W przemyśle stosuje się i przetwarza blachy aluminiowe już od dziesiątków lat. Ze względu na małą gęstość, a mimo to doskonałe właściwości mechaniczne tej rodziny materiałów wzrasta zainteresowanie przemysłu technologiami pozwalającymi na ich efektywną obróbkę. W lekkich konstrukcjach w coraz większym stopniu stosuje się stopy o wysokiej wytrzymałości, jak pokazują przykłady przede wszystkim z przemysłu lotniczego i samochodowego.

Oprócz normalnie dotąd stosowanych stopów rodziny 6000 zawierających magnez i krzem oraz rodziny 5000 o dużej zawartości magnezu w coraz większym stopniu stosuje się utwardzalne stopy 7000 o wysokiej zawartości cynku. Wykazują się one (wprawdzie przede wszystkim w stanie utwardzonym) wysoką wytrzymałością, jednak pozwalają tylko na bardzo ograniczoną obróbkę plastyczną. Innym problemem przy tych stopach jest ich sprężynowanie. Ze względu na niewielki moduł Younga aluminium w porównaniu ze stalą (70 GPa w stosunku do 210 GPa) sprężynowanie części wykonanych z aluminium o wysokiej wytrzymałości jest większe od stopów stalowych o tych samych parametrach wytrzymałościowych.
Aby poprawić plastyczność i jakość części z blach aluminiowych, zwiększono w ramach badań temperaturę obróbki plastycznej w zakresie od 180 do 250°C. Spowodowane tym wyraźnie mniejsze naprężenie uplastyczniające prowadziło do zredukowanych sił formowania i zmniejszenia sprężynowania. Dodatkowo poprawiły się cechy płynięcia materiału. W celu ilościowego określenia tego zjawiska przeprowadzono próby rozciągania stopu aluminiowego AW7075-T6 o wysokiej wytrzymałości, w temperaturze pokojowej i 200°C, pod kątem 0° do kierunku walcowania.

Poprawione cechy płynięcia ze względu na zwiększoną wartość r
Poprawione cechy płynięcia wynikają ze zwiększonej wartości r, która odzwierciedla stosunek płynięcia materiału na szerokości próbki do płynięcia materiału na jej grubości. O ile podczas wykonywania próby w temperaturze pokojowej prawie nie doszło do przewężenia i pęknięcia wskutek kruchości, to w temperaturze 200°C materiał płynie wyraźnie bardziej na szerokości i wykazuje przewężenie przed zerwaniem.
O zdolności odkształcenia plastycznego w procesie decydują również, oprócz właściwości materiałowych, trybologiczne warunki brzegowe. W temperaturach od 150 do 250°C nie spełnia swojej funkcji wiele środków smarnych na bazie oleju. W ramach projektu ZIM opracowano wraz z grupą Oest z Freudenstadt środek smarny dla tego zakresu temperatur i poddano go ocenie w ramach badań. Zmniejsza on silną adhezję, którą materiały aluminiowe wykazują w wysokich temperaturach.

Powierzchnia narzędzia ma wpływ na adhezję materiału blachy
W ramach tego projektu zarejestrowano w próbach ciągnienia pasmowego współczynniki tarcia różnych środków smarnych w temperaturze 150, 200 i 250°C oraz przy różnej chropowatości narzędzi. Okazało się przy tym, że powierzchnia narzędzia ma decydujący wpływ na adhezję materiału blachy do narzędzia. Przy zastosowaniu narzędzi o powierzchni szlifowanej (chropowatość Ra ≈ 0,2-0,3) dochodziło w przypadku niektórych środków smarnych do adhezji, natomiast w przypadku narzędzi polerowanych (chropowatość Ra ≈ 0,1) wszystkie środki smarne dobrze spełniły swoje zadanie. Do 200°C współczynniki tarcia badanych środków smarnych wzrastają, jednak w temperaturze 250°C współczynnik tarcia ponownie zmniejsza się. Wskazuje to na to, że zaczynają się topić polimery zawarte w środku smarnym. Natomiast temperatury powyżej 250°C powinny działać tylko krótkotrwale.
W celu bliższego przeanalizowania środków smarnych przeprowadzono w ramach tego projektu również próbę miseczkowania w temperaturze pokojowej oraz temperaturze 200°C. W przypadku AA6016 graniczny stosunek średnicy wykroju do średnicy stempla i tym samym również maksymalnie osiągalna wysokość miseczki zmniejszyła się w temperaturze 200°C w porównaniu z temperaturą pokojową. W przypadku AW7075 stwierdzono zwiększony stosunek graniczny średnicy wykroju do średnicy stempla, wynoszący 1,4 w 20°C i 1,8 w 200°C. Miseczka wykonana w temperaturze 200°C była tym samym dwukrotnie wyższa niż wykonana w temperaturze pokojowej.

Wzrost granicznego stosunku średnicy wykroju do średnicy stempla
Wpływ temperatury obróbki plastycznej na sprężynowanie był również badany przez uczestników projektu. W tym celu pocięto miseczki na pierścienie, które zostały następnie rozcięte. Uwolnione w ten sposób naprężenie wewnętrzne mogło zostać następnie zmierzone jako sprężynowanie pierścienia (ilustracja 3.). Pierścienie przedstawione z prawej strony pochodziły z miseczek wykonanych na gorąco i wykazują maksymalne sprężynowanie 39 mm. Jest ono mniej więcej zbliżone do poziomu miseczki z AA6016, wykonanej metodą obróbki plastycznej na zimno. Pierścienie przedstawione z lewej strony pochodzą z miseczki wykonanej metodą obróbki plastycznej na zimno i wykazują maksymalne sprężynowanie 110 mm. Zauważalne jest również różne sprężynowanie w zależności od odległości pierścieni od dna miseczki. Można to jednak wyjaśnić różnicami naprężeń pomiędzy stroną stempla i matrycy w miseczce.
W podsumowaniu można stwierdzić, że stopy aluminiowe rodziny 7000 o wysokiej wytrzymałości mają w zakresie temperatur ok. 200°C wyraźnie większą zdolność obróbki plastycznej. W przypadku przedstawionego stopu AW7075-T6 można było uzyskać w temperaturze 200°C podobne granice obróbki plastycznej jak przy obróbce plastycznej na zimno stopu AA6016.

Literatura:
[1] van den Boogaard, A. H. (2002): Thermally Enhanced Forming of Aluminium Sheet. University of Twente, rozprawa doktorska.
[2] Dörr, J. (2011): Semi-hot and hot forming of conventional and high-strength aluminium alloys. Bad Nauheim, Umformen im Karosseriebau.
[3] Heller, C. (1992): Umformen von Aluminiumblechen bei erhöhten Temperaturen. Technische Hochschule Darmstadt, rozprawa doktorska.

Autorzy:
Mgr inż. Michael Frenzel i dr inż. Dina Becker są pracownikami Wydziału Obróbki Blach w Instytucie Obróbki Plastycznej na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Prof. dr inż. Mathias Liewald jest kierownikiem ww. Instytutu. Fritz-Otto Sinn jest menedżerem wyrobów w Georg Oest Mineralölwerk GmbH & Co. KG.