Kształtowanie materiałów w postaci blach przez wytłaczanie jest jedną z najpopularniejszych metod otrzymywania gotowych wyrobów w warunkach produkcji małoseryjnej. W artykule przedstawiono charakterystykę metod przyrostowego kształtowania blach za pomocą następujących metod: jednopunktowego (ang. Single-Point Incremental Forming) i dwupunktowego tłoczenia przyrostowego (ang. Two-Point Incremental Forming). Przedstawiono również parametry decydujące o możliwości zastosowania danej odmiany SPIF oraz zjawiska ograniczające proces przyrostowego kształtowania blach ze stopów trudno odkształcalnych.

Summary
Incremental sheet forming – possibilities of its application in the aircraft industry
Słowa kluczowe: kształtowanie blach, przemysł lotniczy, tłoczenie przyrostowe, wytłoczka
Keywords: sheet metal forming, aircraft industry, incremental forming, drawpiece
Sheet forming of materials by deep drawing is one of the most popular methods of obtaining finished products in small lot production conditions. This paper presents the characteristics of incremental sheet forming technique using the following methods: Single-Point Incremental Forming (SPIF) and Two-Point Incremental Forming (TPIF). Factors influencing the possibility of the application of a specific SPIF method and phenomena that limit the use of the incremental forming of difficult-to-form materials are also presented. Moreover, the advantages and disadvantages of incremental sheet forming in the context of its application in the aviation industry are specified.

Tradycyjne metody wytłaczania blach są zwykle realizowane w warunkach obróbki plastycznej na zimno za pomocą narzędzi nazywanych tłocznikami. Podczas tłoczenia dochodzi do odkształcenia blachy poprzez przekroczenie granicy plastyczności jej materiału. Wzrost wytrzymałości wytłoczki jest związany z umocnieniem odkształceniowym materiału blachy. Niekiedy jako ostatnią operację stosuje się nakładanie powłok, co wymaga zapewnienia odpowiedniej chropowatości powierzchni wytłoczki.

Wadą tradycyjnych metod kształtowania blach jest konieczność wytwarzania specjalnych narzędzi dostosowanych do kształtu elementu, nawet w przypadku wytwarzania elementów typoszeregowanych wymiarowo. Wysoki koszt przyrządów jest związany z dużym stopniem skomplikowania tłoczników wymagających stosowania do ich wytwarzania precyzyjnych obrabiarek oraz wykorzystaniem kosztownych materiałów narzędziowych. Dlatego też stosowanie metod wytłaczania blach za pomocą tłoczników jest odpowiednie dla produkcji średnio- i wielkoseryjnej (rys. 1). Wykorzystanie metod tłoczenia przyrostowego jest ekonomicznie uzasadnione w produkcji jednostkowej i małoseryjnej [1]. Pomimo relatywnie niskiego kosztu narzędzi metody kształtowania przyrostowego są opłacalne przy produkcji małoseryjnej ze względu na długi czas formowania w odniesieniu do czasu tłoczenia konwencjonalnego.

Formowanie przyrostowe blach

Zmniejszenie czasu przygotowania produkcji oraz redukcja kosztu wytwarzania w produkcji małoseryjnej czy nawet jednostkowej są możliwe z wykorzystaniem metod jednopunktowego tłoczenia przyrostowego [2], których metodologia jest oparta na konwencjonalnym wyoblaniu pozwalającym otrzymywać wytłoczki w kształcie osiowosymetrycznym. Wprowadzenie do powszechnego użytku obrabiarek CNC pozwoliło na opracowanie metod wyoblania umożliwiających wytwarzanie elementów w kształcie nieosiowosymetrycznym. Metody SPIF znalazły zastosowanie do wytwarzania elementów powłokowych o złożonym kształcie [3] oraz do szybkiego wytwarzania prototypów metodami RP (ang. Rapid Prototyping) [1].
Zastosowanie zintegrowanych systemów CAD/CAM pozwala na efektywne zaprojektowanie trajektorii narzędzia na maszynie CNC na podstawie modelu komputerowego wyrobu. Stosowanie nowoczesnej metody formowania blach SPIF umożliwia znaczne skrócenie czasu przygotowania produkcji nowego wyrobu oraz zmniejszenie kosztów wytwarzania. Wśród wielu czynników wpływających na możliwość zastosowania metody SPIF oraz dokładność obróbki należy wskazać parametry technologiczne (m.in.: średnica narzędzia, wartość zagłębienia pomiędzy dwoma przejściami narzędzia, prędkość obrotowa narzędzia, użyty środek smarny), parametry materiałowe obrabianej blachy (umocnienie odkształceniowe, anizotropia materiałowa, moduł Younga) oraz czynniki wynikające z procesu projektowania elementu (grubość blachy, geometria).

Pomimo ekonomicznie nieuzasadnionego zastosowania metody SPIF do produkcji dużych partii wyrobów jest ona wykorzystywana do wytwarzania elementów, których nie można wytworzyć przy użyciu konwencjonalnych metod kształtowania blach. Niezależnie od kształtu wyrobu większość procesów tłoczenia przyrostowego jest wykonana za pomocą trzpienia o zaokrąglonym kształcie mającego bezpośredni kontakt z blachą. Wymiary końcówki trzpienia wynikają przede wszystkim z wielkości promieni zaokrągleń krawędzi formowanego elementu. Rys. 2 przedstawia związek pomiędzy liczbą części i wielkością wyrobów kształtowanych przyrostowo dla typowych zastosowań przemysłowych. Zastosowanie metod kształtowania przyrostowego blach w przemyśle lotniczym jest uzasadnione, jeżeli średnia liczba elementów w partii nie przekracza około 100 [4].

Charakterystyka formowania przyrostowego blach

W procesie tłoczenia przyrostowego trzpień formujący o zaokrąglonym kształcie formuje stopniowo blachę, wykonując zintegrowany ruch dookoła zablokowanego brzegu kształtowanego przedmiotu (rys. 3). Następnie trzpień wykonuje ruch wgłębny o określoną wartość podziałki i odwzorowuje kształt elementu, wykonując ruch po kolejnej trajektorii poziomej. W dalszym etapie ruchy te są powtarzane aż do otrzymania pożądanego kształtu elementu. Istotą procesu jest więc kształtowanie elementu przez sprzężenie dwóch ruchów narzędzia: poziomego wzdłuż trajektorii zamkniętej oraz wgłębnego przejścia do kolejnego poziomego toru formującego. Wymagane jest zatem zastosowanie obrabiarki CNC sterowanej w przynajmniej trzech osiach. Istotą procesu są miejscowy kontakt narzędzia formującego z blachą, a także możliwość kontroli stopnia odkształcenia blachy w miejscach narażonych na przekroczenie wartości odkształceń granicznych.

Prędkość obrotowa narzędzia formującego może dochodzić do 20 000 obr./min [5], jednakże w większości spotykanych metod formowania przyrostowego trzpień o kulistym zakończeniu wykonuje wymuszony ruch obrotowy o prędkości obrotowej w zakresie 200-800 obr./min. Prędkość liniowa przemieszczania się trzpienia, podobnie jak prędkość obrotowa, zależy od specyfiki geometryczno-technologicznej procesu i zawiera się najczęściej w zakresie 300-2000 mm/min [6].
Równolegle prowadzone są badania nad zastosowaniem trzpienia formującego o ruchu obrotowym swobodnym lub zamocowanym nieobrotowo. Zbyt duża wartość podziałki zagłębiania w stosunku do wielkości końcówki trzpienia może powodować powstanie widocznych okiem nieuzbrojonym linii formowania na powierzchni wyrobu oraz zwiększa wartość amplitudowych parametrów chropowatości powierzchni. Na jakość powierzchni wyrobu wpływa również kierunek obrotów trzpienia formującego w stosunku do kierunku przemieszczania narzędzia [6].  

Zjawiskiem ograniczającym formowanie blach ze stopów tytanu za pomocą metod SPIF jest przywieranie cząstek materiału obrabianego do powierzchni narzędzia, co intensyfikuje pogorszenie jakości powierzchni wytłoczek. Kształtowanie blach ze stopów tytanu wymaga zastosowania smaru w postaci pasty MoS2 i wazeliny w proporcji 4:1 oraz trzpienia ze stali szybkotnącej o twardości 62-65 HRC [7]. W przypadku kształtowania blach ze stopów aluminium optymalnym rozwiązaniem zapewniającym uzyskanie wysokiego stopnia odkształcenia blachy oraz wysokiej jakości powierzchni wytłoczki jest zastosowanie trzpienia ze stali szybko­tnącej przy braku smarowania [8].

Większe prędkości obrotowe trzpienia pozwalają na zwiększenie odkształceń plastycznych materiału blachy, bez ryzyka powstania pęknięć i są stosowane do formowania cienkich blach lub folii o ograniczonej plastyczności. Wielkość końcówki trzpienia formującego jest zdeterminowana kształtem oraz minimalną wartością promieni zaokrąglenia krawędzi wytłoczki. Należy stosować trzpień o wielkości końcówki największej jak to możliwe, pamiętając jednak, że zwiększenie wielkości trzpienia wpływa na zwiększenie wartości sił kształtowania i zmniejszenie odkształceń granicznych blachy z powodu zwiększenia powierzchni kontaktu narzędzia z blachą [6].

Podział metod formowania przyrostowego blach

Odmianą jednopunktowego tłoczenia przyrostowego (rys. 4a) jest dwupunktowe tłoczenie przyrostowe (ang. Two-Point Incremental Forming – TPIF), które może odbywać się z wykorzystaniem matrycy częściowej (rys. 4b)
oraz matrycy właściwej (rys. 4c). Ostatnia metoda zwiększa dokładność geometryczną formowanych elementów. W metodach tłoczenia dwupunktowego występuje dodatkowy ruch zespołu mocującego brzegi kształtowanej blachy, co przekłada się na większą dokładność otrzymanych wytłoczek. W metodzie tłoczenia przyrostowego z przeciwnarzędziem (ang. Incremental Forming With Counter Tool – IFWCT) dodatkowy trzpień umieszczony przeciwnie do trzpienia formującego i odsunięty o grubość blachy porusza się po odpowiednio skorygowanej trajektorii względem narzędzia głównego (rys. 4d). Spośród wymienionych metod dwupunktowe tłoczenie przyrostowe z matrycą właściwą określane jest mianem Positive Incremental Forming, pozostałe metody zaś – Negative Incremental Forming [2]. Jednym z wariantów SPIF jest metoda formowania za pomocą strumienia wody [9], w której wyeliminowano tarciowy kontakt metaliczny narzędzia kształtującego z przedmiotem obrabianym.

W metodach jednopunktowego formowania zewnętrzna krawędź blachy jest zablokowana, co wprowadza w płaszczyźnie blachy naprężenia rozciągające, eliminując fałdowanie ścianek wytłoczki. Zjawiskiem, które szczególnie utrudnia otrzymanie wytłoczek o wymaganej tolerancji geometrycznej, jest zjawisko sprężynowania blachy, dotyczy to szczególnie blach ze stali nierdzewnej [10]. Wartość sprężystych odkształceń materiału blachy zależy w głównej mierze od kształtu wytłoczki oraz parametrów mechanicznych materiału blachy. Korekcja toru narzędzi w połączeniu z odwrotnym podejściem do projektowania (ang. Reverse Engineering) pozwala na prawie całkowite wyeliminowanie zjawiska sprężynowania materiału blachy.  

Zastosowania SPIF w przemyśle lotniczym

Wykorzystanie komponentów o jak najmniejszej masie stanowi wyzwanie w nowoczesnej inżynierii transportu. Redukcja ciężaru samolotów jest konieczna ze względów ekologicznych i ekonomicznych [5].

Do kształtowania blach ze stopów trudno odkształcalnych w temperaturze pokojowej, szczególnie ze stopów magnezu oraz tytanu, opracowano metodę tłoczenia przyrostowego na gorąco z lokalnym nagrzewaniem laserowym materiału blachy [11]. Wysoka temperatura w strefie kontaktu (do 700°C dla stopu TiAl2Mn1,5) wymaga konieczności zastosowania trzpienia formującego z węglika tytanu YG8 [11].

Tłoczenie przyrostowe można uznać za alternatywę dla tłoczenia na gorąco stopów metali lekkich. Stopy magnezu wymagają temperatury formowania wyższej niż temperatura pokojowa i są zwykle obrabiane w temperaturze w zakresie od 200 do 300°C. Temperatura ta umożliwia aktywację nowych płaszczyzn poślizgu i znacznie zwiększa podatność materiału do kształtowania. Badania Ambrogio i in. [12] wskazują, że największa plastyczność stopu magnezu AZ31 występuje w 250°C. Stopy magnezu AZ31 oraz tytanu TiAl2Mn1,5 o małej odkształcalności w temperaturze pokojowej zostały z powodzeniem wykorzystane do kształtowania przyrostowego przez Fan i in. [11] w warunkach przepływu przez materiał prądu elektrycznego o dużym natężeniu, przez co zwiększają się temperatura i podatność na odkształcenie blach ze stopów trudno odkształcalnych.

Spośród stopów aluminium powszechnie w konstrukcjach lotniczych stosowany jest stop AA2024-T3 ze względu na wysoką odkształcalność i odporność zmęczeniową. Wzajemna interakcja posuwu i promienia narzędzia jest bardzo istotna dla odkształcalności stopu AA2024 [13]. Zmiana prędkości formowania nie wpływa na odkształcalność wyżarzanej blachy ze stopu AA2024 [13]. Stwierdzono [14], że lokalne ogrzewanie arkusza i indukowane odkształcenie prowadzą do zmian w mikrostrukturze stopów AA2024-T3,
AZ31B-O oraz Ti6Al4V. Stop aluminium AA7075-T0 można z sukcesem kształtować przyrostowo w temperaturze pokojowej [6].

Podsumowanie

Do głównych zalet tłoczenia przyrostowego należy zaliczyć [15]:
–    brak konieczności wytwarzania matrycy lub stempla kształtującego, zależnie od odmiany metody tłoczenia,
–    możliwość kształtowania elementów na konwencjonalnej maszynie CNC,
–    wielkość kształtowanych elementów jest ograniczona możliwościami technicznymi obrabiarki CNC,
–    szybkie i łatwe uwzględnianie zmian konstrukcyjnych w kształtowanych elementach,
–    znacznie mniejsze wartości siły kształtowania w porównaniu z tłoczeniem konwencjonalnym,
–    wyższa wartość odkształceń granicznych blachy w odniesieniu do kształtowania za pomocą tłoczenia konwencjonalnego,
Głównymi wadami jednopunktowego tłoczenia przyrostowego są:
–    dłuższy czas formowania w porównaniu do tradycyjnych metod kształtowania blach,
–    ekonomicznie uzasadnione zastosowanie tylko do produkcji jednostkowej i małoseryjnej,
–    obniżenie dokładności geometrycznej wyrobów, szczególnie w miejscach o małych promieniach zaokrąglenia,
–    występowanie znacznych odkształceń sprężystych materiału blachy, które jednak można zminimalizować, korzystając z odpowiednich algorytmów korygujących tor narzędzia.

Piśmiennictwo
  1. Amino H., Lu Y., Ozawa S., Fukuda K., Maki T.: Dieless NC of automotive service panels. Proc. of the Conf. on Advanced Techniques of Plasticity 2002, s. 1015-1020.
  2. Jong-Jin P., Jung-Ho K.: Fundamental studies on the incremental sheet metal forming technique. „J. Mater. Process. Tech.”, 2003, s. 447-453.
  3. Skjoedt M., Bay N., Endelt B., Ingarrao G.: Multi-stage strategies for single-point incremental forming of a cup. „Int. J. Mater. Form.”, 2008, s. 1199-1202.
  4. De Bruyn R., Treurnicht N.F.: An investigation into lubrication strategies for the incremental sheet forming of Ti-6Al-4V. „Proc. of CIE42”, July 16-18, 2012, Cape Town, s. 7.
  5. Obikawa T., Satou S., Hakutani T.: Dieless incremental micro-forming of miniature shell objects of aluminium foils. „Int. J. Mach. Tool.Manu”, 2009, s. 906-915.
  6. Durante M., Formisano A., Langella A., Minutolo F.M.C.: The influence of tool rotation on an incremental forming process. „J. Mater. Process. Tech.”, 2009, s. 4621-4626.
  7. Hussain G., Gao L., Hayat N., Cui Z., Pang Y.C., Dar N.U.: Tool and lubrications for negative incremental forming of a commercially pure titanium sheet. „J. Mater. Process. Tech.”, 2003, s. 193-201.
  8. Kim Y.H., Park J.J.: Effect of process parameters on formability in incremental forming of sheet metal. „J. Mater. Process. Tech.”, 2002, s. 42-46.
  9. Petek A., Jurisevic B., Kuzman K., Junkar M.: Comparison of alternative approaches of single-point incremental forming processes. „J. Mater. Process. Tech.”, 2009, s. 1810-1815.
  10. Durante M., Formisano A., Langella A.: Comparison between analytical and experimental roughness values of components created by incremental forming. „J. Mater. Process. Tech.”, 2010, s. 1934-1941.
  11. Fan G., Gao L., Hussain G., Wu Z.: Electric hot incremental forming: A novel technique. „Int. J. Mach. Tool.Manu.”, 2008, s. 1688-1692.
  12. Ambrogio G., Filice L., Mano G.L.: Warm incremental forming of magnesium alloy AZ31. „CIRP Ann.-Manu. Tech.”, 2008, s. 257-260.
  13. Hussain G., Gao L., Hayat N., Dar U.: The formability of annealed and pre-aged AA-2024 sheets in single-point incremental forming. „Int. J. Adv. Manu. Tech.”, 2010, s. 543-549.
  14. Ambrogio G., Filice L., Gagliardi F.: Formability of lightweight alloys by hot incremental sheet forming. „Mater. Des.”, 2012, s. 501-508.
  15. Jadhav S., Goebel R., Homberg W., Kleiner M.: Process optimization and control for incremental sheet metal forming. Proc. of the IDDRG, Bled 2003, s. 165-171.

 



Rys. 1. Wpływ wielkości serii na koszt jednego wyrobu. Opracowano na podstawie [1]

 



Rys. 2. Obszary zastosowań kształtowania przyrostowego blach. Opracowano na podstawie [4]

 



Rys. 3. Formowanie przyrostowe

 



Rys. 4. Procesy tłoczenia przyrostowego: a) jednopunktowe tłoczenie przyrostowe, b) dwupunktowe tłoczenie przyrostowe z matrycą częściową, c) dwupunktowe tłoczenie przyrostowe z matrycą właściwą, d) dwupunktowe tłoczenie przyrostowe z przeciwnarzędziem; 1 – uchwyt mocujący, 2 – trzpień formujący,
3 – uchwyt mocujący blachę, 4 – blacha (położenie początkowe),
5 – matryca częściowa,
6 – matryca właściwa,
7 – trzpień pomocniczy


W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij