MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT
Az inkrementális lemezalakítás
Miklós Eleonóra IV. éves műszaki menedzser hallgató
Tervezésvezető:
PROF. DR. TISZA MIKLÓS egyetemi tanár Mechanikai Technológiai Tanszék Konzulens:
KOVÁCS PÉTER ZOLTÁN egyetemi tanársegéd Mechanikai Technológiai Tanszék
Miskolc, 2011
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés .................................................................................................................... 4 2. Az inkrementális lemezalakítás .................................................................................. 5 3. Fő technológiai változatok .......................................................................................... 5 3.1. Egypontos inkrementális lemezalakítás .............................................................. 5 3.2. Kétpontos inkrementális lemezalakítás ............................................................... 6 3.2.1. Teljes szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás ........... 7 3.2.2. Részleges szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás ..... 8 4. Az ISF jelenlegi helyzete és nemzetközi fejlődési trendje ......................................... 8 4.1. Korai szakasz (1989 előtti) .................................................................................. 9 4.2. Az első fejlesztések Japánban (1989-1996) ........................................................ 9 4.3. Eljárás változatok (1993-2000) ......................................................................... 10 4.4. Későbbi fejlesztések (2000 után)....................................................................... 10 5. Az eljárás gép és szerszámszükséglete ..................................................................... 11 5.1. Az alakító bélyeg (szerszám)............................................................................. 11 5.2. Ránctartó ............................................................................................................ 12 5.3. Szerszámgép ...................................................................................................... 13 6. Az eljárás technológiai paraméterei .......................................................................... 13 6.1. Az alakító bélyeg átmérője (d) .......................................................................... 15 6.2. A szerszám forgási sebessége (ω) ..................................................................... 15 6.3. A húzási szög (ф) .............................................................................................. 16 6.4. A szerszám mozgáspálya ( x, z) .................................................................... 17 6.5. Az előtolás ......................................................................................................... 18 6.6. Kenőanyag ......................................................................................................... 19 7. Alakítási határdiagram .............................................................................................. 19 8. Az első kísérleti munka ............................................................................................. 20 8.1. A vizsgálat helyszíne ......................................................................................... 20 8.2. A kísérlet eszközei ............................................................................................. 21 8.2.1. A munkadarab ............................................................................................ 21
2
8.2.2. A szerszám ................................................................................................. 21 8.2.3. A ráncgátló ................................................................................................. 22 8.2.4. A szerszámgép ........................................................................................... 23 8.3. A kísérlet szakaszai ........................................................................................... 23 8.3.1. A próbadarabok behálózása ....................................................................... 23 8.3.2. Az alakítás .................................................................................................. 24 8.3.3. Kalibráció ................................................................................................... 27 8.3.4. Digitális képrögzítés................................................................................... 27 8.3.5. A 3D-s hálómodell elkészítése ................................................................... 28 8.4. Az alakváltozás vizsgálata ................................................................................. 30 9. A második kísérleti munka ....................................................................................... 32 9.1. A vizsgálat helyszíne ......................................................................................... 33 9.2. A kísérlet eszközei ............................................................................................. 33 9.3. Az alakítás ......................................................................................................... 33 10. Felhasználási terület ................................................................................................ 36 10.1. Autóipar ........................................................................................................... 36 10.2. Gyógyászat ...................................................................................................... 36 Összefoglalás ................................................................................................................ 37 Irodalomjegyzék ........................................................................................................... 38
3
1. Bevezetés A Tudományos Diákköri Dolgozatom célja, hogy egy rövid, de átfogó képet adjon erről az új, rendkívül innovatív technológiai eljárásról, az inkrementális lemezalakításról. Dolgozatomban bemutatom az eljárás fő jellemzőit, fő technológiai változatait és paramétereit, a gépi megvalósítás lehetőségeit valamint egy kísérletet. Az eljárás a képlékeny hidegalakító technológiák közé sorolható, melynek kialakulásához elsősorban az autóipari fejlesztések vezettek. Az autógyártás egyre dinamikusabban fejlődő iparág. A tervezőknek újabb és újabb technikai fejlesztéseket kell megvalósítaniuk ahhoz, hogy az egyre növekvő társadalmi és fogyasztói igényeket kielégítésék. A legfontosabb társadalmi igény a környezetszennyezés csökkentése és a közlekedési biztonság növelése. Az üzemanyag-fogyasztás minimalizálásának egyik lehetséges megoldása az autók tömegének csökkentése. Míg korábban egy személygépkocsi tömegének jelentős részét az öntött alumínium tette ki, napjainkra ez már a felére csökkent. Helyére olyan ötvözetek (pl. alumínium és magnézium) illetve nagyszilárdságú acélok kerültek, melyek a biztonsági követelmények megtartása mellett teljesítik a tömegcsökkentést. Az anyagtudományi újítások újabb technológiai eljárások kialakulását eredményezték. Egy ilyen innovatív fejlesztés az inkrementális lemezalakítás [1]. A lemezalakító eljárások számos előnyös tulajdonsága mellett azonban az alakítás korlátaival is számolni kell. Az első korlát, hogy a szerszámozás merev és kötött (általában egy alkatrész - egy szerszám - egy gép). Továbbá az alkalmazott szerszámanyagok gyakran ötvözöttek, fő alkotóik a wolfram, a kobalt és a titán, ezek drága ötvözők. Jelentősen növelhetik továbbá a gyártás költségeit a különféle megmunkálási, kezelési technológiák is [2]. A hidegalakítás során a munkadarab és a szerszám között jelentős súrlódó erő lép fel, ezáltal a szerszám nagy nyomásnak és koptató igénybevételnek van kitéve. Ennek kiküszöbölésére célszerű növelt kopásállóságú és keménységű szerszámacélból kialakítani a szerszám anyagát, amely viszont további költséget jelent. A szerszám anyagának ára akár 20-40 százaléka is lehet a szerszám költségének, a magas szerszámköltség pedig tovább növeli a termék árát. Mindez csak nagysorozatú gyártás esetén térül meg. Ezzel rávilágítottunk a harmadik problémára, amely szerint a lemezalakítás a kissorozatú gyártás esetén nem költséghatékony. Mindezen okok vezettek ahhoz, hogy az utóbbi években megnövekedett az igény új, rugalmas lemezalakító eljárások kidolgozása iránt [2].
4
2. Az inkrementális lemezalakítás A hidegalakító eljárások jelentős költségét tehát a szerszámozás jelenti. Hidegalakításkor a fémet az újrakristályosodási hőmérséklet alatt alakítják. Egy ilyen eljárás az inkrementális lemezalakítás (angol terminológiával: incremental sheet metal forming). Ez az eljárás mind technológiai, mind gazdasági szempontból új megoldást jelent a gyártás terültén, hiszen azzal, hogy nem igényel speciális szerszámozást, megoldást jelent a lemezalakító eljárások szerszámköltségének csökkentésére. Ezáltal kissorozatgyártásra is kiválóan alkalmas, amelyek olyan területeken, mint a gyors prototípusgyártás, nagy a jelentősége. Egy félgömbvégződésű alakító bélyeget alkalmaznak az eljárás során, amely, az egyszerű kialakítás ellenére, sokkal nagyobb megmunkálhatóságot biztosít, mint a hagyományos lemezalakító eljárások. A szerszám növekményi lépések sorozatával alakítja a lemezt az előírt alakra. Bonyolult, komplex alakzatú gyártmányok előállítását teszi lehetővé. Az alakító bélyeg térbeli vezérlésével, növekményi lépések sorozatával alakítja a lemezt az előírt alakra. Mindehhez egy előre megírt, pontos pályaleírás szükséges, amit csak CNC géppel lehet kivitelezni. A kifejezetten erre a célra tervezett, kereskedelmi forgalomban is kapható, célgépet csak egyetlen vállalat, a japán AMINO cég gyárt [3].
3. Fő technológiai változatok 3.1. Egypontos inkrementális lemezalakítás SPIF: (Single Point Incremental Forming). Ennél az eljárásnál, az alakítandó fémlemezt, egyidejűleg egy pontban ható nyomó igénybevétel terheli az alakítás során. Egypontos alakításnál a lemezt egy álló helyzetű ránctartóban rögzítik, majd a folyamat megkezdésével a gömbfejű bélyeg azon pontjában kezdődik meg a képlékeny alakváltozás, ahol a lemezzel érintkezik. Mivel a kialakítandó fémlemez alsó felülete nincs megtámasztva, ennek következtében a lemez szabadon alakváltozik [4]. Az eljárás másik módja az, amikor ellenbélyeget is alkalmaznak. Ezáltal az egypontos inkrementális lemezalakításnak két alapváltozatát különíthetjük el: az ellenbélyeges, illetve az ellenbélyeg nélküli alakítást. Az ellenbélyeg nélküli változat elvi vázlatát az 1. ábra szemlélteti.
5
ω x z
h
ránctartó
α alakító bélyeg
z
munkadarab
y
1. ábra. Az ellenbélyeg nélküli egypontos inkrementális lemezalakítás elvi vázlata [3] SPIF eljárással bonyolult és összetett alkatrészek gyárthatók közvetlenül az alkatrész CAD adatbázisából, minimális szerszám beállítással, s ezzel lehetővé válik a gyors prototípus és a kissorozatgyártásban való alkalmazása. Az alakváltozási zóna csak kis területre terjed ki, ami lehetővé teszi az alakíthatóság növelését, így a kismértékű alakíthatósággal rendelkező és nehezen alakítható munkadarabok is könnyen megmunkálhatóvá válnak. Könnyen és gyorsan alkalmazkodik a munkadarab alakváltozásához, ezzel nagy rugalmasságot biztosít azok gyártásához. Az alkatrész méretének csak a megmunkáló gép mérete szab határt. Mivel a szerszám és a fémlemez érintkező zónája és a növekményi lépések kicsik, ezért a megmunkálás során fellépő erők nem jelentősek. A kialakított lemez felülete a megmunkálás után még javítható, tökéletesíthető [4]. Az eljárás hátrányai közé sorolható, hogy az alakítás időtartama jóval hosszabb, mint más hasonló megmunkálást végző eljárásoké (pl. a mélyhúzás). Megmunkálás során visszarugózás következhet be, viszont ez előfordulhat más eljárásnál is. A hoszszú időtartamú gyártásból, illetve a kis termelékenységből eredően, kissorozatgyártásra korlátozódik az alkalmazása [4].
3.2. Kétpontos inkrementális lemezalakítás TPIF: (Two Point Incremental Forming). Megmunkálás során az alakítandó munkadarabot, egyidejűleg két pontban ható nyomó igénybevétel terheli. A munkadarabot egy vertikális irányban mozgatható ránctartóban rögzítik. Alakítás során a ránctartó z tengely mentén lefelé mozog. A folyamat során az alakító szerszám behatol a
6
lemez anyagába, amely az adott pontban képlékeny alakváltozást okoz, majd a szerszám azon pálya mentén halad, amely a kialakítandó darab kontúrvonala. A képlékeny alakváltozás abban a pontban indul el, ahol az alakító bélyeg közvetlen érinti a munkadarabot. CNC marón a szerszám a főorsóra van felszerelve. A másik pont egy statikus pozíció, amely arra szolgál, hogy ellenirányú erőt fejtsen ki a lemezen [4] [5]. TPIF eljárásnál szerszámot különböztetünk meg: az úgynevezett elsődleges szerszámot, amely a lemez anyagába hatol illetve a másodlagos szerszámot (matricát). Egy a másodlagos szerszám álló helyzetű, amely a munkadarab alakját képezi. Attól függően, hogy milyen formát kívánunk kialakítani, a másodlagos szerszám tetszőlegesen cserélhető. Ez az utóbbi az, ami miatt az eljárás igazából nem tekinthető szerszám nélküli eljárásnak (ami az inkrementális alakításra általánosan igaz), habár mégis így nevezik. A másodlagos szerszámnak két típusát különböztetjük meg: a teljes illetve részleges matricát [4].
3.2.1. Teljes szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás A teljes szerszámmal végzett eljárásnak nagy előnye, hogy jó alakpontosság érhető el, mivel a lemezt a teljes szerszámmal leszorítják a folyamat során (ezzel meggátolva annak hullámosodását, elmozdulását). Hátránya, hogy magas költségigényű, illetve kevésbé rugalmas eljárás, mivel minden egyes darab kialakításához egy újabb (teljes) matricára van szükség [5]. Elvi vázlatát a 2. ábra szemlélteti.
z y
ránctartó
x
támaszoszlop
alakító bélyeg
munkadarab támaszlap
teljes matrica 2. ábra. Kétpontos inkrementális alakítás, teljes matricával [6]
7
3.2.2. Részleges szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás A részleges szerszámnak (matricának) ugyanaz a funkciója, mint a ránctartónak a SPIF esetében, megtámasztja a fémlemezt a megfelelő pontokban, ezzel fokozva az alakpontosságát. A részleges szerszámnak van egy alapgeometriája, amely lehetővé teszi, hogy a különböző alkatrészen ugyanazzal a szerszámmal, ugyanazt a geometriát alakítsák ki. Nincs szükség minden újabb darabnál egy újabb szerszám alkalmazására, ebből adódóan gazdaságosabb, illetve rugalmasabb, mint a teljes matricával végzett változat [5]. Elvi vázlatát a 3. ábra szemlélteti. z y
ránctartó
támaszoszlop
x
alakító bélyeg munkadarab támaszlap
részleges matrica 3. ábra. Kétpontos inkrementális alakítás, részleges matricával [6]
4. Az ISF jelenlegi helyzete és nemzetközi fejlődési trendje Az technológia iránt az utóbbi évtizedben egyre fokozódó az érdeklődés. Ezt az elnevezést, csak azoknál az eljárásoknál alkalmazzák, ahol az alakítás lokálisan az alakítandó lemeznek (munkadarab) csak kis felületére terjed ki. Ebben az értelemben olyan eljárások is idetartoznak, mint a kovácsolás, fémnyomás és a hengerlés.
8
A történelmi fejlődés négy szakasza [7]: 1. szakasz: (1989 előtt): Az ISF korai szakasza, amikor számos inkrementális alakítással kapcsolatos szabadalom készült. Ezek elsősorban az egypontos inkrementális lemezalakításra vonatkoztak. 2. szakasz: (1989-1996): Ez az időszak az 1. szakaszhoz köthető azzal a különbséggel, hogy itt kifejezetten a Japánban folytatott fejlesztések a dominánsak. 3. szakasz: (1996-2000): Ekkor eredményes fejlődéseket értek el a „modern” inkrementális lemezalakítás, azaz a kétpontos alakítás területén is, jellemzően a Távol-Keleten és Japánban. 4. szakasz: (2000 után): A nyugati világ figyelmét is egyre erőteljesebben felkelti az eljárás. Ekkor születtek a nyugati országok szabadalmai.
4.1. Korai szakasz (1989 előtti) A XX. században sok szabadalmat jelentettek be, amelyek nagyon hasonlóak voltak az inkrementális lemezalakításhoz. Ezekből is a két legjelentősebb Leszak és Berghahn szabadalma, amely 1967-ből származik. Mindkét szabadalom korong és csészeszerű munkadarabok megmunkálását fogalmazza meg, azzal a különbséggel, hogy Leszak szabadalmában hajlítással alakítják ki a lemez végső alakját míg Berghahn esetében xyz irányú rugalmas alakítással. A ISF alapjának a nottinghami egyetem kiemelkedő kutatójának, Mason kutatásait tekinthetjük. Számos kísérletet végzett esztergagépek segítségével. Azt állította, hogy minimum három koordináta szükséges egy alakított felület leírásához. Úgy vélte, hogy ennek a legegyszerűbb módja egy gömbvégződésű szerszám alkalmazása. Munkáit korábbi tanára, Appleton mutatta be az 1984-es Kyoto-i kongresszuson, Japánban. Feltehetőleg ez keltette fel a japánok érdeklődését a technológia iránt [7].
4.2. Az első fejlesztések Japánban (1989-1996) A Japánban folytatott fejlesztésekben Hiroyuki Iseki és munkatársainak munkássága kiemelkedő jelentőségű. 1991-ben Iseki kiadta a számítógép-vezérlésről szóló munkáját, amely többféle formával rendelkező munkadarabok létrehozását írta le. Ezután, 1994-ben, egy háromdimenziós CNC inkrementális alakító szerszámgépet fejlesztett ki. Különféle anyagú lemezek inkrementális megmunkálását mutatták be vele, pl. acélt, rozsdamentes acélt, titán anyagú lemezeket. Ezt követően számos tanulmányt és különféle szabadalmakat adtak ki az eljárás háromdimenziós CNC marógépen való alkalmazására.
9
Mindeközben 1993-ban Kitazawa japán tudós is bemutatta kezdeti munkáját, egy egyszerű kialakítású berendezésen. Forgóasztalt alkalmazott az inkrementális lemezalakítás során, ugyanazon működési elv szerint, mint Berghahn. 1994-ben megjelent a JJTIP (Journal of Japan Society for Technology of Plasticity) „Movement of Intelligent Incremental Forming” című kiadványa, amely bemutatta az inkrementális alakítás helyzetét Japánban. Számos kiadvány jelent meg még Kínában is, de ezek többsége nem jutott el a nyugati országokig [7].
4.3. Eljárás változatok (1993-2000) Ebben az időszakban több japán szabadalmat jegyzetek be. A későbbiekben ezek a szabadalmazott eljárások keltették fel az autóipar érdeklődését a technológia iránt. Az alábbiakban ezen eljárások közül sorolok fel néhányat [7]. - JP 10-076321: Hitachi, 1996: Ez a változat nagyon hasonlít ahhoz a mélyhúzáshoz, amely Shima nevéhez fűződik. Ez a szabadalom a domborított panelek kialakítását fedi le. - JP 10-137858: Toyota, 1996: Matsubara szabadalmának egy újabb változata, amely olyan lemezek NC gépeken való kialakítását fogalmazza meg, amelyeken közbenső vágások is vannak. - JP 10-296345: Hitachi, 1997: Az egypontos inkrementális lemezalakításhoz különféle eszközöket (görgős, vágószerszám) alkalmaznak. - JP 2000-153313: Toyota, 1998: Itt egy ellenbélyeget alkalmaztak, amely az alakító bélyeggel együtt mozog. Ezzel megoldották, hogy a lemez anyaga a behúzás során kevésbé vékonyodjon el (mint a mélyhúzásnál). Ez csak úgy valósítható meg, ha a lemez ráncmentes.
4.4. Későbbi fejlesztések (2000 után) Ez az időszak azokat az inkrementális lemezalakító eljárásokat foglalja magában, amelyeket a nyugati országokban szabadalmaztattak. Ekkor a kutatások súlypontja a Távol-keletről a nyugati országokba, különösen Európába helyeződött át. A nyugati országok érdeklődését egy 1997-es nemzetközi konferencia keltette fel a technológia iránt. Ezen a találkozón számos nyugati kutató megjelent, akiket lenyűgözött az ISF egyszerűsége illetve az, hogy mindez egy egyszerű CNC marógépen megvalósítható. Így indultak el ezekben az országokban az ISF kutatások és jelentek meg az első publikációk 2001-ben.
10
Ebben az időszakban számos autóipari alkalmazás jelent meg. Olyan cégek sorolhatóak ide, mint a Honda, BMW és a Toyota, amelyeknél az eljárást különböző autóipari alkatrészek gyártására alkalmazták. A Honda 2002-ben adott ki egy szabadalmat, amelyben különböző konvex és konkáv autóipari alkatrészek inkrementális alakítással való gyártását foglalta össze. A BMW szabadalma már meglévő, egyedi járműalkatrészek inkrementális alakítását írja le, viszont ez a folyamat csak speciális gépekkel volt kivitelezhető. Az addig használt CNC marók mellett megjelentek az ipari robotok, melyek lehetővé tették a bonyolultabb alkatrészek gyorsabb előállítását. A technológia számos európai ország figyelmét is felkeltette (pl. Finnország, Belgium, Németország). A kétpontos lemezalakítással Európában elsőként Strano foglalkozott. Ez az időszak 2003 elejére vezethető vissza. Ennek elvét, 2004-ben, Jadhav dolgozta ki részletesen. Az eljárás lehetőséget nyújtott különböző összetett alakzatok gyártására. Az elkövetkezendő években újabb ötletek születtek az eljárás folyamatának felgyorsítására [7].
5. Az eljárás gép és szerszámszükséglete A megmunkálást többnyire három vagy többtengelyes vezérléssel rendelkező CNC marógépen végzik. A vezérlő programok elkészítésére CAD (Computer Aided Manufacturing) szoftvereket alkalmaznak.
5.1. Az alakító bélyeg (szerszám) Az eljárás egyik alapeleme, amely többnyire félgömbvégződésű, de lehet gömbvégződésű is. Ezeket különböző átmérővel gyártják (6 mm-től 100 mm-ig terjedhet). Minél nagyobb a szerszám, annál nagyobb erő szükséges a megmunkáláshoz. Ezek a méretek jelentősen befolyásolják a munkadarab felületi érdességét, és minőségét. A leggyakrabban használt bélyegátmérő a 12 és 12.5 mm-es. A 4. ábra eltérő méretű félgömbvégződésű bélyegtípusokat szemléltet. Az alakító bélyeg munkáját befolyásolja egyrészt az alakítandó gyártmány alakja és anyaga, másrészt az, hogy milyen mélyen hatol a lemez anyagába a szerszám a megmunkálás során. Anyagát keményfém, vagy keményfém bevonat képezi, ezzel csökkentve a megmunkálás folyamán fellépő súrlódást, illetve megnövelve annak élettartamát. Vannak esetek, amikor a bevonatot műanyagból készítik. Ezt akkor alkalmazzák, mikor az elsődleges szempont a fémlemez és a szerszám között kialakuló kémiai reakció megakadályozása. Ezzel a módszerrel a munkadarab felületi minősége is javítható [8].
11
4. ábra. Félgömbvégződésű alakító bélyegek: 50, 30, 20, 12, 8 [mm] [5]
5.2. Ránctartó Az másik alapelem a ránctartó vagy ráncgátló, melynek feladata a munkadarab megfogása és leszorítása. A ránctartó alkalmazásával elkerülhető, hogy az alkatrész a munkafolyamat során megemelkedjen, hullámosodjon. Egypontos inkrementális alakításnál merev ránctartót alkalmaznak. Egy ilyen ránctartót szemléltet az 5. ábra. A pontatlanságok elkerülése, illetve a nem kívánt behúzódás elkerülése érdekében különféle védőlemezeket helyeznek a berendezésbe [4].
5. ábra. Merev ránctartó [4] A kétpontos inkrementális lejárás mindkét változatánál, a teljes és részleges matricával végzett alakítás esetén is, mozgatható ránctartót alkalmaznak (6. ábra), amely
12
függőleges irányban mozdul el. Ez úgy valósul meg, hogy miközben az alakító bélyeg kis léptékben, fokozatosan lefelé halad, úgy vele együtt a ránctartó is [4].
6. ábra. Szerszámmal együtt mozgatható ránctartó [4]
5.3. Szerszámgép Az ISF eljárásra a legalább háromtengelyes vezérléssel rendelkező CNC gépek alkalmasak, amelyeknek nagy a merevsége, nagy a szerszám előtolási sebessége, illetve nagyméretű munkadarabok megmunkálására is alkalmasak. Ezek közül is a legjellemzőbb a CNC vezérlésű marógép. A különféle marók termelékenysége, előtolása, terhelhetősége, merevsége eltérő. Közös jellemzőjük, hogy többfunkciósak, mivel más eljárásokra is alkalmazhatóak. A CNC marók mellett a célgépek, robotok és az úgynevezett Hexapodok is alkalmasak az inkrementális lemezalakításra [4].
6. Az eljárás technológiai paraméterei A hagyományos lemezalakítások esetén a szerszám határozza meg a munkadarab végső alakját, ezzel ellentétben az inkrementális alakításnál a megfelelő alak létrehozása egy jól tervezett, pontos szerszámvezérlő egység által meghatározott szerszámpálya vezérlés révén valósul meg. Mindez a megmunkálási időt megnöveli, viszont nagyobb alakváltozást tesz lehetővé a hagyományos eljárásokkal szemben. Inkrementális lemezalakítás esetén a termék minőségét a technológiai paraméterek nagymértékben befolyásolják. Az 1. táblázat összegzi ezeket a paramétereket, míg a 7. ábra azok helyét szemlélteti [8].
13
1. táblázat. Az inkrementális lemezalakítás technológiai paraméterei Jelölés
Megnevezés
Mértékegység
to
Alakítás előtti lemezvastagság
mm
ti
Alakítás utáni lemezvastagság
mm
ν
Előtolás
mm/fordulat
d
A szerszám gömbfejének átmérője
mm
h
Alakítási mélység (munkadarab magassága)
mm
Ф = (α)
A kialakított munkadarab falszöge (behúzási szög)
ω
x, z
[rad]
Görbületi sugár
mm
Főorsó sebessége
m/s
Támadási szög
mm/fordulat
A szerszám x és z tengely irányú elmozdulása
mm
alakító bélyeg
to
o
ν α
d ω Ф h
ti
munkadarab
z x dmax 7. ábra. Technológiai paraméterek inkrementális lemezalakítás esetén
14
Az egyes paraméterek közötti összefüggések:
6.1. Az alakító bélyeg átmérője (d) A szerszámátmérő az előtolással együtt a felületi érdességet befolyásolja. Számos kísérletet végeztek, amelyek során megállapították, hogy nagyobb átmérővel jobb felület érhető el. A folyamat megkezdése előtt lecsiszolják a gömbfejen lévő apró egyenetlenségeket, hogy minimalizálják a bélyeg és a munkadarab közötti súrlódást. Nagyon meredek emelkedésű szögeknél szükséges, hogy a szerszámrúd átmérője kisebb legyen, mint a bélyeg gömbfejének átmérője. Így lehet elkerülni, hogy a munkadarab és a szerszámrúd érintkezzen egymással. Ezt a szerszámpálya meghatározásánál számításba kell venni [4].
6.2. A szerszám forgási sebessége (ω) A főorsó forgási sebességének növelése fokozza az alakíthatóságot, amely következtében két dologgal kell számolnunk. Egyrészt a lemezen keletkező helyi felmelegedés, másrészt a szerszám és a munkadarab felületén fellépő súrlódás csökkenése. Az alakítás során a lemez hevítési hőmérséklete szabályozható. Az alakító bélyeg belehatol a lemez anyagába, amely így képlékeny alakváltozást szenved. A bélyeg, a munkadarab felületén végighaladva, egy meghatározott fordulatszámmal, folyamatosan forog. Amint megáll, megcsúszik a lemez felületén. Magas fordulatszám esetén
15
gyakrabban csúszik meg, amely hőmérsékletnövekedést eredményez. Ez a csúszási súrlódás miatt következik be. Ennek nagyságát a bélyeg és munkadarab közötti relatív mozgás befolyásolja. Ha ez a relatív mozgás kicsi, akkor minimális a felmelegedés mértéke. Ellenkező esetben megnöveli azt, tehát közöttük arányosság áll fenn [9]. A súrlódás csökkentésénél nagy jelentősége van a kenőanyagnak, amelyet részletesen a 6.6. Kenőanyag pontban kerül kifejtésre.
6.3. A húzási szög (ф) A húzási szög az alakítandó fémlemez falvastagságát is jelentősen befolyásolja. Megnövelésével ugyanis csökkeni azt, bizonyos érték elérése után pedig a falvastagság eléri azt a minimális szintet, amely után a munkadarab elszakad, eltörik. Ennek elkerülése érdekében a tervezőnek ismernie kell az adott anyag úgynevezett фmax értékét, amely az anyag azon határértéke, amelyet repedésig képes elviselni. Az egyes anyagminőségek фmax értékét különböző kísérletek folyamán állapították meg pl. sárgaréznél 40o, vörösréznél 65o. E határérték meghatározására, a szinusz törvényt használják fel, amelynek egyenlete: ti = to x sin α [4] A húzási szög és a szerszám átmérőjének helyes megválasztása jó felületi minőséget eredményez. A 8. ábra az elmozdulásnak, a szerszám átmérőjének, illetve a húzási szögnek a kapcsolatát ábrázolja.
x z h x z
Ф
h
8. ábra. Az alakító bélyeg z irányban való elmozdulásának változatai [4]
16
Különböző vizsgálatok során megállapították, hogy ha nagy a húzási szög, akkor úgynevezett „narancshéjas” felület jelenik meg a munkadarabon, amelyet a 9. ábra jól szemléltet. Ez egy olyan nem kívánt hatás, amelyet a tervezőknek ismerniük kell. Ennek mértékét, a nagy húzási szög mellett, jelentősen befolyásolja, ha túl nagy a távolság a vertikális és horizontális irányú elmozdulások között.
9. ábra. Alumínium és vörösréz felületén keletkezett narancsosodás Ez a jelenség szabad felületeken igen nagy képlékeny alakváltozást okoz, ami a textúra és mikroszerkezeti hatások eredménye. Összefoglalva leszögezhetjük, hogy minél kisebb a húzási szög és a x, z irányú elmozdulás, annál kisebb a felületi érdesség [4].
6.4. A szerszám mozgáspálya ( x, z) A mozgáspálya mentén való elmozdulás (az előtolás mértéke) is nagyon lényeges a gyártás szempontjából. Ez mind a pontosságot, mint a felületi érdességet jelentősen befolyásolja, amely történhet egy lépésben vagy több lépésben, változó vagy állandó lépésmélységgel illetve kifelé vagy befelé haladva. A már korábban említett felületi érdesség tehát fontos tényező a termék minőségét illetően. Ezt legjobban a bélyeg vertikális és horizontális ( x, z) irányban történő elmozdulása befolyásolja. Több kutatást végeztek annak megállapítására, hogy ez milyen hatással van a munkadarabra. Egy ilyen kísérletet mutat a 10. ábra, ahol négy, azonos méretű és összetételű alumínium lemezt készítettek ugyanazzal a bélyeggel, de eltérő elemi lépésekkel [4].
17
z = 1.27 [mm]
z = 1.02 [mm]
z = 0.76 [mm]
z = 0.51 [mm]
10. ábra. Azonos bélyeggel (12.5 [mm]) és eltérő lépésmélységgel megmunkált alumínium lemezek 3 dimenzióban ábrázolt felületi érdessége [4] A 10. ábra a már elkészült darabok 3 dimenziós képét szemlélteti, amelyeken jól látható a különbség. Azt tapasztalták, hogy minél kisebbre állítják a szerszámútvonalat, annál egyenletesebb felületet kapnak. Mindezt összegezve arra az eredményre jutottak, hogy ahol a Δz elemi lépés nagysága legfeljebb 1%-a a szerszámnak, ott a munkadarab felületi egyenlőtlensége nem számottevő, gyakorlatilag sima felületű [4].
6.5. Az előtolás Az alakíthatóság az előtolás csökkentésével növelhető, viszont ez a korábban említett problémát, a megmunkálási idő növekedését is eredményezi. A helytelenül megválasztott előtolás ugyanakkor ráncosodást, illetve a felületi érdesség növekedését okozhatja.
18
6.6. Kenőanyag A technológiai paraméterek helyes megválasztása mellett nagy a jelentősége a kenőanyagnak is. A megfelelő hűtés-kenés csökkenti a megmunkálásból eredő súrlódást, illetve a szerszámkopást, ezáltal simább, egyenletesebb, alakpontosabb munkadarabok gyárthatók. A 11. ábra szemlélteti a kenőanyag jelentőségének elemzése érdekében végzett vizsgálatot. Amint azt a 11. ábra szemlélteti, a kenőanyag nélkül készült lemez felülete esetenként durva, repedezett és az alak sem pontos. A károsodás a lemez alján jelenik meg, ahol akár egész darab is kiszakadhat a munkadarabból. Az alakítás mélységének további növelése az anyag tönkremeneteléhez vezethet. A másik esetben, kenőanyag alkalmazásával, simább, egyenletesebb felületű lett a munkadarab, továbbá az alakpontosság is javult.
11. ábra. Az első képen egy kenőanyag nélkül, míg a második képen egy kenőanyaggal megmunkált fémlemez látható
7. Alakítási határdiagram Az alakítás folyamán, egyenletes feszültségi állapotot feltételezve, a törés csak a lemez síkjában bekövetkező alakváltozástól függ. A törésig elviselt alakváltozás mértéke az alakváltozási határérték. Ezt az értéket jelentősen befolyásolja az alakítás módja. Mindezt az úgynevezett alakítási határdiagramban ábrázolják, amelyet a 12. ábra szemléltet. Inkrementális lemezalakítás esetén ez egy negatív meredekségű egyenes, amely magasabban helyezkedik el ugyanazon anyag hagyományos lemezalakító eljárásokra vonatkozó határgörbéinél. Ez azt jelenti, hogy az inkrementális alakítás nagyobb alakváltozást tesz lehetővé. Az ISF-ra sajátos alakváltozási állapot jellemző,
19
ami azt jelenti, hogy a képlékeny zóna az alakítás folyamán csak egy kis területre korlátozódik [3].
ε1 2.
ε1 > 0
5.
Helyi kontrakció tartománya
3.
Szakadás tartománya
1.
ε1, ε2 > 0 Szakadási határgörbe
4.
ε2 < 0
Alakíthatóság tartománya
ε1 = ε2
Helyi kontrakció határgörbe
ε2 Fizikailag lehetetlen zónák 12. ábra. Alakítási határdiagram A 12. ábra jelölései: ε1, ε2: főalakváltozás, 1. Zömülés, 2. Egytengelyű nyúlás, 3. Kéttengelyű nyúlás, 4. Kéttengelyű nyúlás, mindkét nyúlás azonos, 5. Inkrementális lemezalakítás.
8. Az első kísérleti munka A vizsgálat célja egy alumínium alapanyagból készült, kúpszerű alkatrésznek azzal a legnagyobb falszöggel való kialakítása, amelyet a lemez, repedés, törés nélkül elvisel. A kísérleti munka második felében egy komplex alakzat elkészítésének részleteit ismertetem.
8.1. A vizsgálat helyszíne Az első kísérleteket a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékének laboratóriumában végeztük el.
20
8.2. A kísérlet eszközei 8.2.1. A munkadarab A vizsgálat során 45o, 60o, 63o, 64o és 65o-os falszögű kúpot alakítottunk. A kísérleti munkadarab minden esetben kör alakú, Al 1050 minőségű alumínium lemez volt, amelynek átmérője 194 mm, vastagsága 0,6 mm (13. ábra). Az Al 1050 minőségű könnyen alakítható, kiváló korrózióálló alumínium ötvözet. Hidegalakításra, ív és ellenállás hegesztésre, forrasztásra is alkalmazzák.
13. ábra. A vizsgálat munkadarab
8.2.2. A szerszám Az eljárás egyik előnye, az egyszerű, többcélúan alkalmazható gömbvégződésű bélyeg, így a mi esetünkben sem volt másképp. Az alakító bélyeg gömbfejének átmérője 10 mm, a bélyeg hossza 125 mm. Az anyaga ötvözött acél, amelynek olvadáspontja és sűrűsége több mint kétszerese az alumíniumnak, amely a munkadarab anyagát képezi. Az első kísérleteket egyetemes esztergagépen végeztük. A folyamat megvalósításához a bélyeget a szegnyeregbe helyeztük el. A mi esetünkben a ránctartóba szorított munkadarab végezte a forgó mozgást az alakító bélyeg helyett. A z elmozdulás nagysága minden vizsgálatnál 2 mm volt. A szerszámot a 14. ábra szemlélteti.
21
14. ábra. A kísérlet megvalósításához alkalmazott alakító bélyeg
8.2.3. A ráncgátló A megmunkálás során alkalmazott merev ránctartót a 15. ábra szemlélteti. A próbatestet 12 db csavarral erősen a ránctartóhoz rögzítettük, ezzel megakadályozva, hogy a próbatest az alakítás folyamán elmozduljon. Az oldalából egy kisebb részt eltávolítottunk, a munkafolyamat jobb nyomon követhetősége érdekében. Ezen keresztül láthatóvá vált, hogy mikor indul meg a repedés a munkadarab felületén. Az ábrán a munkadarab már a ránctartóba van fogva.
15. ábra. Az esztergagépre helyezett ránctartó
22
8.2.4. A szerszámgép A vizsgálatot egy hagyományos esztergagépen (16. ábra) végeztük. A fordulatszámot minden próbatest alakítása során a legkisebbre állítottuk. Az ábrán jól látható a szegnyeregbe elhelyezett alakító bélyeg, és a ránctartóba fogott munkadarab.
16. ábra. A kísérlethez alkalmazott esztergagép
8.3. A kísérlet szakaszai 8.3.1. A próbadarabok behálózása Az első, és egyik legfontosabb lépés a rácsháló felvitele, amelyet a folyamat megkezdése előtt a mintadarab felületére felvisznek. A hálózás az előkészítés fontos részét képezi, mert a próbatest felületén végbemenő főalakváltozások nagyságát és irányát a hálópontok koordinátáinak megváltozásából lehet megmérni. A rácsháló lehet kör alakú, vagy négyzetes, amelyet már előre elkészítenek (pl. gravírozással, elektrokémiai maratással, nyomdatechnikai módszerekkel, stb.). Az alakváltozás során a körök ellipszissé, a négyzetek általános négyszöggé torzulnak, s a megnyúlást (az alakváltozást) ezek méreteiből számítják. A mi esetünkben négyzetes rácshálót alkalmaztunk. Ez a rácsháló, egy vékony réteget képez a próbatest felületén, így könnyen leválik a felületéről, ezért óvatosan kell felhelyezni a ránctartóra.
23
8.3.2. Az alakítás A behálózott munkadarabok közül elsőként egy 45o-os falszögű kúpos próbatestet alakítottunk, amelyet a 17. ábra szemléltet. Az alakítás könnyen, problémamentesen megvalósítható volt. A folyamat befejezésével a próbatesten nem keletkezett repedés, a felülete egyenletes és pontos volt. Minden esetben gondoskodtunk a munkadarabok folyamatos kenéséről, az egyenletesebb, pontosabb felület elérése céljából.
17. ábra. 45o-os falszögű kúpos munkadarab A második vizsgálatnál egy jóval nagyobb, 60o-os falszögű munkadarabot készítettünk. Ez a próbatest is repedés nélkül elviselte az alakítást (lásd 18. ábra).
18. ábra. 60o-os falszögű kúpos munkadarab
24
A nagyobb falszögből adódóan a falvastagság jóval kisebb lett, mint a 45o-os falszögűé. Habár a falvékonyodás pontos értékét az alakítási határdiagramból lehet kiolvasni, a két munkadarab között szemmel látható volt ez a különbség. A 18. ábra jól szemlélteti, hogy itt a négyzetes rácsháló jobban eltorzult, mint a 45o-os próbatest esetében, ami azt jelenti, hogy a 60o-os falszögűnél nagyobb alakváltozás ment végbe. A harmadik kísérlet során egy 65o-os falszögű próbatestet alakítottunk (19. ábra). Alumíniumnál és lágyacélnál ez általában az alakítás felső határa, habár vannak alumínium ötvözetek (például az Al 3003) ahol ez az érték magasabb. A 65o-os kúpszögű, Al 1050 anyagminőségű, 0.6 mm vastagságú munkadarab, röviddel a folyamat megkezdése után, elszakadt.
19. ábra. Az elszakadt 65o-os falszögű munkadarab A 20. ábra a 65o-os falszögű próbatest alakításának folyamatát ábrázolja. Ezen az ábrán, kinagyítva, jól látható a szakadás helye. A 60o-os falszögű munkadarabot sikeresen elkészítettük, de mivel 65o-nál elszakadt ezért a két érték között végeztük a további kísérletet. Azt vizsgálva, hogy melyik az a legnagyobb falszög, amellyel a próbatest repedés nélkül kialakítható, a következő kísérlet során 63o-s falszöggel alakítottunk. A 21. ábra jól ábrázolja, hogy az alakítás folyamata sikeresen befejeződött, nem keletkezett repedés.
25
20. ábra. A szakadás helye a 65o-os falszögű munkadarabon
21. ábra. 63o-os falszögű kúpos munkadarab Befejezésül egy 64o-os falszögű munkadarabot is próbáltunk elkészíteni, viszont, a 65o-oshoz hasonlóan, elszakadt. Ezzel megállapítottuk, hogy φ= 63o az a legnagyobb érték, amellyel az Al 1050 anyagminőségű, 0,6 mm vastagságú próbatest repedés nélkül kialakítható.
26
8.3.3. Kalibráció Az elkészített munkadarabokon a feszültség eloszlás és alakváltozás kiértékeléséhez a Mechanikai Technológiai Tanszék Laboratóriumában található Autogrid optikai alakváltozás mérő és kiértékelő rendszert és a hozzá tartozó Vialux szoftvert alkalmaztuk. A rendszer egy állványra felhelyezett 4 db CCD kamerával készít képeket a próbatestről (lásd 22. ábra). Ez az állvány tetszőlegesen állítható, így a kamerák könnyen az optimális nézetbe állíthatók. A kamerák megfelelő pozícióba állítása után következetett azok kalibrálása. A kalibrálás célja a mérőrendszer és a mérőeszköz közötti összefüggés meghatározása [10] [11].
22. ábra. Autogrid optikai alakváltozást mérő és kiértékelő rendszer 4 kamerája [11]
8.3.4. Digitális képrögzítés A Vialux programnak két üzemmódja van: folyamatos illetve a normál üzemmód. A folyamatos üzemmód alakítás közbeni képek (mozgókép) rögzítésre alkalmas, míg a normál üzemmód a folyamat befejezése után, az elkészült próbadarabok képeinek (állókép) rögzítésre. Mi az utóbbi módszert alkalmaztuk. A próbadarabokat egyenként a kamerák alá helyeztük, majd a megfelelő helyzetbe állítottuk. A négy kamera, a próbadarab négy különböző pozícióját rögzíti. A kép akkor megfelelő, ha a program, a hálópontok keresése folyamán, megtalálja azokat a legfontosabb hálópontokat, amelyekből a pontos hálómodell elkészíthető. Léteznek olyan 3D-s szkennerek, melyekkel a lehető legnagyobb pontosságú kép készíthető, viszont ezeknek az eszközöknek a beszerzése nagyon drága.
27
8.3.5. A 3D-s hálómodell elkészítése A hálómodell elkészítése is egy lényeges része a vizsgálatnak, mert ebből tudjuk kiértékelni az alakított munkadarabok falvékonyodását, a vastagság változását, az alakváltozásokat, a feszültségi értékeket . A hálópontok keresése és a hálómodell megalkotása a Vialux program automatikus funkciója. Mivel nem minden esetben sikerült a vizsgálat szempontjából legpontosabb képeket elkészíteni, ez azt eredményezte, hogy a program kevés hálópontot talált a munkadarabon. Ezt úgy oldottuk meg, hogy újabb pontokat vettünk fel, illetve a hibásakat kitöröltük. A nehézséget az okozta, hogy ekkor már csak manuálisan van lehetőség a hálópontok keresésére. Ez a módszer nem biztosít pontosabb eredményt, mint ha automatikusan találtuk volna meg azokat, de a legtöbb esetben alkalmazni kell. Az alakított próbatestek közül csak a 45o-os falszögű munkadarab hálópontjait sikerült automatikusan megkeresni, hálómodelljét a 23. ábra szemlélteti. A 60, 63, és 65o-os falszögű esetében a manuális funkciót is szükséges volt alkalmaznunk.
23. ábra. A 45o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje A manuális hálópontkeresés rendkívül időigényes, órákig is eltarthat. Éppen ezért nem kerestünk meg minden egyes hálópontot, csakis azokat, amelyek a vizsgálat kiértékeléséhez elengedhetetlenek. Miután a vizsgálat szempontjából szükséges hálópontokat megtaláltuk, a program segítségével elkészítettük a 60, 63, és 65o-os falszögű munkadarab hálómodelljét is.
28
24. ábra. A 60o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
25. ábra. A 63o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
26. ábra. A 65o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
29
8.4. Az alakváltozás vizsgálata A munkadarabok behálózása és 3 dimenziós modelljének elkészítése után az utolsó lépés az alakváltozás és falvékonyodás meghatározása. Elkészítettük az alakított munkadarabok alakváltozási eloszlásainak és a falvékonyodásuk mértékét ábrázoló modelljeit. Először a 45o-os falszöggel kialakított munkadarab alakváltozását vizsgáltuk (lásd. 27. ábra). Az eltérő színek a munkadarab eltérő falvastagságát mutatják. A legvastagabb részt a sötétkék, a legvékonyabbat pedig a piros szín jelöli.
27. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (45o-os falszügű munkadarabnál)
28. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (60o-os falszügű munkadarabnál)
30
29. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (63o-os falszügű munkadarabnál)
30. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (65o-os falszügű munkadarabnál) A 27. ábra, 28. ábra, 29. ábra és 30. ábra elkészítését a Visualisation szoftverrel végeztük. Az ábrákból leolvashatjuk az egyes darabok megnyúlását és falvastagságának csökkenését. A megnyúlás a 45o-os falszögű munkadarabnál a legkisebb. A 60o és 63o falszögű munkadarab megnyúlása, falvastagságuk csökkenése nagyon hasonló, a kis falszög eltérésből adódóan. Az utolsóként alakított, 65o-os falszögű munkadarab megnyúlása volt a legmagasabb, amely a rácsháló nagymértékű torzulásából is megfigyelhető (lásd 30. ábra).
31
9. A második kísérleti munka A második kísérleti munka célja egy komplex alakzatot elkészítése. A Mechanikai Technológia Tanszék volt professzorának, Zorkóczy Bélának a mellszobráról vett arcmását alakítottuk ki rézlemezből. A szobor a Miskolci Egyetem Díszaulájában található. A második vizsgálat nagyobb előkészületeket igényelt. A mellszobor esetében, az első kísérlettel ellentétben, nem volt lehetséges, hogy a Vialux programmal digitális képeket készítsünk, hiszen a szobrot nem lehet a 4 CCD kamera alá helyezni. Mivel nem állt rendelkezésünkre olyan digitális képkészítésre alkalmas eszköz (3D szkenner), amelyből elkészíthető a darab hálómodellje, ezért egyéni megoldást alkalmaztunk. Gipszből kiöntöttük a szobor arcformáját. A mellszobrot illetve a gipszöntvényt a 31. ábra szemlélteti. Az arcforma egyes területein, legfőképp az ál résznél illetve a szemüveg alatt, nagy alámetszések voltak, amelyek az alakítás szempontjából igen hátrányos. A későbbi problémák elkerülése érdekében ezeket a területeket a maradék gipsszel kitöltöttük. Ennek elkészítésével lehetővé vált az arcforma rézlemezből történő kialakítása.
31. ábra. Zorkóczy Béla mellszobra és arcmásának gipszöntvénye
32
9.1. A vizsgálat helyszíne A kísérletet a felsőzsolcai Industar Kft-nél végeztük. A céget 1976-ban alapították, jelenlegi tevékenységük, az öntészet, sajtolás, forgácsolás, csőhajlítás és csődarabolás, búvárszivattyú gyártás, fűrésztárcsa élezés, elektrosztatikus pórszórás és szemcseszórás, kipufogó és katalizátorgyártás, élhajlítás.
9.2. A kísérlet eszközei Az arcforma kialakítását rézlemezből készítettük, egy Hurco VMX 30, négytengelyes vezérlésű CNC marógépen. A szerszám egy gömbvégződésű, 5 mm átmérővel rendelkező alakító bélyeg volt, a ránctartó pedig álló helyzetű (nem mozgatható).
9.3. Az alakítás Az alakítást megelőzően, a Szerszámgépek Tanszéken a PowerMill programmal elkészítették az arcforma pályaleírását. Ennek megalkotásához a gipszöntvényt használták fel. A 32. ábra szemlélteti az arcforma szerszámpályájának leírását.
32. ábra. A PowerMill programmal elkészített pályavezérlés I. Az alakítás az arc külső kontúrjánál indult meg, befelé haladva az arc belső terültére. A 33. ábra szemlélteti, hogy a legnagyobb alakítási mélység az orr résznél volt. A kérdés az volt, hogy sikerül-e ezt a területet is szakadás nélkül kialakítani. Az előtolás
33
2 mm volt, a szerszám forgási sebessége 100 m/s. A szerszámgép automata hűtő-kenő rendszerrel van felszerelve, így biztosítva volt a folyamatos kenés. Az orr kialakítása maradt utoljára. A kis bélyegátmérőből adódóan az arcforma minden apró részletét, beleértve az orr részét is, sikerült kialakítani. Az egész munkafolyamat kb. egy órát vett igénybe. Az elkészült darabot a 34. ábra szemlélteti.
33. ábra. A PowerMill programmal elkészített pályavezérlés II.
34. ábra. A rézlemezből készített arcforma A rézlemez felületére már előre felvitték a rácshálót, amelyből elkészítettük az alakított arcforma 3D-s hálómodelljét illetve a falvastagság eloszlási modell és diagramot, amelyet a 35. ábra szemléltet. Az ábrán az látható, hogy az orr terültén a legnagyobb a lemez elvékonyodása. Habár az arcforma sikeresen elkészült, nagyobb alakítási mélységet talán már nem bírt volna el a szerszám, és a lemez elszakad. Nem kaptuk teljesen vissza az eredeti arcmás formáját, abból adódóan, hogy az ál illetve a
34
szemüveg melletti területet előzetesen ki lett pótolva. Ezt viszont szükséges volt elvégezni az alámetszések elkerülése miatt. Az ál alsó részén így is látható egy kisebb elvékonyodás. Az arcforma többi területen (szem, homlok, száj, arc) a lemezvastagság alig tér el az eredetitől.
35. ábra. A gipszből kiöntött arcmás falvastagsági és eloszlási modellje Egy bonyolult alakzat elkészítése jóval nagyobb tervezést és munkát igényel, mint egy egyszerű kialakításúé. Ez az arcforma esetében is így volt. Az ötlet megszületésétől a kész darab elkészítéséig hosszú hetek teltek el. Habár nem minden esetben álltak rendelkezésünkre a célnak legmegfelelőbb eszközök, a feladatot sikeresen megoldottuk. A különböző testrészek kialakításának az orvostudományban van jelentősége, azon belül is az orvosi implantátumok készítésében. Az témával kapcsolatban a 10.2. Gyógyászat pontban találhatunk bővebb részleteket.
35
10. Felhasználási terület 10.1. Autóipar A technológia elsődleges alkalmazási területe az autóipar, azon belül is a gyors prototípusgyártás. A gyors prototípusgyártás az egyedi, kissorozatgyártás közé sorolható, melynek piaca több mint 10%-kal nő évente. Habár az autóiparra a nagysorozatú tömeggyártás jellemző, van egy kisebb terület, ami a kissorozatgyártásra koncentrálódik. Azok a technológiák, melyeket ezen a területen alkalmaznak, lehetővé teszik, hogy kis szériás termékeket is gazdaságosán lehessen előállítani. Az inkrementális lemezalakítást ezen a területen alkalmazzák. A 36. ábra egy olyan autó alkatrészt átbázol, melyet ezzel a technológiával gyártottak [12].
36. ábra. Fényszóró [5]
10.2. Gyógyászat Az orvosi alkalmazások a gyors prototípusgyártási technológiák ideális terepe, hiszen itt valóban egyedi darabokat kell előállítani, és elég gyorsan. A 37. ábra olyan termékeket szemléltet, melyek inkrementális lemezalakítással készültek. Az implantátumok felületén megszámlálhatatlanul sok kicsiny mélyedést alakítanak ki. A csontszövet belenő ezekbe a mélyedésekbe, ezáltal az implantátum óriási felületen érintkezik az azt rögzítő csontszövettel. Így az implantátum és a csontszövet között egy nagyon erős, szinte megbonthatatlan kapcsolat alakul ki. A fémből készült orvosi implantátumok egyre nagyobb részét készítik nagy tisztaságú titánból, annak biokompatibilitása miatt (a csontsejtek szabályosan összeépülnek vele). A titán implantátum felszínét egy stabil vegyület, a titán-oxid alkotja. A titán-oxid az emberi szövetek számára közömbös anyag, nem lép vele kölcsönhatásba, nem oldódik a testnedvekben, így nem okoz allergiát sem daganatos megbetegedést,
36
tehát immunreakciót nem vált ki. Az arc-állcsont-szájsebészet terültén manapság kizárólag ilyen implantátumokkal dolgoznak [13]. 1.
2.
Titán lemez
37. ábra. Orvosi implantátumok (1. Koponyai 2. Fogorvosi) [5] Ezen két terület mellett még az építőiparban is alkalmazzák az eljárást pl. különféle domborművek készítésére illetve vannak olyan háztartási eszközök, amelyet szintén ezzel a technológiával készítenek pl. mosógépdob.
Összefoglalás Habár az inkrementális lemezalakítást számos területen alkalmazzák, folyamatos fejlődés alatt áll. A hagyományos lemezalakító eljárássokkal szembeni előnyei mellett olyan hátrányai vannak, amelyek korlátozzák a nagysorozatú tömeggyártás területén való alkalmazását. A kutatók fő célja, hogy ezt a technológiát még ismertebbé tegyék a világ számára, amivel kapcsolatban mai napig számos kutatás folyik.
37
Irodalomjegyzék [1]
Tisza Miklós: Anyagtudományi és technológiai fejlesztések a képlékeny lemezalakításban, Kolozsvár, 2011. március 24-25.
[2]
Csizmadia Ferencné: Szerszámanyagok és kezelésük, Kézirat, 2004
[3]
Tisza Miklós, Kovács Péter Zoltán: Inkrementális lemezalakítás, Gép lyóirat, LXI évfolyam, 2010, 23-30.
[4]
J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou, J. Allwood: Asymmetric Single Point Incremental Forming of Sheet Metal, 1-27.
[5]
João Luís Padrão, Dissertação: Single Point Incremental Forming, 2009, 1-88.
[6]
Julian M. Allwood, Daniel Braun, Omer Music: The effect of partially cut-out blanks on geometric accuracy in incremental sheet forming
[7]
W.C. Emmens, G. Sebastiani, A.H. van den Boogaard: The technology of Incremental Sheet Forming - A brief review of the history, 981-997.
[8]
J. Kopac, Z. Kampus: Incremental sheet metal forming on CNC milling machine-tool, Ljubljana, Slovenia, 2005, 622-628.
[9]
A. Petek, K. Kuzman, J. Kopac: Deformations and forces analysis of single point incremental sheet metal forming, Ljubljana, Slovenia, 2009, 106-117
[10]
http://www.vialux.de/pdf/autogr_in-process_en.pdf
[11]
Tisza Miklós, Kovács Péter Zoltán: VIALUX-AutoGrid alakváltozásmérő rendszer, Felhasználói leírás, 2006
[12]
Bánhegyi György: Prototípusok és termékek előállítása nem hagyományos technológiákkal
[13]
Szabó György: Titán orvosi implantátumok felületi biokompatibilitásának javítása és a létrehozott rétegek orvosbiológiai tulajdonságainak szisztematikus vizsgálata
38
fo-
Optikai
