Obciskanie obrotowe

Rys. 1. Schemat procesu obciskania obrotowego drążonej odkuwki wałka stopniowanego: a) początek procesu, b) koniec procesu

Obciskanie obrotowe jest innowacyjnym procesem kształtowania plastycznego elementów drążonych, który został opracowany w Katedrze Komputerowego Modelowania i Technologii Obróbki Plastycznej Politechniki Lubelskiej przez prof. dr hab. inż. Zbigniewa Patera, a obecnie dalej rozwijany przy czynnym udziale dr hab. inż. Janusza Tomczaka. Proces polega na redukowaniu przekroju poprzecznego półfabrykatu rurowego trzema jednakowymi walcami, które obracają się w tym samym kierunku i jednocześnie przemieszczają się promieniowo w kierunku osi elementu (rys. 1 - pokazany obok tekstu). Kształt walców (1, 2, 3) odpowiada zarysowi obciskanej odkuwki (5), zaś wsad (4) stanowi odcinek rury lub tulei. W początkowym etapie procesu półfabrykat umieszczony jest między walcami i w trakcie obciskania obracany jest przez narzędzia dookoła własnej osi. W efekcie oddziaływania narzędzi następuje redukcja średnicy zewnętrznej kolejnych stopni wyrobu, czemu towarzyszy wzrost grubości ścianki wsadu oraz długości skrajnych czopów.

W stosunku do obecnie stosowanych technik wytwarzania wyrobów drążonych, obciskanie obrotowe charakteryzuje się szeregiem zalet, z których najważniejsze to: polepszenie własności wytrzymałościowych tak kształtowanych półfabrykatów, zwiększenie wydajności produkcji, mniejsze koszty wdrożeniowe i produkcyjne oraz stosunkowo prosta realizacja procesu, który w łatwy sposób można zautomatyzować.

W ramach realizowanych w Politechnice Lubelskiej prac badawczych, których główny nurt związany jest z rotacyjnymi procesami kształtowania osiowosymetrycznych półfabrykatów, w tym odkuwek drążonych, opracowano konstrukcję kuźniczego agregatu do obciskania obrotowego. Zbudowane na tej podstawie urządzenie umożliwia realizację procesu kształtowania według schematu, w którym narzędzia jednocześnie wykonują ruch obrotowy w zgodnym kierunku i przemieszczają się w kierunku osi półfabrykatu. Agregat do obciskania obrotowego ma strukturę segmentową i składa się z siedmiu podstawowych zespołów (rys. 2 - pokazany poniżej tekstu): ramy nośnej -1, zespołu napędowego - 2, klatki walców zębatych - 3, klatki walców kształtujących - 4, hydraulicznego układu napędowego walców kształtujących - 5, układu zasilania elektrycznego i sterowania - 6 oraz układu pomiarowego - 7. Rama nośna wykonana jest jako ażurowa konstrukcja spawana z cienkościennych kształtowników hutniczych o przekroju kwadratowym. Do ramy przymocowany jest zespół napędowy, który składa się z motoreduktora, zbudowanego z trójfazowego silnika elektrycznego i dwustopniowej przekładni stożkowo – walcowej. Podstawowe dane techniczne zaprojektowanego i wykonanego agregatu zestawiono w tabeli 1.

Zbudowaną maszynę wykorzystano do weryfikacji doświadczalnej założeń teoretycznych kształtowania odkuwek drążonych metodą obciskania obrotowego. Przykładowe odkuwki ukształtowane podczas prowadzonych doświadczeń pokazano na rys. 3. W trakcie eksperymentu analizowano stabilność przebiegu procesu, określono parametry geometryczne uzyskanych wyrobów oraz parametry siłowe procesu. Na podstawie wykonanych badań eksperymentalnych jednoznacznie stwierdzono, że możliwe jest kształtowanie drążonych odkuwek stopniowanych osi i wałów z wsadu rurowego technologią obciskania obrotowego.

Możliwości technologiczne obciskania obrotowego nie ograniczają się jedynie do  kształtowania odkuwek ze stopniami gładkimi. Przeprowadzone badania wskazują, że możliwe jest również kształtowania drążonych odkuwek wałków stopniowanych z wieńcami uzębionymi oraz ślimakami (rys. 4 - pokazany poniżej). Obecnie prowadzone są również badania pod kątem wykorzystania technologii obciskania do kształtowania kul drążonych, stosowanych w zaworach kulowych.

  • Rys. 2a. Agregat do obciskania obrotowego odkuwek drążonych - model przestrzenny CAD
  • Rys. 2b. Agregat do obciskania obrotowego odkuwek drążonych
  • Rys. 3.
  • Rys. 4.

Wybrane publikacje

  1. Tomczak J., Pater Z., Bartnicki J.: Analiza numeryczna procesu walcowania wałków drążonych z uzębieniami. Hutnik, Wiadomości Hutnicze 2011, nr 8, s. 678 – 681.
  2. Tomczak J., Pater Z.: Modelowanie numeryczne procesu obciskania obrotowego wielostopniowego wałka drążonego. Walcownictwo 2011. Procesy – Narzędzia – Materiały. Ustroń 12 – 14 października 2011. s. 15 – 20.
  3. Tomczak J., Pater Z., Bartnicki J.: Modelowanie numeryczne procesu walcowania wielostopniowego uzębionego wałka drążonego. Mechanik 2011. Nr 11, s. 894 – 899.
  4. Magryta J., Pater Z.: Obciskanie obrotowe wyrobów drążonych. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2011, 104 s.
  5. Tomczak J., Pater Z.: Symulacje numeryczne procesu obciskania obrotowego wielostopniowego wałka drążonego. Przegląd Mechaniczny, 2012 r, Nr 2 s. 37 – 41.
  6. Tomczak J., Pater Z.: Analysis of metal forming process of a hollowed gear shaft. Metalurgija 2012, vol 51, no 4, pp. 497 – 500.
  7. Tomczak J., Pater Z., Bulzak T.: Effect of technological parameters on the rotary compression process. Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability 2013; vol. 15, no 3, p. 279–283.
  8. Pater Z, Tomczak J, Bulzak T.: Obciskanie obrotowe w walcach śrubowych odkuwek stopniowanych pierścieni. Rudy i Metale Nieżelazne 2013, R58,  nr 11, s. 755 -760.
  9. Tomczak J., Pater Z., Bulazk T.: Kształtowanie odkuwki drążonego wałka uzębionego w procesie obciskania obrotowego. Rudy i Metale Nieżelazne 2014, R59, nr 2, s. 76 – 81.
  10. Tomczak J., Pater Z., Bulazk T.: Obciskanie obrotowe walcami mimośrodowymi odkuwek pierścieni. Hutnik. Wiadomości Hutnicze 2014, Tom 81, nr. 2, s. 92 – 98.
  11. Tomczak J.: Rotary compression process for producing toothed hollow shafts. METALURGIJA 2014, nr 4, vol. 53, s. 649-652.
  12. Tomczak J., Pater Z., Bulzak T.: Obciskanie obrotowe osiowosymetrycznych odkuwek drążonych. Hutnik, Wiadomości Hutnicze 2014, nr 7, s.
  13. Tomczak J., Pater Z., Bulzak T.: A method for producing hollow shafts by rotary compression using a specially designed forging machine. Praca przyjęta do druku w czasopiśmie Archives of Metallurgy and Materials. Planowany czas druku – drugi numer 2015 r.

Wybrane patenty i zgłoszenia patentowe

  1. Polskie zgłoszenie patentowe „Agregat do obciskania obrotowego wyrobów drążonych”, numer  P.396852 z dnia 02.11.2011 r.
  2. Polskie zgłoszenie patentowe „Sposób obciskania obrotowego uzębień wewnętrznych”, numer  P.398591 z dnia 23.03.2012 r.
  3. Polskie zgłoszenie patentowe „Sposób obciskania obrotowego wyrobów z gwintami wewnętrznymi”, numer  P.398592 z dnia 23.03.2012 r.
  4. Polskie zgłoszenie patentowe  „Sposób kształtowania odkuwek drążonych”, numer  P.402213 z  dnia 24.12.2012 r.
  5. Polskie zgłoszenie patentowe  „Sposób i urządzenie do walcowania skośnego”, numer  P.402887 z  dnia 25.22.2013 r.
  6. Polskie zgłoszenie patentowe  „Narzędzie do walcowania kul”, numer  P.402886 z  dnia 25.22.2013 r.
  7. Polskie zgłoszenie patentowe „Sposób i urządzenie do kształtowania odkuwek kul drążonych”, numer P.403064 z dnia 03.08.2013 r.
  8. Polskie zgłoszenie patentowe „Sposób i urządzenie do kształtowania odkuwek kul drążonych w układzie pojedynczym”, numer P.403063 z dnia 03.08.2013 r.
  9. Polskie zgłoszenie patentowe „Narzędzie do obciskania odkuwek drążonych” numer P.405863 z dnia 31.10.2013 r.
  10. Polskie zgłoszenie patentowe „Sposób obciskania odkuwek drążonych”, numer P.405864 z dnia 31.10.2013 r.