az inkrementális lemezalakítás - tdk5 2. az inkrementális lemezalakítás a hidegalakító...
TRANSCRIPT
MISKOLCI EGYETEM
GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT
Az inkrementális lemezalakítás
Miklós Eleonóra
IV. éves műszaki menedzser hallgató
Tervezésvezető:
PROF. DR. TISZA MIKLÓS egyetemi tanár
Mechanikai Technológiai Tanszék
Konzulens:
KOVÁCS PÉTER ZOLTÁN egyetemi tanársegéd
Mechanikai Technológiai Tanszék
Miskolc, 2011
2
Tartalomjegyzék
1. Bevezetés .................................................................................................................... 4
2. Az inkrementális lemezalakítás .................................................................................. 5
3. Fő technológiai változatok .......................................................................................... 5
3.1. Egypontos inkrementális lemezalakítás .............................................................. 5
3.2. Kétpontos inkrementális lemezalakítás ............................................................... 6
3.2.1. Teljes szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás ........... 7
3.2.2. Részleges szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás ..... 8
4. Az ISF jelenlegi helyzete és nemzetközi fejlődési trendje ......................................... 8
4.1. Korai szakasz (1989 előtti) .................................................................................. 9
4.2. Az első fejlesztések Japánban (1989-1996) ........................................................ 9
4.3. Eljárás változatok (1993-2000) ......................................................................... 10
4.4. Későbbi fejlesztések (2000 után)....................................................................... 10
5. Az eljárás gép és szerszámszükséglete ..................................................................... 11
5.1. Az alakító bélyeg (szerszám) ............................................................................. 11
5.2. Ránctartó ............................................................................................................ 12
5.3. Szerszámgép ...................................................................................................... 13
6. Az eljárás technológiai paraméterei .......................................................................... 13
6.1. Az alakító bélyeg átmérője (d) .......................................................................... 15
6.2. A szerszám forgási sebessége (ω) ..................................................................... 15
6.3. A húzási szög (ф) .............................................................................................. 16
6.4. A szerszám mozgáspálya ( x, z) .................................................................... 17
6.5. Az előtolás ......................................................................................................... 18
6.6. Kenőanyag ......................................................................................................... 19
7. Alakítási határdiagram .............................................................................................. 19
8. Az első kísérleti munka ............................................................................................. 20
8.1. A vizsgálat helyszíne ......................................................................................... 20
8.2. A kísérlet eszközei ............................................................................................. 21
8.2.1. A munkadarab ............................................................................................ 21
3
8.2.2. A szerszám ................................................................................................. 21
8.2.3. A ráncgátló ................................................................................................. 22
8.2.4. A szerszámgép ........................................................................................... 23
8.3. A kísérlet szakaszai ........................................................................................... 23
8.3.1. A próbadarabok behálózása ....................................................................... 23
8.3.2. Az alakítás .................................................................................................. 24
8.3.3. Kalibráció ................................................................................................... 27
8.3.4. Digitális képrögzítés ................................................................................... 27
8.3.5. A 3D-s hálómodell elkészítése ................................................................... 28
8.4. Az alakváltozás vizsgálata ................................................................................. 30
9. A második kísérleti munka ....................................................................................... 32
9.1. A vizsgálat helyszíne ......................................................................................... 33
9.2. A kísérlet eszközei ............................................................................................. 33
9.3. Az alakítás ......................................................................................................... 33
10. Felhasználási terület ................................................................................................ 36
10.1. Autóipar ........................................................................................................... 36
10.2. Gyógyászat ...................................................................................................... 36
Összefoglalás ................................................................................................................ 37
Irodalomjegyzék ........................................................................................................... 38
4
1. Bevezetés
A Tudományos Diákköri Dolgozatom célja, hogy egy rövid, de átfogó képet ad-
jon erről az új, rendkívül innovatív technológiai eljárásról, az inkrementális lemezala-
kításról. Dolgozatomban bemutatom az eljárás fő jellemzőit, fő technológiai változata-
it és paramétereit, a gépi megvalósítás lehetőségeit valamint egy kísérletet.
Az eljárás a képlékeny hidegalakító technológiák közé sorolható, melynek kiala-
kulásához elsősorban az autóipari fejlesztések vezettek. Az autógyártás egyre dinami-
kusabban fejlődő iparág. A tervezőknek újabb és újabb technikai fejlesztéseket kell
megvalósítaniuk ahhoz, hogy az egyre növekvő társadalmi és fogyasztói igényeket
kielégítésék. A legfontosabb társadalmi igény a környezetszennyezés csökkentése és a
közlekedési biztonság növelése. Az üzemanyag-fogyasztás minimalizálásának egyik
lehetséges megoldása az autók tömegének csökkentése. Míg korábban egy személy-
gépkocsi tömegének jelentős részét az öntött alumínium tette ki, napjainkra ez már a
felére csökkent. Helyére olyan ötvözetek (pl. alumínium és magnézium) illetve nagy-
szilárdságú acélok kerültek, melyek a biztonsági követelmények megtartása mellett
teljesítik a tömegcsökkentést. Az anyagtudományi újítások újabb technológiai eljárá-
sok kialakulását eredményezték. Egy ilyen innovatív fejlesztés az inkrementális le-
mezalakítás [1].
A lemezalakító eljárások számos előnyös tulajdonsága mellett azonban az alakí-
tás korlátaival is számolni kell. Az első korlát, hogy a szerszámozás merev és kötött
(általában egy alkatrész - egy szerszám - egy gép). Továbbá az alkalmazott szerszám-
anyagok gyakran ötvözöttek, fő alkotóik a wolfram, a kobalt és a titán, ezek drága öt-
vözők. Jelentősen növelhetik továbbá a gyártás költségeit a különféle megmunkálási,
kezelési technológiák is [2].
A hidegalakítás során a munkadarab és a szerszám között jelentős súrlódó erő lép
fel, ezáltal a szerszám nagy nyomásnak és koptató igénybevételnek van kitéve. Ennek
kiküszöbölésére célszerű növelt kopásállóságú és keménységű szerszámacélból kiala-
kítani a szerszám anyagát, amely viszont további költséget jelent. A szerszám anyagá-
nak ára akár 20-40 százaléka is lehet a szerszám költségének, a magas szerszámköltség
pedig tovább növeli a termék árát. Mindez csak nagysorozatú gyártás esetén térül meg.
Ezzel rávilágítottunk a harmadik problémára, amely szerint a lemezalakítás a kissoro-
zatú gyártás esetén nem költséghatékony. Mindezen okok vezettek ahhoz, hogy az
utóbbi években megnövekedett az igény új, rugalmas lemezalakító eljárások kidolgo-
zása iránt [2].
5
2. Az inkrementális lemezalakítás
A hidegalakító eljárások jelentős költségét tehát a szerszámozás jelenti. Hideg-
alakításkor a fémet az újrakristályosodási hőmérséklet alatt alakítják. Egy ilyen eljárás
az inkrementális lemezalakítás (angol terminológiával: incremental sheet metal
forming). Ez az eljárás mind technológiai, mind gazdasági szempontból új megoldást
jelent a gyártás terültén, hiszen azzal, hogy nem igényel speciális szerszámozást, meg-
oldást jelent a lemezalakító eljárások szerszámköltségének csökkentésére. Ezáltal kis-
sorozatgyártásra is kiválóan alkalmas, amelyek olyan területeken, mint a gyors proto-
típusgyártás, nagy a jelentősége.
Egy félgömbvégződésű alakító bélyeget alkalmaznak az eljárás során, amely, az
egyszerű kialakítás ellenére, sokkal nagyobb megmunkálhatóságot biztosít, mint a ha-
gyományos lemezalakító eljárások. A szerszám növekményi lépések sorozatával ala-
kítja a lemezt az előírt alakra. Bonyolult, komplex alakzatú gyártmányok előállítását
teszi lehetővé. Az alakító bélyeg térbeli vezérlésével, növekményi lépések sorozatával
alakítja a lemezt az előírt alakra. Mindehhez egy előre megírt, pontos pályaleírás szük-
séges, amit csak CNC géppel lehet kivitelezni. A kifejezetten erre a célra tervezett,
kereskedelmi forgalomban is kapható, célgépet csak egyetlen vállalat, a japán AMINO
cég gyárt [3].
3. Fő technológiai változatok
3.1. Egypontos inkrementális lemezalakítás
SPIF: (Single Point Incremental Forming). Ennél az eljárásnál, az alakítandó
fémlemezt, egyidejűleg egy pontban ható nyomó igénybevétel terheli az alakítás során.
Egypontos alakításnál a lemezt egy álló helyzetű ránctartóban rögzítik, majd a folya-
mat megkezdésével a gömbfejű bélyeg azon pontjában kezdődik meg a képlékeny
alakváltozás, ahol a lemezzel érintkezik. Mivel a kialakítandó fémlemez alsó felülete
nincs megtámasztva, ennek következtében a lemez szabadon alakváltozik [4].
Az eljárás másik módja az, amikor ellenbélyeget is alkalmaznak. Ezáltal az egy-
pontos inkrementális lemezalakításnak két alapváltozatát különíthetjük el: az ellenbé-
lyeges, illetve az ellenbélyeg nélküli alakítást. Az ellenbélyeg nélküli változat elvi váz-
latát az 1. ábra szemlélteti.
6
1. ábra. Az ellenbélyeg nélküli egypontos inkrementális lemezalakítás elvi vázlata [3]
SPIF eljárással bonyolult és összetett alkatrészek gyárthatók közvetlenül az alkat-
rész CAD adatbázisából, minimális szerszám beállítással, s ezzel lehetővé válik a
gyors prototípus és a kissorozatgyártásban való alkalmazása. Az alakváltozási zóna
csak kis területre terjed ki, ami lehetővé teszi az alakíthatóság növelését, így a kismér-
tékű alakíthatósággal rendelkező és nehezen alakítható munkadarabok is könnyen
megmunkálhatóvá válnak. Könnyen és gyorsan alkalmazkodik a munkadarab alakvál-
tozásához, ezzel nagy rugalmasságot biztosít azok gyártásához. Az alkatrész méreté-
nek csak a megmunkáló gép mérete szab határt. Mivel a szerszám és a fémlemez
érintkező zónája és a növekményi lépések kicsik, ezért a megmunkálás során fellépő
erők nem jelentősek. A kialakított lemez felülete a megmunkálás után még javítható,
tökéletesíthető [4].
Az eljárás hátrányai közé sorolható, hogy az alakítás időtartama jóval hosszabb,
mint más hasonló megmunkálást végző eljárásoké (pl. a mélyhúzás). Megmunkálás
során visszarugózás következhet be, viszont ez előfordulhat más eljárásnál is. A hosz-
szú időtartamú gyártásból, illetve a kis termelékenységből eredően, kissorozatgyártásra
korlátozódik az alkalmazása [4].
3.2. Kétpontos inkrementális lemezalakítás
TPIF: (Two Point Incremental Forming). Megmunkálás során az alakítandó
munkadarabot, egyidejűleg két pontban ható nyomó igénybevétel terheli. A munkada-
rabot egy vertikális irányban mozgatható ránctartóban rögzítik. Alakítás során a ránc-
tartó z tengely mentén lefelé mozog. A folyamat során az alakító szerszám behatol a
ránctartó
munkadarab z
y
α
x
z
h
alakító bélyeg
ω
7
lemez anyagába, amely az adott pontban képlékeny alakváltozást okoz, majd a szer-
szám azon pálya mentén halad, amely a kialakítandó darab kontúrvonala. A képlékeny
alakváltozás abban a pontban indul el, ahol az alakító bélyeg közvetlen érinti a mun-
kadarabot. CNC marón a szerszám a főorsóra van felszerelve. A másik pont egy stati-
kus pozíció, amely arra szolgál, hogy ellenirányú erőt fejtsen ki a lemezen [4] [5].
TPIF eljárásnál szerszámot különböztetünk meg: az úgynevezett elsődleges szer-
számot, amely a lemez anyagába hatol illetve a másodlagos szerszámot (matricát). Egy
a másodlagos szerszám álló helyzetű, amely a munkadarab alakját képezi. Attól füg-
gően, hogy milyen formát kívánunk kialakítani, a másodlagos szerszám tetszőlegesen
cserélhető. Ez az utóbbi az, ami miatt az eljárás igazából nem tekinthető szerszám nél-
küli eljárásnak (ami az inkrementális alakításra általánosan igaz), habár mégis így ne-
vezik. A másodlagos szerszámnak két típusát különböztetjük meg: a teljes illetve rész-
leges matricát [4].
3.2.1. Teljes szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás
A teljes szerszámmal végzett eljárásnak nagy előnye, hogy jó alakpontosság ér-
hető el, mivel a lemezt a teljes szerszámmal leszorítják a folyamat során (ezzel meggá-
tolva annak hullámosodását, elmozdulását). Hátránya, hogy magas költségigényű, il-
letve kevésbé rugalmas eljárás, mivel minden egyes darab kialakításához egy újabb
(teljes) matricára van szükség [5]. Elvi vázlatát a 2. ábra szemlélteti.
2. ábra. Kétpontos inkrementális alakítás, teljes matricával [6]
munkadarab
támaszlap
teljes matrica
támaszoszlop ránctartó y
z
x
alakító bélyeg
8
3.2.2. Részleges szerszámmal végzett kétpontos inkrementális lemezalakítás
A részleges szerszámnak (matricának) ugyanaz a funkciója, mint a ránctartónak a
SPIF esetében, megtámasztja a fémlemezt a megfelelő pontokban, ezzel fokozva az
alakpontosságát. A részleges szerszámnak van egy alapgeometriája, amely lehetővé
teszi, hogy a különböző alkatrészen ugyanazzal a szerszámmal, ugyanazt a geometriát
alakítsák ki. Nincs szükség minden újabb darabnál egy újabb szerszám alkalmazására,
ebből adódóan gazdaságosabb, illetve rugalmasabb, mint a teljes matricával végzett
változat [5]. Elvi vázlatát a 3. ábra szemlélteti.
3. ábra. Kétpontos inkrementális alakítás, részleges matricával [6]
4. Az ISF jelenlegi helyzete és nemzetközi fejlődési trendje
Az technológia iránt az utóbbi évtizedben egyre fokozódó az érdeklődés. Ezt az
elnevezést, csak azoknál az eljárásoknál alkalmazzák, ahol az alakítás lokálisan az ala-
kítandó lemeznek (munkadarab) csak kis felületére terjed ki. Ebben az értelemben
olyan eljárások is idetartoznak, mint a kovácsolás, fémnyomás és a hengerlés.
y
z
x
részleges matrica
támaszlap
támaszoszlop ránctartó
munkadarab
alakító bélyeg
9
A történelmi fejlődés négy szakasza [7]:
1. szakasz: (1989 előtt): Az ISF korai szakasza, amikor számos inkrementális
alakítással kapcsolatos szabadalom készült. Ezek elsősorban az egypontos ink-
rementális lemezalakításra vonatkoztak.
2. szakasz: (1989-1996): Ez az időszak az 1. szakaszhoz köthető azzal a különb-
séggel, hogy itt kifejezetten a Japánban folytatott fejlesztések a dominánsak.
3. szakasz: (1996-2000): Ekkor eredményes fejlődéseket értek el a „modern”
inkrementális lemezalakítás, azaz a kétpontos alakítás területén is, jellemzően
a Távol-Keleten és Japánban.
4. szakasz: (2000 után): A nyugati világ figyelmét is egyre erőteljesebben felkelti
az eljárás. Ekkor születtek a nyugati országok szabadalmai.
4.1. Korai szakasz (1989 előtti)
A XX. században sok szabadalmat jelentettek be, amelyek nagyon hasonlóak
voltak az inkrementális lemezalakításhoz. Ezekből is a két legjelentősebb Leszak és
Berghahn szabadalma, amely 1967-ből származik. Mindkét szabadalom korong és csé-
szeszerű munkadarabok megmunkálását fogalmazza meg, azzal a különbséggel, hogy
Leszak szabadalmában hajlítással alakítják ki a lemez végső alakját míg Berghahn ese-
tében xyz irányú rugalmas alakítással.
A ISF alapjának a nottinghami egyetem kiemelkedő kutatójának, Mason kutatá-
sait tekinthetjük. Számos kísérletet végzett esztergagépek segítségével. Azt állította,
hogy minimum három koordináta szükséges egy alakított felület leírásához. Úgy vélte,
hogy ennek a legegyszerűbb módja egy gömbvégződésű szerszám alkalmazása. Mun-
káit korábbi tanára, Appleton mutatta be az 1984-es Kyoto-i kongresszuson, Japánban.
Feltehetőleg ez keltette fel a japánok érdeklődését a technológia iránt [7].
4.2. Az első fejlesztések Japánban (1989-1996)
A Japánban folytatott fejlesztésekben Hiroyuki Iseki és munkatársainak munkás-
sága kiemelkedő jelentőségű.
1991-ben Iseki kiadta a számítógép-vezérlésről szóló munkáját, amely többféle
formával rendelkező munkadarabok létrehozását írta le. Ezután, 1994-ben, egy három-
dimenziós CNC inkrementális alakító szerszámgépet fejlesztett ki. Különféle anyagú
lemezek inkrementális megmunkálását mutatták be vele, pl. acélt, rozsdamentes acélt,
titán anyagú lemezeket. Ezt követően számos tanulmányt és különféle szabadalmakat
adtak ki az eljárás háromdimenziós CNC marógépen való alkalmazására.
10
Mindeközben 1993-ban Kitazawa japán tudós is bemutatta kezdeti munkáját, egy
egyszerű kialakítású berendezésen. Forgóasztalt alkalmazott az inkrementális lemez-
alakítás során, ugyanazon működési elv szerint, mint Berghahn.
1994-ben megjelent a JJTIP (Journal of Japan Society for Technology of
Plasticity) „Movement of Intelligent Incremental Forming” című kiadványa, amely
bemutatta az inkrementális alakítás helyzetét Japánban. Számos kiadvány jelent meg
még Kínában is, de ezek többsége nem jutott el a nyugati országokig [7].
4.3. Eljárás változatok (1993-2000)
Ebben az időszakban több japán szabadalmat jegyzetek be. A későbbiekben ezek
a szabadalmazott eljárások keltették fel az autóipar érdeklődését a technológia iránt.
Az alábbiakban ezen eljárások közül sorolok fel néhányat [7].
- JP 10-076321: Hitachi, 1996: Ez a változat nagyon hasonlít ahhoz a mélyhúzás-
hoz, amely Shima nevéhez fűződik. Ez a szabadalom a domborí-
tott panelek kialakítását fedi le.
- JP 10-137858: Toyota, 1996: Matsubara szabadalmának egy újabb változata,
amely olyan lemezek NC gépeken való kialakítását fogalmazza
meg, amelyeken közbenső vágások is vannak.
- JP 10-296345: Hitachi, 1997: Az egypontos inkrementális lemezalakításhoz kü-
lönféle eszközöket (görgős, vágószerszám) alkalmaznak.
- JP 2000-153313: Toyota, 1998: Itt egy ellenbélyeget alkalmaztak, amely az alakí-
tó bélyeggel együtt mozog. Ezzel megoldották, hogy a lemez
anyaga a behúzás során kevésbé vékonyodjon el (mint a mélyhú-
zásnál). Ez csak úgy valósítható meg, ha a lemez ráncmentes.
4.4. Későbbi fejlesztések (2000 után)
Ez az időszak azokat az inkrementális lemezalakító eljárásokat foglalja magában,
amelyeket a nyugati országokban szabadalmaztattak. Ekkor a kutatások súlypontja a
Távol-keletről a nyugati országokba, különösen Európába helyeződött át. A nyugati
országok érdeklődését egy 1997-es nemzetközi konferencia keltette fel a technológia
iránt. Ezen a találkozón számos nyugati kutató megjelent, akiket lenyűgözött az ISF
egyszerűsége illetve az, hogy mindez egy egyszerű CNC marógépen megvalósítható.
Így indultak el ezekben az országokban az ISF kutatások és jelentek meg az első pub-
likációk 2001-ben.
11
Ebben az időszakban számos autóipari alkalmazás jelent meg. Olyan cégek so-
rolhatóak ide, mint a Honda, BMW és a Toyota, amelyeknél az eljárást különböző au-
tóipari alkatrészek gyártására alkalmazták. A Honda 2002-ben adott ki egy szabadal-
mat, amelyben különböző konvex és konkáv autóipari alkatrészek inkrementális alakí-
tással való gyártását foglalta össze. A BMW szabadalma már meglévő, egyedi jármű-
alkatrészek inkrementális alakítását írja le, viszont ez a folyamat csak speciális gépek-
kel volt kivitelezhető.
Az addig használt CNC marók mellett megjelentek az ipari robotok, melyek le-
hetővé tették a bonyolultabb alkatrészek gyorsabb előállítását. A technológia számos
európai ország figyelmét is felkeltette (pl. Finnország, Belgium, Németország). A két-
pontos lemezalakítással Európában elsőként Strano foglalkozott. Ez az időszak 2003
elejére vezethető vissza. Ennek elvét, 2004-ben, Jadhav dolgozta ki részletesen. Az
eljárás lehetőséget nyújtott különböző összetett alakzatok gyártására. Az elkövetke-
zendő években újabb ötletek születtek az eljárás folyamatának felgyorsítására [7].
5. Az eljárás gép és szerszámszükséglete
A megmunkálást többnyire három vagy többtengelyes vezérléssel rendelkező
CNC marógépen végzik. A vezérlő programok elkészítésére CAD (Computer Aided
Manufacturing) szoftvereket alkalmaznak.
5.1. Az alakító bélyeg (szerszám)
Az eljárás egyik alapeleme, amely többnyire félgömbvégződésű, de lehet gömb-
végződésű is. Ezeket különböző átmérővel gyártják (6 mm-től 100 mm-ig terjedhet).
Minél nagyobb a szerszám, annál nagyobb erő szükséges a megmunkáláshoz. Ezek a
méretek jelentősen befolyásolják a munkadarab felületi érdességét, és minőségét. A
leggyakrabban használt bélyegátmérő a 12 és 12.5 mm-es. A 4. ábra eltérő méretű
félgömbvégződésű bélyegtípusokat szemléltet.
Az alakító bélyeg munkáját befolyásolja egyrészt az alakítandó gyártmány alakja
és anyaga, másrészt az, hogy milyen mélyen hatol a lemez anyagába a szerszám a
megmunkálás során. Anyagát keményfém, vagy keményfém bevonat képezi, ezzel
csökkentve a megmunkálás folyamán fellépő súrlódást, illetve megnövelve annak élet-
tartamát. Vannak esetek, amikor a bevonatot műanyagból készítik. Ezt akkor alkal-
mazzák, mikor az elsődleges szempont a fémlemez és a szerszám között kialakuló ké-
miai reakció megakadályozása. Ezzel a módszerrel a munkadarab felületi minősége is
javítható [8].
12
4. ábra. Félgömbvégződésű alakító bélyegek: 50, 30, 20, 12, 8 [mm] [5]
5.2. Ránctartó
Az másik alapelem a ránctartó vagy ráncgátló, melynek feladata a munkadarab
megfogása és leszorítása. A ránctartó alkalmazásával elkerülhető, hogy az alkatrész a
munkafolyamat során megemelkedjen, hullámosodjon.
Egypontos inkrementális alakításnál merev ránctartót alkalmaznak. Egy ilyen
ránctartót szemléltet az 5. ábra. A pontatlanságok elkerülése, illetve a nem kívánt be-
húzódás elkerülése érdekében különféle védőlemezeket helyeznek a berendezésbe [4].
5. ábra. Merev ránctartó [4]
A kétpontos inkrementális lejárás mindkét változatánál, a teljes és részleges mat-
ricával végzett alakítás esetén is, mozgatható ránctartót alkalmaznak (6. ábra), amely
13
függőleges irányban mozdul el. Ez úgy valósul meg, hogy miközben az alakító bélyeg
kis léptékben, fokozatosan lefelé halad, úgy vele együtt a ránctartó is [4].
6. ábra. Szerszámmal együtt mozgatható ránctartó [4]
5.3. Szerszámgép
Az ISF eljárásra a legalább háromtengelyes vezérléssel rendelkező CNC gépek
alkalmasak, amelyeknek nagy a merevsége, nagy a szerszám előtolási sebessége, illet-
ve nagyméretű munkadarabok megmunkálására is alkalmasak. Ezek közül is a legjel-
lemzőbb a CNC vezérlésű marógép. A különféle marók termelékenysége, előtolása,
terhelhetősége, merevsége eltérő. Közös jellemzőjük, hogy többfunkciósak, mivel más
eljárásokra is alkalmazhatóak. A CNC marók mellett a célgépek, robotok és az úgyne-
vezett Hexapodok is alkalmasak az inkrementális lemezalakításra [4].
6. Az eljárás technológiai paraméterei
A hagyományos lemezalakítások esetén a szerszám határozza meg a munkadarab
végső alakját, ezzel ellentétben az inkrementális alakításnál a megfelelő alak létreho-
zása egy jól tervezett, pontos szerszámvezérlő egység által meghatározott szerszámpá-
lya vezérlés révén valósul meg. Mindez a megmunkálási időt megnöveli, viszont na-
gyobb alakváltozást tesz lehetővé a hagyományos eljárásokkal szemben. Inkrementá-
lis lemezalakítás esetén a termék minőségét a technológiai paraméterek nagymérték-
ben befolyásolják. Az 1. táblázat összegzi ezeket a paramétereket, míg a 7. ábra azok
helyét szemlélteti [8].
14
1. táblázat. Az inkrementális lemezalakítás technológiai paraméterei
Jelölés Megnevezés Mértékegység
to Alakítás előtti lemezvastagság mm
ti Alakítás utáni lemezvastagság mm
ν Előtolás mm/fordulat
d A szerszám gömbfejének átmérője mm
h Alakítási mélység (munkadarab magassága) mm
Ф = (α) A kialakított munkadarab falszöge (behúzási szög) o [rad]
Görbületi sugár mm
ω Főorsó sebessége m/s
Támadási szög mm/fordulat
x, z A szerszám x és z tengely irányú elmozdulása mm
7. ábra. Technológiai paraméterek inkrementális lemezalakítás esetén
h
Ф
ti
d to α
x
z
ν
dmax
munkadarab
alakító bélyeg
ω
15
Az egyes paraméterek közötti összefüggések:
6.1. Az alakító bélyeg átmérője (d)
A szerszámátmérő az előtolással együtt a felületi érdességet befolyásolja. Szá-
mos kísérletet végeztek, amelyek során megállapították, hogy nagyobb átmérővel jobb
felület érhető el. A folyamat megkezdése előtt lecsiszolják a gömbfejen lévő apró
egyenetlenségeket, hogy minimalizálják a bélyeg és a munkadarab közötti súrlódást.
Nagyon meredek emelkedésű szögeknél szükséges, hogy a szerszámrúd átmérője ki-
sebb legyen, mint a bélyeg gömbfejének átmérője. Így lehet elkerülni, hogy a munka-
darab és a szerszámrúd érintkezzen egymással. Ezt a szerszámpálya meghatározásánál
számításba kell venni [4].
6.2. A szerszám forgási sebessége (ω)
A főorsó forgási sebességének növelése fokozza az alakíthatóságot, amely kö-
vetkeztében két dologgal kell számolnunk. Egyrészt a lemezen keletkező helyi felme-
legedés, másrészt a szerszám és a munkadarab felületén fellépő súrlódás csökkenése.
Az alakítás során a lemez hevítési hőmérséklete szabályozható. Az alakító bélyeg
belehatol a lemez anyagába, amely így képlékeny alakváltozást szenved. A bélyeg, a
munkadarab felületén végighaladva, egy meghatározott fordulatszámmal, folyamato-
san forog. Amint megáll, megcsúszik a lemez felületén. Magas fordulatszám esetén
16
gyakrabban csúszik meg, amely hőmérsékletnövekedést eredményez. Ez a csúszási
súrlódás miatt következik be. Ennek nagyságát a bélyeg és munkadarab közötti relatív
mozgás befolyásolja. Ha ez a relatív mozgás kicsi, akkor minimális a felmelegedés
mértéke. Ellenkező esetben megnöveli azt, tehát közöttük arányosság áll fenn [9]. A
súrlódás csökkentésénél nagy jelentősége van a kenőanyagnak, amelyet részletesen a
6.6. Kenőanyag pontban kerül kifejtésre.
6.3. A húzási szög (ф)
A húzási szög az alakítandó fémlemez falvastagságát is jelentősen befolyásolja.
Megnövelésével ugyanis csökkeni azt, bizonyos érték elérése után pedig a falvastagság
eléri azt a minimális szintet, amely után a munkadarab elszakad, eltörik. Ennek elkerü-
lése érdekében a tervezőnek ismernie kell az adott anyag úgynevezett фmax értékét,
amely az anyag azon határértéke, amelyet repedésig képes elviselni. Az egyes anyag-
minőségek фmax értékét különböző kísérletek folyamán állapították meg pl. sárgaréznél
40o, vörösréznél 65
o. E határérték meghatározására, a szinusz törvényt használják fel,
amelynek egyenlete: ti = to x sin α [4]
A húzási szög és a szerszám átmérőjének helyes megválasztása jó felületi minő-
séget eredményez. A 8. ábra az elmozdulásnak, a szerszám átmérőjének, illetve a hú-
zási szögnek a kapcsolatát ábrázolja.
8. ábra. Az alakító bélyeg z irányban való elmozdulásának változatai [4]
Ф h
z
x
h
z
x
17
Különböző vizsgálatok során megállapították, hogy ha nagy a húzási szög, akkor
úgynevezett „narancshéjas” felület jelenik meg a munkadarabon, amelyet a 9. ábra jól
szemléltet. Ez egy olyan nem kívánt hatás, amelyet a tervezőknek ismerniük kell. En-
nek mértékét, a nagy húzási szög mellett, jelentősen befolyásolja, ha túl nagy a távol-
ság a vertikális és horizontális irányú elmozdulások között.
9. ábra. Alumínium és vörösréz felületén keletkezett narancsosodás
Ez a jelenség szabad felületeken igen nagy képlékeny alakváltozást okoz, ami a textúra
és mikroszerkezeti hatások eredménye. Összefoglalva leszögezhetjük, hogy minél ki-
sebb a húzási szög és a x, z irányú elmozdulás, annál kisebb a felületi érdesség [4].
6.4. A szerszám mozgáspálya ( x, z)
A mozgáspálya mentén való elmozdulás (az előtolás mértéke) is nagyon lényeges
a gyártás szempontjából. Ez mind a pontosságot, mint a felületi érdességet jelentősen
befolyásolja, amely történhet egy lépésben vagy több lépésben, változó vagy állandó
lépésmélységgel illetve kifelé vagy befelé haladva. A már korábban említett felületi
érdesség tehát fontos tényező a termék minőségét illetően. Ezt legjobban a bélyeg ver-
tikális és horizontális ( x, z) irányban történő elmozdulása befolyásolja. Több kuta-
tást végeztek annak megállapítására, hogy ez milyen hatással van a munkadarabra.
Egy ilyen kísérletet mutat a 10. ábra, ahol négy, azonos méretű és összetételű alumíni-
um lemezt készítettek ugyanazzal a bélyeggel, de eltérő elemi lépésekkel [4].
18
10. ábra. Azonos bélyeggel (12.5 [mm]) és eltérő lépésmélységgel megmunkált alu-
mínium lemezek 3 dimenzióban ábrázolt felületi érdessége [4]
A 10. ábra a már elkészült darabok 3 dimenziós képét szemlélteti, amelyeken jól
látható a különbség. Azt tapasztalták, hogy minél kisebbre állítják a szerszámútvona-
lat, annál egyenletesebb felületet kapnak. Mindezt összegezve arra az eredményre ju-
tottak, hogy ahol a Δz elemi lépés nagysága legfeljebb 1%-a a szerszámnak, ott a
munkadarab felületi egyenlőtlensége nem számottevő, gyakorlatilag sima felületű [4].
6.5. Az előtolás
Az alakíthatóság az előtolás csökkentésével növelhető, viszont ez a korábban em-
lített problémát, a megmunkálási idő növekedését is eredményezi. A helytelenül meg-
választott előtolás ugyanakkor ráncosodást, illetve a felületi érdesség növekedését
okozhatja.
z = 1.27 [mm]
z = 1.02 [mm]
z = 0.76 [mm]
z = 0.51 [mm]
19
6.6. Kenőanyag
A technológiai paraméterek helyes megválasztása mellett nagy a jelentősége a
kenőanyagnak is. A megfelelő hűtés-kenés csökkenti a megmunkálásból eredő
súrlódást, illetve a szerszámkopást, ezáltal simább, egyenletesebb, alakpontosabb
munkadarabok gyárthatók. A 11. ábra szemlélteti a kenőanyag jelentőségének
elemzése érdekében végzett vizsgálatot. Amint azt a 11. ábra szemlélteti, a kenőanyag
nélkül készült lemez felülete esetenként durva, repedezett és az alak sem pontos. A
károsodás a lemez alján jelenik meg, ahol akár egész darab is kiszakadhat a munkada-
rabból. Az alakítás mélységének további növelése az anyag tönkremeneteléhez vezet-
het. A másik esetben, kenőanyag alkalmazásával, simább, egyenletesebb felületű lett a
munkadarab, továbbá az alakpontosság is javult.
11. ábra. Az első képen egy kenőanyag nélkül, míg a második képen egy kenőanyag-
gal megmunkált fémlemez látható
7. Alakítási határdiagram
Az alakítás folyamán, egyenletes feszültségi állapotot feltételezve, a törés csak a
lemez síkjában bekövetkező alakváltozástól függ. A törésig elviselt alakváltozás mér-
téke az alakváltozási határérték. Ezt az értéket jelentősen befolyásolja az alakítás mód-
ja. Mindezt az úgynevezett alakítási határdiagramban ábrázolják, amelyet a 12. ábra
szemléltet. Inkrementális lemezalakítás esetén ez egy negatív meredekségű egyenes,
amely magasabban helyezkedik el ugyanazon anyag hagyományos lemezalakító eljá-
rásokra vonatkozó határgörbéinél. Ez azt jelenti, hogy az inkrementális alakítás na-
gyobb alakváltozást tesz lehetővé. Az ISF-ra sajátos alakváltozási állapot jellemző,
20
ami azt jelenti, hogy a képlékeny zóna az alakítás folyamán csak egy kis területre kor-
látozódik [3].
12. ábra. Alakítási határdiagram
A 12. ábra jelölései: ε1, ε2: főalakváltozás, 1. Zömülés, 2. Egytengelyű nyúlás,
3. Kéttengelyű nyúlás, 4. Kéttengelyű nyúlás, mindkét nyúlás azonos, 5. Inkrementális
lemezalakítás.
8. Az első kísérleti munka
A vizsgálat célja egy alumínium alapanyagból készült, kúpszerű alkatrésznek az-
zal a legnagyobb falszöggel való kialakítása, amelyet a lemez, repedés, törés nélkül
elvisel. A kísérleti munka második felében egy komplex alakzat elkészítésének részle-
teit ismertetem.
8.1. A vizsgálat helyszíne
Az első kísérleteket a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékének
laboratóriumában végeztük el.
ε1
ε2 Fizikailag lehetetlen zónák
1. ε2 < 0
2. ε1 > 0
3. ε1, ε2 > 0
4. ε1 = ε2
Alakíthatóság tartománya
Szakadás tartománya
Helyi kontrakció
határgörbe
Szakadási határgörbe
5.
Helyi
kontrakció
tartománya
21
8.2. A kísérlet eszközei
8.2.1. A munkadarab
A vizsgálat során 45o, 60
o, 63
o, 64
o és 65
o-os falszögű kúpot alakítottunk. A kí-
sérleti munkadarab minden esetben kör alakú, Al 1050 minőségű alumínium lemez
volt, amelynek átmérője 194 mm, vastagsága 0,6 mm (13. ábra). Az Al 1050 minősé-
gű könnyen alakítható, kiváló korrózióálló alumínium ötvözet. Hidegalakításra, ív és
ellenállás hegesztésre, forrasztásra is alkalmazzák.
13. ábra. A vizsgálat munkadarab
8.2.2. A szerszám
Az eljárás egyik előnye, az egyszerű, többcélúan alkalmazható gömbvégződésű
bélyeg, így a mi esetünkben sem volt másképp. Az alakító bélyeg gömbfejének átmé-
rője 10 mm, a bélyeg hossza 125 mm. Az anyaga ötvözött acél, amelynek olvadáspont-
ja és sűrűsége több mint kétszerese az alumíniumnak, amely a munkadarab anyagát
képezi. Az első kísérleteket egyetemes esztergagépen végeztük. A folyamat megvaló-
sításához a bélyeget a szegnyeregbe helyeztük el. A mi esetünkben a ránctartóba szorí-
tott munkadarab végezte a forgó mozgást az alakító bélyeg helyett. A z elmozdulás
nagysága minden vizsgálatnál 2 mm volt. A szerszámot a 14. ábra szemlélteti.
22
14. ábra. A kísérlet megvalósításához alkalmazott alakító bélyeg
8.2.3. A ráncgátló
A megmunkálás során alkalmazott merev ránctartót a 15. ábra szemlélteti. A
próbatestet 12 db csavarral erősen a ránctartóhoz rögzítettük, ezzel megakadályozva,
hogy a próbatest az alakítás folyamán elmozduljon. Az oldalából egy kisebb részt eltá-
volítottunk, a munkafolyamat jobb nyomon követhetősége érdekében. Ezen keresztül
láthatóvá vált, hogy mikor indul meg a repedés a munkadarab felületén. Az ábrán a
munkadarab már a ránctartóba van fogva.
15. ábra. Az esztergagépre helyezett ránctartó
23
8.2.4. A szerszámgép
A vizsgálatot egy hagyományos esztergagépen (16. ábra) végeztük. A fordulat-
számot minden próbatest alakítása során a legkisebbre állítottuk. Az ábrán jól látható a
szegnyeregbe elhelyezett alakító bélyeg, és a ránctartóba fogott munkadarab.
16. ábra. A kísérlethez alkalmazott esztergagép
8.3. A kísérlet szakaszai
8.3.1. A próbadarabok behálózása
Az első, és egyik legfontosabb lépés a rácsháló felvitele, amelyet a folyamat
megkezdése előtt a mintadarab felületére felvisznek. A hálózás az előkészítés fontos
részét képezi, mert a próbatest felületén végbemenő főalakváltozások nagyságát és
irányát a hálópontok koordinátáinak megváltozásából lehet megmérni.
A rácsháló lehet kör alakú, vagy négyzetes, amelyet már előre elkészítenek (pl.
gravírozással, elektrokémiai maratással, nyomdatechnikai módszerekkel, stb.). Az
alakváltozás során a körök ellipszissé, a négyzetek általános négyszöggé torzulnak, s a
megnyúlást (az alakváltozást) ezek méreteiből számítják. A mi esetünkben négyzetes
rácshálót alkalmaztunk. Ez a rácsháló, egy vékony réteget képez a próbatest felületén,
így könnyen leválik a felületéről, ezért óvatosan kell felhelyezni a ránctartóra.
24
8.3.2. Az alakítás
A behálózott munkadarabok közül elsőként egy 45o-os falszögű kúpos próbates-
tet alakítottunk, amelyet a 17. ábra szemléltet. Az alakítás könnyen, problémamente-
sen megvalósítható volt. A folyamat befejezésével a próbatesten nem keletkezett repe-
dés, a felülete egyenletes és pontos volt. Minden esetben gondoskodtunk a munkada-
rabok folyamatos kenéséről, az egyenletesebb, pontosabb felület elérése céljából.
17. ábra. 45o-os falszögű kúpos munkadarab
A második vizsgálatnál egy jóval nagyobb, 60o-os falszögű munkadarabot készí-
tettünk. Ez a próbatest is repedés nélkül elviselte az alakítást (lásd 18. ábra).
18. ábra. 60o-os falszögű kúpos munkadarab
25
A nagyobb falszögből adódóan a falvastagság jóval kisebb lett, mint a 45o-os fal-
szögűé. Habár a falvékonyodás pontos értékét az alakítási határdiagramból lehet kiol-
vasni, a két munkadarab között szemmel látható volt ez a különbség. A 18. ábra jól
szemlélteti, hogy itt a négyzetes rácsháló jobban eltorzult, mint a 45o-os próbatest ese-
tében, ami azt jelenti, hogy a 60o-os falszögűnél nagyobb alakváltozás ment végbe.
A harmadik kísérlet során egy 65o-os falszögű próbatestet alakítottunk (19. áb-
ra). Alumíniumnál és lágyacélnál ez általában az alakítás felső határa, habár vannak
alumínium ötvözetek (például az Al 3003) ahol ez az érték magasabb. A 65o-os kúp-
szögű, Al 1050 anyagminőségű, 0.6 mm vastagságú munkadarab, röviddel a folyamat
megkezdése után, elszakadt.
19. ábra. Az elszakadt 65o-os falszögű munkadarab
A 20. ábra a 65o-os falszögű próbatest alakításának folyamatát ábrázolja. Ezen az
ábrán, kinagyítva, jól látható a szakadás helye.
A 60o-os falszögű munkadarabot sikeresen elkészítettük, de mivel 65
o-nál elsza-
kadt ezért a két érték között végeztük a további kísérletet. Azt vizsgálva, hogy melyik
az a legnagyobb falszög, amellyel a próbatest repedés nélkül kialakítható, a következő
kísérlet során 63o-s falszöggel alakítottunk. A 21. ábra jól ábrázolja, hogy az alakítás
folyamata sikeresen befejeződött, nem keletkezett repedés.
26
20. ábra. A szakadás helye a 65o-os falszögű munkadarabon
21. ábra. 63o-os falszögű kúpos munkadarab
Befejezésül egy 64o-os falszögű munkadarabot is próbáltunk elkészíteni, viszont,
a 65o-oshoz hasonlóan, elszakadt. Ezzel megállapítottuk, hogy φ= 63
o az a legnagyobb
érték, amellyel az Al 1050 anyagminőségű, 0,6 mm vastagságú próbatest repedés nél-
kül kialakítható.
27
8.3.3. Kalibráció
Az elkészített munkadarabokon a feszültség eloszlás és alakváltozás kiértékelé-
séhez a Mechanikai Technológiai Tanszék Laboratóriumában található Autogrid opti-
kai alakváltozás mérő és kiértékelő rendszert és a hozzá tartozó Vialux szoftvert al-
kalmaztuk. A rendszer egy állványra felhelyezett 4 db CCD kamerával készít képeket
a próbatestről (lásd 22. ábra). Ez az állvány tetszőlegesen állítható, így a kamerák
könnyen az optimális nézetbe állíthatók. A kamerák megfelelő pozícióba állítása után
következetett azok kalibrálása. A kalibrálás célja a mérőrendszer és a mérőeszköz kö-
zötti összefüggés meghatározása [10] [11].
22. ábra. Autogrid optikai alakváltozást mérő és kiértékelő rendszer 4 kamerája [11]
8.3.4. Digitális képrögzítés
A Vialux programnak két üzemmódja van: folyamatos illetve a normál üzem-
mód. A folyamatos üzemmód alakítás közbeni képek (mozgókép) rögzítésre alkalmas,
míg a normál üzemmód a folyamat befejezése után, az elkészült próbadarabok képei-
nek (állókép) rögzítésre. Mi az utóbbi módszert alkalmaztuk. A próbadarabokat
egyenként a kamerák alá helyeztük, majd a megfelelő helyzetbe állítottuk. A négy ka-
mera, a próbadarab négy különböző pozícióját rögzíti. A kép akkor megfelelő, ha a
program, a hálópontok keresése folyamán, megtalálja azokat a legfontosabb hálópon-
tokat, amelyekből a pontos hálómodell elkészíthető. Léteznek olyan 3D-s szkennerek,
melyekkel a lehető legnagyobb pontosságú kép készíthető, viszont ezeknek az eszkö-
zöknek a beszerzése nagyon drága.
28
8.3.5. A 3D-s hálómodell elkészítése
A hálómodell elkészítése is egy lényeges része a vizsgálatnak, mert ebből tudjuk
kiértékelni az alakított munkadarabok falvékonyodását, a vastagság változását, az
alakváltozásokat, a feszültségi értékeket . A hálópontok keresése és a hálómodell meg-
alkotása a Vialux program automatikus funkciója. Mivel nem minden esetben sikerült
a vizsgálat szempontjából legpontosabb képeket elkészíteni, ez azt eredményezte,
hogy a program kevés hálópontot talált a munkadarabon. Ezt úgy oldottuk meg, hogy
újabb pontokat vettünk fel, illetve a hibásakat kitöröltük. A nehézséget az okozta, hogy
ekkor már csak manuálisan van lehetőség a hálópontok keresésére. Ez a módszer nem
biztosít pontosabb eredményt, mint ha automatikusan találtuk volna meg azokat, de a
legtöbb esetben alkalmazni kell.
Az alakított próbatestek közül csak a 45o-os falszögű munkadarab hálópontjait
sikerült automatikusan megkeresni, hálómodelljét a 23. ábra szemlélteti. A 60, 63, és
65o-os falszögű esetében a manuális funkciót is szükséges volt alkalmaznunk.
23. ábra. A 45o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
A manuális hálópontkeresés rendkívül időigényes, órákig is eltarthat. Éppen ezért
nem kerestünk meg minden egyes hálópontot, csakis azokat, amelyek a vizsgálat kiér-
tékeléséhez elengedhetetlenek. Miután a vizsgálat szempontjából szükséges hálópon-
tokat megtaláltuk, a program segítségével elkészítettük a 60, 63, és 65o-os falszögű
munkadarab hálómodelljét is.
29
24. ábra. A 60o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
25. ábra. A 63o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
26. ábra. A 65o-os falszögű kúpos munkadarab 3D-s hálómodellje
30
8.4. Az alakváltozás vizsgálata
A munkadarabok behálózása és 3 dimenziós modelljének elkészítése után az
utolsó lépés az alakváltozás és falvékonyodás meghatározása. Elkészítettük az alakított
munkadarabok alakváltozási eloszlásainak és a falvékonyodásuk mértékét ábrázoló
modelljeit. Először a 45o-os falszöggel kialakított munkadarab alakváltozását
vizsgáltuk (lásd. 27. ábra). Az eltérő színek a munkadarab eltérő falvastagságát
mutatják. A legvastagabb részt a sötétkék, a legvékonyabbat pedig a piros szín jelöli.
27. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (45o-os falszügű munkadarabnál)
28. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (60o-os falszügű munkadarabnál)
31
29. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (63o-os falszügű munkadarabnál)
30. ábra. A falvastagság eloszlási modell és diagram (65o-os falszügű munkadarabnál)
A 27. ábra, 28. ábra, 29. ábra és 30. ábra elkészítését a Visualisation szoftverrel
végeztük. Az ábrákból leolvashatjuk az egyes darabok megnyúlását és falvastagságá-
nak csökkenését. A megnyúlás a 45o-os falszögű munkadarabnál a legkisebb. A 60
o és
63o falszögű munkadarab megnyúlása, falvastagságuk csökkenése nagyon hasonló, a
kis falszög eltérésből adódóan. Az utolsóként alakított, 65o-os falszögű munkadarab
megnyúlása volt a legmagasabb, amely a rácsháló nagymértékű torzulásából is megfi-
gyelhető (lásd 30. ábra).
32
9. A második kísérleti munka
A második kísérleti munka célja egy komplex alakzatot elkészítése. A Mechani-
kai Technológia Tanszék volt professzorának, Zorkóczy Bélának a mellszobráról vett
arcmását alakítottuk ki rézlemezből. A szobor a Miskolci Egyetem Díszaulájában ta-
lálható.
A második vizsgálat nagyobb előkészületeket igényelt. A mellszobor esetében,
az első kísérlettel ellentétben, nem volt lehetséges, hogy a Vialux programmal digitális
képeket készítsünk, hiszen a szobrot nem lehet a 4 CCD kamera alá helyezni. Mivel
nem állt rendelkezésünkre olyan digitális képkészítésre alkalmas eszköz (3D szken-
ner), amelyből elkészíthető a darab hálómodellje, ezért egyéni megoldást alkalmaz-
tunk. Gipszből kiöntöttük a szobor arcformáját. A mellszobrot illetve a gipszöntvényt
a 31. ábra szemlélteti. Az arcforma egyes területein, legfőképp az ál résznél illetve a
szemüveg alatt, nagy alámetszések voltak, amelyek az alakítás szempontjából igen
hátrányos. A későbbi problémák elkerülése érdekében ezeket a területeket a maradék
gipsszel kitöltöttük. Ennek elkészítésével lehetővé vált az arcforma rézlemezből törté-
nő kialakítása.
31. ábra. Zorkóczy Béla mellszobra és arcmásának gipszöntvénye
33
9.1. A vizsgálat helyszíne
A kísérletet a felsőzsolcai Industar Kft-nél végeztük. A céget 1976-ban alapítot-
ták, jelenlegi tevékenységük, az öntészet, sajtolás, forgácsolás, csőhajlítás és csődara-
bolás, búvárszivattyú gyártás, fűrésztárcsa élezés, elektrosztatikus pórszórás és szem-
cseszórás, kipufogó és katalizátorgyártás, élhajlítás.
9.2. A kísérlet eszközei
Az arcforma kialakítását rézlemezből készítettük, egy Hurco VMX 30, négyten-
gelyes vezérlésű CNC marógépen. A szerszám egy gömbvégződésű, 5 mm átmérővel
rendelkező alakító bélyeg volt, a ránctartó pedig álló helyzetű (nem mozgatható).
9.3. Az alakítás
Az alakítást megelőzően, a Szerszámgépek Tanszéken a PowerMill programmal
elkészítették az arcforma pályaleírását. Ennek megalkotásához a gipszöntvényt hasz-
nálták fel. A 32. ábra szemlélteti az arcforma szerszámpályájának leírását.
32. ábra. A PowerMill programmal elkészített pályavezérlés I.
Az alakítás az arc külső kontúrjánál indult meg, befelé haladva az arc belső terül-
tére. A 33. ábra szemlélteti, hogy a legnagyobb alakítási mélység az orr résznél volt. A
kérdés az volt, hogy sikerül-e ezt a területet is szakadás nélkül kialakítani. Az előtolás
34
2 mm volt, a szerszám forgási sebessége 100 m/s. A szerszámgép automata hűtő-kenő
rendszerrel van felszerelve, így biztosítva volt a folyamatos kenés. Az orr kialakítása
maradt utoljára. A kis bélyegátmérőből adódóan az arcforma minden apró részletét,
beleértve az orr részét is, sikerült kialakítani. Az egész munkafolyamat kb. egy órát
vett igénybe. Az elkészült darabot a 34. ábra szemlélteti.
33. ábra. A PowerMill programmal elkészített pályavezérlés II.
34. ábra. A rézlemezből készített arcforma
A rézlemez felületére már előre felvitték a rácshálót, amelyből elkészítettük az
alakított arcforma 3D-s hálómodelljét illetve a falvastagság eloszlási modell és diag-
ramot, amelyet a 35. ábra szemléltet. Az ábrán az látható, hogy az orr terültén a legna-
gyobb a lemez elvékonyodása. Habár az arcforma sikeresen elkészült, nagyobb alakí-
tási mélységet talán már nem bírt volna el a szerszám, és a lemez elszakad. Nem kap-
tuk teljesen vissza az eredeti arcmás formáját, abból adódóan, hogy az ál illetve a
35
szemüveg melletti területet előzetesen ki lett pótolva. Ezt viszont szükséges volt elvé-
gezni az alámetszések elkerülése miatt. Az ál alsó részén így is látható egy kisebb el-
vékonyodás. Az arcforma többi területen (szem, homlok, száj, arc) a lemezvastagság
alig tér el az eredetitől.
35. ábra. A gipszből kiöntött arcmás falvastagsági és eloszlási modellje
Egy bonyolult alakzat elkészítése jóval nagyobb tervezést és munkát igényel,
mint egy egyszerű kialakításúé. Ez az arcforma esetében is így volt. Az ötlet megszü-
letésétől a kész darab elkészítéséig hosszú hetek teltek el. Habár nem minden esetben
álltak rendelkezésünkre a célnak legmegfelelőbb eszközök, a feladatot sikeresen meg-
oldottuk. A különböző testrészek kialakításának az orvostudományban van jelentősé-
ge, azon belül is az orvosi implantátumok készítésében. Az témával kapcsolatban a
10.2. Gyógyászat pontban találhatunk bővebb részleteket.
36
10. Felhasználási terület
10.1. Autóipar
A technológia elsődleges alkalmazási területe az autóipar, azon belül is a gyors
prototípusgyártás. A gyors prototípusgyártás az egyedi, kissorozatgyártás közé sorol-
ható, melynek piaca több mint 10%-kal nő évente. Habár az autóiparra a nagysorozatú
tömeggyártás jellemző, van egy kisebb terület, ami a kissorozatgyártásra koncentráló-
dik. Azok a technológiák, melyeket ezen a területen alkalmaznak, lehetővé teszik,
hogy kis szériás termékeket is gazdaságosán lehessen előállítani. Az inkrementális le-
mezalakítást ezen a területen alkalmazzák. A 36. ábra egy olyan autó alkatrészt átbá-
zol, melyet ezzel a technológiával gyártottak [12].
36. ábra. Fényszóró [5]
10.2. Gyógyászat
Az orvosi alkalmazások a gyors prototípusgyártási technológiák ideális terepe,
hiszen itt valóban egyedi darabokat kell előállítani, és elég gyorsan. A 37. ábra olyan
termékeket szemléltet, melyek inkrementális lemezalakítással készültek. Az implantá-
tumok felületén megszámlálhatatlanul sok kicsiny mélyedést alakítanak ki. A csont-
szövet belenő ezekbe a mélyedésekbe, ezáltal az implantátum óriási felületen érintke-
zik az azt rögzítő csontszövettel. Így az implantátum és a csontszövet között egy na-
gyon erős, szinte megbonthatatlan kapcsolat alakul ki.
A fémből készült orvosi implantátumok egyre nagyobb részét készítik nagy
tisztaságú titánból, annak biokompatibilitása miatt (a csontsejtek szabályosan össze-
épülnek vele). A titán implantátum felszínét egy stabil vegyület, a titán-oxid alkotja. A
titán-oxid az emberi szövetek számára közömbös anyag, nem lép vele kölcsönhatásba,
nem oldódik a testnedvekben, így nem okoz allergiát sem daganatos megbetegedést,
37
tehát immunreakciót nem vált ki. Az arc-állcsont-szájsebészet terültén manapság kizá-
rólag ilyen implantátumokkal dolgoznak [13].
37. ábra. Orvosi implantátumok (1. Koponyai 2. Fogorvosi) [5]
Ezen két terület mellett még az építőiparban is alkalmazzák az eljárást pl. kü-
lönféle domborművek készítésére illetve vannak olyan háztartási eszközök, amelyet
szintén ezzel a technológiával készítenek pl. mosógépdob.
Összefoglalás
Habár az inkrementális lemezalakítást számos területen alkalmazzák, folyamatos
fejlődés alatt áll. A hagyományos lemezalakító eljárássokkal szembeni előnyei mellett
olyan hátrányai vannak, amelyek korlátozzák a nagysorozatú tömeggyártás területén
való alkalmazását. A kutatók fő célja, hogy ezt a technológiát még ismertebbé tegyék a
világ számára, amivel kapcsolatban mai napig számos kutatás folyik.
1. 2. Titán lemez
38
Irodalomjegyzék
[1] Tisza Miklós: Anyagtudományi és technológiai fejlesztések a képlékeny lemez-
alakításban, Kolozsvár, 2011. március 24-25.
[2] Csizmadia Ferencné: Szerszámanyagok és kezelésük, Kézirat, 2004
[3] Tisza Miklós, Kovács Péter Zoltán: Inkrementális lemezalakítás, Gép fo-
lyóirat, LXI évfolyam, 2010, 23-30.
[4] J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou, J. Allwood: Asymmetric
Single Point Incremental Forming of Sheet Metal, 1-27.
[5] João Luís Padrão, Dissertação: Single Point Incremental Forming, 2009, 1-88.
[6] Julian M. Allwood, Daniel Braun, Omer Music: The effect of partially cut-out
blanks on geometric accuracy in incremental sheet forming
[7] W.C. Emmens, G. Sebastiani, A.H. van den Boogaard: The technology of
Incremental Sheet Forming - A brief review of the history, 981-997.
[8] J. Kopac, Z. Kampus: Incremental sheet metal forming on CNC milling
machine-tool, Ljubljana, Slovenia, 2005, 622-628.
[9] A. Petek, K. Kuzman, J. Kopac: Deformations and forces analysis of single
point incremental sheet metal forming, Ljubljana, Slovenia, 2009, 106-117
[10] http://www.vialux.de/pdf/autogr_in-process_en.pdf
[11] Tisza Miklós, Kovács Péter Zoltán: VIALUX-AutoGrid Optikai
alakváltozásmérő rendszer, Felhasználói leírás, 2006
[12] Bánhegyi György: Prototípusok és termékek előállítása nem hagyományos
technológiákkal
[13] Szabó György: Titán orvosi implantátumok felületi biokompatibilitásának javí-
tása és a létrehozott rétegek orvosbiológiai tulajdonságainak szisztematikus
vizsgálata