- IV.1 - mozgó süllyesztékfél. álló süllyesztékfél. 4.1 ábra. A süllyesztékes kovácsolás alapelve

- IV.1 -

ALAKÍTÁSTECHNIKA Előadásjegyzet

Prof Ziaja György

IV.rész. TÉRFOGATALAKÍTÁS 4.1 SÜLLYESZTÉKES KOVÁCSOLÁS Az alkatrészgyártásban alkalmazott képlékenyalakítási eljárásokat két fő csoportra szokás osztani: lemezalakításra és térfogatalakításra. Az elnevezés a feldolgozandó nyersanyag geometriai jellemzőire utal. A lemezalakításnál az előgyártmány lemez, vagyis olyan kohászati késztermék, melynek az a jellemzője, hogy az egyik mérete – a vastagsága – sokkal kisebb mint a másik két méret. Ezzel szemben a térfogatalakításnál az előgyártmány mindhárom mérete közel azonos. A kiinduló nyersanyag szinte kizárólag hengerelt vagy kisajtolt rúd, melyből darabolással készül a tömbszerű előgyártmány. A térfogatalakítás során ezt a tömbalakú előgyártmányt ütéssel vagy nyomással arra kényszerítjük, hogy vegye fel egy előre elkészített, többnyire két félre osztott üreg alakját.(4.1 ábra) mozgó süllyesztékfél

kovácsdarab darabolt előgyártmány sorja

álló süllyesztékfél

4.1 ábra. A süllyesztékes kovácsolás alapelve

A munkadarab anyagának hőmérséklete szerint beszélhetünk hideg- , félmeleg- és meleg térfogat-alakításról. Süllyesztékes kovácsolásnak azt a meleg térfogatalakítási eljárást nevezzük, melynek egyik érvényes meghatározása a fent megfogalmazott üregbe kényszerítés elve. Azt az osztott üreget, mely a gyártandó munkadarab negatívja, nevezzük alakító szerszámnak vagy süllyesztéknek (régies neve odor). A süllyeszték anyaga erre a célra kifejlesztett melegalakító szerszámacél, speciális esetekben Ni vagy Mo bázisú szuperötvözet. Másik jellemző, hogy a munkadarab hőmérséklete az anyagra jellemző rekrisztallizációs hőmérséklet felett van. A süllyesztékes kovácsolás a szabadalakító kovácsolásból fejlődött ki. A süllyesztékes kovácsolás során készülő munkadarab minőségét elsődlegesen a süllyeszték, mint célszerszám, és annak technológiai környezete – pld a süllyeszték összevezetési pontossága - határozza meg. Ezzel szemben a szabadalakító kovácsolásnál a munkadarab minősége döntően a kovács szakmunkás hozzáértésétől függ. A kovács szakmunkás nagyon sok univerzális, és kevés célszerszámot használ. A kovácsoló gép közvetlen környezetében a kovácsnak sok szabad mozgástérre van szüksége. A szabadalakító gépek felépítése ennek az elvnek felel meg. A Ziaja György.: Alakítástechnika. Előadásjegyzet IV.rész: Térfogatalakítás / Süllyesztékes kovácsolás

- IV.2 süllyesztékes kovácsoló gépeknél erre a nagy manipulációs térre nincs szükség, az elsődleges követelmény a két süllyesztékfél pontos összevezetése, melyet legjobban a zárt keretes gépszerkezetek biztosítanak. A két gép felépítésének elvi különbségét jól tükrözi a 3.2.ábra. A szabadalakító kovácsolással nem foglalkozunk, de néhány alapvető jellegzetességét meg kell említeni. Legfontosabb alkalmazási területe az egyedi- és kissorozatú kovácsolt előgyártmányok gyártása. A szabadalakító kovácsüzemeket nagyrészt a kohászati üzemek vertikumába telepítik, ahol a különlegesen nagytömegű, (esetenként 100 tonna nagyságrendben), egyedi darabokat közvetlenül öntött állapotból kovácsolják át a megfelelő méretre. Mindazonáltal, szabadalakító kovácsoló gépek a gépgyári vertikumi kovácsüzemekben is találhatók.. Céljuk hasonló, tehát az egyedi darabok előállítása, illetve a kissorozatú süllyesztékes kovácsdarabok készre kovácsolást megelőző anyagelosztó alakítás. A süllyesztékes kovácsolás – hasonlóan minden képlékenyalakítási művelethez – nem csak a munkadarab alakját és méreteit, hanem a mechanikai tulajdonságait is megváltoztatja. A feldolgozandó anyag rendszerint melegen hengerelt vagy kisajtolt rúdanyag, melyek tulajdonságai a kohászati eljárások eredményeként irányfüggőek: jobbak a szálirányban és rosszabbak arra merőlegesen. A jól vezetett süllyesztékes kovácsolási technológia eredményeként elérhető, hogy ez a szálirány kövesse a munkadarab alakváltozását oly módon, hogy a kész, forgácsolt, beszerelt alkatrészben, működés közben kialakuló legnagyobb főfeszültség trajektóriái essenek egybe a száliránnyal! Az ilyen technológiával gyárthatók a legnagyobb dinamikus igénybevételeknek is kitehető, legmegbízhatóbb, élet- és vagyonbiztonsági szempontokból kritikus gépelemek. Hozzá kell tenni, hogy ha az alakváltozás-eloszlás egyenlőtlen, akkor a melegalakítással egyidejűleg lejátszódó rekrisztallizáció is egyenlőtlen, helyenként esetleg durva szemcséket eredményez. A durva szemcse pedig folyáshatár- és ütőmunka csökkenéssel jár. Ezért a siker érdekében a kovácsolást mindig az anyagtól függő hőkezeléssel kell befejezni (pld nemesíthető acéloknál nemesítéssel, betétedzhető acéloknál normalizálással) 4.1.1 A süllyesztékes kovácsolás technológiája A technológia általában az alább ismertetett fő lépésekből áll: A. Darabolás. A többnyire melegen hengerléssel vagy kisajtolással, egyes színesfémeknél hidegen húzással előállított rúdanyagot rendszerint vágással, töréssel vagy forgácsolással (leszúrás, fűrészelés) méretre daraboljuk. A darabolás során nyíró igénybevételt hozunk létre a darabolás síkjában, amely képlékeny alakváltozást, majd törést okoz. A legegyszerübb nyírással-töréssel történő darabolás vázlata a 4.2 ábrán látható. Az ilyen módon darabolt előgyártmány térfogat-szórása 3-4%.

4.2. ábra A rudak nyírással-töréssel darabolásának változatai (ICFG)

Ziaja György.: Alakítástechnika. Előadásjegyzet IV.rész: Térfogatalakítás / Süllyesztékes kovácsolás

- IV.3 A ledarabolt előgyártmány (buga) térfogat-azonosságát az u.n. volumetrikus daraboló eljárásokkal lehet biztosítani. Ezek lényege, hogy minden ledarabolt munkadarab tömegét megméri egy automata mérleg, és ha szükséges megváltoztatja a daraboló gép előtoló- ütköztető beállításait. Ezzel a szokásos százalékos nagyságrendű darabolási térfogatszórást néhány tizedszázalékosra lehet csökkenteni. A melegalakítással gyártott alapanyagból darabolt bugákat igényes gyártás esetén egyenként szemrevételezik, és az esetleges felületi hibákat kézi köszörüléssel távolítják el. Különleges pontosságú vagy felületi minőségű termékek esetén hidegen húzott (kalibrált) a rúdanyagot, (pld sárgaréz) alkalmaznak, vagy a melegen hengerelt rúdanyagot (acél) a darabolás előtt forgácsolással hántolják, ezzel biztosítva a felület revementességét és a keresztmetszet azonosságát. B. Hevítés. A ledarabolt előgyártmányok (bugák) kovácsolási hőmérsékletre hevítésének technikája a gyártandó darabszámtól függ. A süllyesztékes kovácsolás a szerszámköltségek miatt csak kivételesen gazdaságos néhány ezer darabnál kisebb gyártandó mennyiség esetén, vagyis tipikusan sorozat- illetve tömeggyártási eljárás. A középfrekvenciás (0.75 – 15 kHz) indukciós melegítés ugyancsak a sorozat- illetve tömeggyártásra alkalmazható gazdaságosan. A gyors, tiszta, jól vezérelhető indukciós hevítés ezért a legelterjedtebb melegítési módszer a süllyesztékes kovácsolásnál. Az eljárás elvi vázlata a 4.3.ábrán látható.

középfrekvenciás áramforrás

kondenzátor telep

hálózat (50 Hz)

induktor tekercs

pirométer

előtolás bugák

hűtővíz ki

hűtővíz be

4.3 ábra. Az indukciós melegítés vázlata

A jó hatásfokú villamos csatolás miatt elvileg minden bugához más alakú- és méretű induktort kellene tervezni és gyártani, gyakorlatilag azonban a kovácsüzemek néhány tekercsből álló készletből választanak, és az illesztést a hevítő tekercs mellé telepített kondenzátortelep kapacitásának változtatásával, a rezgőkör hangolásával állítják be. Maga az induktor rendszerint négyzet-keresztmetszetű, pld 20x20 mm-es méretű, 1 mm falvastagságú vörösréz csőből készült, kb 100 – 300 mm átmérőjű, 300 – 2000 mm hosszú tekercs. A cső belsejében hűtővíz kering. A tekercs belsejében a darabolt és izzó bugák számára egy villamosan szigetelt, megfelelő hőálló anyagból készült, kellő szilárdságú és kopásállóságú vezetőfelületet kell létrehozni. A tekercs belsejét kitöltik a sorbarakott bugák, melyeket pneumatikus előtoló berendezéssel lehet mozgatni, előtolni.. A bugák hőmérsékletét sugárzó pirométerrel mérik. Ha a tekercs kilépő végén lévő buga hőmérséklete elérte a beállított értéket, a pirométer jelt ad, és a rendszerint pneumatikus munkahengerrel működtetett előtoló rendszer egy bugahosszat léptet. A két léptetés közötti idő szabja meg az egész kovácsoló gépcsoport termelékenységét. Léteznek olyan megoldások, melyeknél a tekercs belsejében védő- (inert) gáz akadályozza meg a revésedést. Az induktív hevítés mellett használhatók a kamrás kemencék is, főleg a gáztüzelésűek. (A villamos fűtésűeket inkább hőkezelő kemenceként alkalmazzák) A Ziaja György.: Alakítástechnika. Előadásjegyzet IV.rész: Térfogatalakítás / Süllyesztékes kovácsolás

- IV.4 gáztüzelésnél ugyanis beállítható olyan kemenceatmoszféra, amely nem-oxidáló. Mivel ez a kis légfelesleggel járó tüzelési technika súlyos egészségi kockázatokkal járhat, (CO mérgezés) ezért ezt csak műszerekkel kontrollált és közegészségügyileg felügyelt eszközökkel szabad megvalósítani. (pld utánégetés) Az ipari gyakorlatban találhatók olajtüzelésű kamrás kemencék is. Ezek szabályozhatósága jócskán elmarad a villamos- vagy gáztüzelésűekhez viszonyítva, ezért csak ott használják, ahol más lehetőség nincs, vagy nagyon olcsó az olaj. C. Előalakítás. A munkadarab legkedvezőbb szálirányát és a sorjázással keletkező anyagveszteség minimalizálását megfelelő előalakító műveletekkel lehet elérni. A legfontosabb előalakítás az u.n. anyagelosztás. Ennek lényege, hogy a rendkívül egyszerű, többnyire henger- vagy hasáb alakú darabolt előgyártmány alakját a kész termék által megkövetelt anyagmennyiség eloszláshoz alkalmazkodva megváltoztatjuk. A tárcsaszerű kovácsdarabok gyártásakor a száliránynak a forgástengelyre merőleges irányba való elfordítása érdekében gyakorlatilag minden esetben zömítés az első, vagy az első néhány előalakító művelet, ezt követi az anyagelosztás. (4.4.ábra) A vízszintes kovácsológépeken alakításkor az anyagelosztás is zömítéssel történik.

darabolt előgyártmány száliránya

szálirány elfordítása zömítéssel

a szálirány alakhoz illesztése anyagelosztó előalakítással

4.4.ábra. A tárcsaszerű kovácsdarabok előalakítása

A másik, a „hosszúkás” kovácsdaraboknál gyakori előalakító művelet a hajlítás. Az anyagelosztás és hajlítás együttes alkalmazására például szolgálhat egy egyforgattyús tengely süllyesztékes kovácsolása (4.5. ábra) Az első előalakító műveletnek van egy további fontos szerepe, nevezetesen a hevített buga felületén lévő reveréteg eltávolítása. A reve többféle vasoxidból álló felületi réteg, amely a kovácsolás hőmérsékletén rideg, és rosszul tapad a munkadarabra. A képlékeny alakítás közben nem képes a munkadarab alakváltozását követni: felrepedezik és lehámlik a felületről. A reve „lerobbantását” más módon is, pld hdeg vízzel vagy megfelelő kenőanyagokkal is lehet (kell) segíteni. Az előalakítást többnyire sorjaképződés nélküli, nyitott üregben végzik el, melyekből a lehámlott reve levegő kifúvatással egyszerűen eltávolítható. Ha a reve részlegesen, foltokban a kovácsdarabon marad, akkor az egyrészt a készsüllyesztékben benyomódik a felületbe. A kész darab revétlenítése után azon a helyen alak- és méterhiba keletkezik. Másrészt a rideg, lehűlt reve erodálja a készüreget, csökkenti a szerszám élettartamát, ezért a reve eltávolítása nagyon fontos része az előalakításnak.


- IV.5 -

4.5.ábra.Törtvonalas tengelyű hosszúkás kovácsdarab (pld. egyforgattyús tengely) előalakjai: b.) kovácshengerelt, c.) hajlított. i

Az előalakító műveletek száma bonyolult alakú kovácsdarabok esetén akár 8 – 12 is lehet, főleg akkor, ha a szálirány vezetésére különös gondot kell fordítani. Az előalakítás egyik egyszerű módja lehet a szabadalakító kovácsolás. Mivel a a kész kovácsdarab alakját, méreteit és ennek szórását a készüreg állapota határozza meg, ezért ennek kímélése érdekében akkor is, ha más indok nincs, célszerű 1 – 2 készelőtti üreg alkalmazásával előalakítást végezni. A legolcsóbb kész elötti üreg egy kibővült, elkopott készüreg. A jól kiválasztott előalakítási műveletekkel jelentős mennyiségű, egyébként a sorjába kerülő anyagot lehet megtakarítani. Ez a megtakarítás akkor is gazdaságos lehet, ha egyébként a sorja hulladékot jó áron el lehet adni (színesfémek), mert a megtakarítás a hevítési költségekben is megjelenik. Ú.n „hosszúkás”, vagyis tengelyszerű kovácsdarabok nagyobb sorozatban gyártásakor műszakilag és gazdaságilag legjobb megoldás a kovácshengerléssel történő anyagelosztás. A kovácshenger olyan szakaszos működtetésű hengerpár, melyre cserélhető szegmenspárok szerelhetők (4.6 ábra). A szegmensek egy-egy előalakító üregpárnak felelnek meg. A kovácshenger tengelye mentén eltólva több szegmenspárok is elhelyezhető. A ledarabolt, felhevített előgyártmányt az ütközőig előtólva tájolják, majd a henger elindul és egyet fordul, miközben a munkadarabra másolja az első szegmensbe mart üreg alakját. A folyamatot további szegmenspárokkal folytatni lehet. Két hengerlés közben az előgyártmányokat a hossztengelyük körül is meg lehet kovácshenger alakító üreg buga

szegmens ütköző

fogó (robotkéz)

kovácshenger

alakító üreg

4.6.ábra A kovácshengerlés elve (kezdés)


- IV.6 forgatni. A szegmensekbe munkált üregekkel és a forgatásokkal rendkívül bonyolult előalakok állíthatók elő az alakot pontosan követő száliránnyal. A kovácshenger szegmens felülete tehát az előalakító szerszám osztássíkjának leképezése egy henger felületére. Az előalakító üreg pedig egy henger felületébe van bemunkálva, úgymond „feltekerve”. A szegmens középponti szöge 87-180°. Egy hengerpár felületére akár 4-6 szegmenspár is felszerelhető, az előalak bonyolultságától függően. A kovácshenger szegmenseinek gyártása bonyolult forgácsolási feladat. A munkadarab mozgatása az egyik szegmenspártól a másikig nehéz fizikai munka, amely azonban sikeresen robotosítható. D. Készre alakítás: a kész üreg töltése az előalakkal. Az üregtöltés folyamata függ a mozgó szerszámfél beütési sebességétől és a lassulás során keletkező tömegerőktől. Más az üregtöltés folyamata egy forgattyús mechanizmussal működtetett gépnél (mechanikus kovácssajtó, maxima sajtó) és más egy kalapács esetében. Az elöbbinél a folyamat statikus zömítés jellegű, míg a kalapácsoknál egy freccsentő, hátrafolyatás jellegű hatás tapasztalható. Olyan ez a különbség, mint ha a nyitott tenyerünket lassan nyomjuk be a vízbe, vagy ha rácsapunk a víz felületére. Ha rácsapunk, akkor a víz a csapás irányával ellentétesen felfreccsen. A freccsentő (folyató) hatás kihasználható: a kalapácsoknál a bonyolultabb üreget, vagy a vékony bordát tesszük felülre, (a mozgó szerszámfélbe) a sajtókkal ellentétben, ahol a lassú nyomással az alsó (álló) süllyesztékfél tölthető ki jobban. Mindebből az is következik, hogy azonos készüreg geometria esetén eltérő előalakot igényel a folyatással töltődő kalapácssüllyeszték és a zömítéssel töltendő mechanikus kovácssajtó süllyeszték

4.7 ábra. Az elő- és készalak eltérése a töltési folyamattól függően

A készre alakítás történhet sorjával és sorja nélkül, nyitott vagy zárt sorjacsatornás szerszámban. A sorja a két süllyesztékfél közötti hézagba folyó anyag, mely egyrészt kiegyenlíti a darabolt előgyártmány térfogat-szórását, másrészt az u.n. sorjareakció kapcsán szabályozza az üregben lévő nyomást és ezzel az üregtöltés folyamatát. Az előalakító üregekben általában nincs sorja. Mivel a legtöbb alakító gép asztala csak egy meghatározott területen belül terhelhető a névleges erővel, ezért a kész üregre ható alakító erők eredőjének a gép által leadott erők eredőjével egybe kell esni. Ellenkező esetben a keletkező nyomaték miatt a szerszám elfordul és a munkadarabon egy szöghiba keletkezik, amely geometriai selejtet és szerszámtörést okozhat.


- IV.7 -

E. Sorjázás. A készüregből kikerülő munkadarabról le kell választani a sorjába került anyagot, amelyet gyakran sorjalepénynek neveznek. Ezzel együtt lehet eltávolítani egyes technológiai hozzáadásokat, pld az u.n. kompenzátor üregekbe záródott anyagot. A sorjázást rendszerint egy másik gépen, (többnyire forgattyús vagy excenter sajtón, de nem maximán) speciális sorjázó szerszám alkalmazásával végzik el. (4.8, ábra) A sorjázás lényegében egy kivágó-lyukasztó művelet, ahol a vágandó anyag a melegalakítás hőmérsékletén van, vastagsága a sorjavastagságnak felel meg, ami általában 1..4 mm. Sorjázni lehet hidegen és a félmeleg alakítás hőmérsékletén is. A hidegen sorjázásnál nagyobb a repedésképződés esélye, de a munkadarab nem deformálódik el a sorjázó erőktől.

4.8.ábra. A sorjázás vázlata

F. Kalibrálás. A sorjázás során a munkadarabra ható erők hatására a munkadarab elgörbülhet, megcsavarodhat, vagyis alakhibás lesz. Ennek kompenzálására szolgál a kalibrálás. A legegyszerűbb kalibrálás az, ha a lesorjázott munkadarabot visszatesszük a készüregbe, és egyet ütünk (inkább csak sóhajtunk) rá. Precíz kovácsdaraboknál külön szerszámmal és géppel, zárt süllyeszték üreggel kalibrálunk. A munkadarab ekkor már néhány száz fokkal hidegebb a kész üregben sajtolás hőmérsékleténél, ezért indokolt a külön kalibráló szerszám, amely a kalibrálás hőmérsékletre van tervezve. G. Hőkezelés. A fentiekben már jeleztük, hogy a kovácsolást követően hőkezelni kell, amely a szerkezeti acéloknál nemesítés vagy normalizálás, más anyagoknál, pld ausztenites acéloknál, Al vagy színesfém ötvözeteknél az anyagtól függő lágyítás, nemesítés stb. A süllyesztékes kovácsüzemek mellé rendszerint mozgó fenekű vagy áttoló rendszerű alagútkemencéket telepítenek, programozható hőzónákkal. Az edző (normalizáló) és a megeresztő kemencék közé egy hűtőrendszert helyeznek el, amely az anyag minőségétől, illetve a hőkezelés céljától függően levegővel, olajjal vagy vízzel hűti a kemencéből kilépő adagot. A kemencéket az esetek többségében gázzal fűtik. Ha a kovácsolási folyamat hőmérsékletei jól ellenőrizhetők és szabályozhatók, akkor megvalósíthatók az u.n. kovácsmelegből hőkezelés, sőt a termomechanikus alakítás egyes módozatai is.


- IV.8 H. Revétlenítés. A melegalakítás és hőkezelés közben az anyag felülete oxidálódik, revésedik. A kovácsdarab felületéről a revét kénsavas vagy sósavas pácolással, vagy mechanikai revétlenítéssel el kell távolítani. Környezetvédelmi szempontból ez utóbbi a szerencsésebb megoldás. Bevált eljárás a homok- vagy sörétfúvatás. A homokfúvatás az egyszerűbb, olcsóbb és szebb felületet adó módszer. Hátránya a munkát végzőket fenyegető szilikózisveszély, melynek elhárítása technikailag nem probléma, de az eljárást megdrágítják a bonyolult munkavédelmi eszközök. A felület revementesítésére használt sörét főként kb 1-2 mm méretűre darabolt extrém nagyszilárdságú acélhuzal, vagy kb. 0,8 mm átmérőjű öntött acélgömb. (Kivéve az ausztenites acélokat, melyeknél a ferritszennyezésből adódó korróziós veszély elkerülésére üveggyöngyöket kell alkalmazni sörétként) A sörétezést célgépekkel végzik, melyek a sörétet kb 20m/s sebességre gyorsítva mintegy rálövik a tisztítandó felületre. I. Minőségvizsgálat A geometriai jellemzőkön túlmenően számos minőségi jellemzőt kell ellenőrizni. A süllyesztékben kovácsolt munkadarabok gépelemként többnyire rendkívül nagy igénybevételnek vannak kitéve, ezért semmiféle folytonossági hiány, pld átlapolás, vagy sorjázásból eredő felületi repedés és így tovább- nincs megengedve. Ezért általános minden kovácsdarab mágneses repedésvizsgálata, esetleg ultrahangos vizsgálata. Az előirt mechanikai tulajdonságokat keménységméréssel kell ellenőrizni. Megállapodás szerinti mintavétellel ellenőrzik a szálirányt, a szennyezőeloszlást (u.n. Baumannlenyomattal) és a szabványos anyagjellemzőket: folyáshatárt, szakító szilárdságot, nyúlást, ütőmunkát. 4.1.2 Technológia- és szerszámtervezés A fenti technológiai műveletek alapos ismerete alapján lehet a folyamatot tervezni. A tervezéshez ismerni kell az üzemi hátteret, a gépparkot és a lehetőségeket. Ezek alapján az előzőekben ismertetett sorrenddel ellentétes irányban történik a tervezés, tehát a kész darab rajzából elindulva jutunk el a darabolásig. A kész, forgácsolt munkadarab ismeretében először eldöntjük, melyek azok a felületelemek, amelyeket feltétlenül forgácsolni kell. Ilyenek a viszonylag kisátmérőjű fúratok, a nagy pontossággal illesztett kapcsolódó felületek: pld a csapok, menetek, nyomatékátvivő bordázatok, és kivételes esetektől eltekintve a fogazatok. Szokványos eljárásokkal nem lehet alámetszéseket sem kovácsolni. Ezeket a kovácsolással nem kialakítható felület-, illetve térfogatelemeket az u.n. technológiai hozzáadásokkal el kell tüntetni. Tipikus hozzáadás a fogárok, vagy a menetárok „betömése” A következő lépés az osztássík kiválasztása. A süllyesztéknek egyetlen osztássíkja van, kivéve a vízszintes kovácsológépeken alakítást, ahol két egymásra merőleges osztássík alkalmazható. Az osztási felület esetenként eltérhet a síktól, lehet különféle felületek kombinációja, de az ilyen süllyesztékek gyártása drága. Az osztássík tárcsaszerű munkadarabok esetén rendszerint a legnagyobb átmérő felénél van. (4.9.ábra)


- IV.9 -

4.9.ábra. Tárcsaszerű kovácsdarab osztássíkja, hozzáadásai, ráhagyásai, oldalferdeségei, lekerekítései.

Az osztássík kijelölését követően felrajzolhatók a forgácsolási ráhagyások azokra a felületekre, amelyeket forgácsolni kell. Ezt követően megrajzolhatók az oldalferdeségek. Ez azt jelenti, hogy a munkadarabnak a süllyesztéküregből való eltávolíthatósága érdekében a szerszámmal érintkező felületeit hengeresről kúposra kell áttervezni. A kúposság növelése megkönnyíti a kilökést, viszont növeli a kovácsdarab tömegét. A munkadarab, miután felvette az üreg alakját, hűlni kezd. Ennek hatására a méretei csökkennek, így a külső felületek eltávolodnak a szerszámtól. Ezzel ellentétesen, a belső felületek mintegy rázsugorodnak a belső szerszámfelületekre, és így a kilökés egyre nehezebbé válik. Ezért az oldalferdeség szöge más a külső felületen (fenti ábrában α ), mint a belsőn (az ábrában β ). Ezeknek a számszerű értéke is gépfüggő, elsősorban attól függ, hogy a gépen van-e kényszerkilökő. Mivel a mechanikus kovácssajtókon mindig van alsó- és felső kilökő, ezért ezeknél a legkisebbek az oldalferdeségi szögek. Csavarorsós sajtókon van alsó kilökő, de a felső kilökő ritka. Kalapácsokon csak kivételesen és csak a legújabbakon van kilökő, ezért a kalapács-süllyesztékeken legnagyobb az oldalferdeség. A kovácsdarab tervezéséhez célszerű az MSz 5745 szabványt alkalmazni, amely a kovácsdarab szerkesztésének elveit tartalmazza, és szolgáltatja a tervezéshez szükséges számszerű adatokat, melyeket itt nem részletezünk. A kész kovácsdarab térfogatát meg kell határozni. A tárcsaszerű, forgástestalakú daraboknál ez egyszerű geometriai probléma. A hosszúkás daraboknál ezt a műveletet összekötjük az előalak tervezésével. A legnagyobb számú, nagysorozatban gyártott hosszúkás kovácsdarab minden bizonnyal a belsőégésű motorok és a dugattyús kompresszorok hajtórúdja. A hajtórúd esetében is elvégezzük a kovácsdarab tervezését (kovácsrajz), követve az MSz 5745 szabványt. A kovácsrajz (4.10 a ábra) ismeretében, a darab tengelye mentén a tengelyre merőleges síkokkal metszeteket készítünk a rajzról. Minél több metszetet készítünk, annál pontosabban dolgozunk. A következő lépésben planimetrálással meghatározzuk a metszetek felületét. Felrajzoljuk a keresztmetszetek A területét az x hossztengely mentén egy diagramban. (4.10 c ábrán szaggatott vonallal jelölve). A darab alakjától függően az A(x) függvényben ugrásszerű változások tapasztalhatók, például a hajtórúd esetében a furatok helyén. Ezeket a nagy változásokat területkiegyenlítéssel lesimítjuk. Az így kapott függvényt metszetdiagramnak nevezzük. (4.10 c ábrán a folytonos vonal). A metszetdiagram alatti terület a kovácsdarab névleges térfogata:


- IV.10 L

n

0

i =1

V0 = ∫ A( x)dx ≈ ∑ Ai ( xi )∆xi

(4.1)

ahol ∆xi = xi +1 − xi Az egyes metszetterületeket valamilyen egyszerű síkidom pld. kör vagy téglalap keresztmetszetté számoljuk át, tehát pld feltesszük, hogy bármely i –edik keresztmetszetre írható, hogy Ai ( xi ) =

d i2π 4

Az átszámítással kapott szerkeszthetük (4.10 b ábra)

(4.2) átmérőkkel

egy

forgástest

alakú

előalakot

4.10 ábra. Hosszúkás kovácsdarab (hajtórúd) előalakjának szerkesztése.

Az így kapott névleges előalak térfogat nem tartalmazza a sorjába kifutó anyag mennyiségét, a darabolási- és a leégési veszteséget. A sorjába futó anyag mennyiségének számításához ismerni kell a két süllyesztékfél között kialakított hézag, az u.n. sorjacsatorna méreteit. A sorjacsatorna rendszerink két részből, sorjahídból és sorjazsebből áll. Ezek alakja és méretei a munkadarab méreteitől és a kovácsoló géptől függenek. Kalapácsok és orsós sajtók esetén a két süllyesztékfél az esetleg több ütésből álló alakítási folyamat végén ugyanis találkozik, „összecseng”, (zárt sorjacsatorna), míg a mechanikus kovácssajtóknál ez rendszerint – a gépállvány biztonsága érdekében – meg van tiltva. (nyílt sorjacsatorna) A sorja szerepét a süllyeszték tervezésénél tárgyaljuk, most csak arra utalunk, hogy a sorjába kerülő anyag mennyiségét a következő módon számítjuk ki:


- IV.11 Megszerkesztjük a sorjacstornát, kiszámítjuk annak AS keresztmetszetét. Feltételezzük, hogy a sorjacsatorna 70%-ig töltődik ki anyaggal. Ezt az

kovácsdarab

felső sűllyesztékfél

sorjahíd sorjazseb

alsó sűllyesztékfél 4.11 ábra. A sorjacsatorna részleges kitöltése

anyagmennyiséget a metszetdiagram minden d n átmérőjű metszetéhez, mint ∆d i átmérőnövekményt hozzá kell adni: 0.7 AS = d iπ∆d i ahonnan 0.7 AS (4.3) d iπ Gyakori technológia- és szerszámtervezési probléma, hogy a készüreg rosszul töltődik. Ilyenkor az előgyártmány térfogatát megnövelik, és a megnövelt sorjareakció kényszeríti ki az üregtöltést. Szélső esetekben akár 50% is lehet a sorjaveszteség. Ezt a kész elötti alakítási műveletek számának növelésével lehet elkerülni, melyre azonban a meglévő berendezések adta korlátok miatt nem mindig van lehetőség. ∆d i =

A sorjaveszteséggel növelt méretű elméleti előgyártmánynak kiszámítjuk a térfogatát és a tömegét. Ehhez a tömeghez kell hozzáadni a darabolási- és leégési veszteséget. A darabolási veszteséget az okozza, hogy a többnyire nyírással darabolás már említett térfogatszórása kb 3-4%. Ezt az értéket csökkenteni lehet pld. korszerű szalagfűrészek alkalmazásával. A darabolási térfogatszórás miatt a munkadarabok névleges térfogatát is meg kell növelni a szórásnak megfelelő mennyiséggel. Jóval nagyobb veszteséget okozhat a hevítéskor keletkező felületi leégés, az u.n. reveveszteség. Ennek értéke gáztüzelésű kemencékben elérheti a 13-14 %-ot, jól szabályozott indukciós hevítéssel viszont akár 1 % alá csökkenthető. Egyes anyagoknál, pld titánötvözeteknél nincs kizárva a védőgáz alkalmazásának lehetősége sem. A megnövelt térfogatú elméleti előgyártmány alapján a térfogat azonosság feltételezésével számítható ki a darabolási méret. Legyen az elméleti előgyártmány legnagyobb keresztmetszete AE max . A darabolt buga AB keresztmetszetét a megfelelő átkovácsolás érdekében legalább ekkorára, vagy ennél néhány százalékkal nagyobbra vesszük fel: AD = (1...1,05) AE max (4.4) A buga keresztmetszete acéloknál csaknem kizárólag négyzet, színes- és könnyűfémeknél kör, összhangban a gyártás módjával, ami acéloknál meleghengerlés,


- IV.12 könnyű- és színesfémeknél kisajtolás. A színes- és könnyűfémek esetén nem ritka az öntött előalakok alkalmazása sem. A keresztmetszet nagyságát befolyásolja az adott anyagból kereskedelmi forgalomba hozott rúdanyagok méretválasztéka. (Természetesen rendelhetők extra méretek a gyártóműtől, de ez megnöveli a költségeket) A darabolt bugából kovácshengerléssel előállított előalakból vagy közvetlenül a darabolt bugából készül az előkész kovácsdarab. Az előkész kovácsdarabot a kész kovácsdarab alapján szerkesztjük meg. A szerkesztésnek három elvi alapja van: az első a térfogatazonosság a bugával, a második annak az alakkorrekciónak az elve, melyet a 4.7 ábra szemléltet. A harmadik jelenti a szálirány beállítását, melynek érdekében a tárcsaszerű daraboknál szükségszerű a zömítés, törtvonalú hosszúkás daraboknál pedig a hajlítás.(lásd 4.4, és 4.5 ábrákat) A készelötti üreget úgy kell megtervezni, hogy sorjacsatorna nélkül is kitöltődjön. Ez nyilván azt jelenti, hogy a lekerekítési sugarak és az oldalferdeségek sokkal nagyobbak mint a készüregben. (4.12 ábra)

4.12 ábra. A kész elötti üreg szerkesztése

A készüreg elvileg a kovácsdarab negatívja. Ettől azonban méreteit tekintve különbözik. A kovácsdarab szobahőmérsékleten mért geometriai méretei és süllyesztéküreg megfelelő méretei eltérnek egymástól. Ennek az az oka, hogy a munkadarab és a szerszám méretei csak az üregtöltés pillanatában azonosak. Ekkor acéloknál a munkadarab hőmérséklete kb 900 – 1250 °C, míg a szerszámé csak 150300 °C. Az alakítandó anyag rendszerint alacsonyan ötvözött, míg a szerszámacél sok ötvözőt tartalmaz, ezért hőtágulási együtthatóik is különböznek. Ennek megfelelően, legyen a munkadarab egy mérete a T0 szobahőmérsékleten Lm 0 és az üregtöltés hőmérsékletén Lm , hasonlóan a süllyesztékre Ls 0 és Ls . Jelöljük a hőtágulási együtthatókat α m és α s -el. Az üregtöltéskor a munkadarab hőmérséklete legyen Tm , a süllyesztéké T s , ekkor írható, hogy Lm = Ls , illetve lineáris hőtágulással számolva: Lm = Lm 0 [1 + α m (Tm − T0 )] és


- IV.13 -

Ls = Ls 0 [1 + α s (Ts − T0 )] amelyből a süllyesztéküreg szobahőmérsékleti (gyártási) méretei számíthatók: L s 0 = Lm 0

1 + α m (Tm − T0 ) 1 + α s (Ts − T0 )

(4.5)

Mivel az előzőek szerint Tm sokkal nagyobb, mint T s , ezért a tört értéke kb. 1.007 – 1.015. Nagyságrendileg tehát1% a méreteltérés. A jelenlegi gyakorlatban a kovácsdarabok előírt (maximálisan megengedett) tömegtűrése kisebb 1%-nál, ezért a fenti korrekciót el kell végezni, sőt, a próbagyártás tapasztalatai alapján az üreg geometriáját szükség szerint meg kell változtatni. A készüreg tervezésének fontos eleme a sorjacsatorna alakja és mérete. A sorja ugyanis nem egyszerűen az üregtöltés során feleslegessé vált anyag gyűjtőhelye. A vékony sorjacsatornában áramló anyag sokkal gyorsan hűl, mint az üregben lévő nagy tömeg, ezért az aktuális folyáshatára jóval nagyobb. A sorjacsatornában kialakuló geometriai viszonyok miatt is nagy az anyag kiáramlásával szembeni ellenállás. Ennek az ellenállásnak a számítására szolgáló modell a 4.13 ábrán látható. Y

s

q X

µq σx+dσx µq

dx L

σx

x

kovácsdarab

felső szerszámfél

alsó szerszámfél 4.13 ábra A sorjaellenállás számítása

Feltételezhető, hogy a sorjacsatornában a rajz síkjára merőleges Z tengely irányában nincs alakváltozás. Legyen a sorja Z irányú mérete B, továbbá tételezzük fel, hogy a szerszám és a sorja érintkezésénél a lokális szerszámnyomás q és az ebből adódó súrlódási feszültség τ = µq . Ezzel a statikai egyensúly egyenlete az ábrán nem vonalkázott térfogatelemre az X irányban:

(σ x + dσ x )sB − σ x sB − 2µqBdx = 0 melyből


- IV.14 -

dσ x −

2µq dx = 0 s

(4.6)

adódik. Az Y irányú egyensúlyi egyenlet

σ y = −q

(4.7)

A folyási feltétel:

σ x − σ y = βk f

(4.8)

A síkalakváltozás miatt β =

σ x+ q =

2 3

2 3

, tehát (4.8) helyett (4.7)-el írható, hogy

k f = k *f

(4.9)

ahonnan q = k *f − σ x

(4.10)

Behelyettesítve (4.6) – ba: dσ x −

2 µ (k *f − σ x ) s

dx = 0

innen

dσ x 2µ =− dx * s σx −kf

(4.11)

integrálva: ln (σ x − k *f ) = −

2µ x + ln C s

(4.12)

Az integrálási állandót abból a feltételből határozhatjuk meg, hogy a sorja vége, vagyis az x = L hely szabad felszín, melyre merőleges feszültség eltűnik. Esetünkben ezért írható, hogy σ x = 0 ha x = L . Ezt a (4.12)-be helyettesítve kapható, hogy 2µ (4.13) ln C = x + ln − k *f s

(

)

amellyel


- IV.15  2µ (L− x )  − σ x = k *f e s − 1  

(4.14)

A képlet szerint a σ x nyomófeszültségnek az x=0 helyen maximuma van. Ezt a maximumot nevezzük sorjareakciónak:

 2µ L  k f  e s − 1 3  

2

ps =

(4.15)

A nyomáseloszlás a sorjahídon kiszámítható (4.10)-el, (4.14) segítségével: q=

2 3

k f −σ x =

2 3

kfe

2µ (L− x ) s

(4.16)

A sorja alakításához szükséges erő: L

Fs = ∫ qdxB = 0

2 3

Bk f e

2 µL L s

∫e 0

−

2µ x s

2µ s  sL  dx = Bk f − 1 e 2µ  3 

2

(4.17)

amelyből, ha a másodfokú tagig fejtjük sorba az exponenciális tagot: e

2 µL s

≈ 1+

2µL 4µ 2 L2 + s 2s 2

adódik, hogy

Fs ≈

 µL  k f BL1 +  s  3 

2

(4.18)

A (4.15) egyenlettel meghatározható sorjareakció szabályozza az üregtöltés folyamatát. Minél nagyobb, annál jobban töltődnek ki az üreg finom részletei. Látható, hogy a sorja s vastagságának csökkentésével és a sorjahíd L hosszának növelésével exponenciálisan nő a sorjareakció. A sorjareakció növelésének gátat szab a sorjacsatorna és az üreg mechanikai terhelésének növekedése. Ennek eredményeként az üreg és a sorjacsatorna kevés gyártott darabszám után már deformálódik, sőt eltörik. Az üreg deformációja miatt a munkadarab kilép a tűrésmezőből, ezért a szerszámot cserélni kell. Mindezek növelik a gyártás költségeit. A műszaki-gazdasági hátrányok elkerülése érdekében kedveltek a gyakorlatban optimálisnak bizonyult megoldások, melyekre példaként szolgálhatnak a mechanikus kovácssajtókra ajánlott nyitott, illetve az egyéb esetekben használatos zárt sorjacsatorna megoldások. (4.14 ábra). A fenti funkciók mellett a sorjacsatornának olyannak kell lenni, hogy a belekerülő anyag a sorjázó szerszámon egyértelműen tájolható legyen (4.8 ábra) A sorjába kerülő anyag , az u.n. sorjalepény arra is alkalmas, hogy a szerszámba épített kilökő tüskék az üregtöltési folyamat végén ezen keresztül emeljék ki a munkadarabot a süllyeszték üregből. A kilökő erő nem nagy, az alakító erő 2-4 ezreléke (melegsajtoláskor!), de elég nagy ahhoz, hogy a Ziaja György.: Alakítástechnika. Előadásjegyzet IV.rész: Térfogatalakítás / Süllyesztékes kovácsolás

- IV.16 kovácsdarab felületén nyomot hagyjon a kilökő. Ez a felületi hiba elkerülhető, ha a kilökő tüskék nem a munkadarabot, hanem a sorjalepényt emelik ki az üregből. A sorja nyilvánvaló hasznosságával szemben áll a sorja mennyiségével arányos anyag- és hőenergia veszteség. A sorja szigorú feltételek betartása esetén elhagyható. Az első feltétel a térfogatazonos darabolás, a második a gép alkalmassága, megfelelő védelme a túlterheléssel szemben. A legjobb a hidraulikus sajtó, amely kevéssé használatos a sűllyesztékes kovácsiparban.

Nyitott sorjacsatornák

Zárt sorjacsatornák

4.14 ábra. Sorjacsatorna konstrukciók

Sorjamentes szerszámokra példaként szolgáljon a 4.15 és 4.16 ábra. A 4.15 ábrán bejelölt H méret szórása a darabolás pontosságától függ. Kisebb lehet a

4.15 ábra. Sorjanélküli süllyeszték

magassági szórás, ha egy biztonsági házaggal vesszük fel a térfogatszórást. Ezt arra a térfogatelemre tesszük, amit utólag mindenképpen forgácsolni kell, például egy fogaskeréknél a fogazatokat. (4.16 ábra)


- IV.17 -

4.16 ábra. A térfogatkompenzátor egy lehetséges elhelyezése sorjamentes kovácsolásnál.

Az üreget és a hozzátartozó sorjacsatornát természetesen egy melegalakító szerszámacélból (pld K13, K14, W3, NK) készült tömbbe kell bemunkálni. Egy süllyesztéktömbben elhelyezhető egy vagy több üreg is. Főleg kisebb kovácsdarabok esetén gyakori a kettős üreg alkalmazása. Ez főleg olyan termékeknél célszerű, amelynél ugyan annak az alkatrésznek a tükörképét is le kell gyártani (pld egy autó jobb- és baloldali futóműalkatrészei) Az ikerüregek alkalmazásának rendkívüli előnye az, hogy megfelelő elhelyezés esetén a süllyesztéküreget terhelő vízszintes irányú erők kompenzálják egymást, így a két süllyesztékfél relatív eltolódásából eredő alakhibák elkerülhetők. A kalapácssüllyesztékeknél gyakori megoldás, hogy az elő-, előkész- és készüregeket egyetlen süllyesztéktömbbe munkálják be. Ez a szerszámkészítési mód az üregek egyenlőtlen elhasználódása miatt nem gazdaságos. E helyett célszerűbb a cserélhető betétek alkalmazása. A korszerű mechanikus kovácssajtókon kizárólag ezt a megoldást alkalmazzák. A 4.17 ábra rendszerezi a különböző változatokat. Az ábrán szerepel annak a lehetősége, hogy a süllyesztéknek nem egy, hanem két, egymásra merőleges osztássíkja van. Ennek az elvnek az alkalmazására speciális géptipus szükséges, melyet elrendezése kapcsán vízszintes kovácsológépnek nevezünk. (lásd a továbbiakban)

4.17 ábra. Az üregek elhelyezése a süllyesztéktömbben

A süllyesztékes kovácsolás legfontosabb felhasználója a járműgyártás, mely tipikusan nagysorozat- sőt egyes alkatrészeknél tömeggyártás. Az autógyárak kovácsüzemeiben évről-évre lényegében kevés változtatással azonos darabokat gyártanak. A gyártás legfontosabb eszköze a mechanikus kovácssajtó (MKS,


- IV.18 maxiprés vagy maxima). Ezek egyforgattyús sajtók, névleges sajtolóerejük 10-100 MN, tipikusan 25 MN. Jellegzetes példa látható a 4.18. ábrán.

4.18 ábra. Mechanikus kovácssajtó (MKS) vázlata. Jellemző méret H ≈ 4000mm A gépállvány rendszerint öntöttvas, zárt keretszerkezetű, négy kb. 200 mm átmérőjű menetes oszloppal előfeszítve. Mechanikus kilökő a medvében és a gépasztalban. A gépasztal kb ±30mm tartományban állítható. Lökete kb 300 mm. Névleges löketszáma 3 – 5 /perc. A medvét lezuhanás ellen pneumatikus henger – dugattyú védi. A száraz lemezes tengelykapcsoló átmérője közel 2000 mm.

A mechanikus kovácssajtókon alkalmazott betétezéses szerszámozás részeként ezekre a gépekre olyan vezetőoszlopos szerszámházat szerelnek, mely el vannak látva a betétek tájolására és rögzítésére szolgáló elemekkel, továbbá olyan kiváltásokkal, melyek lehetővé teszik a gép kilökőmechanizmusa és a szerszám kilökői között a közvetlen kapcsolatot. A 4.19 ábra egy ilyen szerszámházat és a betét mutatja.. A 4.20 ábra ennek egy a 4.21- 4.22 ábra szerinti munkadarabra alkalmazását mutatja be.


- IV.19 -

4.19a ábra. Mechanikus kovácssajtón alkalmazott vezetőoszlopos, hárommunkahelyes szerszámház

4.19b ábra. A szerszámházba illeszthető betét-pár.

4.20 ábra. Példa az elő- és készrealakító műveletek elrendezésére mechanikus kovácssajtón.

A fenti példa azt is bemutatja, hogy a készüreget kell a középső helyre tenni azért, mert a gép által kifejtett erő és a szerszám nyomásközéppontja ez esetben egy egyenesre esik, nem keletkezik olyan additív nyomaték, amely alakhibát és szerszám


- IV.20 (főleg vezetőoszlop) túlterhelést okoz. A fenti szerszámozással előállított technológiai sor látható a 4.21 ábrán.

4.21 ábra 0 darabolás, 1 zömítés, 2 előalakítás 3 készrealakítás.

A kész kovácsdarab rajza a 4.22 ábrán látható.

4.22 ábra. Mechanikus kovácssajtón gyártott munkadarab.

Az orsós sajtók szerszámozásának is van egy fontos szabálya. Először is az orsót terhelni csak tengelyirányban szabad. Ezért az orsós sajtókon csak egy üreg alkalmazása javasolt, amelyet úgy kell elhelyezni, hogy az üregtöltéskor keletkező nyomáseloszlás eredője, az alakító erő hatásvonala - más szóval a szerszám nyomásközéppontja - essen egybe az orsó tengelyével. Az orsós sajtókon zárt sorjacsatornát, sőt sorjamentes, zárt üreget is lehet alkalmazni, melynek alakításához szükséges erőt a nyomásközéppont meghatározásánál be kell számítani. A nyomáseloszlás illetve az alakító erő meghatározása ezek szerint egy alapvető probléma. A számítás módszereivel a VI.fejezet foglalkozik. A legpontosabbak a végeselemes szimulációs eljárások, melyek használata a gyakorlatokon sajátítható el.


- IV.1 - mozgó süllyesztékfél. álló süllyesztékfél. 4.1 ábra. A süllyesztékes kovácsolás alapelve

Recommend Documents