Jedną z bardziej wymagających operacji formowania metali, stosowanych obecnie w sektorach lotniczym i transportowym, jest toczenie z formowaniem, w tym jego pochodne, takie jak formowanie ścinaniem oraz formowanie przepływowe1,2. W procesie tym osiowo-symetryczny element roboczy jest umieszczany na trzpieniu reprezentującym pożądany kształt końcowy, a następnie obracany w kontakcie z jednym lub wieloma dociskającymi rolkami. Element roboczy, będąc ściskanym między rolką a trzpieniem, ulega odkształceniu plastycznemu, wykazując złożoną reakcję obejmującą jednoczesne zginanie, zwężanie oraz wydłużenie osiowe. W przypadku materiałów o ograniczonej plastyczności lub trudnych w obróbce, proces ten jest niekiedy przeprowadzany w podwyższonej temperaturze w celu obniżenia naprężenia płynięcia i zwiększenia plastyczności.
Z punktu widzenia procesu przetwarzania istnieje szeroki zakres parametrów, które mogą determinować kształt i właściwości wytworzonego komponentu. Liczne badania skupiały się na technikach statystycznych służących do optymalizacji różnych parametrów3,4,5. Zmienne obejmują geometrię oprzyrządowania, taką jak kształt narzędzia i trzpienia; prędkości formowania, w tym zarówno prędkość obrotową trzpienia, jak i prędkość posuwu narzędzia, a także właściwości materiałowe. W przypadku konieczności zastosowania podwyższonych temperatur, praktycy muszą ocenić minimalną temperaturę wymaganą do uzyskania produktu o właściwych parametrach technicznych.
Odlewnicze stopy aluminium są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań motoryzacyjnych i lotniczych, przy czym stop A356 jest stosowany w felgach samochodowych. Jednakże stop ten nie nadaje się do formowania w temperaturze pokojowej6,7 ze względu na jego ograniczoną ciągliwość i musi być formowany w podwyższonych temperaturach. Wprowadza to szereg komplikacji procesowych, przede wszystkim w zakresie kontroli temperatury. Ponieważ właściwości tego materiału zmieniają się znacząco wraz z temperaturą8, szczególnie istotne jest przeprowadzenie prób z instrumentacją, w których warunki termiczne mogą być utrzymywane w rozsądnym oknie procesowym i monitorowane. Szczegółowe dane dotyczące zachowania termomechanicznego odlewu A356 w zakresie od temperatury otoczenia do 500 °C przy szerokim zakresie prędkości odkształcania można znaleźć w innym opracowaniu.9
W celu wsparcia rozwoju i optymalizacji operacji formowania przepływowego w produkcji kół, na Katedrze Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej opracowano specjalistyczny sprzęt do formowania (Rysunek 1). Aparatura ta została zbudowana głównie na bazie ręcznego, napędzanego pasem tokarza z całkowitą mocą wyjściową 22 kW oraz systemu grzewczego z palnikiem propanowym o maksymalnej mocy 82 kW (Rysunek 2). Zainstalowano trzpień z wbudowanymi termoparami wraz ze sztywnym zespołem rolek (Rysunek 3), który umożliwia formowanie detali o średnicy do 330 mm. Trzpień posiada ręcznie aktywowany system zaciskowy, który pozwala na uwzględnienie dużych zmian średnicy detalu występujących podczas obróbki (Rysunek 4). Na piórze tokarza zainstalowano zasilany bateryjnie system akwizycji danych (DAQ) zawierający miniaturowy bezprzewodowy komputer, który umożliwia monitorowanie temperatury trzpienia podczas formowania oraz kęsa w celu charakterystyki nagrzewania. Choć inne procesy formowania przepływowego były syntetyzowane przy użyciu zaadaptowanych tokarek4,10, obecna aparatura jest pierwszą, która integruje nagrzewanie in situ i akwizycję danych termicznych.
Opracowano protokół obróbki dla operacji formowania w skali przemysłowej, aby określić orientacyjne warunki procesu. Opisany poniżej protokół obejmuje przygotowanie oprzyrządowania i elementu roboczego, praktykę formowania oraz końcowe operacje próbne formowania.

Rycina 1: Przegląd aparatury eksperymentalnej. Główne komponenty dodane do zmodyfikowanej tokarki z wciągaczem w celu formowania w podwyższonych temperaturach. Fotografia sprzętu (góra) oraz oznaczone główne kierunki pracy i komponenty na rysunku wspomaganym komputerowo (CAD) (dół). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Szczegóły systemu grzewczego. System grzewczy zasilany propanem z czterema oddzielnymi palnikami (prawy górny i dolny) sterowanymi z centralnego rozdzielacza zawierającego elektromagnes sterujący przepływem gazu (lewy górny i dolny). Możliwa jest regulacja ciśnienia gazu i oddzielnego natężenia przepływu do każdego z palników, a także rozmieszczenie wzdłuż blankietu w celu dostosowania do różnych geometrii. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Szczegóły montażu podstawy rolkowej. Oryginalny uchwyt narzędziowy tokarki został dostosowany do trzymania rolki pod dowolnymi kątami względem osi obrotu trzpienia za pomocą zespołu nakrętki kontrującej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4: Przegląd systemu oprzyrządowanego trzpienia i zacisku. Narzędzie obrotowe zostało zaprojektowane tak, aby można je było przykręcić bezpośrednio do wrzeciona tokarki, które z kolei jest podparte przez obrotową podpórkę w koniku przeciwśrodkowym (lewa góra i dół). Przedstawiono również montaż i działanie zacisku (prawa góra i dół). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.