Mgr inŜ. Sławomir FRĄCKOWIAK, mgr inŜ. Tadeusz DRENGER, mgr inŜ. Tomasz GĄDEK, mgr inŜ. Łukasz NOWACKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: drenger@inop.poznan.pl
Kształtowanie obrotowe wyrobów z blachy
perforowanej
Rotary forming of perforated metal sheet products
Streszczenie
Rozwój technologii kształtowania obrotowego związany jest zapotrzebowaniem róŜnych gałęzi przemysłu na wyroby w kształcie powłok osiowo symetrycznych. W związku z licznymi zapytaniami do Instytutu Obróbki Plastycznej dotyczącymi moŜliwości kształtowania obrotowego wyrobów z blachy perforowanej, badania takie zostały przeprowadzone w ramach pracy statutowej: Badania innowacyjnych technologii tłoczenia, wyoblania i zgniatania obrotowego, szczególnie wyrobów o złoŜonych kształtach z trudno odkształcalnych i szybko umac-niających się materiałów z wykorzystaniem nowoczesnych technik komputerowych [1]. W artykule przedstawio-no wyniki badań procesu wyoblania części wykonanych z ocynkowanego ogniowo materiału perforowanego Z-275 DX51D oraz materiału perforowanego DC01. W ramach badań został sprawdzony wpływ wielkości otworów perforacji oraz wpływ niedziurkowanego kołnierza z litego materiału na moŜliwości kształtowania ob-rotowego [2-3].
Abstract
The development of rotary forming technology is related to the demand for products in the shape of axisymme-trical coatings in various industry branches. Since the Metal Forming Institute has received many questions concerning the possibility of rotary forming of perforated metal sheet products, such investigation has been per-formed within the statute work: Investigation of innovative technologies of stamping, spinning and flow forming, particularly of complex shaped products of hard-to-deform and quickly consolidating materials, with the use of modern computer techniques [1]. The paper presents the results of investigation of the process of spinning parts made of hot-dip zinc coated perforated Z-275 DX51D material and perforated DC01 material. The investi-gation included determination of the influence of the perforation hole size and the influence of not perforated flange of solid material on the possibilities of rotary forming [2-3].
Słowa kluczowe: blacha perforowana, kształtowanie obrotowe, odspręŜynowanie
Keywords: perforated sheet, rotary forming, springback
1. WPROWADZENIE
Wyoblaniem określa się metodę obróbki blach, polegającą na wywieraniu narzędziem (rolką wyoblającą) nacisku na materiał tak, aby przyjął on kształt obracającego się wzornika. Metodą tą uzyskuje się wyroby cienkościenne o kształcie brył obrotowych, niejednokrotnie o bardzo skomplikowanej konstrukcji. W pro-cesie wyoblania nie następuje zamierzona zmiana grubości tzn. grubość krąŜka wyjścio-wego blachy i wyrobu powinny być takie same.
1. INTRODUCTION
Spinning is a method of metal sheet pro-cessing consisting in applying tool (spinning roll) pressure to the material so that it takes the shape of a rotating mandrel. By this method, thin wall products with the shape of bodies of revolution are obtained, often ones of very complicated design. In the process of spinning no intended change of the sheet thickness takes place, i.e the thickness of the initial material and that of the product should be the same.
S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki
92
Przebieg procesu wyoblania przedstawiono na rys. 1. KrąŜek blachy (3) zostaje załoŜony na kołek centrujący (5). Następnie dosuniecie dociskacza (6) do materiału powoduje jego zaciśniecie na wzorniku (2). W trakcie procesu wzornik, materiał wyjściowy i dociskacz obra-cają się wraz z wrzecionem maszyny (wy-oblarki). Następnie rolka wyoblająca (4) doci-skana jest do obracającego się krąŜka blachy i stopniowo kształtuje go na wzorniku [4-5].
The spinning process proceeding is shown in fig. 1. A metal sheet disc (3) is put on the centering pin (5). Then, the bail moves to the material, which results in the material clamping on the mandrel (2). During the pro-cess, the templet, the initial material and the bail rotate together with spindle of the ma-chine. Next, the spinning roll (4) is pressed against the rotating metal sheet disc and gradually forms it on the mandrel [4-5].
Rys. 1. Schemat procesu wyoblania (opis w tekście) Fig. 1. A diagram of the spinning process (description in the text)
2. BADANIA
2.1. Przedmiot i metodyka badań
Badania procesu kształtowania obrotowe-go blach perforowanych zostały przeprowa-dzone na wyoblarce MZH-500 (rys. 2). Do badań wykorzystano dwa gatunki stali DC01 oraz Z-275 DX51D ocynkowaną ogniowo o grubości 1 mm. Kształt próbnego wyrobu przedstawiono na rys. 3. Układ perforacji bla-chy przyjętej do badań przedstawiono na rys. 4.
2. INVESTIGATION
2.1. Investigation object and methodology
The investigation of the process of rotary forming of perforated metal sheets has been performed on an MZH-500 spinning machine (fig. 2). Two steel grades have been used in the investigation, i.e. DC01 and hot-dip zinc coated DX51D with the thickness of 1 mm. The shape of the test product can be seen in fig. 3. The perforation arrangement of the test sheet has been shown in fig. 4.
Rys. 2. Wyoblarka MZH-500 Fig. 2. MZH-500 spinning machine
Rys. 3. Kształt perforowanego wyrobu, gdzie: D - średnica zewnętrzna wyrobu, g - grubość ścianki, H - wysokość wyrobu, h - wysokość części cylindrycznej, R - promień przy kołnierzu
Fig. 3. Perforated product shape, where: D - outer diameter of the product, g – wall thickness, H – product height, h – height of the cylindrical part, R – radius at the flange
Rys. 4. Układ perforacji blachy: a - średnica otworu, t - odległość pomiędzy otworami Fig. 4. Sheet perforation arrangement: a – hole diameter, t – distance between the holes
S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki
94
Próbki do badań z materiału Z-275 DX51D zostały wykonane na wykrawarce współrzędnościowej w trzech wersjach. W wersji 1. wykonane zostały trzy krąŜki o średnicy 525 mm z otworami 4 mm i sko-kiem 5 mm (perforacja Rv 4-5), a perforacja została wykonana do średnicy 505 mm (rys. 5a). W wersji 2. zostały wykonane trzy krąŜki z otworami 4 mm i skokiem 5 mm (perforacja Rv 4-5), a perforacja została wykonana na ca-łym krąŜku (rys. 5b.). W wersji 3. wykonano trzy krąŜki o zmniejszonych otworach do 2 mm i o skoku 3 mm (perforacja Rv 2-3), a perfora-cja została wykonana do średnicy 505 mm.
Materiał do badań ze stali DC01 został zakupiony z juŜ wykonaną perforacją o średni-cy otworów 4 mm i skoku 5 mm (perforacja Rv 4-5). Zostały przygotowane trzy krąŜki o śred-nicy 525 mm, wycięte na noŜycach krąŜko-wych.
Badania procesu kształtowania obrotowe-go wyrobów z blachy perforowanej rozpoczęto od wyznaczenia średnicy krąŜka. Za pomocą wzorów matematycznych opisujących geome-trię została obliczona teoretyczna średnica równa 545 mm. Dla wyznaczonej średnicy krąŜka została przeprowadzona próba wyobla-nia dla stali DC01 (bez perforacji). Stwierdzo-no, Ŝe ze względu na wystąpienie nie zamie-rzonego pocienienia ścianki wyrobu, średnicę krąŜka naleŜy zmniejszyć do 525 mm.
Z-275 DX51D material samples have been made on a coordinate punching machine in three versions. In version 1, three discs with diameter of 525 mm with 4 mm holes and 5 mm stroke have been made (perforation Rv 4-5) and the perforation has been made up to the diameter of 505 mm (fig. 5a). In version 2, three discs have been made with holes of 4 mm and stroke of 5 mm (perforation Rv 4-5) and the perforation has been made on the whole disc (fig. 5b). In version 3, three discs with holes reduced down to 2 mm have been made with the stroke of 3mm (perforation Rv 2-3) and the perforation has been made up to the diameter of 505 mm.
The DC01 steel test material has been pur-chased with ready made perforation with the hole diameter of 4 mm and stroke of 5 mm (perforation Rv 4-5). Three discs with the dia-meter of 525 mm have been cut on a rotary cutter.
The investigation of the process of rotary forming of perforated sheet products has been started with the determination of the disc dia-meter. Mathematical formulae describing geo-metry have been used to calculate the theoreti-cal diameter of 545 mm. With the determined disc diameter, a spinning test for the DC 01 steel has been performed (without perforation). It has been found that, due to unintended thi-nning of the product wall, the disc diameter should be reduced down to 525 mm.
Rys. 5. KrąŜek blachy: a) z kołnierzem z materiału litego, b) bez kołnierza Fig. 5. Metal sheet disc: a) with a solid material flange, b) without flange
Po wstępnej próbie przystąpiono do badań procesu kształtowania blachy perforowanej z materiału Z-275 DX51D z perforacją wg wer-sji 1. W trakcie procesu zauwaŜono bardzo duŜe spręŜynowanie powrotne materiału. Gdy rolka wyoblająca kształtowała strefę przej-ściową, pomiędzy częścią stoŜkowa a cylin-dryczną nastąpiło gwałtowne pofałdowanie materiału (rys. 6).
W kolejnej próbie, celem zmniejszenia spręŜynowania materiału zmniejszono szczeli-nę pomiędzy wzornikiem a rolką. W efekcie uzyskano zmniejszenie spręŜynowania materia-łu na części stoŜkowej wzornika. Jednak w trakcie formowania strefy przejściowej mate-riał nadal wykazywał duŜy opór, co spowodo-wało jego pofałdowanie.
W trzeciej próbie pozostawiono zmniej-szoną szczelinę dla strefy stoŜkowej i zwięk-szono liczbę przejść rolki wyoblającej dla stre-fy przejściowej. Taki sposób kształtowania spowodował uzyskanie wyrobu o poprawnej geometrii części stoŜkowej, ale wystąpiło duŜe spręŜynowanie w części przejściowej i cylin-drycznej (rys. 7a). Próba z zastosowaniem do-datkowego przejścia ze zmniejszoną szczeliną zakończyła się pęknięciem materiału (rys. 7b).
Pierwsza próba kształtowania obrotowego krąŜka z blachy perforowanej wg wersji 2. bez kołnierza została przeprowadzona, przy zasto-sowaniu parametrów z ostatniej próby wyobla-nia krąŜka z kołnierzem z materiału litego. Brak kołnierza spowodował uzyskanie prawi-dłowej geometrii wyrobu, a kształt otworów w części stoŜkowej uległ minimalnej zmianie. Największa deformacja otworów miała miejsce w strefie przejściowej oraz w strefie cylin-drycznej (rys. 8).
After an initial test, investigation of for-ming Z-275 DX51D material with perforation version 1 has been launched. During the pro-cess large material springback has been ob-served. When the spinning roll was forming the transition zone between the conic part and the cylindrical one, rapid corrugation of the material took place (fig. 6).
In a subsequent trial, the gap between the templet and the roll has been reduced in or-der to reduce the springback. As a result, mate-rial springback reduction on the conical part of the templet has been obtained. However, in the course of forming the transition zone, the material has shown high resistance result-ing in its corrugation. In the third test, the re-duced gap has been left for the conical zone and the number of the spinning roll passes for the transition zone has been increased. Such way of forming has resulted in obtaining a pro-duct with correct geometry of the conical part, but large springback in the transition part and the cylindrical one took place (fig. 7a). A test with the application of an additional pass with a reduced gap resulted in material crack (fig. 7b).
The first test of forming a perforated sheet disc in version 2 without a flange has been per-formed with the parameters of the last test of spinning a disc with a solid material flange. The lack of the flange has resulted in correct geometry of the product and the shape of holes in the conical part has undergone a slight change. The most severe deformation of the holes took place in the transitional part and in the cylindrical one (fig. 8).
Rys. 6. Pofałdowany wyrób po pierwszej próbie wyoblania z materiału perforowanego wg wersji 1 Fig. 6. Corrugated product after the first trial of spinning the material perforated according to version 1
S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki
96
a)
b)
Rys. 7. Wyroby z blachy perforowanej wg wersji 2. a) ze zmniejszoną szczelina i dodatkowymi przejściami wyoblającymi, b) z dodatkowym przejściem wyoblającym
Fig. 7. Perforated metal sheet products according to version 2. a) with reduced gap and additional spinning passes, b) with an additional spinning pass
Rys. 8. Wyrób z blachy perforowanej wg. wariantu drugiego bez kołnierza Fig. 8. A perforated sheet product according to the second variant, without a flange
Istnienie kołnierza z materiału litego ma istotny wpływ na przebieg procesu wyoblania blachy perforowanej. Kołnierz ma większą sztywność od materiału perforowanego, co prowadzi do większego odkształcenia perfora-cji znajdującej się w pobliŜu materiału litego.
Kolejne badania procesu kształtowania obrotowego krąŜka z blachy perforowanej bez kołnierza przeprowadzono dla blachy z perfo-racją wg wersji 3. Celem zmniejszenia wpływu sztywnego kołnierza na perforację zastosowano zmniejszenie otworów i odległości pomiędzy otworami. Badania przeprowadzono na trajek-torii z wcześniejszych badań. W trakcie badań zauwaŜono, Ŝe materiał wykazuje większe spręŜynowanie, niŜ w przypadku perforacji wg wersji 3. Próby zminimalizowania spręŜyno-wania poprzez zwiększenie odkształcenia skut-kowały pęknięciem materiału w okolicy doci-skacza (rys. 9).
Do kolejnych badań procesu kształtowania obrotowego blachy perforowanej wykorzystano arkusz blachy perforowanej o grubości 1mm, z układem perforacji wg wersji 1. Pierwsza próba została przeprowadzona z zastosowa-niem wcześniejszych ustawień parametrów i programu sterującego, i otrzymano wyrób o poprawnej geometrii oraz minimalnych de-formacjach otworów (rys. 10).
The existence of a solid material flange strongly influences the process of spinning per-forated sheet. The flange is more stiff than the perforated material, which results in more deformation of the perforation located near the solid material.
The next investigation of rotary forming of a flangeless disc of perforated sheet have been performed with sheet perforation accor-ding to version 3. In order to reduce the stiff flange influence on the perforation, the hole sizes and the distances between the holes have been reduced. The tests have been performed on the trajectory from preceding trials. During the tests, it has been observed that the material shows more springback than in the case of per-foration version 3. Attempt to minimize the springback by increase of deformation have resulted in material cracking in the vicinity of the bail (fig. 9).
The subsequent tests of rotary forming of perforated metal sheet were effected with the use of a 1 mm thick perforated sheet with perforation arrangement version 1.
The first trial has been performed with the previous settings of parameters and the control program; a product with correct geometry and slight deformations of the holes has been obtained (fig. 10).
Rys. 9. Wyrób z blachy perforowanej w wersji 2. z minimalnym kołnierzem Fig. 9. A product made of perforated sheet in version 2 with a very small flange
S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki
98
Rys. 10. Wyrób z blachy perforowanej wg wariantu drugiego bez kołnierza Fig. 10. A product of perforated sheet according to the second variant, without a flange
3. WYNIKI BADAŃ
Odkształcone w trakcie wyoblania otwory dają moŜliwość oceny wielkości lokalnych odkształceń. Poprzez pomiar maksymalnych i minimalnych osi otworów moŜna ocenić war-tość odkształcenia w kierunku promieniowym, gdzie następuje wydłuŜanie i w kierunku po-przecznym, gdzie materiał ulega spęczeniu. Wzrost grubości materiału w trakcie wyoblania materiału perforowanego jest relatywnie mniej-szy, niŜ w przypadku materiału bez perforacji. Miejsca pomiaru otworów na wyrobie z blachy perforowanej zostały przedstawione na rys. 11.
Wyniki pomiarów przedstawiono w tabli-cy 1. Pomiarów dokonano po dwóch przeciw-ległych stronach na pobocznicy wytłoczki i oznaczono jako A i B [1].
3. INVESTIGATION RESULTS
The holes deformed during spinning pro-vide the possibility of assessment of the magni-tude of local deformations. By measuring the maximum and the minimum axes of the holes, one can assess the magnitude of de-formation in the radial direction where elonga-tion takes place and in the transverse direcelonga-tion where the material is upset. The increase of the material thickness in the course of perfo-rated material spinning is relatively smaller than in the case of material without perfora-tion. The hole measurement points on a pro-duct made of perforated metal sheet can be seen in fig. 11.
The measurement results have been shown in table 1. The measurements have been done on two opposite sides on the side wall of the drawpiece and they have been desig-nated as A and B [1].
Rys. 11. Sposób pomiaru otworów Fig. 11. The method of hole measurement
Tablica 1. Wyniki pomiarów otworów w cześci przejsciowej i cylindrycznej Table 1. The results of hole measurements in the transition part and in the cylindrical one
Pomiar otworów Strona A [mm] Hole measurement Side A [mm] Pomiar otworów Strona B [mm] Hole measurement Side B [mm] Detal Detail Nr pomiaru Measurement No. b a b a Uwagi Notes 1 4.41 3.94 4.59 4.03 2 4.97 3.74 5.32 3.84 3 5.76 3.23 5.98 3.37 4 4.93 3.85 4.67 3.61 Materiał Z-275 DX51D z kołnierzem Rv 4-5 Material Z-275DX51D with flange Rv 4-5 5 4.29 3.98 4.34 3.99
Wyrób wykazuje bardzo duŜe spręŜynowanie w części cylindrycznej
The product show high springback in the cylindrical
part 1 4.19 3.93 4.14 3.96 2 4.26 3.87 4.34 3.85 3 4.62 3.72 4.54 3.68 4 4.35 3.81 4.27 3.78 Materiał Z-275 DX51D bez kołnierza Rv 4-5 Material Z-275DX51D without a flange Rv 4-5 5 4.17 3.96 4.15 3.89 1 4.01 3.87 4.03 3.95 2 4.17 3.85 4.25 3.93 3 4.18 3.91 4.32 3.92 4 4.11 3.93 4.13 3.97 Materiał DC01 bez kołnierza Rv 4-5 Material DC01 without flange Rv 4-5 5 4.05 3.99 4.01 4.00 4. WNIOSKI
Przeprowadzone dotychczas badania po-zwoliły na sformułowanie następujących wnio-sków:
• Technologia kształtowania obrotowego jest moŜliwa do zastosowania przy kształtowa-niu blach perforowanych.
• Zastosowanie kołnierza z materiału litego utrudnia kształtowanie wyrobu o Ŝądanej geometrii i powoduje większą deformacje otworów.
• Właściwości materiału i wielkość otworów oraz ich rozmieszczenie mają istotny wpływ na przebieg procesu wyoblania i uzyskaną jakość wyrobu wyoblanego. • Dalsze badania wymagają określenia
wpływu parametrów procesu i doboru od-powiednich rolek do sposobu i skali perfo-racji materiału.
4. CONCLUSIONS
The investigation performed so far have allowed us to formulate the following conclu-sions:
● The technology of rotary forming is can
be applied in forming perforated metal sheets.
● The application of a solid material flange
makes it difficult to make a product of de-sired geometry and results more deforma-tion of the holes.
● The material properties, as well as the size
and distribution of the holes have a signifi-cant influence on the spinning process and the quality of the spinned product.
● Further investigation requires the
determi-nation of the influence of the process pa-rameters and the selection of adequate rolls to the method and scale of the material per-foration.
S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki 100 LITERATURA/REFERENCES [1] Praca statutowa BT 901.84 pt. „BBaaddaanniiaaiinnnnoowwaaccyyjjnnyycchhtteecchhnnoollooggiiiittłłoocczzeenniiaa,,wwyyoobbllaanniiaaiizzggnniiaattaanniiaaoobbrroottoowweeggoo,, s szzcczzeeggóóllnniieewwyyrroobbóówwoo zzłłooŜŜoonnyycchh kksszzttaałłttaacchh zzttrruuddnnoo ooddkksszzttaałłccaallnnyycchh iisszzyybbkkoo uummaaccnniiaajjąąccyycchh ssiięę mmaatteerriiaałłóóww z zwwyykkoorrzzyyssttaanniieemmnnoowwoocczzeessnnyycchhtteecchhnniikkkkoommppuutteerroowwyycchh..
[2] Muzykiewicz W.: Makroskopowa niejednorodność odkształcenia plastycznego blach perforowanych. W: Polska metalurgia w latach 1998–2002 t. 1 s. 373-379.
[3] Muzykiewicz W., Rękas A.: Doświadczalne określanie odkształcalności granicznej blach perforowanych. W: Polska metalurgia w latach 2002–2006 s. 541-546.
[4] Frąckowiak S.: Projektowanie procesów technologicznych wytłoczek osiowosymetrycznych na wyoblarkach ste-rowanych CNC. Designing technological processes of axisymmetrical drawpieces on CNC spinning machines. Obróbka Plastyczna Metali 2011 t.22 nr 1 s. 45-56.
[5] Drenger T., Nowacki Ł., Gądek T., Frąckowiak S., Pawlicki M.: Kształtowanie obrotowe wyrobów z materiałów trudno odkształcalnych. Projektowanie i Konstrukcje InŜynierskie 2011 nr 10 s. 12-17.
