Povezava anizotropije in procesa izdelave pločevin in trakov za globoko vlečenje iz Al in njegovih zlitin
Relationship betvveen Anisotrophy and Deep Dravving Process of Sheet and Strip from Aluminium and its Alloys
Vasevska T.1, IMPOL Slovenska Bistrica
Aluminij in njegove zlitine se vse pogosteje predelujejo z globokim vlečenjem. Predelava zahteva določene tehnološke lastnosti materiala, ki v primerjavi z mehanskimi lastnostmi "navadne kvalitete" kot so Rnv Rp02 in A10 ne odstopajo, vendar je vrednost anizotropije drugačna oz. manjša. Anizotropnost materiala se določa z dvema metodama, z metodo "lončkov", kjer se določi procent ušesenja in z metodo "vdolbljenja" po Erichsenu v E(mm). Pri izdelavi tehnologije globokovlečne kakovosti,se moramo najprej odločiti, katero metodo za določevanje anizotropije bomo uporabljali pri končni analizi in na osnovi tega definirati celotni tehnološki potek, od kemične sestave do končne zahteve. Predstavili bomo izkušnje dobljene pri proizvodnji.
Ključne besede: globoko vlečenje, ušesenje, utrjena mesta, upognjena mesta, plastičnost
Recently aluminium and its alloys are used inceasingly for deep dravving. This type of forming requires certain material properties vvhich shovv different or small anisotrophy in comparison vvith mechanical properties of"normal" quality such as tensile strength Rm, yield strength Rp02 and elongation A10. Material anisotropy is determined by tvvo methods, the cupping method vvhere the degree of % earring is determined and the deep dravving method by Erichsen of E(mm). In designing the technology for deep dravving quality, it must first decided vvhich method for the determination of anisotrophy vvill be used in the final analysis and then define the vvhole technological sheet flovv from chemical composition to final requirements. In this paper certain experiences from the production vvill be presented.
Key vvords: deep dravving, earring, hardened parts, bent parts, piasticity
1. Uvod
V podjetju Impol obliko in kakovost izdelka definira kupec. Lastnosti (mehanske, tehnološke, geometrija...), ki jih mora imeti izdelek, so lahko definirane s standardnim predpisom ali posebnimi zahtevami. Vsi ti izdelki imajo natančno določeno tehnološko pot izdelave od litja do končne oblike. Če ima kupec izkušnje z nadaljno predelavo našega proizvoda do končne oblike. natančno definira kakovost in s tem olajša tehnologu delo pri izdelavi tehnologije. Vsak nov izdelek zahteva posebno sodelovanje tehnologov in kupca, da se definirajo tehnološko-tehnični prevzemni pogoji izdelka.
Ena najbolj aktualnih oblik strojne obdelave je predelava pločevin, trakov in rondel z globokim vlečenjem. Veliko število proizvajalcev je poskusilo z manj ali več uspeha uvesti v svoj proizvodni program Al in njegove zlitine. Pri izdelavi določene kakovosti se je dogajalo, da so bile vse zahteve izpolnjene in kupec ni mogel predelati materiala.
Irajanka VASFVSKA. dipl. m/, mel.
IMPOL d.o.o.
Parli/naska iS. 62310 Slovenska Bislriea
Generacije tehnologov v Impol-u so poskušale rešiti ta problem. vendar kupec in proizvajalec nista našla skupnega jezika. Strojniki postavljajo zahteve, ki v pravem smislu ne definirajo tehnoloških zahtev predelave. Da bi ta problem čim bolje rešili smo preštudirali predelavo materiala z globokim vlečenjem s strojnega vidika.
2. Globoko v lečen je
2.1. Definicija obdelave
Globoko vlečenje je operacija, s katero se v hladnem stanju oblikuje iz tankih narezanih pločevin elemente posodastih in va-ljastih oblik z dnom6.
Ta operacija se izvede na dva načina':
-	globoko vlečenje brez sprememb debeline stene - obdelava tip A, ki je prikazana na sliki 10.
-	globoko vlečenje s spremembo debeline sten - obdelava tip B. kije prikazana na sliki 12.
Material, ki se uporablja za ta tip obdelave je definiran kot material za posebne namene in ima dodatno oznako G.
Debelina materiala je odvisna od oblike izdelka in tipa stroja. na katerem se obdeluje.
2.2. Priplava materialu za globoki) vlečenje
Prikazane analize se nanašajo na tankostenske pločevine in trakove, ki jih proizvajalec površinsko obdeluje z litografijo ali lakiranjem pred globokim vlečenjem. Te površinske obdelave zahtevajo primerno toplotno obdelavo, da bi se površinska plast prijela. Pri tej obdelavi se spremenijo mehanske lastnosti materiala. Če material ni pripravljen za dodatno obdelavo, so njegove mehanske lastnosti (Rm in Aln) izven dovoljenega območja.
Zahtevane lastnosti materiala so podane v Tabelah 1. 2 in 3.
Tabela 1: Standardne oznake
Standard	DIN	ASTM	A A	IMPOL
Oznaka	Din 1712 A199.5	1050		A30
	Din 1712 A199.0	1200		A 20
	Din 1725 AlFeSi		SOI 1	AF60
	Din 1725 AlMnO,5MgO,5	3105		M13
			8079	AF40
Tabela 2: Kemična sestava
Oznaka
kemična sestava v tež.' J. ostanek Al
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti pos. skup.
A30 0.25 0.40 0.05 0.05 0.05 0.07 0.05
0.03
A20 St+Fe=l,0 0.05 0.05 0.05 0.10 0,05
0,05 0.15
AF60 0.40 0.50
do do 0,10 0.10 0.80 1.0
0,10 0.05 0.06 0.25
M13	0.30 0.20
0,6 0.7 0,30 do do 0,20 0.40 0.10 0.05 0.S 0.8
0.15
AF40 0,05 0.7
do do 0.05 0.30 1,3
0,05 0.15
Tabela 3: Mehanske in tehnološke lasnosti materiala
Zlitina	Stanje	debelina	R.	R,:	A„,	E	uš.	/m.	kakovost
		u m	N/mnr	N/mnr	<r	mm		sir. definira	
	DIN IMPOL	min max	min max	min	mm mas	nun max	max		
A30	G13 GH24	180 350	130 170	110	6				Din I78S
			115 141!		5 15		3		kupec 1
			120						
			131) 150		6	5	3	i	kupec 2
			120 155		5	5 S.5	3	fina	kupec ;
A20	GH24	180 350	130 150		5 20		3	fina	kupec
AF60	G13 GH24	ISO 35(1	130 170	100	4				Din 1788
			125 165		4 20				kupec 1
			130 165		4		3		kupec 2
M13	G17 GH26	181) 350	171) 210	141!	6				Din 17SS
			160 190		5	4.5		3	kupec 1
			150 ISO		5	4.5		3	kupec 1
			150 170		5	4,5		3	kupec 2
AF4I)	GH22	1110 145	94 HI4		15	7.5			kupec 1
	GOH	40 5(1	S<		3.5	6			kupec 2
Material je ustrezne kakov osti, če je:
-	po prevzemu pred in po lakiranju v intervalu zahtevanih mehanskih in tehnoloških lastnosti, prikazanih v tabeli 3.
-	dovolj plastičen, da se brez težav oblikuje.
Težave nastanejo, ko je potrebno uskladiti ti dve zahtevi.
Strojniki od svojih zahteva ne odstopajo dosti, ne glede na težave v proizvodnji.
3. Metode analize
Iz tabele 3 je razvidno, da v standardih ni definirano, ali veljajo te mehanske lastnosti za material, ki se analizira z metodo "lončka", ali za material, ki se analizira z metodo "vdolbljenja". Razvidno je, da ima v sak kupec lastno stališče do izbire metode analize.
Literaturni podatki kažejo, da so /a predelavo bolj pomembni rezultati preizkusa ušesenja (slika lil. kot preizkusa vdolbljenja (slika 141 in daje vhodna kvaliteta materiala odvisna od tipa predelave. V vseh literaturnih podatkih, ki so bili dostopni, je predelava analizirana s strojnega vidika in je pri tem upoštevana samo natezna trdnost R„, obdelovanca, izražena v obliki dovoljenega vlečnega razmerja.
Metode, ki se uporabljajo za analizo materialov globoko vlečne kakovosti so:
-	statična metoda (R,„, Rp„ ,, A,,,....). v in prečno na smer valjanja.
-	tehnološka metoda:
a) metoda "lončkov" prikazana na sliki 11. s katero ugotavljamo procent ušesenja po enačbi:
c/c ušesenja = -
h,-h,
100
h, - dno ušesa h2 - vrh ušesa
b) metoda "vdolbljenja" po Erichsenu. prikazana na sliki 14 pri kateri s pomočjo kroglice ali ustreznega pečata določimo doseženo globino vdolbine v materialu do prve razpoke v Elmmf .
Tabela 4: Območja tehnoloških preizkusov
Standard	debelina materiala (mm)		F.( mm)	ušesenje %	stanje materiala
	min	max	max	min	
DIN 50101	0.2	2.0	12.47		GOH A 199.5
DIN 50155	0.1	3.0		0.1	za v se GH kakovosti
V	metodi po Erichsenu se uporablja samo ena primerjalna tabela in sicer za kvaliteto A 199.5 GOH.
Iz tabele 3 je razvidno, da imajo te metode ozko območje uporabe. Razširjenje območja uporabnosti bi zahtevalo veliko dela.
V	proizvodnji se je pokazalo, da je pri razvijanju in uvajanju novih tehnologij nujno paralelno uvajati metode, s katerimi naj bi se v vsaki fazi obdelave definiralo območje dobljene kvalitete. S tem bi se izognili velikim napakam.
Če želimo dobiti natančno definirana območja gioboko vlečnih kakovosti, je potrebno sodelovanje strojnikov in metalurgov.
4. Analiza rezultatov
Območja (min. in maks. vrednosti i ustrezne in neustrezne kakovosti za posamezne zlitine so podana v sliki 1 do slike 8 kot
razmerje med spremembo procent ušesenja in natezno trdnostjo R„, (N/mm i. raztezkom Aln v (9r). Ta območja zajemajo rezultate iz raziskav in v toku proizvodnje teh izdelkov v 7-letnem obdobju z dodatnim simuliranjem pogojev njihove površinske obdelave. Kvaliteta tako pripravljenega materiala ustreza kvaliteti materiala, ki jo le-ta dobi po dodatni površinski obdelavi pri kupcu.
46
44.
c o
CO CT) C
o
ULJ
42
40
CD M
B
"n 01 CC
38
36
A30 GH24
kakovost/ quality
6 7 8 ušesenje[%] ustrezna/suitable earring neustrezna/unsuitable
Slika 3: Vpliv spremembe nate/ne trdnosti R„, na anizotropijo materiala izražen kol '/i ušesen ja za A20 Figure 3: The influence of change in tensile strength Rm 011 material A20 anisotrophy expressed as earring pereentage
Slika 2: Vpli\ raztezka A,0 na anizotropijo materiala izražena ko! ',< ušesenja za A30
Figure 2: The influence of elongation 011 material A30 anisolrophv
expressed as earring pereentage
"g 150* J
2
~ 140 d
5 130
D) C CD
* 120 m
u>
® 110
100
kakovost/ quality
3 4 5 6 7 8
ušesenje[%] ustrezna/suitable earring neustrezna/unsuitable
Slika 1: Vpliv spremembe natezne trdnosti Rm na anizotropijo materiala izražena kot <7r ušesenja za A30 Figure 1: The influence of change in tensile strength R,,, 011 material A30 anisotrophy expressed as earring pereentage
150;
140
£ 130 o
C
o
% 120 o
m 110
U)
g 100 "O
A20 GH24
kakovost/ quality
3 4 5 6 7 8 ušesenje[%] ustrezna/suitable earring neustrezna/unsuitable
A30 GH24
A20 GH24
1 2 3
5 6 7 8 ^^^	ušesenje[%]
kakovost/ Hi ustrezna/suitable earring quality p: | neustrezna/unsuitable
Slika 4: Vpliv raztezka Alu na anizotropijo materiala izražen kot °/i ušesen ja za A20
Figure 4: The influence of elongation on material A20 anisotrophy expressed as earring percentage
Slika 5: Vpliv spremembe nate/ne trdnosti R.„ na anizotropijo materiala izražen kol c/i ušesenja za /litino AF60 Figure 5: The influence of change in tensile strength R,„ on material AI-'60 anisotroph> e\pressed as earring percentage
1/ prikazanih rezultatov je razvidno, da problem ušesenja ni odvisen od mehanskih lastnosti materiala (R,„ ali A10); s tema parametroma se ne da definirati prave kakovosti materiala, ki se preverja / metodo "lončka".
Razmerje med procentom ušesenja in E(mm) je v grobem določeno. Za nobeno zlitino ne moremo trditi, daje v mejah, kot jih zahtevajo kupci. Nekateri rezultati so zelo odstopali od zahtevanih E(mm), vendar so po drugih metodah preverjanja popolnoma ustrezali zahtevani kakovosti. Na primerjavi je potrebno veliko delati, da bi se mogla uporabiti za zanesljivo definiranje kakovosti materiala.
4.1. Zahtevana območja plastičnosti
Ko se metalurg in strojnik pogov arjata o kakovosti materiala. se prvi zanima za obremenitev, ki jo mora material prenesti, drugi pa za vlečno razmerje in zračnost, ki jih lahko predpiše ter maks. silo držala, ki jo lahko uporabi. Oba bi s tema parametroma v svoji terminologiji definirala plastičnost materiala za vsak tip obdelave. Zato sem na slikah od 9 do 14 poskusila ti dve terminologiji pojasniti.
Vsakega metalurga bosta zanimali slika 9 s posebnim poudarkom na elementih a in b in slika 11. iz katere je razvidno kakšni obremenitvi je izpostavljen material, ki se obdeluje z globokim vlečenjem brez spremembe debeline sten (obdelav a tip Aj. Sliki 13 in 14 prikazujeta obremenitve, kijih mora prenašati material pri globokem vleku s spremembo debeline stene (obdelava tip B).
Obdelava tip ,4
Najbolj pomembne elemente, ki prikazujejo značilnosti obdelave tip A podajajo slike 9, Klin 11. Iz njih je razvidno, da se pri tej obdelavi material oblikuje z upogibanjem in da se mate-
1 2 3 4 5 6 7 8
__ušesenje[%j
kakovost/ MBB ustrezna/suitable earring quality I = : I neustrezna/unsuitable
^ 170
-160 oc
£ 150
V> 140 ®
m I
o 120 c
-O
rt 110
N CD rt
100
AF60 GH24
Vasevska T.: Povezava ani/otropije in procesa izdelave pločevine in trakov za globoko vlečenje iz Al in njegovih zlitin
:200t M13 GH26
AF60 GH24
kakovost/ quality
Slika 6: Vpliv raztezka Aln na anizotropijo materiala izražen kol
ušesenja za zlitino AF60 Figure 6: The influence of elongation on material AF60 anisotrophy expressed as earring percentage
rial. ki je iztisnjen iz radiusa, razporedi po višini posode. To strojniki rešujejo s povečanjem zračnosti v tem delu. Za ta tip obdelave je pomembna analiza procenta ušesenja:
- če se površinsko obdela z litografijo. da ne pride do dclor-macijc tiska.
če se lakira, da nima prevelikih izgub materiala v obrezu. Pri tej obdelavi je pomembno, da v materialu ne nastopi hitro premikan je kristalnih ravnin pri udaru bata in da je upogibanje plastično.
Obdelava tip B
Elemente, ki prikazujejo značilnosti obdelave tipa B. kažejo slike 12. 13 in 14. Pri tej obdelavi se pojavijo naslednje kakovosti materiala:
KAKOVOST 1. pri kateri so enake zahtevane upogibne lastnosti kot pri obdelavi tipa A s tem. da mora imeti material večjo preoblikovalnost, ki je ni mogoče definirati s trenutno uporabljanim metodami analize. To velja za tankostenske materiale, ki morajo prenašati deformacije na upogib, vlek. tlak in imajo še zahteve, kijih določa litografija.
.E
Z
E
GC
190
£180
O)
c
(D
Vi 170 ®
m Š 160
0	150
c
-p
4—'
« 140
NI ffl
1	130
kakovost/ quality
1 2 3 4 5 6 7 8
ušesenje[%] tM ustrezna/suitable earring neustrezna/unsuitable
Slika 7: Vpliv spremembe natezne trdnosti R„, na anizotropijo materiala izražen kol ušesenja za zlitino M13 Figure 7: The influence of change in tensile strength R„, on material M13 anisotrophv expressed as earring percentage
3 4 5 6 7 8 ušesenje[%] ustrezna/suitable earring neustrezna/unsuitable
<r-	12
O	
1—	
<	
	10
C	
o	
m	
cn	8
t_	
o	
tu	
Y	6
ti)	
N	
<D	
tsl	
01	
tr	
1
kakovost/ quality
Slika 8: Vpliv ra
ustrezna/suitable neustrezna/unsuitable
6 7 8 ušesenje[%] earring
zka A,, na anizotropijo materiala izražen kot Vi ušesenja za zlitino Ml3 Figure S: The inluence of elongation on material MI3 anisotrophy expressed as earring percentage
KAKOVOST 2. se nanaša na tankostenske materiale <200pm. Pri njih se zahteva izjemno hitro gibanje kristalnih ravnin, kar se lahko definira z metodo po Erichsenu.
KAKOVOST 3, se nanaša na debelostenske materiale >3.Onim, ki morajo prenašati deformacije na upogib, tlak. vlek in robi je nje z najkrajšo možno potjo v obdelavi. Tehnološke metode, ki naj bi definirale meje plastičnosti za la material niso znane.
5. Tehnologija
Pri izdelavi tehnologij za doseganje določene kakovosti namenjene za gloftoko vlečenje ni vseeno, katera tehnološka metoda se predpisuje za končno analizo.
M13 GH26
b
cylindrica shells
Slika 9: Posoda oblikovana / globokim vlečenjem brez sprememb debeline stene'
Figure 9: Deep drawing ol cup vvithout change in vvall thickness'
patrica
Punch , v . ---držalo
pločevine
Blankholder
matrica Die
redukcija reduction
redukcija reduction
držalo pločevine (gubni ravnalec) Blankholder
Slika 14: Mehanska analiza materiala z metodo "vdolbljenja" po Erichsenu'
Figure 14: Mechanical analvsis of material bv Erichsen method2
Slika 12: Shematski prikaz poteka globokega v lečenja s spremembo debeline stene
Figure 12: Schematic representation ol 1 -p dravving operation vvith change in vvall tli k ^s
Slika 10: Shematski prikaz poteka alobokeca vlečenja brez sprememb	Slika 13: Razporeditev napetost, v posod, pr, globokem vlečenju s debeline stene' spremembo debeline stene
Figure 10: Schematic representation of deep dravving operation	Figure 13: Stress arrangment in the cup during deep dravv mg w.th vvithout chanae in vvall thickness' change in vvall thickness
Slika 11: Mehanska analiza materiala z metodo "lončka" Figure II: Mechanical analv sis of material bv "cupping" method
iaa/vj utrjena mesta E22SI hardened parts
upognjena mesta bent parts
i-1 neutrjena mesta
'-' parts vvithout hardening
Tehnološke poti za doseganje določenih lastnosti materiala se razlikujejo od litja do zadnje faze obdelave, to so "nevidne" spremembe, ki se odražajo samo v končnih analizah kot ustrezne
kakovosti za eno in neustrezne kakovosti za drugo tehnološko metodo analize. Če na koncu dobimo neustrezno kakov ost. mora biti vzrok znan tehnologu, ki je predpisal tehnologijo.
Značilno pri izdelavi teh kakovosti je. da imajo zelo natančno definirana območja obdelave in ne dovoljujejo nobene improvizacije v proizvodnem procesu. Če se ne upoštevajo predpisani tehnološki parametri, je material neustrezne kakovosti. Tehnološka disciplina je osnova za kontinuirno proizvodnjo teh izdelkov.
Kljub temu, da so dovoljeni tehnološki intervali ozki. jih v proizvodnji lahko dosežemo. Ta natančnost v izdelavi se kaže tako. da ima končno izdelani material zanemarljivo majhna odstopanja v kakovosti.
Vsaka zlitina ima drugačne parametre in se izkušnje, dobljene za eno zlitino, ne morejo neposredno uporabiti za drugo.
6. Zaključek
Očitno je. da se je prezgodaj opustila analiza vhodne kakovosti materiala. Obstajajo materiali z ustrezno, neustrezno in slabo kakovostjo. Lastnosti vsakega materiala so odvisne od tehnološke priprave. Za vse materiale i/ ene skupine so potrebne enake mehanske in tehnološke analize. Obstoječih težav ne bomo mogli odpraviti, če ne bo sodelovanja strokovnjakov različnih strok.
7. Literatura
Binko Musafija: Ohrada metala plastičnimi deformacijom: Svetlost. Sarajevo. 1979. 326-500
N. Miškovič. B. Miškovič: Teorija plastične prerade metala: TMF. Beograd. I«»77. 1X9-191
Aluminium-Tasdienbuch: l4.Auflaae: Aluniinium-Verla«, Diissel-dorf. 19X8.94-95,451-460
Aluminium: Vol.III Fabrication and Finishing: American Societv for Metals. Metals Park Ohio. 1967. 167-198
W. Hayden. W. (i. Moffatt. J. Wulff: Strukture, osobine materijala, knjiga III. Mehaničkc osobine: TMF. Beograd. 19X2. 55-79 V. Cizman: Osnove teorije plastičnosti in preoblikovanja kov in: FNT. Ljubljana. 1972. 221-234 DIN-50101. 1961 s DIN-50155. 19X1