3. GIĘCIE, OBCIĄGANIE I WYOBLANIE

1. Gięcie blach i kształtowników

Procesy gięcia można podzielić na cztery grupy (rys. 3.1):

• wyginanie - gięcie materiału podpartego na dwóch prostoliniowych podporach;

• zaginanie - gięcie materiału utwierdzonego jednym końcem;

• zwijanie - kołowe gięcie materiału na całej jego długości;

• zawijanie - kołowe gięcie materiału na części jego długości.

Rys. 3.1. Procesy gięcia: a - wyginanie, b - zaginanie, c - zwijanie, d - zawijanie.

Wyginanie można wykonywać na uniwersalnych prasach przy użyciu tłocznika wyginaka oraz na specjalistycznych prasach profilowych. W ten sposób wykonuje się z blach różne kształtowniki i profile szeroko stosowane w konstrukcji płatowców.

Profile o mniej skomplikowanych kształtach można wykonywać metodą zaginania na krawędziarkach mechanicznych. Umożliwiają one kształtowanie elementów o długościach nie większej niż długość zaginaka.

Na prasach profilowych można kształtować elementy dłuższe od belek kształtujących, poprzez stopniowe przesuwanie przedmiotu.

Wykonując wyginanie i zaginanie należy pamiętać o minimalnych promieniach gięcia. Zależą one od właściwości mechanicznych materiału, stanu jego obróbki cieplnej, grubości giętego materiału g oraz kierunku gięcia (względem włókien walcowania). Np. dla duralu PA7, w zależności od tego, czy kształtowanie wykonywane jest bezpośrednio po przesyceniu, czy też w końcowym etapie utwardzania dyspersyjnego (po starzeniu), minimalne promienie gięcia R_min wyrażone krotnością g wynoszą:

Zwijanie części z blach wykonuje się na zwijarkach, tzw. walcach blacharskich. Do zwijania części z kształtowników stosuje się zwijarki, w których zamiast walców stosowane są profilowane rolki. Przy gięciu kształtowników dopuszczalny minimalny promień gięcia wynika najczęściej nie z wytrzymałości materiału, ale z niebezpieczeństwa wyboczenia się materiału w strefie, gdzie materiał podlega ściskaniu. Zapobiega się temu przez stosowanie specjalnych wkładów lub dzielenie procesu gięcia na kilka operacji. Przy gięciu rur stosuje się wypełnianie wnętrza rury cieczą pod wysokim ciśnieniem (rzędu 80 MPa). Innym popularnym sposobem jest wypełnianie rury suchym piaskiem i zaślepienie końców rury kołkami.

W produkcji jednostkowej i małoseryjnej w procesie gięcia dopuszcza się czasami możliwość powstania niewielkich deformacji, które następnie są usuwane w operacjach ręcznych.

Zawijanie stosowane jest do wykonywania zawiasów różnego rodzaju wzierników, klapek itp. części oraz do zaokrąglania ostrych krawędzi cienkich blach. Proces zawijania realizuje się najczęściej na prasach, stosując specjalne tłoczniki.

1. Sposoby przeprowadzania procesów obciągania

Obciąganie to proces, w którym najczęściej płaski półfabrykat jest jednocześnie rozciągany i zginany na powierzchni sztywnego foremnika.

Głównymi zaletami obciągania w porównaniu z gięciem są:

• mały kąt sprężynowania (różnica kata opasania foremnika i kąta łuku gotowego, odciążonego wyrobu), dzięki liniowemu rozkładowi naprężeń w obrabianym materiale;

• niezależność kąta sprężynowania od promienia foremnika;

• niewystępowanie strefy ściskania materiału, w której może wystąpić deformacja materiału;

• możliwość dokładnego formowania cienkościennych elementów na foremnikach o małej krzywiźnie;

• duża wydajność w porównaniu z innymi procesami przeróbki plastycznej

Rozróżnia się następujące metody obciągania:

• proste (zwykłe, wzornikiem);

• rozciąganiem (podłużne, uchwytami);

• obrotowe;

• kołowe (pierścieniowe, roztłaczaniem);

• z belką wspomagającą.

Obciąganie proste stosuje się najczęściej przy wykonywaniu niewielkich wycinków pokryć skrzydeł, usterzeń, kadłubów oraz owiewek połączeń skrzydła z kadłubem i usterzenia z kadłubem. W metodzie tej materiał w postaci blachy mocowany jest w dwóch lub czterech uchwytach (rys. 3.2), które mogą być stałe lub wahliwe z możliwością przesuwania w płaszczyźnie poziomej. Następnie materiał jest kształtowany przez foremnik (wzornik) przesuwający się prostopadle do płaszczyzny zamocowanego materiału.

Rys. 3.2. Schemat obciągania prostego (materiał mocowany w dwóch uchwytach).

Obciąganie rozciąganiem stosowane jest przy wytwarzaniu dużych powierzchni pokryć o małych krzywiznach oraz do formowania kształtowników (profili). W procesie tym materiał po zamocowaniu w uchwytach jest wstępnie rozciągany, a następnie owijany na foremniku. Ruch mogą wykonywać tylko uchwyty lub uchwyty i foremnik (rys. 3.3).

Rys. 3.3. Schemat obciągania rozciąganiem: a - rozciągnięcie materiału, b - gięcie materiału uchwytami, c - gięcie materiału foremnikiem.

Obciąganie obrotowe jest stosowane do kształtowania przedmiotów długich i wąskich, szczególnie różnego rodzaju profili. Po uzyskaniu wstępnego naciągu właściwe kształtowanie spowodowane jest ruchem obrotowym foremnika wraz z jednym uchwytem mocującym (rys. 3.4).

Rys. 3.4. Obciąganie metodą obrotową.

Obciąganie kołowe (pierścieniowe, roztłaczaniem) stosowane jest do nadawania ostatecznego kształtu półfabrykatom w kształcie walca lub stożka, wykonanych ze zwiniętych blach i zespawanych. W trakcie procesu obciągania nadaje im się nierozwijalne kształty (rys.3.5). Ten typ obciągania stosowany jest przy wykonywaniu segmentów zbiorników oraz osłon.

Rys. 3.5. Obciąganie metodą kołową: a - wzornikiem segmentowym, b - elastyczną matrycą.

Obciąganie metodą gięcia z belką wspomagającą polega na przymocowaniu materiału do specjalnej belki, którą poddaje się zginaniu. W trakcie zginania w przymocowanym materiale wystąpią naprężenia typowe dla procesu obciągania (rys. 3.6), co powoduje trwałe odkształcenie materiału.

Rys. 3.6. Obciąganie z belką wspomagającą

Podstawową wadą procesów obciągania są duże odpady materiałowe, spowodowane koniecznością stosowania znacznych naddatków, koniecznych dla dobrego uchwycenia skrajów blachy z której formowany będzie dany element.

Nie zawsze można go zrealizować w jednej operacji i wówczas konieczne jest stosowanie wyżarzania międzyoperacyjnego. O możliwości przeprowadzenia procesu obciągania w jednej operacji decyduje relacja między dwoma współczynnikami:

• geometrycznym współczynnikiem obciągania k_g:

• wytrzymałościowym współczynnikiem obciągania k_w.

Jeżeli k_g ≤ k_w to obciąganie można wykonać w jednej operacji (bez wyżarzania). Wartości współczynników wyznacza się analitycznie z empirycznych zależności. Zależą one od wielu czynników, min. od:

• wymiarów wykonywanego elementu;

• promienia krzywizny;

• kąta opasania foremnika;

• współczynnika tarcia między materiałem a foremnikiem;

• współczynnika bezpieczeństwa zależnego od rodzaju kształtowanego materiału.

1. Wyoblanie

Wyoblaniem nazywamy proces kształtowania elementu z wirującej blachy, na którą wywierany jest miejscowy nacisk (rys. 3.7).




Rys. 3.7. Schemat wyoblania: D -średnica krążka wyjściowego, d - średnica foremnika, h - wysokość kształtowanego elementu, g - grubość blachy.

Metodą wyoblania mogą być wykonywane przedmioty o kształtach obrotowych. Wyoblanie polega na dociskaniu specjalnym narzędziem, tzw. wyoblakiem obracającego się wykroju blachy do foremnika: wypukłego lub rzadziej - wklęsłego. Kształtowany materiał dociskany jest tarczą do foremnika zamocowanego w obracającym się wrzecionie obrabiarki. Materiał jest formowany w kilku przejściach, aż do uzyskania ostatecznego kształtu.

Ze względu na sposób kształtowania, polegający na zmniejszaniu śred­nicy wykroju blachy aż do średnicy przedmiotu, przy wyoblaniu występuje skłonność do fałdowania się nie podpartych obszarów blachy. Cieńsze blachy łatwiej ulegają fałdowaniu i z tych względów metodą ta nie kształtuje się blach cieńszych niż 0,6 mm. Fałdowaniu blach można zapobiegać poprzez stosowanie foremników pośrednich, co jest jednak nieekonomiczne. Najczę­ściej dla przeciwdziałania zjawisku fałdowania się materiału, z jego drugiej strony w stosunku do wyoblaka, podstawia się narzędzie zwane podtrzymką w taki sposób, aby opierając oba narzędzia na podporze można było nimi nie tylko zaginać, ale i rozciągać kształtowaną blachę (rys. 3.8).




Rys. 3.8. Zasada wyoblania z podpieraniem materiału: l - materiał wyjściowy, 2 - po­średni kształt wyrobu, 3 - ostateczny kształt wyrobu, 4 - foremnik, 5 - tarcza dociskowa, 6 - narzędzie (wyoblak),

7 - podtrzymka, 8 - podpora, 9 - kołek oporowy

Ze względu na sposób kształtowania przedmiotu wyoblanie dzieli się na:

• wyoblanie bez rozciągania materiału;

• wyoblanie z rozciąganiem materiału.

Zarówno pierwszy, jak i drugi sposób wyoblania, można prowadzić na zimno lub na gorąco.

Wyoblanie bez rozciągania przeprowadza się najczęściej sposobem ręcznym. Cieńsze blachy (do 2 mm) wyobla się zazwyczaj na zimno, grubsze zaś na gorąco, albo stosując mechaniczny docisk wyoblaka. Nagrzewanie blach można prowadzić palnikami gazowymi bezpośrednio w trakcie wy­oblania materiału lub wcześniej nagrzewając materiał w piecu. Robotnikom o wysokich kwalifikacjach udaje się utrzymać stałą grubość ścianek kształ­towanych części z dokładnością ±10%.

Wyoblanie z rozciąganiem (kształtowanie obrotowe przez rozciąganie) jest metodą kształtowania polegającą na obrotowym ciągnieniu materiału (rys. 3.9). Ze względu na duże siły występujące przy tej obróbce proces jest całkowicie zmechanizowany - najczęściej kształtowanie odbywa się metodą kopiowania na obrabiarkach z hydraulicznym napędem suportu. Podstawo­wym kształtem dla obróbki tą metodą są stożki. Osiągany stopień odkształce­nia materiału przy tej metodzie jest duży, trudny do uzyskania innymi meto­dami obróbki plastycznej na zimno.

Podatność materiału do wyoblania związana jest z jego właściwościami wytrzymałościowymi i ciągliwością. Określana jest ona doświadczalnie wyznaczanym współczynnikiem wyoblalności. W zależności od wartości tego współczynnika można dobierać wartości współczynników redukcji śred­nic w kolejnych zabiegach wyoblania.




Rys. 3.9. Zasada wyoblania przez rozciąganie: l - materiał wyjściowy, 2 - pośrednia faza wyoblania,

3 - gotowy wyrób, 4 - foremnik, 5 - tarcza dociskowa, 6 - wyoblak

O możliwości wykonania części metodą wyoblania i koniecznym do za­stosowania sposobie wyoblania decydują:

• właściwości materiału;

• stosunek średnicy materiału wyjściowego D do średnicy gotowego wy­robu d;

• wysokość kształtowanego elementu h;

• kształt gotowego wyrobu.

Najłatwiejsze do wykonania metodą wyoblania są przedmioty stożkowe, trudniejsze kuliste, a najtrudniejsze cylindryczne (rys. 3.10).

Dokładność kształtu wyoblanych przedmiotów zależy od sposobu ich obróbki, materiału foremnika, grubości i gatunku blachy oraz kształtu przed­miotu. Przy wyoblaniu na zimno części o średnicy mniejszej od 600 mm uzyskuje się dokładność ± 0,2...0,4 mm, dla większych średnic mniejszą. Przy zastosowaniu odpowiednich zabiegów można uzyskać dużą gładkość powierzchni wykonywanych części.

Obrabiarki do wyoblania maja prostą konstrukcję, a pracują na podob­nej zasadzie jak tokarki. Przy formowaniu blach cienkich, narzędzia kształ­tujące (wyoblaki - rys. 3.11) dociskane są do materiału ręcznie. Przy formo­waniu blach grubych docisk narzędzi zapewniają specjalne urządzenia hy­drauliczne lub pneumatyczne. Hydraulicznie może być również sterowany posuw narzędzi. Narzędzia dzielą się na: kształtujące, skrawające, wykań­czające oraz wygładzające.


Przy wyoblaniu mechanicznym, a czasami rów­nież przy ręcznym, dla zmniejszenia tarcia stosuje się rolki kształtujące.

Rys. 3.10. Podział wyoblanych kształtów ze względu na stopień trudności wykonania:

a - stożkowe - łatwe, b - kuliste - trudniejsze,

c - walcowe - najtrudniejsze




Rys. 3.11. Narzędzia do kształtowania blach metodą wyoblania:

a - wyoblaki ręczne:

l - kuliste, 2 - łyżkowe, 3 - językowe, 4 - do naciągania,

5 - hakowe, 6 - szpiczaste, 7 - gładzące, 8 - polerujące,

b - noże do wygładzania i odcinania,

c - wyoblaki rolkowe do kształtowania ręcznego i mechanicznego

Wyoblanie przeprowadza się z prędkościami zależnymi od średnicy ob­rabianego przedmiotu i rodzaju materiału. Smarowanie wpływa dodatnio na przebieg procesu wyoblania. Ze względu na występowanie du­żych sił odśrodkowych, przy kształtowaniu ręcznym stosuje się smary ciekłe o dużej lepkości oraz półpłynne i stałe. Urządzenia do wyoblania mechanicz­nego pozwalają na smarowanie obiegowe, w związku z czym stosuje się oleje o niskiej lepkości lub emulsje, które obok smarowania spełniają rolę chło­dziwa.

Kształtowanie przedmiotów sposobem wyoblania ma szereg istotnych zalet. Najważniejszą z nich jest możliwość formowania przedmiotów nawet o dużych wymiarach przy niewielkich nakładach finansowych (narzędzia i obrabiarki są proste w konstrukcji i stosunkowo tanie). Wyoblanie stosuje się nie tylko do wykonywania gotowych wyrobów, np. wręg belek ogono­wych śmigłowców, ale również części do tłoczenia na prasach i półfabrykatów do kształtowania innymi metodami obróbki pla­stycznej. Przy przygotowaniu półfabrykatów metodą wyoblania istnieje możliwość spęczania materiału w tych miejscach, które będą rozciągane w następnej, ostatecznie kształtującej obróbce plastycznej, np. podczas kucia lub tłoczenia.

Przy produkcji jednostkowej lub małoseryjnej wyoblanie zapewnia najtańszy i najkrótszy cykl przygotowania produkcji, dający wyroby prawie dwukrotnie tańsze od tych, jakie można uzyskać innymi technologiami.

7

belka wspomagająca

obciągany materiał

b

a

c

b

a

3g

2g

1,5g

1g

Po starzeniu

Po przesyceniu

Kierunek gięcia

d

c

b

a

---