PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJIAutoForm. Z njim je mogoče narediti simulacijo preoblikovanja za postopek »Hydroforming«, seveda, če različica vključuje ta modul. Pri postopku

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


- 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


- 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


- 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


- 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].


- 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


- 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


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 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.


- 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


- 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.


- 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.


- 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].


- 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.


- 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


- 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].


- 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).


- 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].


- 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).


- 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].


- 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


- 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

.


Globoki vlek z medijem

Trdi delci

Pesek

Jeklene kroglice

Plin

Vakum

Nadtlak

Tekočina

Brez membrane

Z membrano


- 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.


- 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


- 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


- 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].


- 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


- 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.



- 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



- 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


- 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



- 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


- 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


- 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).


- 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).


- 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



- 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



- 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).


- 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)


- 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

.



- 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].


- 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


- 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).



- 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

Documents

PREOBLIKOVANJA PLOČEVINE Z MEDIJIAutoForm. Z njim je mogoče narediti simulacijo preoblikovanja za postopek »Hydroforming«, seveda, če različica vključuje ta modul. Pri postopku