Vlakstuiken : een testmethode voor het bepalen van plastische materiaaleigenschappen

Vlakstuiken : een testmethode voor het bepalen van

plastische materiaaleigenschappen

Citation for published version (APA):

Smeets, M. J. H., Schot, P. C., & Ramaekers, J. A. H. (1987). Vlakstuiken : een testmethode voor het bepalen van plastische materiaaleigenschappen. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep

Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0426). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1987 Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

" { "I" r"'1 I,.,

~ "h'

VLAKSTUIKEN.

Een testmethode voor het bepalen van plastische materiaaleigenschappen. door: M.J.H.Smeetst p.e.Schott J.A.H.Ramaekers. mei 1987 V.F.-code: D3 W.P.A.rapp: 0426

Een testmethode voar het bepalen van plas1:ls('!lc matfCriaaleigenschappen.

M.J.H. Smcets; r.C'. Sf'hot; '-T.A.H. Ramilf'KPrs.

Samenvatting.

De stuikproef op pen cylindrisch produlct. wordt b(·~;('hreven. Eenvoud van proefopstelling en praefstukken zijn de mc!'st in h0t: oog springende voorde-len t.o.v. de trekproef. Oaarnaast is he! Tf'Ktrajekt groter en sluit de proef beter aan bij de praktijksituatie, zOdls deze optreedt bij de z.g. massiefomvormprocessen (extrusie, stuiken, persen, etc.).

Uit de proefgegevens kunnen op eenvoudige wijze materiaaldata afgeleid wor-den die relevant zijn voor plastische omvormprocessen.

De stuikproef leent zich tevens vo!)r het lW:;tlltl"[f'l1 van het effekt van sme-ring.

1. Inleiding.

Het onder invloed van druk omvormen van mf'tAlf'n omvat pen brf'ed toepassings-gebied. Stuiken, matrijssmeden en extrusie zijn op grate schaal toegepaste omvormprocessen. Bij het toepasscn van dezf' pr(l('f:~~,5en is van belang dat men de plastische eigenschappen van het materi~al kf'nt. De gegevens van de mate-riaalleverancier zijn hiertoe niet steeds tOPTf'ikend.

De trekproef verschaft doorgaans voldoende infnrmRtie. Voordelen van de stuikproef zijn: de lage ko~tprijs van de nr)o~zakelijke apparatuur, eenvoud en geringe afmetingen der proefstukken ell ltd ,Idllzien] ijk grotere bereikbare rektrajekt, hetgecn heter ovcteenstemt met de rekken die optreden bij stuik-processen.

ten nadeel van de stuikproef is de invloed van de wrijving op de testresul-taten. Bij zorgvuldige uitvoering van de prnef kan deze storende invloed vergaand geelimineerd worden.

2

2. Materiaalversteviging.

Praktisch aIle metal en die in de produktie toepast worden, kunnen beschreven worden met de verstevigingsfunctie van Ludwik:

Tf = C . (f.: + EO)n

Hierin is: C [N.mm- 2] is karakteristieke spanning

[2.1]

Ear ] is voordeformatie

n [ ] is ver~teviging5Pxponent

(Jf[N.mm- 2] is vloejspanning

~ [ ] is effektieve deformatic

Bepaling van de materiaaleigenschapPclI C, n ('II f

O met behulp van de

trek-proef is reeds eerder behandeld [1], Voor zd ,;htgt'91oeide materialen is de nUlllerieke waarde van de v()ordeformatiro Co m('ro~;t-al verwaarloosbaar klein, zodat vergelijking [2.1] over gaat in:

[2.2]

Fig. 1 toont de T-E-kromme voor st. C. 15 op liniaire schalen en fig. 2 op logarithmische schalen. Tevens is in de grafieken aangegeven wat de gevolgen voor de li9ging der lijnen zijn, indien dit materiaal niet vrij zon zijn van voordeformatie.

De (gefingeerde) voordeformatie ~o= 0.04.

100r----+----+---1----+---~ n.~O.22

c::

82.0

N.V'Y'm.-=.

~ ,"oo~-+_-+-

+----1

,...,

~f

600

eo=o.o~

E••

O

e

r--t-:::~~q-:~+---1

.

o.~

o

o

0.1

0.2

o.~

- - - I....

~

0.5

,

{O ""'"=..--....L.._"--..I.-.l~.w...u....-:--_L-....J--J...L.u..llJ

lO';y

ie)1

10·

-~

..

~

Ft~.

2

In fig. 3 is schematisch de stuikproef wcrrgrgcven. Bij voldoende smering en

bij voorkeur niet te lage procfstllkkpn (DIs) 1/2) zal het proefstuk

nage-noeq cylindrisch blijven en heerst er dus l ijn~;panning, zodat geldt:

Of

=

Oz

=

I

F

=

gemeten perskracht [N]

A = momentane doo[snedc v/h procfstllk [mm?]

F

[3. 1]

PL~.3

Voor de effektieve rek geldt:

L" - £ = 1n SQ -- 2 1n D c. - z ~ - . .. I)i'; [3.2] - So - 00

- s

- D = initi~]e hCJogte

=

initiele diameter = momentane hoogte

=

momentanc diameter [mm] [mm] [mm] [mm]

·4-Uit de op eenvoudige Wl]Ze te meten hooqte v,~n het proefstl1k en de

optreden-de perskracht kan dus optreden-de effektieve r~k en de vlopi5p~nning berekend worden. Volumeinvariantie impliceert:

[3.3]

Voor de stempelweg H geldt:

H = So - S [3.4]

M~t vergelijking [2.1], [3.1] en [3.2] kan nu de kracht-weg-kromme afgeleid worden:

[3.5]

In fig. 4 is de gerelateerde theoretische kromme vaor div. n-waarden weerge-geven. .-.- --- .. - - - I --. -- ---+---i 0.6 o.~

----~

... tySo

0.4-Do:: 8

l"Y\l'Vl So _ I~W\ """ N\. os 0

£

= 0 o ~--_.-._- ... -1 - - - -.-.

t

o

~--~_.---l-.-_---L_---l_---I

o

0.2 !

!!.

_<4

0

1₀

·C

4. Wri;vingsinvlQed.

De invloed van wrijving kan het beste besrhreven worden met het z.g. von Mises, of ·Constant Frictinn" wrijvingsmndd: [2.5]

TO = wrijvingsspanning in het kontaktvlak Ill:;:;r'n (yrc€'(]schap en werkstuk.

m

=

wrijvingscoefficient (0 ( m ( 1)

Met behulp van de 5chillenmethode "it rle pJ~:;tit;itpitsJee[ [2] kan de verge-lijking voor de Kracht afgeleid worden:

Bij maximale wrijving wordt de wrijvingsspanning in het kontaktvlak gelijk aan de maximale schuifspanning. Indien goed gpsmeerd wordt is de wrijvings-spanning laag (m

=

0,1 0,2). Fig. 5 tnnnt dp invlned van de wrijving op de

Dp.r~1rr...rht

m,..

0 m,:,O.2 'Y'n. ..

0.4

=8Wl~

:. '4

m "'"

:.0.2-=

0 1

2

3

4

0.4 0.6 0.2.

o

~

':""-

.L _ _._ _..L ---J'---_ _- - - l

o

Effekten van wrlJVlng manifesteren zich sterkr'Y, naarmate de waarde voor

001 toeneemt, echter oak indien de wrijvings(dkt,)[ m konstant is, zal de

geI~lateerde

perskracht toenemen bij verJaginq van de initiele hoogte So. In

(,-t---+--... - --- -_ ...

1

So: 4

So=

B

50::14

0.6 _. -_ .._- .._-_. - - t . - - - -.... 0.8

---4...

H/5

0 0.4 0.2

n:

o.~

E

o"= 0 tn.:

0.2-0

₀

=

B

~V'Y'\.

o

5

i

o

F

Onderzoek naar effekten van wrijving (5meermidd~lcn-onderzoek),alsook het meten van optredende proceskrachten bij hoge waarden vour

DIs'

zoals die optreden bij b.v. extrusie en reIiefpersen, kan zeer weI plaatsvinden d.m.v. de stuitproef. De optredende perskrachten zijn in deze situatie van dien aard, dat de experim~nl('n niet meeT met (1(' b('~;dH('V('n apparatuur uitgevoerd

tunnen worden. Een geimpruvi.:)e~r(] fr.lme, m,'! 01'-'.1rin "~':'I\ zwaardere werKcylin-der kan echter reeds goede oiensten bewijzen. Gevaar vaar plastische knik van de stuikblokjes is niet aan de oIde, zodat geleiding van baven- en on-derstempel niet noodzakelijk is.

5. Verwerking van de ~roefresul_L~te~.

Vastgesteld kan worden dat de stuikproef Iliistekenrl geschikt is voor het bepalen van materiaaleigenschappen, mits men ~oryt vour lage wrijving tij-dens het stuiken (m~o). Verwerking van Of' In,"ct 1(,~;\ll t,1ten vereist enig

reken-wert, waarbij het gebruik van mnderne rekenappd.ratllur tot een snelle bepa-ling van de C- en n-waarde van een materiaal kan lci~en.

Bij ontbreken van deze middelen kan grafische verwerking uitkomst bieden. Uitgaande van de vergelijking [3.5] is een diagram ontworpen [3] waarin lij-nen van gelijke vloeispanning Of uitgezet zijn in een kracht-stempelver-plaatsing-diagram.

---4

De afstanden tussen de of-waarden bij gegeven hoogte reduktie H, zijn ge-Hjk.

M~t Do=8 en 50=14, voIgt:

l1F

=

*p

[RN]

In het diagram (fig. 7) zijn meetpunten aangegeven voar een stuikproef op staal C 15.

'z

I MAT;

4..300,...,

,.lll:I

5t. CiS

..

1200

t~

~

_So

_-=

i~ 'rn.vn. •

1

D

o

=

8

~n'\..

uoo

Z.

e

- .

•

&--J

AF

=

70:37

[kN]

lD00b'

80

14-H

--

-

_gOO

t

----

_BOO

700

--+----=-'~-+---,t..."".~

600

500

400

300

20

1 . -. . .

",,:-.---,._=-_==-=_-

~-~-~__

-l-

_---+--

~-

-

=--=-=t==--I

2.

00

t==t=+---t--t--T-:-1

100

o

1- ...1- -1 -.-1- - 1 - ...1 1 2 3 0.1 0.2 0.3

0.4

O.:r

---t

Uit fig. 7 kunnen direkt een aantal of-en t,ijhrhorende [-waarden afgelezen worden. Uitzettfm van deze waanlf'n in N'n dlllllJl'11o(1r\[itllmi~;chdiagram geeft de mogelijkheid om tot bepaling v~n de (- ~n nwaarde over te gaan (fig. 8).

-.

Po-r;

1

0

~.--

_ _

~---.,._..--,.---

__._ _.

f

t:====~t-=--=-i-=--=-+J--.-

-....

b---.

--=~=-

=-=-._.-:

:=-j==t=t=t=::::.1-~-

C

IL,

~---+-~-+-~~=-'----

-=-... -

---1--...,·....,b,...

~~-::..---~~;;I

l-3'"

/----1---+---+-.-...+- .. ---....- ---.- ...-1----+-

-+-~eI---

T - - : - -

-!

-_.- ..

~

50 _ -.-_.+---t-+---4 - 1 - - 1 - - - -- f - - -...._- -- --~---l--+_--~

n",

~==.22

10

1

'--~----'----L--L..--L--_-S°J-..l.,.__-L..---L~----L--...I

10

2

10

1

---E

Indien de punten in fig. 8 op ('pn recht(' lijn liggcn is de voordeformatie EO

gelijk aan nUl. Liggen de punten njet op e~n rechte lijn, dan is kennelijk sprake van voordeformatie.

De waarde van deze voordeformatie kan bepaahl worden door "trial and error". Hiertoe dient men de gemeten E-waard~n net zo lang met Eo-waarden te ver-meerderen, totdat de uitgezette spanningen en ~ldllS verkregen rekken

(E + EO) w~l op een rechte lijn ljggrn (fjg. q) .

1---+---- ---. ' . _ 0 .

--

::::--3

2-~

0 "----....,;_

:!:--_l_----L.--'--L--__

to

.-. - -- .. -1---1----1--+---1 - - _. _.0_--4_ _-"""',.-""'1 --_I-o-_~~_ _--l _._.

-1 •

E

+ 0 --~2

:

~

+

0.02. -~

: l

+

0.04 _ L--.l._.l-'.L-, _ _-, 1.0- 1

to

---..-e

Bij vergelijken van de Aldus bepaalde C, n en F

O waarden met uitkomsten van

regress ie-analyse op de komplIh'[, qphrui.km.lkend,' Vdll nallwkelIrige

Er is naar gestreefd, de stuikprnef tp rpalisPTPn mpt minimaal noodzakelijke middelen.

Voor het aanbrengen van de perskracht is gcbrllik gemaakt van een hydrauli-sche handpers met bijbehnr~ndp w~rkcylinrler.

- max. werkdruk handpomp - max. werkdruk manotnpb?[ - max. perskracht werk~ylindeT

750 bar.

800 har.

120 kN.

De manometer is na kalibratie voorzipn van ppn srhaalverdeling in tN.

Het eigenlijke persgereedschap is aangepast aan de werkcylinder en kan voor aanvang van de stuikproef eenvoudiq op dezp cylinlier geschroefd worden. VOO! het meten van d(' stpmpf'lv('rplilill:;inq i:; !"'n 0.01 mm. mef'tklok aange'-bracht.

De stuikvlakken zijn uitgevnerd met een centrpprkegeltje in het centrum. De afmetingen van een stuikblokje zijn primair afh,inkelijk van de beschikba-re max. perskracht. De stuikhlokjes ~icnpn gpnmptrisch te voldoen aan:

~

<

2,

teneinde plastische knik te voorkomen.

In het centrum van de kopvlakken is cen kegelvormige holte aangebracht, tor-responderend met de cp.ntreerkegeltjes op dr· :;tlli'kvl<lkken.

De werkwijze is nu als voIgt:

- Onderstempe] op plunjer van de cyl in(h~r l' ldrll:;("n.

- Proefstukje van smeermLdtkl vuorzil~n en 1i[1 l)ntjprsL~~mpel plaatsen.

- Stuikgereedschap op cyllnder 5chro(·v('n. - Meetklot plaatsen en op 0 zetten.

- In stappen persen en telkens F en HaflezPrt.

- Meetpunten aangeven in diaqram (fig. 7). Fig. 10 geeft cen doorsnede van hr'!: gpref'cl:.dwf!:

1 0.01 mm meetklok

2 bovenstempe] (gPT. star'!1 , ingr'~)f'n;t )

3 stuikblokje

4 onderstempel (ger. sl:aal. yf'leid in ,;)

5 huis

6 plunjer 7 werkcylinder

p

...u----47

-it"

Konklysies.

De nauwkeurigheid waarmee de materiaaleigcnschappen met gebruikmaking van de beschreven middelen bepaald kunn,~n wurlh-n i:, in honfdzaak afhankelijk van de zorgvuldigheid in aIle opzichten bij het uitvoercn van de stuikproef. Om de wrijvingsinvloed te elimineren dient men er zorq vo!)r te dragen dat de

stuikvlakken van het gereedschap glad gepolij~l. zijn tcrwijl als smeermiddel b.v. Lanolyne gebruikt moet worden.

Het is raadzaam om bij elk meetpunt de ingcstcldc belasting een vaste tijd (b.v. 10 sec.) te handhaven. Montage van een klein expansievat (accu) kan dit aanzienlijk vergemakkelijken.

Toepassing van een digitale manometer zal zeker de afleesnauwkeurigheid van de perskracht verhagen; deze manometers Kosten echter het 10-voudige van een konventionele manometer.

Het diagram (fig. 7) kan direkt als waarnemingsblad fungcren; het is raad-zaam, in dat geval het diagram op groter fnrmaat (h.v. A3) nauwkeurig te tekenen.

Voor het nauwkeurig bepalen van C, n en event. In is het aan te bevelen de afgelezen numer ieke waarden te hanterpn, znda1- af1(,f~Sfouten in het diagram niet aan de orde zijn.

Meetnauwkeurigheden: Manometer

Meetklok Micrometer

1\ bij volle schaal.

± 0.01 mm.

± 0.01 mm.

aij vergelijkende expt"rimentcn tus!.'f'n trCKprod (.1'1 ~;Iuikproef traden over

het gehele rektrajekt geen grotere afwijkingen or in de gcm~ten spanningen dan 5\.

In VDI-Arbeitsblatt 5-3200, alsook in de VDI-richtlinien 3200 zijn veel testresultaten verzameld. De spreiding tussen de verschillende materiaal-charges blijkt voor de C-waard~ ± 50 N.mm 2 te zijn en voor de n-waarde

±

0.02. Indien de stuikproef ais vergelijkende smeermiddeitest gebruikt wordt, moeten relatief lage proefstukken

(&

< 1) toegppast worden. De hiermee ver-bonden hoge krachten maken een zwaardere procfnpstf"lling noodzakelijk.

Literatuur:

[1] J.A.H. Ramaekers e.3.

Kontaktverschijnselen bij omvormcn.

Metaalbewerkinq Jrr1. 50, Nil. 1, feb. '84, hl7.. r,4 r,7.

[3] P.C. Schot~

Handleiding stuikprnpf.

Werktuigbouwkundig prakt-ikum Ttl Delft..

[4] P.C. Schot.

Vervormen ondf'r druk.

Metaalbewerking .Jrg. 1::', No. 1fl, mrt '(,7, [)lz. 14(, 15::'. [5] J.A.H. Ramaekers, J.A.G. Rals.

Mathematical Representdtion of Friction in M"1:.11 Furming Analysis. Annals of the CIRP Vo]. J5/1/1qn~.