Jak wygląda obróbka plastyczna metali?

Metody kształtowania metali dają możliwość wytwarzania elementów o różnych formach oraz właściwościach użytkowych. Za sprawą wykorzystywania plastyczności metali można nie tylko wpływać na ich wymiary, ale również zmieniać wytrzymałość i cechy ich struktury. Obróbka plastyczna jest bardzo powszechnie wykorzystywana w zastosowaniach przemysłowych, a jej historia sięga samych początków metalurgii.

Właściwości metali a mechanizmy obróbki plastycznej

Metale są materiałami wykorzystywanymi od tysiącleci, początkowo przede wszystkim do produkcji narzędzi i drobnych przedmiotów codziennego użytku. Dziś metale, zarówno najczęściej wybierana stal, jak i metale kolorowe – choćby miedź lub aluminium – są powszechnie używane w różnych zastosowaniach od konstrukcji nośnych przez maszyny i urządzenia oraz ich elementy aż po rzeczy potrzebne każdego dnia. Swoją popularność metale zawdzięczają posiadanym przez siebie cechom fizyko-chemicznym – dużej wytrzymałości, sprężystości i dużej podatności na kształtowanie. Dzięki bardzo rozbudowanym metodom obróbki można nadawać im wybraną formę i ulepszać ich niektóre właściwości.

Istnieje wiele sposobów obróbki metalu. Należą do nich zarówno wszystkie procesy związane z jego wytapianiem i odlewaniem, jak i wykorzystywane do nadawania półproduktom odpowiedniej formy. Otrzymane w wyniku zastosowania procesów metalurgicznych wyroby hutnicze – blachy, pręty, taśmy, profile czy całe kęsy – mogą być następnie przekształcane w niemal dowolny sposób dzięki obróbce plastycznej, termicznej, chemicznej lub ubytkowej – wyjaśnia przedstawiciel firmy Głowacki, która specjalizuje się w produkcji wyrobów metalowych dla przemysłu maszynowego i zaawansowanej obróbce metali.

Jedną z najczęściej stosowanych przy wytwarzaniu półproduktów lub gotowych elementów metod jest obróbka plastyczna. Wykorzystuje cechy metalu związane z jego plastycznością, czyli zdolnością do trwałej zmiany kształtu pod wpływem działającej siły przy zachowaniu wszystkich pozostałych właściwości. Metal, na który oddziałuje wystarczająco duży nacisk, przekracza swoją granicę sprężystości, czyli odkształcenia umożliwiającego powrót do poprzedniego stanu i wchodzi w fazę tzw. płynięcia plastycznego. W trakcie tej fazy dochodzi do przemieszczania się poszczególnych warstw atomów. Jeśli nacisk na metal ustanie w fazie płynięcia, zachowa on swój nowy kształt. Dalsze działanie siły doprowadzi do takiego wzrostu naprężeń, przy którym dojdzie do pęknięcia i rozdzielenia materiału na części. W ramach obróbki plastycznej korzysta się zarówno z możliwości odkształcania metalu, jak i jego rozdzielania.

Temperatura a obróbka plastyczna

Obróbka plastyczna może być prowadzona w różny sposób w zależności od temperatury obrabianego metalu. Możliwa jest zarówno obróbka metalu na zimno, która jest wykonywana poniżej temperatury jego rekrystalizacji, czyli takiej, w której może dojść do przebudowy wewnętrznej struktury materiału, jak i na gorąco, kiedy przekraczany jest próg rekrystalizacji.

W ramach obróbki prowadzonej na zimno dochodzi do powstania licznych zmian w budowie wewnętrznej metalu, które powodują jego umocnienia. Jest ono efektem powstawania przemieszczeń poszczególnych warstw atomów, co blokuje możliwość ich ruchu w innych płaszczyznach. Element poddawany obróbce na zimno będzie się charakteryzował wysokimi naprężeniami wewnętrznym, lecz jednocześnie zyska dużą wytrzymałość i stabilność wymiarową. Zaletą obróbki na zimno jest możliwość uzyskiwania bardzo dużej dokładności wymiarowej oraz to, że może być prowadzona w stosunkowo krótkim czasie i choć wymaga stosowania dużych sił, to nie wiąże się z kłopotliwą obróbką termiczną.

Obróbka na gorąco jest wykonywana w temperaturze umożliwiającej zajście procesów rekrystalizacyjnych. Jej zaletą jest możliwość stosowania o wiele mniejszych sił nacisku niż przy obróbce na zimno. Plusem jest również unikanie naprężeń i wyeliminowanie ryzyka pęknięć. Za sprawą rekrystalizacji właściwości poddanego obróbce metalu są identyczne jak przed jej rozpoczęciem.

Sposobem na uniknięcie ograniczeń obróbki na zimno i na gorąco jest korzystanie z metody obróbki półgorącej. Eliminuje to problemy z nadmiernym utlenianiem rozgrzanego materiału, a jednocześnie gwarantuje dużą precyzję i zmniejszenie potrzebnych nacisków.

Najpopularniejsze sposoby obróbki plastycznej – cięcie i gięcie

Jedną z najczęściej i najpowszechniej stosowanych metod obróbki plastycznej jest cięcie mechaniczne. Wykonuje się je w celu rozdzielenia metalu przez wytworzenie odpowiednio dużych naprężeń, które doprowadzą do kontrolowanego pęknięcia. Zazwyczaj do cięcia wykorzystuje się dwie współpracujące ze sobą powierzchnie tnące wywierające nacisk z przeciwległych stron materiału – taka sytuacja występuje np. podczas wykrawania – lub tylko z jednej strony – choćby podczas cięcia piłą taśmową.

Popularną metodą cięcia, za której sprawą można uzyskiwać bardzo złożone kształty, jest używanie wykrojników. Dzięki odpowiedniej linii cięcia stempla i matrycy można w ten sposób uzyskiwać gotowe elementy o dobrej jakości krawędzi. Przy korzystaniu z wykrojników możliwe jest zarówno wycinanie, jak przycinanie czy dziurkowanie. Technologię wykrawania stosuje się do blach i taśm ze względu na ich stosunkowo niewielką grubość.

Cięcie mechaniczne  bardzo często jest wykonywane za pomocą pił. W takim przypadku powierzchnia tnąca naciska na metal, jednocześnie odspajając wióry, które są usuwane z powstającej szczeliny dzięki odpowiednim wrębom, czyli zagłębieniom w brzeszczocie. Taki sposób cięcia będący połączeniem obróbki plastycznej i ubytkowej pozwala na szybkie i precyzyjne cięcie elementów o większej grubości, np. prętów.

Bardzo podobnie do procesu cięcia przebiega gięcie, choć w tym przypadku nacisk stempla na matrycę jest tak dobrany, by nie przekroczył dopuszczalnego naprężenia. Za pomocą gięcia można uzyskiwać zarówno wyginanie, zaginanie, zwijanie, jak i profilowanie czy skręcanie. Operacje gięcia przeprowadza się zarówno na prasach, gdzie odpowiednia siła jest dostarczana przez nacisk, jak i na walcarkach, gdzie główną rolę odgrywa wzajemne położenie walców oraz kształt ich powierzchni mających kontakt z materiałem. Gięcie jest również możliwe za sprawą przeciągania.

Zaawansowana obróbka plastyczna i jej metody – od kucia po walcowanie

Najstarszą metodą obróbki plastycznej jest kucie. W tym przypadku materiał jest kształtowany za sprawą nacisku mechanicznego dostarczanego przez opadający na jego powierzchnię ciężar lub siłę wywieraną przez prasę. Proces kucia zachodzi po obróbce termicznej, która uplastycznia materiał i zmniejsza wartość potrzebnych do kształtowania sił.

Kucie może być prowadzone jako swobodne i matrycowe. Podczas kucia swobodnego materiał jest kształtowany wyłącznie za sprawą nacisku i płynięcia materiału, czyli przemieszczania się poszczególnych warstw atomów w dowolnym kierunku. Za pomocą kucia swobodnego można doprowadzić do spęcznienia, czyli powiększenia przekroju odkuwki, różnych typów wydłużenia, a także dziurowania, gięcia, cięcia, skręcania i łączenia przez zgrzewanie.

Przy kuciu matrycowym możliwości płynięcia metalu są ograniczone przez kształt matrycy, w której jest umieszczony. W takim przypadku uplastyczniony dzięki obróbce termicznej metal pod wpływem działającej siły przyjmuje formę matrycy. Zaletą kucia matrycowego jest możliwość szybkiego uzyskania dużej ilości elementów o powtarzalnych kształtach, ograniczeniem natomiast rozmiary możliwej do wykonania matrycy oraz wielkość siły, jaką można wytworzyć. W przypadku odkuwek wielkogabarytowych stosuje się więc metodę kucia swobodnego. Uzyskanie dużej dokładności wymiarowej w procesach kucia często wymaga stosowania dodatkowych zabiegów wykończających.

Metodą obróbki plastycznej wykorzystywanej zwłaszcza do tworzenia długich elementów o jednolitych, a zarazem złożonych przekrojach jest wyciskanie. Może być przeprowadzane przy różnych temperaturach materiału, zarówno na gorąco, jak i na zimno, w zależności od oczekiwań co do parametrów gotowego wyrobu. Podczas wyciskania metal jest za pomocą siły nacisku tłoka przepuszczany przez otwór o określonym kształcie.

Innym sposobem kształtowania metalu wykorzystującego jego plastyczność jest walcowanie. W tym przypadku materiał jest przepuszczany między obracającymi się walcami, których rozmieszczenie i ukształtowanie powierzchni nadaje mu wymaganą formę. Metoda ta jest szeroko stosowana przy wytwarzaniu produktów o większej długości – profilów, rur i prętów, ale również podczas formowania krótszych i bardziej złożonych elementów.

Walcowanie można prowadzić wzdłużnie – wówczas materiał porusza się pod kątem do osi walców, które oddziałują na jego przekrój, a także poprzecznie. W tym przypadku materiał obraca się w osi równoległej do osi walców, a one wpływają na zmiany jego obwodu.

Popularną metodą produkcji prętów o różnych przekrojach, rur i drutów jest także ciągnienie. W tym przypadku obwód materiału jest zmniejszany, a on sam ulega wydłużeniu wskutek przeciągnięcia przez otwór o mniejszej średnicy. Metal przechodzi przez tzw. ciągadło, które jest wykonane z materiału o znacznie większej twardości od obrabianego metalu.

Charakterystyczną cechą obróbki plastycznej jest częste łączenie różnych jej metod w procesie technologicznym wytwarzania konkretnego elementu. Jest to nie tylko cięcie, które najczęściej stanowi wstęp do wszystkich rodzajów obróbki, ale także choćby połączenie gięcia i wykrawania. Często stosuje się także np. włączenie do procesu technologicznego walcowania w celu uzyskania półproduktu do kucia matrycowego.