Tłoczenie jako rodzaj obróbki plastycznej

Tłoczenie metali jest jednym z najdoskonalszych sposobów na uzyskiwanie bardziej złożonych kształtów z arkuszy blachy lub folii. Dzięki formowaniu metali za pomocą tłoczenia można wytwarzać szeroką gamę produktów od prostych przedmiotów codziennego użytku po bardzo złożone elementy o skomplikowanej geometrii i wysokiej wytrzymałości na potrzeby przemysłu lotniczego i kosmicznego.

Czym charakteryzuje się obróbka plastyczna i jakie są jej metody?

Najważniejszymi cechami metali przesądzającymi o ich powszechnym stosowaniu są połączenie wysokiej wytrzymałości mechanicznej i elastyczności z szerokimi możliwościami ich swobodnego kształtowania. Dzięki użyciu różnych metod obróbki – termicznej, chemicznej, ubytkowej i plastycznej – można uzyskiwać odporne na obciążenia elementy o potrzebnych rozmiarach oraz formie. Jedną z najczęściej wykorzystywanych metod przekształcania metalu w elementy o wymaganej geometrii jest obróbka plastyczna. Pozwala ona na kształtowanie wyrobów hutniczych o różnej specyfice, jeśli chodzi o wymiary od blach i taśm, przez pręty oraz profile aż po kęsy, a w efekcie uzyskiwanie gotowych wyrobów lub półproduktów o dopasowanej do oczekiwań charakterystyce. Jednym z bardzo użytecznych rodzajów obróbki plastycznej jest tłoczenie, za pomocą którego można uzyskać z blachy, taśmy czy folii produkt o jednolitej grubości ścianek i odpowiednim kształcie – zauważa przedstawiciel firmy Głowacki, która specjalizuje się w produkcji wyrobów metalowych dla przemysłu maszynowego i zaawansowanej obróbce metali.

Obróbka plastyczna metalu polega na wykorzystaniu jego zdolności do trwałej zmiany kształtu pod wpływem działającej siły. Odkształcenie plastyczne będzie możliwe dzięki temu, że nacisk wywierany na metal jest tak duży, że przekroczona zostaje granica sprężystości metalu i dochodzi do zjawiska płynięcia plastycznego. O ile ustanie działania sił powodujących powstanie naprężeń i odkształceń sprężystych powoduje powrót do stanu poprzedniego, o tyle po wystąpieniu płynięcia nowy kształt metalu jest zachowywany również, gdy nacisk ustąpi. Dzieje się tak dlatego, że w ramach procesu płynięcia przemieszczają się względem siebie poszczególne warstwy atomów tworzące strukturę krystaliczną metalu. Przemieszczenia te następują wskutek tzw. poślizgu, który nie zmienia jednak budowy samego metalu. Dopiero dalsze działanie siły nacisku powoduje przekroczenie granicy wytrzymałości i rozerwanie struktury. Zarówno plastyczność, jak i zdolność do przerywania struktury po przekroczeniu granicy wytrzymałości są zjawiskami wykorzystywanymi w różnych rodzajach obróbki plastycznej. Ważną kwestią związaną z obróbką plastyczną metalu jest fakt, że jego struktura w wyniku takiego oddziaływania ulega umocnieniu. Zjawisko to zachodzi, ponieważ powstające za sprawą działających sił naprężenia i przesunięcia warstw siatki krystalicznej materiału ograniczają możliwości ponownych zmian w tych samych miejscach. Jeśli w konkretnym przypadku niezbędne będzie poddawanie metalu dalszej obróbce plastycznej, powinien on zostać poddany działaniu wysokiej temperatury, co pozwoli na rekrystalizację i odbudowę struktury w nowym kształcie. Warto wspomnieć, że obróbka plastyczna może być prowadzona zarówno na zimno – będziemy wówczas mieli do czynienia z efektem umocnienia, jak i na gorąco, co jednocześnie obniża wartość siły niezbędnej do przekroczenia granicy plastyczności oraz umożliwia zajście rekrystalizacji. Wybór metody obróbki zależy od tego, jakie właściwości ma zyskać metal w jej wyniku – jeśli umocnienie będzie pożądane, a dostarczenie odpowiedniej siły możliwe optymalna będzie obróbka na zimno, jeżeli natomiast metal ma mieć identyczne właściwości jak przed obróbką lub ze względu na jego grubość niezbędne siły byłyby trudne do uzyskania, stosuje się obróbkę na gorąco.

Jak przebiega proces tłoczenia?

Tłoczenie jest jednym z bardziej złożonych procesów obróbki plastycznej. Może łączyć się również z użyciem innych metod obróbki metalu, w tym związanych zarówno z cięciem mechanicznym, jak i gięciem metalu. W ramach tłoczenia cięcie pozwala zwykle na pozbycie się zbędnych części kształtowanego wyrobu oraz wykonanie w nim potrzebnych otworów. W grę wchodzi więc zarówno możliwość wycinania, jak i obcinania, okrawania oraz dziurkowania, a niekiedy także nadcinania. Jeśli chodzi o gięcie, to najczęściej przydatne bywa wyginanie, zaginanie oraz zawijanie. Są to jednak najczęściej jedynie procesy pomocnicze. Istotą wytłaczania jest uzyskiwanie tzw. powierzchni nierozwijalnej, czyli takiej, która nie może być ponownie łatwo doprowadzona do stanu wyjściowego tak jak przy gięciu. Tłoczenie wykonuje się przy zastosowaniu procesów wywołujących ciągnienie lub rozciąganie materiału. Rozciąganie wiąże się ze zmianą grubości ścianek metalu wskutek zwiększenia jego powierzchni. Najczęściej taki rodzaj obróbki wykorzystuje się do uzyskania niewielkich zagłębień lub wówczas, jeśli zmiana grubości nie ma wpływu na parametry użytkowe wyrobu. Znacznie częściej wybierane jest jednak ciągnienie, w którym uzyskanie odpowiednich rozmiarów wytłaczanej powierzchni wiąże się ze zmniejszeniem początkowej powierzchni materiału. W ramach tłoczenia wykonuje się kilka różnych procesów prowadzących do uzyskania założonej geometrii wyrobu. Podstawową czynnością jest wytłaczanie, podczas którego z płaskiej powierzchni uzyskuje się tzw. wytłoczkę. Do zwiększania wysokości wyrobu używa się przetłaczania istniejącej już wytłoczki, które jest związane ze zmianą jej średnicy. Możliwe jest również wyciąganie, w wyniku którego zmniejsza się grubość ścianek przy zachowaniu wewnętrznej średnicy, a także przewijanie, podczas którego zewnętrzne ściany wytłoczki stają się wewnętrznymi, czemu towarzyszy zmniejszenie średnicy oraz zwiększenie wysokości. Do nadania wytłoczce ostatecznego kształtu używa się specjalnych procesów wykończających. Możliwe jest dotłaczanie, za pomocą którego można zmienić część geometrii wyrobu, dodając do niej nowe elementy oraz poprawiając poszczególne parametry. Stosuje się także wywijanie, w ramach którego powiększa się średnicę istniejącego otworu, a także tworzy wokół niego kołnierz stożkowy lub walcowaty. Do redukcji średnicy części wytłoczki stosuje się obciskanie, a tam, gdzie fragment wytłoczki powinien mieć większą średnicę, przeprowadza się rozpychanie.

Urządzenia wykorzystywane do tłoczenia

Procesy tłoczenia mogą być przeprowadzane przy użyciu pras, które wywierają na materiał nacisk mechaniczny. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest użycie dwóch narzędzi sztywnych. W takim przypadku odpowiednie kształtowanie następuje za sprawą używanej matrycy, której kształt odzwierciedla zewnętrzną geometrię wyrobu oraz stempla, którego kształt odpowiada jego wewnętrznemu ukształtowaniu. Szczelina powstająca między matrycą a stemplem jest równa uzyskanej grubości ścianek wyrobu lub półproduktu, który będzie jeszcze poddawany obróbce. Możliwe jest również połączenie narzędzia sztywnego z elastycznym. W tej roli wykorzystuje się gumę albo poliuretan, a często również ciecz. Przy wytłaczaniu tego rodzaju ciecz jest podawana pod dużym ciśnieniem, które dociska blachę do sztywnej formy. Przy tłoczeniu najczęściej korzysta się z pras o napędzie hydraulicznym, ze względu na możliwość generowania bardzo dużych sił nacisku, przy stosunkowo prostej konstrukcji. W porównaniu z prasami mechanicznymi działają one znacznie ciszej, płynniej oraz oferują lepsze sterowanie. Ważna jest także możliwość uzyskiwania wysokiej precyzji oraz doboru sposobu działania do aktualnych potrzeb. Prasy hydrauliczne mogą być używane do produkcji wytłoczek o różnej specyfice, od niewielkich elementów np. złącz stosowanych w elektronice, przez popularne naczynia metalowe, aż po nadwozia samochodów. Dzięki tłoczeniu można w stosunkowo krótkim czasie uzyskiwać przedmioty o złożonej geometrii i wysokiej wytrzymałości. Jest to jedna z najszerzej wykorzystywanych metod obróbki metalu używanych w zastosowaniach przemysłowych. Wykorzystuje się je zarówno przy produkcji elementów konstrukcyjnych, o bardziej złożonej budowie, które charakteryzują się znakomitym stosunkiem masy własnej do wytrzymałości, jak i elementów zewnętrznych, m.in. elementów obudów, karoserii czy kompletnych wyrobów. Tłoczenie jest stosowane również przy produkcji wielu wyrobów codziennego użytku wykonywanych z blachy, od tradycyjnych misek i wiader, aż po klosze lamp.