94
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

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

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • 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