Obróbka Plastyczna Metali Vol. XXIII Nr 2 (2012) Procesy kształtowania wyrobów z blach 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 umacniających się materiałów z wykorzystaniem nowoczesnych technik komputerowych [1]. W artykule przedstawiono 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 obrotowego [2-3]. Abstract The development of rotary forming technology is related to the demand for products in the shape of axisymmetrical 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 performed 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 investigation 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 procesie wyoblania nie następuje zamierzona zmiana grubości tzn. grubość krąŝka wyjściowego blachy i wyrobu powinny być takie same. 1. INTRODUCTION Spinning is a method of metal sheet processing 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.
92 S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki 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 obracają się wraz z wrzecionem maszyny (wyoblarki). Następnie rolka wyoblająca (4) dociskana 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 process, the templet, the initial material and the bail rotate together with spindle of the machine. 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 obrotowego blach perforowanych zostały przeprowadzone 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 blachy 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.
Kształtowanie obrotowe wyrobów z blachy perforowanej 93 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
94 S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki 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 skokiem 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 całym 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 perforacja została wykonana do średnicy 505 mm. Materiał do badań ze stali DC01 został zakupiony z juŝ wykonaną perforacją o średnicy otworów 4 mm i skoku 5 mm (perforacja Rv 4-5). Zostały przygotowane trzy krąŝki o średnicy 525 mm, wycięte na noŝycach krąŝkowych. Badania procesu kształtowania obrotowego wyrobów z blachy perforowanej rozpoczęto od wyznaczenia średnicy krąŝka. Za pomocą wzorów matematycznych opisujących geometrię została obliczona teoretyczna średnica równa 545 mm. Dla wyznaczonej średnicy krąŝka została przeprowadzona próba wyoblania dla stali DC01 (bez perforacji). Stwierdzono, Ŝe ze względu na wystąpienie nie zamierzonego 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 purchased with ready made perforation with the hole diameter of 4 mm and stroke of 5 mm (perforation Rv 4-5). Three discs with the diameter 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 diameter. Mathematical formulae describing geometry have been used to calculate the theoretical 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 thinning 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
Kształtowanie obrotowe wyrobów z blachy perforowanej 95 Po wstępnej próbie przystąpiono do badań procesu kształtowania blachy perforowanej z materiału Z-275 DX51D z perforacją wg wersji 1. W trakcie procesu zauwaŝono bardzo duŝe spręŝynowanie powrotne materiału. Gdy rolka wyoblająca kształtowała strefę przejściową, pomiędzy częścią stoŝkowa a cylindryczną nastąpiło gwałtowne pofałdowanie materiału (rys. 6). W kolejnej próbie, celem zmniejszenia spręŝynowania materiału zmniejszono szczelinę pomiędzy wzornikiem a rolką. W efekcie uzyskano zmniejszenie spręŝynowania materiału na części stoŝkowej wzornika. Jednak w trakcie formowania strefy przejściowej materiał nadal wykazywał duŝy opór, co spowodowało jego pofałdowanie. W trzeciej próbie pozostawiono zmniejszoną szczelinę dla strefy stoŝkowej i zwiększono liczbę przejść rolki wyoblającej dla strefy przejściowej. Taki sposób kształtowania spowodował uzyskanie wyrobu o poprawnej geometrii części stoŝkowej, ale wystąpiło duŝe spręŝynowanie w części przejściowej i cylindrycznej (rys. 7a). Próba z zastosowaniem dodatkowego 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 zastosowaniu parametrów z ostatniej próby wyoblania krąŝka z kołnierzem z materiału litego. Brak kołnierza spowodował uzyskanie prawidłowej geometrii wyrobu, a kształt otworów w części stoŝkowej uległ minimalnej zmianie. Największa deformacja otworów miała miejsce w strefie przejściowej oraz w strefie cylindrycznej (rys. 8). After an initial test, investigation of forming Z-275 DX51D material with perforation version 1 has been launched. During the process large material springback has been observed. 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 order to reduce the springback. As a result, material 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 resulting in its corrugation. In the third test, the reduced 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 product 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 performed 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
96 S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki 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
Kształtowanie obrotowe wyrobów z blachy perforowanej 97 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 perforacji znajdującej się w pobliŝu materiału litego. Kolejne badania procesu kształtowania obrotowego krąŝka z blachy perforowanej bez kołnierza przeprowadzono dla blachy z perforacją wg wersji 3. Celem zmniejszenia wpływu sztywnego kołnierza na perforację zastosowano zmniejszenie otworów i odległości pomiędzy otworami. Badania przeprowadzono na trajektorii z wcześniejszych badań. W trakcie badań zauwaŝono, Ŝe materiał wykazuje większe spręŝynowanie, niŝ w przypadku perforacji wg wersji 3. Próby zminimalizowania spręŝynowania poprzez zwiększenie odkształcenia skutkowały pęknięciem materiału w okolicy dociskacza (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 zastosowaniem wcześniejszych ustawień parametrów i programu sterującego, i otrzymano wyrób o poprawnej geometrii oraz minimalnych deformacjach otworów (rys. 10). The existence of a solid material flange strongly influences the process of spinning perforated 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 according 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 perforation 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
98 S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki 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 wartość odkształcenia w kierunku promieniowym, gdzie następuje wydłuŝanie i w kierunku poprzecznym, gdzie materiał ulega spęczeniu. Wzrost grubości materiału w trakcie wyoblania materiału perforowanego jest relatywnie mniejszy, niŝ w przypadku materiału bez perforacji. Miejsca pomiaru otworów na wyrobie z blachy perforowanej zostały przedstawione na rys. 11. Wyniki pomiarów przedstawiono w tablicy 1. Pomiarów dokonano po dwóch przeciwległych stronach na pobocznicy wytłoczki i oznaczono jako A i B [1]. 3. INVESTIGATION RESULTS The holes deformed during spinning provide the possibility of assessment of the magnitude of local deformations. By measuring the maximum and the minimum axes of the holes, one can assess the magnitude of deformation in the radial direction where elongation takes place and in the transverse direction where the material is upset. The increase of the material thickness in the course of perforated material spinning is relatively smaller than in the case of material without perforation. The hole measurement points on a product 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 designated as A and B [1]. Rys. 11. Sposób pomiaru otworów Fig. 11. The method of hole measurement
Kształtowanie obrotowe wyrobów z blachy perforowanej 99 Detal Detail 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 Nr pomiaru Measurement No. Pomiar otworów Strona A [mm] Hole measurement Side A [mm] Pomiar otworów Strona B [mm] Hole measurement Side B [mm] b a b a Materiał 1 4.41 3.94 4.59 4.03 Z-275 DX51D z kołnierzem 2 4.97 3.74 5.32 3.84 Rv 4-5 3 5.76 3.23 5.98 3.37 Material Z-275DX51D 4 4.93 3.85 4.67 3.61 with flange Rv 4-5 5 4.29 3.98 4.34 3.99 Materiał 1 4.19 3.93 4.14 3.96 Z-275 DX51D bez kołnierza 2 4.26 3.87 4.34 3.85 Rv 4-5 3 4.62 3.72 4.54 3.68 Material Z-275DX51D 4 4.35 3.81 4.27 3.78 without a flange Rv 4-5 5 4.17 3.96 4.15 3.89 Materiał DC01 1 4.01 3.87 4.03 3.95 bez kołnierza Rv 4-5 2 4.17 3.85 4.25 3.93 Material 3 4.18 3.91 4.32 3.92 DC01 without flange 4 4.11 3.93 4.13 3.97 Rv 4-5 5 4.05 3.99 4.01 4.00 Uwagi Notes Wyrób wykazuje bardzo duŝe spręŝynowanie w części cylindrycznej The product show high springback in the cylindrical part 4. WNIOSKI Przeprowadzone dotychczas badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków: Technologia kształtowania obrotowego jest moŝliwa do zastosowania przy kształtowaniu 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 odpowiednich rolek do sposobu i skali perforacji materiału. 4. CONCLUSIONS The investigation performed so far have allowed us to formulate the following conclusions: 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 desired geometry and results more deformation of the holes. The material properties, as well as the size and distribution of the holes have a significant influence on the spinning process and the quality of the spinned product. Further investigation requires the determination of the influence of the process parameters and the selection of adequate rolls to the method and scale of the material perforation.
100 S. Frąckowiak, T. Drenger, T. Gądek, Ł. Nowacki LITERATURA/REFERENCES [1] Praca statutowa BT 901.84 pt. Badania innowacyjnych technologii tłoczenia, wyoblania i zgniatania obrotowego, szczególnie wyrobów o złoŝonych kształtach z trudno odkształcalnych i szybko umacniających się materiałów z wykorzystaniem nowoczesnych technik komputerowych. [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 sterowanych 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.