Tłoczenie stopniowe blach (ISF) to nowoczesna i elastyczna metoda kształtowania, umożliwiająca szybkie wytwarzanie złożonych elementów bez użycia kosztownych tłoczników, jednak jej skuteczność w dużej mierze zależy od odpowiedniego doboru parametrów procesu i kontroli jakości powierzchni.
fot. iStockZ artykułu dowiesz się:
- jakie są podstawowe odmiany tłoczenia stopniowego oraz różnice między metodami SPIF i TPIF,
- które parametry procesu mają najważniejszy wpływ na jakość wyrobu,
- jakie są najczęstsze błędy geometryczne i defekty powierzchni oraz jak można je ograniczać.
W procesie tłoczenia stopniowego blach, nazywanego również kształtowaniem przyrostowym (ang. incremental sheet forming – ISF), trzpień formujący o zaokrąglonej końcówce kształtuje stopniowo blachę, wykonując zintegrowany ruch wzdłuż zaprogramowanej trajektorii dostosowanej do kształtu wyrobu. W podstawowej metodzie tłoczenia stopniowego jednopunktowego (ang. single-point incremental forming – SPIF), kształtowanie blachy odbywa się w sposób swobodny – nacisk narzędzia na blachę jest wywierany jednostronnie. W metodzie kształtowania stopniowego z przeciwnarzędziem (ang. two-point incremental forming – TPIF) dodatkowy trzpień porusza się po przeciwnej stronie blachy, po odpowiednio skorygowanej trajektorii względem narzędzia głównego. Technologia tłoczenia stopniowego, dzięki dużej elastyczności w zakresie zmiany kształtu wyrobu, parametrów kształtowania oraz narzędzi, znajduje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i medycynie implantacyjnej, gdzie wymagane jest szybkie wytworzenie zindywidualizowanych wyrobów, bez konieczności wytwarzania klasycznych tłoczników. Zaleta ta znacząco obniża koszty wytwarzania prototypów i małych serii produkcyjnych. Podział metod tłoczenia stopniowego ze względu na różne odmiany procesu przedstawiono na rys. 1.
Do realizacji większości procesów tłoczenia stopniowego wymagane jest wykorzystanie obrabiarki CNC sterowanej przynajmniej w trzech osiach. Chociaż na rynku dostępne są specjalistyczne i specjalizowane maszyny dedykowane do tłoczenia stopniowego, w procesie obróbki powszechnie wykorzystuje się konwencjonalne frezarki (3-, 4- lub 5-osiowe), centra obróbkowe lub roboty przemysłowe, które zapewniają większą elastyczność obróbki podczas kształtowania dużych elementów powłokowych. Podstawowymi parametrami procesu tłoczenia stopniowego są: prędkość obrotowa narzędzia (n), prędkość posuwu narzędzia (f), strategia obróbki (rodzaj trajektorii narzędzia), skok narzędzia (ap), promień końcówki roboczej narzędzia (r) oraz warunki smarowania. Prędkość obrotowa narzędzia formującego może dochodzić do 20 000 obr/min [1], jednak w większości metod SPIF narzędzie wykonuje wymuszony ruch obrotowy z prędkością obrotową w zakresie 200-1000 obr/min. Większe prędkości obrotowe trzpienia, poprzez intensywniejsze nagrzewanie tarciowe materiału blachy, pozwalają na zadawanie większych odkształceń plastycznych materiału bez ryzyka powstania pęknięć. Prędkość posuwu narzędzia, podobnie jak prędkość obrotowa, zależy od specyfiki geometrycznej i technologicznej procesu i mieści się zwykle w zakresie 300-2000 mm/min [2]. Chociaż narzędzia pracujące z wymuszonym ruchem obrotowym dominują w badaniach nad rozwojem tłoczenia stopniowego, równolegle prowadzone są badania nad stosowaniem narzędzi ułożyskowanych swobodnie oraz narzędzi zamocowanych nieobrotowo.
Dokładność geometryczna
W zależności od gatunku kształtowanego materiału, wytłoczki kształtowane metodą tłoczenia stopniowego mogą wykazywać duże wartości odkształceń sprężystych w trakcie obróbki i po wyjęciu wyrobu z matrycy. w tej chwili stosuje się wiele strategii pozwalających zminimalizować lub wyeliminować błędy wyrobów związane z odkształceniami sprężystymi: optymalizacja trajektorii narzędzia, obróbka w podwyższonej temperaturze lub stosowanie dodatkowego podparcia po swobodnej stronie blachy, które stabilizuje materiał podczas kształtowania. Według Pepelnjak i in. [3] oraz Micariego i in. [4] błędy geometryczne wyrobów uzyskanych metodą SPIF można podzielić na trzy grupy. Pierwszym rodzajem błędu geometrycznego wytłoczek jest wypukłość lub wklęsła krzywizna występująca w dnie wytłoczki, znana również jako „efekt poduszki” (ang. pillow effect) (rys. 2). Błąd ten jest szczególnie widoczny w przypadku wytłoczek z płaskim dnem [5]. Drugim źródłem niedokładności geometrycznej jest sprężyste odkształcenie ścianek bocznych po wyjęciu wytłoczki z matrycy (rys. 2). Trzeci rodzaj niedokładności geometrycznej występuje na wewnętrznej krawędzi wytłoczki i jest spowodowany niepożądanym gięciem zaciśniętej blachy wzdłuż krawędzi podstawy (rys. 2).
Strategia obróbki
Do głównych strategii toru narzędzia zalicza się trajektorie: spiralną, konturową oraz adaptacyjną. Przez różny sposób zadawania odkształceń plastycznych strategia obróbki bezpośrednio wpływa na charakter śladów pozostawianych przez narzędzie na powierzchni wyrobu. Strategie obróbki o niejednorodnej trajektorii (np. strategia konturowa) mogą prowadzić do lokalnych koncentracji naprężeń i potencjalnych defektów powierzchniowych, natomiast strategie ciągłe (np. spiralna) sprzyjają równomiernemu odkształceniu materiału oraz bardziej jednorodnej topografii warstwy wierzchniej.
