Forfecarea pieselor de grosime mica

Forfecarea pieselor de grosime mica

Daca torsorul de reducere al fortelor interioare are o singura componenta diferita de zero si aceasta este o forta taietoare (Ty sau Tz) zicem ca in sectiunea respective a corpului se realizeaza o solicitare de forfecare pura. Altfel spus, intr-un corp se produce o solicitare numai de forfecare (sau de taiere) daca reducand fortele exterioare din stanga sau din dreapta unei anumite sectiuni la centrul ei de greutate se obtine o singura rezultanta - deci un singur efort - forta taietoare T, cuprinsa in planul sectiunii (pentru sectiuni cu un singur centru de reducere).

Asemenea tipuri de solicitari sunt foarte rare in practica. Chiar experimental, in laborator, obtinerea unei solicitari de forfecare pura, neinsotita simultan si de alte solicitari - in special de incovoiere si de strivire - nu-I deloc usoara. Un dispozitiv adecvat unui asemenea scop va fi prezentat ulterior.

Pentru a pune in evidenta solicitarea de forfecare vom considera cazul unei bare drepte actionata de doua forte paralele F, egale si de sens contrar, perpendiculare pe axa barei, care au o distanta mica intre ele (ipotetic vom presupune ca ele lucreaza in acelasi plan). In mod practice o asemenea situatie apare la taierea acestei bare metalice cu ajutorul unei foarfeci ale carei cutite aluneca foarte apropiat unul fata de celalalt. Se evidentiaza, pe aceasta situatie, aparitia solicitarilor suplimentare de strivire si incovoiere: dup ace cutitele au patruns in material prin producerea unei compresiuni locale foarte mari, care distruge materialul prin strivire, intre cele doua forte de taiere apare o excentricitate e, deci un moment incovoietor Mi=F.e. Aceasta stare complexa de solicitare care se produce de fapt prin actiunea unor falci de taiere face ca fenomenul descries sa fie foarte indepartat de o forfecare pura, mai mult, in sectiunea ab, considerate drept sectiune de forfecare nici nu se pot produce tensiuni tangentiale , neexistand o forta taietoare T in ea.

Intocmai ca si la solicitarea de intindere si compresiune ne propunem si aici sa stabilim natura, legea de repartitie si valoarea maxima a tensiunii care apare in sectiunea de forfecare. Daca se urmareste figura studiind echilibrul partii din stanga a corpului se vede ca in sectiunea A trebuie sa lucreze o forta taietoare Tz cuprinsa in planul sectiunii si egala ca valoare cu F (Tz=F). Prin efectul dat de forta taietoare, sectiunile infinit vecine luneca una in raport cu cealalta, tendintei de lunecare - manifestata prin aparitia unor deformatii unghiulare - opunandu-se tensiunile tangentiale care apar in sectiunea de forfecare. Efectuand un calcul din interior evident ca forta taietoare T apare ca rezultanta tuturor fortelor elementare astfel incat putem scrie ecuatia echivalenta.

Efectuarea acestei integrale cere cunoasterea distributiei tensiunii tangentiale pe sectiune, ea este in general neuniforma si determinarea exacta este o problema dificila. Exista insa o categorie larga de piese la care, datorita grosimii mici a sectiunii de forfecare, se poate admite ipoteza distributiei uniforme a tensiunilor tangentiale pe suprafata sectiunii.

Subliniem, inca o data, ca aceasta formula simpla si comoda ne da in realitate numai media tensiunilor de pe sectiune. Ea se aplica insa cu rezultate bune la calcul de forfecare al pieselor care apar la imbinari, inadiri si solidarizari: buloane, nituri, suduri - in constructiile metalice, cepuri, pene, dinti, piroane, cuie, piese metalice auxiliare etc - la constructiile din lemn. In cazul unor piese cu sectiuni de inaltime mare, pe care nu se mai poate neglija repartitia neuniforma a tensiunilor tangentiale, este necesar un calcul mai exact pe baza caruia sa se poata stabili valoarea maxima a tensiunii de forfecare, rezultata ca o consecinta a distributiei neuniforme a acestora. Aceasta este cazul, pe care-l vom trata mai tarziu, al grinzilor solicitate la incovoierea cu forta taietoare.

Problemele de calcul la forfecare se rezolva exclusive in baza criteriului de rezistenta, limitarea tensiunilor tangentiale maxime fiind singura conditie care trebuie respectata pentru asigurarea exploatarii normale a pieselor din categoria amintita.

Verificarea unei sectiuni solicitata de o forta taietoare T cunoscuta consta in determinarea valorii maxime a tensiunilor tangentiale effective si compararea cu rezistenta admisibila la forfecare, specifica materialului din care este facuta piesa.

Dimensionarea unei sectiuni la forfecare stabileste aria necesara a sectiunii elementului care sa reziste la actiunea unei forte taietoare cunoscute.

La forfecarea imbinarilor nituite care nu lucreaza in conditiile ce corespund cazului lunecarii simple, in practica marimea rezistentei admisibile variaza foarte mult.

Deformatii (aspectul geometric)

Problema care ne-o punem este de a stabili caracterul deformatiilor care se nasc in elementele de volum dintr-o piesa in care actioneaza tensiuni tangentiale. Atata timp cat este vorba de forfecarea unor piese de dimensiuni mici, cum sunt niturile, buloanele, sudurile etc., studiul deformatiilor nu are nici o importanta practica, cu atat mai mult cu cat el ar deveni foarte complicat daca ar trebui sa introducem o repartitie neuniforma a tensiunilor tangetiale, asa cum este de fapt in realitate. Insa, caracterul general al acestei deformatii, care va aparea mult mai clar la studiul solicitarii de rasucire, poate fi explicat chiar in conditiile solicitarii de forfecare simpla de care ne ocupam. Altfel, considerand bara supusa la forfecare, se observa ca in sectiunea de forfecare uin strat foarte subtire de material se deplaseaza astfel incat are loc o deformatie unghiulara este caracteristica pentru fenomenul de lunecare ce apare in cazul solicitarii de forfecare. O situatie similara se produce si in cazul nitului cu doua sectiuni de forfecare, la care in planul de separatie al pieselor ce se imbina, un strat foarte subtire de material izolat din tija nitului tinde, sub actiunea unor tensiuni tangentiale, sa sufere o deformatie unghiulara. Insa, in cazul nitului, relatia dintre deformatia unghiului si tensiunea tangentiala din sectiunea de forfecare nu poate fi stabilita deoarece nu cunoastem legea reala de distributie a acestor tensiuni. De aceea vom studia starea de deformatie a unui element de volum intr-un caz ideal, cand pe fetele lui actioneaza numai tensiuni tangentiale, o astfel de stare plana de tensiune se numeste lunecare simpla sau forfecare pura.

Incercari de forfecare. Aspectul fizic

Incercarea se executa cu un dispozitiv de forfecare simpla, cu doua sectiuni de forfecare, de tipul celui reprezentant schematic, ea se aplica in special semifabricatelor din care se vor confectiona piese supuse in exploatare la o astfel de solicitare.

Functionarea dispozitivului este evidenta: epruveta 1 se fixeaza intre bucsele 2 si 3 confectionate din otel dur, furca 4 si falca de taiere 5 sunt prinse in bacurile unei masini de incercat la tractiune. Sub actiunea fortelor de intindere F epruveta este solicitata la forfecare in sectiunile ab si cd. Se urmareste de obicei determinarea fortei maxime la care se produce ruperea, cu ajutorul careia se alculeaza in mod conventional tensiunea medie de rupere.

Rezultatele incercarii depend de diametrul d0 al epruvetei cat si de dimensiunile dispozitivului. Mai mult, epruveta este - in realitate - supusa la o solicitare complexa in care pe langa forfecare se produce si o strivire pe suprafata laterala dintre bucse si proba, si o incovoiere, pentru o epruveta din otel moale, de altfel, in cazul unei epruvete din fonta, din cauza solicitarii suplimentare de incovoiere, ruperea se produce adesea intr-o sectiune din portiunea mijlocie, inainte de a se produce ruperea in sectiunile de forfecare. Cercetari moderne de fotoelasticimetrie au aratat ca de fapt in sectiunile de rupere nu se produc forte taietoare, ci o compresiune bilaterala, ruperea producandu-se prin concentrari mari de tensiune normala in punctele de actionare a muchiilor taietoare.

Pornind de la aceste neajunsuri ale incercarii prezentate, s-a imaginat si s-a standardizat o noua metoda de incercare la forfecare, cu ajutorul careia se poate realize o stare de forfecare pura intr-o anumita sectiune precizata a epruvetei. Schema pprincipala a acestei noi metode comporta o grinda supusa la actiunea unor momente incovoietoare cu variatie liniara si deci cu forta taietoare constanta in jurul grinzii, prezentand si o sectiune de moment incovoietor nul (Mi=0) in aceasta sectiune de inflexiune de la mijlocul grinzii, in care Mi=0, singura solicitare este data de forta taietoare T, se realizeaza astfel forfecarea pura.

In mod practice, un astfel de dispozitiv, montat tot intr-o masina universala pentru incercari de tractiune si compresiune, este prezentat schematic. Localizarea ruperii este asigurata prin practicarea a doua crestaturi in forma de V in sectiunea de lucru, avand unghiul de 90 grade si adancimea egala cu ¼ din inaltimea bruta a epruvetei. In acest fel se obtin practice tensiuni tangentiale pure si uniform distribuite pe sectiunea minima a epruvetei. In baza comportarii specifice a fiecarui material la producerea ruperii, va trebui sa se stabileasca forma optima a epruvetei pentru ca ruperea sa fie provocata de o solicitare de forfecare pura.

Transmiterea fortelor axiale printr-o imbinare nituita

In constructia de masini este de foarte multe ori nevoie sa se realizeze anumite imbinari intre diverse elemente de rezistenta componente. In general aceste imbinari se pot grupa in doua mari categorii:

imbinari demontabile - cuprinzand asamblarile realizate prin pene, caneluri, stifturi, buloane, cuie, chertari, asamblarile prin strangere elastica etc.

imbinari nedemontabile - cum sunt cele realizate prin nituire, sudura, lipire etc. la care pentru desfacerea ansamblului realizat este necesara distrugerea elementelor de asamblare sau a unora din elementele asamblate

In paragrafele urmatoare ne vom ocupa de cateva elemente privind calculul imbinarilor nedemontabile, in idea exemplificarii modului de aplicare a relatiilor stabilite pana acum, detalii privind elementele de executie, conditiile tehnice, incadrarea in standarde etc. se dau in cartile de "Organe de masini" unde aceasta problema este tratata complet.

Vom incepe cu imbinarile nituite, care pot fi, de rezistenta (in constructii metalice), de etansare (in constructia recipientilor de depozitare) de rezistenta si etansare (in constructia navelor fluviale, marine si aeriena, a recipientilor sub presiune etc). Exista clasificari si dupa alte criterii ca de exemplu:

dupa felul asezarii relative a pieselor (tablelor) care se asambleaza, prin suprapunere, cu eclise: cu o eclisa, cu doua eclise etc.

dupa numarul randurilor de nituri, cu un singur rand, cu mai multe randuri, paralele, decalete etc.

dupa numarul sectiunilor de forfecare a niturilor: cu o sectiune de forfecare, cu doua sau mai multe sectiuni de forfecare.

Niturile sunt piese de dimensiuni foarte mici confectionate din bare de otel rotund de calitate cu putin inferioara otelului pieselor ce se imbina, astfel pentru tabele din OL37 se utilizeaza nituri din OL34. inainte de a fi pus in opera nitul brut are forma unei tije cilindrice cu un singur cap in forma de calota sferica. Imbinarea nituita se realizeaza prin introducerea niturilor incalzite la rosu in gauri date in prealabil in piesele ce se imbina si formarea celui de-al doilea cap (capul de inchidere) prin ciocanirea manuala sau cu ciocan special automat (pneumatic). In cazul nituirii la cald, niturile se incalzesc pana la 1000.1100 grade C iar formarea capului se termina la 400.500 grade C pentru ca prin racirea nitului tablele sa fie puternic stranse. Asezarea niturilor se face respectand anumite reguli privind distantele dintre doua nituri vecine precum si distantele fata de marginile pieselor, impuse atat de conditii de rezistenta cat si de necesitati de executie, distantele minime au in vedere ca procesul nituirii sa nu afecteze niturile vecine, iar distantele maxime sunt impuse de necesitatea unei bune strangeri a pieselor imbinate. Multe din aceste elemente sunt standardizate.

In momentul ruperii, datorita aparitiei deformatiilor plastice, eforturile care se transmit la diferitele nituri tind sa se uniformizeze. De aceea vom considera ca toate niturile se comporta in mod identic, ceea ce inseamna ca daca imbinarea are n nituri asupra fiecare nit actioneaza cate o doua forte egale si de sens contrar. Aceste forte se transmit la nit datorita presiunii exercitate de platbanda respective pe suprafata laterala semicilindrica a tijei, fortele F tind sa foarfece nitul dupa planul de separatie ab al celor doua platbande. Aceasta ipoteza se realizeaza practice cand numarul de nituri asezate pe o linie (un sir) in directia solicitarii se limiteaza la cel mult 5-6 nituri. In caz contrar, niturile din margine se incarca mai mult decat cele centrale si ipoteza distributiei uniforme a incarcarilor pe nituri nu mai este satisfacuta.

Verificarea pieselor imbinate se face tinand seama de aria neta a sectiunii cele mai slabite din imbinare precum si de valoarea maxima a efortului axial transmis, toate platbandele sunt la fel de slabite deci sectiunea periculoasa este sectiunea in care efortul exial are cea mai mare valoare, sectiunea 1-1 pentru prima platbanda, respective sectiunea 2-2 pentru cea de-a doua platbanda. Ele pot prezenta un oarecare pericol de aparitie a fisurilor numai in cazul actiunii unor sarcini variabile si pentru materialele cu o rezistenta la oboseala redusa. In conditiile obisnuite in care lucreaza imbinarile nituite, acest pericol poate fi considerat exclus.

Pe baza observatiilor precedente, asezareaniturilor intr-o imbinare, apare mai judicious sa fie facuta astfel incat in primul rand sa fie dispus un numar mai mic de nituri decat in randurile urmatoare, realizandu-se astfel o slabire progresiva a sectiunilor pieselor ce se imbina odata cu scaderea fortei axiale transmise. In aceasta ordinde de idei, o imbinare prezentand o dispozitie a niturilor cum este cea din figura, necesita o verificare a uneia dintre platbenzi atat in sectiunea 1-1 unde forta axiala este maxima - cat si in sectiunea 2-2 care este cea mai slabita si care ar putea fi din acest motiv cea mai periculoasa.

Aplicatii la calculul de forfecare al imbinarilor sudate

Generalitati

Tipuri de suduri

Sudarea este un procedeu tehnologic de imbinare nedemontabila a doua sau mai multe piese metalice cu ajutorul caldurii. Procedeele de sudura cele mai frecvente sunt:

a.              sudarea prin topire (cu sau fara material de adaos). In zona de imbinare se aduce matalul de baza in stare lichida, concentrand local caldura necesara pentru topirea acestuia (cu ajutorul unei flacari oxiacetilenice, a unui arc electric, laser etc.)

b.             sudarea prin presiune. Se realizeaza fara material de adaos, suprafetele pieselor de imbinat se aduc prin incalzire in stare pastoasa, dupa care asupra lor se exercita pe cale mecanica o presiune.

Ca urmare a faptului ca materialul a fost adus in stare lichida sau pastoasa, are loc un fenomen de interdifuziune intre materialele celor doua piese care se imbina si materialul de adaos, stabilindu-se astfel o legatura intima intre piesele imbinate bazate pe coeziunea intermoleculara.

Zona in care se face imbinarea se numeste sudura. Sudura executata pe o linie fie continua, fie cu intreruperi se numeste cusatura sudata. In limbaj curent, cusatura sudata cu material de adaos se numesta cordon de sudura.

In raport cu alte procedee tehnologice cum ar fi nituirea, turnarea sau forjarea, imbinarile prin sudare au numeroase avantaje ca de exemlu: economia de material si manopera, micsorarea greutatii organelor de imbinare, eliminarea slabirilor locale in piese deci marirea coeficientului de utilizare a materialului, eliminarea sau reducerea discontinuitatii liniilor de forta, ceea ce face sa creasca siguranta in exploatare, automatizarea procesului tehnologic ceea ce imbunatateste calitatea executiei si productivitatea muncii. Ele au evident si dezavantaje, dintre care mentionam: aparitia unor tensiuni interne ca urmare a procesului tehnologic, controlul greoi si dificil al calitatii sudurii, utilaj de executie si control pretentious, necesitatea folosirii unor sudori specialisti etc.

Dupa pozitia relative a pieselor ce se imbina, sudurile se impart in doua mari categorii:

Suduri in adancime sau suduri cap la cap, folosite la imbinarea cap la cap a pieselor asezate una in prelungirea celeilalte. Cusatura sudata poate fi dreapta sau normal ape directia fortei sau inclinata fata de aceasta directie. Pentru a se realize o imbinare cat mai buna, fetele in contact ale pieselor se prelucreaza de obicei in forma de V sau X in functie de grosimea lor, forma prelucrarii stalibeste denumirea cusaturii sudate. Cordoanele de sudura normale se verifica la tractiune sau compresiune, cordoanele oblice se verifica la actiunea tensiunilor normale (tractiune sau compresiune) cat si a celor tangentiale (forfecare).

Suduri in relief sau de colt, care se executa la piese suprapuse sau care fac un unghi oarecare intre ele, fara o prelucrare prealabila a marginilor piesei. Dupa pozitia pe care cordoanele de sudura o au fata de directia solicitarii axiale vom distinge:

suduri frontale (suduri de colt frontale, sau cordoane frontale) la care cordonul de sudura este asezat in imbinare transversal pe directia efortului axial. SAudura se poate aplica numai la un capat - monofrontal - sau la ambele capete - bifrontal.

Suduri laterale (sau suduri de colt laterale sau cordoane laterale) la care cordonul de sudura este dispus parallel cu directia efortului axial N.

Evident capot sa existe si suduri de colt cu cordoane combinate, atat lateralele cat si frontalele dupa cum imbinarea poate fi solicitata pe langa eforturile axiale si de momente sau forte taietoare.