg (h1)=x2, se obine ecuaia liniar:

Mrimile , sunt cunoscute avnd valori impuse, iar mrimea Y se msoar. Pentru a determina ecuaia trebuie s se determine coeficienii , i .

3. Planificarea experienelor3.1 Parametrii de intrare

Parametrii de intrare folosii la realizarea acestui experiment sunt avansul sr n [mm/rot] i adncimea h1 n [mm], iar parametrul de ieire este fora Fz n [N] necesar determinrii ecuaiei.Pentru centralizarea datelor obinute dup realizarea experimentului se va folosi un tabel de forma celui de mai jos (tabel 3), n care prima coloan cuprinde numerotarea experimentelor, urmtoarele 2 valorile datelor de intrare, iar n ultima se va completa valoarea de ieire masurata pentru fiecare experiment.

Tabel 3Nr.experienesrh1Fz

10.20.322088

20.50.323540

30.20.623365

40.50.624837

50.350.474034

60.350.474056

70.350.474094

3.2 Domeniul de variaie si valorile parametrilor de intrare

Domeniul de variaie al parametrilor de intrare folosii la realizarea acestui experiment sunt: pentru avansul sr de la 0.2 la 0.5 [mm/rot] i pentru adncimea h1 de la 0.32 la 0.62 [mm], iar valorile intermediare adoptate pentru aceti parametri sunt prezentai n tabelul de mai jos (tabel 4).

Tabel 4Nr.exps [mm/rot]t [mm]

10.20.32

20.50.32

30.20.62

40.50.62

50.350.47

60.350.47

70.350.47

3.3 Planul de experiene

La realizarea acestui experiment se folosete un plan factorial complet cu 2 nivele de tipul , n cazul de fa m=2 (nr. de variabile) i nc=3 (nr. de repetri centrale) => NTesp = experiene prezentat n tabelul urmtor (tabel 6). Tabel 6Nr.exps [mm/rot]t [mm]Yi

1-1-1Y1

21-1Y2

3-11Y3

411Y4

500Y5

600Y6

700Y7

4. Metode si mijloace utilizate la determinrile experimentale4.1 Mijloace utilizate

Pentru realizarea experimental a procesului de deformare plastic prin lovire intermitent, s-a utilizat o main de frezat universal i un cap de rulare special conceput i realizat pentru a suplini micarea de divizare. Capul de rulare utilizat are cinci role (r1, r2,... r5) decalate axial, una fa de alta, cu pasul p, i unghiular la unghiuri egale de 72 Fig.1.Standul utilizat la experimentri, este realizat pe maina de frezat FU 32. Structura bloc a acestuia const n: dou capete cu role pentru rularea de profile metric; un dispozitiv pentru orientarea i fixarea pieselor de prelucrat; un traductor pentru msurarea celor dou componente ale forei de rulare; piesele de prelucrat; sistemul de achiziie a forelor compus din: SPIDER; calculator; programul de achiziie date CATMAN.

Fig.1 Capul de rulare

Avnd n vedere cinematica specific procesului de rulare cu role planetare i faptul c profilele de rulat sunt simetrice, fora de rulare F se manifest ntr-un plan perpendicular pe axa rolei Fig.2. Aceast for apare la contactul rolei cu pies, pe arcul de cerc OO1A i acioneaz ca rezultant ntr-un punct.

Fig.2 Fora de rulare i componentele acesteia

Pentru msurarea celor dou componente ale forei, s-a utilizat traductorul cu mrci tensometrice rezistive, conceput pentru msurarea forelor la prelucrri pe maina utilizat.Traductorul de msurare a forelor este alctuit din dou plci: placa de baz i respectiv placa superioar. ntre cele dou plci sunt fixate elementele elastice E1 i E2, de tip inelar. Pe aceste elemente sunt lipite mrci tensometrice legate n puni. Acestea permit msurarea celor dou componente ale forei de rulare. Pe placa superioar este fixat, cu uruburi, piesa de prelucrat.innd cont de recomandrile din literatur de specialitate, traductorul a fost conceput cu 4 semi inele, dispuse n linie. Pentru a obine cei mai buni parametri pentru traductor, s-a urmrit ca: - raza la interior a inelelor Ri s fie ct mai mic; grosimea g a inelelor s fie mare; nlimea h la care se aplic fora orizontal s fie mic; distana L ntre inele s fie mare.Ca orice alt traductor de fore, prin faptul c se interpune n fluxul forei msurate acesta influeneaz msurarea. Parametrul cel mai important de influen este rigiditatea traductorului pe cele dou direcii ale forelor. Este de dorit ca aceast rigiditate s fie ct mai mare pentru a nu aprea vibraii la prelucrare. Rigiditatea mare se obine pentru: Ri mic, g mare, H mic. O rigiditate mare, ns, duce la scderea deformaiilor i deci a sensibilitii traductorului.Solicitrile maxime pe fiecare inel sunt: de 6 kN pe vertical i 2 kN pe orizontal.Montajul mrcilor tensometrice pe fiecare inel pentru cele dou componente s-a fcut ca n Fig.3. Mrcile utilizate sunt de tipul HBM-1,5/120 XY11, cu urmtoarele caracteristici: sensibilitatea, k = 1,941%. rezistena, R = 120 0,02%

Fig.3 Montajul mrcilor tensometrice

S-au ales pentru inele urmtoarele dimensiuni: raza la interior, ri a inelului de 40 mm; grosimea inelului de 10 mm; limea unui inel de 20 mm;Traductorul care msoar forele se leag la canalele 1 i 2 ale sistemului de achiziie date cu ajutorul cablului i a unei mufe cu 15 pini.

Fig 4. Sistemul de achiziie

Sistemul de achiziie date (SPIDER 8) permite msurarea i achiziia simultan de date pe patru canale. Programul CATMAN utilizat pentru achiziia datelor este structurat pe trei module: n primul modul se pregtete achiziia datelor stabilindu-se tipul i modul de legare a traductoarelor precum i domeniul de msurare, n al doilea modul se realizeaz achiziia datelor iar n al treilea se prelucreaz datele achiziionate.

Fig 5 Structura programului CATMAN4.2 Modul de lucru: reglaje, msurtori, verificri

Maina unealt se pune n funciune cu cteva minute nainte de nceperea ncercrii pentru atingerea turaiei necesare. Prin intermediul calculatorului se fac setrile sistemului de achiziie date SPIDER 8 i se pregtete programul CATMAN n vederea achiziionrii datelor. Setrile necesare pentru achiziia datelor se realizeaz prin intermediul calculatorului.n continuare se stabilete pentru fiecare canal modul de legare a traductoarelor (semipunte sau punte complet) i domeniul de msurare care poate fi de la 3 mV/V pn la 500 mV/V. Astfel, mrcile tensometrice ale traductorului sunt legate n punte complet i au un domeniu de msurare de 3mV/V.Se pregtete achiziia datelor cu programul CATMAN stabilindu-se tipul i modul de legare a traductoarelor precum i domeniul de msurare. Se seteaz n program modul de achiziie al datelor. n acest caz achiziia se va face continuu pe dou canale ale sistemului. Frecvena de achiziie va fi setat la 4800Hz.Epruveta se aeaz pe placa superioar a traductorului i se fixeaz cu dou uruburi. n continuare se regleaz avansul mesei, turaia sculelor (n=235rot/min) i adncimea de ptrundere a rolelor.Se comand startul achiziiei datelor n programul CATMAN. Programul afieaz pe parcursul nregistrrii datelor evoluia unuia dintre parametrii msurai care a fost dinainte stabilit n funcie de timp, numrul valorilor nregistrate i timpul scurs de la nceputul achiziionrii.

5. Prelucrarea datelor5.1 Ecuaia forei n variabil normat

Ecuaia forei este exponenial:

Pentru a se liniariza se va logaritma astfel:

Se fac substituirile:, , , , ,

Se obine ecuaia liniar:

Astfel coeficienii vor deveni:Tabel 7Nr.experienex1=lg(sr)x2=lg (h1)Y=lg (Fz)

1-0.698970-0.4948503.319730

2-0.301030-0.4948503.549003

3-0.698970-0.2076083.526985

4-0.301030-0.2076083.684576

5-0.455932-0.3279023.605736

6-0.455932-0.3279023.608098

7-0.455932-0.3279023.612148

nainte de nceperea prelucrrii datelor se vor determina valorile aberante din irul de date ce urmeaz a fi prelucrat, astfel:

Calculul mediei:

Calculul dispersiei:

unde Yi =fora pentru fiecare experien n parte, =media acestora i n=numrul de experiene.

Verificarea valorilor aberante:

Se alege din tabelul 8 valoarea pentru htab n funcie de nivelul de ncredere i de numrul de repetri. Astfel rezult:

Tabel 8

; => => valoare aberant

=> => valoare neaberantn acest caz se scoate valoarea aberant i se reiau calculele. Astfel se obine:

Tabel 9Nr.experienex1=lg(sr)x2=lg (h1)Y=lg (Fz)

1-0.301030-0.4948503.549003

2-0.698970-0.2076083.526985

3-0.301030-0.2076083.684576

4-0.455932-0.3279023.605736

5-0.455932-0.3279023.608098

6-0.455932-0.3279023.612148

Rezult:

Calculul mediei:

Calculul dispersiei:

Verificarea valorilor aberante:

Tabel 10

; => => valoare neaberant

=> => valoare neaberantNu mai exist valori aberante.

Ecuaia n variabil normat:

Pentru calculul ecuaiei normate se determin variabilele normate z1 i z2 cu formula:

Rezult:

Rezultatele se trec n tabelul 11: Tabelul 11Nr.experienez1z2Y=lg(Fz)

11-13.549003

2-113.526985

3113.684576

4003.605736

5003.608098

6003.612148

Constantele pentru ecuaia n form normat se calculeaz cu urmtoarele formule:

De aici rezult ecuaia n variabil normat:

5.2 Ecuaia forei in variabil natural

Ecuaia n forma natural este de forma urmtoare:

Pentru ca ecuaia normat s devin ecuaie natural se fac urmtoarele transformri:

=> Astfel rezult:

Se separ coeficienii si se obine:

Ecuaia n variabil natural este de forma urmtoare:

sau

5.3 Calculul dispersiei

5.4 Calculul adecvanei

Prin testul de adecvan se stabilete dac ecuaia aleas pentru a reprezenta datele experimentale este adecvat precum i msura acestei adecvane. Se poate testa adecvana ecuaiei pentru a reprezenta datele experimentale folosind testul F (Fisher). Pentru a aplic acest test se calculeaz:

Unde: -dispersia adecvanei

-reprezint dispersia adoptat ca medie a valorilor n cele m puncte

unde:= nr de repetri pentru experienele centrale m = numrul de experiene realizate

= valorile Y msurate

= media valorilor msurate n centru

= valorile calculate cu ajutorul ecuaiei P = numrul de parametri ai ecuaiei care reprezint dependenan cazul dependenei de dou variabile P = 3 deoarece P reprezint numrul de condiii(restricii). Astfel rezult:

Se calculeaz cu ecuaia n variabil normat pentru experiena ce se repet de 3 ori pentru ambele variabile sr i h1:

(se calculeaz folosind ultimele valori ale lui Fz, acestea fiind experienele ce se repet pentru toate ambele variabile sr i h1).

Astfel rezult:

Se alege din tabelul 12 Ft n funcie de (numitorul lui sA) i de (numitorul lui sD) => Tabel 12

ecuaia nu este adecvat

5.5 Semnificaia coeficienilor ecuaiei

Pentru a stabili semnificaia coeficienilor determinai pentru dreapt se pot aplica diverse teste. n toate cazurile se pleac de la dispersia sT calculat pe baza reziduurilor fa de dreapta de reprezentare.

Se determin mai nti dispersiile coeficienilor , , cu relaiile:

Se detrmin intervalul de variaie al coeficienilor cu relaia:

unde t = cuantila distribuiei i se alege din tabelul 13 n funcie de un nivel de nceredere ales ales (0.95) i numrul de grade de libertate

Tabel 13

coeficient semnificativ

coeficieni nesemnificativi

5.6 Determinarea parametrilor de cmp ai dependenei

Parametri de cmp ai dependenei se determin cu urmtoarea formul:

Coeficienii au fost calculai mai sus cu excepia lui care se alege din tabelul 14.

Rezult (dat fiind c nc=3 si un nivel de ncredere ales )

Tabelul 14

Ecuaia exprimat n funcie de parametrii de cmp devine:

6. Concluzii

Dup realizarea acestei lucrri de laborator, plecnd de la parametrii de intrare i determinnd experimental parametrii de ieire s-au dedus prin calcul urmtoarele ecuaii ce caracterizeaz fora de achiere n funcie de cei 3 parametrii prezentai anterior:

- ecuaia n variabil normat este urmtoarea:

- ecuaia n variabil natural este urmtoarea:

- ecuaiile sunt adecvate

BIBLIOGRAFIE

Ion Ungureanu, 2001, Bazele cercetrii experimentale, Editura Universitii din Piteti;

Monica Iordache, 2013, Laborator Tehnici de cercetare, Universitatea din Piteti;

Monica Iordache, 2013, Curs Tehnici de cercetare, Universitatea din Piteti;

Ion Ungureanu, 2011, Laborator Prelucrarea datelor de msurat, Universitatea din Piteti;

Ion Ungureanu, 2011, Curs Prelucrarea datelor de msurat, Universitatea din Piteti;

0