Temat odkuwki jako półfabrykatu poruszyłem również we wpisie Tuleja – ramowy proces – odkuwka, który jednak moim zdaniem nie wyczerpywał zagadnienia opracowania projektu odkuwki jako półfabrykatu. W jednym z poprzednich wpisów przedstawiłem Odlew jako półfabrykat krok po kroku i w takim zakresie postanowiłem opisać proces powstawania projektu odkuwki. Podstawę stanowi norma PN-86/H-94301 Odkuwki stalowe matrycowe. W procesie dydaktycznym przy projektowaniu procesów technologicznych przyjmuje się, że opracowanie projektu półfabrykatu jest niezbędne. Celem jest doskonalenie doboru naddatków obróbkowych oraz czytania dokumentacji konstrukcyjnej. Z punktu widzenia opracowywania procesu technologicznego ważny jest dobór naddatków obróbkowych i kształt półfabrykatu. W dalszej części tego artykułu opisałem przebieg opracowania projektu odkuwki jako półfabrykatu dla części klasy tuleja (ilustracja 1).

Ilustracja 1. Rysunek konstrukcyjny przykładowej tulei.

Na ilustracji 2 przedstawiono model 3D tulei z ilustracji 1. Dokładnie ten sam projekt posłużył do opracowania projektu odlewu jako półfabrykatu.

Ilustracja 2. Model 3D tulei z ilustracji 1.

Rodzaj materiału z jakiego ma być wykonana część w produkcji seryjnej determinuje wybór metody techniki wytwarzania jaka posłuży do wykonania półfabrykatu. Przykładowe stale stopowe do nawęglania, z których zaleca się wykonywanie tulei to: 1.7131 (16HG) i 1.7262 (18HGM):

• Stal 1.7131 (16HG) o zawartości węgla od 0,14% do 0,19% dedykowana jest do obróbki chemicznej nawęglania. Stal ta cechuje się dużą twardością powierzchni przy jednoczesnej ciągłości rdzenia. Ze stali tej wykonuje się takie części jak: koła zębate, ślimaki, tuleje, wałki rozrządu, elementy podlegające ścieraniu itp. Stal tę można spawać przed nawęglaniem.
• Stal stopowa 1.7262 (18HGM) o zawartości węgla od 0,16% do 0,23% to jakościowa stal stopowa do nawęglania lub ulepszania, która przeznaczona jest na części o większych wymiarach. Stal ta cechuje się wysoką twardością, odporności na ścieranie z jednoczesnym zachowaniem ciągłości rdzenia. Stal ta stosowana jest do produkcji takich elementów części jak: koła zębate, wałki, tuleje, ślimaki i inne części podlegające dużym naciskom i zmiennym obciążeniom.

Obydwie stale cechują się zawartością węgla poniżej 0,65% co okaże się kluczowe przy określaniu jednego z parametrów do projektu odkuwki. Na potrzeby naszego projektu wybieram stal 16HG.

Odkuwka jako półfabrykat

1. Klasy dokładności

Norma PN-86/H-94301 wyróżnia się następujące klasy dokładności:

• zwykła – Z;
• podwyższona – P;
• dokładna – D;
• bardzo dokładna – BD.

W zależności od klas dokładności dobiera się naddatki na obróbkę oraz tolerancję wraz z odchyłkami. Arbitralnie wybrałem zwykłą klasę dokładności wykonania naszej odkuwki.

2. Stopień trudności wykonania odkuwki – gatunek stali

Stopień trudności wykonania matrycowej odkuwki stalowej M1 lub M2 uzależniony jest od gatunku stali i zawartości pierwiastków stopowych. Dla stopnia M1 stal zawiera do 0,65% węgla lub maksymalna zawartość pierwiastków stopowych nie jest wyższa niż 5%. Dla stopnia M2 stal z jakiej wykonywana jest odkuwka zawiera powyżej 0,65% węgla lub suma % zawartości pierwiastków stopowych przekracza 5%.

W naszym przypadku (tabela 1) skład stali 16HG przedstawia się następująco:

Stal 16HG cechuje się zawartością węgla poniżej 0,65%, a suma pierwiastków stopowych stanowiących dodatek do tego gatunku stali wynosi: 3,79%. Spełnione są oba warunki dla stopnia M1 trudności wykonania odkuwki matrycowej w naszym przypadku.

3. Stopień trudności wykonania odkuwki – kształt

W tym przypadku rozróżnia się cztery stopnie trudności: S1, S2, S3 i S4. Stopień trudności wykonania odkuwki ze względu na jej kształt wyznacza się jako iloraz masy odkuwki m do masy bryły opisanej na odkuwce m_b (wzór 1).

Wzór 1.

Wzór 1: S – stopień trudności wykonania odkuwki z kryterium kształtu; m_o – masa odkuwki oszacowana na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej; m_b – masa bryły opisanej na maksymalnych wymiarach odkuwki. Trzeba tu podkreślić, że dysponując jedynie dokumentacją konstrukcyjną gotowego wyrobu na tym etapie określania stopnia trudności wykonania odkuwki ze względu na kształt dokonuje się jedynie szacowania mas odkuwki i bryły opisanej na przyjętym arbitralnie maksymalnych wymiarach zarysu bryły odkuwki.

Masa odkuwki m wyznaczana jest na podstawie rysunku konstrukcyjnego przedmiotu (objętość) z uwzględnieniem gęstości stali. Tu należy zwrócić uwagę, że gęstość stali zawiera się w przedziale od 7500 do 8110 kg/m³. Powszechnie do wstępnych analiz przyjmuje się gęstość stali jako 7850 kg/m³ czyli 7,85 kg/dm³. Według oprogramowania CAD gęstość dla stali stopowej wynosi 7,73 kg/dm³. Na ilustracji 3 przedstawiono poglądowy szkic do określenia stopnia trudności wykonania odkuwki ze względu na kształt. Szacunkowa masa gotowego przedmiotu wynosi ok. 5,83 kg, a szacunkowa masa odkuwki wynosi ok. 9 kg.

Przy szacowaniu masy odkuwki należy rozważyć czy będzie to odkuwka pełna, czy z wgłębieniami. Te ostatnie stanowią czynnik wpływający na koszt odkuwki, koszt późniejszego procesu technologicznego, a przede wszystkim wpływają na masę samej odkuwki. Może się okazać, że oszacowanie masy bez ich uwzględnienia i z ich uwzględnieniem będzie lokował masę odkuwki w różnych przedziałach mas, z których korzystamy przy doborze wymiarów geometrycznych oraz odpowiadających im tolerancji.

Ilustracja 3. Poglądowy szkic do określenia stopnia trudności wykonania odkuwki ze względu na jej kształt.

Wyznaczenie stopnia trudności wykonania odkuwki ze względu na kształt wymaga określenia rzeczywistych wymiarów odkuwki bez tolerancji. Do wyznaczenia tolerancji konieczne jest ustalenie stopnia trudności S. Do doboru naddatków obróbkowych wykorzystuje się takie dane jak masa odkuwki oraz stopień trudności wykonania odkuwki ze względu na materiał M. Nasza odkuwka jest wykonywana na kuźniarkach (tabela 2). Dla odkuwek kutych na młotach i prasach obowiązują odrębne zapisy z kryterium klasy dokładności (Z i P).

Na ilustracji 4 pokazano sposób ustalenia poziomu wartości naddatków wraz z fragmentem tabeli 2. W naszym przypadku stopień trudności ze względu na materiał wynosi M1. Dla danego przedziału masy odkuwki dla jej oszacowanej masy przemieszczamy się wzdłuż czerwonej strzałki do pionowej linii dla stopnia trudności materiałowej M1, a następnie przemieszczamy się poziomo dalej do właściwego wiersza z wartościami naddatków. W przypadku gdyby stopień trudności materiałowej dla naszego przypadku wynosił M2 to po osiągnięciu pionowej linii M1 trzeba by było przemieścić się w dół po skosie wzdłuż strzałki do linii M2 i dalej do dedykowanego dla nas wiersza z wartościami naddatków w zależności od przedziału wymiarowego powierzchni obrabianych.

Ilustracja 4. Fragment tabeli 2.

Po oszacowaniu mas m_o=9 kg  oraz m_b=18 kg  wskaźnik stopnia trudności wykonania odkuwki z kryterium kształtu w przypadku rozpatrywanej konstrukcji wynosi: 0,5. W tabeli 3 zamieszczono dane do ostatecznej kwalifikacji stopnia trudności wykonania odkuwki ze względu na kształt (S1, S2, S3 lub S4). W naszym rozpatrywanym przypadku stopień trudności wykonania ze względu na kształt to S2.

Grubość denka, wartości promieni i pochyleń

Po określeniu naddatków obróbkowych oraz tolerancji wymiarów geometrycznych odkuwki wraz z odchyłkami konieczne jest wyznaczenie wartości różnych wielkości. Na ilustracji 4 widzimy przesadzenie oraz wypływkę.

Ilustracja 4. Szkic pokazujący przesadzenie oraz wypływkę przy płaszczyźnie podziału matrycy.

Na ilustracji 5 przedstawiono pozostałe ważne dla naszego projektu wielkości geometryczne.

Ilustracja 5. Pozostałe istotne dla naszego projektu wielkości geometryczne związane z konstrukcją odkuwki jako półfabrykatu. Opis wielkości zamieszczono poniżej w tabeli 4.

4. Wartość przesadzenia i wypływki

W tabeli 5 zamieszczono dane niezbędne do wyznaczenia wartości przesadzenia oraz wypływki. Ilustracja 5 przedstawia przybliżony szkic odkuwki dla rozpatrywanego projektu. Tego typu płaszczyzna podziału kwalifikowana jest jako płaska i symetryczna. Kolorem czerwonym zaznaczono ścieżkę doboru wartości dla omawianego projektu odkuwki.

5. Dobór tolerancji wraz z odchyłkami dla wymiarów geometrycznych odkuwki

Każda technika wytwarzania cechuje się określonymi, możliwymi do uzyskania, dokładnościami obróbki. W przypadku rozpatrywanego projektu odkuwki przyjęto arbitralnie, że wykonywana ona jest w zwykłej klasie dokładności Z. Norma PN-86/H-94301 przewiduje dobór pól tolerancji wraz z odchyłkami dla określonych zakresów wymiarów nominalnych (tabela 6). Kryteria doboru tolerancji to masa odkuwki ( ok. 9 kg), stopień trudności ze względu na materiał (M1) oraz stopień trudności ze względu na kształt (S2).

6. Minimalna grubość denka g_d

W celu wyznaczenia minimalnej grubości denka w naszej odkuwce konieczne jest wyznaczenie średniej średnicy odkuwki (wzór 2). Następnie wyznaczamy ze wzoru 3 wartość stosunku S_tdh wysokości odkuwki h_o (ilustracja 5) do średnicy średniej d_sr. W kolejnym kroku z tabeli 7 na podstawie wyznaczonej wartości tego stosunku dobieramy minimalną wartość grubości denka. Pamiętajmy, że wartość ta nie może być mniejsza. Większa grubość denka będzie skutkowała innymi parametrami kucia. W dalszym procesie z wykorzystaniem ubytkowych technik wytwarzania, w tym obróbki skrawaniem, denko zostanie usunięte.

Grubość denka rozłożono symetrycznie względem płaszczyzny podziału odkuwki. Takie położenie denka odkuwki wpływa na wyznaczenie h_wg1 – wartość wgłębienia odkuwki wyznaczanej od górnej powierzchni odkuwki do powierzchni denka.

Wzór 2.

Wzór 3.

W naszym przypadku d_z1=Ø174, d_z2=Ø96,6 (tabela 14). Wartość średnicy średniej d_sr=135,3. Wysokość odkuwki po uwzględnieniu naddatków wynosi h_o=93,03. Stosunek S_tdh≅0,687. Na podstawie tabeli 7 g_d=8 mm. Tolerancje dla minimalnej wartości grubości denka dobiera się z tabeli 9.

7. Najmniejsza grubość ścianek g_sm

Minimalną wartość grubości ścianek odkuwki określa się na podstawie wysokości odkuwki h_o. W naszym przypadku h_o=91,43. W tabeli 8 zamieszczono wybrane wartości minimalne grubości ścianki g_sm. Dla rozpatrywanego projektu odkuwki g_sm=20.

W tabeli 9 zawarto wartości pól tolerancji wraz z odchyłkami grubości dla odkuwek kutych na kuźniarkach, młotach oraz prasach wykonywanych w klasie zwykłej Z.

8. Promień zaokrąglenia zewnętrznych krawędzi r_z1

Wartość promienia zaokrąglenia zewnętrznych krawędzi odkuwki ustala się według wysokości odkuwki względem płaszczyzny podziału matrycy h_pm (tabela 10). W naszym przypadku h_pm=78,53 mm. W rezultacie r_z1=6 mm.

9. Minimalne wartości promienia przejścia między przekrojami r_z2

Najmniejszą dopuszczalną wartość promienia przejścia między dwoma różnymi przekrojami odkuwki tulei r_z2 ustala się względem mniejszej średnicy odkuwki d_z2 (ilustracja 5), która w naszym przypadku wynosi d_z2=Ø96,6 mm. W tabeli 11 zamieszczono wybrane dane do doboru promienia zaokrąglenia przejścia między przekrojami odkuwki r_z2. Dla naszego projektu odkuwki r_z2=10 mm.

10. Promień zaokrąglenia wewnętrznych wgłębień r_w1

Wartość promienia zaokrąglenia wewnętrznych wgłębień odkuwki tulei r_w1 ustala się względem wysokości wgłębienia odkuwki h_wg (ilustracja 5). W naszym przypadku h_wg1=75,73 mm, a h_wg2=9,3 mm z uwzględnieniem symetrycznego położenia denka względem płaszczyzny podziału odkuwki. Na podstawie danych w tabeli 12 wartości promienia zaokrągleń wewnętrznych dla powyższych wysokości wgłębień wynoszą odpowiednio R16 i R4 mm.

11. Wartości pochyleń ścianek dla odkuwek kutych na kuźniarkach

W przypadku odkuwki konieczne jest dobranie pochylenia powierzchni zewnętrznych (α_pz) jak i powierzchni wgłębienia w przypadku ich zastosowania (α_pw) – ilustracja 5 i tabela 4. W omawianym projekcie odkuwki wykonywane są na kuźniarkach w zwykłej klasie dokładności. Norma PN-86/H-94301 przewiduje jaki jedno z kryteriów doboru pochyleń odlewniczych metodę wykonywania odkuwki (kucie: pod młotem, pod prasą, pod prasą z wyrzutnikiem oraz w kuźniarkach). W przypadku przedstawianego projektu odkuwki w tabeli 13 zamieszczono dane dla odkuwek kutych w kuźniarkach.

W omawianym projekcie odkuwki przyjąłem, że w przypadku pochyleń powierzchni zewnętrznych powierzchnie te są powierzchniami normalnymi. W przypadku pochyleń wewnętrznych (we wgłębieniach) przyjąłem, że kąt pochylenia zależy od wysokości wgłębienia. Stąd w naszym projekcie odkuwki jako półfabrykatu α_pz=1º, a wartość kąta α_pw przyjąłem uznaniowo i wynosi on 3º.

12. Projekt odkuwki – podsumowanie

Opracowanie projektu odkuwki wymaga tu podsumowania. Poniżej przedstawiono tabelę 14 stanowiącą zestawienie danych niezbędnych do opracowania projektu oraz komentarz autora.

Tabela 14.
Stopień trudności wykonania matrycowej odkuwki stalowej ze względu na materiał:				M1
Stopień trudności wykonania odkuwki ze względu na kształt:				S2
Wymiar konstrukcyjny (ilustracja 1) [mm]	Rodzaj wymiaru:	Dobrany naddatek (na stronę): [mm]	Wymiar z naddatkami: [mm]	Dobrana tolerancja + odchyłki: [mm]
Ø60H7	wewnętrzny	1,6	Ø56,8
89,83	zewnętrzny	1,6	93,03
Ø95	zewnętrzny	1,6	Ø98,2
Minimalna grubość denka gd [mm]:
Minimalna grubość ścianki odkuwki gsm [mm]:
Promień zaokrąglenia zewnętrznych krawędzi rz1 [mm]:				6
Minimalne wartości promienia przejścia między przekrojami rz2 [mm]:				10
Promień zaokrąglenia wewnętrznych wgłębień rw1 dla hwg1=68,53 mm [mm]:				16
Promień zaokrąglenia wewnętrznych wgłębień rw1 dla hwg2=7 mm [mm]:				4
Wartości pochyleń ścianek zewnętrznych dla odkuwek kutych na kuźniarkach αpz [º]:				1º
Wartości pochyleń ścianek we wgłębieniach dla odkuwek kutych na kuźniarkach αpw [º]:				3º

Przy doborze naddatków obróbkowych w przypadku odlewu naddatki dobiera się na tzw. stronę. Zasada ta powoduje, że wartość średnicy zewnętrznej z uwzględnieniem naddatku obróbkowe równa się sumie wymiaru nominalnego konstrukcyjnego i podwojonej wartości dobranego naddatku. W przypadku odkuwki wartość naddatku stanowi całkowitą wartość. W konsekwencji wartość wymiaru zewnętrznego odkuwki definiowana jest jako suma nominalnego wymiaru konstrukcyjnego i dobranej wartości naddatku obróbkowego.

Podczas analizy dolnego wgłębienia okazało się, że nie ma możliwości zastosowania promienia zaokrąglenia zewnętrznego r_z1 równego R6. W celu zachowania dla dolnego wgłębienia promienia zaokrąglenia wewnętrznego R4 konieczna była redukcja promienia r_z1 do wartości R4. Przyjęty kształt uwzględnia zmianę stopnia średnic (Ø80 i Ø60H7).

Natomiast w przypadku zewnętrznego wymiaru Ø96,6 (tabela 14) konieczność uwzględnienia naddatku obróbkowego oraz promienia zaokrąglenia spowodowała konieczność zwiększenia naddatku obróbkowe. Ostatecznie średnica ta (d_z2) wynosi Ø98,61.

W tabeli 14 przedstawiono dobrane pola tolerancji wraz z odchyłkami. Uznałem, że zawarte w normie PN-86/H-94301 wymiary pól tolerancji wraz z odchyłkami są zasadne dla wymiarów zewnętrznych. Dla wymiarów wewnętrznych zamieniłem miejscami wartości odchyłek. Na ilustracji 6 przedstawiono projekt odkuwki części klasy tuleja z ilustracji 1.

Ilustracja 6. Projekt odkuwki jako półfabrykatu dla projektu części klasy tuleja z ilustracji 1.

Źródła

• Feld M., Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn, WNT 2000
• Polska Norma PN-86/H-94301 Odkuwki stalowe matrycowe
• Materiały informacyjne firmy KRONOS EDM