Innovatív alakító eljárások

MISKOLCI EGYETEM MECHANIKAI TECHNOLÓGIAI TANSZÉK

Innovatív alakító eljárások Tanulmány

Kidolgozta: 1

Dr. Tisza Miklós -Dr. KissAntal2 - Kovács Péter Zoltán3 1

egyetemi tanár, 2 egyetemi adjunktus, 3 egyetemi adjunktus

Készült:

a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 projekt keretében az Innovatív anyagtechnológiák tudományos műhelyben

A tudományos műhely vezetője:

Dr. Tisza Miklós egyetemi tanár, tanszékvezető

Miskolc 2013

1

BEVEZETÉS .................................................................................................................. 4

2

Innovatív alakítóeljárások: az állapottényezők (feszültségi állapot, hőmérséklet és alakváltozási sebesség) hatását hasznosító képlékeny alakító eljárások ........................ 5 2.1

Az állapottényezők hatása a fémek alakíthatóságára ............................................... 5

2.2

Az állapottényezők hatását hasznosító képlékeny alakító eljárások ........................ 5

2.2.1

Hidrosztatikus alakítások .................................................................................. 5

2.2.2

A HydroForm alakítás alkalmazási példája modellezési lehetősége .............. 12 A HydroForm alakítás kísérleti vizsgálata .............................................. 13

2.2.2.2

A HydroForm alakítás modellezési lehetőségeinek áttekintése .............. 13

2.2.2.3

Technológiaiparaméterek ........................................................................ 15

2.2.2.4

Összefoglalás ........................................................................................... 18

2.2.3

Hőmérsékleti hatáson alapuló új technológiák ............................................... 18

2.2.4

Szuperképlékeny állapot és ennek technológiai alkalmazása ......................... 22

2.2.5

Az alakváltozási sebesség hatásán alapuló eljárások ..................................... 23

2.3

A gyorsprototípusgyártás és az egyedi, illetve kis sorozatgyártás eljárásai .......... 28

2.3.1

Lézer sztereolitográfia (SLA) ......................................................................... 28

2.3.2

Szelektív lézer- szinterezés (SLS) .................................................................. 28

2.3.3

Térbeli nyomtatás (3D printing) ..................................................................... 28

2.3.4

Huzalfelrakásos modellezés (FDM) ............................................................... 28

2.3.5

Réteges fotopolimerizáció (ISC) .................................................................... 28

2.3.6

Papírréteg-ragasztás (LOM) ........................................................................... 28

2.4

3

2.2.2.1

Szerszámgyártás és kissorozatú gyártás prototípusok felhasználásával ................ 29

2.4.1

Vákuum alatti öntés ........................................................................................ 29

2.4.2

Fémbevonat készítése plazma-szórással ......................................................... 29

2.4.3

Inkrementális alakítás ..................................................................................... 29

2.4.4

Szerszámcélú öntőgyanták ............................................................................. 29

Inkrementális lemezalakítás .......................................................................................... 30 3.1

Az inkrementális lemezalakítás fő technológiai változatai .................................... 31

3.1.1

Egypontos inkrementális alakítás (SPIF): ...................................................... 31

3.1.2

Kétpontos inkrementális lemezalakítás (TPIF): ............................................. 31

3.1.2.1

Teljes szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás ....... 32

3.1.2.2

Részleges szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás. 32

3.2

Az inkrementális lemezalakítás szerszámozási kérdései és gépi berendezései ..... 33

3.2.1

Az alakító bélyeg (szerszám) .......................................................................... 33

3.2.2

Ránctartó ......................................................................................................... 34

3.2.3

Szerszámgép ................................................................................................... 35

3.3

Az inkrementális lemezalakítás technológiai paraméterei ..................................... 36

3.3.1

Az alakító bélyeg átmérője (d) ....................................................................... 36

3.3.2

A szerszám forgási sebessége (vR) ................................................................. 39

3.3.3

A húzási szög (α) ............................................................................................ 39

3.3.4

A szerszám mozgáspálya ( y, z) ................................................................. 43

3.3.5

Az előtolás ...................................................................................................... 44

3.3.6

Kenőanyag ...................................................................................................... 46

3.3.7

Anizotrópia ..................................................................................................... 46

3.3.8

A technológiai paraméterek összegzése ......................................................... 46

3.4

Az inkrementális alakítási határdiagram meghatározásának új módszere ............. 47

3.5

Ipari alkalmazás ..................................................................................................... 49

3.5.1

3.6 4

Munkavédelmi sisak megvalósítása inkrementális alakítással ....................... 49

3.5.1.1

Munkavédelmi sisak alakítása ................................................................. 49

3.5.1.2

Munkavédelmi sisak alakításának vizsgálata .......................................... 53

Összefoglalás ......................................................................................................... 56

Irodalomjegyzék ............................................................................................................ 57

1

BEVEZETÉS

Lemezalakításnak azokat a képlékenyalakító eljárásokat nevezzük, amelyeknél a lemezanyag feldolgozását olyan képlékenyalakító technológiai eljárással valósítják meg, amelynek során a lemezvastagság nem, vagy nem szándékoltan változik. A lemezalakítás a képlékenyalakító eljárások között az egyik legelterjedtebb technológia. Széleskörű elterjedtségét számos előnyös tulajdonsága indokolja, így például a lemezalakítással gyártott alkatrészek kiváló mechanikai tulajdonságai, alak- és méretpontossága, az eljárás nagy termelékenysége a gazdaságos anyagfelhasználás, a gyártási folyamat könnyű automatizálhatósága. A lemezalakítás a gépiparban mindig is vezető szerepet betöltő húzóágazat, az autóipar kiemelten fontos gyártási eljárása. 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). 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. A lemezalakítás alapvetően a nagy sorozat, illetve a tömeggyártás technológiája, kis darabszámnál viszonylag jelentős szerszámköltségek miatt az eljárás gazdaságossága csökken. 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

INNOVATÍV ALAKÍTÓELJÁRÁSOK: AZ ÁLLAPOTTÉNYEZŐK HATÁSÁT HASZNOSÍTÓ KÉPLÉKENY ALAKÍTÓ ELJÁRÁSOK

A XXI. század újabb és újabb anyagok alakítását igényli, extra körülmények között üzemelő alkatrészek gyártását követeli meg. Ehhez újabb elvek mentén, fejleszteni kell az alakító eljárásokat is [3].

2.1 Az állapottényezők hatása a fémek alakíthatóságára Az újabb alakító eljárásokhoz a külső állapottényezők hatásával is kell foglalkoznunk (alakítási hőmérséklet, alakváltozási sebesség, az alakításra jellemző feszültség állapot). Ismeretes, hogy a hőmérséklet növeléséve általában növekszik az anyagok alakíthatósága, az alakváltozási sebesség növekedtével ridegedik az anyag, kevésbé lesz alakítható. A feszültség állapot hatását a közepes feszültséggel ( k, m) lehet jellemezni. Minél nagyobb (pozitív) értékű a k, annál kevésbé alakítható az anyag, ridegedik, és megfordítva, minél kisebb a k, annál jobban alakítható a feldolgozandó anyag. Annál jobban alakítható, minél inkább a háromtengelyű nyomás az uralkodó feszültség állapot.

2.2 Az állapottényezők hatását hasznosító képlékeny alakító eljárások

2.2.1 Hidrosztatikus alakítások A hagyományos térfogatalakítás területén terjednek az újabban kifejlesztett hidrosztatikus eljárások. Nagy nyomású folyadékkal (0,1 – 20 GN/m2) kitöltött matricában lehet előre folyatást (Hiba! A hivatkozási forrás nem található.) és dróthúzást (2.2. ábra) is végezni.

2.1. ábra A hidrosztatikus folyatás szerszáma 1 gumigyűrű; 2 dugattyú; 3 nagynyomású folyadék; 4 folyató matrica; 5 munkadarab

2.2. ábra Hidrosztatikus rúd- (drót) húzás, feltekercselt előgyártmányból A nagynyomású térből kilépő anyagrészben még nem épül le azonnal a belső feszültség, előfordulhat, hogy a matricából kilépve megreped, szétrobban. Ezért találták ki az ellennyomásos térbe végzett folyatást (2.3. ábra).

2.3. ábra Hidrosztatikus folyatás ellennyomással 1 nagynyomású folyadék; 2 dugattyú; 3 O-gyürű; 4 nyomásérzékelő; 5 folyató szerszám; 6 Ogyűrű; 7 nyomásérzékelő; 8 O-gyűrű; 9 ellendugattyú; 10 ellennyomást adó folyadék

A gyakorlatban alkalmazzák a rudak és huzalok hidrosztatikus extrudálással kombinált húzását is (2.4. ábra).

2.4. ábra A hidrosztatikus rúd-(huzal) húzás elvi vázlata 1 nyomótüske; 2 támasztótüske; 3 készítmény; 4 szerszám; 5 előgyártmány; 6 nagynyomású folyadék

Ezzel a módszerrel a legkülönbözőbb anyagokból húznak rudat és huzalt. Minél nagyobb az alkalmazott hidrosztatikus nyomás, annál kisebb húzó erővel lehet egy lépésben, egyre nagyobb deformációt ( ) létesíteni. Avitzur szerint a q fajlagos húzóerő, és a p hidrosztatikus nyomás, a kfk közepes alakítási szilárdság, a deformáció mértéke, az szerszámszög és a súrlódási tényező között az alábbi összefüggés írható fel:

p q = f k fk

2 2 3 sin

ctg

ctg

1

q k fk

2

1

q L k fk d

ahol L a matrica kalibráló részének a hossza, d a kilépő huzal átmérője, f( ) értéke

≤ 45o esetén jó közelítéssel 1.

Megfelelő hidrodinamikus kenés kialakulása érdekében, a húzás sebességét 250mm/perc– nél nagyobbra választják. Hidrosztatikus húzógép vázlata látható alábbi ábrán (2.5. ábra). A gép feltekercselt nyersanyag továbbhúzását végzi. A húzókő anyaga gyémánt. A kilépő huzal sebessége, az alakítás mértékétől függően 12 – 30 m/s.

2.5. ábra Hidrosztatikus dróthúzó gép elvi vázlata 1 szerszámtartó; 2 feltekercselés; 3 húzógyűrű; 4 konténer; 5nagynyomású folyadékcsatlakozó Hidrosztatikus hátrafolyató eljárás elve látható az alábbi ábrán (2.6. ábra). Ezen eljárás nagy előnye, hogy bármilyen, megfelelő pontosságú sajtológépre alkalmazható. A tökéletes ellennyomás viszont csak akkor biztosítható, ha a folyamatot gondosan megtervezték. Ezzel a módszerrel vékonyfalú hátrafolyatott termékek készíthetők, kb. 15 kbar végnyomáson, magnéziumból úgy, hogy a fenék alakváltozása 60 – 70 %, a csésze faláé pedig 70 – 80 %. a Mg egyébként csak legfeljebb 16%-ig deformálható, nyomás nélkül.

2.6. ábra A hidrosztatikus hátrafolyatás műveletelemei 1 az előgyártmány beadagolása; 2 megfelelő mennyiségű munkafolyadék betöltése; 3 tömítés behelyezése; 4 a folyató tüskén elhelyezett váll deformálja a tömítést, az alakító tüske dugattyúvá válik; 5 folyatás; 6 visszajáratás és a kész darab eltávolítása Csak a teljesség kedvéért megemlítjük, hogy a hidrosztatikus folyatás egyik speciális esetének lehet tekinteni a finomkivágást is!

2.7. ábra A finomkivágás elve

A falvékonyító mélyhúzásnak a hidrosztatikus változata is ismert (2.8. ábra).

2.8. ábra Falvékonyító mélyhúzás hidrosztatikus eljárással 1 dugattyú; 2 nagynyomású folyadék; 3 előgyártmány; 4 húzó-folyatógyűrű A hidrosztatikus nyomással csőtágítás is elvégezhető, ha a csövet kívülről megfelelő nagynyomású folyadék támasztja meg ( 2.9. ábra). Az eljárással több, mint 100%-os átmérő növekedés érhető el, a hagyományos módszer 30 – 40%-o mértékével szemben.

2.9. ábra Csőtágítás hidrosztatikus nyomással

A csőtágítás egyik változata, amikor is a csőből valamilyen idomdarabot (pl. T elágazást) kell készíteni. Az s/D = 0,05 – 0,15 viszonyú, ausztenites acélból készült idomok hidrosztatikus alakításához 2000 – 3000 bar nyomás kell (2.10. ábra).

2.10. ábra Idomdarabok készítése folyadéknyomással Az eddig ismertetett hidrosztatikus folyadéknyomással végzett alakítások helyett egyre több helyen alkalmazzák az elasztikus nyomásátadó közeggel, általában poliuretánnal végzett alakításokat is ( 2.11. ábra).

2.11. ábra Alakítások elasztikus nyomásátadó közeggel

2.2.2 A HydroForm alakítás alkalmazási példája és modellezési lehetősége Csőből készült szerkezetek HydroForm eljárással való alakítása olyan technológiai eljárás, amelynél az alakítónyomást jellemzően folyadék fejti ki az alakítandó munkadarab belső felületén. A cső alakváltozási folyamata a tengely irányú nyomóerő és a belső nyomás egyidejű hatására valósul meg. A munkadarab a folyamat végén felveszi az alakítószerszám alakját. A csőszerű alkatrészeket jellemzően cső alakú előgyártmányból készítik belső nyomással. A belső nyomást az alkalmazott folyadéknak az alakítandó csőbe tengely irányban való bevezetésével biztosítják. Ezt az eljárást kezdetben kerékpárvázak készítéséhez használták. Az utóbbi időkben gépjármű alkatrészek gyártására is sikerrel alkalmazták, mivel az autókat alkotó alkatrészek számának, és tömegének csökkentése, valamint kedvezőbb tulajdonságú termékek előállítása valósítható meg ezzel az eljárással. A Hydroform eljárás lépéseit a 2.12. ábra tartalmazza: Az előkészített nyersdarab szerszámba helyezése (1) A nyers idom két végének lezárása és a nyersdarab folyadékkal való feltöltése, nyomás alá helyezése (2) A munkadarab kialakítása a belső folyadéknyomás és az axiális terhelés együttes hatására (3).

2.12. ábra A HydroForm eljárás lépései A csőalakítás HydroForm eljárással rendszerint előalakított, előkészített munkadarabot igényel. Ennek okai: A cső megfelelő illeszkedésének biztosítása az axiálisan, vagy radiálisan szétnyitható matrica alakjához. A kívánt forma megfelelő minőségű előállítása. Az előmunkálatok különböző folyamatokból tevődnek össze, mint például hajlítás, darabolás, továbbá, e munkálatok után hőkezelés alkalmazása is szükséges lehet a keletkezett maradó feszültségek és az alakítási keményedés megszüntetése érdekében (feszültségcsökkentő hőkezelés).

2.2.2.1 A HydroForm alakítás kísérleti vizsgálata A HydroForm alakítással kapcsolatos elemzéseket, kísérleti vizsgálatokat félkemény (HB 60-90) vörösrézből készült T-idomokon, fittingeken (2.13. ábra), HydroForm alakításra szolgáló célberendezésen végeztük. Ezeket az alkatrészeket leggyakrabban különfélevíz és gázvezetékek építésekor alkalmazzák. Az ilyen kialakítású idomok megkönnyítik a vezetékrendszer kialakítását.

2.13. ábra T-idom 2.2.2.2 A HydroForm alakítás modellezési lehetőségeinek áttekintése A HydroForm alakítás bonyolult folyamat, amelyet csak megfelelő tervezés és modellezés alkalmazásával lehet a kívánt minőségben elvégezni. A HydroForm alakítás egyre szélesebb körű alkalmazásával, egyre nagyobb szükség van a pontos és megbízható adatokat szolgáltató modellezési eszközökre is. A legáltalánosabban alkalmazott számítógépes modellezési módszer a HydroForm csőalakítás esetében is a véges elemes modellezés. Számos erről szóló tanulmány készült, amelyek túlnyomórészt az anyagi és geometriai paramétereknek az alakítási folyamatra gyakorolt hatását vizsgálták. A modellezési és szimulációs eljárások ma már a HydroForm eljárás esetére is viszonylag pontosan képesek az alakváltozási folyamat, az alakítás technológiai jellemzőinek leírására. A véges elemes módszer és különféle optimalizáló algoritmusok együttes használata megoldás a HydroForm eljárások optimális paramétereinek meghatározására:a véges elemes modellezés (továbbiakban FEM) alkalmas az eljárást meghatározó paraméterek hatásainak átfogó vizsgálatára. Az FEM nem csak a HydroForm alakító folyamat szimulációjára alkalmas, hanem a nyersdarabok előalakítási pontosságának, megbízhatóságának növelésére is használatosak. Mivel az előmunkálatok nagyban befolyásolják a HydroForm alakítás sikerességét, ezért ezek szimulációja is igen fontos. A hajlítási folyamat - az előmunkálatok egyik gyakran alkalmazott szakasza, része részletes reprodukciója által például nagyon jó szimulációs eredmények érhetők el. Ilyen következetes szimulációk segítségével a végső méretek, dimenziók 2% eltérési pontossággal számíthatók.

A numerikus módszert alkalmazó szimuláció eredménye, hogy képes a megvalósíthatóság ellenőrzésére, növeli a folyamat megbízhatóságát, lerövidíti az átfutási időt, csökkenti a szerszámra, szerszámozásra fordított költségeket, bővíti a technológiával kapcsolatos ismereteinket, javítja az elkészült alkatrész minőségét, stb. A végeselemes modellezés egyik legfőbb előnye, hogy a folyamat virtuális kipróbálását teszi lehetővé költséges kísérletek nélkül, a tényleges megmunkálás előtt. Néhány elterjedt program, amelyek a HydroForm alakítási folyamat modellezésének elvégzésére is alkalmasak: LS-DYNA, ABAQUAS, AutoForm, DEFORM, MARC. Jellegzetesen kétféle számítási módszert alkalmaz a véges elemes szimuláció, a dinamikus explicit, illetve a statikus implicit megközelítés. Mindkettő rendelkezik előnyökkel és hátrányokkal egyaránt. Az explicit módszer esetében a dinamikus hatások jelentős szereppel bírnak a véges elemes szimuláció eredményeit tekintve és nagyobb figyelmet kell fordítani a megfelelő időtartam és a tömeg megállapítására. Az implicit FEM-re alapozva egy bonyolult kutatási sémát alkalmazva Kim a cső belső méreteit és a cső HydroForm alakítás közbenső alakítási folyamatait próbálta megbecsülni. Beigazolódott, hogy a kör és négyzetes csöves alkatrészek alakítása esetében ezek rendkívül célravezetők. Koc, a FEM modellezést kiegészítő módszerként használva, a kis karbon tartalmú és rozsdamentes acél csövek HydroForm alakítására csak belső nyomást alkalmazva elméletileg és kísérleti úton is meghatározta a feszültségi görbéket [13] . A FEM használatával néhány kutató a teljes gyakorlati eljárást szimulálni tudta, beleértve az előmunkálatokat és a HydroForm eljárást is. Ezeket a tapasztalati eredményekkel összehasonlítva, kielégítő eredmények születtek. Hama a hegesztési varratok HydroForm alakítás közben bekövetkező alakítási folyamatra gyakorolt hatásait tanulmányozta. Kiderült, hogy ezek figyelembevétele és vizsgálata mennyire fontos, mivel a végső eredményeket nagyban befolyásolja, különösen a hegesztési vonal menti falvastagság eloszlását. A FEM alkalmazásával sikerült feltárni az olyan kritikus faktorok hatását - a cső és lemez HydroForm alakítás esetében - mint a súrlódás, a kívánt minimális sugár, feszültség. A vizsgálatok alapján belátták, hogy mintegy 70%-os idő és költség megtakarítást lehet elérni a FEM modellezéssel a kísérleti próbálkozásokkal szemben. A HydroForm eljárás alakítási lehetőségeit döntően befolyásolják a korábbi alakító műveletek. Annak érdekében, hogy a FEM modellezés megbízható eredményeket nyújtson, elengedhetetlenek a következetes szimulációk.

2.2.2.3 Technológiai paraméterek Hagyományos sajtoláshoz viszonyítva, a cső HydroForm alakítási folyamata még viszonylag új,így nincs kiterjedt tudásalap az eszközök és a tervezési eljárás terén. Ezért a számítógépes modellezés teljes megértése segíti a mérnököket egy megbízható ellenőrző stratégia kidolgozásában, így például a tengelyirányú előtolás, a belső nyomás, és az ellenerő idő függvényének elemzésében, annak érdekében, hogy a HydroForm eljárásban rejlő alakítási lehetőségeket minél jobban kihasználjuk. Mivel a HydroForm csőalakításban nagynyomást alkalmaznak, a kísérletekhez edzett, nagyszilárdságú szerszámok szükségesek. A matricákat bizonyos keménységű acélból kell gyártani és a bevonatra vonatkozó előírásokkal, ezért ezeknek a módosításuk költséges. A HydroForm eljárással készített alkatrész kialakításánál a szerszámra vonatkozó próbák és az előforduló hibák elkerülhetők az eljárás fejlesztésével, ezt elérhetjük az eljárás paraméterei közötti kölcsönhatás jobb megértésével a számítógépes modellezés használatával. A következőkben bemutatjuk, hogyan lehet alkalmazni egy végeselemes szoftvert a HydroForm alakításra. A végeselemes elemzéseket tanszékünkön alakítási folyamatok modellezésére alkalmazott DEFORM végeselemes programmal végeztük. A modellezés során használt előgyártmány méreteit mutatja a 2.14. ábra.

2.14. ábra. Az előgyártmány, a T-idom méretei és az alakítás modellezéséhez használt paraméterek A folyamat paraméterek első becslései (például a belső nyomás, axiális előtolás, és ellennyomás) meghatározhatók az analitikus számításokból vagy számítógépes szimulációkból a fejlesztési idő csökkentése céljából. Az általunk HydroForm modellezésre összeállított szimulációs modell (2.15. ábra) során az alábbi vizsgálati paramétereket alkalmaztuk: Anyagminőség:Al-1100 Belső nyomás: p=200MPa Alakítási sebesség: v=1 mm/s Ellennyomás: Frad= 100 N

Matrica Ellenbélyeg

Bélyeg

2.15. ábra A DEFORM végeselemes szoftverben összeállított HydroForm szimulációs modell A következő példában azonos szerszámkialakítást alkalmazva csak a radiális nyomóerő változtatásával vizsgáltuk az alakítást. A2.16. ábra 100N, a2.17. ábra2000 N erő alkalmazását mutatja azonos paraméterek és szerszámkialakítás mellett.

2.16. ábra. P=200Mpa, Frad1=100 N

2.17. ábra. P=200Mpa, Frad2=2000 N

A két ellenerő alkalmazása során kialakult idomrész közül a nagyobb ellenerőt alkalmazva, az anyagáramlását korlátozva jobb falvastagság eloszlást hozhatunk létre, lokálisan kisebb képlékeny munkát viszünk be az alakítás során. Ezt szemlélteti a 2.18. ábra. különböző ellenerő alkalmazása során azonos alakítási mértéknél.

Frad1=100 N

Frad2=2000 N

2.18. ábra. A munkadarabok károsodási képeit mutatja F = 100 N és 2000 N esetén azonos alakítási lépésnél Az látható, hogy a modellezés során egy paraméter változtatásával milyen eltérések hozhatók létre. A többi paramétert és egymásra való hatásukat is vizsgálva a valóságnak minél inkább megfelelő modell létrehozásával a szimulációnk nagy segítség lehet az alakítás megismerésében, illetve a szerszámok, paraméterek helyes kialakításában. Az alakítási paraméterek helytelen megválasztása esetén az előgyártmányt tönkretehetjük, amit a modellezéssel is bemutathatunk. A belső nyomás kedvezőtlen megváltoztatása, csökkentése utáni feszültség eloszlást mutatja a2.19. ábra2.19. ábra. A2.20. ábra a T-idom kedvezőtlen geometriai kialakulását mutatja.

2.19. ábra. Kedvezőtlen nyomás alkalmazása során létrejött ráncosodott felület feszültség eloszlása

2.20. ábra. Kedvezőtlen nyomás alkalmazása során létrejött ráncosodott felület geometriai alakzata A különböző előfeltételezések (vastagságeloszlás, belső nyomás, szorítóerő, súrlódási erők, és visszarugózás), melyeket a modellezési eljárás alakít ki, segít meghatározni bármely lehetséges alakítási hibát és repedést a tervezési fázisban és lehetővé teszi a tervezők számára, hogy fejlesszék a matricaformát mielőtt az edzett szerszámot legyártják. 2.2.2.4 Összefoglalás A HydroForm lemez és csőalakítás során a munkadarabot nagy nyomású folyadékkal alakítjuk a kívánt geometriának megfelelő alakra. A HydroForm eljárás egyik legnagyobb előnye, hogy más alakítási eljárásokhoz viszonyítva lényegesen nagyobb alakváltozásokat tudunk megvalósítani, ezáltal kevesebb megmunkálási lépéssel érhetjük el a tervezett formát, ami egyben idő, energia és nem utolsósorban jelentős anyag megtakarítást is jelent. További előnye, hogy olyan összetett alakzatok is előállíthatók ezzel az eljárással, amelyek számos esetben hagyományos módszerekkel nem is valósíthatók meg. A HydroForm eljárás során az anyag – a kedvező feszültségi állapotnak köszönhetően – lényegesen nagyobb alakíthatósággal rendelkezik, miközben az alakított munkadarab tulajdonságai is kedvezőbbek.

2.2.3 Hőmérsékleti hatáson alapuló új technológiák A hőmérsékleti hatások vizsgálatát több szempontból is el lehet végezni. Elsőnek aszerint osztályozzuk a képlékeny alakítási folyamatokat, hogy e folyamatok mennyire tekinthetők azonos hőmérsékleten lejátszódóknak ? Ezt a vizsgálatot az teszi indokolttá, hogy a deformációs folyamat közben, a diszcipiált energia jórészt hővé alakul,és ezért az anyag alakítási szilárdságától, a deformáció mértékétől és sebességétől, ezek eloszlásától es nem utolsósorban a folyamat hőtechnikai peremfeltételeitől függően még egy nagyságrendjét es eloszlását tekintve is egyenlőtlen hőmérsékleti tér keletkezik. A T hőmérséklet a test egy tetszőleges pontjában elméletileg:

ahol idő; = /c hőmérsékletvesztési tényező; ∆2 a Laplace-operátor ; a hővezetési tényező ; c a fajhő; a fajsúly ; J a mechanikai munka hőegyenértéke ; kfaz alakítási szilárdság ; az összehasonlító deformáció sebesség ; m a deformációs munka hővé alakuló részét kifejező tényező, értéke átlagosan 0,9, az anyagtól, az alakváltozás mértékétől és sebességétől függően.

Egyszerű, hengerszimmetrikus munkadarabok alakításakor hengerkoordináta rendszert célszerű alkalmazni. Az előző parciális differenciálegyenletet ennek megfelelően átalakítva — a tetszőleges r és z pontban a hőmérsékletváltozás differenciaegyenlete a következő alakot ölti:

Ha első közelítésben kf = állandó a folyamat közben és

, továbbá

; a folyamat

időtartama; belátható, hogy a hőmérsékletváltozás mértéke attól függ, hogy az egyenlet jobb oldalán levő két tag nagysága — egymáshoz viszonyítva — mekkora. Világos, ha nagyon kicsi, vagyis igen rövid idejű (nagysebességű deformációs folyamatról van szó), akkor a munkadarabon belüli, hővezetéssel történő hőcsere és ugyan igy a környezettel szembeni hőcsere is elhanyagolható. Az ilyen deformációs folyamatokat adiabatikusnak nevezzük. Megfordítva, ha a idő nagy, akkor a deformációs folyamat közbeni hőcsere olyan intenzív lehet, hogy az alakításból származó hőforrás nem mértékadó, hanem a környezet hőmérséklete, és a folyamat gyakorlatilag ennek megfelelően, azonos hőmérsékleten játszódik le. Az ilyen esetet izotermikusnak tekinthetjük. A technológiai gyakorlatban a legtöbb kvázistatikus eljárás a kettő közötti —polytropikus esetnek — fogható fel.

A következőkben néhány, izotermikus alakító szerszámot mutatunk be. 2

1 fűtőspirál; 2 hőszigetelő; 3 szerszámbetét; 4 alaplap

2.21. ábra Izotermikus alakító szerszám nagy hőmérsékletre

2.22. ábra Izotermikus alakító szerszám kisebb hőmérsékletre (300-50 0oC-ra) Tipikus izotermikus alakítással feldolgozandó fém a Mg és ötvözetei. A Mg ötvözetek mélyhúzására legalkalmasabb hőmérséklet 200...300 °C. Ilyen körülmények között az m = 0,3 mélyhúzási fokozati tényező is elérhető.

Ehhez az egész húzószerszámot fel kell melegíteni. Erre a leggyorsabb megoldás a szerszám gázzal való fűtése. A szerszám aktív elemei öntöttvasból vagy Mechanitvasból készülnek, a kenőanyag olajban szuszpendált kolloidgrafit.

2.23. ábra Izotermikus mélyhúzószerszám Mg mélyhúzásához 1 Mg munkadarab; 2 alsó szerszám; 3 távtartó; 4 húzótüske; 5 húzógyűrű; 6 nyomó1ap; 7 hőszigetelés (azbeszt); 8 gázfűtő-gyűrű

2.2.4 Szuperképlékeny állapot és ennek technológiai alkalmazása Már 1920-ban felismerték, hogy a Zn-Cu-Al hármas eutektikum melegen nem úgy viselkedik, mint általában a fémek, hanem inkább a szurokhoz vagy a melegített üveghez hasonlóan, nagy viszkozitású folyadékként. Hasonló viselkedést találtak azóta számos színesfém eutektikumos és eutektoidos ötvözeténél is. Ezek az ötvözetek, bizonyos hőmérsékleteken végzett szakítóvizsgálat során rendkívül nagy — több száz, esetleg ezer százalékos — egyenletes nyúlást mutatnak kontrakció és törés nélkül. A jelenséget szuperképlékenységnek (superplasticity) nevezik, az ilyen tulajdonságokkal rendelkező anyagokat pedig szuperképlékenynek. Ezek az anyagok tulajdonságaikat tekintve kielégítik az ideálisan alakítható anyaggal szemben támasztott követelményeket, amellyel tökéletes, alak- es mérethű, bonyolult munkadarabokat lehet gyártani. Ezek a követelmények a következők: kis alakítási szilárdság (ez biztosítja a bonyolult alakok gyárthatóságát, a nagy szerszámélettartamot és a munkadarabok méretazonosságát); nagy képlékenység (egy lépésben tetszőleges mértékű alakváltozás érhető el); kis és állandó alakítási hőmérséklet (az alakítás közben biztosítja az oxidáció mentességet, a szerszám hosszú élettartamát és felületének a jó minőségét). A szuperképlékenység feltétele az, hogy egy adott terhelés esetén igen nagy legyen az elérhető alakváltozás Szakítóvizsgálat esetén ez azt jelenti, hogy nagyon nagy legyen az egyenletes nyúlás. Az egyenletes nyúlás akkor nagy, ha az alakítási szilárdság növekedése sokáig kiegyenlíti az egyébként a keresztmetszet csökkenéséből adódó szakító erő csökkenést. Vagyis addig egyenletes a nyúlás, a szakítás során, amíg az erőnek az elmozdulás szerinti deriváltja nem kisebb, mint nulla. Ez utóbbi megfontolásból kapjuk az egyenletes nyúlás határára az alábbi összefüggést: egy

=

n , 1 m

ahol n a Nádai féle összefüggés keményedési kitevője ( k f = K

n

), m

m az Alder – Phillips összefüggés sebesség kitevője ( k f = k f 0

). 0

Az összefüggésből következik, hogy lim m 1

egy

.

Tehát a szuperképlékenységet olyan anyagokkal, azok olyan állapotában lehet elérni, amelyekre m→1. Fémes anyagoknál az m, mindenek előtt a homológ hőmérséklet, az alakváltozási sebesség és a szemcsenagyság függvénye. A szuperképlékeny állapotban lévő anyagokat kis sebességgel kell alakítani, és ekkor az alakítási szilárdáguk nagyon kicsi lesz. A szuperképlékeny alakítást mind a lemezalakításban, mind a térfogatalakításban alkalmazzák.

2.2.5 Az alakváltozási sebesség hatásán alapuló eljárások Az alakító eljárások az alakváltozási sebesség (

d 1 , ) nagysága szerint három fő dt s

csoportba sorolhatók: statikus (nagyon kis sebességű) alakítások, = 0 – 0,003 1/s, izotermikus jellegű, kvázi statikus ( a szokásos, hagyományos) alakítások, = 0,003 – 100 1/s, hőtermelés nem elhanyagolható, nagy sebességű alakítások, > 100 1/s, adiabatikus jellegű. Az extrém kis sebességű alakítások közül elterjedten alkalmazzák a szerszámgyártásban a hidegbenyomást. A hidegbenyomásra alkalmas gépek néhány tized mm/s sebességgel és 10 – 20 kN nyomóerővel működő, hidraulikus sajtók. De ide sorolható, az előzőekben tárgyalt szuperképlékeny alakítás is. A kifejezetten nagy sebességű alakításoknál nem csak az alakváltozás sebessége nagy, hanem a deformáló közeg sebessége is nagy, miközben rövid utat tesz meg. a deformációs munkát nagyon rövid idő alatt kell bevinni, ami nagy fajlagos alakítási teljesítményt igényel. Ezeket az eljárásokat angolul HighEnergyRateForming (HERF) névvel illetik, amit magyarul a nagy energiasűrűségű alakítás elnevezéssel célszerű használni. A térfogatalakítás területén a nagy sebességű alakításokhoz aapneumomechanikus alakítások tartoznak. A nagy sebességű alakítások legfontosabb befolyásoló tényezői: az adiabatikus hatások, az alakváltozás mechanizmusa, az előzőekből következően az alakítási szilárdság változása, a hullámjelenségek, a súrlódás és a kenés kérdései, a tömegerők hatása. A pneumomechanikus alakítás gépei az adott alakítási energiát szolgáltató alakítógépek csoportjába tartoznak. Egy Dynapak típusú, pneumomechanikus, nagy sebességű ütőgépet és annak működési fázisait mutatja a 2.24. ábra, a következő oldalon. Ez a gép ellenütős kivitelezésű. A pneumomechanikusalakitógépek ütési energiája adott konstrukció (lökettérfogat, dugattyú átmérők) egyenesen arányos a pttöltési nyomással. Adottszerszámelrendezés esetén tehát az egymást követő ütések azonos energiaszintje a ptbeállításától ésszabályozásától üigg, ennek megfelelően ezt általában nagy pontosságú mérőkör méri és automatika! tartja a beállított értéken. :

2.24. ábra Dynapak típusú, nagy sebességű ütőgép működési fázisai a) ütésre kész állapot; b) ütés (expanzió); c) az expanzió vége; d) helyretolás (kompresszió)

Azonos elven működő, hazai gyártású NEK-8 típusú gépet mutat a . Ez a gép a pneumatikus hengerrel sorba kapcsolt visszahúzó hidraulikával van ellátva.

2.25. ábra NEK-8 típusú nagy sebességű ütőmű 1 visszahúzó henger; 2 ütőszár; 3 visszahúzó dugattyú; 4 medve; 5 és 6 gumirugók Ezeknek a gépeknek a ciklus ideje attól függ, hogy a hidraulika milyen gyorsan tolja helyre a medvét. Ezért a rövid ciklus idő (<30 s) ezeknél a gépeknél csak rendkívül nagy teljesítményű (> 100 kW) hidraulikus tápegységgel oldható meg.

Gyors visszaállítást tesz lehetővé a kisebb ütőmunkájú, de igen kis ciklus idejű (1 – 2 s), más konstrukciójú Petro – Forge gép (2.26. ábra).

2.26. ábra Petro-Forgetipusú ütőgép működési fázisai a) ütésre kész állapot; b) benzinbefecskendezés és gyújtás; c) expanzió (ütés); d) kipufogás és helyretolás

Ezután foglaljuk össze a nagy sebességű térfogatalakítás fő jellemzőit, a hagyományos süllyesztékes kovácsolással összehasonlítva. Ezek a következők: a munkadarab egyetlen ütéssel készül, az alakítógép ütőszára (dugattyú) csak koncentrikusan terhelhető, ezért csak egy üreges technológiára hasznalható, az alakító szerszám két felét egymáshoz viszonyítva, csak a medve vezetése vezeti össze, a munkadarab képlékeny alakítását előidéző ütést 10 - 20 ms-on belül 3 - 8 csökkenő amplitúdójú rugalmas ütés követi, az alakító gépek az alakításra el nem használt energiát általában csak részben képesek elnyelni, ezért a gépek pontos energiaadagolással vannak ellátva és a két szerszám fél közvetlen összeütése tilos. Az előzőekben ismertetett gépekhez szerkesztett szerszám ezek szerint: nem lehet többüreges, ahogy ez a korszerű mechanikus kovácssajtókon, vízszintes kovácsológépeken, vízszintes hideg- és melegzömítő automatákon, valamint ellenütős kalapácsokon a mai kovácsiparban általában megszokott, a szerszámoknál hiányzik az összeütköző felület,

a munkadarabok egyetlen ütéssel készítése miatt a szerszám terhelése jóval nagyobb az azonos deformációt több lépésben megvalósító, többüreges technológiáknál jelentkező szerszámterhelésnél. A továbbiakban tekintsünk meg néhány, nagy sebességű alakítással gyártott alkatrészt (2.27. ábra).

2.27. ábra Nagy sebességű alakítással gyártott forgácsoló szerszámok Végül bemutatunk egy nagysebességű folyató szerszámot is (2.28. ábra).

2.28. ábra Nagysebességű, előrefolyató szerszám

2.3 A gyors prototípus-gyártás és az egyedi, illetve kis sorozatgyártás eljárásai A prototípus egy ősminta, amely 3D megjelenítésben szemlélteti a tervező elképzeléseit, lehetővé teheti öntvényforma készítését, de maga is lehet közvetlenül termék, (fémporból a lézerszinterező technika segítségével már évek óta gyártanak kisszériás autóalkatrészeket[7] , de nyomtatnak fül, koponya[8] , állkapocs implantátumokat[9] , működő géppisztolyt[10] , stb.). A gyors prototípus gyártás (rapid prototyping) napjainkban rohamosan fejlődik és terjed. Számos változata ismeretes[6] ,[8] .

2.3.1 Lézer sztereolitográfia (SLA) Ez a legrégebbi eljárás, az USA-ban fejlesztették ki, a 90-es években. Anyagfelhordással építi fel a prototípust. A 3D-s modellt szoftveresen 2D-s rétegekre szeleteli fel, és ezek segítségével egy folyadék állagú műgyanta fürdőből, megfelelően vezérelt lézersugárral megszilárdított rétegek sokaságából, folyamatosan építi fel a modellt.

2.3.2 Szelektív lézer- szinterezés (SLS) Ennél az eljárásnál kész polimer szemcséket olvaszt össze, az előzőnél nagyobb teljesítményű lézer sugár.

2.3.3 Térbeli nyomtatás (3D printing) Az SLS eljáráshoz hasonlóan itt is por alakú anyagot kötnek meg, de itt a tintasugaras nyomtató egységhez hasonló nyomtatófej működik. Apró ragasztó-kötő anyag cseppeket lövell a por alapanyagra, így készül el rétegenként a prototípus. ezt az eljárást klasszikusan kerámia anyagú öntőformák és magok készítésére fejlesztették ki. De ma már az orvosi implantátumok készítésben is elterjedten alkalmazzák.

2.3.4 Huzalfelrakásos modellezés (FDM) Ebben az esetben a modell rétegeit ABS (akril-butadién-stirol) huzal megolvasztásával állítja össze az erre a célra szolgáló berendezés. Előnye, hogy viszonylag teherbíró szerkezetet kapunk, és nincs szükség lézerre sem.

2.3.5 Réteges fotopolimerizáció (ISC) Ennél a módszernél egy üveglemezre, elektrosztatikus töltés formájában felvitt rajzok, maszk segítségével, a lézer nyomtatás elvén, de UV foto polimerizáció útján állítanak elő rétegeket, egymás után.

2.3.6 Papírréteg-ragasztás (LOM) A modell lézeresen kivágott papír, műanyag vagy esetleg fémlemez rétegek egymásra ragasztásával jön létre. A kapott modell nem annyira teherbíró, felülete sem a legszebb, de a

csiszolással és lakkozással jelentősen javítható. Az így kapott alkatrész főként vákuum-öntés, centrifugál-öntés vagy precíziós öntés alapjaként szolgálhat, és ragasztható is.

2.4 Szerszámgyártás és kissorozatú gyártás prototípusok felhasználásával A prototípusokkal készített termékek ipari célra szilársági okokból kevésbé alkalmasak. Ezért tovább kell lépni, erősebb, tartósabb elemek elkészítése érdekében. Erre a célra következő eljárások ismeretesek.

2.4.1 Vákuum alatti öntés Az ősmintaként szolgáló prototípusból először szilikonkaucsuk formát készítenek. Majd ebben, a közepesen rugalmasra kikeményített formában lehet készíteni általában kétkomponensű, térhálósodó műanyaggyantákból több tízes nagyságrendű terméket, kissorozatban. Mind a formát, mind a terméket vákuum alatti öntéssel célszerű előállítni, mert ekkor buborékmentes lesz az öntvény.

2.4.2 Fémbevonat készítése plazma-szórással A plazmaívben megolvasztott fémréteget (Al, Cu, Zn, Fe, Mo, bronzok, stb.) nyomás alatt levegővel porlasztva viszik fel az ősminta felületére. Az apróra porlasztott fémszemcsék gyorsan lehűlnek, így akár fa vagy papír anyagú ősminták is bevonhatók. Másodi lépésként az ősminta hátoldalát tölti ki kis olvadáspontú fémötvözetekkel (Bi, Sn, Zn). ezzel a módszerrel százas nagyságrendben készíthetők munkadarabok.

2.4.3 Inkrementális alakítás Az előzőek alapján előállított termékek segítségével inkrementális alakítással térbeli lemezanyagú gyártmányok is készíthetők

2.4.4 Szerszámcélú öntőgyanták A fémbevonatolással elkészített termék hátoldala kitölthető epoxigyantával is. Ezáltal pl. poliuretánok kisnyomású fröccsöntésére alkalmas szerszám is készíthető.

3

INKREMENTÁLIS LEMEZALAKÍTÁS

Manapság kissorozatú gyártást számos iparág igényel úgymint a gyors prototípusú gyártás, biotechnológia, bútortervezés… stb. Ezért is szükséges új módszerek kifejlesztése, amelyek alkalmasak kissorozatú gyártás költséghatékony megvalósítására. Más ígéretes módszerek mellett az inkrementális lemezalakítás bizonyítottan alkalmas e követelmények teljesítésére. Az eljárás a képlékeny hidegalakító technológiák közé sorolható, melynek kialakulásához elsősorban az autóipari fejlesztések vezettek. A tervezőknek újabb és újabb technikai fejlesztéseket kell megvalósítaniuk ahhoz, hogy az egyre növekvő társadalmi és fogyasztói igényeket kielégítésék. Az 1990-es évek elején tudományos kutatások indultak ebben a témakörben Japánban, Európában és Kanadában is. Az alakítás egy CNC pályavezérlésű szerszámmal történik, a szerszám növekményi lépések sorozatával képlékenyen alakítja a lemezt a kívánt alakzatra. Többféle változata létezik és nagy előnye, hogy nem igényel speciális szerszámot, vagy csak egy alapgeometriával rendelkező támasztó szerszámot. Ennek az előnyének köszönhetően alkalmas kissorozatgyártásra. A hagyományos technológiákkal összehasonlítva azonban a gyártási ideje jóval hosszabb, amely miatt szintén a kissorozatgyártásnál alkalmazható. Az inkrementális lemezalakítással kapcsolatban rengeteg megválaszolatlan kérdés van még, mint a kritikus paraméterek, alakíthatósági határok stb. melyek megválaszolása elengedhetetlen az eljárás ipari alkalmazhatósága érdekében. Az inkrementális lemezalakításnál rendszerint egy egyszerű gömbvégződésű alakító szerszámmal (bélyeggel), matrica nélkül, az alakító szerszámelem mozgásának térbeli vezérlésével, elemi alakítási lépések sorozatával, bonyolult, nagymértékű alakváltozást igénylő alkatrészek viszonylag egyszerűen, költséghatékonyan gyárthatók. Az eljárás sematikus vázlatát szemlélteti a 3.1. ábra, a főbb geometriai és technológiai paramétereket is feltüntetve.

alakító bélyeg munkadarab ráncgátló

3.1. ábra Egypontos inkrementális alakítás elvi vázlata

Az inkrementális alakítás fő technológiai paraméterei: Az inkrementális lemezalakítás legfontosabb technológiai paramétereit a falszög ( ) a lemezvastagság (t), a szerszám átmérő (d), a szerszám forgási sebesség (vR), valamint a bélyeg y és z-tengely irányú elmozdulásai (Δy, illetve Δz) jelentik.

3.1 Az inkrementális lemezalakítás fő technológiai változatai 3.1.1 Egypontos inkrementális alakítás (SPIF): 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. 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 a3.1. ábra szemlélteti. 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. 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 hosszú időtartamú gyártásból, illetve a kis termelékenységből eredően, kissorozatgyártásra korlátozódik az alkalmazása.

3.1.2 Kétpontos inkrementális lemezalakítás (TPIF): 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 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. 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. 3.1.2.1 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. Elvi vázlatát a 3.2. ábra szemlélteti.

3.2. ábra. Kétpontos inkrementális alakítás, teljes matricával 3.1.2.2 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. Elvi vázlatát a 3.3. ábra szemlélteti.

3.3. ábra. Kétpontos inkrementális alakítás, részleges matricával

3.2 Az inkrementális lemezalakítás szerszámozási kérdései és gépi berendezései 3.2.1 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 3.4. ábraeltérő 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.

3.4. ábra. Félgömbvégződésű alakító bélyegek: 50, 30, 20, 12, 8 [mm]

3.2.2 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 3.5. ábra. A pontatlanságok, illetve a nem kívánt behúzódás elkerülése érdekében különféle védőlemezeket helyeznek a berendezésbe.

3.5. ábra. Merev ránctartó A kétpontos inkrementális lejárás mindkét változatánál, a teljes és részleges matricával végzett alakítás esetén is, mozgatható ránctartót alkalmaznak (3.6. ábra), amely függőleges irányban mozdul el. Ez úgy valósul meg, hogy miközben az alakító bélyeg kis léptékben, fokozatosan lefelé halad, úgy vele együtt a ránctartó is.

3.6. ábra. Szerszámmal együtt mozgatható ránctartó

3.2.3 Szerszámgép Általában elmondható, hogy lényegében minden legalább 3-tengelyes CNC vezérléssel rendelkező marógép alkalmas inkrementális alakításra is. Természetesen vannak olyan paraméterek, amelyek az alakítás szempontjából kedvezőbbek. Így például a nagy szerszám sebesség, nagy munkatér (nagyméretű alkatrészek alakítására), valamint a nagy merevség az inkrementális alakítás szempontjából a megmunkáló gép előnyös paramétereit jelentik. Jellemzően az inkrementális lemezalakítási kísérletek zömét többcélú, általános rendeltetésű, CNC vezérlésű marógépeken végezték. Kimondottan az inkrementális alakítás céljaira tervezett, kereskedelmi forgalomban is kapható, egycélú alakító gépet napjainkig csak egyetlen alakítógép gyártó, a japán AMINO cég gyárt. A berendezés merev vázszerkezettel rendelkezik, és el van látva a kétpontos inkrementális alakításhoz nélkülözhetetlen mozgó, numerikusan vezérelt ránctartóval is. A berendezés közepes méretű alkatrészek gyártására és nagy előtolási sebességek megvalósítására alkalmas. A berendezést a Matsubara által kidolgozott technológiai elv és Aoyama szabadalmának felhasználásával építették meg. A berendezést a 3.7. ábra mutatja.

3.7. ábraAz AMINO cég célorientált alakító gépe

Az inkrementális alakítás ötlete természetesen más kutatókat is arra sarkallt, hogy az inkrementális alakításra szolgáló egyedi alakító gépeket dolgozzanak ki. Allwood és munkatársai által kifejlesztett, célorientált, laboratóriumi berendezést mutatja a3.8. ábra.

3.8. ábra. Az Allwood által kifejlesztett célorientált berendezés Számos kutatási jelentés látott napvilágot, amelyek ipari robotok alkalmazásával végzett inkrementális alakításokról számolnak be. Egy további speciális lehetőség az ún. Stewart-platform alkalmazása inkrementális lemezalakításra. Bár konkrét megvalósításról e tekintetben nincs tudomásunk, a Stewartplatform szinte végtelen szabadságfoka ígéretes lehetőségeket sejtet.

3.3 Az inkrementális lemezalakítás 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.

3.3.1 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. A szerszám átmérő hatását elemezve Micari megállapította, hogy bizonyos határok között a szerszám átmérő csökkentése az alakíthatóságot növeli. Ezt a megállapítást azzal támasztotta alá, hogy míg a kisebb szerszám átmérő esetén az alakváltozó zóna közvetlenül a

Legnagyobb főalakváltozás

szerszám-munkadarab érintkezésére koncentrálódik, a nagyobb szerszám átmérő a képlékeny zóna nagyobb tartományra való kiterjedését eredményezi. Hasonló eredményre jutott Hirt is, aki 6-30 mm átmérőjű szerszámokkal végzett kísérleteket, t = 1,5 mm vastagságú, DC04 anyagminőségű lágyacélon. A szerszám átmérőt 30 mm-ről 6 mm-re csökkentve, az alakíthatóság közel kétszeres növekedését tapasztalta. Vizsgálatai eredményeit a3.9. ábra mutatja.

Æ 6 mm

Æ 10 mm Æ 30 mm

Szórási tartomány (t=1,5 mm) Legkisebb főalakváltozás

3.9. ábra A szerszám átmérő hatása az alakíthatóságra (Anyagminőség: DC04 lágyacél, to = 1,5 mm)

Az alakító bélyeg átmérőjének változtatására vizsgálatokat végeztünk (3.10. ábra). A vizsgálatok során ugyanazon feltételek mellett a bélyeg átmérőjét 5 mm-ről 10 mm-re, majd 15 mm-re változtatva az alábbi vizsgálati eredményeket kaptuk. Anyagminőség: DC04, t = 0.6 mm, ∆z = 0.4 mm / fordulat, αalak = 60° Db = 5 mm

φ1max ≈ 0.7

Db = 10 mm

φ1max ≈ 0.8

Db = 15 mm

φ1max ≈ 0.9

3.10. ábra Az alakítási határdiagramom és a lemezvastagság térkép a bélyeg átmérők függvényében. Az alakító bélyeg átmérőjének növelése az alakítás megindításakor a lemez alakíthatóságára van hatással. A kialakított kúp palástfelületén egyre jobban elkülöníthető sávokat láthatunk a bélyeg átmérőjének növekedésével, ami ezen a területeken φ1 értékek növekedését, a lemezvastagság csökkenését eredményezi. A kezdeti feltételek leküzdése után a palástfelület további részén az alakíthatóság mértéke megegyezik.

3.3.2 A szerszám forgási sebessége (vR) 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 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. A súrlódás csökkentésénél nagy jelentősége van a kenőanyagnak, amely részletesen a3.3.6Kenőanyag pontban kerül kifejtésre. Micari szerint a szerszám forgási sebességének növelése ugyancsak növeli az alakíthatóságot. Ez egyrészt a nagyobb szerszám sebesség által keltett lokális hő hatásának, másrészt a szerszám és a lemez közötti súrlódás csökkenésének tulajdonítható. Ugyanakkor a szerszám fordulatszám növelésének határt szab egyrészt a szerszám növekvő kopása, másrészt az a körülmény, hogy a súrlódás csökkentésére alkalmazott kenőanyag elégése is bekövetkezhet, amely részben ellentétes hatást fejt ki, másrészt pedig biztonsági és környezetvédelmi problémákat is felvet.

3.3.3 A húzási szög (α) 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 αmax értékét, amely az anyag azon határértéke, amelyet repedésig képes elviselni. Az egyes anyagminőségek αmax értékét különböző kísérletek folyamán állapították meg pl. sárgaréznél 40°, vörösréznél 65°. E határérték meghatározására, a szinusz törvényt használják fel, amelynek egyenlete: ti = to· sin α A húzási szög és a szerszám átmérőjének helyes megválasztása jó felületi minőséget eredményez. A 3.11. ábra az elmozdulásnak, a szerszám átmérőjének, illetve a húzási szögnek a kapcsolatát ábrázolja.

3.11. ábra. Az alakító bélyeg z irányban való elmozdulásának változatai Különböző vizsgálatok során megállapították, hogy ha nagy a húzási szög, akkor úgynevezett „narancshéjas” felület jelenik meg a munkadarabon, amelyet a 3.12. ábra 3.12. 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.

3.12. 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. Az alakítási határszög meghatározására kísérleti vizsgálatokat végeztünk egy 3 tengelyes CNC vezérléssel rendelkező, HURCO VMX30 megmunkáló központon, amelynek a fényképét a kísérleti berendezéssel együtt a 3.13. ábra mutatja.

3.13. ábra. A kísérleti inkrementális alakításnál alkalmazott CNC megmunkáló központ A kritikus falszög (a maximális, törés nélkül megvalósítható behúzási szög) meghatározását általában úgy végezzük, hogy egy még biztonsággal jól alakítható szögtől – például 45°-os falszögből kiindulva – 5°-onként növelve a falszöget alakítjuk ki az adott falszögű kúpokat. A szakadás bekövetkezése után, az utolsó sikeresen alakított falszögtől 1°onként növeljük a falszög értékét mindaddig, amíg a kritikus falszöget előírt pontossággal meghatározzuk. Ez a vizsgálati eljárás nagyszámú próbatestet és jelentős időráfordítást igényel. A szükséges próbatest számot csökkenthetjük olyan módon, hogy egy próbatest alakítása során lépcsőzetesen növeljük a falszöget például ugyancsak 45°-tól kiindulva, 10-15 mm-es alakítási magasság után 5°-onként növeljük a falszöget. Számos kísérlet elvégzésével igazoltuk, hogy a lépcsőzetesen növelt falszög esetén is a szakadás ugyanannál a határszögnél következik be, amelynél az előzőkben leírt módon, tehát amikor minden egyes darabot csak egy falszöggel alakítva vizsgálunk.

Anyagminőség: Al 1050A, Dbélyeg = 10 mm, ∆z = 0.4 mm / fordulat t = 0,6 mm α = 45°/50°/55°/60°/65°

Kritikus falszög: 63°

Sikertelen falszög: 64°

t = 1 mm α = 55°/60°/65°/70°

Kritikus falszög: 66°

Sikertelen falszög: 67°

t = 1,5 mm α = 55°/60°/65°/70°/75°

Kritikus falszög: 71°

Sikertelen falszög: 72°

3.14. ábra. A lemezvastagság hatása a maximális behúzási szögre Al 1050A alumíniumra A 3.14. ábra, alumínium anyagminőségre (Al 1050A) különböző lemezvastagságok (t = 0,6 mm, 1 mm és 1,5 mm) alkalmazásával elvégzett alakítási határszög vizsgálatok eredményeit mutatja. Az alkalmazott bélyegátmérő d = 10 mm, a szerszámelőtolás értéke pedig ∆z = 0.4 mm/fordulat volt. Ennek a módszernek az alkalmazásával a szükséges próbatest számot harmadára, negyedére csökkentve tudtam nagy megbízhatósággal meghatározni a kritikus alakítási határszöget, amely az inkrementális alakításban az alakíthatóság jellemzésére széles körben alkalmazott jellemző. A vizsgálati eredményekből jól látható, hogy a lemezvastagság növelésének az alakíthatóságra gyakorolt kedvező hatása itt is megfigyelhető: t = 0,6 mm-ről t = 1,5 mm-re növelt lemezvastagság esetén a kritikus falszög 63°-ról, 71°-ra növekedett.

3.3.4 A szerszám mozgáspálya ( y, 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 ( y, z) irányban történő elmozdulása befolyásolja. Több kutatást végeztek annak megállapítására, hogy ez milyen hatással van a munkadarabra. Egy ilyen kísérletet mutat a3.15. ábra, ahol négy, azonos méretű és összetételű alumínium lemezt készítettek ugyanazzal a bélyeggel, de eltérő elemi lépésekkel.

z = 1.27 [mm]

z = 1.02 [mm]

z = 0.76 [mm]

z = 0.51 [mm]

3.15. ábra. Azonos bélyeggel (12.5 [mm]) és eltérő lépésmélységgel megmunkált alumínium lemezek 3 dimenzióban ábrázolt felületi érdessége A3.15. 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.

3.3.5 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. A technológiai paraméterek közül a bélyeg elemi, növekményi elmozdulásai ( y és z) is jelentős hatással vannak az alakíthatóságra. (A marógépen való megmunkálás analógiáját felhasználva a z, mint fogásmélység, míg a y, mint az előtolás értelmezhető.) A z értékének növelésével a növekvő mértékű alakváltozás következtében a lemez alakíthatósága csökken, amint azt a3.16. ábrais mutatja. Micarito = 1 mm kiinduló lemezvastagságú, Al 1050-O anyagminőségű alumínium ötvözetre a3.16. ábraáltal bemutatott diagramon a szórási tartományt is feltüntette. Hasonló eredményekre jutott Hirt, valamint Hagan és Jeswiet is. Mivel adott falszög (α) esetén z értékével a y „előtolás” érték is adott, ugyanezt állapíthatjuk meg a szerszám előtolás és a megvalósítható maximális alakváltozás kapcsolatára is. emax, FLDo

Bélyeg elmozdulás, Dz (mm)

3.16. ábra. Az

max

(FLDo) változása a z bélyegelmozdulás függvényében

Junk rámutatott, hogy a z szerszám előtolás mellett, a α behúzási szög és az rb bélyegsugár is jelentősen befolyásolja a maximális felületi érdesség értékét. E paraméterek kölcsönhatását szemlélteti a3.17. ábra. Az ábrából jól látható, hogy – egyébként azonos feltételek mellett – a szerszám előtolás növelése növeli, míg a behúzási szög és a bélyeg rádiusz növelése csökkenti a maximális felületi érdességet,.

Érdesség szállítási állapot

Dz, mm

3.17. ábra. A z,

f

bé

l ye

ád gr

ius

z

és rb paraméterek hatása a felületi érdességre

Az előtolás nagyságát megváltoztatva is végeztünk vizsgálatokat ( 3.18. ábra). A vizsgálatok során ugyanazon feltételek mellett az előtolás nagyságát 0,2 mm-ről 0,6 mm-re, majd 1,2 mm-re változtatva az alábbi vizsgálati eredményeket kaptuk. Anyagminőség: DC04, t = 0.6 mm, Dalak= 10 mm, α = 60° ∆z = 0.2 mm / fordulat

φ1max ≈ 0.8 ∆z = 0,6 mm / fordulat

φ1max ≈ 0.8

∆z = 1.2 mm / fordulat

φ1max ≈ 0.8

3.18. ábra. Az előtolás, ∆z növelésével (ebben a nagyságrendben) nem tapasztaltam változást az alakíthatóságban. A φ1 értékek és a lemezvastagság nem mutatott eltérést.

3.3.6 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. A3.19. ábra3.17. ábra szemlélteti a kenőanyag jelentőségének elemzése érdekében végzett vizsgálatot. Amint azt a3.19. ábraszemlélteti, 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.

3.19. ábra. Az első képen egy kenőanyag nélkül, míg a második képen egy kenőanyaggal megmunkált fémlemez látható

3.3.7 Anizotrópia Kim és Park a már említett Al 1050-O alumínium ötvözet vizsgálatakor tanulmányozta az anizotrópia hatását is az alakíthatóságra. A vizsgálati anyag főbb jellemzői: E = 70 GPa, Rp0.2 = 33 MPa, ro = 0,51, r45 = 0,75 és r90 = 0,48. A vizsgálatokat változó szerszám átmérővel végezték és a legkisebb és a legnagyobb főalakváltozást a hengerlési iránnyal párhuzamos és arra merőleges irányokban is mérték. Arra a meglepő következtetésre jutottak, hogy a szerszám átmérő csökkentésével az alakíthatóság a hengerlési irányban növekszik, míg a hengerlési irányra merőlegesen csökken.

3.3.8 A technológiai paraméterek összegzése Inkrementális lemezalakításnál: a gömbvégződésű kb. 10mm átmérőjű szerszám hatékony, a síkbeli anizotrópia miatt megfelelő határokon belül a súrlódás növeli az alakíthatóságot minél kisebb az előtolás annál nagyobb az alakíthatóság, amely a megmunkálási idő növelésével jár a szerszámútvonalak közül a kontúrokat követő a leggyakoribb a felületi minőség, a geometriai pontosság, és a vastagsági eloszlás érdekében a lépés mélység és a mélyítési magasság alacsony értékkel való meghatározása az optimális

az alakíthatósági határgörbe az εlegnagyobb+εlegkisebbalakváltozási síkban egy negatív dőlésű egyenes vonallal írható le a húzási szög növekedésével a lemezvastagság eléri a minimális értéket, ahol a szakadás, törés történik z, lépések száma nagyban befolyásolja a felületi érdességet az elvékonyodás jelentős a magas húzási szögeknél a szinusz tétel alacsony alakváltozási körülmények között alkalmas az egyenletes falvastagság kiszámítására.

3.4 Az inkrementális alakítási határdiagram meghatározásának új módszere A Ljubljanai Egyetemmel közösen egy új vizsgálati metodikát dolgoztunk ki inkrementális alakításra érvényes alakítási határdiagramok meghatározására. A kidolgozott eljárást a lemezalakítás legátfogóbb nemzetközi fórumán, az IDDRG 2010. évi konferenciáján Grazban ismertettük [34] . A módszer lényege röviden az alábbiakban összegezhető. Hagyományos alakító eljárásokhoz az alakítási határdiagram meghatározására – amint azt már korábban elemeztem – két világszerte elterjedt eljárást alkalmaznak: az egyik a Marciniak [35] , a másik a Nakajima [36] módszer. Az inkrementális alakításnál a hagyományos Marciniak vizsgálat inkrementális alakításra adaptált változatát alkalmaztuk. A kísérleti vizsgálatokhoz 5 különböző, szisztematikusan megtervezett próbatest geometriát alkalmaztunk. A kiinduló előgyártmány az első próbatest típusnál egy 150×150 mm-es lemez alaptest (ez az ún. alaplemez). A további négy próbatestet ugyanilyen kiinduló méretű alaplemezből, változó szélességgel készített bevágással alakítottuk ki. Az egyes próbatestek szélessége rendre 20, 30, 40 és 50 mm. A próbatestek felületét az alakváltozás optikai módszerekkel történő kiértékelésére 2 mm-es méretű négyzethálóval láttuk el. Mindegyik próbatestet csonka gúla alakot eredményező szerszámmozgással alakítottuk. A vezérlőprogram olyan szerszámpályát határoz meg, amellyel a csonka gúla alapja 84×84 mm, az oldaléleknél a lekerekítési sugár 10 mm. A különböző méretű bevágásokkal készített próbatesteknél a bevágásoknál az ütésszerű hatások kiküszöbölésére az alaplemez méretével megegyező, folytonos felületű „vezetőlemezt” helyeztünk az alakítandó próbatest és az alakítószerszám közé. Fontos megjegyezni, hogy a vezetőlemezt a próbatestek alapanyagánál jobb alakváltozási, alakíthatósági jellemzőkkel rendelkező anyagból kell készíteni, annak elkerülése érdekében, hogy ne a vezetőlemez törése, szakadása következzen be előbb (ugyanis akkor a vizsgálat értékelhetetlen lesz). Az eljárás elméleti hátterének a leírása a témából készített értekezésben [37] megtalálható. Az alakítási határdiagram meghatározása két fő lépésből áll: az első az előzőkben leírt geometriájú próbatestek inkrementális alakítása (erre a célra az egypontos inkrementális alakítást választottuk). Az alakítást a csonkakúp alak által meghatározott pályavezérléssel addig folytatjuk, amíg lokális befűződés, vagy repedés nem látható a próbatest felületén. Amikor az alakítás közben lokális befűződés, vagy repedés észlelhető, az alakítást megállítjuk. Az alakítási határdiagram kísérleti meghatározásának második lépése az alakított próbatestek alakváltozási állapotának meghatározása a próbatest felületére előzetesen felvitt háló deformációjának az optikai alakváltozás mérés módszerének alkalmazásával. Az optikai alakváltozás mérésre a Vialux optikai alakváltozás mérő rendszert, a mérések kiértékelése pedig AutoGrid szoftvert alkalmaztuk. Az öt különböző kialakítású próbatest különböző deformációs állapotok nyomonkövetésére alkalmas. A csonka gúla sík felületén az anyagáramlás lényegében a szerszám mozgásának irányában, síkban történik, azaz ezen a felületen a deformált háló kiértékeléséből a síkalakváltozási állapothoz tartozó diagram pontok számíthatók. Ezzel szemben a görbült felületeken

(mint például az oldal lekerekítési sugarak környezetében) biaxiális alakváltozási állapot figyelhető meg. Azonban ebben az esetben (ahol 1 és 2 is nagyobb, mint nulla) az alakváltozási állapot csak a pozitív féltérben (azaz az alakítási határgörbének csak a jobboldali része) határozható meg. Az alakítási határdiagram teljes tartományának (azaz a határgörbe baloldali részének) meghatározása a különböző szélességű lemezcsíkok alakításával lehetséges. A legkisebb főalakváltozás ( 2) a bevágott lemezél környezetében figyelhető meg (3.20. ábra).

3.20. ábra. A különbözőképpen kialakított próbatestek alakítás után Az előzőkben leírt módszerrel, különböző lemezvastagságokra (t = 0,6 mm,1 mm és 1,5 mm) meghatározott alakítási határdiagramot Al 1050 alumínium ötvözetre a 3.21. ábra mutatja. Az ábrán feltüntettem ugyanezen anyagminőség hagyományos alakításra érvényes alakítási határgörbéjét is. Az ábrából jól látható, hogy a teljes alakítási tartományban az inkrementális alakításra érvényes alakítási határgörbe a hagyományos alakításra érvényes alakítási határgörbe fölött halad. Különösen jelentős a különbség síkalakváltozási állapotban ( 2 = 0 esetén). Síkalakváltozás esetén, inkrementális alakítással közel háromszor nagyobb alakváltozás érhető el, mint ugyanezen alakváltozási állapotban hagyományos alakításnál. A 3.21. ábra a lemezvastagságnak az inkrementális alakítási határdiagramra gyakorolt hatását is bemutatja.

3.21. ábra. Al 1050 alumínium ötvözet alakítási határdiagramja hagyományos és inkrementális alakításra

3.5 Ipari alkalmazás (munkavédelmi sisak megvalósítása) Az ipari alkalmazás során egy munkavédelmi sisak prototípusát tűztük ki célul. A következőkben ennek az ipari alkalmazásnak a megvalósítását mutatjuk be.

3.5.1 Munkavédelmi sisak alakítása A munkavédelmi sisak inkrementális alakítással történő kialakításához először meg kell tervezni a sisak 3D-s modelljét. Ennek megrajzolására számos tervezői programot használhatunk, mi a Unigraphics programot használtuk. A 3.22. ábra a munkavédelmi sisak 3D-s modelljét ábrázolja.

3.22. ábra. Munkavédelmi sisak 3D-s modellje A 3.23. ábra a modell legfontosabb méreteit tartalmazza.

3.23. ábra. A kísérleti szerszám 3D-s modellje A következő lépésként a munkavédelmi sisak felületéhez a pályának a leírása szükséges. Az alakító szerszám pályája (Powermill programban) csavarvonal mentén történik 1mm-es előtolással (sapka_GM10.hnc). Pályaleírás történhet más módon is a modellezés során. A Powermill programban elkészült pályát mutatja a 3.24. ábra.

3.24. ábra. Munkavédelmi sisak pályavezérlése A pályavezérlés leírása után a szerszámok tervezése következik. A szerszám három részből áll: egy keretből, egy húzó és egy leszorító lapból. A keretet célszerűen olyan méretekkel kell elkészíteni, hogy különböző méretű alkatrészeket is tudjunk alakítani. Ennek érdekében 500 mm x 500 mm-es külső mérettel és 400 mm x 400 mm-es alakítható területtel terveztük meg. A keret magassága pedig 200 mm. A keret 3 D-s modelljét a 3.25. ábra mutatja.

3.25. ábra. A kísérleti szerszám 3D-s modellje A szerszám keretén az adott modellnek megfelelően cserélhető húzó és leszorító lapot rögzíthetjük (3.26. ábra). Jelen esetben a húzó és leszorító lapot a sisak pályavezérlésének megfelelő kontúr lézeres kivágásával alakítottuk ki 10 mm-es lemezekből. A húzó lapot R=5 mm-es lekerekítéssel láttuk el. A szerszámelemeken furatokat helyeztünk el az összeszerelés, és az alakítani kívánt lemez húzó és szorító lapok közé történő rögzítése érdekében.

3.26. ábra. Szerszám, húzó és leszorító lapja Az Industar Kft-nél elkészűlt kisérleti szerszámot a 3.27. ábra mutatja.

3.27. ábra. Elkészített kísérleti szerszám a húzó és leszorító lappal Az alakításhoz D=10mm átmérőjű alakítóbélyeget használtunk, melyet a 3.28. ábra mutat

3.28. ábra. Alakító bélyeg és méretei Mivel értelemszerűen célorientált berendezéssel ehhez a világszerte a kutatás stádiumában lévő eljáráshoz nem rendelkezünk, az eljáráshoz általánosan alkalmazott CNC vezérlésű marógépre terveztük a vizsgálatokat. Az ipari partnernél található HURCO VMX30 típusú CNC vezérlésű megmunkáló központot mutatja a 3.29. ábra.

3.29. ábra. A vizsgálatok céljára kiválasztott CNC vezérlésű megmunkáló központ Az kísérletekhez jól alakítható alumínium ötvözetet választottunk. Ennek indoka, az alumínium jó alakíthatósága mellett elsősorban az Al-ötvözet viszonylag kis alakítási szilárdsága, amelynek következtében az alakítás erőszükséglete sem túl nagy, így a precíziós megmunkálásokra alkalmazott CNC marógép orsóját nem terheljük túl. Mindezek alapján az Al 1050-A alumínium ötvözetet választottuk a kísérletek anyagaként, a lemezvastagság: 1 mm-1.5mm. Az elkészült, inkrementális alakítással alakított munkadarab alakítási folyamatát a 3.30. ábra a kész munkadarabot pedig a 3.31. ábra mutatja.

3.30. ábra. Munkavédelmi sisak alakítás folyamata a HURKO VMX 30 marógépen.

3.31. ábra. Inkrementális alakítással elkészített munkavédelmi sisak

A munkavédelmi sisak alakítása másfél órás alakítás során sikeresen elkészült, az alakítás vizsgálatát a Vialux optikai nyúlásmérő rendszer segítségével végeztük el.

3.5.2 Munkavédelmi sisak alakításának vizsgálata A képmérés technikája lehetővé teszi, hogy bizonyos pontok 3D-s koordinátáit a különböző nézetekből felvett képekből egyértelműen meghatározzuk. Ennek érdekében hálót vittünk fel a sík, alakítatlan lemezre. Az AutoGrid mérőrendszer 4 CCD kamerát használ mobil mérőfejekkel. Az alakváltozásokat a munkadarab felületére felvitt 2*2 mm-es négyzetrácsos háló torzulásának mérésével határozhatjuk meg. Az AutoGrid rendszerben a képek rögzítése kétféle módszerrel történhet: normál, illetve eljárás közbeni felvétellel. A normál felvételt alapvetően az alakítási eljárások utáni alakváltozási elemzésre használjuk. Az eljárás közbeni képrögzítési opció lehetővé teszi az alakítási folyamat közbeni alakváltozás mérést, kiértékelést is. Ezt a lehetőséget különösen az alakítási határgörbék meghatározásánál hasznosítjuk. A képrögzítést követően, a képek automatikus kiértékelésével, az erre a célra kidolgozott szoftver segítségével meghatározhatjuk a rácspont koordináták 3D-s térbeli helyét (3.32. ábra.), amelyből az alakváltozási értékek számíthatók. A képek rögzítésénél a 3D-s képet a 4 kamera képéből határozzuk meg.

3.32. ábra. 3D-s háló A mérés szoftveres elemzésével számos, az alakítási folyamat legfontosabb jellemzőit bemutató eredményt szolgáltathatunk: főalakváltozások, falvastagság-eloszlás, nyúlások, stb. A falvastagság eloszlását mutatja a 3.33. ábra. Az inkrementális alakítással készült munkadarab pontjaiban mért főalakváltozási értékeket a 3.34. ábra. mutatja.

3.33. ábra. Falvastagság eloszlása inkrementális alakítással készített munkadarabon

3.34. ábra. Alakítási határ diagram

Az alakítási határdiagramban feltüntettük az adott anyag (Al 1050A, t=1.5mm) alakítási határgörbéjét hagyományos, illetve inkrementális alakítás esetében. Ezek a görbék jelentik az alakíthatóság határát, a repedéshez, töréshez tartozó alakváltozási értékeket. A darabon mért alakváltozási értékek ábrázolása után megállapítható, hogy a munkavédelmi sisak hagyományos alakítással nem alakítható. A mért alakváltozási értékek (pontfelhő) az inkrementális alakítás határgörbéje alatt helyezkednek el, tehát a lemezbe bevitt alakítás inkrementális alakítással elvégezhető szakadás nélkül. A legkritikusabb része a sisaknak a hátsó homorú része, mert az előkísérletek során meghatározott egyik legfontosabb paramétert, a kritikus falszöget itt közelítjük meg leginkább. Ennek a résznek az alakításánál kapott alakváltozási értékek közel esnek az alakíthatóság határához. A sisak többi területén a lemezvastagság alig tér el az eredetitől.

3.6 Összefoglalás Az inkrementális alakító eljárások számos előnnyel rendelkeznek. Az eljárás legfontosabb előnyeit röviden az alábbiakban összegezhetjük: Összetett, bonyolult alkatrészek gyorsan, egyszerűen gyárthatók közvetlenül az alkatrész CAD modelljéből előállított szerszámpálya vezérlő programmal. Az eljárás nem igényel különleges szerszámozást, sőt lényegéből fakadóan rendszerint csak egy viszonylag egyszerű, általánosan alkalmazható alakító bélyegre van szükség. Az előzőkből következően az eljárás kiválóan alkalmas gyors prototípus gyártásra és kissorozatú gyártásra egyaránt. Az alkatrész kialakításának módosítása a gyártásban könnyen és gyorsan megvalósítható, a bélyeg mozgását vezérlő CNC program módosításával, ezáltal nagyfokú rugalmasságot biztosítva az alkatrészek széles választékának és változatainak előállításában. Ugyancsak az eljárás lényegéből fakadóan a pillanatnyi képlékeny zóna kis kiterjedésű és növekményi természetéből következően az alakíthatóság jelentős növekedését eredményezi a hagyományos eljárásokhoz viszonyítva, ezáltal egyrészt nehezen alakítható anyagok megmunkálására is alkalmas, másrészt összetett geometriájú alkatrészek esetében az alakítás a hagyományos alakító eljárásokhoz viszonyítva kevesebb alakítási lépéssel megvalósítható. Nem igényel különleges megmunkáló gépet, a legtöbb, legalább 3-tengelyes CNC vezérléssel rendelkező egyetemes megmunkáló gépen is elvégezhető. A gyártandó alkatrész méretét lényegében csak a megmunkáló gép méretei korlátozzák. Az eljárásnak természetesen vannak bizonyos hátrányai is, amelyeket röviden az alábbiakban összegzünk: Az eljárás legnagyobb hátrányaként azt kell megemlíteni, hogy a gyártási idő a hagyományos alakító eljárásokhoz képest – az eljárás inkrementális, növekményi jellegéből következően – lényegesen nagyobb. Ebből következően az eljárás termelékenysége is kicsi, következésképpen az egyedi, illetve kissorozatú gyártásban lehet csak versenyképes alternatíva. Egy további hátrányként megemlíthető, hogy = 90o-os falszögű alkatrészek – ugyancsak az eljárás lényegéből fakadóan – egy lépésben nem gyárthatók, többlépéses alakító eljárást kell alkalmazni.

4

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

A tanulmányban ismertetett kutatómunka a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

5

IRODALOMJEGYZÉK

[1] [2]

[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

[15] [16]

[17]

Szabványgyűjtemények, 52. k.: Hidegalakító és térformázó szerszámok, Szabványkiadó Bp., 1986. Dr. Tisza Miklós: Képlékenyalakítás,Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar, 2007., Készült a HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 sz. projekt támogatásával Dr. Artinger – Dr. Kator - Dr. Ziaja: Új fémes szerkezeti anyagok és technológiák, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1974. Gál- Dr. Kiss – Dr. Sárvári - Dr. Tisza: Képlékeny hidegalakítás, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp. 2000. Dr. Kiss Ervin: Képlékenyalakítás, Tankönyvkiadó Bp., 1987. „http://www.utajovobe.eu/hirek/energetika/1266-20-ora-alatt-kesz-egy-haz-a-3ds-printerrel,” Geogle, 2013. „http://www.biomech.dote.hu/3dprint/3dprint.htm,” Geogle, 2013. „http://www.sikerado.hu/tudomany/2012/02/08/Az_elso_nyomtatott_allkapocs,” Geogle, 3013. „http://www.utajovobe.eu/hirek/hulladek/1172-mukodo-geppisztolyt-is-lehetmar-nyomtatni,” Geogle, 2013. C. –. N. –. Gaál, A polimertechnika alapjai, Budapest: Műegyetemi Kiadó, 2006. ArtingerKator-Ziaja: Fémek technológiája, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974. M. Ahmetoglu, T. Altan: TubeHydroForming: state-of-the-art and futuretrends, Journal of MaterialsProcessingTechnology 98 (2000) 25-33 MuammerKoc, TaylanAltan: An overall review of thetubeHydroForming (THF) technology, Journal of MaterialsProcessingTechnology 108 (2001) 384-393 L.M. Smith, N. Ganeshmurthy, P. Murty, C.C. Chen, T. Lim: Finiteelementmodeling of thetubularHydroFormingprocess Part 1. Strainrateindependentmaterialmodelassumption, Journal of MaterialsProcessingTechnology 147 (2004) 121-130 Ch. Hartl: Research and advancesinfundamentals and industrialapplications of HydroForming, Journal of MaterialsProcessingTechnology 167 (2005) 383-392 J.C.Gelin, C. Labergére, S. Thibaud: Modelling and processcontrolfortheHydroForming of metalliclinersusedforhydrogenstorage, Journal of MaterialsProcessingTechnology 177 (2006) 697-700 Gál G., Kiss A., Sárvári J., Tisza M.: Képlékeny hidegalakítás, Tankönyvkiadó, Budapest, 2006. pp. 1-316.

[18] Giuseppe Ingarao, Rosa Di Lorenzo, FabrizioMicari: Internalpressure and counterpunchaction design inY-shapedtubeHydroFormingprocesses: A multiobjectiveoptimisationapproach, Computers and Structures 87 (2009) 591-602. [19] Micari, F.:SinglePointIncrementalForming: recentresults,SeminaronIncrementalForming, 22 October 2004. Cambridge University. CD-ROM [20] Micari, F.,Ambrogio, L., Filice, L.: Shape and dimensionalaccuracyinSinglePointIncrementalForming: State of the art and futuretrends, Journal of MaterialsProcessingTechnology, v. 191. (2007) pp. 390395. [21] Martins, P.A.F., Bay, N., Skjoedt, M., Silva, M.B.: Theory of singlepointincrementalforming, CIRP Annals-ManufacturingTechnology, 57 (2008) pp. 247-252. [22] Park, Jong-Jin., Kim, Young-Ho: Fundamentalstudiesontheincrementalsheet metal formingtechnique, Journal of MaterialProcessingTechnology, 140 (2003) pp. 447-453. [23] Silva, M.B., Skjoedt, M., Martins, P.A.F., Bay, N.: Revisitingthefundamentals of singlepointincrementalformingbymeans of membraneanalysis, International Journal of MachineTools&Manufacture 48 (2008) pp. 73-83. [24] Hirt G.,Ames, M., Bambach, J., Kopp, R.:Formingstrategies and Process Modelling for CNC IncrementalSheetForming, CIRP Annals ManufacturingTechnology, Vol. 53, 1, 2004, p. 203-206. [25] Kitazawa, K.,Nakane, M. Hemi-ellipsoidalstretchexpanding of aluminumsheetby CNC incrementalformingprocesswithtwopathmethod. Journal of Japan Institute of LightMetals, v. 47, pp. 440-445, 1997. [26] Kun Dai, Z. R. Wang, YiFang: CNC incrementalsheetforming of an axiallysymmetric specimen and thelocus of optimization, Journal of MaterialsProcessingTechnology, Vol. 102, 1-3, 2000, p. 164-167. [27] Meier,H.,Buff, B.,Laurischkat R., Smukala V.: Increasingthe part accuracyindielessrobot-basedincrementalsheet metal forming, CIRP Annals ManufacturingTechnology, Vol. 58, 1, 2009, p. 233-238. [28] Mori, K.,Yamamoto, M., Osakada, K.: Determination of hammeringsequenceinincrementalsheet metal formingusing a geneticalgorithm. Journal of MaterialsProcessingTechnology, Vol. 60, 1-4, 1996, p. 463-468. [29] Okoye, C.N., Jiang, J.H., Hu, Z.D.:Application of electromagneticassistedstamping (EMAS) techniqueinincrementalsheet metal forming.International Journal of MachineTools and Manufacture, Vol. 46, 11, 2006, p. 1248-1252. [30] Otsu M., Fujii M., Osakada K.:Controlledlaserforming of sheet metal withshapemeasurement and usingdatabase, Proc. of Metal Forming, 2000; pp. 433-438. [31] Petek, A., Jurisevic, B., Kuzman, K., Junkar, M.: Comparison of alternativeapproaches of singlepointincrementalformingprocesses. Journal of MaterialsProcessingTechnology, Vol. 209, 4, Febr. 19, 2009, p.1810-1815.

[32] Amino, H.,Lu, Y., Maki, T., Osawa, S., Fukuda, K.:Dieless NC Forming, Prototype of Automotive Service Parts,Proceedings of the 2nd International Conferenceon Rapid Prototyping and Manufacturing (ICRPM), Beijing, 2002. [33] Petek, A., Kuzman, K. Suhač B.: Autonomous on-line systemfor fracture identification at incremental sheet forming. CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 58, 1, (2009), pp. 283-286. [34] Kuzman, K., Tisza, M., Petek, A., Kovács, P.: Determination of forming limit diagrams for single point incremental sheet metal forming, IDDRG 2010. 31.05.2010.02.06.2010. Graz, Austria. pp. 461-468. ISBN 978-3-85125-108-1-051 [35] Marciniak, Z.: Limits of sheet metal formability, Warsaw, Publ. WNT (1971) [36] Nakazima, K., Kikuma, T., Asuka, K.: Study on the formability of steel sheet, Yawata Technical Report, No. 264. (1968) September [37] Petek, A.: Definition of Stable Technological Window for Incremental Sheet Metal Forming, PhD Thesis, University of Ljubljana, 2008. pp. 1-155.