Orbitálne tvárnenie zliatiny Al-Mg3Orbital forging alloys on base AL (Al-Mg3)

Tibor DoničDalibor Kadáš

Katedra technologického inžinierstva, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzitav Žiline, Veľký diel, 010 26 Žilina, Slovenská republika.

(Department of Technological Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University ofŽilina, Veľký diel, 010 26 Žilina, Slovak Republic)

Abstrakt:Rotary forging is a relatively new manufacturing technology for metals,combining upsetting and rolling. Force application has an incremental

character, which to affect facilities and effectiveness process, advantages likethe decrease of applied loads (up to a tenth), lowering of friction, good part

quality, and a good production sequencing. Kinematics and parametersmovement make use of in technology orbital forging self influence on

mechanical and physical properties forming material. In the experimentalsection experimental results of forming tests are presented, applying various

parameters of orbital motion. Parameters the number of revolutions, the frictionfactor, temperature limiting plasticity are analysed in back extrusion of material

on the base of Al-Mg.

1. ÚVODOrbitálne tvárnenie za studena je relatívne pokrokovou, novou technológiouobjemového tvárnenia kovov, ktorá v sebe kombinuje axiálne stláčanie s

radiálnym valcovaním, a je čím ďalej vo svete atraktívnejšia. Tvárniaca sila,produkovaná hydraulickým alebo pneumatickým lisom, má inkrementálny

charakter a účinkuje cez nástroj, vykonávajúci definovaný pohyb, na materiál vzápustke zapríčiňujúc deformáciu segmentu plochy kontaktu, ktorá oscilujeokolo vertikálnej osi. Výhody a priemyselné použitie charakterizujúce túto

technológiu je možné zhrnúť do nasledovných bodov:– vysoká povrchová kvalita výtvarkov,

– nízke tvárniace sily a teda relatívne nízka cena zápustiek,– možné veľké deformácie bez porušenia materiálu,

– redukovaný hluk vo výrobe,– možnosť aplikácie na výrobu tenkostenných výtvarkov.

2. PRINCÍP ORBITÁLNEHO TVÁRNENIA

Špecifický pohyb nástroja, ktorý je základným rozdielom medzi konvenčnýmlisovaním a orbitálnym tvárnením, má dva základné tvary trajektórie bodu osi

nástroja po ploche rovnobežnej s dotykovou plochou medzi nástrojom amateriálom. Tento rozdiel je schematicky prezentovaný na obr.1, kde je

doplnená poloha nástroja (uhol náklonu γ) o pôsobenie nástroja na materiál, tzn.kontaktná plocha , oproti konvenčnému lisovaniu.

Schéma pohybu nástroja, resp. bodu na predĺženej osi nástroja jeprezentovaná na obrázku 2. Bod osi sa pohybuje po krivke, ktorej tvar závisí odvzájomného pomeru rýchlostí dvoch výsledne zložených pohybov po kružnici a

po priamke. Mechanizmus zabezpečujúci tento pohyb je schematickyznázornený na obr. 4. Pre ilustráciu sú uvedené aj všeobecné tvary výsledných

kriviek, obr. 3.Je potrebné si však vyjasniť akú relatívnu rýchlosť má častica materiálu

nástroja pri pôsobení na časticu tvárneného materiálu.

a) b)

Obr. 1 Porovnanie dotykových plôch a síl pri stláčaní valcových polotovarov medzi konvenčnýmlisovaním (a) a technológiou orbitálneho tvárnenia (b)

Rýchlosť nástroja lokalizovaná v určitom bode na priemere vzorky nászaujíma hlavne z hľadiska veľkosti a smeru rýchlosti deformovania, v našomprípade neuvažujeme aj o posuve nástroja v smere osi vzorky. Po rozložení

pohybu na pohyb po kružnici a po priamke a ich následnom definovanídostávame vzťah pre rýchlosť nástroja v dotykovej rovine na polomere r a prizákladných otáčkach rýchlejšieho vretena 1 (obr.3) a pri prevodovom pomere

remeníc N:tRvr .cos.. ωω= , (1)

vr je radiálna (po priamke) rýchlosť, kde R a ω sú polomer vzorky (resp.excentricita nástroja) a uhlová rýchlosť hnacieho vretena.

RrNrvt ,0,.. ∈=ω (2)vt je tangenciálna rýchlosť (obvodová), r – polomer kružnice na ktorej leží

skúmaná častica. Teda:).(cos... 222222 tRNrvvv tr ωω +=+= (3)

Túto rýchlosť je možné porovnať s rýchlosťou tvárnenia pri dynamickomstláčaní (ubíjaní) na vačkovom plastometri, kde docielime po naplánovanom

experimente optimálnu hodnotu rýchlosti tvárnenia materiálu, v našom prípadezliatiny AlMg3. Optimálnou rýchlosťou je rýchlosť, pri ktorej ešte nedochádza k

výraznému spevňovaniu materiálu a rastu hodnoty medze sklzu.

Obr. 2 Schéma pohybu bodu osi nástroja po mnoholistej špirále

Obr. 3 Základné schémy trajektórií pohybu nástroja, (a) – mnoholistá špirála, čísla informujú oporadí vykonanej slučky,(b) – Archimedova špirála, nástroj sa od stredu opäť vracia po špirále

Obr. 4 Schéma kinematických väzieb v tvárniacej technologickej hlavici, 1 – remenica pre kývavýpohyb, 2 – remenica pre rotačný pohyb , 3 – puzdro, 4 – unášač, excenter, 5 – vreteno, 6 – ložiská,

7 – vreteno, 8 – ložiskové kamene, 9 – centrovacia pružina , 10 – nástroj.Stanovenie rýchlosti deformovania v v závislosti od rýchlosti deformácie ϕ!pomocou experimentálnych skúšok na vačkovom plastometri samozrejmezískame aj (pracovnú) krivku deformovania vzorky, t.j. funkčnú závislosť

napätia a deformácie pri rôznych rýchlostiach deformácie - ),( ϕϕσ !f= .

3. EXPERIMENTÁLNE ZARIADENIENa katedre technologického inžinierstva, Strojníckej fakulty Žilinskej

univerzity v Žiline je experimentálne zariadenie s hlavicou pre vykonávaniemeridiámového pohybu (pohyb po mnoholistej špirále). Je doposiaľ jedinýmexperimentálnym zariadením s plne vybavenou snímacou časťou a riadiacoučasťou pre štúdium technológie orbitálneho tvárnenia. Snímacie zariadenie

zabezpečuje snímanie tlaku, tvárniacej sily, aktuálnych otáčok, výškydeformovanej vzorky, resp. veľkosť vysunutia hlavice, ďalej teplotu a priemercylindrickej vzorky počas deformovania. Riadiaca časť je fyzicky spojená so

snímacou pomocou vyhodnocovacej jednotky, ktorú predstavuje osobný počítačs 8 kanálovým A/D a 2 kanálovým D/A prevodníkom. Riadiť je možnéfrekvenciu otáčania sa hlavného vretena pomocou frekvenčného meniča

LENZE a veľkosť tlaku pomocou proporcionálneho ventilu firmy Mannessman.Základné technické údaje lisovacej jednotky sú:

Max. sila – 3 kN, max. frekvencia odvaľovania – 25 Hz, max zdvih – 40 mm,presnosť nastavenia zdvihu – 0,05 mm, max. tlak vo valci piesta – 6 MPa, uhol

výklonu – 3°.Na obr.5 je prezentovaná lisovacia jednotka spolu s prídavných snímacím

zariadením.

Obr. 5 Pneumatický lis ML 10 108A s aplikovanou technológiou OT a snímacím, meracímzariadením

4. EXPERIMENTÁLNY MATERIÁL A NÁSTROJZliatina hliníka a horčíka Al-Mg3 patrí medzi zliatiny, ktoré sa precipitačne

nevytvrdzujú. Chemické zloženie materiálu je uvedená v tabuľke č.1. Polotovarpre výrobu vzoriek boli tyče ťahané za studena rozličných priemerov. Smechanických statických ťahových skúšok bola odvodená medza sklzu

vyšetrovaného materiálu Re = 158 MPa, a medza pevnosti Rm = 210 MPa.Tabuľka č. 1 Chemické zloženie zliatiny AlMg3(hmot.%)

Mg Mn Cu Si Fe Zn Ti Al-zvyšok

2.16 0.16 0.01 0.25 0.27 0.01 0.01 /

Vzorky boli vopred svojim tvarom pripravené pre tvárnenie spätnýmpretlačovaním.

Na obr č. 5 sú prezentované tvary sústružených vzoriek (3D modely) svýškou základnej časti 10mm a výškou osadenia 4 mm a priemermi ∅ 10 a

∅ 20mm základnej časti a priemerom osadenia ∅ 6mm.

Obr. 6 Tvary vzoriek pre spätné pretláčanie Obr. 7 Nástroj pre kombinované spätné a doprednélisovanie

Osadenie na vzorkách slúži pre rýchle vycentrovanie vzorky v oscilujúcomnástroji, ktorého tvar je na obr.7.

Nástroj je pre lepšiu manipuláciu so zlisovanou vzorkou delený na dve časti,pričom celková dĺžka nástroja musí byť taká aby os nástroja a os vzorky pri

tvárnení sa pretínali presne na dotykovej ploche.Nástroj bol konštrukčne navrhnutý a katedre technologického inžinierstva

ŽU. Povrch nástroja – pracovná časť bola brúsená a leštená na predpísanúdrsnosť Ra0,8.

5. EXPERIMENTÁLNE SKÚŠKY5.1 Metodika experimentu

Plán skúšok bol navrhnutý tak aby sme pokryli čo najširší rýchlostný intervals príslušnou presnosťou a opakovateľnosťou pokusu . Zvolené boli štyri

porovnateľné veľkosti rýchlosti frekvencie, resp. rýchlosti otáčania vretena 600,800, 1000 a 1400 ot/min, pri ktorých konštantnej veľkosti bola vzorka tvárnená,

pri stálom tlaku 6 MPa. Jednotlivé medzistupne stláčania sú graficky (3D)znázornené na obr.8.

Po vykonaní každej skúšky bola zrealizovaná analýza na výskyt trhlín,rozmery vzorky boli zaznamenávané počas tvárnenia pomocou snímačov

(dĺžky, sily, priemeru) a zapisované do pamäte počítača.Ako je prezentované v kapitole 4., sú vzorky s dvoma rozdielnymi priemermi,na základe ktorých sa skúmal aj vplyv pomeru výšky k šírke deformovanej

vzorky.Na obrázku 10,11,12,13 sú uvedené grafy priebehu sily v závislosti na výške

(stlačení) vzorky pri rôznom definovanom stlačení a rýchlosti kývania nástroja.

Os predstavujúca veľkosť stlačenia vzorky má počiatok v krajnej hornejpozícii hlavice s nástrojom, preto je veľkosť absolútnej deformácie odčítavaná v

mieste prvého nárastu sily. V grafoch sa neobjavuje oscilácia sily, pretožeinterval záznamu zo snímača sily bol rastrovaný v intervale 10 Hz.

Obr. 8 Medzistupne práce nástroja pri stláčaní a odvaľovaní

Obr. 9 Kontaktná plocha medzi zápustkou a tvárneným materiálom počas procesu orbitálnehotvárnenia

vzorka 10x10 mm, otáčky 800 ot/min

0

2

4

6

8

10

12

14

13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17

stlačenie [mm]

F [k

N]

Obr. 10 Graf deformačnej sily vzorky ∅ 10x10mm pri frekvencii otáčania 800 ot/min, stlačenie ∆h=4,4 mm

vzorka 20x10 mm, otáčky 800 ot/min

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

12,00 12,50 13,00 13,50 14,00 14,50 15,00 15,50 16,00 16,50 17,00 17,50 18,00

stlačenie [mm]

F [k

N]

Obr. 11 Graf deformačnej sily vzorky ∅ 20x10mm pri frekvencii otáčania 800ot/min, stlačenie ∆h=3,32 mm

vzorka 10x10 mm, otáčky 1400 ot/min

0

4

8

12

16

20

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

stlačenie [mm]

F [k

N]

Obr. 12 Graf deformačnej sily vzorky ∅ 10x10mm pri frekvencii otáčania 1400 ot/min, stlačenie∆h =5,76 mm

V rámci úvah o funkčných závislostiach F = f(∆h) je jednoznačne potrebné siuvedomiť zmenu kontaktnej plochy v jednotlivých etapách procesu orbitálneho

tvárnenia v závislosti na zmene polomeru tvárneného polotovaru, tzn. Sk =f(s,R,γ), kde s – veľkosť axiálneho posuvu v smere osi výkyvu funkčnej častitvárniaceho nástroja, R – aktuálny polomer deformovanej vzorky a γ – uholvýkyvu tvárniaceho nástroja (v našom prípade γ=3°). Analyzovaná funkčná

závislosť je na obrázku č. 14.

vzorka 20x10 mm, otáčky 1400 ot/min

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00

stlačenie [mm]

F [k

N]

Obr. 13 Graf deformačnej sily vzorky ∅ 20x10mm pri frekvencii otáčania 1400ot/min, stlačenie ∆h=5,42 mm

0

20

40

60

80

100

120

140

3 4 5 6 7 8 9 10 11rádius vzorky znížený o rádius pretlačovanej oblasti [mm]

Ploc

ha k

onta

ktu

[mm

^2]

535,0

...2.88,0.

=

γπ tgRs

SS p o lk

Obr. 14 Graf závislosti kontaktnej plochy tvárnenej vzorky v závislosti od aktuálneho polomerupolotovaru

Pri danom duhu skúšky sa jedná o kombinovaný spôsob pretlačovania, kdetento spôsob bol zvolený pre skúmanie vzniku trhlín v oblasi prechodu osadena

do otvoru prietlačníka (nástroja). Pre porovnanie veľkosti tvárniacich síl nazáklade vývoja, resp. zväčšovania sa kontaktných plôch u obidvoch druhoch

vzoriek je použitá závislosť F = f(d) alebo F = f(r), ako je uvedené na obr.č.15.Z obrázku vyplýva, že rôzny tvar polotovarov ∅ 10x10, resp. ∅ 10x20mm má

výrazný vplyv na zmenu deformačnej charakteristiky t.j. funkcie F = f(d).Interpretácia tejto skutočnosti v procese orbitálneho tvárnenia zliatiny AlMg3 jemožná na základe funkčnej závislosti h = f(d), ktorá je prezentovaná na obr.16.

V bode styku, tzn. zhody priemerov a teda aj kontaktných plôch, ktorýmzodpovedá hodnota priemeru 20,57mm majú funkčné závislosti h = f(d) rôzny

charakter, ktorý vyjadruje dotyčnica funkčnej závislosti v bode styku prepolotovar ∅ 10x10 a ∅ 10x20mm.

Z obrázku 16 je ďalej zrejmé, že prírastok priemeru pre polotovar∅ 10x20mm, zodpovedajúci tangente uhlu α je menší ako tangenta uhlu βzodpovedajúca polotovaru ∅ 10x10mm. Prezentované úvodné myšlienky k

danej problematike potom môžu v ďalších úvahách viesť k optimalizačnémuprocesu návrhu tvaru východzieho polotovaru pre proces orbitálneho tvárnenia

konkrétnej súčiastky.Tieto závery sú len v úvodných etapách riešenia a budú publikované vďalších úvodných príspevkoch na seminároch a konferenciách.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

priemer [mm]

F [k

N]

vzorka 10x10, otáčky 1400 ot/min

vzorka 20x10, otáčky 1400 ot/min

Obr. 15 Závislosť tvárniacej sily od priemeru vzorky

0

2

4

6

8

10

12

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

priemer d [mm]

stlače

nie

vzor

ky [m

m]

vzorka 10x20

vzorka 10x10

hranica oblasti zhodných priemerov

α

β

Obr. 16 Závislosť veľkosti stlačenia od priemeru pri vzorkách ∅ 10x10 a ∅ 10x20mm

A - 1400 rev/min - ∆d = 0,0244e0,4654δh

D - 600 rev/min - ∆h = 0,0293e0,4627δh

C - 800 rev /min - ∆h = 0,0209e0,5358δh

B - 1000 rev/min - ∆h = 0,0334e0,4204δh

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

δh [mm]

∆d [m

m]

C

A

D

B

0

01

dddd −=∆

10 hhh −=δ

Obr. 17 Graf závislosti plochy vzoriek ∅ 10x10 mm od stlačenia pri rôznych rýchlostiachfrekvencie otáčania

6. ZÁVERProblematika zvládnutia dominantných technologických parametrov v

procese orbitálneho tvárnenia tzn. napr. deformačnej sily a frekvencia výkyvovtvárniaceho nástroja v reálnom čase prebiehajúcej deformácie, keď sa jedná v

podstate o sekundy je nesmierne zložitá.

Táto úvaha vedie k tomu, že tieto technologické parametre nie je možnéoptimálne zvoliť pred vlastným deformačným procesom ale je ich potrebné

minimálne adaptívne riadiť, tzn. kombinovať a meniť. Pretože orbitálnetvárnenie prináša najväčšie efekty pri tvárnení za studena, kedy vlastne u

väčšiny konštrukčných materiálov dochádza k procesom spevňovania rôznymimechanizmami, bude potrebné deformačný dej orbitálneho tvárnenia v reálnomčase riadiť on-line, keď riadiaci systém musí byť vybavený okrem vstupných

dát aj dátami s plastometrických dynamických skúšok ( ),,( Tf ϕϕσ != )).Fyzikálne modely deformovaných materiálov pri týchto zložitých napäťovo-

deformačných stavoch sú v podstate pre optimálne zvládnutie danejproblematiky nevyhnutné. Na Žilinskej univerzite, katedre technologického

inžinierstva sú pre riešenie týchto náročných problémov vybudované dostatočnéexperimentálne celky, primerané know-how, čo vytvára priaznivé podmienky

pre postupné riešenie jednotlivých čiastkových úloh, ale aj komplexných celkovpre technologickú prax v priemysle.

LITERATÚRA:

1. LEITNER,V. : Nová metóda objemového tvárnenia za studena na lisuPXW 100 – Ab s výkyvnou zápustkou, čas. Strojárenská výroba, apríl

1976, str. 351-358.2. DONIČ,T.: Process specific formability test, INCO–COPERNICUS

"Rotary Form", Žilina 1997, p. 1–17.3. DONIČ,T. : Orbitálne tvárnenie kovov v technologickej praxi, CO-

MA-TECH 98 , Trnava 1998.