Główne czynniki wpływające na zjawiska tribologiczne w procesach wytłaczania blach to między innymi: kinematyka ruchu narzędzi, charakter obciążeń (styk statyczny, dynamiczny), makro i mikrogeometria styku, zjawiska fizykochemiczne na powierzchni styku oraz temperatura. Tarcie w procesach wytłaczania blach jest złożoną funkcją właściwości materiału, parametrów procesu, topografii powierzchni kształtowanej blachy i narzędzi oraz warunków kontaktu, które podlegają ciągłej ewolucji podczas przechodzenia blachy przez poszczególne obszary narzędzia.

Fot. iStock

Analiza procesów tarcia i smarowania jest utrudniona na drodze analitycznej z uwagi na konieczność uwzględnienia dużej liczby czynników. Każda analiza procesów tarcia i smarowania nawet w warunkach laboratoryjnych będzie obarczona błędem, wynikającym z niemożności uwzględnienia wszystkich czynników wpływających na przebieg i warunki tarcia. Wiele czynników nieskorelowanych ze sobą może w określonych warunkach tworzyć efekt interakcyjny, wzmagając wpływ jednych parametrów względem innych. Wobec ograniczonych możliwości przewidywania wartości oporów tarcia metodami analitycznymi opracowano testy tribologiczne symulujące warunki tarcia w specyficznych obszarach formowanej blachy.

Testy tribologiczne

Testy eksperymentalne symulujące warunki tarcia i smarowania można podzielić na testy symulujące procesy i testy symulujące warunki tribologiczne [1]. Pierwsze z nich mają za zadanie modelowanie operacji przeróbki plastycznej z zachowaniem kinematyki procesu. Testy symulujące warunki tribologiczne modelują określone zjawisko, często bez zachowania kinematyki procesu. Z uwagi na występowanie w poszczególnych obszarach wytłoczki zróżnicowanych warunków pod względem stanu naprężenia, odkształcenia oraz prędkości przemieszczeń na potrzeby plastycznego kształtowania blach opracowano szereg prób modelujących warunki tarcia, do których można zaliczyć [2]:

  • testy ciągnienia pasa blachy,
  • testy zginania blachy z ciągnieniem i rozciąganiem,
  • testy ciągnienia i rozciągania blachy w warunkach złożonego stanu naprężenia,
  • testy z redukcją grubości blachy,
  • testy wtłaczania stempla półkulistego.

Wymienione metody umożliwiają wyznaczenie wartości współczynnika tarcia uśrednionej dla całej powierzchni styku. Przy zastosowaniu ciągłej rejestracji parametrów koniecznych do wyznaczenia wartości współczynnika tarcia podczas poszczególnych testów można wyznaczyć zmianę oporów tarcia w czasie trwania procesu tarcia. Rozbieżności w wartościach współczynnika tarcia materiału określonych w poszczególnych próbach mogą wynikać z występowania różnych stanów naprężeń i odkształceń próbki uwarunkowanych geometrią przeciwpróbek.

Stosowane są również urządzenia zapewniające zachowanie kinematyki procesu rzeczywistego oraz przyrządy, które po odpowiednim przezbrojeniu pozwalają na modelowanie zjawiska tarcia w różnych strefach odkształcanej blachy lub w grupie procesów kształtowania blach [3]. W pracy [4] przedstawiono szereg przyrządów zgodnych ze standardem ASTM do wyznaczania oporów tarcia. Obszerny przegląd metod badania tarcia oraz smarowania w procesach przeróbki plastycznej zawierają prace Gierzyńskiej [5] oraz Baya i in. [6].

Testy ciągnienia pasa blachy

W procesie tłoczenia próbę ciągnienia pasa blachy przypisuje się do modelowania zjawiska tarcia między stemplem i ścianką wytłoczki. Próba ta polega na ciągnieniu pasa blachy umieszczonego między nieobrotowymi przeciwpróbkami, najczęściej o kształcie walcowym (rys. 1a) [7] lub płaskim (rys. 1b) [8]. Występowanie sił tarcia na dwóch powierzchniach styku sprzyja uzyskaniu większej dokładności pomiaru współczynnika tarcia. Tak jak w większości realizowanych prób tarcia, próbka o szerokości kilkukrotnie większej od grubości jest ciągniona w warunkach płaskiego stanu odkształcenia. Parametrami wpływającymi na zmianę oporów tarcia są między innymi: siła docisku przeciwpróbek, warunki smarowania, prędkość ciągnienia próbki oraz chropowatość powierzchni przeciwpróbek.
Wartość współczynnika tarcia jest wyznaczana z zależności:

(1)

gdzie: FT – siła ciągnienia (tarcia), FN – siła docisku przeciwpróbek.

Odmianami próby ciągnienia pasa blachy są testy wykonywane z redukcją grubości blachy między przeciwpróbkami płaskimi lub walcowymi. Współczynnik tarcia określany jest jako stosunek siły normalnej i siły stycznej, występującymi podczas ciągnienia płaskiej próbki pomiędzy powierzchniami walcowymi (rys. 2a), z zależności [9]:


(2)

gdzie: FT – siła ciągnienia blachy, FN – siła docisku przeciwpróbek, α – kąt łuku walcowej powierzchni kontaktu (rys. 2a). Kąt łuku walcowej powierzchni kontaktu obliczymy z równania:


(3)

gdzie: R – promień zaokrąglenia walcowej powierzchni kontaktu, g0 – grubość początkowa blachy, g1 – grubość końcowa blachy.

Wartość współczynnika tarcia podczas przeciągania pasa blachy między płaskimi przeciwpróbkami (rys. 2b), przy założeniu, że jego wartość nie zmienia się wzdłuż powierzchni kontaktu blachy z przeciwpróbkami, wynosi:

(4)

Testy gięcia blachy z rozciąganiem

Do drugiego typu prób tarcia zaliczamy test zginania blachy z rozciąganiem (ang. Bending Under Tension – BUT), opracowany przez Littlewooda i Wallace’a [10], przypisywany modelowaniu tarcia na krawędzi ciągowej matrycy. Test polega na ciągnieniu pasa blachy wokół walcowej przeciwpróbki (rys. 3).

Próba zginania blachy z rozciąganiem pozwala wyznaczyć nie tylko wartość współczynnika tarcia, ale także jego zmianę w trakcie procesu odkształcania próbki. Zmianę tę można zakwalifikować do zmiany topografii powierzchni blachy w wyniku jej odkształcenia oraz zmiany warunków kontaktu związanych z umocnieniem odkształceniowym materiału próbki [11]. Występowanie oporów tarcia między walcową przeciwpróbką a blachą sprawia, że zachodzi nierówność F1 > F2.

Odkształcenie pasa blachy w strefie działania siły F1 nie tylko określa długość drogi tarcia blachy dookoła rolki, ale także odpowiada za wielkość odkształcenia granicznego blachy. Zakładając, że wartość współczynnika tarcia jest jednakowa dla całej powierzchni styku oraz kąt opasania jest stały podczas deformacji i równy 90°, można wyznaczyć wartość współczynnika tarcia z warunków równowagi elementarnego wycinka próbki (rys. 3). Wtedy wartość współczynnika tarcia wyniesie:

(5)

W Ohio State University [12] opracowano przyrząd do określania wartości współczynnika tarcia (rys. 4) w warunkach zmieniającego się kąta opasania, którego metodologia jest modyfikacją testu ciągnienia blachy z rozciąganiem. Opracowaną metodę w literaturze przyjęto określać skrótem pochodzącym od nazwy uniwersytetu, w którym opracowano test – OSU. Podobnie jak w przypadku testu gięcia blachy z rozciąganiem, można oddzielić opory związane z gięciem próbki i ciągnieniem poprzez przeprowadzenie testu dla przeciwpróbek ruchomych i zablokowanych. Niezaprzeczalną zaletą metody jest zapewnienie realizmu procesu odkształcania blachy i warunków kontaktu dzięki:

  • jednoczesnemu występowaniu procesu gięcia i rozciągania;
  • zmianie kąta opasania przeciwpróbek stopniowo ze wzrostem ich przemieszczenia.

Pomijając wpływ gięcia i prostowania blachy, zależność pomiędzy siłami rozciągającymi P1 i P2 wynosi:

(6)

gdzie: γ − kąt opasania przeciwpróbki, µ − współczynnik tarcia.

Zatem wartość współczynnika tarcia wyniesie:

(7)

Test gięcia blachy z ciągnieniem

Test zginania blachy z ciągnieniem, którego koncepcja została opracowana przez Nine’a [13], przypisuje się modelowaniu tarcia na progu ciągowym (rys. 5). Progi ciągowe są stosowane podczas kształtowania przedmiotów o złożonych kształtach, aby wyrównać opory płynięcia materiału na całym obwodzie wytłoczki lub zmienić stan naprężeń w określonych miejscach kształtowanej wytłoczki. Krzywizna blachy przechodzącej przez próg ciągowy ulega kilkukrotnej zmianie, blacha jest na przemian wyginana i prostowana (rys. 5). Podczas przejścia blachy przez próg należy pokonać opory odkształcenia oraz opory tarcia między progiem a blachą. Ideą budowy przyrządu jest możliwość oddzielenia oporów odkształcenia blachy związanych z gięciem materiału od oporów tarcia.

W próbie podczas ciągnienia pasa blachy po rolkach zablokowanych i ruchomych mierzy się wartości siły ciągnienia i siły docisku (rys. 6). Ciągnienie blachy przez układ walców ruchomych pozwala zminimalizować opory tarcia. Siła ciągnąca w tych warunkach wiąże się z pokonywaniem oporów odkształcenia blachy. Układ walców zamocowanych nieruchomo reprezentuje całkowite opory ciągnienia blachy przez próg.

Różnicę siły ciągnienia dla układu walców ruchomego i nieruchomego można przypisać procesowi tarcia i wykorzystać do obliczenia wartości współczynnika tarcia według zależności [13]:

(8)

gdzie: Dd+f – siła ciągnienia przy rolkach zablokowanych, Dd – siła ciągnienia przy rolkach ruchomych, Cd+f – siła docisku przy rolkach zablokowanych.

Zależność (8) umożliwia określenie wartości współczynnika tarcia dla kąta opasania walca środkowego równego 180°. W zależności od odmiany prób zginania z rozciąganiem blachy zmianę warunków tarcia uzyskuje się przez zmianę kąta opasania przeciwpróbki, warunków smarowania, kształtu i wymiarów progu ciągowego oraz prędkości ciągnienia blachy.

Testy typu trzpień – tarcza

Próby tarcia o obrotowym ruchu narzędzia (rys. 7) polegają na umieszczeniu próbki w postaci pierścienia lub krążka między płytą oporową i przeciwpróbką wykonującą ruch obrotowy, podczas którego dokonuje się pomiaru siły stycznej Fst i siły normalnej Fn. Jako przeciwpróbkę stosuje się trzpienie o powierzchni płaskiej (ang. pin-on-disc) lub kulistej (ang. ball-on-disc). Wartość współczynnika tarcia możemy określić dla różnych prędkości poślizgu oraz sił nacisku z zależności:

(9)

Badania na stanowiskach typu trzpień – tarcza (pin-on-disc), gdzie kierunek, a także zwrot wektora prędkości poślizgu są stałe w czasie, nie można porównywać z pomiarami wykonanymi na stanowiskach pracujących w ruchu przemiennym (np. posuwisto-zwrotnym). Ze względu na cykliczny kontakt przeciwpróbki z powierzchnią badanej blachy i skoncentrowany charakter styku wzmagający aktywację procesu zużycia reprezentatywną dla danej powierzchni wartość współczynnika tarcia można określić tylko dla początkowego stadium procesu tarcia.

Stosowanie tribotesterów do wyznaczania współczynnika tarcia blach kształtowanych plastycznie jest ograniczone ze względu na charakter styku skoncentrowanego, którego występowanie w rzeczywistych procesach wytłaczania jest ograniczone. Duża różnica w wartościach granicy plastyczności badanego materiału i materiału przeciwpróbki wpływa na szybką intensyfikację procesów zużycia. Powierzchniowy kontakt przeciwpróbki z powierzchnią badanej blachy zapewnia metoda wyznaczania współczynnika tarcia za pomocą pierścieniowej przeciwpróbki o średnicy zewnętrznej r, obciążonej ciśnieniem p (rys. 8) [14]. Wartość współczynnika tarcia wyznaczana jest z następującej zależności:

(10)

gdzie: r – promień zewnętrzny pierścieniowej przeciwpróbki, p – ciśnienie, T – moment obrotowy, A – pole powierzchni kontaktu.

Podsumowanie

Metody symulujące warunki tarcia w procesie wytłaczania blach można podzielić na testy z bezpośrednim lub pośrednim pomiarem wartości współczynnika tarcia. W metodach pośrednich wyznaczania współczynnik tarcia jest wyznaczany na podstawie pomiaru innych wielkości, np. siły tarcia i siły normalnej. W oparciu o przyjęty model tarcia następuje obliczenie wartości współczynnika tarcia. Wadą tego typu metod jest to, że umożliwiają wyznaczenie uśrednionej wartości współczynnika tarcia, natomiast nie umożliwiają pomiaru i określenia rzeczywistych oporów tarcia. Ponadto charakteryzują się ograniczoną uniwersalnością, tzn. nie modelują złożonych warunków tarcia występujących w różnych obszarach wytłoczki. Pozwalają jedynie na określenie oporów tarcia w wybranych strefach, co prowadzi do konieczności posługiwania się wieloma testami tarcia.

Piśmiennictwo
  1. Świątkowski K.: Sposoby oceny wielkości tarcia na powierzchniach kontaktu niemetalicznego materiału modelowego i narzędzia. „Obróbka Plastyczna Metali”, nr 7/2000, s. 21-30.
  2. Trzepieciński T.: Wybrane aspekty oceny tribologicznej blach odkształcanych plastycznie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2013.
  3. Wang X.J., Tang D., Tang X.A., Liu J.: Development of a new universal friction test for sheet forming. Proc. 3th Int. Conf. Numisheet’96, Dearbon, s. 55-60.
  4. Blau P.J.: Friction science and technology. Marcel Dekker, New York 1986.
  5. Gierzyńska M.: Tarcie, zużycie i smarowanie w obróbce plastycznej metali. WNT, Warszawa 1983.
  6. Bay N., Olsson D.D., Andreasen J.L.: Lubricant test methods for sheet metal forming. Tribol. Int., 41, 2008, s. 844-853.
  7. Trzepieciński T., Bazan A., Lemu H.G.: Frictional characteristics of steel sheets used in automotive industry. „Int. J. Automot. Technol.”, 16 (5), 2015, s. 849-863.
  8. Lee B.H., Keum Y.T., Wagoner R.H.: Modeling of the friction caused by lubrication and surface roughness in sheet metal forming. „J. Mat. Proc. Technol.”, 2002, s. 60-63.
  9. Matuszak A.: Determination of the frictional properties of coated steel sheets. „J. Mat. Proc. Technol.”, 106, 2000, s. 107-111.
  10. Littlewood M., Wallace J. F.: The effect of surface finish and lubrication on the fictional variation involved in the sheet-metal-foming process. „Sheet Metal Inds.”, 41, 1964, s. 925-1930.
  11. Trzepieciński T.: Wpływ odkształcenia plastycznego blachy na zmianę oporów tarcia w procesie tłoczenia. „Rudy i Metale Nieżelazne”, nr 54/2009, s. 809-815.
  12. Wagoner R.H., Wang W., Sriram S.: Development of OSU formability test and OSU friction test. „J. Mat. Proc. Technol.”, 45, 1994, s. 13-18.
  13. Nine H.D.: Draw bead forces in sheet metal forming, Proceedings of a Symposium on Mechanics of Sheet metal Forming: Behaviour and Deformation Analysis, Plenum Press, Warren 1978, p. 179-211.
  14. Kim H., Han S., Yan Q., Altan T.: Evaluation of tool materials, coatings and lubricants in forming galvanized advanced high strength steels (AHSS). „CIRP Annals. Manufacturing. Technology”, nr 1/2008, s. 299-304.
zdjęcia: autor

Rys. 1. Schemat testu ciągnienia pasa blachy między przeciwpróbkami: a) walcowymi, b) płaskimi

Rys. 2. Schemat prób tarcia między przeciwpróbkami: a) walcowymi, b) płaskimi

Rys. 3. Siły działające na elementarny wycinek pasa blachy

Rys. 4. Schemat testu tarcia OSU

Rys. 5. Odkształcenie blachy w obszarze progu ciągowego

Rys. 6. Idea wyznaczania oporów tarcia: a) walce zablokowane, b) walce ruchome

Rys. 7. Schemat ogólny stanowiska pomiarowego

Rys. 8. Schemat testu wciskania obrotowego pierścienia
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij