Mgr inŜ. Tomasz GĄDEK, mgr inŜ. Sławomir SOSNOWSKI, mgr inŜ. Tadeusz DRENGER, mgr inŜ. Jan WIŚNIEWSKI, mgr inŜ. Łukasz NOWACKI, Zenon ULATOWSKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Badanie procesu zgniatania obrotowego na zimno
wyrobów z trudnoodkształcalnych stopów
aluminiowych objętych normą PN-EN 573-3/AK
Investigation of cold flow forming process of hard-to-deform
aluminium alloy sheet included in standard PN-EN 573-3/AK
Streszczenie
W artykule przedstawiono sposób kształtowania wydłuŜonych wyrobów cylindrycznych, ze stopu aluminium 7075, metodą zgniatania obrotowego na zimno. Program przeprowadzonych badań przewidywał dobór parame-trów kinematycznych przy zgniataniu, wprowadzenie obróbki cieplnej, oraz przeprowadzenie oceny jakości otrzymanej powierzchni wyrobu.
Abstract
Paper presents method of forming cylindrical details from special alloy 7075 by cold flow forming. Investiga-tions program includes selection of kinematics parameters in compression, heat treatments problems and sur-face quality control.
Słowa kluczowe: zgniatanie obrotowe, stop aluminium, wyrób cylindryczny, odkształcenie
Key words: flow forming, aluminum alloy, cylindrical product, deformation
1. WPROWADZENIE
Celem przeprowadzonych badań było do-skonalenie metody zgniatania obrotowego wy-robów cylindrycznych cienkościennych zmie-rzające do opanowania technologii wytwarza-nia wyrobów z trudnoodkształcalnego stopu aluminium.
Cel badań obejmował dobór parametrów zgniatania obrotowego umoŜliwiający wyko-nywanie długich cienkościennych wytłoczek
>7 h d
o pobocznicy cylindrycznej przy jed-noczesnym zapewnieniu określonych, właści-wości mechanicznych.
Na rynku krajowym, głównie w branŜy militarnej w ostatnim czasie wzrosło zapotrze-bowanie na długie wyroby cylindryczne
z dnem grubościennym, o wysokiej wytrzyma-łości przy jednocześnie niskiej masie. Jednym z materiałów, który spełniałby te warunki jest stop aluminium 7075. Jest to stop o niskiej zdolności do odkształceń plastycznych na zim-no. Na podstawie analizy technologiczności wyrobu przyjęto, Ŝe ekonomicznie uzasadnio-nym sposobem kształtowania plastycznego jest zgniatanie obrotowe wydłuŜające na zimno.
Proces zgniatania obrotowego w ostatnim czasie znajduje coraz większe zastosowanie. Stosuje się go między innymi w produkcji kor-pusów silników rakietowych, stoŜkowych gło-wic rakietowych, itp., a takŜe przy produkcji pocisków, łusek, czy cylindrów samochodo-wych.
Rys. 1. Schemat procesu zgniatania obrotowego współbieŜnego
Fig. 1. Diagram of concurrent flow forming
W Instytucie przeprowadzono badania kształtowania wyrobu cylindrycznego ze stopu aluminium 7075 metodą zgniatania obrotowe-go współbieŜneobrotowe-go. W czasie kształtowania tą metodą materiał przemieszcza się w tym sa-mym kierunku, co kształtująca go rolka (rys. 1). Proces zgniatania obrotowego prowadzony był za pomocą dwóch rolek zgniatających.
2. BADANIA
2.1. Materiał wyjściowy
Materiałem wyjściowym był wałek o średnicy Ø 85 mm ze stopu aluminium AlZn5,5MgCu [Oznaczenie 7075 (wg PN-EN 573-3/AK) lub PA9 (wg PN)]. Z wałka wyto-czono wyrób wyjściowy pokazany na rys. 2.
Skład chemiczny oraz gęstość stopu Al 7075 przedstawiono w tabeli 1.
Rys. 2. Wyrób wyjściowy ze stopu aluminium 7075 (PN-EN 573-3/AK) Fig. 2. Initial product made of aluminium alloy 7075
Tablica 1. Skład chemiczny oraz gęstość stopu 7075 Table 1. Chemical composition and density of aluminium alloy 7075
Zawartość pierwiastków w % Stop
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Inne Gęstość
[g/cm3] PA9 0,5 0,5 1,4÷2,0 0,2÷0,6 1,8÷2,8 0,1÷0,25 5,0÷7,0 ≤0,15 2,80
2.2. Metodyka badań
Na wstępie przyjęto, Ŝe wyrób wyjściowy będzie odkształcany do momentu uzyskania minimalnej długości 450 mm. Podstawowym kryterium było uzyskanie grubości ścianki 1,8 ± 0,178 mm, maksymalnego wymiaru średnicy wewnętrznej Ø 66,37 mm, twardości 75-85 HBW oraz chropowatości Ra = 0,63 µm. Proces zgniatania obrotowego wydłuŜają-cego polegał na pocienieniu grubości ścianki wyrobu wyjściowego (rys. 2) za pomocą rolek zgniatających, zaprojektowanych w oparciu o dane zawarte w literaturze [1, 2, 4, 5, 6, 7, 8] oraz doświadczenia własne [3, 9, 10].
Badania prowadzono stosując następujące pa-rametry:
− prędkość obrotowa wrzeciona maszyny: n = 410, 500 oraz 710 [obr./min],
− szybkość posuwu wzdłuŜnego suportu rolek: p = 300, 350, 400, 450 i 500 [mm/min]. Czynnikami badanymi były:
− odkształcenie względne wyraŜone zmianą grubości ścianki (
ε
),− twardość (HB); pomiaru twardości dokona-no metodą Brinella za pomocą kulki o średnicy 2,5 mm przy obciąŜeniu 612,9 [N] na przekroju wzdłuŜnym półwy-robu,
− chropowatość powierzchni (Ra); chropowa-tość oceniana była wzrokowo w poszcze-gólnych operacjach zgniatania, jednocześnie losowo wybrano kilka próbek po 1, 2, 3, 4, 7, 8, 10 i 13 operacji i za pomocą aparatu do
pomiaru chropowatości firmy
Tay-lor/Hobson dokonano pomiaru chropowa-tość wyrobów,
− tolerancja średnicy wewnętrznej wyrobu, − wydłuŜenie całkowite, wyraŜone zmianą
długości wyrobu (A).
Badania zgniatania obrotowego przepro-wadzono w trzech etapach.
W pierwszym etapie badano moŜliwość uzyskania odkształcenia względnego w zakre-sie od
ε
= 15,9% do 23,8%. Nie stosowanoobróbki cieplnej.
W drugim etapie badań zastosowanie mię-dzyoperacyjnej obróbki cieplnej oraz zmniej-szenie odkształceń w poszczególnych
opera-cjach zgniatania pozwoliło na uzyskanie lep-szych wyników.
W trzecim i ostatnim etapie badań za pod-stawowe kryterium badań przyjęto załoŜenie, Ŝe odkształcenie względne ε nie będzie prze-kraczać wartości ε = 10% w poszczególnych operacjach zgniatania. W trzecim etapie badań, między poszczególnymi operacjami zgniatania obrotowego, stosowano obróbkę cieplną (wy-Ŝarzanie rekrystalizujące), celem zmniejszenia napręŜeń w materiale. WyŜarzanie wyrobu przeprowadzono w piecu elektrycznym firmy Nabertherm typu M 117H, w następujących warunkach: temperatura 480 oC, czas wyŜarza-nia 2 godziny, studzenie z piecem.
2.3. Stanowisko do badań
Próby zgniatania obrotowego wyrobów cylindrycznych przeprowadzano na sanowisku badawczym zgniatarki obrotowej MZH-400 (rys. 3), sterowanej komputerowo za pomocą czujnika kopiału hydraulicznego.
1 2 3 Rys . 3. Zgniatarka obrotowa MZH – 400 z narzędziami
do zgniatania obrotowego wyrobów cylindrycznych Fig. 3. MZH – 400 flow forming machine with tools for
flow forming of cylinder products
Proces technologiczny polegał na zgniataniu obrotowym materiału wyjściowego osadzone-go na wzorniku (rys. 3 poz. 1). Kształtowany wyrób został dociśnięty do wzornika poprzez dociskacz umieszczony w pinoli konika (rys. 3 poz. 2). Rolki zgniatające (rys. 3 poz. 3) były umieszczone po przeciwnych stronach
obra-bianego wyrobu i dociskane za pomocą siłow-nika hydraulicznego. Siłownik hydrauliczny przesuwał rolki w kierunku wzdłuŜnym a ste-rowanie odbywało się za pomocą czujnika hy-draulicznego poruszającego się po liniale, który odpowiadał zewnętrznemu kształtowi wyrobu. Wewnętrzny kształt wyrobu odpowiadał ze-wnętrznemu kształtowi wzornika.
3. WYNIKI BADAŃ
Stosując w kaŜdej operacji wartość od-kształcenia względnego, zbliŜoną do wartości 10% (trzeci etap badań), uzyskano wyrób o Ŝądanej długości (powyŜej 450 mm) oraz grubości ścianki 1,8 mm.
W celu sprawdzenia wyników badań tech-nologicznych, wyrób poddano badaniom twar-dości, chropowatości oraz tolerancji wymia-rów.
Rys. 4. Rozkład twardości po drugiej operacji zgniatania obrotowego (odkształcenie względne
ε
= 10%)Fig. 4. Hardness distribution after second operation of flow forming (true stain
ε
= 10%)Twardość początkowa stopu aluminium 7075 wynosiła 59,5÷60,4 HBW. Twardość po drugiej operacji zgniatania obrotowego przy odkształceniu względnym
ε
≅10% wynosiła69÷75 HBW (rys. 4). Natomiast twardość po siódmej operacji zgniatania obrotowego przy odkształceniu względnym
ε
≅15% wynosiła68-85 HBW. PoniewaŜ próbki poddawane były
międzyoperacyjnej obróbce cieplnej (wyŜarza-nie odpręŜające) umoc(wyŜarza-nie(wyŜarza-nie materiału w po-szczególnych operacjach mieściło się w zakre-sie 68÷85 HBW. Na tej podstawie moŜna wnioskować, iŜ twardość wyrobu po końcowej obróbce będzie zbliŜona do wartości 80 HBW, zgodnej z załoŜeniami.
Pomiary chropowatości (tabela 2) na loso-wo wybranych wyrobach, których wartość od-kształcenia względnego dla kaŜdej operacji była zbliŜona do 10 %, wykazały, Ŝe najmniej-sza chropowatość występowała w początko-wych operacjach (1÷4). Chropowatość zwięk-szała się w kolejnych operacjach tzn. po pierwszej operacji wynosiła Ra = 3,6 µm, a po ostatniej Ra = 5,6 µm.
Tablica 2. wyniki pomiaru chropowatości Table 2. Results of roughness measurement
W celu oceny wielkości tolerancji wymia-ru średnicy wewnętrznej wyrobu Ø 66 mm, której dopuszczalna wartość wynosiła + 0,37 mm, dokonano pomiaru średnicy otworu wyro-bu (d) na długości 410 mm. Pomiar dokonano średnicówką dwupunktową z czujnikiem zega-rowym. Na podstawie analizy wyników okre-ślono dla średnicy Ø 66 mm średnią tolerancję wykonanego wyrobu, która wyniosła + 1 mm. Z przeprowadzonych pomiarów, wynika, Ŝe wraz ze wzrostem długości wyrobu, zwiększa się nie tylko wymiar średnicy otworu, ale rów-nieŜ tolerancja wymiaru kołowości.
Tolerancja grubości ścianki 1,8 mm, wy-nosiła ±0,178 mm. Pomiarów grubości ścianki dokonano na przekroju wzdłuŜnym za pomocą czujnika. Wyniki pomiarów zamieszczono na rys. 5.
Rys. 5. Rozkład grubości ścianki wyrobu końcowego wykonanego metodą zgniatania obrotowego na zimno Fig. 5. Wall thickness distribution of finished cold flow forming product
Wartość rozkładu grubości ścianki mieściła się w wymaganej tolerancji.
Wyrób z trudno odkształcalnego stopu aluminium 7075 pokazany na rys. 5 uzyskano, stosując prędkość obrotową rolek n = 500 obr./min. oraz prędkości posuwu rolek p = 400 mm/min.
Całkowite odkształcenie względne wy-niosłoε =81%, natomiast całkowite wydłu-Ŝenie względne wyniosło A = 400%.
4. PODSUMOWANIE
1. Jednym z warunków kształtowania metodą zgniatania obrotowego wydłuŜonego bada-nego wyrobu cylindryczbada-nego z dnem jest stosowanie międzyoperacyjnej obróbki cieplnej.
2. W badaniach uzyskano wyroby o chropo-watości tylko Ra = 5,6 µm (wartość
wyma-gana Ra = 0,63 µm ) przy obrotach rolek n = 500 obr./min i prędkości posuwu rolki p = 400 mm/min.
3. Dobrane w badaniach parametry procesu zgniatania obrotowego na zimno, umoŜli-wiają wytwarzanie wyrobów o wymaga-nych dokładnościach rozkładu grubości ścianki, długości wyrobu oraz twardości. Natomiast nie uzyskano tolerancji średnicy otworu.
4. Przy zastosowanej geometrii rolek kształtu-jących oraz pozostałych parametrów zgnia-tania obrotowego uzyskano Ŝądaną twar-dość wyrobu.
5. Wyniki badan wskazują potrzebę dalszych prac ukierunkowanych na wyznaczenie związków pomiędzy parametrami procesu i średnicą otworu, chropowatością po-wierzchni zewnętrznej oraz kątem skręcenia ścianki bocznej.
6. Jednym z powodów uzyskania niedosta-tecznej chropowatości wyrobu oraz dokład-ności średnicy otworu była niewystarczają-ca sztywność maszyny, która podczas prze-prowadzania badań powodowała znaczne drgania układu maszyna - wzornik – rolka. W roku 2007 nastąpi modernizacja zgnia-tarki obrotowej MZH-400, w której prze-widuje się zwiększenie sztywność układu maszyna – wzornik – rolka, co przyczyni się do zminimalizowania drgań. Po moder-nizacji przewiduje się wznowienie badań kształtowania wyrobu cylindrycznego ze stopu aluminium 7075.
Pracę zrealizowano w ramach działalności statu-towej finansowanej przez Ministerstwo Edukacji i Nauki: BT 901 04 000 - Badanie tłoczenia blach
z trudnoodkształcalnych stopów aluminiowych objętych normą PN-EN 573-3/AK.
LITERATURA
[1] S.Kalpakcioglu: An application of theory to an engineering problem: power spinning. Fundam. Defermat. Process. Syracuse, N.Y Univ. Press 1964, 71-103.
[2] N.A. Makarowca i inni: Opyt vnedrenia tehnologi-ceskih processov rotacionnoj rytjazki cilin-driceskih detalej. Obrabota Materialov Darleniem. Kuzneczno-sztampowocznoje proizwostwo 2002, nr 8 s. 24-28.
[3] B. Kwaśniewski, T. Drenger, J. Wiśniewski: Łusz-czenie się powierzchni podczas wydłuŜającego zgniatania obrotowego stopu PA-2. Obróbka Pla-styczna 1983, t.22, nr 1 str. 5, rys.6.
[4] M. Hayama: On the mechanizm of shear spinning. Proc. Int.Conf. Prod. Eng. Tokyp, 1974 P.1, Tokio 1974, 262-267.
[5] J. Bennaton, E. Appleton: An experimental metal-forming machine and ist application to cylindrical flow turming. Proc. Ist Ins. Conf. Rotary Metal-work Process, London 1979, Kompston 1979, s.61-78
[6] W. Polamarczyk: Optymalizacja tehnologiceskih parametrom tengencialnoj obkatki. Kuzneczno-Sztampowocznoje Proizwostwo 1992, nr 2, s.3-4. [7] A.J. Walter i inni: Eksperimantalnoe issledovanie
mahanizma deformacji psi rotacionnoj rytazke. Kuzneczno-Sztampowocznoje Proizwostwo 2004, nr 9, s. 9-11.
[8] C. Malanna i inni: Process parameters In flow forming and how they affect the and produkt. Proc. Ist Ins. Conf. Rotary Metalwork Process, Londyn 1979, Kempston 1979, s.229, 231-242.
[9] J. Wiśniewski, T. Drenger: Praca nr BT/P-08.2/3a/3636. Badania technologii miejscowego zgniatania obrotowego wyrobów rurowych. Bada-nia procesu zgBada-niataBada-nia obrotowego wydłuŜającego rur z materiałów R-35 i R-45. Praca niepubliko-wana.
[10] J. Wiśniewski, B. Kwaśniewski: Nowe konstrukcje maszyn i urządzeń do zgniatania obrotowego. Ma-teriały konferencyjne. Neubrandenburg, NRD czerwiec 1984, s. 13-14.
