1. STROJÍRENSTVÍ JAKO SOUČÁST OBORŮ TECHNICKÝCH VĚD Charakteristika technických věd Technika Dle názoru antropologů nelze oddělit člověka a techniku. Existence člověka je v podstatě odjakživa spojena s technikou. Techniku je možno charakterizovat jako souhrn prostředků (výrobních nástrojů) a způsobů jejich používání (technologie), které lidi vytvořili a vymysleli pro uspokojování svých hmotných a kulturních potřeb. Původ slova technika pochází z řeckého techné a značí řemeslnickou zručnost nebo uměleckou činnost. Spojením řeckých slov techné a logos, které mj. značí učení, získáme slovo technologie. Tento pojem označuje nauku, která systematizuje množinu postupů zpracovávání surovin, materiálů a polotovarů s pomocí příslušných zařízení na hotové výrobky. Technologie zahrnuje také technickou kontrolu výroby. Inženýrství Slovo inženýrství bylo odvozeno z latinského slova ingenium, které značí důvtip. Toto slovo se postupem doby vyvinulo v termín, který charakterizuje úroveň poznání člověka v souladu s rozvojem znalostí o přírodě a jejích zákonitostech, s vědeckými poznatky a nově přímo s vývojem vědeckých disciplin. Technické inženýrství Technika nového věku se vyznačuje sepjetím s vyvíjejícími se vědami. Inženýrská technika se neuspokojuje pouze s využitím náhodných zkušeností a objevů, ale předem promýšlí výhodnější řešení. Výsledky bádání v matematice, fyzice, chemii a dalších vědeckých disciplínách jsou podnětem ke zdokonalování používaných nástrojů, vynalézání nových hutních pochodů, strojů ap.
1.1
Rozvoj techniky
Vývoj techniky úzce souvisí s vývojem lidstva. Člověk se ve svém vývoji odlišil od světa zvířat tím, že začal pracovat. Záměrně vykonávaná činnost mu přinesla ulehčení života a vedla jej k přemýšlení o tom, co a jak vyrábět. Zpočátku byla technika velmi jednoduchá a její rozvoj byl velice pomalý. V pravěku se úroveň poznání a úroveň techniky výrazně neměnila řadu desítek až stovek tisíc let. Postupný rozvoj úrovně znalostí přírodních zákonů a úrovně zkušeností a dovedností sloužící ke zvládnutí přírody vedl až ke vzniku jednotlivých řemesel. Důsledkem změny demografických podmínek a neustálého vývoje řemeslné výroby se v průběhu několika tisíc let tato forma v některých oborech tak zdokonalila, že došlo ke vzniku manufaktur s převládající ruční výrobou. Následně, během několika desítek let později, byla práce člověka nahrazena prací strojů a vznikly továrny. Koncentrací malých továren postupně vznikly velké strojírenské závody. Všeobecným měřítkem rozvoje techniky se stal růst produktivity práce.
12
Obr. 1.1.: Pěstní klíny z období kolem 40 000 l. př. n. l. [ 3 ] Předpokladem rozvoje techniky je rozvíjení empirických zkušeností a využívání přírodních jevů. Tyto empirické zkušenosti byly dříve teprve dodatečně potvrzovány a osvětlovány vědeckými poznatky. V současné době se situace mění, technika se plně opírá o nejnovější poznatky vědeckého výzkumu. Potřeba techniky odpovídá požadavkům doby. Tyto požadavky se neustále zvětšují a to nejenom v důsledku růstu počtu obyvatel Země. Kolem roku 4000 př. n. l. žilo na naší planetě kolem deseti milionů lidí, kteří se mohli dobře uživit zemědělstvím a chovem dobytka, spojeným s příslušnými technickými znalostmi. Kolem roku 1800 našeho letopočtu došlo k populační explozi. Tehdy žila na světě již miliarda lidí. Dnes, pouze o 200 let později, překročil počet lidí na Zemi již hranici šesti miliard.
1.2 Strojírenství Strojírenství je nauka o strojích, o jejich funkci a výrobě. Proces výroby strojů se skládá ze dvou etap : 1. etapa konstrukce, 2. etapa technologické přípravy a organizace výroby. Konstrukce Etapa konstrukce představuje především návrh daného stroje nebo zařízení, spolu s návrhem konstrukce technologických zařízení i nástrojů a přípravků, kterými má být výroba zabezpečena. Profesně zabezpečují etapu konstrukce strojů a zařízení konstruktéři. Etapa konstrukce velmi úzce souvisí s etapou technologické přípravy výroby. Při konstrukci je třeba respektovat technologičnost konstrukce výrobku, což vyžaduje spolupráci konstruktéra s technologem.
13
Obr. 1.2.: Čtyřválcový benzínový motor je příkladem poměrně složitého stroje z hlediska konstrukce i technologie výroby [ 6 ] Technologie Úlohu, jak návrhy konstruktérů uskutečnit a jak požadovaným způsobem získat a zpracovat vhodný materiál řeší technologové. Ti zajišťují etapu technologické přípravy a organizace výroby, která představuje především rozpracování technologických procesů výroby a kontroly součástek, dále procesů montáže montážních celků a strojů a jejich zkoušení. Součástí této etapy je též organizační zabezpečení a řízení výroby. Zkušenosti ukazují, že pracnost spojená s technologií výroby zpravidla převyšuje pracnost konstrukce, která v závislosti na charakteru stroje nebo zařízení představuje 5 až 30%. Při nedostatečné úrovni technologie výroby je třeba na výrobu součástek vynakládat velké množství práce a energie a tím klesá efektivnost výroby. Proto je důležitou úlohou zdokonalování technologických procesů výroby, montáže a kontroly spolu s vývojem nových technologických zařízení a nástrojů. Pracnost technologických metod obecně roste, a proto jsou technologické problémy stále aktuálnější, což se mimo jiné projevuje také tím, že průmyslově nejvyspělejší země svoji výrobní technologii přísně ochraňují.
14
1.2.1 Vznik strojírenského průmyslu v Čechách Vznik strojírenského průmyslu v Čechách je spjat se zaváděním textilní průmyslové výroby v 19. století. Továrny byly vybavovány zahraničními stroji a pro jejich opravy byly v závodech zřizovány mechanické dílny. Malé dílny postupně přecházely k výrobě zařízení a strojů. Zejména koncem 19. stol. dochází ke koncentraci drobných strojíren a postupně vznikají velké strojírenské závody. Tak např. v roce 1821 vzniká dílna Schöbl & Lutz ve Šlapanicích, pozdější První brněnská strojírna. V roce 1825 byly založeny Salmovy železárny, pozdější ČKD Blansko. V roce 1869 zakoupil Emil Škoda od hraběte Waldsteina jeho strojírny, založené v roce 1859. Ze strojíren vznikly Škodovy závody v Plzni.
1.2.2 Vznik technických škol v Čechách Řemeslnické znalosti a dovednosti se v průběhu vývoje lidstva stále zvětšovaly a zkušenosti, získané v daném oboru, bylo nutno předávat dalším generacím. Rozvoj techniky vedl k zakládání technických škol. První inženýrská škola ve střední Evropě byla založena v období let 1707 - 18 v Praze. Tato Veřejná inženýrská škola měla středoškolskou úroveň. Podle vzoru Ecole polytechnique, která byla v roce 1794 založena v Paříži a která fungovala jako vysoká škola, vytvořil prof. Josef Gerstner v roce 1806 Vysokou školu polytechnickou v Praze. Tato škola navazovala současně i na dříve založenou Veřejnou inženýrskou školu. Měla oddělení stavební a chemické. V roce 1865 byl do čela Polytechnického ústavu království Českého postaven rektor (místo ředitele) a studium bylo rozděleno na čtyři obory : stavitelství vodní a silniční, dále stavitelství pozemní, dále strojnictví a chemie (technická lučba). V roce 1875 byly zavedeny státní zkoušky a škola byla přejmenována na C. k. Českou vysokou školu technickou. V roce 1920 byla vládním usnesením škola přejmenována na České vysoké učení technické.
1.3
Historie techniky
Po staletí užíval člověk jako nástroje pouze ty předměty, které nacházel ve volné přírodě a to bez jakýchkoliv dalších úprav. Teprve tehdy, když si uvědomil, že všechny tyto materiály může přizpůsobit určitým účelům (kamenné sekery, otrávené oštěpy a šípy), nastávají počátky rozvoje techniky a technologie. Technika se rozvíjela ve zdánlivě nekonečné řadě pokusů a vylepšování výsledků, epochální inovační skoky jsou ve vývoji techniky spíše výjimkou a nikoliv pravidlem. Velké technické novinky historicky vznikaly v době, kdy pro ně dozrál čas a kdy se pro jejich vytvoření na základě předchozího vývoje vytvořily příhodné podmínky. Proto je také zajímavým poznatkem, že pro jednotlivá historická období byl vždy typický určitý výběr používaných materiálů, daný zpravidla jejich dostupností, technickou úrovní doby a diktovaný též estetickými normami. Technická úroveň doby zase úzce souvisí s úrovní vývoje nástrojů, kterými byl člověk schopen působit na předměty ve svém okolí.
15
1.3.1 Vývoj techniky od pravěku do roku 10 000 př. n. l. Na začátku vývoje techniky byl pravděpodobně nalezený kus dřeva, kamene nebo kosti, který pračlověk použil jako pracovní nástroj. Podle výsledků dosavadních výzkumů se takovéto primitivní nástroje používaly již ve starší době kamenné, v období 2 000 000 až 3 000 000 let před naším letopočtem. Důležitým mezníkem ve vývoji člověka bylo zvládnutí ohně, které se předpokládá v období asi 500 000 př. n. l. V tomto období člověk také cílevědomě upravoval a vyráběl nástroje (např. oštěp s hrotem vytvrzeným v ohni) a jednoduché oděvy (z kožešin). V období kolem 40 000 př. n. l. zvládl tehdejší člověk výrobu nástrojů s ostrými kamennými čepelemi (např. kamenné nože, sekery, rydla a později i brousicí nástroje) a budoval též první přístřešky. Pro dopravu na vodě využíval jednoduché lodice. U člověka, žijícího v této době, se předpokládá použití souvislé řeči. Jsou doloženy i počátky rozvoje výtvarného umění (jeskynní malby).
1.3.2 Vývoj techniky od roku 10 000 př. n. l. do roku 1 našeho letopočtu Význačným mezníkem mladší doby kamenné - neolitu, tj. období po roce 10 000 př. n. l. bylo, že se člověk začal zabývat zemědělstvím (v období kolem roku 7 000 l. př. n. l. pěstování rýže v Thajsku a chov ovcí a koz v Persii). Tato změna dosavadního způsobu života zásadním způsobem ovlivnila do té doby spíše kočovný způsob života lidí. Důsledkem rozvoje zemědělství bylo,že si lidé stavěli stálá obydlí a pořizovali složitější nástroje, čímž byly dány předpoklady pro rozvoj řemesel.
Obr. 1.3.: Vývoj základních zemědělských nástrojů od počátku neolitu do 19. století [ 6 ]
16
Významný technický pokrok způsobil objev kola (vozy s plnými koly v Mezopotámii kolem 4000 l. př n. l.). Tento objev se stal rozhodujícím základem nejen pro rozvoj dopravy, ale i pro rozvoj veškeré další techniky. V tomto období se předpokládá vznik a používání písma a tedy kvalitativně nový způsob uchovávání informací. Vznikají také monumentální kultovní stavby (pyramidy v Egyptě i v Americe). Úroveň poznání lidí v období 2 000 l. př. n. l. (doba bronzová) dosáhla takového stupně, že bylo možno znalostí o těžbě a tavení mědi využít ke zhotovování bronzových nástrojů, které svými vlastnostmi vysoce předčily nástroje kamenné. V období kolem roku 1 000 př. n. l. (doba železná) se rozšířila technologie výroby železa a použití železných nástrojů a zbraní (tajemství výroby železa zvládli již ve 2. tisíciletí př. n. l. chetitské kmeny a kolem roku 1400 př. n. l. nauhličováním železa vyrobili ocel). V období kolem roku 500 př. n. l. se stavějí již velké námořní lodě s více řadami vesel (Řecko) a následně vznikají první jednoduché stroje (např. jeřáb, čerpadlo, rámová pila s kovovým pilovým listem, hodiny s ozubenými koly).
1.3.3 Vývoj techniky od počátku našeho letopočtu do roku 1 800 Současné poznatky o vývoji lidstva vycházejí z předpokladu, že od nejstarších dob byly nositeli technického rozvoje především země na Blízkém východě (Mezopotámie, Persie), v povodí řeky Indus, na Dálném východě (Čína) a ve Středomoří (Egypt, později Řecko - teoretická věda -, Řím). Od počátku našeho letopočtu do roku 1 800, v období, trvajícím pouze několik stovek let, se situace mění. Hlavními nositeli technického rozvoje se v tomto období ukončeném význačným rozvojem průmyslové výroby stávají země západní Evropy. Na počátku našeho letopočtu probíhal rozvoj techniky zejména na Východě (výroba litiny a porcelánu v Číně v r. 600, výroba chemických produktů, např. kyseliny sírové, v Arábii). Evropské země, které jsou v tomto období pod silným vlivem církve, především přejímají a rozvíjejí techniky vynalezené jinde. Řemeslná rukodělná výroba se provádí v cechovních dílnách (broušení skla a vrtání kamene v r. 1100, v r. 1250 použit šlapací soustruh), ve stavebnictví jsou nejvýznačnější církevní stavby kostelů, klášterů a feudálních hradů, opevňují se města a rozvíjí se i hornictví (čerpání vody rumpálem). V Evropě dochází k rozvoji vědy, techniky a řady dalších oborů lidské činnosti ve 14. stol., v období renesance (hvězdárny, střelné zbraně s vrtanými hlavněmi 1313 - 1373). Rozvoj obchodu vedl k organizování objevných zámořských cest (1492 objevil K. Kolumbus Ameriku.). Kolem roku 1500 n. l. navrhl geniální vynálezce Leonardo da Vinci stovky technických řešení, které předběhly svoji dobu a řada z nich byla realizována až podstatně později (navrhl např. válečné a létací stroje, potápěčskou výzbroj, jeřáb, plovoucí bagr, plynovou masku, zařízení na řezání závitů). Největším objevem 17. stol. je parní stroj (pokusy D. Papina z r. 1689, spolehlivý parní stroj sestrojili T. Newcomen a J. Cawley v r. 1705, v r. 1781 postavil J. Watt parní stroj s točivým pohybem). Koncem 18. stol. byl realizován další významný vynález. Poté, co byl v paláci portugalského krále předveden vzlet modelu balonu naplněného horkým vzduchem (B. L. de Gusmăo v r. 1709) podařilo se živým tvorům a člověku vznést se do vzduchu pomocí velkého balonu z plátna a papíru (balon bratří Montgolfierů v r. 1783).
17
1.3.4 Vývoj techniky od počátku 19. stol. po současnost Po roce 1800 n. l. se stal parní stroj univerzálním zdrojem energie. Nachází uplatnění v dolech, ale zejména v dopravě pro pohon lodí a při stavbě lokomotiv (R. Trevithick postavil první parní lokomotivu v r. 1804, v r. 1825 byla zahájena doprava na první parostrojní železniční trati Stockton - Darlington). Po roce 1800 n. l. byly dosaženy význačné objevy i v oboru elektřiny a magnetizmu (elektrická lampa v. r. 1808 - 1809, elektromotor v r. 1834, žárovka s uhlíkovým vláknem v r. 1879 - T. A. Edison). Výhody el. energie (snadná výroba, snadný přenos, možnost přeměny na jiné druhy energie) způsobily, že se postupně stala hybnou silou veškerého hospodářství. Zavedení el. energie bylo zároveň předpokladem pro rozvoj moderní sdělovací techniky (vynález telegrafu v. r. 1808 - 1809, elektromagnetický telegraf v r. 1838 - Morse).
Obr. 1.4.: Lokomotiva Richarda Trevithicka postavená v roce 1804 [ 6 ] Dalším význačným zdrojem mechanické energie se ve druhé pol. 19. stol. stal spalovací motor (patent čtyřtaktního motoru v r. 1862, zkonstruování prvního čtyřtaktního spalovacího motoru v r. 1876 - Otto, první benzínové automobily Daimlera a Benze v r. 1886). Vědecké výzkumy v oblasti chemie se staly základem rozvoje chemické výroby (vynález fotografického filmu v r. 1885 - Eastman). Nové postupy se uplatňují i ve stavebnictví, kde se kromě tradičních materiálů uplatňují nově také kovy, sklo, železobeton a ocelové konstrukce (Eifelova věž, mrakodrapy v USA). Nové technické objevy vznikají v nejrůznějších oblastech lidské činnosti (návrh první frézky v r. 1814, vynález lodního šroubu v r. 1829 - Ressel, vynález dynamitu v r. 1867 - Nobel, předvedení prvního kinematografu v r. 1895 - bratři Lumierové). Průmyslová výroba 20. století se orientuje na zvyšování produktivity práce, v nejrůznějších oborech lidské činnosti se nahrazuje lidská práce prací strojů. Významné objevy byly uskutečněny v oblasti elektrotechniky (první bezdrátový rozhlasový přenos v r. 1920 v Pittsburgu v USA, první veřejné TV vysílání v r. 1935 ve Francii a Německu). Poznatky byly využity při stavbě prvních velkých počítačů (elektromechanický analogový počítač v Massachusettském technologickém institutu v roce 1930, první elektronický počítač ENIAC na pensylvánské univerzitě v r. 1945, elektronický osobní počítač IBM v r. 1967). Aplikace výzkumu počítačů nacházejí uplatnění v nejrůznějších oblastech (numericky řízený obráběcí stroj postaven v r.
18
1952, jednoduchý průmyslový robot v r. 1963). Boj o energii vede ke zvyšování efektivity využití zdrojů surovin a hledání nových zdrojů energie (využití energie Slunce, mořských přílivů, geotermální a zvláště jaderné energie, v r. 1942 pod vedením E. Fermiho spuštěn první jaderný reaktor v Chicagu, japonská města Hirošima a Nagasaki bombardována atomovou zbraní v r. 1945). V průběhu 20. stol. bylo také dosaženo zásadních změn a zdokonalení v dopravě.
Obr. 1.5.: Rozšíření výpočetní techniky ve druhé polovině dvacátého století zásadním způsobem ovlivnilo většinu oblastí lidské činnosti
Obr. 1.6.: 21. 7. 1969 ve 3.56 SEČ vystoupil první člověk - astronaut N. Armstrong - na povrch Měsíce [ 7 ] Po roce 1900 n. l. to byl především spalovací motor, který v různých modifikacích zasáhl do celého hospodářství (silniční motorová vozidla, letadla,
19
motorové lodě ap.). Zrychlení a zvýšení bezpečnosti bylo dosaženo na železnici (v r. 1964 trať rychlodráhy mezi Tókiem a Ósakou, TGV na trase Paříž - Lyon v r. 1976). Podstatných změn bylo dosaženo v letectví (první let řiditelné vzducholodi Zeppelin v r. 1900, první let motorového letadla v r. 1901 G. Whitehead), kde se začínají používat moderní pohonné jednotky raketové, tryskové a turbovrtulové. Převratné úspěchy byly dosaženy při realizaci kosmických letů (raketa V2 dosáhla vesmíru - výšky 90 km - v r. 1942, první umělá družice SPUTNIK obletěla Zemi v r. 1957, v r. 1961 vzlétl do vesmíru první člověk - kosmonaut J. A. Gagarin, v r. 1969 vstoupili první lidé, astronauti N. Armstrong a E. Aldrin na povrch Měsíce). Byl zahájen systematický výzkum vesmíru.
1.3.5 Současnost a perspektivy techniky Technika obklopuje současného člověka téměř ve všech oblastech jeho života a stala se nepostradatelnou při výzkumu přírody, světa a vesmíru, v informatice, ve sdělovací technice a telekomunikacích, v průmyslové výrobě, vojenství, energetice, obchodu, v kultuře, zdravotnictví, zemědělství, dopravě, stavebnictví, bydlení a domácnosti, v oblasti zábavy ap. Vývoj techniky je spojen i s řadou neúspěchů, jejichž dopad přináší mnohá rizika (např. v roce 1986 havaroval raketoplán Challenger a následně došlo k havárii jaderného reaktoru elektrárny v Černobylu). Vývoj techniky se stále více zaměřuje na oblast životního prostředí, protože dopravou, průmyslem, elektrárnami, obytnými oblastmi i technizací a chemizací zemědělství dochází k destruktivnímu zatěžování životního prostředí. Do budoucna bude nutno celosvětově zajistit vzrůstající spotřebu energie. Pravděpodobně nejdůležitější a nejvýznamnější kroky vědeckotechnického rozvoje se budou v blízké budoucnosti odehrávat v oblasti recyklačních technologií a v oblasti biotechniky a biotechnologií.
20
2.
ZÁKLADNÍ TEORETICKÝ APARÁT K ŘEŠENÍ TECHNICKÝCH PROBLÉMŮ
Technické vědní obory se zabývají řešením široké škály různých problémů. Jejich úspěšné zvládnutí je podmíněno kvalitními znalostmi z matematiky a fysiky: obě vědní discipliny zná student techniky již od útlého dětství. S prvními matematickými a fyzikálními operacemi a zákonitostmi se každý člověk začíná seznamovat již na základní škole, středoškolské studium by mělo znalosti z matematiky a fyziky významně rozšířit a prohloubit, na vysoké škole technického zaměření jsou potom matematika a fysika zastoupeny velkým podílem ve studijních programech dvou prvních ročníků. Velký důraz na studium matematiky a fyziky na technických školách je dán skutečností, že řešení prakticky jakéhokoliv technického problému se neobejde bez výpočtů, přičemž výpočty nejčastěji vyjadřují buď v obecných vztazích, nebo v konkrétních numerických hodnotách souvislosti různých fyzikálních veličin (času, geometrických rozměrů, pohybových vazeb či silových nebo energetických poměrů). Výpočtová řešení se většinou vedou s využitím aparátu vyšší matematiky, základním předpokladem jsou však spolehlivé znalosti základních matematických operací (algebra, trigonometrie, analytická geometrie, řešení soustavy rovnic) a mezi nezbytné znalosti potom patří postupy vyšší matematiky (matematická analýza, diferenciální a integrální kalkulace, řešení diferenciálních rovnic, statistická analýza, teorie pravděpodobnosti a j.). Zvláštní skupinu potom tvoří numerické matematické metody: jejich význam je zejména ve spojení se složitými a technicky náročnými výpočty pomocí moderní výpočetní techniky. Stejný význam jako matematika má pro technické vědy fyzika. Jestliže matematika svými logickými postupy a zákonitostmi je prostředkem, umožňujícím popsat a řešit určitý problém, formulace technického problému pro jeho následný matematický popis musí vycházet ze správné fyzikální představy problému: jinak řečeno, pro řešení technického problému se zpravidla musí nejprve vytvořit představa fyzikální skutečnosti, která (často s určitým přijatelným zjednodušením) vysvětluje souvislosti jednotlivých fyzikálních veličin - tyto souvislosti jsou potom vyjádřeny příslušnými matematickými vztahy. Velmi důležitým krokem matematického popisu fyzikálního modelu (a z hlediska správnosti řešení krokem podstatným) je rozměrová kontrola (rozměrová analýza): touto kontrolou se prověří formální správnost sestavených rovnic z hlediska souladu rozměrových jednotek fyzikálních veličin na vstupní a výstupní (levé a pravé) straně rovnice. Pro rozměrovou kontrolu je tedy nezbytné spolehlivě znát rozměrové jednotky jak základních, tak odvozených fyzikálních veličin a umět s nimi správně zacházet. K požadovaným vědomostem technických pracovníků patří vedle matematiky a fyziky i chemie: znalosti chemických zákonitostí se uplatňují zejména při řešení některých zdánlivě speciálních úloh (např. v nauce o materiálech, v řešení problémů spalování a pod.) - uvážíme-li však, že problematika technických materiálů a různých energetických záležitostí se vyskytuje prakticky ve všech technických odvětvích, je zřejmé, že znalosti z chemie musí být rovněž ve vědomostním fondu absolventa vysoké školy technického zaměření.
21
Ke znalostem každého technicky vzdělaného pracovníka patří i kvalitní a srozumitelný projev: verbální, písemný a především grafický. Vyjadřování technických řešení pomocí rukou vytvořených skic a nákresů má i v době počítačové grafiky nezastupitelné místo ve výchově a vzdělávání technické inteligence. Na strojní fakultě nemůže být výuka vedena bez požadavku na dobrou úroveň grafického projevu studentů ve všech formách práce se studenty: záznamy z přednášek, práce na seminářích a cvičeních, při zkouškách. Hlavním výstupem z řešení různých technických úloh jsou výsledky v numerické a grafické formě. Následující příklady ukazují několik jednoduchých technických problémů s výsledky řešení. Každý student 1. ročníku na strojní fakultě by měl umět vysvětlit přístup k vytvoření fyzikálního modelu uvedených problémů (řešení všech těchto technických problémů vychází ze základních znalostí fyziky), obecně popsat matematickými vztahy jednotlivé souvislosti a numericky správně zadanou úlohu vyřešit. 1. Určete velikost točivého momentu Mt na klice pístového spalovacího motoru (pro zakreslenou polohu kliky): v dané poloze kliky je ve válci motoru s vrtáním D = 85 mm tlak spalin p = 7 MPa. Vyznačte srozumitelně grafický model řešení, odvoďte rovnici, vyjadřující velikost točivého momentu na klice (poloměr kliky R = 45 mm) a numericky vypočítejte velikost tohoto točivého momentu. Výsledky: síla na píst Fp=39,72 kN, síla na ojnici Fo=41,12 kN, točivý moment Mt=1 850 Nm
∅D
Tlak p
15o 90o
R
2. Popište pohyb hmotného bodu, vrženého ze země šikmo vzhůru pod rychlostí úhlem α = 450 konstantní v = 150 km/h. Při pohybu působí na y hmotný bod (pohybující se konstantní rychlostí v) tíhové zrychlení g. Vyznačte obecně (schematicky zakreslete) v = konst trajektorii tohoto hmotného bodu, uveďte rovnice, vyjadřující v obecné podobě α • odděleně vodorovnou a svislou složku x rychlosti a numericky určete nejvyšší dosaženou výšku yMAX, dobu letu t do návratu na zem a ulétnutou vzdálenost xMAX (vzdálenost dopadu hmotného bodu na zem od místa vrhu). Výsledky:
v x = v ⋅ cos α , x MAX = 176,77m
v y = v ⋅ sin α − g ⋅ t ,
22
y MAX = 44,2m ,
t letu = 6s ,
3. Určete síly v táhlech závěsu podle obrázku, jestliže ve spojnici táhel působí síla F = 10 1 kN. Obě táhla závěsu jsou vyrobena ze E1, S1 stejného materiálu (ocel s modulem pružnosti 30o E = 2,1∗105 MPa) a obě táhla mají stejný příčný průřez S = 2 cm2 , prodloužení táhel 30o závěsu při zatížení silou F jsou v oblasti E2, S2 pružných deformací. Vyznačte graficky rozklad 2 sil ve spojnici táhel a matematicky vyjádřete L velikost silového zatížení jednotlivých táhel. Určete numericky velikosti sil a napětí v jednotlivých táhlech.
E1=E2=E S1=S2=S
F
Výsledky: F1= F2 =5,773 kN, σ1 =σ2 = 28,86 MPa
4. Určete síly v táhlech závěsu podle obrázku, jestliže ve spojnici táhel působí síla F = 10 kN. Obě táhla závěsu jsou vyrobena ze stejného materiálu (ocel s modulem pružnosti E = 2,1∗105 MPa) a obě táhla mají stejný příčný průřez S = 2 cm2 , prodloužení táhel závěsu při zatížení silou F jsou v oblasti pružných deformací. Vyznačte graficky rozklad sil ve spojnici táhel a matematicky vyjádřete velikost silového zatížení jednotlivých táhel. Určete numericky velikosti sil a napětí v jednotlivých táhlech.
1
45o
Výsledky: F1=5,176 kN, F2=7,32 kN, σ1=25,88 MPa,
23
S1=S2=S
F
45o E2, S2 2 L
Výsledky: F1= F2 =7,071 kN, σ1 =σ2 = 35,35 MPa
5. Určete síly v táhlech závěsu podle obrázku, jestliže ve spojnici táhel působí síla F = 10 kN. Obě táhla závěsu jsou vyrobena ze stejného materiálu (ocel s modulem pružnosti E = 2,1∗105 MPa) a obě táhla mají stejný příčný průřez S = 2 cm2 , prodloužení táhel závěsu při zatížení silou F jsou v oblasti pružných deformací. Vyznačte graficky rozklad sil ve spojnici táhel a matematicky vyjádřete velikost silového zatížení jednotlivých táhel. Určete numericky velikosti sil a napětí v jednotlivých táhlech.
E1=E2=E E1, S1
1
E1=E2=E E1, S1 45o o
30
E2, S2 2 L
σ2=36,6 MPa
S1=S2=S
F
6. Pro zakreslený časový průběh rychlosti charakteristického bodu (např. těžiště) vyšetřovaného tělesa zakreslete v odpovídající časový průběh zrychlení a v tomtéž charakteristickém bodě. Zapište matematický vztah, vyjadřující obecnou souvislost rychlosti a zrychlení v libovolném čase t. Výsledek:
Vyznačte průběh zrychlení a, odpovídající zakreslenému průběhu rychlosti v
v
0
v a
t
a 0
t
7. Pro zakreslený časový průběh zrychlení charakteristického bodu (např. těžiště) vyšetřovaného tělesa zakreslete odpovídající v časový průběh rychlosti v tomtéž a charakteristickém bodě. Zapište matematický vztah, vyjadřující obecnou souvislost rychlosti a zrychlení v libovolném čase t. Výsledek:
v a
Vyznačte průběh rychlosti v, odpovídající zakreslenému průběhu zrychlení a
a
0
t
v 0
t
8. Vyjádřete velikost práce, kterou vykoná píst čerpadla (průměr pístu D = 50 mm, zdvih Z = 150 mm) během jedné otáčky klikového hřídele při vytlačování kapaliny z prostředí o tlaku p1 = 100 kPa do prostředí o tlaku p2 = 0,8 MPa. Jaký výkon je potřeba k pohonu tohoto pístového čerpadla, jestliže počet otáček klikového hřídele čerpadla je nč = 120 1/min ?
p2=0,8 MPa
Z
n=120 [1/min]
∅D
p1=100 kPa Výsledky: práce pístu Wp = - 206,16 [J] (záporné znaménko = vynaložená práce), výkon potřebný k pohonu čerpadla (tj. příkon) Pč = 0,412 [kW] . 9. V kotli se spálí každou sekundu 10 kg uhlí o výhřevnosti 25 MJ. kg-1. Jaký tepelný (energetický) výkon tím uvolníme (v ideálním případě) ? Výsledek: tepelný výkon Pt = 25[MJ.kg-1] . 10 [kg.s-1] = 250 [MJ.s-1] = 250 MW . 24
10. V elektrickým přímotopném tělese spotřebujeme za den 10 kWh elektrické práce. Kolik tepelné energie [MJ] tím získáme (v ideálním případě) ? Výsledek: tepelná energie Wt = 10 [kWh] = 10.3600.103 [J] = 36 MJ. K vyřešení předcházejících úloh postačí znalosti středoškolské matematiky a fyziky. Ve strojírenství se ale vyskytuje řada problémů, k jejichž řešení jsou potřeba znalosti vyšší matematiky, hlubší znalosti fysiky a především schopnost správně problém analyzovat a popsat (fyzikálně, matematicky i technicky). Všechny tyto potřebné znalosti si musí studenti strojní fakulty osvojit při výuce základních teoretických předmětů: matematika a fyzika prochází trvale touto výukou. Několik jednoduchých technických příkladů ukazuje důležitost kvalitních vědomostí ze střední školy a nutnost rozšiřování těchto vědomostí systematickým studiem matematiky, fyziky a dalších předmětů teoretického základu strojírenství na strojní fakultě pro řešení technických úloh z různých oblastí. 11. Závěs vytvořený soustavou 3 prutů (se symetrickým rozložením krajních prutů kolem prostředního svislého prutu), je zatížen osamělou svislou silou F. Jakou silou bude zatížen prostřední svislý prut? •≡ Jednotlivé pruty závěsu jsou vyrobeny ze stejného materiálu (oceli): modul pružnosti materiálu E a příčný průřez prutu S mají u všech prutů stejnou velikost. Deformace závěsu při zatížení silou F jsou v oblasti pružných deformací.
2
2
L1
L2
L2
α
α
F1
2´ F2
∆≡ L
B modul pružnosti E1 = E2 = E
2´
2
∆≡L 1
A F2
průřez S 1 = S2 = S F
Řešení:
•≡ Po zatížení závěsu silou F se posune závěsný bod A do polohy B, posunutí je vzhledem k pružným deformacím velmi malé. •≡ Podmínka statické rovnováhy, sestavená pro silové poměry v bodě B, je vyjádřena jedinou rovnicí F1 + 2 ⋅ F2 ⋅ cos α = F . Tato jedna rovnice nevede k jednoduchému a přímému řešení pomocí statiky, neboť úloha je staticky neurčitá: proto je nutno definovat další podmínky.
25
•≡ Rovnici statické rovnováhy doplňuje rovnice deformační, sestavená pomocí popisu situace po posunutí závěsu z původní polohy A do nové pozice B při zatížení (viz schéma geometrických poměrů v místě závěsu po deformaci ve zvýrazněném znázornění): velmi malé deformace při posunu A → B opravňují předpokládat zachování původního úhlu α mezi pruty. Potom platí ∆L2 = ∆L1 ⋅ cos α . •≡ Deformace (prodloužení) jednotlivých prutů v pružné oblasti vyjadřuje Hookův zákon (ε je poměrná deformace - prodloužení, σ je napětí v materiálu): ∆L σ F ∆L F2 σ ε1 = 1 = 1 = 1 ε2 = 2 = 2 = L1 E1 E1 ⋅ S1 L2 E2 E2 ⋅ S 2 Po úpravě dostaneme ∆L ∆L F1 = 1 ⋅ E1 ⋅ S1 F2 = 2 ⋅ E2 ⋅ S 2 L1 L2 Pomocí rovnice deformační podmínky ∆L2 = ∆L1 ⋅ cos α a geometrie závěsu L L2 = 1 cosα upravíme ∆L1 ⋅ cos α F2 = ⋅ E 2 ⋅ S2 L1 cos α Vzhledem k tomu, že E1 = E2 a S1 = S2, lze rovnici pro F2 dále upravit F2 = F1 ⋅ cos 2 α Po dosazení do rovnice statické rovnováhy dostaneme F1 + 2F1 ⋅ cos 2 α ⋅ cos α = F Z rovnice vyplývá síla ve středním prutu
F1 =
F (1 + 2 cos3 α )
12. Vačkový mechanizmus vstřikovacího čerpadla zajišťuje pohyb pístku při výtlačném zdvihu. Zdvihová závislost hp pohybu pístku na úhlu natočení αv vačkového hřídele je určena geometrií boku vačky a vačkového mechanizmu: určí se výpočtem a lze ji snadno zkontrolovat přímým měřením. Vedle zdvihové závislosti jsou pro činnost vstřikovacího čerpadla velmi důležité průběhy rychlosti a zrychlení pístku (kinematické a dynamické veličiny, ovlivňující funkci čerpadla) - určete podle známého průběhu zdvihu pístku průběhy rychlosti a zrychlení pístku při otáčkách vačkového hřídele n = 1000 1/min.
26
ap vp hp
αv ω
Řešení: Průběhy rychlosti vp a zrychlení ap lze určit výpočtem pro příslušný provozní stav (otáčky) vačkového mechanizmu podle průběhu zdvihu hp. Mezi průběhy jednotlivých pohybových veličin pístku platí jednoznačné závislosti. Pro případ konstantní úhlové rychlosti ω vačkového hřídele (tj. pro rovnoměrné otáčení vačkového hřídele v daném otáčkovém režimu) platí v diferenciálním vyjádření, že rychlost pístku vp je první derivací dh zdvihu podle času: v p = p = h⋅p , dτ dhp je přírůstek zdvihu za nekonečně malý přírůstek času dτ.
ap hp [mm ] [ms -2 ] 12 1200
vp [ms -1 ] 2,4
n = 1000 1/min
2,0
10
1000
8
800
6
600
4
400
0,8
2
200
0,4
0
0
vp hp
1,2
ap
0
10
20
30
-200
40
50 αv
60
0
-400 -600
Pozn.: v grafu jsou sledované průběhy zakresleny v závislosti na úhlu pootočení vačkového hřídele αv - při rovnoměrném otáčení
-800
vačkového hřídele úhlovou rychlostí ω platí dα = ω ⋅ dτ , tj. dτ = rychlost pístku určena jako
vp =
1,6
dhp dα
dα . Potom je ω
⋅ω .
Z matematického hlediska je první derivace určena hodnotou tangenty vyšetřovaného průběhu v daném okamžiku a z tohoto pohledu je potřeba kontrolovat vzájemný vztah průběhu zdvihové závislosti a průběhu rychlosti. Zrychlení pístku lze v diferenciálním vyjádřením zapsat jako první derivaci rychlosti podle času nebo jako druhou derivaci zdvihu podle času: dv d 2hp ap = p = = v⋅p = h⋅p⋅ . 2 dτ dτ V daném okamžiku (v dané poloze vačkového hřídele) je zrychlení pístku určeno hodnotou tangenty na průběhu rychlosti pístku ve vyšetřovaném místě: průběhy rychlosti a zrychlení musí být vždy v tomto vzájemném vztahu (samozřejmě za předpokladu konstantní úhlové rychlosti ω vačkového hřídele). V připojeném grafu jsou zakresleny vypočítané průběhy rychlosti a zrychlení pístku vstřikovacího čerpadla (pro zakreslený průběh zdvihu pístku) při otáčkách vačkového hřídele n = 1000 1/min. Diferenciální počet představuje jednu z významných součástí vyšší matematiky pro studium technických vědních oborů: bez tohoto aparátu nelze složitější úlohy ve strojírenství vůbec řešit.
27
13. Jednoválcový pístový kompresor stlačuje vzduch z tlaku p1 na tlak p2, geometrické rozměry válcové jednotky ukazuje schématický nákres: V1 je celkový objem ve válci (dolní úvrať) při naplnění válce tlakem p1, V2 je objem ve válci při dosažení výtlačného tlaku p2 a objem V3 je celkový objem ve válci na konci výtlaku (horní úvrať - škodlivý prostor). Určete práci, potřebnou na stlačení a výtlak vzduchu: při stlačování uvažujte se 3 2 střední hodnotou polytropického exponentu n p p2 v celém průběhu stlačování. dV
V3 V2 2
p2
1
p1
p
p1 V
Řešení:
1
•ι Celková práce W = WSTLAČ + WVYTL •ι Práce na stlačení při tlaku p během elementárního posunu pístu o dx se určí výpočtem pomocí diferenciálního vyjádření elementu práce v libovolné poloze pístu při stačování dWSTLAČ = p ⋅ S p ⋅ dx = p ⋅ dV (Sp je plocha pístu)
V1
•ι Práce na stlačení z tlaku p1 na tlak p2 se určí jako součet elementárních prací vykonaných při změně objemu z V1 na objem V2. Matematicky je tento součet proveden integrací funkce, vyjadřující elementární stlačovací práci: V2
V2
V1
V1
WSTLAČ = ò dWSTLAČ =
ò p ⋅ dV
•ι Vzhledem k tomu, že tlak p ve válci se při stlačování mění v závislosti na objemu V, je nutno tuto závislost zapsat do integrované funkce. Průběh stlačování vzduchu ve válci je polytropickým dějem, popsaným rovnicí (fyzika, termodynamika) p ⋅V n = konst = p1 ⋅ V1n Þ p = p1 ⋅ V1n ⋅ V − n . Po dosazení do integrálu dostaneme
WSTLAČ =
V2
ò p ⋅V 1
V1
n 1
V2
⋅V dV = p1 ⋅ V ⋅ ò V −n ⋅ dV . −n
n 1
V1
Člen p1 ⋅ V1n je konstanta a byl tedy zapsán před integrační znaménko. Integrace funkce je provedena podle pravidel integrálního počtu. V2
WSTLAČ = p1 ⋅V ⋅ ò V n 1
V1
V2
−n
éV (− n+1) ù p1 ⋅V1n 1−n = V2 − V11−n ⋅ dV = p1 ⋅V ê ú 1− n ë − n + 1ûV1 n 1
[
]
.
Pozn: WSTLAČ vyjde v záporné velikosti a je tedy prací, která byla vynaložena, tj. spotřebována na stlačení. •ι Elementární práci na vytlačování vzduchu z válce při stálém tlaku p2 určuje diferenciální rovnice dWVYTL = p2 ⋅ dV .
28
•ι Práce na vytlačení stlačeného vzduchu z válce (z objemu V2 do zbytkového objemu V3) se určí integrací předcházející diferenciální rovnice (při konstantním tlaku p2 = p3): WVYTL = Pozn:
V3
V3
V2
V2
ò p2 ⋅ dV = p2 ò dV = p2 [V ]V32 = p2 [V3 − V2 ] V
WVYTL má rovněž zápornou velikost (je to opět práce vynaložená).
•ι Celková práce na stlačení a výtlak má potom velikost
W = WSTLAČ + WVYTL
[
]
p1 ⋅ V1n 1−n V2 − V11−n + p2 [V3 − V2 ] = 1− n
Rozšíření matematického aparátu o diferenciální a integrální počet studiem matematiky na strojní fakultě umožňuje řešit i složité technické úlohy. Vyšší matematika se všemi součástmi, které mají význam pro strojírenskou praxi, patří proto dlouhodobě a neodmyslitelně do výzbroje technického vzdělání. Z tohoto důvodu je výuka matematiky v prvních 2 ročnících na strojní fakultě zařazena do 4 samostatných předmětů v bakalářském studijním programu a do 5 samostatných předmětů v magisterském studijním programu. Nový rozměr matematiky pro strojírenství přinesla výpočetní technika zejména numerické metody pro řešení různých typů diferenciálních rovnic zvyšují možnosti a potenciál matematiky pro využití v technických oborech. Výuka předmětu Počítače a programování v 1. semestru studia na strojní fakultě, která ukazuje moderní přístup k výpočtovému a grafickému zpracování různých technických úloh, proto rovněž vyžaduje kvalitní znalosti matematiky pro efektivní a správné využívání výpočetní techniky. Výuku matematiky a fyziky na strojní fakultě TU v Liberci zajišťují katedry matematiky a fyziky z pedagogické fakulty TU v Liberci. Výuka technických předmětů teoretického základu pro strojírenství je potom na katedrách fakulty strojní: katedře mechaniky, pružnosti a pevnosti, katedře energetických zařízení, katedře aplikované kybernetiky a katedře částí a mechanizmů strojů. Absolventi strojní fakulty se musí vedle teoretických řešení různých konstrukčních, technologických či provozních problémů velmi často zabývat experimentálním ověřováním podmínek, zadávaných jako vstupní údaje do těchto řešení a musí být připraveni provádět měření, kterým se kontroluje soulad mezi teoretickým řešením a skutečným výsledkem (tzv. verifikace nebo kalibrace výpočtového modelu). Vedle zjišťování rozměrových a geometrických údajů musí technik dokázat správně změřit a vyhodnotit další fyzikální veličiny jako rychlost, frekvenci, teplotu, tlak, průtočná množství a pod.: měření přitom mohou být jak ve statickém, tak v dynamicky proměnlivém režimu. Osvojení správných postupů při těchto měřeních poskytují studentům strojní fakulty předmět Fyzika, předměty teoretického základu pro strojírenství a další speciální předměty jako Technická měření, Elektronika a měření, Experimentální metody, Technická diagnostika a příp. i jednotlivé experimentální úlohy v dalších předmětech jednotlivých studijních oborů a zaměření. 29
Vedle odborných teoretických a praktických znalostí pro technickou práci ve strojírenství je potřeba i dobrá jazyková vybavenost a to jak pro studium zahraniční technické literatury, tak (a to zejména) k přímým kontaktům se zahraničními partnery. Tento požadavek je studenty stále podceňován, nastupující nová generace se ale v dnešním konkurenčním prostředí bez aktivní znalosti 2 cizích jazyků prakticky nemůže významněji prosadit. Studenti by proto měli využívat všech současných nabídek (např. střednědobé studijní pobyty v zahraničních technických školách a institucích, zahraniční praxe a pod.), aby získali potřebnou jazykovou kvalifikaci.
30
3.
MATERIÁLY VE STROJÍRENSTVÍ
Materiály vždy zaujímaly významné postavení ve vývoji lidské společnosti. Vývojové etapy lidstva nesou názvy podle hlavního v té době používaného materiálu. Známe dobu kamennou, dobu bronzovou a dobu železnou, vrcholící v 19. a 20. století. Pro název současné etapy se nabízí z tohoto pohledu tři varianty : doba křemíková, doba multimateriálová, nebo doba materiálů ″šitých na míru″. Rozvoj technických věd a výroby je často limitován materiálem a technologiemi jeho zpracování, které mají konstruktéři v jednotlivých oborech k dispozici. Zatímco ještě v polovině tohoto století byla tvorba nových materiálů především záležitostí metalurgů, dnes se na ní podílejí fyzici, chemici, strojaři, elektronici i další specialisté. Materiály vyvíjené původně nejen pro vojenskou techniku a kosmický výzkum, ale i pro sport, dnes pronikají do běžné technické praxe. V současnosti se hovoří o ″zlatém věku materiálů″ a je zdůrazňováno, že právě materiály jsou klíčem k inovacím příštího tisíciletí. V současné době mají inženýři k dispozici 40 000 až 80 000 různých materiálů. Přesto, že je snaha standardizací toto množství snížit, kontinuální vývoj nových materiálů s požadovanými vlastnostmi toto spektrum dále rozšiřuje. To samozřejmě ztěžuje výběr nejvhodnějšího materiálu. Ten je třeba vždy provádět ve vazbě na užitné vlastnosti výrobku, dostupné výrobní a zpracovatelské technologie, cenu výrobku a v neposlední řadě i jeho vliv na životní prostředí. Nynější světová spotřeba vybraných materiálů z hlediska objemu v mil. tun je zachycena v tab. 3.I.
Tab. 3.I. Roční světová spotřeba hlavních materiálů (1995) Materiál Beton Ocel Plasty Hliník Mangan Měď Zinek Olovo Chrom Kompozity s polymerní matricí Dřevo Nikl Hořčík Titan
Roční spotřeba v mil. tun 950 730 100 18 11 9 7 5 3 2 2 1 0.3 0.1
31
V současné době je možno inženýrské konstrukční materiály rozdělit podle obr. 3.1 do čtyř skupin, v každé skupině jsou vždy materiály s podobnými vlastnostmi, podobnými výrobními a zpracovatelskými technologiemi a často i obdobnými aplikacemi.
KOVY
KOMPOZITY
KERAMIKA A SKLA
PLASTY
Obr. 3.1.: Základní rozdělení technických materiálů Pro kovové materiály jsou charakteristické vysoké moduly pružnosti, možnost zpevnění legováním a tepelným zpracováním. Kovy jsou houževnaté a dobře tvařitelné, mají dobrou tepelnou a elektrickou vodivost. Mají menší odolnost proti korozi. Svými vlastnostmi leží mezi keramikou a skly na straně jedné a polymery a elastomery na straně druhé. Keramické a skleněné materiály mají rovněž vysoké moduly pružnosti, jsou však velmi křehké, což komplikuje jejich konstrukční použití. Vyznačují se však vysokou tuhostí, tvrdostí, odolností proti opotřebení a lze je využít i při vysokých teplotách, mají výbornou korozní odolnost. To je činí atraktivním konstrukčním materiálem. Plasty mají naopak nízké moduly pružnosti. Jsou poměrně pevné a lehké. Jejich vlastnosti však silně závisí na teplotě. Velmi dobře se tvarují, jsou odolné proti korozi a mají nízký koeficient tření. Kompozitní materiály spojují vlastnosti materiálů, které je tvoří. Získáme tak sice drahé materiály, ale materiály s vynikajícími užitnými vlastnostmi. Podrobnější rozdělení materiálu do podskupin je možno provést podle řady dalších kriterií, např. podle chemického složení, podle vlastností, podle tvaru, podle zpracování, podle průmyslových odvětví a též podle cenových relací.
32
3.1
Kovy
•ι
Oceli
Ocel je slitina železa s uhlíkem ( do 2,11 %) a doprovodnými prvky (Mn, Si, P, S, Cu), které se dostaly do oceli při výrobě. Kromě doprovodných prvků obsahují některé oceli úmyslně přidané prvky, jako Cr, W, Mo, V, Ni aj. Pro své mechanické a technologické vlastnosti je ocel dodnes nejdůležitějším technickým materiálem. Rozdělení ocelí lze provést podle nejrůznějších způsobů: podle výroby, použití a chemického složení. Rozdělení ocelí ukazuje schéma:
oceli k tváření
konstrukční x obvyklých jakostí x ušlechtilé - uhlíkové - slitinové - vysoce legované
na odlitky
nástrojové x uhlíkové x slitinové x rychlořezné
konstrukční x uhlíkové x slitinové
nástrojové
Oceli k tváření se podle použití dělí na konstrukční a nástrojové, podle chemického složení se dělí na uhlíkové a slitinové. Oceli uhlíkové - jejich vlastnosti jsou dány především obsahem uhlíku. Dělíme je na nízkouhlíkové do 0,25 % C, středněuhlíkové od 0,25 do 0,6 % C, vysokouhlíkové nad 0,6 % C. Oceli slitinové (legované) se dělí na nízkolegované se součtem prvků mimo uhlíku nad 2,5 %, středně legované od 2,5 do 5 % výše legované 5 až 10 % vysoce legované se součtem legujících prvků nad 10 %. Vlastnosti těchto ocelí jsou dány druhem a množstvím legujících prvků (přísad). •ι Litiny Jsou slitiny železa s uhlíkem, jehož obsah je větší než 2 % a dalších prvků Si, Mn, P, S. U litin se výrazně projevuje existence metastabilní a stabilní rovnováhy. Podle chemického složení a podle podmínek tuhnutí taveniny slitiny železa s uhlíkem a dalšími prvky vzniká eutektikum, buď cementitické (ledeburit), které je podstatou bílé litiny nebo grafitické, které je základem šedé litiny. V podstatě se litiny dělí na litiny - šedé (grafitické) - bílé (ledeburitické). Přechod mezi těmito druhy litin tvoří litina přechodová, (maková), která obsahuje vedle grafitu i cementit.
33
•ι Neželezné kovy a jejich slitiny Dělení neželezných kovů může vycházet z různých kriterií, nejběžnější je členění podle teploty tání, což je významné nejen z hlediska technologického, ale i jako přibližné měřítko pro srovnání jejich vlastností pevnostních - čím vyšší teplota tání, tím vyšší pevnost výchozího stavu. Velmi důležitá je čistota kovů, u většiny je běžně 99,5 až 99,8 %, u některých kovů lze v případě potřeby připravit kovy o čistotě až 99,999995 %, ovšem za vysoké ceny. Stejně jako vlastnosti neželezných kovů jsou i jejich ceny značně rozdílné a to podle jejich výskytu v přírodě, obtížnosti jejich výroby a energetických nároků. Hliník a slitiny hliníku patří mezi nejvýznamnější neželezné kovy. Čistý hliník vyniká velmi dobrou elektrickou vodivostí, dobrou korozní odolností a nízkou měrnou hmotností. Velmi dobrá zpracovatelnost na plechy, pasy a folie se využívá v obalové technice a na dráty v elektrotechnice. Z hliníkových slitin lze vyrábět lisované profily od jednoduchých až po komplikované průřezy pro použití ve stavebnictví i strojírenství a ze slitin vysoké pevnosti pro letectví. Mezi typické vlastnosti hliníku a některých jeho slitin patří i schopnost zušlechťování povrchů anodickou oxidací i nanášením vypalovaných laků. To se využívá především ve stavebnictví, a to u slitin s malým obsahem legujících prvků, umožňujících výrobu i složitých profilů Slitiny hliníku lze rozdělit do dvou nestejných skupin podle podstaty zpevňování - legováním a tvářením nebo vytvrzováním; uvnitř těchto skupin se slitiny dělí podle druhů legujících prvků a jejich obsahů. V první skupině jsou důležité zejména slitiny s hořčíkem (typická je slitina Al Mg4,5 Mn), v druhé je nejznámější klasická slitina AlCu4Mg1. Slitiny vytvrzované mají podstatně vyšší pevnost, nevýhodou je omezená teplota dlouhodobého použití do 100 max. 120 °C, případně do 200 °C u slitin disperzně zpevňovaných. Měď a slitiny mědi patří k nejrozšířenějším neželezným kovům. Čistá měď má vysokou elektrickou i tepelnou vodivost a schopnost velmi dobrého zpracování na všechny druhy polotovarů od největších do nejmenších rozměrů a tlouštěk. Její použití je nezastupitelné v elektrotechnice, tepelné technice, ale i v chemii a vybraných oborech strojírenství. Slitiny mědi se dělí na mosazi (slitiny se zinkem) a bronzy (slitiny s ostatními kovy mimo zinku). Olovo je typické svou velkou měrnou hmotností (s níž souvisí i velká schopnost pohlcování záření) a odolností proti působení kyselin, především kyseliny sírové. Malá pevnost je výhodou při výrobě polotovarů, ale omezením při použití. Zinek vyniká odolností proti atmosférické korozi a slabším zásadám. Největší spotřeba je na pozinkování ocelových pechů a k výrobě slitin mědi (mosazí). Slitiny zinku jsou vhodné pro výrobu složitých tenkostěnných odlitků s dobrou pevností. Hořčík má nejmenší měrnou hmotnost z běžných kovů a jeho slitiny se s výhodou používají na odlitky tlakově lité, odolnost proti atmosférickým vlivům se dosahuje povrchovými úpravami. Nikl a slitiny niklu se vyznačují především velkou odolností proti korozi a dobrými mechanickými vlastnostmi i za vyšších teplot, velká část čistého niklu se spotřebuje do slitinových ocelí a na povrchové úpravy. Slitiny niklu lze rozdělit na dvě skupiny podle typických vlastností a použití: v první jsou slitiny se železem (a případně dalšími prvky), které mají významné fyzikální vlastnosti, především
34
magnetické nebo elektrické (velký odpor) a různou teplotní roztažnost. Ve druhé skupině jsou slitiny s chromem, tvořící základ slitin žárupevných. Titan a jeho slitiny jsou významným novým konstrukčním materiálem. Čistý titan má nízkou měrnou hmotnost (4500 kg.m-3), vynikající korozní odolnost, zejména proti chloru a chloridům a dobré mechanické vlastnosti. Zpracovatelnost za tepla i za studena je dobrá a umožňuje výrobu všech polotovarů běžných rozměrů. Mezi kovy s nejvyššími teplotami tavení patří molybden a wolfram s významným použitím v elektrotechnice i jako legující prvky při výrobě speciálních ocelí a slitin.
3.2
Plasty
Plastem se nazývá materiál, jehož základní složku tvoří polymer; kromě polymeru plasty obsahují přísady sloužící k úpravě jejich vlastností = plniva, barviva, stabilizátory, změkčovadla popř. nadouvadla Dělení plastů na : termoplasty reaktoplasty elastomery Historie 1492 - při Kolumbových výpravách si námořníci všimli, že indiáni používají mléko vytékající z kaučukovníku k impregnaci oděvů. V dalších stoletích následovala řada pokusů o převezení sazenic z Ameriky a výzkum přinesl, po vynálezu automobilu a pneumatik, největší rozvoj gumárenského průmyslu. •ι TERMOPLASTY - mají schopnost opakovaně ohřevem měknout a ochlazením tuhnout v teplotním intervalu charakteristickém pro daný plast. Příklady: polyethylen PE, polypropylen PP, Polyvinylchlorid PVC polystyren PS, polyethylentereftalát PET polyamid PA, polyuretany PUR •ι REAKTOPLASTY jsou materiály, které mohou být převedeny do netavitelného a nerozpustného stavu účinkem tepla, záření nebo katalyzátoru - při tomto pochodu se vytvářejí kovalentní příčné vazby mezi makromolekulami polymeru za vzniku struktury prostorové sítě - pro síťování reaktoplastů se v technické praxi používá pojem vytvrzování
35
Základní rozdělení reaktopastů: fenoplasty - novolaky - rezoly aminoplasty epoxidy polyestery silikonové pryskyřice Proti termoplastům jsou vysoce tuhé a tvrdé, tepelně odolné i stálé za tepla odolné vůči povětrnosti a korozi za napětí, nevýhodou je malá tažnost. Použití: lisovací hmoty, nátěrové hmoty, lepidla, tmely, vrstvené lamináty, zalévací hmoty •ι ELASTOMERY jsou polymery, které mají ve svém makromolekulárním řetězci reaktivní místa např. dvojné vazby, umožňující chemickou síťovací reakci = vulkanizaci. Rekcí vulkanizačního činidla za vhodných reakčních se vytváří prostorová síť, ve které jsou původně lineární makromolekulární řetězce kaučuku pospojovány chemickými vazbami, které nazýváme příčné. Vlastnosti pryže jsou určovány koncentrací příčných vazeb a chemickou strukturou při vulkanizaci se tvárný kaučuk mění na pryž, jejíž základní vlastností je schopnost velké elastické deformace při zatěžování v tahu. Charakteristické vlastnosti pryže: - odrazová pružnost - odolnost proti opotřebení a cyklickým deformacím - chemická odolnost - nepropustnost pro plyny a vodu - elektroizolační vlastnosti Podle oblastí použití lze dělit kaučuky na kaučuky: - pro všeobecné použití - speciální - olejovzdorné - teplovzdorné
3.3
Keramika
Keramika je anorganická nekovová látka s heterogenní polykrystalickou strukturou, připravená slinováním za zvýšených teplot. Základní materiál vypálených výrobků (střep) je tvořen krystaly jednoho nebo více druhů sloučenin, skelnou fází a póry. Tato mikrostruktura (obecně fázová struktura) má pro vlastnosti a chování keramiky rozhodující význam. Její důležitost lze srovnat s významem chemického složení střepu. Je natolik charakteristickým znakem, že z něho vychází zásadní dělení keramiky. Podle vzhledu střepu se keramika dělí na hrubou a jemnou. Dělítkem je možnost vizuálního rozlišování součástí střepu.
36
Rozdělení jemné keramiky podle průlinčitosti Podle průlinčitosti, vyjádřené nasákavostí, se dělí keramické hmoty na slinuté, s nasákavostí menší než 2%, na poloslinuté, s nasákavostí do 5%, a na pórovité (pórovina), s nasákavostí větší než 5%. Rozdělení podle chemického složení Rozdělení podle chemického složení není sice příliš užívané, vede však k dosti jednoznačnému roztřídění keramických materiálů. Podle tohoto rozdělení stojí na prvním místě několik skupin hmot na bázi křemičitanů, zejména na základě křemičitanů hliníku a hlinitanokřemičitanů alkalických kovů, které tvoří základ tzv. klasické keramiky. Keramika na základě křemičitanů hlinitých bez taviv (hmoty mullitové a silimanitové). Keramika na základě křemičitanů hlinitých s alkalickými tavivy. Sem patří nejrozsáhlejší skupina keramických hmot, jako jsou porcelán, poloporcelán, kamenina, pórovina, hrnčířské výrobky a další druhy keramiky od těchto hmot odvozené. Keramika na základě hlinitanokřemičitanů kovů alkalických zemin. Sem patří zejména tzv. bezalkalický porcelán a méně běžné keramické hmoty, jejichž převládající složkou jsou například celsián (Ba0.Al203.2Si02) nebo anorthit (Ca0.Al203.2Si02). Keramické hmoty na základě křemičitanů a hlinitanokřemičitanů hořčíku.Základní surovinou těchto keramických materiálů je mastek, popřípadě magnezit. Sem patří zejména tzv. steatity (základem je metakřemičitan hořečnatý Mg0.Si02) a hmoty na základě kordieritu (hlinitanokřemičitan hořečnatý 2 Mg0.Al203.5 Si02). Skupina keramických hmot na základě křemičitanů představuje keramiku vyráběnou z přírodních surovin. Všechny další materiály se připravují až na malé výjimky (zejména malé přídavky plastických surovin ke zlepšení zpracovatelnosti) ze surovin syntetizovaných chemicky. Keramika na základě sloučenin titanu. Jsou to kromě oxidu titaničitého hlavně titaničitany alkalických zemin (BaTi03, CaTi03, MgTi03 a jejich pevné roztoky s jinými sloučeninami.).Uplatňují se převážně jako keramická dielektrika. Dále sem patří pevné roztoky titaničitanů a zirkoničitanů olovnatých, které tvoří nejčastější základ piezokeramických hmot. Rozsáhlou skupinu keramických materiálů k použití v elektrotechnice a elektronice tvoří ferity. Jsou to sloučeniny, jejichž stálou složkou je oxid železitý v kombinaci s četnými jinými oxidy krystalujícími v několika význačných strukturách (spinelová, granátová apod.), s feromagnetickými vlastnostmi. Podobné složení mají některé další materiály, které se používají k výrobě prvků s teplotně silně závislým elektrickým odporem (termistory). Skupinu keramických materiálů s poměrně mladou historií představují hmoty tzv. oxidové (kysličníkové) keramiky. Jak je patrno z názvu, jde o keramiku se střepem z čistých jednoduchých kysličníků. V užším významu slova se do oxidové keramiky počítají hlavně vysoce žárovzdorné kysličníky (Al203,Ca0,Mg0,Be0,Th02 37
atd.). Zpravidla se do této skupiny nezahrnuje Ti02 - častěji se řadí k titaničitanům. Jde většinou o oxidové keramické hmoty slinuté bez přídavků taviv a dosahující vysoké chemické čistoty materiálu (99,9% základního oxidu ve střepu není výjimkou). Jsou to materiály používané pro zvlášť náročné technické účely (elektroniku, jadernou techniku, techniku vysokých teplot). Za nejmladší skupinu materiálů jemné keramiky lze považovat tzv. bezkyslíkatou keramiku. Jsou to keramické hmoty na základě karbidů, nitridů, boridů apod. Vyžadují někdy zvláštní způsob zpracování, odlišný od běžné keramické technologie. Často však dosahují zcela mimořádných technických parametrů (vysoké pevnosti v žáru, odolnosti proti teplotním nárazům, vysoké tepelné vodivosti apod.).
3.4
Kompozitní materiály
Složené materiály – tzv. kompozity, jsou heterogenní materiály tvořené dvěma, popř. více fázemi, obvykle rozdílného chemického složení, které se liší také svými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi. Jedna z fází tvoří matrici kompozitu a je spojitou fází. Sekundární fáze zpevňující matrici kompozitu je obvykle nespojitá, tvořená částicemi různého typu a tvaru. Vhodným výběrem vzájemných kombinací matrice – zpevňující fáze a volbou jejich vzájemného objemového poměru, je možné dosáhnout vysoké úrovně užitných vlastností kompozitů. Matrice kompozitu má v porovnání se zpevňující fází nižší pevnostní vlastnosti a větší plasticitu. Často je požadována také nízká hustota materiálu matrice. Základní funkcí matrice je přenos vnějšího zatížení na zpevňující fázi. Matrice dále spojuje částice zpevňující fáze, chrání je před mechanickým, popř. chemickým poškozením. Matrice odděluje jednotlivé částice zpevňující fáze a brání rozvoji křehkého porušení kompozitu. Zpevňující fáze má vysokou pevnost a modul pružnosti E (asi o řád vyšší než modul pružnosti matrice) a malou deformaci do lomu (1 až 2 %) při vysokém podílu pružné deformace. Zpevňující fáze přenáší převážnou část vnějšího zatížení. Rozhraní mezi matricí a zpevňující fází má v kompozitech významnou úlohu. Za součást rozhraní se považuje vrstva těsně sousedící se stykovou plochou, která bývá místně deformovaná vlivem rozdílných teplotních roztažností a modulů pružnosti obou fází. Výhodné vlastnosti kompozitů jsou podmíněny dobrou soudržností obou fází a potlačením chemických reakcí na fázovém rozhraní matrice – částice, které by mohly vést ke vzniku intermetalických fází, tzn. Křehké mezivrstvy s možností výskytu defektů. Pro určitý typ zpevňující fáze je proto nutné použít jen určité druhy matrice, popř. vytvořit vhodnou ochrannou vrstvu na povrchu zpevňující fáze. Kompozity je možné členit podle různých hledisek. Např. podle druhu matrice se rozlišují kompozity s kovovou, polymerní nebo silikátovou (keramickou) matricí. Podle druhu zpevňující fáze to mohou být kompozity s kovovou, skleněnou, keramickou fází, popř. kompozity zpevněné vláknovými monokrystaly (whiskery). Podle tvaru zpevňující fáze jsou to kompozity s částicovými zpevňujícími fázemi (kulovitými, deskovitými, tyčkovitými) a s vláknovými (průběžnými nebo krátkými) zpevňujícími fázemi Významnou vlastností složených materiálů je především jejich vysoká měrná pevnost a u některých druhů také dobrá žárupevnost nebo odolnost proti korozi
38
apod. Kompozity různého druhu se uplatnily v leteckých konstrukcích, v raketové technice, v dopravě, v chemickém průmyslu, ve výrobě sportovních potřeb aj.
3.5
Kritéria volby vhodných materiálů pro praktické aplikace
Primárním požadavkem při volbě materiálu pro danou aplikaci je téměř vždy pevnost materiálu. Pro splnění tohoto požadavku má konstruktér k dispozici velkou paletu materiálu. Na příklad hodnota meze kluzu u kovů se pohybuje v rozmezí přibližně od 5 MPa (cín a jeho slitiny) až do 2000 MPa (vysokopevné oceli, slitiny Co), u polymerů je pevnost v tahu v rozmezí cca 8 až 200 MPa. Při výběru proto musí spolurozhodovat další kriteria a to především: Materiálové charakteristiky. K těm patří především houževnatost, odolnost proti opotřebení, působení teploty, únavové vlastnosti, odolnost proti korozi atd.. Zvažování těchto charakteristik je podmíněno typem exploatace daného dílce (zatěžování statické, dynamické, cyklické, působení nízké či zvýšené teploty, korozní prostředí atd.). Dobrým vodítkem pro jejich zvažování mohou být různé materiálové databáze. Technologie výroby. Kromě samozřejmé podmínky realizovatelnosti technologie pro daný výrobek by měly být při výběru materiálu uplatňovány zejména poznatky o vlivu technologie na složení, strukturu a mechanické vlastnosti. Přednost by měly dostávat - pokud to umožní další kriteria - bezodpadové technologie, např. prášková metalurgie, přesné lití, umožňující maximálně využít materiálu a potlačit na minimum obrábění, tedy technologii spojenou s nejvyššími náklady. Materiálové a výrobní náklady. Ekonomičnost volby je komplexní problém a zdaleka se netýká jen ceny zvoleného materiálu a technologie jeho zpracování. I když se lze v literatuře setkat s pokusy o kvantifikaci tohoto procesu (např. vzorci, na základě kterých lze rozhodnout, zda se vyplatí nahradit stávající materiál materiálem dražším), neexistuje obecný návod na jeho řešení. Uveďme alespoň dva příklady. Cena vysoce legovaného materiálu může být velmi významná při výrobě rozměrného, hmotného výrobku a zcela zanedbatelná u výrobku malého, u kterého se např. navíc projeví pozitivní aspekty volby (vyšší životnost, zejména jde-li o součásti, jejichž výměna je spojena s odstávkou výroby, prostoji pro seřízení stroje apod., snadné dosažení komplikovaného tvaru objemovým tvářením, odpadnutí tepelného zpracování apod.). Náhrada oceli slitinou hliníku nebo polymerním materiálem se na prvý pohled může jevit nepříliš cenově výhodná. Do výpočtu ekonomičnosti volby je nutné zahrnout ale i např. nižší náklady na dopravu, povrchovou úpravu, obrábění (mj. např. i z titulu použití bezodpadové technologie vstřikováním). Ekologičnost použití zvoleného materiálu. Opět se jedná o mnohostranný problém. Dopad zvoleného materiálu na životní prostředí (přímý nebo nepřímý) má mnoho aspektů a je obtížně kvantifikovatelný. Jiná kriteria. Dále je třeba zvážit sortiment polotovarů, omezení daného výrobního zařízení, věrohodnost vstupních dat tj. do jaké míry zkouška definuje vlastnosti materiálu, jak dobře vzorek simuluje poměry v reálné součásti, znalost zatížení a prostředí atd.
39
3.5.1 Nástroje pro volbu materiálu Při obrovském a stále rostoucím sortimentu materiálu má i ten nejzkušenější odborník problém zvolit správný materiál, při zvážení všech kriterií a optimálním využití vlastností materiálu. Naštěstí existují určité cesty k usnadnění toho problému. Prvá pomůcka vychází z mnohaletých zkušeností konstruktérů a materiálových odborníků v různých oblastech výrobních činností. Díky ní existují různé formy kategorizace konstrukčních materiálů, naznačující prioritní oblasti jejich použití. Tak např. jsou materiály členěny podle průmyslových odvětví, na materiály pro energetiku, pro chemický průmysl, elektroniku, letectví, medicínské účely atd., či podle vlastností (vysocepevné, otěruvzdorné, žáropevné, korozivzdorné atd.). Takto uspořádané je nalezneme v různých příručkách, knižních či počítačových databázích apod. Taková kategorizace ovšem skrývá i velké nebezpečí - jsou to v podstatě jakési klapky na očích, které mohou způsobit přehlédnutí materiálu pro daný účel vhodnějšího. Už zmíněné knižní a zejména počítačové databáze (materiálové databanky) jsou dalším z nástrojů pro volbu materiálu. Nejjednodušší, pasivní databáze jsou v podstatě poněkud pohodlnější formou „listování“ v příručce - umožňují získat údaje o vybraných materiálech (obvykle řazených podle určité kategorizace, např. některé z výše uvedených) a provádět převody z ČSN na normy zahraniční. Vyšší formou jsou databáze, které můžeme označit jako aktivní, dovolující provádět průnik vybraných parametrů, tj. hledat vhodný materiál na základě zadané množiny vlastností (např. vyhledat ocel o mezi kluzu 900 MPa, svařitelnou a odolnou proti působení vodního prostředí). Nejvyšší, bohužel zatím vzácnou formou jsou inteligentní databázové systémy, specializované na určitou problematiku (např. jadernou energetiku), obsahující obvykle několik typů databází (např. materiálovou databanku, výsledky zkoušek ocelí pro jaderné reaktory, korozní databázi apod.) a také expertní systém. Takový databázový systém dovolí, byť jen pro určitou specifickou oblast, optimální volbu materiálu při zvažování všech, nebo téměř všech, výše uvedených hledisek.
40
4.
STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE
Obor strojírenských technologií obsahuje širokou škálu různých výrobních procesů a postupů. Spolu se strojírenskými materiály a konstrukcí strojů a zařízení patří mezi základní pilíře strojírenství.
4.1
Slévárenství
Slévárenství je jedna z netřískových technologií, výrobní odvětví, kde se zhotovují výrobky – odlitky litím roztaveného kovu, resp. slitiny kovů do dutiny slévárenské formy. Po vyplnění slévárenské formy kovem a po jeho ztuhnutí získáváme odlitek. Ze širšího metalurgického pohledu rozlišujeme slévárenství hutní a strojní. Hutní slévárenství ( odlévání ) se provádí v tzv. ocelárnách (odlévá se ocel ). Hutní odlévání je základem výroby hutních polotovarů (Ostrava, Kladno ). To spočívá v odlévání taveniny požadovaných ocelí do tvarově jednoduchých kovových forem tzv. kokil , jejichž dutina má tvar např. negativu komolého jehlanu nebo kužele. Získané odlitky se nazývají ingoty a mají tvar např. komolého jehlanu, popř. komolého kužele s nepatrnou kuželovitostí, o délce 2 až 3 m o hmotnosti až 300 t ( podle velikosti ). Podle následného tvářecího procesu jsou ingoty buď pro válcovny nebo kovárny. Z ocelárny odchází horké ingoty v kokilách do stripovací haly, kde jsou kokily stahovány z ingotů speciálními jeřáby. Ingoty se pak dopravují do haly hlubinných pecí a předehřívají se na teploty 1200o C. Ingoty se za tepla válcují na několik průvalů. K válcování se používají válcovací tratě, jejichž součástí jsou válcovací stolice. Zde ingot prochází mezi rotujícími válci čímž dochází k jeho tvarování. Válcování se zpracovává 85 až 90 % vyráběné oceli. Podle typu stolice získáváme tvářené profily ( vývalky ) různých profilů., jejich velikosti jsou normalizovány. Strojní slévárenství, které je pro naše strojírenství důležité, představuje výrobu velmi členité a tvarově složité odlitků, které se vyznačují rádiusy a úkosy, mají široké uplatnění nejen v automobilovém průmyslu ( výroba bloků a hlav motorů, brzdových kotoučů a bubnů, částí výfukového a sacího potrubí atd.), výroba litých radiátorových těles ústředního topení, stojanů obráběcích a textilních strojů. Odléváním se též zhotovují mlýnky na maso, mák, ale také některé druhy šperků, a zvony – tj. odlévání uměleckých předmětů. Největší uplatnění slévárenské technologie lze však spatřovat při výrobě nejrůznějších strojních součástí. Výroba odlitků je poměrně energeticky náročná týmová práce na které se podílí řada pracovníků odlišných profesí (technolog, metalurg, formíř, slévač, chemik atd.), z nichž každý provádí svou profesi nebo zodpovídá za daný úsek výroby. Cílem jejich společné snahy je ekonomická výroba odlitků požadovaných tvarů, rozměrů, struktury a vlastností. Slévárenská výroba probíhá nejčastěji v samostatných výrobních závodech, nebo popř. ve speciálních provozech – slévárnách. Podle typu příslušné slévárenské technologie rozlišujeme např. slévárny šedé, tvárné litiny, slévárny tlakového, kokilového lití atd. Výroba odlitků představuje složitý a organizačně náročný výrobní cyklus, kde je nutné časové sladění jednotlivých operací. Tak např. před samotnou výrobou odlitků musí být připraveny: formovací rámy, modely nebo modelové desky, 41
formovací směs, formovací zařízení, a musí být v předstihu vyrobená jádra a celá výroba musí být zabezpečena dalším potřebným zařízením a vybavením včetně tavících pecí, vsázkových materiálů, pánví, dopravníků a mostových jeřábů. Dále je potřebná kontrolní laboratoř, včetně rychlých analyzačních metod odlitků. Současné slévárny se neobejdou bez certifikačních osvědčeních, tak aby splňovaly výrobu odlitků, které svou kvalitou odpovídají mezinárodním normám ISO 9000, 9001 atd. Tyto slévárny jsou vyhledávány a mají záruku výroby kvalitních odlitků.
4.1.1 Rozdělení slévárenských forem Slévárenská forma – je předmět vyrobený ze žáruvzdorného materiálu, jehož dutina odpovídá svým tvarem negativu budoucího odlitku. Slévárenské formy dělíme z různých hledisek, např. podle trvanlivosti se dělí na formy: •ι trvalé – formy kovové, které nazýváme kokily, vyrábí se z oceli tř. 17, 19 nebo z litiny s lupínkovým grafitem. V těchto formách lze provést až tisíce násobný počet odlití, ten závisí na složitosti dutiny formy a na typu odlévané slitiny. Do kovových forem může být tavenina odlévána gravitačním způsobem ( využíváme vlastní tíhu taveniny ), ale to se využívá málo. Především se kokily plní tlakově, buď vysokotlakým nebo nízkotlakým způsobem. Pro oba způsoby musí být příslušné zařízení, resp. tlakový stroj. U vysokotlakého způsobu se tavenina do dutiny slévárenské formy dopravuje na základě tlaku pístu pracovního stroje. U nízkotlakého způsobu tlakem vzduchu působíme na hladinu taveniny v udržovací peci, která je pod úrovní podlahy slévárny. Pomocí vtokové trubice dopravujeme taveninu do formy, která je upevněna nad udržovací pecí k tlakovému stroji. •ι polotrvalé – keramické, které jsou vyrobené ze speciálních keramických materiálů obléváním modelu v rámu. Tyto formy slouží pro více odlití. •ι netrvalé – pískové, jsou to formy velmi často používané k odlévání litiny, slitin hliníku, oceli na odlitky atd. Jsou pouze na jedno použití. Pískové formy mohou být před odléváním: - syrové ( nevysušené ); - přisušené ( jsou vysušené pouze u pracovního povrchu – tzv. líce formy; - vysušené. Výroba kovových forem je založena na specializované výrobě, dnes pomocí moderních číslicově řízených obráběcích strojů, které umožňují přesnou výrobu složitých dutin kovových forem. Tímto způsobem jsou např. vyrobeny formy pro tlakové lití bloků spalovacích motorů nebo formy pro odlévání hlav motorů osobních automobilů AUTO Škoda Mladá Boleslav. Výroba pískových forem se provádí přímo ve slévárnách a je součástí celé slévárenské výroby. Podkladem pro výrobu odlitků v pískových formách je strojírenský výkres (kótovaný výkres) součástky, součástky, která se má vyrobit. V současné době se ke kreslení používají PC vybavené nejrůznějšími konstrukčními programy, proto dosti často jsou do slévárny předávány jen CD. Tvar součástky je někdy třeba po konzultaci s konstruktérem upravit tak, aby se usnadnila výroba forem a snížilo nebezpečí vzniku vad odlitků (trhlin, povrchových a vnitřních defektů). Dále se musí zvětšit některé rozměry na výkresu součástky o tzv. slévárenské technologické přídavky a přídavky pro obrábění. Současně se zakreslí dle potřeby případné nálitky, jádra a známky. Podle tohoto výkresu se nakreslí výkresy
42
modelového zařízení. Podle těchto výkresů se dle potřeby v modelárně vyrobí příslušné modely, modelové desky a jaderníky. K modelovému zařízení patří modely, šablony a jaderníky, modelové desky, dále všechny potřebné pomůcky, vyrobené v modelárně, které slouží k výrobě formy. Je třeba rozlišovat modelovou desku pro ruční a strojní formování. Modelová deska pro ruční formování bývá nejčastěji rovná dřevěná podložka na kterou se v rámu usazuje model. Modelová deska pro strojní formování je jednoúčelová pomůcka. Tvoří jí deska na kterou je připevněn model odlitku, model vtokové soustavy, model výfuků atd. Model - je základní pracovní pomůckou, která slouží k výrobě dutiny formy. Jeho tvar odpovídá budoucímu odlitku. Součástí modelu jsou i známky, které po zaformování modelu vytváří plochy ve formě sloužící k uložení jádra. Modely jsou často dělené, jen zřídka nedělené. Modely se vyrábí ze dřeva, dnes již to jsou dřeva umělá, která nepodléhají roztažnosti a nabobtnávání. Rozměr modelu je proti odlitku větší o tzv. míru smrštění. Hodnota smrštění závisí na použitém odlévaném materiálu. Model musí obsahovat potřebné úkosy, které usnadňují vyjímání modelu z upěchované formy, plochy kolmé na dělící rovinu mají úkos 1:50 až 1: 100. Modely jsou opatřeny barevným nátěrem. Nátěr chrání model proti navlhání. Podle barvy modelu lze usuzovat jaký typ slitiny se bude odlévat: červená – litina s lupínkovým grafitem; bledě modrá – slitiny hliníku; šedá – slitiny hořčíku atd. Zvláštní skupinu modelů tvoří modely netrvalé ( voskové - vytavitelné nebo z napěněného speciálního polystyrenu - spalitelné ), které se musí vyrobit pro každou formu. Výroba forem pomocí vytavitelných nebo spalitelných modelů patří do skupiny speciálních metod výroby forem.
4.1.2 Základní schéma slévárenské výroby do pískových forem Základní schéma slévárenské výroby odlitků v netrvalých formách tvoří jednotlivá oddělení, jejichž činnost je vhodně technicky propojena. Schéma výroby odlitků je na obr. 4.1. Výroba forem
Výroba jader
Kompletace forem a jader
Tavení a příprava taveniny
Odlévání- plnění dutiny formy taveninou Kontrola odlitků Prodej a expedice odlitků
Tuhnutí a chladnutí taveniny ve formě Dokončovací operace
Vytloukání odlitků z forem
Čištění odlitků
Obr. 4.1. Schéma výroby odlitku
43
Na obr. 4.2. jsou uvedena schémata: a) výkresu odlitku ( vložka válce ); b) výkresu modelu; c) modelu ( je součástí modelového zařízení ); d) jaderníku s jádrem ( je součástí modelového zařízení ) ; e) složené pískové formy.
Obr. 4.2. Schéma odlitku, modelového zařízení a pískové formy
Výroba forem a jader: Výroba forem se provádí v tzv. formovnách a výroba jader v jadernách. Oba provozy jsou dnes do jisté míry mechanizované výrobní jednotky (provozy). V úpravně formovacího materiálu se připravuje příslušná formovací směs (zde se smíchávají její příslušné složky – ostřivo, pojivo , příměsi a voda v určitém poměru). Tato směs se dopravuje do formovny. Zde se směsí plní formovací rámy s modelem nebo rámy s formovací deskou a následným upěchováním (strojním výjimečně ručním způsobem) se vyrábí dutiny slévárenských forem. Jádra se vyrábí příslušnou technologií v jadernách, pomocí tzv. jaderníků (formy pro výrobu jader). Tato jádra se dovážejí do formovny. Po vyjmutí modelu z formy a vložení jádra (nebo jader) zůstává ve formě dutina, jejíž tvar a rozměry odpovídají budoucímu odlitku. Při formování je ještě nutno ve formě vyrobit vtokovou soustavu (tj. soustava kanálů sloužící k dopravě taveniny do dutiny formy) a výfuky, které odvádějí unikající plyny z formy. Někdy je nutné ještě ve formě vytvořit dutinu (dutiny) pro nálitek, který funguje jako zásobárna taveniny ze které si tuhnoucí a smršťující odlitek doplňuje chybějící kov. Je-li dutina formy tvarově velmi složitá, pak se nevyrábí formováním modelu, ale skládáním nepravých jader do rámu.
44
Tavení a příprava taveniny: Tekutý kov, resp. tavenina o předepsaném chemickém složení se připravuje v provozu, který se označuje tavírnou. Taví se v pecích různého typu. Při odlévání tzv. litiny se tavenina připravuje v kuplovně. Jsou provozy, kdy se tavenina litiny připravuje v elektrických indukčních pecích (např. AUTO ŠKODA). Dále se používají pece elektrické odporové nebo obloukové. Tavenina je pokryta struskou (je tvořena silikáty) a před odléváním se struska stahuje, aby se nedostala do dutiny formy. Tavenina se z pece přelévá do grafitových kelímků nebo pánví. I zde se ještě tavenina metalurgicky ošetřuje a podle potřeby se očkuje nebo modifikuje, to závisí na typu odlévaného kovu. Pak se měří teplota taveniny.
Odlévání, tuhnutí a chladnutí odlitků a vytloukání odlitků z forem: Odlévání taveniny do netrvalých forem se provádí na tzv. licím poli (místo, kde jsou připraveny formy k odlití), zde se odlévá tavenina z optimální teploty do licí jamky nebo nálevky slévárenské formy. Licí jamka nebo nálevka je součástí vtokové soustavy. Na licím poli dochází k tuhnutí a k chladnutí taveniny ve formě. Ve správném časovém okamžiku po odlití je nutno formu rozbít a vyjmout odlitek. Na vytloukání z forem jsou citlivé odlitky z litiny s lupínkovým grafitem (LLG), neboť je možnost vzniku prasklin. O okamžiku vytloukání odlitku rozhoduje výše jeho teploty. Vytloukání odlitků z forem se provádí na vytloukacích roštech, zde pracovníci kladivem uráží i vtokovou soustavu a nálitky u odlitků z LLG. Pod vytloukacím roštěm prochází pásový dopravník, který odvádí použitou formovací a jádrovou směs. Vyjmutý odlitek z formy se nazývá surový, obsahuje vtokovou soustavu, výfuky, otřepy, popř. nálitky.
Čištění odlitků: Čištění odlitků se provádí v čistírnách, zde se odstraňují nálitky, výfuky případné (někdy i vtoky), švy – tj. kov, který vnikl mezi obě poloviny formy do dělící roviny. Tyto kovové podíly se vrací do tavírny k roztavení jako tzv. vratný materiál. Je–li odlitek zbaven vtokové soustavy, výfuků a nálitků, popř. otřepů nazývá se hrubý. K odstranění formovací směsi a jader z odlitků se často používají otryskávací boxy. Ve kterých se na odlitky tryskají malinké ocelové kulaté broky, které čistí povrch odlitků od zbytků formovací směsi a jader.
Dokončovací operace: Mezi dokončovací operace patří např. hrubování některých částí odlitku, nebo jiná třísková operace. To je v případě, kdy obrobna je součástí slévárny. Je-li opracována některá funkční část odlitku, pak tento odlitek se označuje čistý a po případném ošetření základním nátěrem ( dle sjednaného přejímacího protokolu ) a po následné výstupní kontrole je odlitek určen k expedici. Očištěné odlitky se podrobují kontrole rozměrů a jakosti. Sledujeme především rozměrovou toleranci, výskyt povrchových vad a trhlin. U některých odlitků, na jejichž funkčnosti závisí lidský život jsou 100 % kontrolovány - prozařovány rentgenem nebo kontrolovány ultrazvukem. Charakter dokončovacích operací závisí na možnostech slévárny. Upravený očištěný a zkontrolovaný odlitek opatřený proti korozním nátěrem bývá konečným výrobkem slévárny. Je určen k prodeji, resp. k expedici.
45
4.2 Svařování 4.2.1 Základní pojmy Svařování patří mezi nejdůležitější a nejčastěji používané technologie spojování kovových i některých nekovových materiálů. Svařování je definováno jako proces vytváření nerozebíratelných spojů (svarové spoje) prostřednictvím meziatomových vazeb mezi spojovanými díly při jejich ohřevu nebo plastické deformaci, nebo při společném působení obou faktorů. V průběhu svařovacího procesu působíme na svařovaný materiál, tzv. základní materiál, teplotním nebo deformačním účinkem. Ve všech případech však v materiálu vnějším působením vznikají teplotní i deformační procesy, které mají rozhodující vliv na změny struktury a vlastností základního materiálu. Každý svařovací proces představuje teplotní a deformační působení na základní materiál (tzv. teplotní a deformační cyklus). Svar je částí svarového spoje, který se vytváří v důsledku krystalizace lokálně roztaveného kovu nebo plastické deformace, nebo kombinací krystalizace a deformace. Svařováním navzájem připojené části tvoří svarek a z jednotlivých svarků se svařováním tvoří svařované konstrukce. Svařované konstrukce se skládají z jednotlivých detailů vyrobených z různých hutních polotovarů (plechy, tyče, trubky, profily), ale mohou se používat i výkovky, odlitky, výlisky. Svařovaná konstrukce tak může být sestavena z dílů, které z hlediska tvaru, velikosti a požadovaných vlastností mohou být vyrobeny optimální technologií. Na obr. 4.3. je příklad svařované karosérie osobního automobilu s vyznačením jednotlivých svarů a některými dílčími svarky a makrostrukturami svarů. Laser: Robot:
2 Trumpf TLF 5000 Turbo 2 KUKA IRB 761, systém navádění Zeiss Materiál: Střecha: ZStE 220 BH, t = 0,75 mm~V~1343 Bočnice: St14 ZE75/0, t = 0,85 mm ~V~1157 Příčný nosník: ZStE 260 BH, t = 0,65 mm~V~1341 Rychlost svařování: 5m/min, 10 svarů na každé straně
Laser: Trumpf 2kW Robot: typ Gantry Materiál: St14 ZE75/0, t = 0,75 mm~V~1157
Laser: Robot: Materiál:
2 Trumpf TLF 5000 Turbo 2 KUKA IRB 761, systém navádění Zeiss Svislý plech. panel: St14ZE75/75~V~1157 Spodní kryt: ZStE300 Bh Horní kryt: ZStE 300 BH ZE75/0
Obr. 4.3.: Svařovaná karosérie osobního automobilu a údaje o použitém zařízení
46
4.2.2 Metody svařování Metody svařování nejčastěji rozdělujeme podle podmínek vzniku svaru na dvě skupiny. Při tavném svařování vytváříme svar lokálním ztavením spojovaných částí bez působení tlaku. Svařování, při kterém je tlak nezbytný, se označuje jako svařování s použitím tlaku. K metodám tavného svařování patří především: - metody svařování elektrickým obloukem atmosférách, obalenou elektrodou, pod tavidlem atd.), - svařování plamenové, - svařování elektronové, - svařování elektrostruskové, - svařování laserové, - svařování plazmové, - svařování aluminotermické a další.
(svařování
v ochranných
K metodám svařování s použitím tlaku patří především: - svařování tlakem za studena, - svařování elektrickým odporem (bodové, švové, výstupkové, stykové), - tlakové svařování (při teplotách pod teplotou tavení), - svařování třecí, - svařování difúzní, - svařování ultrazvukové, - svařování výbuchové a další. Rozsah publikace neumožňuje popis jednotlivých metod svařování a proto budou charakterizovány pouze některé tak, aby byly vysvětleny různé principy vytváření spojů. Na obr. 4.4.a) je principiální schéma dnes nejpoužívanější metody obloukového svařování. Jde o metodu svařování v ochranné atmosféře tavící se elektrodou.
a)
b)
Obr. 4.4.: Schéma metody obloukového svařování v ochranné atmosféře: 1 – základní materiál, 2 – přídavný materiál, 3 – ochranná atmosféra, 4 – podložka formující kořen svaru, 5 – podávací zařízení přídavného materiálu, 6 – přívod elektrického proudu, 7 – hubice, 8 – kapka přecházející zkratovým procesem do svarové lázně, 9 – svarová lázeň, 10 – svarová housenka 47
Podle typu použité ochranné atmosféry se může jednat o metodu MIG (požívá se inertní plyn, např. Ar, He, Ar + He) nebo MAG (používá se aktivní ochranná atmosféra např. Ar+CO2, Ar+O2). Koncentrovaný zdroj tepla, tj. v tomto případě elektrický oblouk, natavuje svarové plochy a současně taví také elektrodu – přídavný materiál ve formě drátu nebo trubičkového drátu. Roztavený svarový kov z tavící se elektrody se smíchá s roztaveným základním materiálem ve svarové lázni (oblast nataveného materiálu). S postupem zdroje tepla ve směru svařování dochází ke krystalizaci a vytváří se svarová housenka – vzniká pevné spojení obou svařovaných částí. Detailní pohled do oblasti tvořícího se svaru je na obr. 4.4.b). Na obr. 4.5. je schéma bodového svařování tlakem za studena při použití jednoduchých lisovníků. Svařované části jsou přeplátované a pro vytvoření pevného spoje je nutno lisovníky zatlačit do značné hloubky. Velikost deformace se určuje ze vztahu (4.1). D=
2s − H ⋅ 100 (%) 2s
Tab. 4.1.
(4.1) Kov
Hliník Hliník technicky čistý Kadmium Olovo Měď Nikl Zinek Stříbro
Deformace D (%) 60 70 84 84 86 89 92 94
Obr. 4.5.: Bodové svařování tlakem za studena Plastické deformace vyvolané vnější silou jsou pro vytváření spoje rozhodující. Dojde k rozrušení povrchových vrstev a atomy obou svařovaných dílů jsou v průběhu svařovacího procesu přiblíženy až na meziatomární vzdálenost. V tabulce 4.1. jsou uvedeny hodnoty nejmenších nutných deformací pro vytvoření svarů pro některé kovy. Na obr. 4.6. je schéma bodového odporového svařování. Svařované díly (plechy) jsou sevřeny mezi elektrodami a po dosažení potřebné síly začne jimi procházet elektrický proud. Ve styku plechů v důsledku přechodových odporů dojde k vývinu tepla, které má za následek místní roztavení základního materiálu, vytvoří se tzv. svarová čočka. Svar vzniká krystalizací natavené oblasti odvodem tepla do okolního základního materiálu. Síla musí působit ještě po skončení průchodu proudu a probíhá kování svaru. Pro vytvoření svaru jsou rozhodující ohřev i vnější tlaková síla. Základní svařovací parametry jsou tedy síla, svařovací proud a čas. Obr. 4.6.: Bodové odporové svařování 48
4.2.3 Druhy svarových spojů Jednotlivé detaily svařovaných konstrukcí se spojují různými typy svarových spojů. Podle konstrukčního řešení jsou v podstatě tři základní druhy svarových spojů: ▪ tupé (obr. 4.7.a) ▪ spoje tvaru T, křížové, rohové (obr. 4.7.b) ▪ přeplátované (obr. 4.7.c)
Tupé svarové spoje plechů jsou typické pro metody tavného svařování. Svary tyčových polotovarů jsou typické i pro metody svařování s použitím tlaku (odporové stykové svařování, třecí svařování i stykové svařování tlakem za studena). Spoje tvaru T, křížové a rohové jsou typické pro metody tavného svařování. Přeplátované spoje se využívají u tavných metod svařování, ale především u odporových metod svařování (bodové, švové, výstupkové). Obr. 4.7.: Základní druhy svarových spojů
4.2.4 Technologičnost konstrukce Konstruktér při návrhu svařované konstrukce musí určit jakou metodu svařování použít a rozhodnout o řešení jednotlivých spojů a jejich umístění. Při výběru nejvhodnější metody svařování pro konkrétní aplikaci musí konstruktér vzít v úvahu technologické, kvalitativní i ekonomické faktory. Pro jeho rozhodování je např. důležitá tloušťka materiálu, délka svarů, poloha při svařování, požadavky na jakost svarových spojů a provozní spolehlivost (zásadně je třeba rozlišovat konstrukce staticky a dynamicky namáhané) i celkový rozsah svářečských prací. To, že se jedná o svařovanou konstrukci musí být respektováno již z počátku návrhu. To obecně platí i pro jiné výrobní technologie. Pro ilustraci je na obr. 4.8. příklad dílu navrženého jako odlitek nebo svarek.
a)
b)
Obr. 4.8.: Rozdíly v konstrukci při návrhu dílu a) odlitek, b) svarek
49
K dosažení efektivnosti při výrobě svařovaných konstrukcí se musí dodržet zásady technologičnosti konstrukce. Jde o řadu požadavků, které v souhrnu umožňují ekonomické zhotovení konstrukce s požadovanou funkční spolehlivostí a životností. Za základní lze v tomto směru pokládat vhodnou volbu základního materiálu (svařitelnost), výběr technologie svařování a hlediska pevnosti, tuhosti a rozměrové stability.
4.2.5 Svařitelnost Svařitelnost je komplexní charakteristika vyjadřující vhodnost kovu na zhotovení svarku s požadovaným účelem, při určitých technologických možnostech svařování a konstrukční spolehlivosti svarového spoje. Svařitelnost není pouze otázka materiálu, ale také technologie a konstrukce. Vzájemnou provázanost jednotlivých faktorů je vidět na schématickém obr. 4.9. Vhodnost kovu na svařování je určena chemickým složením, metalurgickým způsobem výroby, způsobem odlévání, tváření a tepelným zpracováním. Základní charakteristikou vhodnosti na svařování u nelegovaných, nízkolegovaných a střednělegovaných ocelí obloukovými metodami svařování je tzv. uhlíkový ekvivalent podle vztahu (4.2). Se zvyšující se hodnotou obsahu uhlíku a Ce se svařitelnost oceli zhoršuje. Vhodnost oceli na svařování je také vázána na tepelný příkon při svařování a případný předehřev. Obr. 4.9.: Svařitelnost konstrukčního dílu Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + (4.2) 6 5 15 Pro vysokolegované oceli není žádný obdobný vztah pro hodnocení vhodnosti ke svařování k dispozici. Ce = C +
Technologická možnost svařování je určována metodou svařování, přídavným materiálem, tepelným příkonem, postupem kladení vrstev svaru, tepelným režimem svařování, a tepelným zpracováním svarového spoje. Konstrukční spolehlivost svarového spoje je určována tloušťkou materiálu, tvarem spoje, tvarem a přípravou svarových ploch, tuhostí spoje ve svarku a rozložením svarů a spojů v závislosti na způsobu vnějšího namáhání. Pro hodnocení svařitelnosti se používají tzv. ukazatele svařitelnosti, které jsou v zásadě dvojího typu: ▪ ukazatele celistvosti, ▪ ukazatele vlastností. Ukazatele celistvosti charakterizují odolnost svarových spojů ke vzniku různých typů trhlin a jiných nepřípustných vad. Ukazatele vlastností charakterizují změny jednotlivých vlastností v oblasti svarového spoje v důsledku svařování.
50
4.2.6 Specifické rysy svařovacího procesu a aplikace svarových spojů Svařování je v systémech jakosti vedeno jako zvláštní proces. Jakost svarů se totiž nedá zjistit pouze kontrolou a zkouškami hotového výrobku, neboť se tak nedá jednoznačně potvrdit, že při svařování byly dodrženy všechny podmínky ovlivňující jakost. Do systému jakosti je proto nutné zahrnovat všechny činnosti, které mají na jakost při svařování vliv. Příslušné požadavky na jakost při svařování jsou předmětem norem. V souvislosti s využíváním metod svařování jako technologií vytváření spojů mezi jednotlivými konstrukčními prvky je nutné si uvědomit, že každý svařovací proces ovlivní do určité míry vlastnosti základního materiálu. Současný trend při návrhu konstrukcí a spojování jednotlivých dílů jednoznačně vede k účelnému využívání široké škály dalších alternativních technologií jako např. lepení, pájení, speciálních způsobů nýtování, mechanických spojů a šroubových spojů. Pro předem definované podmínky provozu a funkčnosti spoje je úkolem konstruktéra vybrat nejvýhodnější řešení a provedení spoje včetně stanovení základních parametrů výroby. Takový přístup k návrhu spojů se v současnosti nejvíce aplikuje a prosazuje v automobilovém průmyslu při výrobě karosérií. Každý typ a způsob provedení spoje totiž přináší určité specifické vlastnosti a výhody. Uveďme si na závěr této části alespoň jeden příklad. Ve srovnání se spoji vytvořenými bodovým odporovým svařováním jsou např. lisované spoje při statickém zatížení méně únosné (30 - 65%), při dynamickém únavovém zatížení jsou však výhodnější. Na obr. 4.10.a) je porovnání výsledků únavových zkoušek bodového svaru a lisovaného spoje s polovičním dutým nýtem v oceli St 1403. Schéma provedení zkušebního vzorku je na obrázku. Zkouška byla provedena míjivým tahovým zatížením s frekvencí 80 Hz ( součinitel nerovnoměrnosti cyklu r = 0). Princip vytváření lisovaného spoje je na obr. 4.10.b).
Obr. 4.10.:
a) b) a) Porovnání Wöhlerovy křivky pro vzorek s bodovým svarem křivka (a) a vzorek s lisovaným spojem křivka b) b) Technologie nýtování s polovičním dutým nýtem (a - lisovník, b - spojované díly, c - nýt, d - matrice, e - konečný tvar nýtu)
Nový nastupující trend při řešení konstrukcí a návrhu spojů u dílčích částí se prosazuje i v teoretické přípravě studentů.
51
4.3 Obrábění Definice: Obrábění je technologická operace, při které se z polotovaru odebírá materiál ve formě třísek tak, abychom získali obrobek, jehož tvar, rozměry, přesnost a jakost povrchu odpovídají požadavkům výkresové dokumentace. Rozdělení obrábění: 1. Nástroje s definovaným břitem (soustružení, frézování, vrtání, vyhrubování, vystružování, řezání závitů, hoblování, obrážení, protahování a protlačování). 2. Nástroje s nedefinovaným břitem (broušení, honování, lapování a superfinišování). 3. Nekonvenční metody (elektroerozívní obrábění, obrábění laserem, vodním paprskem, paprskem elektronů a ultrazvukem). Obrábění probíhá vždy za určitých řezných podmínek (pohyby nástroje a obrobku, prostředí, ve kterém obrábění probíhá apod.).
4.3.1 Soustružení Soustružení je nejčastější obráběcí operací (asi 30% ze všech obráběcích operací). Obráběcí stroje pro soustružení – soustruhy - umožňují obrábět válcové, kuželové, kulové i obecné rotační plochy, rovinné plochy a závity. Kromě soustružení lze na soustruzích provádět další, tzv. osové operace, jako vrtání, vyhrubování, vystružování, řezání závitů závitníky nebo závitovými čelistmi apod. Hlavním pohybem při soustružení je rotační pohyb obrobku. Obvodová rychlost obrobku je řezná rychlost. Vedlejší pohyby koná nástroj. Jsou to: podélný posuv (rovnoběžný s osou otáčení obrobku) a příčný posuv (přísuv – kolmý k ose obrobku). Výsledkem podélného posuvu je válcová plocha, výsledkem příčného posuvu je čelní rovinná plocha. Koná-li nástroj oba pohyby současně vzniká obecná rotační plocha. Nástrojem pro soustružení je soustružnický nůž. Nože se vyskytují v řadě různých tvarů, určených pro různé způsoby použití. Upínají se do nožové hlavy soustruhu. Obrobky se upínají do různých typů upínačů a pokud jsou delší, opírají se na druhé straně koníkem. Soustruhy existují v různých provedeních podle požadovaného účelu, stupně automatizace apod. (hrotové, čelní, svislé, revolverové, poloautomatické, automatické, číslicově řízené). Univerzální hrotový soustruh je na obr. 4.11. Základem stroje je stojan s ložem (1), na loži je uložen vřeteník (2) s vřetenem, na jehož konci je sklíčidlo pro upnutí obrobku. Po vedení lože se pohybují suporty (3) s nožovou hlavou pro upínání nástrojů a koník (4). Soustruh je poháněn elektromotorem (6) a otáčky vřetene a posuvy jsou řazeny pomocí převodovek (5). Na obr. 4.12. je znázorněn záběr soustružnického nože s obrobkem při podélném soustružení.U moderních numericky řízených soustruhů jsou všechny funkce stroje předem naprogramovány a řízeny počítačem.
52
Obr. 4.11.:
Obr. 4.12.:
Univerzální hrotový soustruh.
Záběr soustružnického nože (1) s obrobkem (2).
4.3.2 Frézování Frézování je obrábění rovinných nebo tvarových ploch vícebřitým nástrojem – frézou. Řezný proces je přerušovaný, jednotlivé zuby nástroje vcházejí a vycházejí z materiálu a odebírají třísku proměnného průřezu. Fréza může obrábět buď obvodem – válcové frézy, nebo čelem – čelní frézy, nebo tvarovou plochou – tvarové frézy (obr. 4.14.). Hlavní řezný pohyb je rotační pohyb frézy a její obvodová rychlost je řezná rychlost. Posuvy ve třech směrech koná obrobek upnutý na stole frézovacího stroje – frézky. Frézek je řada typů podle způsobu použití (např. frézky konzolové – vodorovné, svislé, univerzální; rovinné; speciální – na vačky, na ozubení, na závity apod.
53
Na obr. 4.13. je konzolová svislá frézka. Je tvořena stojanem (4), na kterém je vřeteník (5) s motorem a převodovkou otáček. Po vedení stojanu se pohybuje konzola (1) s motorem a převodovkou posuvu a na ni je příčný a podélný pracovní stůl (2). Ve vřeteni frézky je upnut nástroj – fréza (6)
Obr. 4.13.: Konzolová svislá frézka
Obr. 4.14.: Příklady fréz: a - válcová, b - čelní válcová, c – tvarová
4.3.3 Vrtání Vrtání je historicky nejstarší obráběcí operace. Je to obrábění vnitřních rotačních ploch, zpravidla dvoubřitým nástrojem – vrtákem. Hlavní řezný pohyb je rotační pohyb nástroje, řezná rychlost je obvodová rychlost vrtáku. Posuv ve směru osy vykonává obvykle nástroj. Posuv je vázán na otáčky nástroje. Vrtáků je řada typů. Nejčastějším typem vrtáků je šroubovitý vrták (obr. 4.16.a). Další typy vrtáků jsou vrtáky kopinaté (ploché), středicí a na hluboké díry (dělové vrtací hlavy). 54
Stroje pro vrtání jsou vrtačky. Dělí se na stolní, sloupové, stojanové, radiální, souřadnicové, speciální. Na vrtačkách je možno provádět i další osové operace, jako vyhrubování a vystružování (těmito operacemi se zkvalitňuje vyvrtaná díra), řezání závitů, zahlubování apod. Na obr. 4.15. je stolní vrtačka. Na stole (1) je připevněn sloup (2), po kterém se pohybuje vřeteník (3). Ve vřeteníku je elektromotor (5), převodovka otáček vřetena a převodovka posuvů. Do vřetena se upíná vrták. Posuv vřetena je možné provádět ručně nebo strojně (v tom případě je posuv vázán na otáčky vřetena).
Obr. 4.15.: Stolní vrtačka
Obr. 4.16.: Vrtáky: a) šroubovitý vrták, b) vrták s vyměnitelnými břitovými destičkami
Obr. 4.17.: Záběr šroubovitého vrtáku s obrobkem
55
4.3.4 Broušení Broušení je dokončovací metoda obrábění rovinných, válcových nebo tvarových vnějších a vnitřních ploch nástrojem, jehož břity jsou tvořeny zrny tvrdých materiálů. Nástrojem jsou nejčastěji brousicí kotouče v nichž jsou brusná zrna spojená navzájem vhodným pojivem. Zrna jsou v brousicím kotouči rozmístěna náhodně a mají různé tvary. Kromě brousicích nástrojů se používá také volné brusivo. Při broušení je současně v záběru velké množství zrn, která odebírají třísky velmi malých průřezů. Broušení se v současném strojírenství používá na dokončovací obrábění ploch s vysokou přesností a vysokou jakostí obrobeného povrchu a na opracování materiálu s vysokou pevností a tvrdostí, kde je obrábění jinými nástroji obtížné nebo nemožné (kalené oceli, keramické materiály apod.). Hlavní pohyb při broušení vykonává nástroj, posuv koná obrobek, přísuv do řezu může vykonávat buď obrobek nebo brousicí kotouč. Kromě brousicích kotoučů se pro broušení používají brousicí segmenty, kameny a pásy, obsahující zrno brusiva ve vhodném pojivu. Nejčastěji se však používají brousicí kotouče. Materiály brusiva jsou přírodní (smirek, granát, diamant) nebo umělá (umělý korund, karbid křemíku, umělý diamant, kubický nitrid bóru). Stroje na broušení jsou brusky. Dělí se podle prováděných operací na hrotové, na díry, bezhroté, rovinné, nástrojařské, pásové a speciální. Na obr. 4.18. je hrotová bruska. Na stojanu (1) je umístěno lože s pracovním stolem (2), na kterém je uložen pracovní vřeteník (3), ve kterém je upnut obrobek (4) opřený koníkem (5). Na loži je umístěn pracovní vřeteník (6) s brousicím kotoučem (7).
Obr. 4.18.: Hrotová bruska - a) stroj, b),c) pohyby
56
Obr. 4.19.: Brousicí kotouče - plochý, b) hrncový, c) miskový, d) talířový
Obr. 4.20.: Struktura brousicího kotouče: 1 – zrna kotouče, 2 – pojivo, 3 – póry
4.3.5 Nástrojové materiály Břity řezných nástrojů jsou při obrábění zatěžovány velkými silami, v případě přerušovaného řezu i rázy. Vlivem vnitřního i vnějšího tření vzniká při obrábění značné množství tepla a břit se značně ohřívá. Na břity nástrojů jsou proto kladeny následující požadavky: •ι Vysoká tvrdost a houževnatost. •ι Stálost těchto vlastností s rostoucí teplotou. •ι Odolnost proti opotřebení (stálost tvaru břitu nástroje). Druhy nástrojových materiálů: •ι Nástrojové oceli: uhlíkové, nízkolegované, vysocelegované (rychlořezné). •ι Slinuté karbidy: rozdělení podle ISO, P (pro obrábění ocelí), K (pro obrábění materiálů tvořících krátkou třísku např. litin), M (univerzální slinuté karbidy, zejména pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů). •ι Keramické řezné materiály: používají se zejména pro obrábění litin a obrábění bez rázů. •ι Diamant: používá se zejména pro obrábění neželezných kovů a jako brusivo. •ι Kubický nitrid bóru: používá se pro obrábění velmi tvrdých materiálů – kalených ocelí apod.
57
Nástrojový materiál Nástrojové oceli rychlořezné Slinuté karbidy Řezná keramika Kubický nitrid bóru Diamant
Řezné rychlosti [m/min] 35 – 60 40 – 300 100 – 1000 60 – 200 300 – 1000
Max. teploty [°C] 600 1000 1800 1400 700
Břity nástrojů se obvykle vyrábějí ve formě destiček různých tvarů, které se na držáky nástrojů buď pájí nebo dnes častěji upevňují mechanicky. Menší nástroje se mohou vyrábět jako celistvé (např. nástroje rychlořezné nebo vrtáky a frézy menších rozměrů ze slinutých karbidů). Trvanlivost břitu řezného nástroje je doba, po kterou je nástroj schopen pracovat tak, že jsou zachovány všechny technologické požadavky na obrobenou plochu (přesnost, drsnost apod.). Pro zvýšení trvanlivosti břitu lze některé nástrojové materiály opatřovat tvrdými otěruvzdornými povlaky z nitridu titanu, karbidu titanu apod.
4.3.6 Montáž Montáž je závěrečnou etapou strojírenského výrobního procesu. Dochází při ní k postupnému sestavování součástí, podskupin a skupin do montážních celků nebo výrobků. Je tvořena souhrnem přípravných, manipulačních, spojovacích a kontrolních činností. Montáž ve strojírenství představuje v průměru asi 30 až 40 % pracnosti při výrobě výrobku a je na ní zaměstnáno asi 30 až 50 % pracovníků. Tato vysoká čísla naznačují, že automatizace montáže je obtížnější než automatizace jiných strojírenských technologií. Druhy montáže: •ι Interní (prováděná ve výrobním podniku) - nepohyblivá (stacionární) prováděná na jednom pracovišti - pohyblivá -s plynulým pohybem (na pásu) -s přerušovaným pohybem. •ι Externí (montáž mostních konstrukcí, továrních hal apod.) Montážní činnosti: - přípravné (čištění, úprava tvaru, vyvažování, paletizace) - manipulační (vkládání, vyjímání, nasouvání, ustavení, přemísťování) - spojovací (šroubování, lisování, nýtování, pájení, lepení, svařování) - kontrolní (měření, zkoušení funkcí) Se zřetelem na požadavky technické a materiální přípravy výroby a montáže se výrobek rozčleňuje na jednodušší konstrukčně nebo funkčně samostatné celky: - Součást – základní prvek výrobku zhotovený obvykle z jednoho materiálu. - Podskupina - vzniká spojením dvou nebo více součástí. - Skupina - funkčně a konstrukčně uzavřená část výrobku vzniklá spojením součástí a podskupin.
58
-
Výrobek - konečný produkt funkčně a konstrukčně uzavřený. Zařízení - soubor strojírenských výrobků, který má plnit určité úkoly.
Na obr. 4.21. je rozčlenění výroby z hlediska jednotlivých fází výrobního procesu.
Obr. 4.21.: Členění výrobního procesu
4.3.7 Technická příprava výroby Technická příprava výroby (TPV) se dělí na: •ι konstrukční (vytvoření konstrukční dokumentace za spolupráce konstruktérů, technologů a ekonomů), •ι technologickou (TgPV), •ι projektovou (příprava výroby po stránce výběru strojů, rozmístění, materiálové toky apod.). Technologická příprava výroby je souhrn technickoorganizačních opatření a činností, zahrnující technickou přípravu výroby – výrobní, konstrukční, technologická a projektová dokumentace a technologické vybavení. Důležitou součástí technologické přípravy výroby jsou výrobní postupy. Popisují změny, které musí být provedeny na výchozím materiálu v určité časové a funkční posloupnosti abychom dostali hotový výrobek. Výrobní postup obsahuje: popis prací a výrobních metod ve vhodném pořadí, počet vyráběných kusů, nástroje přípravky a měřidla, která je nutno použít pro výrobu upínání a kontrolu obrobku,
59
technologické podmínky – zejména řezné podmínky a řezné prostředí, čas k provedení jednotlivých operací. Výrobní postup se člení na operace (ucelená část výrobního postupu prováděná na jednom pracovišti). Operace se dále člení na úseky (část operace prováděná na jednom stroji za stejných pracovních podmínek), úkony (jednoduchá pracovní činnost např. upnout obrobek, soustružit na průměr apod.) a pohyby (např. uchopit obrobek, upnout obrobek apod.).
Obr. 4.22.: Příklad dělení technologického postupu
4.3.8 Technologičnost konstrukce Konstrukce výrobků je předepsána konstrukční dokumentací, způsob a postup výroby a montáže technologickou dokumentací. Mezi těmito dvěma činnostmi je třeba vytvořit vztah, který umožní vyrobit výrobek požadovaných vlastností s minimálními výrobními náklady. Tento vztah se hodnotí tzv. technologičností konstrukce. Definice: Technologičnost konstrukce je soubor vlastností materiálu a výrobku, které při daných výrobních možnostech a daném objemu výroby umožňují ekonomickou výrobu při současném zajištění předepsané konstrukce výrobku. Na technologičnost konstrukce má vliv zejména: volba materiálu součásti, návrh výchozího polotovaru a jeho rozměru (přídavku na obrábění), požadovaná přesnost a tvaru obrobených ploch, drsnosti a kvality povrchové vrstvy, druh a poloha konstrukčně technologických prvků na součásti, celková koncepce výrobku, výrobní zařízení a organizace výroby.
60
Z uvedeného je vidět, že pojem technologičnost konstrukce je značně složitý. Pro objasnění jen několik příkladů: Na obr. 4.23. je odstupňovaná díra. Obrázek 4.23.a představuje výrobně náročnou součást protože rovné dno vrtané díry se musí obtížně soustružit. Na obr. 4.23.b je díra bez problému vyvrtaná šroubovitými vrtáky. Na obr. 4.24. je šikmá díra při jejímž vrtání může snadno dojít ke sklouznutí a zlomení vrtáku. Není-li možné použít speciální vodicí pouzdro, musí být plocha upravena podle obr. 4.24.b. Na obr. 4.25. je osazený hřídel. V kusové výrobě je možné jej vyrobit z válcového polotovaru (2), v malosériové výrobě je vhodnější svařit polotovar ze dvou kusů (3) a (4). V hromadné výrobě se vyplatí vyrobit kovací zápustku a vyrábět polotovary ve formě výkovku (1).
Obr. 4.23.: Osazená díra
Obr. 4.24.: Vrtání díry do odlitku
Obr. 4.25.: Osazený hřídel Dokončovací operace (např. broušení, vystružování apod. volíme pouze v tom případě, že to funkce součásti nezbytně vyžaduje). Přesnost rozměrů všech součástí volíme co nejmenší, každé zvýšení přesnosti znamená zvýšení ceny výrobku. To byly jen některé příklady zlepšení technologičnosti konstrukce, které vedou ke snížení pracnosti a tím ke snížení ceny výrobku.
61
4.4 Technologie tváření kovů Tvářením kovů rozumíme technologický (výrobní) proces, při kterém dochází k požadované změně tvaru výrobku nebo polotovaru, příp. vlastností, v důsledku působení vnějších sil. Podstatou tváření je vznik plastických deformací, ke kterým dojde v okamžiku dosažení napětí na mezi kluzu pro daný materiál. Plastická deformace je ve své podstatě pohyb jednotlivých částeček kovů vůči sobě a mechanismus vzniku plastické deformace je možné vysvětlit na základě pohybu a vzniku mřížkových poruch. Známe dva základní mechanismy plastické deformace a to skluzem a dvojčatěním. Výhodami tváření jsou vysoká produktivita práce, vysoké využití materiálu a velmi dobrá rozměrová přesnost tvářených výrobků. Nevýhodou je vysoká cena strojů a nástrojů a omezení rozměry konečného výrobku. Nejdůležitější rozdělení technologií pro zpracování kovů je podle fyzikální podstaty dějů, tzn. podle vztahu teploty tvářeného materiálu k teplotě rekrystalizace (přibližně 0,4 teploty tání kovu). Rekrystalizační teplota je teplota, při které dochází k regeneraci deformovaných zrn vzniklých tvářením za studena beze změny krystalové mřížky a tedy dělení tvářecích technologií podle teploty je potom na (viz. obr. 5.1.1): •ιtváření za studena (tváření pod rekrystalizační teplotou, pod hodnotou 30 % teploty tání tvářeného materiálu), kdy dochází ke zpevňování materiálu a zrna se deformují ve směru tváření, vytváří se textura. Zpevněním se zvyšují mechanické hodnoty (mez pevnosti a mez kluzu) a klesá tažnost. Výhodou je vysoká přesnost rozměrů, kvalitní povrch (nenastává okujení) a zlepšování vlastností zpevněním. Nevýhodou je nutnost používat velké tvářecí síly, nerovnoměrné zpevňování a omezená tvárnost materiálu; •ιtváření za tepla probíhá nad rekrystalizační teplotou (nad hodnotou 70 % teploty tání daného materiálu). Materiál se nezpevňuje a k tváření stačí síly až desetkrát menší, než u tváření za studena. Nevzniká textura, ale povrch je nekvalitní vlivem okujení; •ιtváření za poloohřevu představuje kompromis mezi tvářením za studena a za tepla. Probíhá těsně pod rekrystalizační teplotou.
Obr. tvářecích teploty
4.26.: Rozdělení pochodů podle
Z praktického (výrobního) hlediska se tváření kovů dělí na: •ιtváření objemové, při kterém deformace nastává ve směru všech tří os souřadného systému a patří sem válcování, kování, protlačování, tažení drátů. 62
•ιtváření plošné, při kterém převládají deformace ve dvou směrech. Patří sem tažení, ohýbání, stříhání, apod.
4.4.1 Technologie objemového tváření Technologie objemového tváření se týká tváření při němž je trojosá (všestranná) napjatost. Jako polotovar se používá přístřih tyče, sochoru, apod. Dále uvedené technologie mohou teoreticky probíhat při libovolných teplotách, tedy za studena, za tepla a za poloohřevu. Válcování Válcováním rozumíme kontinuální proces, při kterém se tvářený materiál deformuje mezi otáčejícími se pracovními válci za podmínek převažujícího všestranného tlaku. Válcovaný materiál se mezi válci deformuje, výška se snižuje, materiál se prodlužuje a současně rozšiřuje a mění se i rychlost, kterou válcovaný materiál z válcovací stolice vystupuje. Mezera mezi pracovními válci je menší než vstupní rozměr materiálu. Válcování se provádí za tepla i za studena. Výsledkem procesu je vývalek. Podle směru, kterým válcovaný materiál prochází pracovními válci, válcování dělíme na podélné, příčné a kosé (viz. obr. 5.1.1.1). Proces válcování je umožněn jen v důsledku tření mezi pracovními válci a válcovaným materiálem. Obr. 4.27.: Princip podélného (vlevo), příčného (uprostřed) a kosého (vpravo) válcování (1, 2 – válce, 3 – materiál)
Tažení drátů a profilů Tvářecí proces tažení drátů a profilů se provádí za studena a to ve více stupních. Možné přetvoření je omezeno pevností daného materiálu. Sám název výstižně upozorňuje na to, že při této operaci se materiál prodlouží ve směru tažení a tedy - má-li být zachován jeho objem - zmenší se průřez (viz. obr. 4.28.). Táhnout se dají plná i dutá tělesa. Nástroj je nepohyblivý. Pokud je vyčerpána plasticita, musí se provést mezioperační žíhání. Nejdůležitější podmínkou pro tažení drátů, trubek a profilů je snížení vnitřního pnutí pomocí mazání. Na obr. 4.28. vpravo je schéma tažného kužele v technologickém uspořádání. Průvlak sestává z většího počtu kuželů o různých vrcholových úhlech. Jejich funkce - (zleva) - je následující: vstupní kužel (zaváděcí), mazací, tažný, kalibrační a výstupní. Funkce jednotlivých částí průvlaku je dána jejich názvem.
63
Obr. 4.28.: Schéma tažnice a uspořádání průvlaku
Protlačování Protlačování provádíme za tepla, při poloohřevu a za studena. Napjatost v přetvářeném elementu materiálu je trojosá, všestranně tlaková. Protlačování za studena je u lehkých a barevných kovů známo a používáno již přes 100 let. Tímto způsobem se vyráběly a vyrábějí např. tuby, nábojnice apod. Protlačování ocelí bylo naproti tomu umožněno teprve vynálezem operace fosfátování, která výrazně snižuje součinitel tření mezi materiálem a nástrojem. Materiály s nízkým přetvárným odporem (zjednodušeně odpor proti tváření) - hliník a jeho slitiny - se dají protlačovat na jednu operaci, oceli a ostatní kovy se protlačují na více operací. Někdy je potřeba provádět i mezioperační žíhání. Protlačování dělíme na dopředné, zpětné, kombinované, stranové a radiální (viz. obr. 4.29.).
Obr. 4.29.: Dopředné (vlevo), zpětné (druhé zleva), kombinované (uprostřed), stranové (druhý zprava) a radiální (vpravo) protlačovaní Při dopředném protlačování se materiál pohybuje stejným směrem jako průtlačník, pří zpětném se pohybuje v protisměru, při kombinovaném v obou jmenovaných směrech. Při stranovém protlačování se tvářený materiál pohybuje kolmo na směr pohybu průtlačníku. Radiálním protlačováním rozumíme tváření, při kterém se materiál i části nástroje pohybují v radiálním směru vzhledem k ose materiálu. Proces protlačování ocelí za studena je omezen pevností materiálu průtlačnice. K protlačování za studena se používá většinou mechanických, klikových vertikálních lisů a lisů hydraulických. Při protlačování za tepla se zpracovávají materiály, jejichž tvářitelnost je za studena omezená a např. válcování by bylo příliš nákladné. Kování Kováním rozumíme objemové tváření za tepla prováděné úderem nebo klidně působící silou. Kování dělíme na volné, tj. na kovadlině nebo pomocí univerzálních kovacích podložek, a zápustkové, tj. ve tvarových dutinách (zápustkách).
64
Při volném kování docilujeme žádaný tvar výkovku pomocí univerzálních kovadel a speciálním polohováním výkovku. Kovadla jsou jednoduchých geometrických tvarů, jako např. kovadla rovinná, válcová, klínová apod. Docílení výsledného tvaru vyžaduje uvědomělý sled operací, při kterém všechny prostorové změny tvaru převádíme na pěchování. Tak např. kovářské prodlužování se provádí redukcí příčného průřezu pěchováním a zkrácení se provede rovněž zpěchováním příslušného rozměru. Volně kované výkovky se navrhují vždy v jednodušším tvaru, než jaký má mít výkovek. Tvarovanému zjednodušení se říká technologický přídavek. Vedle technologických přídavků má výkovek ještě přídavky na obrábění, a to v náležitých tolerancích. Volné kování má velký význam nejen pro tvarování výrobků, ale i pro zlepšení jejich mechanických vlastností (stupeň prokování). Účelem prokování je odstranění nestejnorodé hrubé licí struktury a metalurgických vad u ingotů, které snižují tvárnost a fyzikální a mechanické hodnoty a vlastnosti kovu. Volné kování je výhodné při výrobě malého počtu výkovků, např. při kování velkorozměrových kusů anebo v opravárenství. Při volném kování není zapotřebí žádných předběžných nákladů na zhotovení nástroje, avšak časové náklady na 1 kus jsou větší. Zápustkové kování slouží k výrobě velkého počtu tvarově stejných součástí z ocelí nebo jiných tvárných slitin. Zápustka je většinou dvoudílný nástroj. K zápustkovému kování používáme bucharů (kování úderem) a lisů (kování klidným tlakem). Při zápustkovém kování záleží počet kovacích dutin na tvaru výkovku, ale též na tvaru výchozího materiálu. Jen zřídkakdy se stane, že k vykování výkovku stačí jedna dutina. V případě složitějších tvarů je nutno kovat ve více dutinách. Operace zápustkového kování pak dělíme např. na rozdělování, předkování, kování a odstřižení výronku. Kovací (dokončovací, finální) dutina je opatřena okolo obrysu tvaru výkovku ještě výronkovou drážkou (viz. obr. 4.30.). Zúžená část se nazývá můstkem, rozšířená část je zásobníkem. Funkce výronku je dvojí: jednak pojmutí přebytečného materiálu, jednak ovlivnění toku materiálu uvnitř zápustky.
Obr. 4.30.: Výronková drážka (vlevo) v zápustce (a – buchar, b – lis) a tok materiálu ve výronkové drážce (vpravo) Zápustkový výkovek se navrhuje takto: Nejprve se pro žádaný tvar určí dělící rovina. Ve slévárenství jsme s výhodou volili jako dělící rovinu jednu z hlavních rovin odlitku. V kovárenství naopak volíme dělící rovinu středem nejhmotnější části 65
výkovku. Ke zvolené dělící rovině aplikujeme úkosy tvarů. Hodnoty úkosů pro zápustkové výkovky kované na bucharech se osvědčily ve velikosti 5 až 8o a při kování na lisech asi 3o.
4.4.2 Technologie plošného tváření Technologie plošného tváření se týká tváření, při němž je třetí hlavní deformace zcela zanedbatelná a výchozím polotovarem je přístřih plechu, tj. polotovarů charakteristických převahou dvou rozměrů nad třetím. Stříhání Stříhání je jedinou tvářecí operací, která směřuje k žádoucímu porušení materiálu. Při výpočtu tvářecích sil se to projeví tím, že zde použijeme meze pevnosti místo meze kluzu. Střižný nástroj se skládá ze střižníku a střižnice (viz. obr. 4.31.) mezi kterými je střižná vůle, resp. střižná mezera (1/2 střižné vůle). Nelze totiž bez zvláštních úprav postavit nástroj bez mezery kvůli nebezpečí havárie. Na docílení kvalitního výstřižku je důležitá optimální vůle mezi střižníkem a střižnicí. Jednostranná vůle bývá od 3 do 10 % tloušťky plechu v závislosti na tloušťce a pevnosti materiálu (s rostoucí pevností se vůle zvětšuje).
Obr. 4.31.: Schéma stříhání pomocí střižného nástroje (SK – střižník, SC – střižnice)
Stříhání probíhá ve třech fázích. V první fázi je oblast pružných deformací, kdy se materiál stlačuje a ohýbá a vtlačuje se do otvoru střižnice. Druhou fází je oblast plastických deformací. Střižník se vtlačuje do plechu a ten do otvoru střižnice až napětí překračuje mez kluzu a na hranách střižníku a střižnice se blíží mezi pevnosti. Ve třetí fázi začínají na hranách vznikat trhlinky, ty se rozšiřují až dojde k utržení (usmýknutí) materiálu. S ohledem na to nejsou okraje střihových ploch zcela rovinné a střižná plocha má určitou drsnost, která není v ploše rovnoměrně rozdělená. Místo, kde došlo k prvnímu výskytu trhlin, jsou drsnější než ostatní střižné plochy. U šikmého střihu se používají pákové nůžky, jejichž nože se pohybují úhlovým sklápěním. Pro podélné střihání dlouhých pásů se staví nůžky kotoučové. Je to střižný nástroj s odvalujícími se noži. Při střihání na lisech se používá některých složitějších nástrojů, sdružujících více střižných operací. Postupový nástroj provede více operací postupně, tj. na více zdvihů při posunu materiálového pásu. Nástroj sloučený nebo sdružený provádí více operací v jednom zdvihu na jednom pracovním místě. Jednotlivé operace jsou zajištěny konstrukcí střižníku. Kromě klasického stříhání existují i další operace, které se nazývají podle způsobu odstraňování materiálu. Patří sem děrování, vystřihování, ostřihování, přistřihování, atd.
66
Ohýbání K ohýbání používáme nástroje - ohýbadla, skládající se z ohybníku a ohybnice. Ohnutí tělesa (vzniklé tvary jsou nazpět rozvinutelné) do žádoucího tvaru využívá stejných zákonů plasticity jako ostatní způsoby tváření - překročením meze kluzu dosáhneme oblasti plastické deformace. Plastická deformace je doprovázena deformací elastickou. Pominou-li vnější síly na deformované těleso, rozměry tělesa se částečně vrátí do původních, tj. těleso odpruží. Zatímco u dříve probraných technologií bylo odpružení zanedbatelné, má při ohýbání značný význam. Odpružení při ohybu se projevuje jako úhlová odchylka, jejíž význam roste s délkou ramen. Při ohnutí materiálu vypočtenou silou dojde k odpružení o úhel β, který se určí buď podle empirických vzorků nebo z tabulek. Nástroj se proto musí navrhnout s korekcí o úhel odpružení a nebo se musí zvětšit lisovací síla na konci lisovacího cyklu - dochází k tzv. kalibraci. Všechny ohýbací operace není vhodné (a ani možné) dělat na lisu. Pro některé se staví speciální ohýbací stroje. Podobné výsledky, ale jiným pracovním postupem, dává tzv. ohraňovací lis. Ohraňovací lis je mechanický, obvykle vícebodový lis, umožňující použití dlouhých lištových nástrojů. Rovnání a kalibrace Rovnání tlakem, pod lisem, si lze představit jako „obrácený“ ohyb, při kterém uvádíme křivé části do roviny. I zde platí pravidlo současného působení elastických deformací s plastickými (po pominutí vnějších sil rovnané těleso odpruží), což se projeví zbytkovým zakřivením. U velmi tenkých materiálů a nebo u tvrdých materiálů roste lisovací síla do neúnosných hodnot a proto se rovnané těleso neuvede do plastického stavu v celém objemu, nýbrž jen v určitých, pravidelně rozložených místech. Jedná se o tzv. bodové, bradavkové rovnání nebo opakované prohýbání (viz. obr. 4.32.).
Obr. 4.32.: Rovnání bodové (vlevo), bradavkové (uprostřed) a opakované prohýbání (vpravo) Tažení plechů a pásů Tažením plechů a pásů vzniká prostorový výlisek nerozvinutelného tvaru. Podle tvaru výlisku můžeme proces tažení dělit na tažení mělké a hluboké, tažení bez a se ztenčením stěny, tažení rotačních a nerotačních tvarů a dále tažení nepravidelných tvarů (tzv. karosářské výlisky). Princip hlubokého tažení jednoduchého válcového tvaru s dnem je zřejmý z obr. 4.33. Hlavní funkční části tažného nástroje jsou tažník a tažnice. U tenkých plechů je ještě zapotřebí doplnit nástroj přidržovačem, který zabraňuje zvlnění plechu při tažení.
67
Obr. 4.33.: Tažný nástroj s přidržovačem v první a druhé tažné operaci (vlevo nahoře) včetně detailu příruby (vpravo) a detailu zvlnění po tažení bez přidržovače (vlevo dole) Zatlačujeme-li tažník do tažnice, posunuje se plech přes tažnou hranu, která se z celého nástroje nejrychleji opotřebuje. Síla potřebná k tažení se kontroluje z podmínky pevnosti válcové části nádoby, která se nesmí při tažení přetrhnout. Je nutné uvažovat vliv tření a zpevnění materiálu. Celkové přetvoření plechu při tažení je značné, celou nádobku nelze zpravidla vytáhnout v jedné operaci. Proto se první tah provádí mělký a o velkém průměru. Potom tažení pokračuje dalším tahem a to vždy na menší průměr. Současně roste výška výtažku. Počet tahů určuje poměr průměru přístřihu k průměru výtažku. Při vyčerpání plastičnosti je nutné provést mezioperační žíhání. Speciální technologie zpracování plechů a pásů tvářením Patří sem např. výroby nádob tzv. kroužlením, tlačením. Rotační model nádoby se upevní na stroj spolu s nástřihem. Model s nástřihem se uvede do rotace a nástřih se přitlačuje zvláštními nástroji k modelu. Nástroje jsou na funkčním konci opatřeny buď třecím nebo valivým zakončením. Plech nástřihu se postupně přitlačuje a přetváří se v tvar modelu. Při tom dochází ke ztenčení tloušťky plechu. Kroužlení se používá v těch případech, kde tažení vyžaduje příliš velký počet operací a nebo není možné. Pro tváření s požadavkem většího zdvihu (např. hlubší tah) je jako pružné prostředí výhodnější tlaková kapalina. Proces bývá často uváděn pod názvem hydromechanické tažení. V poslední době se často využívá možností tváření velkými energiemi získanými explozí trhavin buď ve vzduchovém prostředí nebo ve vodě.
68
4.5 Technologie zpracování plastů Ke zpracování plastů se používá řada technologií. Použitelnost způsobu zpracování plastů je závislá jednak na technologických vlastnostech zpracovávaného plastu, jednak na tvaru a funkci výrobku, kterou má během své životnosti plnit. Podle vztahu mezi plastem vstupujícím do procesu a výsledkem tohoto procesu lze technologie pro zpracování plastů rozdělit do následujících skupin: •ι tvářecí technologie – zahrnují technologie, při kterých se tvar výchozího materiálu mění zásadním způsobem, tzn. že dochází ke značnému přemísťování částic materiálu. Tváření probíhá za působení teploty a tlaku nebo obou vlivů současně. Patří sem vstřikování, vytlačování, lisování, válcování, ale i odlévání, laminování, vypěňování, apod. Výsledkem je buď výroba konečného dílu a nebo výroba polotovaru. •ι tvarovací technologie – zahrnují technologie, u kterých se vychází z polotovaru a hmota mění tvar bez velkého přemísťování částic. Může se uplatňovat vliv zvýšené teploty i tlaku, ale také nemusí. Patří sem tvarování desek, výroba dutých těles, ohýbání trubek, obrábění plastů, spojování a spékání plastů. •ι doplňkové technologie – slouží k úpravě vlastností hmoty před zpracováním (míchání a hnětení, sušení, granulace, předehřev, atd.) a nebo naopak k úpravě finálních výrobků (potiskování, natírání, atd.) a také recyklace. Je zřejmé, že se u jednoho druhu plastu při výrobě finálního výrobku můžeme setkat s technologiemi, patřícími do všech skupin. U každé technologie lze zpravidla vyčlenit tři fáze, které tvoří: příprava hmoty nebo polotovaru; vlastní zpracovatelský proces; dokončovací operace. Plasty se zpracovávají při takových termodynamických podmínkách, které umožňují dodat jim požadovaný tvar, aniž by byly nepříznivě ovlivněny jejich fyzikální nebo mechanické vlastnosti. Pro tváření, které je provázeno menšími čí většími přesuny hmoty, je nutné převedení materiálu do viskózně tekutého stavu (u amorfních plastů nad teplotu viskózního toku Tf, u krystalických plastů nad teplotu tání Tm a u reaktoplastů nad teplotu Tf, ale pouze do doby, dokud neproběhlo zesíťování). Čím větší přesuny hmot se požadují, tím musí být teplota vyšší, ale pouze tak, aby se nepřekročila teplota rozkladu. Na druhé straně existuje jak pro amorfní, tak i pro krystalické plasty teplota zeskelnění Tg, pod kterou přechází plast do stavu sklovitého. Přechodovou oblastí je stav kaučukovitě elastický.
4.5.1 Přípravné technologie Před zpracováním plastů musí být nejdříve upravena fyzikální a chemická struktura, musí být do plastů přidány určité přísady (změkčovadla, tepelné nebo světelné stabilizátory, nadouvadla, barviva, plniva, apod.), musí se odstranit těkavé podíly (voda, monomer, atd.) a musí být plastům dána určitá forma (tvar) pro další zpracování (prášek, granule, apod.), k čemuž slouží přípravné operace. Patří sem míchání, hnětení, granulace, tabletování a sušení.
4.5.2 Vstřikování plastů Vstřikování je způsob tváření plastů, při kterém je dávka zpracovávaného materiálu z pomocné tlakové komory vstříknuta do dutiny formy. Tlaková komora je součástí vstřikovacího stroje a zásoba vstřikovaného materiálu se v ní stále doplňuje
69
během cyklu. Vstřikování patří k nejrozšířenějším a nejdůležitějším technologiím zpracování termoplastů. Výrobky zhotovené vstřikováním se vyznačují velmi dobrou rozměrovou i tvarovou přesností a vysokou reprodukovatelností mechanických a fyzikálních vlastností. Jejich tvar může být velice jednoduchý, ale stejně tak i značně složitý a jejich hmotnost může činit třeba jen zlomky gramu, zatímco nejtěžší výrobky váží až několik desítek kilogramů. Vstřikovací proces probíhá na moderních strojích většinou plně automaticky, takže se dosahuje vysoké produktivity práce. K přednostem vstřikování rovněž patří vysoké využití zpracovávaného materiálu, které se často blíží 100 %. Tím se splňují požadavky kladené na bezodpadovou technologii. Pořizovací cena strojního zařízení i vstřikovací formy je však značně vysoká. Technologie je proto vhodná pro velkosériovou a hromadnou výrobu. Vstřikování termoplastů Vstřikováním lze zpracovávat téměř všechny druhy termoplastů. K nejčastěji vstřikovaným termoplastům patří polyolefíny (PE, PP), styrénové plasty (PS, SB, SAN, ABS) a dále PA, PC, POM, PPO, PET a další. PVC vyžaduje pro vstřikování speciálně upravené složení. Vstřikování je dějem cyklickým. Vstřikovací cyklus tvoří sled přesně specifikovaných úkonů. Princip vstřikování je následující: Plast ve formě granulí se nasype do zásobníku vstřikovacího stroje (viz. obr. 4.34.). Odtud přichází do tavící komory, vyhřívané odporovými pásy, kde působením tepla taje (plastikace) a v roztaveném stavu je vstřikován a dotlačován (dotlak) pohybem šneku nebo pístu do dutiny vstřikovací formy. Forma je kovová a temperována na požadovanou teplotu dle druhu plastu většinou pomocí vody. Hmota zcela zaplní dutinu formy, čímž zaujme její tvar a ochlazením přejde do tuhého stavu. Potom se forma v dělící rovině otevře a výrobek je vyhozen pomocí vyhazovacího systému ze vstřikovací formy. Nato se forma opět zavře a celý cyklus se opakuje. Při popisu vstřikovacího cyklu je nutno jednoznačně definovat jeho počátek. S výhodou lze za počátek cyklu považovat okamžik odpovídající impulsu k uzavření formy. Vstřikovací cyklus však můžeme posuzovat i z hlediska zpracovávaného plastu a s výhodou jej vyjádřit jako závislost tlaku v dutině formy na době. Tento tlak se nazývá vnitřní tlak a značí se pi. Kromě vnitřního tlaku existuje i vnější tlak, označovaný p, kterým se myslí tlak vztažený na jednotku plochy průřezu šneku.
Obr. 4.34.: Schéma vstřikovacího stroje - šneková plastikace (1 – doraz, 2 – tyč vyhazovače, 3, 5 – upínací desky, 4 – forma, 6 – vstřikovací tryska, 7 – špice šneku, 8 – zpětný uzávěr, 9 – šnek, 10 – tavící komora, 11 – topná tělesa, 12 – násypka, 13 – granule plastu, 14 – deska vyhazovačů, 15 – kotevní deska, 16 – vyhazovače, 17 – výstřik)
70
Výrobek získaný vstřikováním se nazývá výstřik. Velikost stroje je určena maximální hmotností výstřiku (včetně hmoty ve vtokových kanálech), který je možno na stroji vyrobit při jednom pracovním zdvihu šneku – vstřikovací kapacita Qv. Důležitým údaji jsou i plastikační kapacita Qp (množství hmoty v kg, které lze na daném stroji převést do plastického stavu za jednu hodinu), přisouvací síla Fp (síla při zavírání formy) a uzavírací síla Fu (síla, která drží formu v zavřeném stavu během vstřikování). Vstřikování reaktoplastů Kromě vstřikování termoplastů se mohou vstřikovat i reaktoplasty. V současné době se zpracovává asi 30 % reaktoplastů vstřikováním. Vstřikováním lze prakticky zpracovávat veškeré druhy reaktoplastů. Oproti lisování reaktoplastů má vstřikování pryskyřic tyto výhody: předehřev hmoty, dávkování, plastikace a vstřikování se uskutečňuje v jedné jednotce, použití mnohem kratších vytvrzovacích časů, není zde technologický odpad, proces lze automatizovat. Hlavní rozdíl mezi zpracováním termoplastů a reaktoplastů spočívá jednak v rozdílné závislosti viskozity na teplotě a jednak v tom, že místo doby chlazení je zde doba vytvrzování. Forma se nechladí, ale je vyhřívána na vytvrzovací teplotu (dle druhu reaktoplastu na 150 oC až 190 oC) a doba cyklu je v podstatě dána dobou vytvrzování, kdy hmoty s lepší tekutostí potřebují delší vytvrzovací časy. Kromě těchto rozdílů se liší hlavně šnek, který má potlačenu kompresní část, aby nedošlo k přílišnému smykovému namáhání a tím k předčasnému vytvrzení a také stroje musí vyvinout vyšší kroutící momenty a vyšší vstřikovací časy. Ostatní činnosti jsou obdobné, jako u vstřikování termoplastů. Vstřikování strukturních pěn Výrobky ze strukturních pěn mají kompaktní povrchovou vrstvu a napěněné jádro. Plasty pro výrobu strukturních pěn jsou nadouvány přídavkem 0,7 až 3 % chemického nadouvadla nebo fyzikálně přídavkem uhlovodíků a výrobky jsou ve fázi plnění dutiny formy asi o 10 % vypěněny. Objemem přidaného nadouvadla lze získat buď lehký nebo těžký výstřik. Strukturní pěny lze zpracovávat na běžných vstřikovacích strojích s dostatečnou vstřikovací rychlostí. Oproti vstřikování termoplastů jsou v tomto případě chladící časy mnohem delší v důsledku špatného přenosu tepla pěnou. Vstřikování sendvičů Při vstřikování sendvičů se využívá laminárního proudění taveniny v dutině formy. Do formy je nejdříve vstříknuta hmota, která tvoří povrchovou vrstvu výstřiku a vzápětí je vstříknuta hmota, tvořící jádro výrobku. Sendvičové vstřikování je velmi úspornou technologií, protože pro jádro výrobku je možné použít levný plast a nebo recyklát a pouze na povrch výrobku kvalitní materiál a i přesto lze dosáhnout přijatelných konstrukčních vlastností. GIT - vstřikování s plynem Jedná se o ekvivalent vstřikování termoplastů, kdy se do určitých míst výstřiku (expanzi vnitřního jádra nebo pro vytvoření dutiny) přivádí plyn, většinou dusík, čímž se vytvoří výlisek o zdánlivě velkém průřezu, přičemž odpadne nutnost chladit velké
71
množství roztavené plastické hmoty. Výhodou GIT (gas injection technology) je snížení uzavíracích sil, snížení smrštění, délky cyklu, hmotnosti výrobku, nízká deformace ploch výrobků a zachování požadovaných mechanických vlastností. Tlak plynu přebírá funkci dotlaku. Je však velmi důležité kontrolovat směr pohybu plynu, ale i jeho rozdělení. Při vstřikování je nejprve vstříknut plast a potom teprve plyn. Současné vstřikování plastu a plynu není možné, protože by se plyn dostal na povrch výrobku. U tlustostěnných výstřiků dochází při použití plynu k redukci hmotnosti až o 50 % a ke zkrácení doby cyklu (doby chlazení) také až o 50 %. Vícekomponentní vstřikování Technologie vícekomponentního vstřikování se liší od vstřikování tím, že k jedné uzavírací jednotce jsou přiřazeny dvě (dvoukomponentní) nebo tři (tříkomponentní, ale i více) vstřikovací jednotky. Po vstříknutí prvního (menšího) výstřiku se forma otevře, je vyhozen vtok a následuje pootočení formy spolu s výstřikem k další vstřikovací jednotce. Tam je výstřik znovu uzavřen do nepohyblivé části formy a je dostříknut do konečného tvaru. U tříkomponentního vstřikování se výstřik natáčí buď o 120o nebo o 180o. Hybridní technologie na bázi vstřikování Principem hybridních technologií je postup, kterým je tavenina plastu nastříknuta na jiný materiál (kov, textilie, aj.), čímž dojde ke spojení těchto dvou materiálů a ke vzniku jednoho výrobku s lepšími vlastnostmi. Zároveň dojde k úspoře hmotnosti materiálu, k zlepšení korozní odolnosti apod. Kromě plechu lze do formy vkládat i textilie a tkaniny z různých materiálů. Protože vlákna jsou do formy umístěna předem, tak se dá velice dobře řídit orientace vláken a jejich hustota ve výsledném dílu. Procentový obsah vláken musí být vysoký, aby se zabránilo odplavení polymeru, vyztužujícího vlákna mimo původní umístění (vstříknutím plastu změní svou polohu asi 30 % vláken).
4.5.3 Vytlačování termoplastů Vytlačování patří k jednomu z nejrozšířenějších způsobů tváření plastů. Od vstřikování se liší tím, že se jedná o proces kontinuální, při kterém je plast vytlačován přes profilovací otvor (hubici) do volného prostoru. Potřebný tlak je dán otáčkami šneku. Nejčastěji se používá pro zpracování polyvinylchloridu (PVC), polyolefínů (PE, PP) a pod. Stroje, používané pro zpracování plastů, se jednak dělí na pomaloběžné a rychloběžné (hranicí je obvodová rychlost šneku 0,5 m.s-1) a jednak podle konstrukce na pístové, šnekové a diskové. U rychloběžných strojů se třením vyvíjí tak velké množství tepla, že stačí k roztavení hmoty a ohřev je potřebný pouze při rozběhu. K vytlačování se nejčastěji používají šnekové stroje (viz. obr. 4.35.) a v omezené míře i stroje pístové a diskové. Pístové stroje jsou vhodné k vytlačování materiálů citlivých na teplotu, ale na druhé straně u nich není splněna podmínka nepřetržitého procesu. Diskové stroje využívají tzv. Weissenbergova efektu, který souvisí s viskoelastickými vlastnostmi tavenin plastů. Mezi výhody patří rychlá plastikace a dobré odplynění, tlaky jsou však poměrně malé. Nejdůležitější částí nejenom vytlačovacího stroje je šnek (viz. obr. 4.34. a 4.35.), který se dělí na obyčejný (stejné stoupání závitu i stejná hloubka drážky po 72
celé délce šneku) a diferenciální (rozdílnou buď hloubku nebo stoupání závitu). Pro diferenciální šneky je charakteristický kompresní poměr, což je poměr objemů závitů šneku pro jedno stoupání na výstupu k objemu závitu pod násypkou. Šnek má tři vyhraněná pásma, lišící se hloubkou drážky. Pod násypkou je hloubka největší a toto pásmo se nazývá vstupní nebo dopravní (ld). Následuje pásmo kompresní neboli přechodové (lk), kde se hloubka drážky zmenšuje a plast taje a je stlačován. Poslední část šneku je výstupní neboli homogenizační pásmo (lh), ve kterém je hloubka nejmenší a dokončuje se plastikace a zajišťuje teplotní homogenizace. Vytlačovací stroje jsou součástí jednotlivých a přesně nakonstruovaných technologických postupů „na míru“, kterých existuje velké množství a používají se např. k výrobě trubek, desek, profilů, fólií, apod. Obr. 4.35.: Jednošnekový vytlačovací stroj (1 – pracovní válec, 2 – pouzdro, tavící komora, 3 – šnek, 4 – vytlačovací hlava, 5 – hubice, 6 – trn, 7 – lamač, 8 – topení, 9 – chlazení, 10 – násypka) Výroba trubek a hadic Při výrobě trubek a hadic se používá přímých vytlačovacích hlav (viz. obr. 4.36.), ve kterých je polohovatelný trn, který rozvádí plast ke stěnám hubice. Vytlačená trubka se ihned kalibruje (fixace rozměru a tvaru) a je odtahována přes ochlazovací zařízení k dalšímu zpracování (potisk, navíjení, řezání, atd.). Kalibrace se provádí buď podtlakově, přetlakově nebo průvlakově, aby nedocházelo ke zvětšování rozměrů vlivem elastického odpružování taveniny plastu, které jsou závislé na technologických podmínkách zpracování – teplotě a tlaku. Stejným způsobem, jako se vyrábějí trubky, se vyrábějí i plné tyče a profily (např. okenní profily).
Obr. 4.36.: Přímá vytlačovací hlava na trubky (1 – těleso hlavy, 2 – hubice, 3 – rozdělovač, 4 – trn, 5 – přívod vzduchu, 6 – středící šroub, 7 – topné těleso) Výroba desek a fólií Desky a fólie se vyrábějí vytlačováním hmoty plochou (viz. obr. 4.37.) nebo příčnou (viz. obr. 4.38.) hlavou.
73
Obr. 4.37.: Plochá hlava (1 – těleso hlavy, 2 – spodní pevná čelist, 3 – horní stavitelná čelist, 4 – škrtící můstek, 5, 6 – stavěcí šrouby, 7 – příčný rozváděcí kanál, 8 – topení)
Obr. 4.38.: Příčné vytlačovací hlavy (1 – těleso hlavy, 2 – rozdělovač, 3 – trn, 4 – hubice, 5 – stavěcí šrouby, 6 – přívod vzduchu, 7 –topení, 8 – chladící prstenec, 9 – přívod chlad.vzduchu)
Hranicí mezi deskou a fólií je tloušťka 0,5 až 1 mm. Nad tloušťkou 1 mm jsou desky, pod 1 mm tloušťky jsou fólie. Čím je tloušťka menší, tím je obtížnější vytlačování provést (seřízení štěrbiny a tlaku v hubici). Kalibrace rozměrů je zajištěna průchodem desky nebo fólie válcovacím strojem. U příčných vytlačovacích hlav je do vytlačené trubky vháněn osou hlavy vzduch o přesném tlaku, který zajišťuje rozšíření průměru trubky a tím zmenšení tloušťky stěny. Následuje ochlazení okolním vzduchem. Oplášťování kabelů a vodičů Oplášťování je vytvoření souvislého povlaku na tuhém jádře a provádí se také na vytlačovacích strojích, opatřených přímou, příčnou nebo šikmou hlavou (viz. obr. 4.39.). Plášť může vznikat buď přetlakem ve vytlačovací hlavě nebo podtlakem vně vytlačovací hlavy. Rychlost oplášťování závisí na tloušťce nanášené vrstvy, teplotě drátu a jeho materiálu.
Obr. 4.39.: Rozdělení oplášťovacích hlav (vlevo - přímá hlava, uprostřed - příčná hlava, vpravo - šikmá hlava) (1 – jádro, drát k opláštění, 2 – oplášťovací materiál, 3 – opláštěný výrobek)
74
4.5.4 Vyfukování plastů Vyfukování je technologický postup výroby dutých předmětů rotačních, ale i nepravidelných tvarů. Mezi hlavní aplikace patří např. palivové nádrže, láhve a nádrže pro rozličné kapaliny, apod. Vyfukování plastů je technologie, při které se vhodný polotovar z termoplastu tvaruje ve vyfukovací formě (hliník a jeho slitiny) pomocí tlaku vzduchu do požadovaného tvaru. Vyfukování se podle druhu výroby dělí na vytlačovací vyfukování a vstřikovací vyfukování. Nejdelší částí vyfukování je chlazení výrobku po vyfouknutí a doba chlazení určuje výkonnost celého zařízení. Zkrácení doby chlazení vyžaduje především účinné chlazení formy a k tomu i rychlé a efektivní vnitřní chlazení. Nejčastěji používané chlazení vzduchem, popř. vodní mlhou, nepřináší očekávané zkrácení doby cyklu: přistupuje se proto k nastřikování kapalného dusíku nebo oxidu uhličitého, které zkracuje chladící dobu skoro o 30 %. Důležitou činností je dokonalé odvzdušnění vyfukovací formy, protože uzavřený vzduch by bránil přesnému zaplnění dutiny formy v důsledku malých vyfukovacích tlaků (1 až 2 MPa). Vytlačovací vyfukování se v současné době používá pro více jak 90 % vyrobených dutých těles z plastů a nejčastěji se touto technologií zpracovávají polyolefíny (PE, PP), které zaujímají skoro 80 % spotřebovaného materiálu k výrobě dutých těles. Princip výroby spočívá ve vytlačení trubky (tzv. parizonu) z vytlačovacího stroje, která je stále ještě v plastickém stavu uzavřena do vyfukovací formy a tlakem vzduchu vyfouknuta do požadovaného tvaru (viz. obr. 4.40).
Obr. 4.40.: Postup výroby dutých těles z parizonu
Po ochlazení je výrobek vyjmut, začištěn a tlakově zkoušen. Vzduch je do vyfukovací formy přiváděn buď horem (kvalitnější dno) nebo spodem (kvalitnější hrdlo), příp. bokem. Přivádí se buď trnem nebo jehlou. Nevýhodou vytlačovacího vyfukování je poměrně malá přesnost výrobků, poměrně velký odpad, svar v místech uzavření parizonu a poměrně velké množství dodatečných operací. Tak např. při výrobě palivové nádrže je odpad skoro 40 % hmotnosti parizonu a k vyfouknutému tělesu se ještě musí dodatečně po opracování přivařit hrdla a vypíchnout otvor pro palivoměr. Vstřikovací vyfukování na rozdíl od vytlačovacího vyfukování je cenově náročnější, protože jsou potřeba dvě formy, vstřikovací a vyfukovací. Na druhé straně předlisek má mnohem vyšší přesnost tvarových částí a navíc lze vyrábět dutá tělesa s rovnoměrnou nebo proměnnou tloušťkou stěny. Výrobky mají lepší vzhled, tuhost, mnohem nižší propustnost plynů a par a nemají svar. Nevýhodou je poměrná složitost a omezená velikost výrobku. Kromě těchto dvou základních technologií se používá i výroba dutých těles z fólií, kdy jsou dvě fólie sevřeny čelistmi kovové formy a mezi fólie se přivede horký vzduch, který fólie zplastikuje a vytvaruje podle dutiny formy. Výrobek má svar. 75
4.5.5 Tvarování plastů Ve všech dříve uvedených operacích byl plast zpracováván v plastickém stavu. Při tvarování za tepla je postup zpracování odlišný. Plast ve formě polotovaru (fólie, desky) je předehřátý na teplotu odpovídající kaučukovitému stavu, pak je vhodným způsobem tvarován a po dosažení definitivního tvaru je ochlazen. V dnešní době se tvarováním zpracovávají desky do tloušťky 10 mm a fólie od tloušťky 0,1 mm. Typická je výroba velkoplošných výlisků. Tvarování za tepla se provádí různými způsoby. Zásadně rozeznáváme pozitivní a negativní tvarování. Častěji používané negativní tvarování umožňuje širší variabilitu procesu tvarování uplatněním vakua, tlakového vzduchu, předtvarování tvárníkem či stlačeným vzduchem atd. Podle působícího tlaku se tvarování dělí na mechanické a pneumatické, které podle tlaku vzduchu lze potom rozdělit na tvarování podtlakové, přetlakové a kombinované. Při prostém tvarování se dosahuje stupně tvarování cca 40 % průměru formy, zatímco při použití předtvarování se dosahuje 100 až 250 %, v extrémních případech 400 až 500 % (viz. obr. 4.41.).
Obr. 4.41.: Negativní podtlakové tvarování s mechanickým a pneumatickým předtvarováním (A – ohřev, B – pneumatické předtvarování, C – mechanické předtvarování, D, E – dotvarování podtlakem)
Přetlakové tvarování se používá pro tvarování zvlášť tlustých desek (10 mm a více) a nebo pro tvarování zvlášť pevných materiálů. I zde může být použito předtvarování. Pro větší hloubky se používá předtvarování, které jednak zabraňuje předčasnému dotyku desky s formou a jednak zajišťuje rovnoměrné ztenčení stěny. Plocha tvárníku je max. 70 % celkové tvarované plochy a předtvarování je max. do 70 % hloubky konečného výrobku. Tvárník musí být z materiálu, který špatně vede teplo. Při tvarování za tepla probíhají tyto operace: ohřev, tvarování, ochlazení, vyjmutí a začištění výlisku. Ohřev musí umožnit rovnoměrné ohřátí desek co největší rychlostí, ale bez poškození desek nadměrným tepelným namáháním. Desky do tloušťky 2,5 mm jsou ohřívány jednostranně, zatímco tlustší desky jsou ohřívány oboustranně. Většina plastů vyžaduje při oboustranném ohřevu dobu cca 10 s na 1 mm tloušťky. Rychlost tvarování musí být tak velká, jakou materiál dovolí a tvarovací síla musí působit po celou dobu chladnutí, aby nedocházelo k jeho deformaci. Nejdelší operací tvarovacího cyklu je chlazení. Dobrých výsledků lze dosáhnout při použití kovových forem s chladícími kanálky. Účinnost chlazení se dále zvětšuje
76
ofukováním povrchu výlisku stlačeným vzduchem (o 20 %), popř. vodní mlhou (o 70 %). Výrobky získané tvarováním za tepla je nutno vyjmout z formy a zbavit je okrajů, za které byly upnuty v upínacím rámu. Kromě tvarování polotovarů pomocí tlaku vzduchu se k výrobě výtažků používá i mechanické síly (viz. obr. 4.42.). Hlavní oblastí použití této technologie tvarování (někdy bývá zařazena i mezi lisování) je výroba klasických dílů nebo dílů plněných vyztužujícími plnivy (vrstvenné hmoty), a to buď plošných výlisků, nebo objemových výlisků. Výhodou je vysoká produktivita práce, nevýhodou je vyšší cena oproti klasickému tvarování a také poměrně velký odpad.
Obr. 4.42.: Princip lisování z polotovarů Tvarovací formy jsou vyráběny z materiálů, které jednak dobře odvádějí teplo, ale přitom nemusí být nijak pevné v důsledku malých tvarovacích tlaků a krátkodobého působení teploty. Obvykle jsou ze slitin hliníku. Konstrukčně jsou velmi jednoduché a tedy i levné, musí však být opatřeny odsávacími otvory. Výhody technologie tvarování zahrnují nízké náklady na nástroje a ekonomickou malovýrobu, zatímco nevýhody zahrnují dlouhé doby cyklu a špatnou rozměrovou přesnost, resp. nerovnoměrné ztenčování stěny.
4.5.6 Lisování a přetlačování reaktoplastů Výhody lisování oproti vstřikování jsou následující: vnitřní pnutí ve výliscích je minimální, nedochází k lámání vláken při zpracování, lze vyrábět tenkostěnné výlisky bez nebezpečí deformací, levnější formy a stroje. Lisováním (viz. obr. 4.43.) se rozumí způsob tváření materiálu v kovové formě mezi tvárníkem a tvárnicí, při kterém hmota účinkem tlaku a teploty je tvářena do požadovaného tvaru. Obr. 4.43.: Princip lisování termoplastů (A – vložení reaktoplastu do dutiny formy, B – lisování a vytvrzování, C – vyhození výlisku)
Cyklus lisování je obdobný jako u vstřikování pouze s tím rozdílem, že při lisování reaktoplastů musí dojít k vytvrzení a tedy doba chlazení je nahrazena dobou vytvrzování (ohřev formy), která výrazně ovlivňuje celkový cyklus výroby. Platí, že na každý milimetr tloušťky stěny výlisku je podle teploty zpracování a podle použité hmoty potřeba 15 až 60 s. Doba vytvrzování závisí kromě tloušťky výrobku 77
na druhu plastu a technologických podmínkách. Dalším rozdílem je dávkování hmoty do formy o větším objemu, než je objem dutiny formy: tato přebytečná hmota je na výrobku ve formě přetoku a po skončeném cyklu musí dojít k očištění nástroje. Důležitým parametrem je teplota formy (ovlivňuje jak plnění formy, tak i průběh vytvrzování), která musí být pro obě poloviny nástroje stejná. Lisovací formy jsou konstruovány jako jednonásobné nebo vícenásobné a jsou vytápěny elektrickými topnými patronami nebo pásovým topením. Podle použitého lisovacího tlaku se rozlišuje lisování na nízkotlaké a vysokotlaké (hranicí je lisovací tlak 3,5 MPa). Vlastní lisovací cyklus se skládá z několika po sobě jdoucích operací: příprava lisovací formy (očištění od přetoků, separace proti lepivosti, apod.), plnění formy bud práškem (vysoká prašnost) a nebo připravenými tabletami, uzavření formy a lisování, odvzdušnění formy (slouží k odstranění těkavých zplodin a probíhá za nižšího tlaku, než je tlak lisovací), vytvrzování (nejdelší část lisovacího cyklu), otevření formy a vyhození výrobku. Po vychladnutí výlisku následuje mechanické očištění přetoků (ručně nebo obráběním na strojích). Přetlačování je takový způsob tváření reaktoplastů, při kterém se dávka plastu nevkládá přímo do tvarové dutiny formy, ale do materiálové komory, umístěné v ose formy. Odtud je zplastikovaná hmota přetlačena pístem přetlačovacími kanály do vlastní tvarové dutiny formy. Princip je na obr. 4.44.
Obr. 4.44.: Princip přetlačování reaktoplastů (1 – přetlačení vloženého plastu, 2, 3, 4 – vyhození výlisku)
Přetlačovací cyklus je analogický s cyklem lisovacím pouze s tím rozdílem, že při vyhazování výlisku se musí současně z formy odstranit i hmota z přetlačovacích kanálků a materiálové komory. Přetlačování oproti lisování umožňuje vyrábět výlisky tvarově mnohem složitější, s tenkými stěnami a bez přetoků. Na druhé straně je však ekonomicky náročnější v důsledku složitějších forem a rovněž množství nezpracovaného odpadu je vyšší.
4.5.7 Odlévání plastů Odléváním se zpracovávají některé druhy termoplastů (PMMA, PA, PVC) a reaktoplastové pryskyřice na výrobky spotřebního charakteru a výrobky s velkou tloušťkou stěny. Přednost odlévání spočívá v tom, že probíhá bez tlaku a proto mohou být formy jednoduché konstrukce a z málo pevných materiálů (olovo, sklo, apod.) a výrobky mají minimální vnitřní pnutí. Z technologického hlediska se odlévání děli na: přímé (statické), při němž se forma nepohybuje, odstředivé (rotační), při kterém forma rotuje podle jedné nebo více os.
78
5.
VÝROBNÍ STROJE
Ke správnému porozumění obsahu této kapitoly je vhodné připomenout význam některých pojmů: Stroj – je obecně mechanické zařízení, které má za cíl usnadnění, zrychlení a zpřesnění lidské práce. Mechanizace – označuje proces, kdy využíváme strojů k odstranění namáhavé a především opakující se fyzické práce člověka Automatizace – je proces, kdy technické zařízení nejen nahrazuje fyzickou práci člověka, ale vykonává za něho i rutinní řídící činnost.
5.1. Dělení výrobních strojů Na výrobní stroje lze pohlížet z různých hledisek. např. je lze dělit: 1. podle zpracovávaného materiálu na stroje na kovy, dřevo, plasty; 2. podle technologického procesu na stroje tvářecí (lisy, buchary, rovnačky, ohýbačky, tvarovací stroje,..), obráběcí (soustruhy, frézky, vrtačky, vyvrtávačky, hoblovky, obrážečky, brusky,..), slévací (gravitační, tlakové,..), svařovací (obloukové, odporové, tavné, ), montážní (polohovací, spojovací, lakovací, balicí, ..) a pod.; 3. podle použitých mechanizmů na stroje elektrické, hydraulické, pneumatické; 4. podle šíře možného využití na stroje konvenční (universální) s velkou šíří operací ovládaných obsluhou, speciální určené pro omezený typ výrobků (např. stroje na ozubení), či jednoúčelové určené pouze na specifický jeden výrobek, 5. nebo podle stupně automatizace (pružnosti) na KOS, CNC, OC, PVS, VOC, PVL,PSS, JUS, AL tj. KOS – konvenční obráběcí stroje tj. stroje s ruční obsluhou, CNC – počítačem číslicově řízené stroje (Computer Numerically Controlled), OC – obráběcí centra soustřeďující více možných operací, PVS – pružné výrobní systémy, VOC – více-vřetenová obráběcí centra, PVL – pružné výrobní linky, PSS – přestavitelné stavebnicové stroje, JUS – jednoúčelové stroje, AL – automatické linky. Stupeň pružnosti označuje snadnost přizpůsobení stroje novému výrobku současně s možností zvýšení jeho produktivity (tj. zkrácení potřebného času na vyrobení jednoho kusu). Pružnost stroje charakterizuje jeho možnost adaptace na nový výrobek. Pružný stroj – adaptuje (přizpůsobuje) se snadno a rychle, na př. výměnou programu. Tvrdý stroj – se adaptuje (přizpůsobuje) obtížně, pomalu, vyžaduje minimálně dílčí konstrukční úpravy (na př. nové vačky vačkového automatu).
79
Tak jako popisujeme rozměry a velikost součásti kótami v rovinách zobrazení, tj. v pravoúhlém systému v rovinách nárysu, půdorysu a bokorysu, tak obdobně probíhá pohyb a polohování nástroje, který zajistí příslušné obrobení na dané rozměry. Pro automatické řízení stroje rozlišujeme vykonání dílčích pohybů v jednotlivých osách stroje. Řízené pohyby při obrábění charakterizují tedy osy výrobního stroje: pohyby mohou být translační (posuvy) nebo rotační (otáčení, naklápění). Hlavní osa označená „z“ nebo „w“ je směr osy hlavního vřetena stroje. Ostatní směry jsou v hlavních osách „x“ a „y“ nebo sdružených osách „u“, „v“ (posuvy). Pohyby „A“, „B“, „C“ vyjadřují otáčení kolem os x, y, z (rotaci). Kladný kartézský systém souřadnic je uspořádán dle pravidla pravé ruky podle schematického obrázku obr. 5.1 . Obdobně je specifikován i kladný směr rotace, což je směr ve kterém se bude pohybovat (posouvat) např. pravotočivý šroub, budeme-li jím otáčet ve směru otáčení hodinových ručiček.
Obr. 5.1.: Uspořádání kladného kartézského systému souřadnic Na obr. 5.2. jsou ukázány příklady uspořádání: dvouosého automatického soustruhu na hřídele tříosého automatického revolverového soustruhu svislého soustruhu (karuselu) s jedním suportem svislého soustruhu (karuselu) se třemi suporty tříosé vodorovné vyvrtávačky stolové čtyřosé vodorovné vyvrtávačky stolové čtyřosého soustružnického automatu čtyřosého vertikálního frézovacího centra šestiosého vertikálního frézovacího centra čtyřosého vodorovného frézovacího centra čtyřosého vodorovného frézovacího centra čtyřosého vodorovného frézovacího centra
80
Obr. 5.2.: Příklady různých obráběcích strojů a) - dvouosého automatického soustruhu na hřídele, b) - tříosého automatického revolverového soustruhu, c) - svislého soustruhu (karuselu) s jedním suportem, d) - svislého soustruhu (karuselu) se třemi suporty, e) tříosé vodorovné vyvrtávačky stolové, f) - čtyřosé vodorovné vyvrtávačky stolové
81
Obr. 5.2.: Příklady různých obráběcích strojů a center - pokračování g) – čtyřosého soustružnického automatu, h) – čtyřosého vertikálního frézovacího centra, i) – šestiosého vertikálního frézovacího centra
82
Obr. 5.2.: Příklady různých obráběcích center - pokračování j) - čtyřosého vodorovného frézovacího centra, k) – čtyřosého vodorovného frézovacího centra, l) – čtyřosého vodorovného frézovacího centra
83
Obr. 5.2. pokračování: Příklad bezobslužného CNC stroje: 1 – přepravní technologická paleta obrobku, 2 – stojan stroje s vřeteníkem a vodorovným vřetenem, 3 – řetězový zásobník nástrojů, 4 – řídící jednotka, 5 – výměnná stanice pro výměnu palet polotovarů a obrobků
Obr. 5.3.: Uspořádání stavebnice modulů jednoúčelového obráběcího stroje: 1 A, B, C jsou díly spodní stavby (stůl, základ lože, stojan), 2 A, B, C, D jsou polohovací jednotky (A – kruhová, B – mezikruhová, C – bubnová, D – lineární), 3 A,B jsou pracovní jednotky (A – vrtací, B – frézovací) a 4 A, B jsou pomocné a řídící jednotky. 84
Obr. 5.4.: Uspořádání stavebnice jednoúčelového stroje
5.2
Robot
Robot je obecně chápán jako technický systém schopný napodobovat nebo nahrazovat mechanické a intelektuální funkce člověka. Průmyslový robot je pak programovatelné technické zařízení pro manipulaci či vykonávání technologických operací.
85
Obr. 5.5.: Průmyslový robot - (1) předloktí, (2) zápěstí, (3) podstavec, (4) rameno, (5) paže
86
Uspořádání robotů z kinematického hlediska určuje (zpravidla dvou typů) kinematických dvojic, např.:
postupné řazení
- tři translační (posuvné) dvojice podle obr. 5.6.a), - jedna rotační a dvě translační dvojice podle obr. 5.6.b), - dvě rotační a jedna translační dvojice podle obr. 5.6.c), - tři rotační dvojice podle obr. 5.6.d). Uspořádání kinematického řetězce polohovacího systému robotů definuje souřadnicové systémy, tvar pracovní oblasti (pracovní prostor) a charakter programování polohy koncového členu robotu. Robot potom pracuje: - v kartézském (pravoúhlém) systému podle obr. 5.6.a), - v cylindrickém (válcovém) systému podle obr. 5.6.b), - ve sférickém systému podle obr. 5.6.c), - v angulárním systému podle obr. 5.6.d).
Obr. 5.6.: Rozdělení robotů podle kinematického uspořádání 87
Koncový člen robotu je vybaven efektorem, který zprostředkovává styk robotu s okolím. Pokud efektor slouží k manipulaci s uchopenou součástí, hovoříme o úchopné hlavici. Technologická hlavice (efektor) slouží k vykonání technologické operace (vrtání, svařování, stříkání a pod.) .
Jiné 2%
Odlévání 14% Nanášení barev 8%
Jiné 23%
Svařování 37%
Zakládání obrobků 17% Manipulace s materiálem 20%
Manipulace s materiálem 21%
Montáž 19%
Nanášení barev 4%
a) U S A
Svařování 25%
Zakládání obrobků 8%
b) Japonsko
Obr. 5.7.: Rozdělení využití robotů podle nasazení v různých aplikacích v USA a v Japonsku
5.3
Výrobní systémy
Výrobní systém je obecné uspořádání vzájemně působících výrobních strojů a útvarů, které si lze představit samostatně (oddělené od okolí) a podle složitosti systému se dělí na: Systém I. řádu – nejmenší jednotka systému, schopná samostatně plnit funkci (obráběcí stroj včetně obsluhy). Systém II. řádu – seskupení několika zařízení vzájemně vázaných a funkčně svázaných na výrobu skupiny obrobků (dílna). Systém III. řádu – systém obsahující několik nižších řádů, které funkčně plní výrobní úkol, tj. produkci výrobku ( výrobní seskupení dílen, obrobny, montáže). Systém IV.řádu – všechny útvary včetně pracovníků a prodeje (úplný výrobní podnik) . 88
Obr 5.8.: Výrobní systém I. řádu: automatický CNC soustruh s portálovým robotem. Polotovary a dokončené součásti jsou na paletách dopravovány průběžným dopravníkem, robot provádí zakládání a výměnu polotovarů a součástí. 1 – robotický zakladač 2 – CNC soustruh 3 – dopravník palet
89
Obr. 5.9.: Výrobní systém II. řádu: seskupení několika strojů vzájemně propojených dopravníkem a obsluhovaných portálovým robotem, mezi stroji je zařazeno i montážní pracoviště. 1 – dopravník, 2 - portálový robot, 3 – CNC soustruh, 4 – montážní pracoviště
Obr. 5.9.: Uspořádání výrobního systému s propojením obslužným automatickým vozíkem. Každé pracoviště má vlastní zásobu dílů a nástrojů: zakládací systém a vozík provádí dopravu a výměnu součástí a nástrojů.
90
