PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJIAutoForm. Z njim je mogoče narediti simulacijo preoblikovanja za...
Transcript of PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJIAutoForm. Z njim je mogoče narediti simulacijo preoblikovanja za...
-
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Marko DOBNIKAR
PREGLED IN ANALIZA POSTOPKOV
PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJI
Magistrsko delo
študijskega programa 2. stopnje
Strojništvo
Maribor, avgust 2012
-
- I -
Fakulteta za strojništvo
PREGLED IN ANALIZA POSTOPKOV
PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJI
Magistrsko delo
Študent: Marko DOBNIKAR
Študijski program 2. stopnje:
Strojništvo
Smer: Proizvodne tehnologije in sistemi
Mentor: izr. prof. dr. Ivan PAHOLE
Somentor: doc. dr. Mirko FICKO
Maribor, avgust 2012
-
- II -
-
- III -
-
- IV -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Ivanu
PAHOLETU in somentorju doc. dr. Mirku FICKU za
pomoč in vodenje pri opravljanju magistrskega dela.
Zahvaljujem se tudi vsem, ki so kakorkoli pripomogli
k nastanku tega dela.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij in mi stali ob strani.
-
- V -
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ................................................................................................................................. 1
1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA MAGISTRSKEGA DELA ....................................................... 1
1.2 OPREDELITEV MAGISTRSKEGA DELA ............................................................................. 4
1.3 STRUKTURA MAGISTRSKEGA DELA ............................................................................. 17
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE .................................... 18
3 POSTOPKI PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJEM ............................... 24
3.1 GLOBOKI VLEK Z MEDIJEM .......................................................................................... 24
3.2 POSTOPEK FLEXFORM OZ. FLUID CELL ....................................................................... 35
3.3 POSTOPEK WHEELON .................................................................................................. 38
3.4 PREOBLIKOVANJE Z ELASTIČNIM ORODJEM ................................................................. 39
3.5 VISOKOTLAČNO PREOBLIKOVANJE PLOČEVINE Z MEDIJEM.......................................... 41
3.6 PREOBLIKOVANJE CEVI IN PROFILOV Z MEDIJEM ......................................................... 50
3.7 PREOBLIKOVANJE PLOČEVINE Z MEDIJEM PRI POVIŠANIH TEMPERATURAH ................. 58
3.8 PREOBLIKOVANJE PLOČEVINE S POSTOPKOM VPF ...................................................... 59
3.9 PREOBLIKOVANJE S POSTOPKOM IHBF ....................................................................... 62
3.10 INKREMENTALNO PREOBLIKOVANJE Z VODNIM CURKOM ........................................ 63
3.11 PREOBLIKOVANJE Z VPCM POSTOPKOM ................................................................. 65
4 REZULTATI ................................................................................................................... 67
5 DISKUSIJA ..................................................................................................................... 68
6 SKLEP .............................................................................................................................. 69
7 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ........................................................................... 70
PRILOGA 1: STISKALNICA ZA POSTOPEK HYDROFORMING ..................................................... 74
PRILOGA 2: PRIPOROČENI MATERIALI ZA PREOBLIKOVANJE S POSTOPKOM THF ................... 76
PRILOGA 3: PRIMER ORODJA ZA THF POSTOPEK .................................................................... 78
PRILOGA 4: ORODJE ZA VPCM POSTOPEK ............................................................................. 80
-
- VI -
PREGLED IN ANALIZA POSTOPKOV PREOBLIKOVANJA
PLOČEVINE Z MEDIJI
Ključne besede: preoblikovanje pločevine z medijem, medij, globoki vlek z medijem,
Hydroforming, preoblikovanje pločevine
UDK klasifikacija: 621.7.044(043.3)
POVZETEK
Dandanes so vse večje zahteve po proizvodnji lažjih in okolju prijaznejših izdelkov. Te
zahteve silijo predvsem avtomobilsko in letalsko industrijo k razvoju novih preoblikovalnih
postopkov. Znanih je kar veliko preoblikovalnih postopkov pločevine, vendar vsi ne zadostijo
naštetim zahtevam. Z vlaganjem v razvoj in s posodabljanjem že obstoječih postopkov je
prišlo do množične uporabe preoblikovanih postopkov, ki temeljijo na preoblikovanju z
uporabo medija. Za medij se lahko uporabijo plin, tekočina, trdi delci ali pa fleksibilno
orodje. Z uporabo teh postopkov se drastično zmanjšajo stroški izdelave orodij za
preoblikovanje. Kakovost preoblikovanih površin se pa izboljša. To sta tudi glavni prednosti
postopkov preoblikovanja z medijem. V tem delu bodo predstavljeni postopki, ki temeljijo na
preoblikovanju z uporabo medija. Največji poudarek bo na postopku Hydroformng, saj se v
praksi največ uporablja. Omenjen bo tudi postopek globokega vleka z medijem. Predstavljeni
bodo tudi novejši postopki, kot je inkrementalno preoblikovanje z vodnim curkom, VPF
postopek itd. Opisani bodo tudi stroji in orodja, ki se uporabljajo pri preoblikovanju z
medijem. Za vsak postopek bodo podani tudi primeri preoblikovanja iz prakse.
-
- VII -
REVIEW AND ANALYSES OF SHEET METAL FORMING
PROCESSES WITH MEDIA
Key words: sheet metal forming with media, media, deep draw with media, Hydroforming,
sheet metal forming
ABSTRACT
Requirements for nowadays products are that they are cheaper, lighter and environmental
friendly. These requirements are forcing especially industry of aircraft and automobile in
develop of new sheet metal forming processes. There are many processes of sheet metal
forming but some don't meet these requirements. From development of conventional forming
processes, have appeared new forming processes which based on forming with media. As a
media, for sheet metal forming can be used flexible tool, liquid, gas etc. The main advantages
of sheet metal forming process with media is reducing tool costs and increasing quality of
formed parts. Processes which based on forming with media are described in this work. The
main emphasis will be on Hydroforming process which is widely used in practice. It will also
mention the deep drawing with media, incremental sheet metal forming, VPF etc. Machines
and tools for sheet metal forming processes with media will also described in this work. On
practical examples of forming parts will be introduced every processes.
-
- VIII -
UPORABLJENI SIMBOLI
a − širina matrice
ABH − efektivna površina pridržala
Ap − površina prereza pestiča
b − oddaljenost tesnila od roba matrice
D − premer pločevine
D0 − zunanji premer orodja
Dd − notranji premer orodja
dn − premer pločevine v n-ti stopnji
d1 − premer pestiča
dn-1 − premer pločevine v predhodni stopnji
dv − premer vodnega curka
F − sila
FBH − sila pridržala pločevine
FP − sila pestiča
FRe − reakcijska sila
FU − sila globokega vleka s togim pestičem
Fst − sila globokega vleka z medijem
h − oddaljenost šobe od pločevine
hmax − maksimalna višina preoblikovanja
p − tlak pridržala
pc − kontaktni tlak
pi − tlak tekočine
pk − tlak medija za drugo fazo preoblikovanja
pp − potrebni tlak za prosto preoblikovanje
pW − tlak plina
r − polmer zaokrožitve matrice
Rm − natezna trdnost materiala
s − debelina pločevine
S0 − debelina pločevine pred preoblikovanjem
S1 − debelina pločevine po preoblikovanju
v − velikost reže
-
- IX -
Z − velikost reže med pestičem in rezervoarjem
Δy − sprememba višine
βmax − maksimalno vlečno razmerje
βn − vlečno razmerje za n-to stopnjo
β1 − vlečno razmerje za prvo stopnjo
β2 − vlečno razmerje za drugo stopnjo
βtot − skupno vlečno razmerje
σfo − napetost tečenja materiala
κ − relativni premer orodja
-
- X -
UPORABLJENE KRATICE
AISI − American Iron and Steel Institute
CNC − Computer numeric control
CVD − Chemical vapor deposition
DIN − Deutsches Institut für Normung
HDD − Hydromechanical deep drawing
HSLA − High-strength low-alloy steel
IHBF − Integral hydro-bulge forming
IFU − Institute for Metal Forming Technology
ISO − International standardization of organization
MEMS − Microelectromechanical systems
MKE − Metoda končnih elementov
SHF − Sheet hydroforming
SPS − Siempelkamp Pressen Systeme
THF − Tube hydroforming
VPCM − Viscous–plastic carrying medium
VPF − Viscous pressure forming
ZDA − Združene države Amerike
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 1 -
1 UVOD
1.1 Opis splošnega področja magistrskega dela
Tehnološki razvoj je močno vplival na razvoj človeštva. Največji preskok je bil v času
industrializacije, saj je od takrat naprej beseda tehnologija dobila čisto drugi pomen. Danes
tehnologija predstavlja nekaj vsakdanjega, lahko bi rekli, da se dandanes ves svet vrti okoli
besede tehnologija. Tako si ne moremo zamisliti dneva, da ne bi imeli opravka s »sodobno«
tehnologijo. Če že samo pogledamo stvari, ki jih uporabljamo v vsakdanjem življenju, npr.
avtomobile, mobitele, osebne računalnike itd., so le-te plod tehnološkega razvoja in so
narejene zato, da olajšajo oz. na kakšen drugi način zadostijo vse večje želje uporabnikov.
Tako torej tehnologija uresničuje vse večje človeške potrebe. Da bi zadostili vse večje
človeške potrebe, moramo neprestano razvijati tehnološke postopke in izpopolnjevati že
obstoječe. To lahko dosežemo le z inovativnostjo in neprestanim vlaganjem v najnovejše
tehnologije. Pri tem so tudi zelo pomembne raziskave novih materialov, saj le-ti omogočajo
uporabo boljših, cenejših tehnoloških postopkov.
Vsi vemo, da lahko določen izdelek naredimo z več različnimi postopki. Če vzamemo
za primer vijak, lahko le-tega naredimo s postopkom preoblikovanja ali pa s postopkom
odvzemanja materiala. Tako je mogoče narediti vijak s struženjem ali pa z valjanjem navoja.
Pri tem bosta izdelka dimenzijsko zelo podobna. Vendar bo razlika med izdelkoma očitna.
Najprej se bo poznala v ceni same izdelave. Pri posamični proizvodnji je vsekakor bolj
primerna izbira struženja kot pa preoblikovanja. Za preoblikovanje bi se odločili v primeru
serijske proizvodnje. Drugi vpliven faktor poleg cene izdelave so same mehanske lastnosti.
Mehanske lastnosti izdelka se med postopkom preoblikovanja spreminjajo, material se utrdi.
Poveča se mu trdota, trdnost in meja plastičnosti, zmanjša pa se mu žilavost, specifični
raztezek ter električna prevodnost. To pa v nekaterih primerih ni dopustno; če hočemo imeti
žilav material, takrat moramo še dodatno žariti ali pa izdelati izdelek na kakšen drugi način.
Če hočemo izdelku ponovno povečati žilavost, moramo le-tega rekristalizacijsko žariti, kar
pomeni dodatno operacijo in s tem povečanje stroškov izdelave. To še je en primer, zakaj se
preoblikovanje uporablja samo v primeru velikoserijske proizvodnje. Sodobne proizvodnje si
ne moremo predstavljati brez postopkov preoblikovanja. Če samo pogledamo proizvodnjo
avtomobilov, le-te sestavlja približno 76 % kovinskih elementov, ki so v večini narejeni s
postopki preoblikovanja. Za izdelavo avtomobila je tako potrebno narediti od 40 do 50
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 2 -
kritičnih elementov s postopki preoblikovanja. Za izdelavo teh kritičnih elementov
potrebujemo od 100 do 150 orodij [1]. Ti kritični elementi na avtomobilu so: vrata, pokrov
motorja, odbijač, streha avtomobila ... Vsi vemo, da posamezni proizvajalec avtomobilov ne
izdeluje samo enega modela avtomobila, ampak izdeluje več modelov avtomobilov. Zato je za
vsak model potrebno imeti drugačna orodja, kar pa dodatno poveča število orodij, ki jih
potrebuje avtomobilski proizvajalec za proizvodnjo avtomobilov. Pri tem se življenjski cikel
avtomobila zmanjšuje, kar še dodatno poveča število orodij, katera so potrebna za izdelavo
posameznih modelov avtomobila. Pa ne samo avtomobilski proizvajalci, tudi drugi
proizvajalci, kot npr. proizvajalci motornih koles, navadnih koles potrebujejo kar nekaj
različnih orodij za izdelavo izdelkov. Potem so tukaj še vse bolj strožji okoljski predpisi, ki
jih je prav tako treba upoštevati. Zato morajo ti proizvajalci neprestano iskati načine za
zmanjševanje stroškov, iskati nove materiale in tehnologije, s katerimi bi zadostili vse bolj
ostrejšim okoljskim zahtevam ter ostali konkurenčni. Zelo pomembna so nenehna vlaganja v
razvoj, da lahko podjetja zadostijo zgoraj naštetim zahtevam. Podjetja vlagajo v razvoj novih
tehnologij in iščejo poti, s katerimi bi dosegli uporabo čim manjšega števila orodij za izdelavo
posameznega izdelka, ker orodja predstavljajo velik strošek. Strošek posameznega orodja je
lahko 100.000 € in več. Zato je smotrno uporabiti postopke preoblikovanja, s katerimi bi
močno prepolovili stroške izdelave orodij. Razvilo oz. izpopolnilo se je kar nekaj tehnologij
preoblikovanja, s katerimi lahko dosežemo zgoraj zapisane zahteve, pri čemer bi izpostavili
preoblikovanje pločevine z medijem. S postopki preoblikovanja pločevine z medijem lahko
dosežemo zmanjšanje stroškov izdelave orodij. Večina postopkov preoblikovanja pločevine z
medijem se je razvilo iz konvencionalnih postopkov, kot je npr. globoki vlek. Tako poleg
globokega vleka s togim orodjem poznamo tudi globoki vlek z medijem. Najbolj znan
postopek preoblikovanja pločevine z medijem je »Hydroforming«. Ta postopek se tudi v
praksi največ uporablja. Je tehnološko obvladljiv in primeren za industrijsko okolje, prav tako
je tudi že računalniško podprt. Eden izmed takšnih programov je tudi programski paket
AutoForm. Z njim je mogoče narediti simulacijo preoblikovanja za postopek
»Hydroforming«, seveda, če različica vključuje ta modul. Pri postopku »Hydroforming« se
uporablja medij pod tlakom. Postopek je dobil svojo veljavo predvsem v avtomobilski
industriji. Uporaben je tudi za izdelavo izpušnih sistemov za avtomobile in motorna kolesa.
Veliko se tudi uporablja v letalski industriji za izdelavo lahkih komponent za letala. Postopek
je uporaben tudi za izdelavo profilov za navadna kolesa, samokolnice itd. Prav tako ga večji
avtomobilski proizvajalci, kot je »Porsche«, uporabljajo za izdelavo različnih avtomobilskih
elementov. Na Sliki 1.1 je prikazan izpušni sistem za modela avtomobila Porsche Panamera
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 3 -
Turbo/Panamera S, narejen s postopkom preoblikovanja z medijem oz. s postopkom
»Hydroforming«.
Slika 1.1: Izpušni sistem za avtomobil Porsche Panamera Turbo/Panamera S [2].
Izpušni sistem, kateri je prikazan na Sliki 1.1, je narejen iz nerjavečega jekla. S postopki
preoblikovanja z medijem je mogoče narediti izdelke iz aluminija, jekla, nerjavečega jekla,
kar še dodatno povečuje uporabnost teh postopkov. Glavne prednosti preoblikovanja z
medijem so prav v zmanjševanju stroškov orodij, pri čemer lahko izdelamo zelo kompleksne
izdelke. Ti izdelki so lahko iz različnih materialov. Pri tem pa postopki preoblikovanja z
medijem omogočajo veliko stopnjo fleksibilnosti. V nadaljevanju bodo predstavljeni in
opisani glavni postopki preoblikovanja z medijem. Največji poudarek bo na postopku
»Hydroforming«, ki se v praksi tudi največ uporablja. Razvilo se je že veliko različic
postopkov preoblikovanja z medijem, med katerim sta poleg »Hydroforminga«, globokega
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 4 -
vleka z medijem še atraktivna najnovejša postopka IHBF1 za izdelavo posebnih oblik
izdelkov ter VPF2 postopek, kateri izkorišča viskoznost medija za preoblikovanje. Omeniti
moramo tudi postopek inkrementalnega preoblikovanja z vodnim curkom, ki je še v razvoju,
vendar po zadnjih raziskavah predstavlja kar veliko konkurenco inkrementalnemu
preoblikovanju s togim orodjem. Vsi ti postopki bodo predstavljeni v nadaljevanju tega dela.
1.2 Opredelitev magistrskega dela
V tem delu bodo predstavljeni postopki preoblikovanja pločevine z medijem. Delitev
proizvodnih postopkov po standardu DIN3 8580 je prikazana na Sliki 1.2. Standard deli
postopke na šest velikih skupin. Omejili se bomo na preoblikovanje in še to samo na postopke
preoblikovanja z medijem.
Slika 1.2: Razdelitev proizvodnih postopkov po standardu DIN 8580.
1Integral hydro-bulge forming (IHBF).
2 Viscous pressure forming (VPF).
3 Deutsches Institut für Normung (DIN).
Preoblikovanje Primarno oblikovanje Spajanje
Spreminjanje lastnosti materialov
Zaščite Odrezavanje
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 5 -
Standard DIN 8580 deli proizvodne postopke na postopek primarnega oblikovanja, postopke
spajanja materialov, postopke spreminjanja lastnosti materialov, postopke za zaščito
materialov, postopke odrezovanja ter na preoblikovalne postopke. S postopki odrezovanja
dosežemo lokalno ločitev materiala s pomočjo orodja v obliki klina. Primer postopka
odrezovanja je struženje. Osnovni material zaščitimo s postopki, kateri spadajo v skupino
proizvodnih postopkov zaščite. Pri tem nanašamo na površino osnovnega materiala kakšen
drugi material, s katerim dosežemo izboljšanje lastnosti osnovnega materiala. Poznanih je kar
veliko postopkov, eden izmed njih je npr. cinkanje pločevine. Pri tem se na osnovni material
nanese zelo tanka plast drugega materiala. Naslednjo veliko skupino proizvodnih postopkov
predstavljajo postopki spreminjanja lastnosti materialov. V to skupino spadajo postopki
kaljenja, žarjenja, poboljšanja ... Če hočemo spojiti dva elementa v celoto, uporabimo
postopke spajanja. Primer postopka spajanja je varjenje. Primer postopka primarnega
oblikovanja je litje.
Slika 1.3: Povečevanje kompleksnosti izdelkov4.
4 Prirejeno po [3].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 6 -
Zadnja velika skupina proizvodnih postopkov je preoblikovanje. Preoblikovanje ima veliko
vlogo predvsem v sodobni industriji, saj je z njim mogoče narediti lahke komponente za
avtomobile, letala itd. Število sestavnih elementov izdelkov se povečuje, kar prikazuje tudi
graf na Sliki 1.3. V skladu s tem se povečuje tudi masa izdelkov. S slike je razviden trend
povečevanja kompleksnosti izdelkov od industrijske revolucije naprej. Sodobni izdelki
postajajo vse bolj kompleksni oz. so narejeni iz vse več elementov, kakor je prikazano na
sliki. Tako je npr. letalo Boeing 737 narejeno iz približno 367.000 elementov. Vsi ti elementi
pa morajo biti čim lažji, če hočemo kar najbolje zadostiti okoljskim predpisom ter ostati
konkurenčni. Zato so še tako pomembni preoblikovalni postopki, s katerimi lahko izdelamo
komponente iz »lahkih« materialov. Seveda so se v skladu s tem morali iskati novi »lahki
materiali«. Na zgornji sliki so tudi prikazana obdobja množične uporabe posameznih
materialov, vse od aluminija preko plastike in zdaj v novejšem času materialov za izdelavo
MEMS5. V nadaljevanju bodo tako predstavljeni postopki preoblikovanja. Preoblikovanje se
nadalje tudi deli v dve podskupini, ki sta ločevanje in spajanje. Primer preoblikovalnega
postopka je hladno valjanje pločevine. Če se omejimo samo na preoblikovanje, standard DIN
8582 še nadalje razdeli postopke preoblikovanja, kot je prikazano na Sliki 1.4. Na Sliki 1.5 je
prikazana delitev preoblikovanja po posameznih proizvodnih postopkih [4].
Slika 1.4: Razdelitev preoblikovanja po standardu DIN 8582.
5 Microelectromechanical systems (MEMS).
Pre
obli
kovan
je
Tlačno preoblikovanje
Kombinacija tlačnega in nateznega
preoblikovanja
Natezno preoblikovanje
Upogibno preoblikovanje
Strižno preoblikovanje
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 7 -
Slika 1.5: Razdelitev postopkov preoblikovanja po standardu DIN.
Pre
obli
kovan
je
Tlačno preoblikovanje DIN 8583
Valjanje
Prosto kovanje
Utopno kovanje
Kovanje
Ekstruzija
Kombinirano tlačno in natezno preoblikovanje
DIN 8584
Tanjšanje
Globoki vlek
Povečevanje izvrtin
Preoblikovanje s kolescem
Preoblikovanje robov
Natezno preoblikovanje DIN 8585
Podaljševanje z raztezanjem
Širjenje
Natezno preoblikovanje s pestičem
Upogibno preoblikovanje DIN 8586
Upogibanje z linearnim gibanjem orodja
Upogibanje z rotacijskim gibanjem orodja
Strižno preoblikovanje
DIN 8587
Izpodrivanje
Zvijanje
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 8 -
Že v uvodu magistrske naloge sem omenil, da bo poudarek na postopkih preoblikovanja, ki
jih definira standard DIN 8582. V nadaljevanju bodo na kratko predstavljeni vsi
preoblikovalni postopki v skladu z DIN standardom.
Eden najbolj znanih postopkov preoblikovanja s tlačno silo je valjanje. Poznamo hladno
in vroče valjanje. Pri vročem valjanju lahko dosegamo večje stopnje deformacij kot pri
hladnem valjanju. Pri vročem valjanju so tako potrebne manjše sile za doseganje iste stopnje
deformacije. Za izdelavo pločevine material najprej vroče valjamo, da dobimo polizdelek,
nato pa ta polizdelek nadalje hladno valjamo. Primer hladno valjanega izdelka je aluminijasta
gospodinjska folija. Z vročim valjanjem lahko dosegamo velike stopnje deformacij, pri
katerih ne pride do utrjevanja materiala, vendar lahko s hladnim valjanjem dosežemo boljšo
kvaliteto ter ožje dimenzijske tolerance. Med postopkom hladnega valjanja se material utrjuje.
V nekaterih primerih je utrjevanje materiala zaželeno, v nekaterih pa ne. Valjana pločevina
ima tudi anizotropne lastnosti.
Slika 1.6: Utopno in prosto kovanje.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 9 -
Mehanske lastnosti pločevine so odvisne od smeri valjanja. Tako, da so mehanske lastnosti
pločevine v prečni smeri drugačne od tistih v vzdolžni smeri valjanja. Če gledamo s
finančnega stališča na postopke, je hladno valjanje ugodnejše, saj ne potrebujemo energijsko
potratnega segrevanja materiala. Naslednja postopka, ki spadata med postopke tlačnega
preoblikovanja, sta prosto in utopno kovanje. Primer prostega in utopnega kovanja je prikazan
na Sliki 1.6. Posledica prostega ali relativnega gibanja med orodjem ter obdelovancem je
preoblikovanje obdelovanca v želeno obliko. Primer takšnega postopka je preoblikovanje z
mehanskim kladivom. Orodje ima pri tem le delno obliko končnega izdelka. Pri utopnem
kovanju pa orodje v celoti ustreza obliki končnega izdelka. Tudi pri tem postopku pride do
preoblikovanja zaradi relativnega gibanja med orodjem in obdelovancem. Kovanje je tudi
postopek tlačnega preoblikovanja, kjer se izdelek preoblikuje le lokalno. Na ta način se kujejo
običajno kovanci in medalje. Med tlačne postopke preoblikovanja še spada postopek
ekstruzije. Na Sliki 1.7 je prikazan primer izdelave pločevinke s postopkom ekstruzije.
Slika 1.7: Izdelava pločevinke s postopkom ekstruzije.
Na Sliki 1.7 je prikazan primer protismerne ekstruzije za izdelavo pločevink. Pri ekstruziji
tlačimo material skozi matrico in s tem dosežemo spremembo prereza ali premera surovca.
Poznamo prosto ekstruzijo, ekstruzijo pol izdelkov in ekstruzijo končnih izdelkov. Pri prosti
ekstruziji tlačimo material skoz matrico, s tem na valjastih telesih dosežemo postopno
zmanjševanje premera. Na ta način lahko stanjšamo debelino stene cevi, naredimo pločevinke
itd. Ekstruzija pol izdelkov se izvaja v vročem stanju. Pri tem tlačimo vročo palico skozi
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 10 -
matrico in tako lahko dobimo polno ali pa votlo palico želenega premera. Poznamo tudi
ekstruzijo končnih izdelkov, ki poteka v hladnem stanju, za izdelavo individualnih izdelkov,
kot so zobniki, gredi itd. Pri tej vrsti ekstruzije lahko dosežemo večje deformacije kot pri
prosti ekstruziji. Z ekstruzijo se izdelujejo različni polizdelki, kot so profili z različnimi
preseki. Za ekstruzijo polizdelkov ali pa končnih izdelkov se lahko uporabi togo orodje ali pa
aktivni medij. Glede na tečenje materiala, relativno glede na pestič, ločimo istosmerno in
protismerno ekstruzijo ter ekstruzijo za izdelavo polnih ali votlih oblik izdelkov. Standard
DIN 8583/6 deli ekstruzijo na sedemnajst postopkov. V naslednjo skupino postopkov
preoblikovanja spadajo natezno-tlačni postopki preoblikovanja. Najbolj znan in najbolj
razširjen predstavnik te skupine preoblikovalnih postopkov je globoki vlek. Z globokim
vlekom lahko izdelamo različne oblike izdelkov. Primer globokega vleka z medijem je
prikazan na Sliki 1.8. Za medij se lahko uporabljajo tekočina, plin ali pa trdni delci. Poznan je
tudi globoki vlek z elastičnim orodjem.
Slika 1.8: Globoki vlek s tekočim medijem.
Z globokim vlekom surovec preoblikujemo v votlo telo ali pa votlemu telesu spremenimo
dimenzije. Poznamo istosmerni in protismerni globoki vlek. Pri istosmernem globokem vleku
lahko izdelamo izdelek z enosmerno delujočim pestičem. Če hočemo doseči velika vlečna
razmerja, moramo globoki vlek izvesti v več stopnjah. Za vlečenje cilindričnih izdelkov je
zelo pomembna vrednost vlečnega razmerja β. Od vlečnega razmerja je odvisno, v kolikih
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 11 -
stopnjah se bo izdelal določen izdelek. Za prvo stopnjo je vlečno razmerje definirano kot
razmerje med premerom pločevine oz. surovca in s premerom pestiča.
(1.1)
βn [ ] – vlečno razmerje za n-to stopnjo
Dn-1 [mm] – premer pločevine v predhodni stopnji (za prvo stopnjo premer pločevine)
dn [mm] – premer pločevine v n-ti stopnji
Vlečno razmerje za poljubno stopnjo podaja enačba (1.1). Skupno vlečno razmerje je produkt
vlečnih razmerij v posameznih stopnjah, kot je zapisano v enačbi (1.2).
(1.2)
βtot [ ] – celotno vlečno razmerje
β1 [ ] – vlečno razmerje v prvi stopnji
β2 [ ] – vlečno razmerje v drugi stopnji
βn [ ] – vlečno razmerje v n-ti stopnji
Maksimalno vlečno razmerje je odvisno od lastnosti materiala, ki ga preoblikujemo. Za prvo
stopnjo naj ne bi vlečno razmerje presegalo vrednosti 2. Izjema je vlečenje z medijem, kjer so
vlečna razmerja za prvo stopnjo lahko tudi večje. Če hočemo doseči večje vlečno razmerje,
kot je β1 > 2, takrat moramo vleči večstopenjsko, zato ker se material med preoblikovanjem
utrjuje. Vsaka nadaljnja stopnja naj ne bi presegala vlečnega razmerja βn = 1,3. Če med
posameznimi stopnjami surovec žarimo, lahko dosežemo tudi vlečno razmerje do βn = 1,7.
Vrednosti za vlečna razmerja so samo grobe ocene, ker je dejansko vlečno razmerje odvisno
tudi od koeficienta trenja med pestičem in obdelovancem, premera zaokrožitve pestiča,
debeline pločevine ... Za zmanjšanje števila stopenj lahko uporabimo istosmeren globoki vlek
z dvostopenjskim delovanjem pestiča ali pa protismeren globoki vlek. S protismernim
globokim vlekom lahko izdelamo tudi zelo kompleksne izdelke. Potrebna sta dva pestiča. Prvi
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 12 -
pestič izvede prvo operacijo, nato pa, ko je le-ta končana, se aktivira drugi pestič, ki izvede
drugo operacijo. Drugi pestič se giblje v nasprotni smeri kot se giblje prvi pestič. Na Sliki 1.8
je prikazan primer globokega vleka z medijem oz. s tekočino. S tem postopkom lahko
preoblikujemo pločevino ali pa ovalna telesa v želeno obliko, z uporabo medija. Za medij se
lahko uporabijo trdi delci, kot so pesek ali jeklene kroglice, tekočina (voda, olje) ter plini.
Preoblikovanje je podobno kakor preoblikovanje s togim orodjem. Prednost tega postopka
pred globokim vlekom s togim orodjem je v uporabi večjih vlečnih razmerij za prvo stopnjo.
To velikokrat privede do tega, da je potrebna samo ena stopnja za dosego želene oblike
izdelka. Doseženo je že bilo tudi vlečno razmerje β = 3 [5]. S tem postopkom lahko
preoblikujemo različne materiale. Naslednji postopek, ki spada med natezno-tlačne postopke,
je tanjšanje. Pri tem postopku vlečemo surovec skozi matrico in tako izdelamo polne ali pa
votle izdelke. Primer tanjšanja je prikazan na Sliki 1.9. S tem postopkom izdelujemo različne
polizdelke, kot so žica, cevi, pločevinke …
Slika 1.9: Postopek izdelave pločevinke s tanjšanjem.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 13 -
Na Sliki 1.9 je prikazana izdelava pločevinke. Med preoblikovanjem se pločevinki spremeni
le debelina stene, medtem ko debelina dna pločevinke ostane enaka oz. debelina dna
pločevinke ostane med preoblikovanjem konstantna in se ne spreminja. S tem postopkom
lahko učinkovito zmanjšamo debeline sten različnim izdelkom. Na ta način se lahko
izdelujejo tudi končni izdelki in ne samo polizdelki, kot so cevi itd. Naslednji postopek se
uporablja za povečevanje izvrtin. S tem preoblikovalnim postopkom povečamo že obstoječo
izvrtino na zahtevano dimenzijo. Izvrtina je lahko na ravni ali pa zakrivljeni površini. Za
izdelavo votlih cilindričnih izdelkov se lahko uporabi postopek preoblikovanja s kolescem.
Postopek je prikazan na Sliki 1.10. Trn se vrti in ima obliko izdelka, s kolescem pa pritiskamo
na pločevino, ki čez čas prevzeme obliko trna. Preoblikovanje poteka lokalno z uporabo
kolesca. Še zadnji natezno-tlačni postopek, ki ga bom omenil, je preoblikovanje robov.
Uporablja se za lokalno preoblikovanje, običajno cilindričnih izdelkov. Preoblikovalna sila
deluje vzdolžno glede na surovec, zato pride do gubanja, ki je lahko notranje, zunanje ali
obojestransko.
Slika 1.10: Preoblikovanje s kolescem.
Naslednji postopki spadajo med natezne preoblikovalne postopke. Podaljševanje z
raztezanjem je postopek, pri katerem se spremeni dimenzija izdelka vzdolž delovanja sile.
Postopek je podoben nateznemu preizkusu. S tem postopkom lahko podaljšamo oz.
preoblikujemo cevi, palice itn. Naslednji postopek, ki spada med postopke z delovanjem
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 14 -
natezne sile, je širjenje. Princip širjenja cevi je prikazan na Sliki 1.11. S postopkom širjenja
spremenimo premer valjastega telesa. Pri tem se lahko uporabi togo orodje ali pa medij.
Zadnji postopek, ki bo omenjen, je natezno preoblikovanje s pestičem. Ta postopek spada
med natezne postopke. Na ta način lahko preoblikujemo ravno pločevino ali pa konveksne
površine. Za razliko od globokega vleka se pri tem postopku spreminja debelina pločevine
med preoblikovanjem, torej je S0 > S1, kakor je prikazano na Sliki 1.11. Zelo pomembna je
vloga togega pestiča, s katerim preoblikujemo na nateg obremenjeno pločevino. Med
preoblikovanjem se obdelovanec tudi razteza. Pestič prodira v obdelovanec, medtem ko je le-
ta vpet v čeljusti in obremenjen z natezno silo. Princip preoblikovanja s pestičem je prikazan
na Sliki 1.11.
Slika 1.11: Postopek širjenja cevi in nateznega preoblikovanja s pestičem.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 15 -
Naslednjo skupino postopkov predstavljajo upogibni postopki. Glede na gibanje orodja
ločimo linearno in rotacijsko upogibanje. Upogibanje v orodju je primer upogibanja z linearno
delujočim orodjem. Za uspešno upogibanje v orodju je najbolj pomembna geometrija orodja,
ki je odvisna od želene oblike izdelka in elastične izravnave materiala, ki ga upogibamo.
Upogibanje v orodju se lahko kombinira s kovanjem. Kovanje zmanjšuje napetosti, ki
nastanejo zaradi upogibanja ter ugodno vpliva na zmanjševanje elastične izravnave materiala.
Obe operaciji se izvedeta v enem gibu orodja. Naslednja možnost upogibanja je upogibanje z
rotirajočim gibanjem orodja. Poznani so naslednji postopki upogibanja z rotirajočim orodjem:
upogibanje z valji, krožno upogibanje in nihajno upogibanje. Pri upogibanju z valji se
potrebni upogibni moment ustvari z vrtenjem le-teh, tako lahko izdelujemo valjaste ali pa
stožčaste izdelke. Upogibanje z valji se tudi uporablja za ravnanje pločevine, žice, cevi itd. Pri
postopku nihajnega upogibanja obdelovanec upognemo okoli upogibnega roba. Krožno
upogibanje se uporablja za upogibanje profilov, palic, žice ali cevi. S tem postopkom je
mogoče izdelati vzmeti. Je neprekinjen proces, pri katerem upognemo izdelek za 360 °. Na
Sliki 1.12 sta prikazana postopka upogibanja v orodju in nihajno upogibanje.
Slika 1.12: Postopek upogibanja v orodju in nihajno upogibanje.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 16 -
V nadaljevanju bodo predstavljeni postopki preoblikovanja, ki so posledica delovanja strižne
sile. Prvi postopek, ki ga bomo omenili, je postopek izpodrivanja materiala. Z linearnim
delovanjem orodja dosežemo premik oz. zamik preoblikovalnih ravnin. Na ta način se lahko
izdelujejo točke za centriranje pločevine. Zadnji postopek, ki ga bomo omenili izmed strižno-
delujočih postopkov, je zvijanje. Pri tem postopku z vzvojnim momentom dosežemo relativno
premaknitev ene površine nasproti drugi.
Kakor je že bilo omenjeno, se preoblikovanje deli še na dve podskupini. V ti dve
skupini spadajo postopki ločevanja in spajanja materiala. Za razliko pri ločevanju materiala s
preoblikovalnimi postopki ne nastanejo odrezki tako, kakor pri postopkih odrezovanja.
Standard DIN 8588 deli postopke rezanja na rezanje s škarjami, rezanje z nožem, trganje in
lomljenje. Na Sliki 1.13 je prikazan postopek izrezovanja s škarjasto obliko rezila6.
Slika 1.13: Postopek izrezovanja s škarjasto obliko rezila.
6 Povzeto po [4].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 17 -
1.3 Struktura magistrskega dela
V uvodu je kratek pregled postopkov preoblikovanja s podanimi glavnimi značilnostmi. Sledi
poglavje s pregledom dosežkov drugih avtorjev na področju preoblikovanja pločevine z
mediji. V tem poglavju je tudi krajši pregled nad vsemi postopki preoblikovanja z medijem.
Predvsem je poudarek na postopku »Hydroforming«, ki se v praksi tudi največ uporablja;
seveda so omenjeni tudi še drugi postopki, kot je inkrementalno preoblikovanje pločevine z
vodnim curkom, globoki vlek z medijem itd. V jedru magistrskega dela so podane značilnosti
preoblikovanja z medijem, predstavljena so orodja in stroji za preoblikovanje z medijem. V
poglavju Rezultati so podane glavne značilnosti postopkov. V poglavju Diskusija sledi
komentar dobljenih rezultatov. Podana so tudi področja za nadaljnji razvoj postopkov
preoblikovanja pločevine z medijem. Naloga se zaključi s poglavjem Sklep, kjer je zapisana
objektivna ocena problematike preoblikovanja pločevine z medijem.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 18 -
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE
Kakor je že bilo v uvodu zapisano, se v današnjih časih zmanjšuje življenjski cikel izdelkov in
vse bolj postaja pomembna okoljska ozaveščenost podjetij. Tem zahtevam se mora prilagoditi
vse več podjetij. Predvsem avtomobilska industrija, kjer so zahteve po čim bolj lahkih
konstrukcijah, visoki inovativnosti izdelkov ter čim manjši ceni izdelkov. Da bi podjetja
zadostila tem zahtevam, morajo iskati novejše materiale, nove tehnologije izdelave ter
posodobiti že obstoječe proizvodne procese. Eden novejših postopkov preoblikovanja, s
katerim lahko dosežemo velike prihranke, je preoblikovanje z medijem. Je zelo fleksibilen
postopek, s katerimi je mogoče izdelati »lahke komponente« za letala, avtomobile itd.
Največji prihranki se kažejo na stroških izdelave orodja. Nekateri postopki preoblikovanja z
medijem so že znani kar veliko časa, kot je npr. visokotlačno preoblikovanje cevi, vendar so z
razvojem opreme in krmilnih sistemov pridobili na veljavi v zadnjih nekaj letih. Na Sliki 2.1
je prikazana delitev postopkov preoblikovanja z medijem po tipu uporabljenega medija [6].
Za vsaki tip medija je podan tudi primer preoblikovalnega postopka.
Slika 2.1: Delitev postopkov preoblikovanja z medijem po tipu medija.
Preoblikovanje z medijem
Trdi delci
Globoki vlek s trdimi delci
Tekočina
Globoki vlek s tekočino
Visokotlačno preoblikovanje
Visokotlačno preoblikovanje cevi in profilov
Visokotlačno preoblikovanje pločevine
Plin
Globoki vlek s plinom
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 19 -
Na Sliki 2.1 je delitev preoblikovalnih postopkov po tipu uporabljenega medija. V praksi še
obstaja več preoblikovalnih postopkov, kot je npr. postopek inkrementalno preoblikovanje
pločevine z vodnim curkom. V nadaljevanju se bomo omejili prav na te postopke
preoblikovanja pločevine z medijem. Glavni predstavnik postopka preoblikovanja s pomočjo
aktivnega medija je postopek Hydroforming. Največ se uporablja v avtomobilski industriji in
predstavlja veliko konkurenco »klasičnim« preoblikovalnim postopkom z uporabo togega
orodja.
Preoblikovanje z medijem omogoča zmanjšanje števila operaciji, pri čemer lahko
izdelamo zelo kompleksne oblike izdelkov v skoraj enakem času z enako kakovostjo kot s
togim orodjem. Z združevanjem operacij pripomoremo tudi k zmanjšanju stroškov
preoblikovalnih orodij. Prav združevanje različnih postopkov je bila prva aktivnost za
zmanjševanje stroškov izdelave orodij. Na Sliki 2.2 je prikazana izvedba orodja, kjer v eni
operaciji izvedemo preoblikovanje in rezanje.
Slika 2.2: Kombinacija izvedbe orodja za preoblikovanje in rezanje s pomočjo medija7.
Na Sliki 2. 2 je prikazan primer združitve postopka preoblikovanja pločevine z medijem in
rezanja v samo eno operacijo. Z združevanjem in s kombiniranjem operacij zmanjšamo
število potrebnih orodij. Poleg zgoraj omenjenih postopkov obstajajo tudi postopki, ki so se
razvili na novo ali pa iz že obstoječih postopkov preoblikovanja. Primer za slednjega je
7 Prirejeno po [7].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 20 -
globoki vlek z medijem. Čeprav gre za novejše postopke, so nekateri izmed njih že znani kar
nekaj časa; takšen primer je visokotlačno preoblikovanje cevi. Za visokotlačno preoblikovanje
cevi ali profilov potrebujemo dodatne elemente oz. pestiče, ki jih je mogoče premikati ali
odmikati od obdelovanca. Poleg že prej omenjenega postopka visokotlačnega preoblikovanja
cevi in profilov s postopkom Haydroforming obstaja še preoblikovanje pločevine in novejša
postopka IHBF ter VPF. Zadnja dva postopka sta še v razvoju. Primer izdelka, narejenega s
postopkom IHBF, je prikazan na Sliki 2.3.
Slika 2.3: 200 m3 rezervoar za naftni plin, narejen s postopkom IHBF [8].
Postopek globokega vleka je bil modificiran z namenom zmanjšanja stroškov izdelave orodij
in povečanja vlečnega razmerja. Pri globokem vleku z medijem ločimo globoki vlek z
membrano ali brez nje. Za medij se lahko uporabijo trdi delci, tekočina ali pa plin. Pod kratico
HDD8 je znan postopek brez uporabe membrane. Z uporabo membrane so poznani naslednji
postopki: Fluidform, Fluidcell in Wheelon. Vsi ti postopki bodo v nadaljevanju predstavljeni.
Postopek Hydroform se uporablja za preoblikovanje pločevine in prav tako profilov ter cevi.
Pri preoblikovanju cevi in profilov je orodje nekoliko drugačno kakor pri preoblikovanju
8 Hydromechanical deep drawing (HDD).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 21 -
pločevine. Pri globokem vleku z medijem sta pločevina in medij lahko tudi ločena z
membrano. Preoblikovanje se izvede s pestičem predpisane oblike, ki preoblikuje pločevino,
dokler le-ta ne doseže zahtevane oblike. Naloga medija je ustvarjanje reakcijske sile. Zaradi
tega so potrebne večje preoblikovalne sile, kakor v primerjavi s klasičnim globokim vlekom.
Na Sliki 2.4 je shematsko prikazan postopek globokega vleka z medijem z uporabo
membrane.
Slika 2.4: Globoki vlek z uporabo elastične membrane9.
S tem postopkom lahko izdelamo različne oblike izdelkov, najbolj primeren pa je za izdelavo
kompleksnih izdelkov v avtomobilski in letalski industriji. Postopek se je razvil iz postopka
HDD. Največja prednost tega postopka je izdelava kompleksnih oblik izdelkov z zelo kratkim
izdelovalnim ciklom. Prihranek se kaže tudi na ceni orodja, saj za izdelavo potrebujemo samo
eno orodje, pri tem pa izdelamo že skoraj končno obliko izdelka. Zaradi lastnosti medija so
9 Prirejeno po [9].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 22 -
dimenzijske tolerance izdelkov ožje kakor pri klasičnem globokem vleku s togim orodjem.
Postopek je primeren tudi za izdelavo prototipov in za maloserijsko proizvodnjo. Kakor je že
omenjeno v uvodu, postajajo vse pomembnejše MKE10
simulacije postopkov preoblikovanja
z medijem. V primeru preoblikovanja pločevine nam lahko dajo odgovor na:
optimalno velikost pločevine oz. surovca;
velikost potrebnega tlaka za preoblikovanje;
velikost zapiralne sile orodja;
velikost koeficienta trenja, ki je potreben za preoblikovanje.
Izpušne sisteme, kakršen je prikazan na Sliki 1.1, profile za kolesa itd. je mogoče izdelati
najceneje s postopkom »Hydroforming« za preoblikovanje profilov in cevi. Poznana sta
visokotlačen in nizkotlačen postopek. Profil oz. obdelovanec se vstavi v orodje, kjer se le-to
zapre in zatesni. Nato se začne dovajati medij, ki je pod tlakom. Profil se zaradi povišanega
notranjega tlaka začne preoblikovati. Proces se zaključi takrat, ko se doseže končna oblika
profila. Za to vrsto preoblikovanja je potreben večji tlak kakor pri ostalih postopkih
preoblikovanja z medijem. Pri nizkotlačnem preoblikovanju je maksimalni notranji tlak od
80−100 MPa in pri tem mora biti tanjšanje sten manjše od 5 % Pri visokotlačnem pa je
maksimalni notranji tlak 690 MPa. So pa tudi primeri, ko je tlak medija dosegel 1380 MPa.
Pri visokotlačnem preoblikovanju je najbolj kritično tesnjenje.
Novi in najbolj obetavni tehnologiji sta tudi tako imenovani IHBF in VPF. IHBF
tehnologija je dokaj nova in se še razvija, primer izdelka je prikazan na Sliki 2.3. Pri tem
postopku lahko pločevino preoblikujemo v sferične ali lupinaste oblike izdelkov.
Preoblikovanje temelji na uporabi medija, ki je lahko tekočina, v nekaterih primerih pa tudi
eksploziv. Pri tem postopku ni potrebe po stiskalnici, tako da tudi nista potrebna pestič in
matrica. Ta tehnologija se še izključno uporablja samo za izdelavo posebnih sferičnih oblik
izdelkov. Med najnovejše tehnologije spada tudi tako imenovano VPF preoblikovanje. Pri tej
tehnologiji preoblikovanja se uporabi zelo viskozen medij za preoblikovanje težko
preoblikovalnih materialov. Ta postopek se še intenzivno razvija. Kakor je že bilo omenjeno,
so postopki preoblikovanja z medijem uporabni za preoblikovanje kompleksnih izdelkov,
predvsem za avtomobilsko in letalsko industrijo. Uporablja se tudi za oblikovanje profilov pri
izdelavi koles ter za izdelavo elementov gospodinjskih pripomočkov itd. Razvoj na področju
10 Metoda končnih elementov (MKE).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 23 -
Hydroforminga narekuje predvsem avtomobilska industrija, v kateri se tudi največ uporablja
[9].
Poleg prej omenjenih postopkov preoblikovanja pločevine z medijem je le-to mogoče
preoblikovati tudi s curkom tekočine, podobno kakor inkrementalno preoblikovanje pločevine
s togim orodjem. Le, da v tem primeru ne uporabimo togega orodja, ampak curek tekočine
pod visokim tlakom. Ta postopek je poseben primer inkrementalnega preoblikovanja. Izdelki,
preoblikovani na ta način, omogočajo prenos veliko večjih obremenitev. Ta postopek ima kar
nekaj prednosti pred inkrementalnim preoblikovanjem s togim orodjem. Je izredno fleksibilen
postopek. Krmiljenje procesa ni zahtevno. Izdelava cilindričnih izdelkov je hitra, kar ima za
posledico večjo produktivnost. Mogoče je preoblikovati hladno valjano pločevino, kot so
pločevinke za razne pijače. Kljub zelo velikim hitrostim preoblikovanja je kvaliteta
preoblikovanja zelo dobra [10]. Primer preoblikovanja pločevinke z visokotlačnim curkom
tekočine je prikazan na Sliki 2.5.
Slika 2.5: Inkrementalno preoblikovanje pločevinke z vodnim curkom11
.
11 Prirejeno po [10].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 24 -
3 POSTOPKI PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJEM
V prejšnjem poglavju so že podani nekateri postopki preoblikovanja z medijem. V tem
poglavju bodo le-ti natančneje opisani. Podane bodo značilnosti posameznih postopkov.
Najprej bo opisan postopek globokega vleka z medijem.
3.1 Globoki vlek z medijem
Kakor je že bilo omenjeno v prejšnjih poglavjih, ima globoki vlek z medijem več prednosti
pred globokim vlekom s togim pestičem. Tako je npr. parabolično obliko izdelka mogoče
izdelati v samo eni operaciji, medtem ko bi za isti izdelek s konvencionalnim globokim
vlekom potrebovali šest operacij. Kvaliteta površine izdelka se izboljša. S postopkom lahko
dosežemo ožje dimenzijske tolerance izdelkov.
Slika 3.1: Prednosti globokega vleka z medijem.
Globoki vlek z
medijem
Velika vlečna razmerja
Izdelava kompleksnih
geometrij izdelkov
Velika produktivnost
Zmanjšanje vpliva
elastičnega izravnanja Ločitev
medija in pločevine z memberano
Majhne deformacije membrane
Velika fleksibilnost, majhni stroški
orodja in kratki časi
cilkov
Zmanjšanje sile vpetja
zaradi uporabe togih
elementov orodja
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 25 -
Orodje za preoblikovanje je enostavno z majhnim številom sestavnih elementov [11]. Zato je
orodje za globoki vlek z medijem cenejše kakor orodje za navaden globoki vlek s togim
pestičem. Tukaj so bile naštete le nekatere prednosti globokega vleka z medijem, na Sliki 3.1
še jih je pa več. S Slike 2.1 vidimo, da lahko postopke globokega vleka razdelimo po tipu
preoblikovalnega medija. Tako lahko za medij uporabimo trdne delce, tekočino ali pa plin.
Posebni primer je globoki vlek s trdimi delci. Za medij se lahko uporabi pesek ali pa kovinske
kroglice. Za preoblikovanje se lahko uporabi tudi elastično orodje. Pri tem je lahko izvedba z
elastičnim pestičem ali pa z elastično matrico. Če uporabimo plin kot medij, pa poznamo
vakuumsko ter visokotlačno preoblikovanje. Pri preoblikovanju s tekočino ločimo
preoblikovanje z membrano ali brez nje. Razdelitev postopkov globokega vleka po
uporabljenem tipu medija je prikazana na Sliki 3.2.
Slika 3.2: Razdelitev postopka globokega vleka glede na uporabljeni tip medija12
.
12 Prirejeno po [6].
Globoki vlek z medijem
Trdi delci
Pesek
Jeklene kroglice
Plin
Vakum
Nadtlak
Tekočina
Brez membrane
Z membrano
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 26 -
Postopek globokega vleka s tekočino HDD spada med postopke brez uporabe membrane.
Princip delovanja postopka je podan na Sliki 3.3 [4].
Slika 3.3: Princip globokega vleka z medijem brez uporabe membrane.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 27 -
Princip globokega vleka z medijem je takšen, da je najprej orodje odprto, rezervoar je
napolnjen z medijem do začetne pozicije. Po vstavitvi pločevine se orodje zapre in pri tem
pridržalo pločevine s silo pritisne na pločevino. S povečevanjem pritisne sile pridržala in
rezervoar se z medijem nepredušno zapre. V naslednji fazi pestič začne s silo delovati na
pločevino. Pločevina se začne deformirati. Začne se postopek preoblikovanja. Tlak v
rezervoarju se poveča, kar je posledica prodiranja le-tega v rezervoar. Med preoblikovanjem
pločevina prevzame obliko pestiča. Medij pod visokim tlakom služi za ustvarjanje reakcijske
sile. Rezervoar je povezan s krmilnikom tlaka. S krmiljenjem tlaka uravnavamo globino
globokega vleka tako, da obstaja povezava med globino globokega vleka in tlakom medija.
Ko se doseže zahtevano vlečno razmerje, se pestič vrne v začetno stanje. Iz Slike 3.3 vidimo,
da je orodje za globoki vlek z medijem brez uporabe membrane sestavljeno iz dveh delov.
Zgornji del orodja je sestavljen iz pestiča in pridržala. Pridržalo je običajno ulitek, na katerega
je nameščen obroč, ki preprečuje brizganje medija iz delovnega območja. Pestič je nameščen
na sredino pridržala. Pridržalo pločevine služi tudi za vodenje pestiča. Ko se doseže zahtevana
vlečna globina, se postopek prekine. Za prekinitev postopka služi mehansko stikalo, katero
mora biti del orodja. Spodnji del orodja je sestavljen iz rezervoarja medija. Spodnji del orodja
poleg rezervoarja sestavlja tudi matrica. Zgornja in spodnja dela orodja sta oblikovana tako,
da takrat, ko se zapreta, tvorita tlačno posodo. Za hitro menjavo matrice služi pritrdilni
oziroma razteznostni obroč. Obroč ima žleb, ki služi za odvod prekomerne količine medija.
Matrica ima na eni strani zaokrožitev, na drugi strani pa je posneta pod približno 45° kotom.
Reakcijski tlak medija se ustvari s prodiranjem pestiča v rezervoar. Medij pod tlakom
ima nalogo, da ustvari prečni pritisk na pestič. Pri tem se ustvari reža, kakor je prikazano na
Sliki 3.4. Oddaljenost tesnila od roba matrice b je odvisna od zaokrožitve matrice r in ne sme
biti manjša od 7 mm. Vrednost b se izračuna tako, da se prišteje polmeru zaokrožitve matrice
r vrednost 2 mm. Med preoblikovanjem pločevine se med njo in pestičem pojavi suho trenje.
Vlečna sila se poveča, njena vrednost je večja kakor v primerjavi s »klasičnim« globokim
vlekom s togim orodjem. V tem trenutku medij pod tlakom povzroči med pestičem in matrico
izbočitev pločevine. Deformacijo povzročijo radialne natezne in tangencialne tlačne napetosti
[4]. Kakor je že bilo omenjeno, so pri globokem vleku z medijem možna večja vlečna
razmerja kakor pri preoblikovanju s togim pestičem. Vlečno razmerje je zelo pomemben
podatek za globoki vlek. Vlečno razmerje za posamezno stopnjo je podano z enačbo 1.1.
Celotno vlečno razmerje pa podaja enačba 1.2. V uvodnem poglavju 1.2 je še zapisano, da
vlečno razmerje za globoki vlek naj ne bi presegalo vrednosti β = 2, kar velja samo za
»klasičen« globoki vlek brez uporabe medija. V primeru globokega vleka z medijem lahko
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 28 -
vlečno razmerje doseže tudi vrednost β = 2,7. V praksi so že bila dosežena večja vlečna
razmerja. Tako obstaja primer uspešnega globokega vleka nizko-ogljičnega jekla DC04, ko je
vlečno razmerje doseglo vrednost β = 3 [5].
Slika 3.4: Reža, ki se ustvari med postopkom preoblikovanja. Oznake na sliki so: s–debelina
pločevine; v–velikost reže; b–oddaljenost tesnila od roba matrice; r–zaokrožitev matrice.
Z doseganjem večjih vlečnih razmerij lahko zmanjšamo število potrebnih operacij in s tem
tudi stroške orodij. Boljša je tudi kvaliteta preoblikovanih izdelkov, ker se v tem primeru ne
uporablja togo orodje, ampak stisljiv medij. Za preoblikovanje različnih materialov so
potrebni tudi različni tlaki medija. V Tabeli 3.1 so podana tlačna območja za medij glede na
material, ki ga preoblikujemo.
Tabela 3.1: Območje tlaka medija za različne materiale [23].
Material: Območje delovnih tlakov medija [MPa]:
aluminij in aluminijeve zlitine 6–30
jeklo za globoki vlek St 13, St 14 20–70
nerjaveče jeklo in visoko legirano jeklo 30–100
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 29 -
Manjši je tudi učinek elastičnega izravnanja. Izdelki imajo ožje dimenzijske tolerance.
Postopek je primeren tudi za izdelavo izdelkov, za katere se zahteva, da imajo sijoče oz.
polirane površine. Pri tem pa debelina sten med preoblikovanjem ostaja enaka oz. v
predpisanih tolerancah. To še je posebej pomemben podatek, da ne pride do zmanjševanja
debeline stene na mestu zaokrožitve izdelka.
Za preoblikovanje je pomembna sila, s katero preoblikujemo izdelek. V primerjavi s
»klasičnim« globokim vlekom je pri preoblikovanju z medijem potrebna večja sila stiskalnice.
Sila globokega vleka z medijem Fst je seštevek sile Fu in reakcijske sile FRe, katera deluje na
pestič preko tlaka medija. Silo globokega vleka Fu izračunamo po enačbi (3.1).
( )
(3.1)
FU [N] – sila globokega vleka s togim orodjem
d1 [mm] – premer pestiča
s [mm] – debelina pločevine
Rm [N/mm2] – natezna trdnost materiala
βmax [ ] – maksimalno vlečno razmerje
Slika 3.5: Graf odvisnosti sile od poti pestiča za HDD postopek [4].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 30 -
Graf na Sliki 3.5 prikazuje odvisnost sile od globine vleka za silo pestiča, reakcijsko silo in
preoblikovalno silo. Za preoblikovanje z medijem je torej potrebna večja sila, ki je seštevek
reakcijske sile medija in sile za preoblikovanje s togim pestičem brez uporabe medija. Silo
globokega vleka z medijem lahko izračunamo tudi po enačbi (3.2):
(3.2)
Ap [cm2] – površina prereza pestiča
Za uspešno tesnjenje orodja in za sam proces preoblikovanja je pomembno poznavanje sile
pridržala, ki se izračuna po enačbi (3.3).
(3.3)
p [N/mm2] – tlak pridržala
ABH [mm2] – efektivna površina pridržala
Tlak, ki ga povzroči sila FBH, se izračuna po enačbi (3.4).
[( )
] (3.4)
D [mm] – premer pločevine
Prav tako kakor pri preoblikovanju s togim pestičem, poznamo tudi pri globokem vleku z
medijem istosmerni in protismerni globoki vlek. Različni tipi protismernega globokega vleka
z medijem so prikazani na Sliki 3.6. Pri prvem tipu se med preoblikovanjem tlak medija
poveča zaradi prodiranja pestiča v rezervoar. To povzroči radialno silo, katera deluje na rob
pločevine, kakor je prikazano na Sliki 3.5a. Drugi tip, ki je prikazan na Sliki 3.5b, ima
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 31 -
neodvisno krmiljen tlak medija za protismerni globoki vlek. Tretji tip, ki je prikazan na Sliki
3.5c, pa za protismerni globoki vlek uporabi obroč, na katerega deluje tlak medija.
Slika 3.6: Shematski prikaz različnih tipov protismernega globokega vleka z medijem in
eksperimentalnega orodja za protismerni globoki vlek13
.
Primer orodja za protismerni globoki vlek je prikazan na Sliki 3.6. Je eksperimentalno orodje.
Premer pestiča znaša 37,3 mm, zaokrožitev pa 5 mm. Matrica ima premer 39,5 mm z
zaokrožitvijo 5,5 mm. S tem orodjem se doseže vlečno razmerje 0,533. Pridržalo pločevine je
namaščeno na orodje enako kakor pri običajnem globokem vleku. Rezultati eksperimentov so
pokazali, da je površina izdelka zadovoljiva in primerljiva z istosmernim globokim vlekom,
še posebej geometrija in tanjšanje materiala med preoblikovanjem. Eksperimenti so bili
narejeni na materialu 08Al [12]. Poleg že prej omenjenega protismernega globokega vleka z
medijem je z istosmernim globokim vlekom mogoče narediti tudi različne oblike izdelkov.
13 Prirejeno po [12].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 32 -
Narejeni izdelki so lahko parabolični, stopničasti, konični itd., kar še dodatno povečuje
uporabnost postopka.
Slika 3.7: Postopek globokega vleka z uporabo več membran14
.
V primeru uporabe tekočine kot medija obstaja globoki vlek z membrano ali brez nje.
Omenjen je že bil postopek HDD, pri katerem se ne uporablja membrana, v nadaljevanju pa
bodo omenjeni postopki z uporabo elastične membrane. Pri teh postopkih sta ločena
pločevina in medij z elastično membrano, kakor je prikazano na Sliki 2.4. Lahko se uporabi
14 Prirejeno po [11].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 33 -
samo ena membrana, kakor je prikazano na Sliki 2.4, ali pa več membran, kot je prikazano na
Sliki 3.7. Globoki vlek z uporabo več membran ima kar nekaj prednosti pred uporabo ene
membrane. S Slike 3.7 je razvidno, da je zgornji del orodja razdeljen na več membran oz. na
celice, katere so napolnjene z medijem. V prvi fazi še membrane niso pod delovnim tlakom in
takrat je med njimi zračna reža. Nato se orodje zapre in črpalke začnejo dovajati medij v
membrane. Zaradi elastičnosti membrane se s povečevanjem tlaka medija v membrani le-te se
začnejo širiti, kar povzroči zmanjšanje zračne reže med njimi. Da bi preprečili prekomerno
raztezanje membran, so le-te spremenljive po prerezu. V praksi se uporabljajo šesterokotne in
cilindrične oblike membran. Za zaprtje in preoblikovanje se lahko uporabi mehanska ali
hidravlična stiskalnica. Za medij se uporablja hidravlično olje. Zaradi elastičnih lastnosti
membran se med postopkom preoblikovanja le-ta v celoti prilega pločevini in s tem tudi
pestiču. Za razliko od globokega vleka s togim orodjem to prilagajanje membrane pločevini
vodi do večje natančnosti preoblikovanih izdelkov in znižanja zaostalih napetosti. Največja
nevarnost uporabe samo ene membrane za preoblikovanje je v tem, da ostane zrak ujet, v
orodju, med postopkom polnjenja membrane. Zrak in olje pod tlakom lahko povzročita resne
poškodbe membrane. Pride lahko do eksplozije, katera poškoduje membrano. Zato je bolj
primerno uporabiti več membran, kakor je prikazano na Sliki 3.7. Verjetnost poškodbe med
polnjenjem več membran je manjša, kakor pri polnjenju samo ene, saj se zrak med fazo
polnjenja stisne iz orodja, kakor je prikazano na Sliki 3.7. Postopek je zelo fleksibilen, saj
lahko izdelujemo male in velike elemente z istim orodjem. Treba je le zamenjati pestič, ki
ustreza zahtevani dimenziji izdelka. Sila zapiranja orodja je enaka produktu tlaka v membrani
in površini vseh membran. Sila zapiranja se lahko zato prilagaja glede na velikost izdelkov.
Kadar preoblikujemo majhne elemente, lahko membrano enostavno zamenjamo s togim
orodjem. S tem zmanjšamo tlak v membrani in zapiralno silo orodja. Z uporabo več membran
zmanjšamo napetosti v membrani, kar predstavlja veliko prednost pred uporabo samo ene
membrane. Eno največjih vprašanj pri preoblikovanju z membrano je obstojnost oz.
življenjska doba membrane. Življenjska doba je tako odvisna od toplotnih obremenitev
membrane. Toplota se sprošča zaradi zunanjega ter notranjega trenja med preoblikovanjem.
Na obstojnost membrane imajo vpliv tudi dinamične obremenitve, ki se pojavljajo med
preoblikovanjem. Eksperimenti in simulacije postopka so potrdile, da so napetosti v
membrani manjše, kot pri uporabi samo ene membrane [11]. Membrana je potrebno zamenjati
pri 500-1500 kosih. Tlak medija je običajno v območju 35-104 MPa. Globina vlečenja za
prvo stopnjo naj ne preseže 305 mm [13]. Slabosti visokotlačnega preoblikovanja pločevine s
postopkom, imenovanim Hydroforming, je predvsem v dolgih proizvodnih ciklih. Proizvodni
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 34 -
cikli se močno zmanjšajo, če uporabimo kot medij plin. S tem tudi zmanjšamo potrebno
število operacij, kar se pozna na času proizvodnega cikla. Za medij se uporabljajo zrak,
ogljikov dioksid ali pa dušik. Ti plini so manj škodljivi za okolje in jih lahko direktno
spuščamo v okolje. Ta postopek se lahko kombinira tudi v kombinaciji s klasičnim
preoblikovanjem s togim orodjem. Značilnost postopka je v uporabi manjših potrebnih tlakov
medija, kar vpliva na povečanje produktivnosti, saj zmanjšamo čase izdelovalnih ciklov. Sicer
pa ima postopek enake prednosti kakor postopek Hydroforming.
Slika 3.8: Dvostopenjsko preoblikovanje pločevine s plinom in togim orodjem15
.
Stroški za orodje so tudi manjši kot v primerjavi s klasičnim preoblikovanjem s togim
orodjem. Na Sliki 3.8 je prikazan dvostopenjski princip preoblikovanja pločevine z medijem.
Za medij se uporablja plin. V prvi stopnji se preoblikuje pločevina s plinom. Tlak plina znaša
od 0,5 do 3 MPa. Sila pridržala se med preoblikovanjem spreminja. Ko se doseže maksimalni
tlak plina, se le-ta izpusti iz orodja. Tlak v orodju pade, zato se lahko tudi zmanjša sila
pridržala. Nato se začne druga stopnja, kjer pestič dokončno preoblikuje pločevino, kakor je
prikazano pod točko 3 na Sliki 3.8. Poleg dvostopenjskega preoblikovanja obstaja še
15 Prirejeno po [14].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 35 -
tristopenjsko preoblikovanje. Prednost tristopenjskega preoblikovanja je v doseganju bolj
konstantnih razmer med preoblikovanjem. Potrebna je še ena vmesna stopnja, je pa zelo
podoben dvostopenjskemu preoblikovanju. Za preoblikovanje se lahko uporabljajo klasične
dvostransko delujoče stiskalnice. Orodje je sestavljeno iz pestiča, matrice in pridržala
pločevine. Prav tako je treba zagotoviti ustrezno tesnjenje orodja, ki mora zdržati tlake do 3
MPa. Izmetalo ni potrebno. Pri uporabi zraka, kot medija, je potrebno paziti le na to, da ne
pride do vžiga mazalnega sredstva, s katerim mažemo orodje. To se lahko zgodi v primeru
povišanih temperatur. Da se izognemo temu pojavu, je bolje, da se za medij uporabita
ogljikov dioksid ali pa dušik [14].
3.2 Postopek Flexform oz. Fluid Cell
Za preoblikovanje nesimetričnih izdelkov oz. za globoki vlek nesimetričnih izdelkov z
medijem se uporablja tudi tako imenovani postopek Flexform. S tem postopkom dosegamo
velike prihranke pri preoblikovanju pločevine. Uporablja se za izdelavo prototipov ali pa za
maloserijsko proizvodnjo. Za izdelavo elementov za svoje izdelke ga uporabljajo večja
podjetja, kot so Airbus, Boeing, Ford, BMW, Daimler-Benz, Bombardier, Volvo itd. Prisoten
je predvsem v letalski in avtomobilski industriji za izdelavo kompleksnih oblik izdelkov.
Postopek temelji na uporabi membrane, ki loči pločevino in medij. Preoblikovanje poteka
izključno pod visokim tlakom, za razliko od postopka Hydroforming. Princip preoblikovanja
je zelo enostaven, ki je prikazan na Sliki 3.10. Orodje je sestavljeno iz dveh delov, zgornjega
in spodnjega. Pločevina se položi na spodnji del orodja. Stroj za preoblikovanje je narejen
tako, da se spodnji del orodja položi na mizo, ki je na tirnicah, kar omogoča lažjo
manipulacijo z materialom in izdelki. Miza, ki se vozi po tirnicah, lahko sprejme več orodij,
kar je razvidno s Slike 3.10. Izravnava ali kakršnakoli druga prilagoditev pločevine ali
spodnjega dela orodja ni potrebna. Zgornji del orodja sestavlja membrana, ki je pod tlakom
medija. Za medij se uporablja hidravlično olje. Stiskalnica skrbi za varno zaprtje orodja. Ko
se orodje zapre, začnejo črpalke polniti membrano z medijem. Tlak v membrani se poveča.
Membrana zaradi elastičnih lastnosti začne prodirati v spodnji del orodja in tako preoblikuje
pločevino v želeno obliko izdelka. Preoblikovanje se konča takrat, ko se doseže maksimalni
tlak medija. V naslednjem koraku se zmanjša tlak v membrani. Membrana se vrne v
izhodiščno stanje, proizvodnji cikel se zaključi. Miza, na kateri so spodnji deli orodja, se
pripelje iz stiskalnice. Operater odstrani izdelke in vstavi novo pločevino za naslednji cikel.
Maksimalni tlak medija za ta postopek lahko znaša do 140 MPa. Zaradi visoko-tlačnega
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 36 -
preoblikovanja je potrebna zelo kvalitetna oprema, kar je tudi povezano s stroški nabave le-te.
Prednosti postopka so prikazane na Sliki 3.9. Izdelki, narejeni s tem postopkom, so zelo dobre
kvalitete in običajno ne potrebujejo naknadne obdelave. Če je potrebna se izvede v majhnem
obsegu. Največji prihranek postopka se kaže na velikem zmanjšanju stroškov izdelave orodja,
saj ta postopek zahteva le en del orodja (matrico ali pa pestič). Stroški orodja znašajo od 50
do 90 % stroškov, ki bi jih imeli z nakupom običajnega orodja. Orodje je lahko narejeno zelo
enostavno.
Slika 3.9: Prednosti postopka Flexform16
.
16 Povzeto po [15].
Flexform
Zmanjšanje stroškov orodja
Izdelava kompleksnih
oblik izdelkov
Možnost izdelave več izdelkov v enem ciklu
Hitra menjava orodja, krajši pripravljalni
časi
Možnost izdelave manjših do največjih izdelkov
Možnost preoblikovanja pločevine do debeline 16
mm
Dobra kvaliteta površin izdelkov
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 37 -
Z enakomerno porazdelitvijo tlaka medija po orodju dobimo kar najboljše razmere za
preoblikovanje. Napetosti za preoblikovanje so v celoti skoraj tlačne. Kompleksne oblike
izdelkov, kakor tudi izvrtine, lahko velikokrat naredimo kar v eni operaciji. Še ena velika
prednost postopka je velika produktivnost, saj lahko v enem ciklu izdelamo več različnih
izdelkov. Zamenjava orodja običajno traja od ene do treh minut, kar dramatično zmanjša
pripravljalne čase. Postopek ni primeren za velikoserijsko proizvodnjo zaradi dolgih
proizvodnih ciklov. Tako je postopek zelo primeren za prototipno in maloserijsko
proizvodnjo, pri kateri je zahtevana zelo velika fleksibilnost. Preoblikuje se lahko pločevina
od debeline 0,1 mm do 16 mm. Najboljše rezultate dosežemo s preoblikovanjem nizko-
legirane ter visoko-legirane pločevine, aluminijevih zlitin, nerjavečega jekla ter titana. Prav
tako je tudi mogoče preoblikovati nikljeve zlitine, kot so Hastelloy, Inconel in Nimonic 75.
Slika 3.10: Princip preoblikovanja, stroj za preoblikovanje podjetja AVURE in nekaj
značilnih izdelkov, narejenih s preoblikovalnim postopkom Flexform17
.
Novejše stiskalnice so CNC18
vodene in imajo veliko kapaciteto z velikostjo mize do 8 m2. S
tem postopkom lahko izdelujemo izdelke, dolge tudi do 4 m, kakor tudi manjše izdelke.
17 Prirejeno po [15], [16].
18 Computer numeric control (CNC).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 38 -
Slabost postopka so dolgi proizvodnji cikli, kar pa ne predstavlja ovire, saj je postopek
primarno namenjen prototipni ter maloserijski proizvodnji. Vzdrževanje strojev je enostavno,
saj so narejeni pretežno iz standardnih elementov. Kakor je že bilo omenjeno, se za
preoblikovanje uporabljajo tlaki medija do 140 MPa [15]. Za postopek se lahko uporabijo
enake stiskalnice kakor za globoki vlek ali pa postopek Hydroforming. Takšen primer
predstavlja podjetje »Triform«, ki izdeluje stiskalnice od 500 ton do 4000 ton, za medij pa se
uporablja olje ISO19
64 W. Maksimalni tlak medija za najmočnejše stiskalnice znaša približno
70 MPa [16].
3.3 Postopek Wheelon
Podobno kot postopek Flexform se tudi postopek Wheelon uporablja za izdelavo kompleksnih
izdelkov, predvsem za letalsko industrijo. Razvilo ga je podjetje »Verson«, ki ga tudi trži.
Postopek se je razvil iz postopka Guerin. Spada med visokotlačne postopke, zasnovan je
predvsem za izdelavo plitvih teles, kot so npr. profili. Guma se lahko uporablja v vlogi
matrice ali pa pestiča. S povečevanjem tlaka medija v fleksibilni membrani le-ta pritisne na
gumo. Guma pritisne na pločevino, ki jo preoblikujemo. S tem se doseže skoraj enak tlak v
vseh točkah, v katerih pritiska guma na pločevino. Zaradi boljše porazdelitve tlaka lahko s
tem postopkom preoblikujemo širše izdelke, kakor s postopkom Guerin. S tem postopkom
lahko preoblikujemo izdelke iz aluminija, nizko-ogljičnega jekla, nerjavečega jekla in titana.
Stiskalnica za postopek Wheelon je podobna komori, v kateri je na zgornji strani
fleksibilna membrana, kakor je prikazano na Sliki 3.11. Ta membrana se pod vplivom
povečevanja tlaka medija razteza, zato mora biti tudi fleksibilna. V spodnjem delu komore je
nameščena guma. V spodnjem delu komore je prav tako nameščena premikajoča se miza, na
kateri je nameščen pestič ali pa matrica. Guma, ki se uporablja pri postopku, ima običajno
trdnost 35 Shore A in je običajno zaščitena pred poškodbami zaradi ostrih robov pločevine in
pestiča oz. matrice. Guma je zaščitena z dodatno pločevino. S tem ukrepom se poveča
življenjska doba gume in prihrani na stroških, saj je pločevina cenejša od gume. Na Sliki 3.11
je prikazan princip delovanja postopka Wheelon in stroj iz podjetja »Sikorsksy Aircraft plant«
iz ZDA20
. Maksimalni tlaki medija znašajo 34, 52 in 69 MPa. Dimenziji miz, na kateri je
19 International standardization of organization (ISO).
20 Združene države Amerike (ZDA).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 39 -
pritrjen pestič oz. matrica, znašata 510 mm x 1270 mm in 1270 mm x 1630 mm. Z večjim
strojem lahko preoblikujemo pločevino, široko tudi do 2380 mm. S tem postopkom je tudi
mogoče preoblikovati magnezij. Pri tem so potrebni dodatni grelni elementi, ki morajo biti
nameščeni v mizi. Maksimalna temperatura znaša 800 °C. V tem primeru se mora uporabiti
posebna guma, ki je obstojna na visoke temperature. Ta guma mora ščititi membrano pred
poškodbami. Izdelki, narejeni s tem postopkom, so zelo dobre kvalitete in prav tako običajno
ne potrebujejo naknadne obdelave. Zaradi uporabe enostavnih orodij so le-ta poceni, vendar
pa, kakor je že bilo omenjeno, se postopek uporablja predvsem v letalski industriji [17].
Slika 3.11: Princip in stroj za preoblikovanje s postopkom Wheelon21
.
3.4 Preoblikovanje z elastičnim orodjem
Pri preoblikovanju z elastičnim orodjem ločimo dva postopka. Prvi in najstarejši postopek je
tako imenovani Guerinov postopek. Iz tega postopka se je tudi razvil postopek Wheelon, ki je
21 Prirejeno po [17], [18].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 40 -
bil opisan v poglavju 3.3. Za razliko od vseh do sedaj omenjenih postopkov se pri teh dveh
postopkih za preoblikovanje uporablja elastična guma. Za postopek Guerin se lahko uporabi
katerakoli hidravlična stiskalnica. Na preoblikovanje s tem postopkom ima največji vpliv moč
stiskalnice in velikost oz. površina gume. Običajno je guma tako velika, kakor zgornji del
orodja, lahko pa je tudi manjša. Orodje je sestavljeno iz gume in pestiča oz. matrice. Ta dva
elementa predstavljata tudi najvažnejši del orodja. Običajno se uporablja mehka guma, ki je
do trikrat debelejša kakor je višina izdelka, ki ga preoblikujemo. Guma je lahko iz enega kosa
ali pa je skupaj zlepljenih več lamel gume, kakor je prikazano na Sliki 3.12. Ohišje orodja je
običajno iz jekla ali pa je ulito iz jeklene litine in je običajno za 25,4 mm globlje kot je
debelina gume. Zahteve za gumo so tudi, da je dovolj žilava, saj mora v nekaterih primerih
prenesti tudi obremenitve do 138 MPa. Običajno pa je guma obremenjena z napetostjo
približno 14 MPa. Kakor sem že omenil, naj bo guma trikrat debelejša kot je višina izdelka,
vendar se debeline gume v praksi gibljejo od 203 do 229 mm. Material, iz katerega je izdelana
matrica oz. pestič, je lahko les, plastika, jeklo, jeklena litina, zlitine aluminija, magnezij itd.
Slika 3.12: Postopek Guerin in Marform22
.
Naslednji postopek preoblikovanja z elastičnim orodjem je postopek Marform. Postopek
Marform se je razvil iz postopka Guerin z namenom, da zamenja draga orodja za postopka
22 Prirejeno po [16].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 41 -
Guerin in Wheelon. Orodje je sestavljeno iz pestiča oz. matrice, pridržala pločevine ter gume.
Pridržalo je povezano s hidravličnim cilindrom, ki se krmili z regulacijskim ventilom.
Pločevina se vstavi med pridržalo in gumo. Debelina dna izdelkov je običajno enaka debelini
sten v primeru, ko je zmanjšanje debeline stene med preoblikovanjem manjše od 1 %. Za
doseganje večjih globin je potrebno preoblikovati v več stopnjah. Minimalni premer izdelka,
ki ga še lahko preoblikujemo, znaša 38 mm. Folija, tanjša od 0,038 mm, se preoblikuje tako,
da se folija vstavi med dve aluminijasti pločevini debeline 0,76 mm. Pri tem lahko
preoblikujemo do tri izdelke na enkrat. Najboljše rezultate za Marform postopek dosežemo z
uporabo enostransko delujoče stiskalnice, pri katerih se lahko krmilita hitrost in tlak. Za
natančnejše vodenje orodja med preoblikovanjem se uporabljajo vodilni stebri. Priporočljivo
je tudi, da imajo stiskalnice za postopek Marform v postelji stiskalnice vgrajen dušilni sistem,
ki duši tresljaje med preoblikovanjem. Tlak v gumi je odvisen od moči stiskalnice in površine
gume. Napetosti v gumi običajno znašajo od 34 do 69 MPa. Tudi pri tem postopku je
zahtevano, da je guma debelejša za 1,5- do 2-krat, kakor je višina izdelka, ki ga
preoblikujemo. Gumo lahko zaščitimo pred poškodbami z uporabo zaščitne pločevine.
Zaščitna pločevina se lahko pritrdi na gumo ali pa se položi kar preko pločevine, katero
preoblikujemo [17]. Zgradba orodja za postopek Marform je prikazan na Sliki 3.12.
3.5 Visokotlačno preoblikovanje pločevine z medijem
Pri postopku Haydroforming se tudi za preoblikovanje uporablja medij, ki je pod tlakom. Kot
medij se lahko uporabi plin ali pa tekočina. V grobem delimo postopek na visokotlačno
preoblikovanje pločevine oz. SHF23
in na preoblikovanje cevi ter profilov oz. THF24
. Bolj
podrobna delitev postopka je prikazana na Sliki 3.13. Pri tem postopku se velikokrat omenja
tako imenovano visokotlačno preoblikovanje. Visokotlačno preoblikovanje zahteva uporabo
večjih tlakov medija, ki je običajno od 200 do 250 MPa, za postopek SHF [6]. Orodje za
preoblikovanje s postopkom Hydroforming je lahko zgrajeno še iz dodatnih elementov, kot so
pestič, matrica, dodatni pestiči za tesnjenje cevi pri postopku THF, vstavki itd. Na ta način
lahko izdelujemo zelo kompleksne izdelke iz različnih materialov. Postopek se je uveljavil
23 Sheet hydroforming (SHF).
24 Tube hydroforming (THF).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 42 -
predvsem v letalski in avtomobilski industriji. Z uporabo tega postopka se zmanjšajo stroški
izdelave orodja v primerjavi s kovanjem, z ulivanjem, globokim vlekom s togim orodjem itd.
Pri preoblikovanju pločevine s postopkom Hydroforming se uporabi medij namesto togega
orodja. Za tekočinski medij se lahko uporabi voda ali pa olje. S Slike 3.13 je razvidno, da se
postopek preoblikovanja pločevine deli na globoki vlek in visokotlačno preoblikovanje
pločevine.
Slika 3.13: Razdelitev postopka Haydroforming25
.
Pri HDD postopku ima medij vlogo matrice, medtem ko ima pri visokotlačnem
preoblikovanju pločevine medij vlogo pestiča. To je tudi glavna razlika med postopkoma.
Postopek HDD je bil predstavljen v poglavju 3.1, tako da se bomo sedaj omejili le na
visokotlačno preoblikovanje pločevine. Princip preoblikovanja enojne in dvojne pločevine je
prikazan na Sliki 3.14. Visokotlačno preoblikovanje pločevine z medijem se sestoji iz dveh
25 Povzeto po [19].
Hydroforming
Preoblikovanje pločevine (SHF)
Globoki vlek z meidijem HDD
Visookotlačno preoblikovanje pločevine
Enojna pločevina
Dvojna pločevina
Preoblikovanje cevi in profilov
(THF)
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 43 -
faz. Prva faza se imenuje prosto preoblikovanje, druga pa kalibriranje, po kateri dobi izdelek
zahtevano obliko. Tlaka medija za preoblikovanje se med posameznimi fazami razlikujeta.
Izdelki, narejeni s tem postopkom, dosegajo boljše tolerance ter imajo boljšo ponovljivost
kakor izdelki, narejeni s klasičnim globokim vlekom. Na enakem orodju se lahko
preoblikujejo izdelki različnih debelin in materialov, kar močno zmanjša stroške
preoblikovanih izdelkov.
Slika 3.14: Princip visokotlačnega preoblikovanja z enojno in dvojno pločevino26
.
26 Prirejeno po [19], [20].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 44 -
Visokotlačno preoblikovanje ugodno vpliva na zmanjševanje vpliva elastičnega izravnanja ter
na zmanjševanje notranjih zaostalih napetosti, ki nastanejo zaradi preoblikovanja oz. zaradi
utrjevanja materiala. Postopek ima tudi nekatere slabosti, kot npr. višina preoblikovanja je
omejena in potrebni so relativno dolgi proizvodni cikli. Poleg tega ni mogoče menjati orodja
tako hitro kot pri ostalih postopkih. Za prvo fazo preoblikovanja je maksimalni potrebni tlak
podan z enačbo (3.5).
(3.5)
pp [MPa] – potrebni tlak za prvo stopnjo preoblikovanja
σf0 [N/mm2] – napetost tečenja materiala
r [mm] – zaokrožitev matrice
a [mm] – širina matrice
Višina preoblikovanja je omejena in je podana z enačbo (3.6).
√ (3.6)
hmax [mm] – maksimalna višina preoblikovanja
V zadnji stopnji preoblikovanja mora biti približno takšen tlak, kot je zapisano v enačbi (3.7).
(
) (3.7)
pk [MPa] – tlak medija za drugo fazo preoblikovanja
Kontaktni tlak za točki B in C se izračuna po enačbi (3.8). Točki sta prikazani na Sliki 3.14 in
sta na stičišču pločevine ter togega orodja [20].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 45 -
(3.8)
pc [MPa] – kontaktni tlak
Princip visokotlačnega preoblikovanja pločevine z enojno pločevino pa je takšen, da se
pločevina, ki jo preoblikujemo, položi v orodje. Nato se orodje zapre, pridržalo pritisne na
pločevino. Nato začne črpalka dovajati medij v orodje. Notranji tlak v orodju se poveča na
vrednost, ki je podana z enačbo (3.5). V tej fazi se pločevina prosto preoblikuje toliko časa,
dokler le-ta ne doseže točke A, ki je na površini matrice. Med prostim preoblikovanjem so
deformacije po celotni pločevini uniformne. Posledica tega je povečana odpornost pred
trganjem materiala, kot v primerjavi s klasičnim preoblikovanjem. Dotik pločevine in matrice
v točki A povzroči omejitev tečenja materiala zaradi trenja med matrico in pločevino. V
naslednji fazi se tlak medija spremeni na vrednost, ki je podana z enačbo (3.7). Tej fazi tudi
pravimo kalibriranje. Za uspešno izvedbo te faze se mora tlak v orodju povečati. Za bolj
natančen izračun tlaka za to fazo je potrebno upoštevati material pločevine, debelino
pločevine, kompleksnost želenega izdelka in najmanjšo zaokrožitev orodja. Postopek se
zaključi takrat, ko se doseže želena preoblikovalna višina, ki pa ne sme biti večja kot jo
podaja enačba (3.6). V zadnji fazi izdelek dobi končno obliko. Nato sledi izpust tlaka iz
orodja ter odstranitev izdelka oz. izmet le-tega. Vstavi se nova pločevina, cikel se lahko
ponovi. Med postopkom preoblikovanja imamo popoln nadzor nad tečenjem materiala, kar
predstavlja tudi prednost postopka. Na Sliki 3.14 je prikazan postopek preoblikovanja dveh
pločevin naenkrat. Postopek je podoben, kakor je preoblikovanje samo z eno pločevino. V
orodje se vstavita dve pločevini ter cevka, ki služi za dovod medija. Pridržalo pritisne na
pločevini, nato se lahko izvede preoblikovanje s pestičem, kakor je prikazano na Sliki 3.14.
Preoblikovanje s pestičem je lahko tudi izpuščeno, takrat pač orodje nima pestiča, ampak
samo dve matrici (zgornjo in spodnjo). Nato se pestič odmakne, s tem dobi vlogo matrice.
Skozi cevko, ki je med pločevinama, se začne dovajati medij pod visokim tlakom, kar
povzroči preoblikovanje pločevine. Ko se doseže zahtevana višina preoblikovanja, je
preoblikovanje končano. Izpusti se tlak iz orodja, orodje se odpre, odstranita se izdelka ter
vstavita novi pločevini. S tem je orodje pripravljeno na nov preoblikovalni cikel. Ta postopek
preoblikovanja dveh pločevin naenkrat je še vedno v razvoju, vendar je kvaliteta
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 46 -
preoblikovanih površin v primerjavi s klasičnimi postopki veliko boljša. Zaradi
preoblikovanja dveh izdelkov naenkrat se močno poveča produktivnost. S tem se tudi odpravi
slabost dolgih proizvodnih ciklov, ki jo ima visokotlačno preoblikovanje enojne pločevine z
medijem27
. Za doseganje najboljših rezultatov preoblikovanja moramo imeti naslednje
podatke, in sicer:
o kvaliteti materiala, ki ga preoblikujemo;
o pogojih preoblikovanja (trenju, mazanju);
o geometriji orodja za uspešno implementacijo pridržala pločevine, s katerim
preprečimo puščanje orodja;
o povezavi med notranjim tlakom v orodju in silo pridržala;
o stiskalnici in orodju;
o dimenzijah in lastnostih končnega izdelka.
Na Sliki 3.15 je prikazan izdelek narejen s postopkom visokotlačnega preoblikovanja
pločevine ter stiskalnico podjetja SPS28
. Posebnost te stiskalnice je, da ima vertikalno
postavljeno orodje ter da lahko doseže zapiralno silo do 100.000 kN.
Slika 3.15: Stiskalnica za visokotlačno preoblikovanje pločevine in primer izdelka, narejenega
s tem postopkom29
.
27 Prirejeno po [19], [20], [21].
28 Siempelkamp Pressen Systeme (SPS).
29 Prirejeno po [22], [23].
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
- 47 -
Produktivnost postopka je močno odvisna od stiskalnice, ki jo uporabljamo. Razvoj na
stiskalnicah je potekal predvsem na zmanjševanju časov polnitve orodja z medijem,
povečevanju preoblikovalnih hitrosti, zmanjševanju pomožnih časov itd. Iz tega se je razvilo