Incremental Sheet Forming – Hindi Study Notes

परिचय

• शीट मेटल के बड़े-पैमाने पर उत्पादन में पारम्परिक रूप से डीप ड्राइंग व स्टैम्पिंग प्रयोग होते रहे हैं।
• प्रोटोटाइप तैयार करना द्रुत व लचीले निर्माण (flexible manufacturing) की अनिवार्य प्रथम कड़ी है, जिसके लिये न्यूनतम निवेश व समय वांछित है।
• इंक्रीमेंटल शीट फ़ॉर्मिंग (ISF) एक ऐसी विधि है जिसमें डाई की आवश्यकता नहीं होती; शीट को स्थानीय रूप से टूल-शीट संपर्क क्षेत्र में क्रमिक प्लास्टिक विकृति देकर आकार दिया जाता है।

ISF की वर्गीकरण

• आकृति 1 में ISF को निम्न आधारों पर वर्गीकृत किया गया है
  • फ़ॉर्मिंग टूल: गोलाकार/हेमिस्फ़ेरिकल, रोलर बॉल
  • फ़ॉर्मिंग स्ट्रैटेजी: सिंगल-स्टेज, मल्टी-स्टेज
  • तापमान: ऐम्बियंट, एलिवेटेड
  • मशीनरी: CNC मिलिंग, रोबोट
  • विधि:
  – Single-point
  – Two-point
  – Multi-point

ऐतिहासिक पृष्ठभूमि

• ISF की अवधारणा 1967 के दो पेटेन्ट (Berghahn – General Electric, Leszak) से प्रारम्भ मानी जाती है।
• Berghahn पद्धति: शीट को तीनों दिशाओं में गति देकर विकृत करता है।
• Leszak पद्धति: घूमते रोलर से स्थानीय क्षेत्र में शीट को लाइनर डिसआर्टिकुलेशन द्वारा मोड़ता है।

सिंगल पॉइंट इंक्रीमेंटल फ़ॉर्मिंग (SPIF)

• SPIF, लेयर-बाय-लेयर इंजीनियरिंग के समान एक बिंदु पर क्रमिक विकृति कराता है।
• बुनियादी घटक:
  • शीट
  • वर्क-होल्डिंग फ़िक्स्चर
  • CNC मशीन
  • बेलनाकार रॉड-टाइप टूल (चित्र 2)
• प्रमुख लाभ: पारम्परिक डोम टेस्ट की तुलना में अधिक स्ट्रेन क्षमता, शीट की फॉर्मेबिलिटी वृद्धि।

प्रक्रिया के प्रमुख पैरामीटर

• स्वतंत्र चर जो अन्तिम गुण पर प्रभाव डालते हैं:
  • स्टेप साइज/डेप्थ
  • फीड रेट
  • टूल का व्यास
  • स्पिंडल घूर्णन गति
  • प्रारम्भिक शीट मोटाई
  • अन्तिम वॉल एंगल
• आकृति 6 में इन पैरामीटरों का परस्पर सम्बन्ध दिखाया गया है।

फॉर्मिंग लिमिट कर्व (FLC)

• Keeler व Marciniak द्वारा प्रतिपादित FLD शीट की फॉर्मेबिलिटी आँकने का साधन।
• ISF हेतु FLC $E<em>1$ (major strain)–$E</em>2$ (minor strain) ग्राफ़ में ऋणात्मक ढलान वाली रेखा प्रदर्शित करता है।
• ISF में पारम्परिक रूप से ‘नेकिंग’ नहीं पाई जाती; शीट सीधे फ्रैक्चर तक जाती है।
• स्ट्रेन क्षमता पारम्परिक विधियों से 8–10 गुना अधिक रिपोर्ट की गयी।

प्रेरणा (Motivation)

• हवाई जहाज़ के फ्रंट कोन आदि कठोर-से-रूपित सामग्रियों को अभी भी पारम्परिक डाई आधारित तरीकों से बनाया जाता है।
• दाइयों की उच्च लागत, डिज़ाइन परिवर्तन की कठिनाई, उच्च शक्ति-आवश्यकता, तथा CAD/CAM के साथ न्यून एकीकरण – ये सभी सीमाएँ SPIF द्वारा दूर की जा सकती हैं।

पूर्व शोध (Literature Review)

• Kim et al. (2002): टूल साइज, फीड, घर्षण, एनिसोट्रॉपी इत्यादि का प्रभाव; कम फीड व उपयुक्त रोलर टूल से फॉर्मेबिलिटी सुधरी।
• Martins et al. (2008): बाय-डायरेक्शनल इन-प्लेन घर्षण मॉडल से अधिकतम स्थानीय विकृति का विश्लेषण।
• Hussain et al. (2010): स्पाइरल वॉल प्रोफ़ाइल से विकसित नई लिमिट कर्व; पारम्परिक ग्रूव टेस्ट की तुलना में $\text{quadratic}$ प्रवृत्ति एवं उच्च सीमा-स्ट्रेन पाई।
• Hamilton et al. (2010): उच्च स्पिंडल स्पीड व फीड पर माइक्रोस्ट्रक्चर समान रहा; स्टेप साइज व शेप-फ़ैक्टर से ‘ऑरेंज पील’ प्रभावित।
• Malhotra et al. (2011): FEM-आधारित डैमेज मॉडल में हाइड्रोस्टैटिक दाब व देवीएटोरिक तनाव से फ्रैक्चर एन्वेलप भविष्यवाणी; प्रयोग संगत।
• Bhattacharya et al. (2011): सम्पूर्ण फैक्ट्रोरियल डिज़ाइन; छोटा टूल व बड़ा वॉल-एंगल सतह गुणवत्ता सुधारते, पर टूल व्यास बढ़ने से फॉर्मेबिलिटी घटती।

प्रायोगिक विवरण

• सामग्री: Inconel 625 $130\,\text{mm} \times 131\,\text{mm} \times 0.6\,\text{mm}$ शीट (निकेल-क्रोमियम-आयरन सुपरऐलॉय)।
  • रासायनिक संरचना (wt %): $\text{Ni }58!\text{–}71,\; Cr\;21!\text{–}23,\; Mo\;8!\text{–}10,\; Fe\;5,\; Nb\;3.2!\text{–}3.8$ आदि।
• प्रयोगीय फ्लो (चित्र 3.1): सामग्री → टूल पाथ जेनरेशन → SPIF → परिणाम विश्लेषण (फ्रैक्चर डेप्थ, सतह खुरदरापन, FLC)।

प्रस्तावित कार्यप्रणाली – टूल पाथ

• मशीन की मुख्य स्पिंडल को सटीक $X,Y,Z$ निर्देशांक चाहिये।
• जावा प्रोग्राम द्वारा ट्रन्केटेड कोन के लिये हेलिकल टूल पाथ जेनरेट किया गया।
• लक्षित वॉल एंगल $60^{\circ}$; आयाम: ऊँचाई $25\,\text{mm}$, $R<em>{minor}=16.56\,\text{mm},\; R</em>{major}=31\,\text{mm}$।
• टूल पाथ प्रकार:
  • हेलिकल (continuous)
  • Z-लेवल (discontinuous) – प्रत्येक परत पर परिधि चलन, फिर अगली स्टेप साइज से नीचे जाना।

SPIF सेट-अप

• घटक:
  • CNC स्पिंडल
  • शीट क्लैम्पिंग फ़िक्स्चर
  • टूल (हेमिस्फ़ेरिकल सिरा)
  • सतह खुरदरापन टेस्टर

परिणाम एवं चर्चा – फॉर्मेबिलिटी

• टैगुची $L_9$ लेआउट: स्टेप साइज ($0.2,0.3,0.4\,\text{mm}$), फीड ($250,400,550\,\text{mm/min}$), स्पिंडल स्पीड ($0,200,400\,\text{rpm}$)।
• अधिकतम फ्रैक्चर डेप्थ (मेजरमेंट – वर्नियर हाइट गेज): $12.10\text{–}14.02\,\text{mm}$।
• SN-Ratio response:
  • स्टेप साइज का Delta $=0.37$ (Formability पर सर्वोच्च प्रभाव, Rank 1)।
• मेन-इफ़ेक्ट प्लॉट: स्टेप साइज $0.4\,\text{mm}$ एवं फीड $550\,\text{mm/min}$ पर औसत फ्रैक्चर डेप्थ $\approx13.5\,\text{mm}$।
• ऑप्टिमाइज़र: वांछित संयोजन – स्टेप $0.4\,\text{mm},\; फीड\;550\,\text{mm/min},\; स्पिंडल 400\,\text{rpm}$; प्रत्याशित $y_{max}=13.54\,\text{mm}$ (DESIRABILITY $D=0.7604$)।

परिणाम एवं चर्चा – सतह खुरदरापन ($R_a$)

• $R_a$ मान $0.89\text{–}1.46\,\mu\text{m}$।
• Response तालिका: स्टेप साइज का Delta $=2.6422$ (सर्वाधिक प्रभाव), फीड दूसरा, स्पिंडल सबसे कम।
• ग्राफ़: सतह पर ‘ऑरेंज पील’ प्रभावित करने वाले प्रायः स्टेप साइज व जियोमेट्रिक फ़ैक्टर।

फॉर्मिंग लिमिट कर्व के परिणाम

• ISF किये गये स्पेसिमेन पर FLD परीक्षण से सामग्री द्विपाक्षीय स्ट्रेचिंग क्षेत्र में अधिक सुरक्षित दूरी दिखाती है।
• प्रयोग में प्राप्त सीमाएँ पारम्परिक $\text{Necking}$-आधारित लिमिट से ऊपर रहीं, पुष्टि करती है कि ISF शीट को अधिक विकृति सहने देता है।

निष्कर्ष

• $0.2\text{–}0.3\,\text{mm}$ स्टेप पर Formability लगभग नियत रहती है; $0.3\rightarrow0.4\,\text{mm}$ वृद्धि पर स्ट्रेन-कठिनन (strain-hardening) कारण अधिक टेम्परेचर, परिणामतः अधिक फ्रैक्चर डेप्थ।
• फीड रेट बढ़ने से टूल-शीट घर्षणात्मक तापन घटता; फॉर्मेबिलिटी व सतह दोनों सुधरते।
• स्टेप साइज दोनों लक्ष्य गुणों (Fracture Depth व $R_a$) हेतु निर्णायक पैरामीटर सिद्ध हुआ।
• SPIF द्वारा Inconel 625 जैसी ‘hard-to-form’ सुपरऐलॉय को बिना विशेष डाइ की आवश्यकता के सफलतापूर्वक रूपित किया जा सकता है।

संदर्भ

• विस्तृत सूचि पृष्ठ 31-32 के अनुरूप (Fratini et al., Emmens et al., Kumar & Kumar, आदि) दिया गया।