TECHNOLOGIE VÝKYVNÉ ZÁPUSTKY Stanislav Rusza a) VŠB – TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba, ČR Abstrakt Unlike than in the conventional techniques plastic working after the method of rotary pressing is proceeding at a slightly lower temperature than the recrystallization temperature. At the some time the spatial distribution of the stresses is there more advantageous than in the process of conventional pressing of parts of a similar shape. Consequently there are created conditions allowing to attain high strains this ensuring the manufacture of flawless forging [2, 3]. Moreover, the input material is there utilised up to its maximum and the mechanical properties of the final products are significantly improved. In the material deformed yield point and tensile strength are increased. Quite significant is there also the possibility to obtain other beneficial properties of the final product such as, among others, the continuity of the fibres as well as the increased resistance to mechanical fatigue Plastic working after the method of rotary pressing ensures a significant hardening of the material during deformation [1]. Owing to this fact it is possible in many cases when making a given element to utilise materials of initially in low mechanical properties since after deformation the product would acquire the required values. For instance, when using low carbon steel we might get a product of mechanical properties similar to those of high carbon steel. 1. VÝVOJ TECHNOLOGIE ORBITÁLNÍHO TVÁŘENÍ V doposud používaných metodách plastického tváření kovů vykonává nástroj zpětně přímkový pohyb (technologie kování, tažení, stříhání apod.) nebo pohyb otáčivý (technologie válcování). Dané pohyby nástroje neumožňují vždy dosáhnout požadovaného geometrického tvaru a geometrické přesnosti součásti přičemž vystupuje do popředí požadavek na vyvození značného tlaku od tvářecího nástroje. Na základě těchto požadavků byla vyvinutá nová technologie plastického tváření jejíž podstata je založená na přizpůsobení pohybů tvářecího nástroje rozměrům vyráběné součásti. Výkyvný pohyb horního nástroje je prováděn společně s vertikálním pohybem spodní zápustky, čímž dochází v místě styku tvářeného materiálu s nástrojem k průniku válcové a šroubové plochy. Je dosaženo několikanásobně vyššího tlaku oproti klasickému způsobu při stejné velikosti tvářecí síly. Tato tvářecí technologie byly nazvána orbitálním tvářením. Daná technologie je především využívána v sériové a hromadné výrobě tvarově členitých součástí s vysokou přesností, jejíž výroba třískovým obráběním by si vyžádala daleko vyšší strojní časy i daleko vyšší materiálovou spotřebu. První ověřovací práce orbitálního tváření byly prováděny Edwinem Blickem počátkem tohoto století v USA. Vlastní strojní zařízení bylo vyrobeno firmou Bethlehem steel corp.. Další firmou zabývající se vývojem technologie orbitálního tváření byla firma Massey. Počátkem 70. let došlo ke zdokonalení principu orbitálního tváření profesorem Marciniakem, který ve Výzkumném ústavu beztřískové technologie ve Warszawie provedl významné práce související s praktickým využitím této technologie pro průmyslové účely. Tento ústav vyvinul a ověřil několik patentovaných metod týkajících se orbitálního tváření a přispěl tak významnou měrou k dalšímu jejímu rozvoji. Byl
vyvinut lis PXWP 100, jehož výrobní licence byla zakoupená významnými světovými firmami, což svědčilo o atraktivitě a originalitě tohoto principu tváření. Tímto se technologie orbitálního tváření dostala do širšího povědomí technické veřejnosti. Tato polská varianta byla rozvinutá švýcarskou firmou Schmid až do současné podoby. 2. NAPĚŤOVO-DEFORMAČNÍ STAV PROCESU ORBITÁLNÍHO TVÁŘENÍ V průběhu tvářecího procesu dochází k dotyku čela otáčejícího se lisovníku s tvářeným materiálem v průsečíku kuželové plochy s plochou šroubovou s proměnným, zmenšujícím se stoupáním. Zjednodušeně spolupůsobení tvářecího nástroje na tvářený materiál je znázorněno na obr. 1a,b pro klasické a orbitální tváření Dotyk čela lisovníku s přetvářeným materiálem je znázorněn šrafovanou plochou. Skutečný rozměr této plochy je dán okamžitými poměry, které se vyskytují u daného procesu, především velikostí axiální síly F (viz obr.2). Objem polotovaru pod touto plochou se nachází v oblasti aktivní deformace, tzn. že přeměna tvaru výchozího polotovaru ve výlisek se děje postupně, tímto orbitálním pohybem. Na obr. 2b je znázorněn způsob přetvoření. Jedná se o deformaci vyvolanou podélným válcováním při prodlužování ve směru pohybu nástroje. Vzhledem k tomu, že nástroj se pohybuje v tangenciálním směru k ose souměrnosti kruhového polotovaru, dochází k maximálnímu prodlužení při podélném pohybu, t. j. tangenciálním směru.
Obr. 1a: Klasické tváření
Obr. 1b: Orbitální tváření
Velikost průměru fiktivního válce, vyvolávajícího deformaci, tvořeného kuželovým čelem lisovníku, je roven přibližně průměru polotovaru v místě dotyku, t. j. v tomto případě průměru v místě řezu U – U. Daný předpoklad je splněn podmínkou, že nedochází ke skluzu, ale pravidelnému odvalování lisovníku po povrchu polotovaru. Vzhledem k malým skutečným rozměrům polotovaru, je i fiktivní průměr válce malý a ve směru k ose souměrnosti se zmenšuje na nulu. Oblast označena na obr. 2a písmenem „A“ je oblastí aktivní deformace, oblast „B“ je oblastí pasivní deformace je to tzv. plastický uzel, oblast C je oblastí přenosu tvářecí síly z aktivní oblasti do pasivní oblasti. Tahové napětí je označeno symbolem +, tlakové napětí symbolem -, hodnoty h1 a h2 udávají velikost výšky polotovaru v místě řezu U – U v přetvořeném a nepřetvořeném místě, úhel γο určuje velikost stoupání fiktivní šroubové plochy.
V oblasti označené symbolem „C“, která je přibližně souměrná vzhledem k oblasti aktivní deformace (A) dochází k přenosu síly od tangenciálního prodloužení do oblasti pasivní deformace „B“, kde způsobuje vznik plastického uzlu s ohybovým namáháním. V této oblasti vznikají tahová napětí – v oblasti blíže ke středu tvářeného polotovaru a napětí tlaková – v obvodové části polotovaru. Projevuje se zde zcela jednoznačně rozdělení celé půdorysné oblasti tvářeného polotovaru na oblasti aktivní a pasivní deformace, jakož i oblasti přenosu. Při zvýšení deformace v oblasti „A“ (při působení vysoké osové síly), mohou tahová napětí v plastickém uzlu dosáhnout hodnot vyvolávajících porušení tvářeného polotovaru. Může dojít např. u neuklidněných ocelových materiálu, případně při nedostatečném přetvoření středových částí hutnických ingotů, kde kovové nečistoty jsou nahromaděny ve vnitřní oblasti, k jejich porušení.U ocelí s vyšší čistotou, ocelí ušlechtilých a ocelí uklidněných je výskyt tohoto typu porušení velmi zřídkavý.
Obr.2: Schéma napěťového stavu v procesu orbitálního tváření Obr.2a: Napěťový stav v půdorysu polotovaru Obr.2b: Napěťový stav v ploše řezu U – U Přičemž platí, že oblast A - je oblastí aktivní plastické deformace oblast B - je oblastí pasivní plastické deformace oblast C - je oblastí přenosu sil z aktivní do pasivní části σρ - je radiální napětí σt - je tangenciální napětí rv - je poloměr neutrální oblasti. 2.1 Výpočet tvářecích parametrů je udán následujícími vzorci: d K 0.25 + µλ S vz ≥ = hK 1 πR 2 µ − λ 3
(1)
λ = ( 0,3 - 0,5 )
hK ≤ 0,05 − 0,04 RK
(2)
přičemž dK - konečný průměr součásti hK , RK - konečná výška a poloměr výrobku µ - součinitel tření SVZ - plocha průniku válcové a šroubové plochy při kování met. výkyvné zápustky λ - součinitel poměru ploch při tváření výkyvnou zápustkou a klasickou metodou Úhel výkyvu: γ = 0,0698 - 0,175 rad Velikost úběru: s = 2π. tgγ. B /mm.ot.-1/
(3) 0 ,535
B (4) přičemž velikost B určíme ze vztahu: λ = 0,88 R Rychlost nástroje: v = s.n n - počet otáček lisovníku 90-300 /1/min/ - tváření za studena, 300-900 /1/min/ - tváření za poloohřevu Velikost tvářecího tlaku: pstř. = Re přičemž εc =
[
[1+λ⋅µ
εc 2R 1 + 1 + 1 + 3h 4 1− ε c
]
/Mpa/
(5)
s je cyklický stupeň deformace. h
V praxi pro operaci pěchování : pstř.= (1,5 - 1,7) Re /Mpa/
(6)
Tvářecí síla je pak vyjádřena vztahem: Ftv. = pstř.⋅Sk /N/
(7)
3. ZPEVNĚNÍ V PROCESU ORBITÁLNÍHO TVÁŘENÍ Zpevňovací proces v technologií orbitálního tváření má velmi významnou úlohu. Zároveň se zvyšováním pevnosti dochází i ke zvyšování hodnot tvrdosti, což umožňuje v mnoha případech používat jako výchozí materiál ocel s nižšími hodnotami mechanických vlastností (např. nízkolegovaná ocel) a v konečné fázi tvářecího procesu docílit požadovaných vyšších hodnot těchto parametrů (odpovídajících např. oceli vysokolegované). Výrobek má finální vlastnosti, které by nemohly být docílený žádnými jinými výrobními technologiemi. Na obr. č. 3 jsou uvedeny přepočtené hodnoty meze pevnosti dle naměřených hodnot tvrdosti v různých místech tvářené součásti [4]. Jedná se o materiál ocel 16MnCr5 odpovídající ekvivalentu dle ČSN 14 220. Jedná se především o oblasti pod čelem horního lisovníku do hloubky až 10 mm. Jednoznačně byl takto prokázán účinek technologie orbitálního tváření na zvýšení mechanických hodnot
Obr.3: Přepočtené hodnoty meze pevností po tváření pro ocel 14 220 4. ČINITELÉ OVLIVŇUJÍCÍ PROCES ORBITÁLNÍHO TVÁŘENÍ Proces orbitálního tváření zásadně ovlivňují tyto technologické parametry [4]: a) úhel sklonu osy lisovníku b) počet otáček lisovníku c) axiální tvářecí síla d) velikost axiálního posuvu na otáčku e) tvářecí teplota f) druh materiálu g) tření a mazání 4.1 Úhel sklonu osy lisovníku Úhel sklonu je definován jako odchylka osy nástroje (lisovníku)od svislé osy stroje (lisu) . Nabývá hodnot od 0 – 8°. Hodnoty úhlu 0-2 °se využívají při tváření za studena, hodnoty 3-8° pro tváření za polotepla. Zvětšováním úhlu sklonu je možno většího posuvu na jednu otáčku , přičemž axiální síla (Fa) zůstává konstantní. Dochází pouze ke zvětšení namáhání konstrukce lisu. Při tváření za polotepla zvětšení úhlu zkracuje dobu styku nástroje s materiálem, jak rovněž dochází ke zkrácení celkového tvářecího času. 4.2 Velikost počtu otáček lisovníku Při tváření za studena se obvykle využívá 200 ot/min. Při této hodnotě je dosaženo optimálního úběru i posuvu. Při tváření nerotačních tvarů je závislost mezi úběrem. Experimentálně bylo ověřováno několik vzorků s různými poměry ploch a poměry konečné výšky ke konečnému průměru (viz. tab.1, graf 1). Tabulka 1 Poměr ploch dotyku nástroje s materiálem u orbitálního a klasického tváření v závislosti na poměru konečné výšky a průměru tvářené součásti Číslo parametru 1 2 3 4
Poměr ploch Sorb.tv./Scelk 0,7 0,5 0,7 0,5
Poměr konečné výšky k průměru h/d 10/30 10/30 30/30 30/30
Graf 1 Závislost velikosti úběru na počtu otáček lisovníku
úběr - (H-h/H)
1,2 1,0
parametr 1
0,8
parametr 2 parametr 3
0,6
parametr 4
0,4 0,2 0,0 40
80
120 160 200 220
počet otáček - log n
Graf 2 Graf závislosti změny počtu otáček na pom ěru ploch pro různý úhel výkyvu lisovníku 400,00 350,00 počet otáček n
300,00 250,00
úhel lisovníku 2°
200,00
úhel lisovníku 4°
150,00
úhel lisovníku 6°
100,00 50,00 0,00 0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
poměr ploch Sorb./Skl.
Z experimentálních výsledků vyplynulo, že optimální velikost počtu otáček lisovníku je ovlivněna vrcholovým úhlem zejména při malém poměru Sorb.tv./Scelk. (viz graf 2) 4.3 Axiální tvářecí síla Axiální tvářecí síla je velmi důležitým faktorem ovlivňujícím tvářecí proces. Její velikost je omezena a musí být dodržená v určitém rozmezí, dle typu tvářeného materiálu. Její minimální hodnota musí vyvolat relativně rovnoměrnou deformaci po celé výšce polotovaru. Při nedodržení této podmínky dochází ke vzniku hřibovitého rozšíření konce polotovaru blíže položeného k výkyvnému lisovníku. Hřibovité rozšíření vzniká důsledkem nevyvození dostatečně velké síly z hlediska vyvolání plastické oblasti v dostatečné šíři i hloubce pronikající celým polotovarem. Nedochází k protváření spodní části polotovaru. Při stejné
velikosti průměru polotovaru dochází k nárůstu axiální síly při plné plastické deformaci. Z uvedeného hlediska je výhodnější tvářet nižší polotovary, případně tvářet jen povrch (reliéf). Při velkému nárůstu axiální tvářecí síly dochází k výraznému ztenčování materiálu při jedne otáčce lisovníku, což může zapříčinit vznik trhlin ve středních částech tvářeného polotovaru. 4.4 Velikost axiálního posuvu na otáčku Velikost axiálního posuvu je ovlivněna předchozími faktory. Vlastní proces orbitálního tváření má 3 fáze: 1. fáze – axiální posuv je konstantní a je dán rychlosti pohybu spodního nástroje v závislosti na tlakovém množství dopravované tlakové kapaliny až do hodnoty, kdy se zvyšováním provozního tlaku oleje klesá dodávané množství. 2. fáze – se zvyšováním přetvárné síly dochází ke změně rychlosti nástroje (snižování), dochází ke zpevnění tvářeného materiálu, provozní tlak oleje se zvyšuje a dodávané množství oleje je menší. 3. fáze – rychlost nástroje nulová (po dojetí na dorazy posuv je zastaven) hlavice s lisovníkem se dále otáčí s cílem dosažení přesného osového rozměru součásti. 4.5 Teplota tvářecího procesu Jak bylo už zdůrazněno orbitální tváření probíhá za studena i za poloohřevu. Teplota tvářecího procesu ovlivňuje úhel výkyvu γ i směrový úhel β. Obecně lze konstatovat, že se zvyšující se teplotou se snižuje přirozený přetvárný odpor. 4.6 Tvar polotovaru Maximální účinnosti daného pochodu je dosaženo při poměru h0/d0<0.2. Z technologického hlediska nutno vždy vymezit polohu polotovaru tak, aby jeho osa souměrnosti byla shodná s osou spodní části nástroje. Polotovar musí být bez okují, jako základního předpokladu pro tváření bez trhlin. Jako výchozí polotovary se používají kruhové a tvarové tyče, trubkové polotovary, předlisky a předkovky. 4.7 Druh materiálu Pro orbitální tváření se používají oceli s co možno nejvyšší tvárnost, která je odvislá od množství legujících prvků a obsahu uhlíku. Se zvyšujícím se obsahem uhlíku se snižuje plasticita polotovaru. Přísady neželezných kovů zvyšují tvařitelnost ocelí. Pro orbitální tváření jsou nejvhodnějšími neželeznými kovy měď a hliník, které můžeme přetvářet s vysokými stupni deformace, které při klasické technologií nemohou být docíleny. 4.8 Tření a mazání U technologie orbitálního tváření faktor tření představuje jednu z nejdůležitějších podmínek celého procesu. Plocha styku horního nástroje (lisovníku) s polotovarem je vlastně v přímce, tvářecí proces probíhá rozválcováním a z tohoto důvodu součinitel tření je mnohonásobně menší ve srovnání s konvenčním tvářením. Ve styku nástroje s polotovarem vzniká válivé tření na rozdíl od tření kluzného (klasické tváření). Jako maziva jsou používány především sirníky, roztoky na bázi fosforu, roztoky mýdla a minerální oleje. Základní předúprava polotovaru se skládá z těchto etap - odmaštění - studený oplach (voda) - moření - studený oplach - teplý oplach (voda) - fosfátování (cca 90 – 150 mg/dm2) - studený oplach (voda) - teplý oplach
- zpracování mýdlovým roztokem, příp. MoS2 a sušení Závislost mezi poloměrem polotovaru a procentem úběru (zmenšení výšky) při operaci pěchování pro různé velikosti součinitele tření µ je uvedeno v grafu č.3. Experimentálně bylo prokázáno, že součinitel tření µ se pohybuje v rozmezí hodnot od 0,04 (mazání MoS2) – proces probíhající v podmínkách s nanesením maziva, 0,06 – proces probíhající v podmínkách s polotření, 0,1 – proces probíhající v podmínkách bez mazání. Z výsledků experimentů vyplývá, že vliv maziva se projevuje při vyšších úběrech a při vyšším poloměru polotovaru a vyšších úběrech (e >30%), poloměr polotovaru- ri v uvedených experimentech se pohyboval v rozmezí 2-12 mm. Graf 3
poloměr polotovaru r (mm)
Vliv součinitele tření na úběr při různé velikosti poloměru polotovaru 14,00 12,00
f = 0,04
10,00
f = 0,06
8,00
f=0
6,00
f = 0,1
4,00
f = 0,3
2,00 0,00 0
10
20
30
40
50
60
70
velikost úběru e (%)
5. ZÁVĚR Problematika orbitálního tváření je v současné době zkoumána a rozvíjená zejména z hlediska její stále širší aplikaci v praxi. Jedná se zejména o automobilový a zbrojní průmysl, kde je uplatněná při výrobě převodových ústrojí a motorů jak rovněž při výrobě speciálních součástí zbraňových systémů. Jedná se především o určení vhodných technologických parametrů tvářecího procesu vzhledem k použitému materiálů a požadovaných výsledných mechanicko-fyzikálních parametrů výrobku. Dále bude nutno proces orbitálního tváření modelovat s využitím metody konečných objemů, příp. metody konečných prvků. Proces modelování právě z hlediska obtížně definovatelného napěťovo-deformačního stavu se v současné době nachází ve stádiu ověřování. (Úkol byl řešen v rámciprojektu „Výzkum, vývoj a inovace technologií“ – CEZ 317/98 272300010) LITERATURA [I] DELO, D.P.:Physical and Analytical Modelling of the Early Stages of Consolidation of Ti6Al-4V Powder Compacts, Carnegie Mellon University, Pittsburgh 1997. [2] PREGOWSKI, J.: Fundamentals of Sinter Densification During Rotary Cold Repressing, Advances in Powder Metallurgy, Vol.3, 1991 [3] STANDRING, P.,M.:Rotary forging, A Technical Review, Metalurgia, Jan.1989,pp.11-16 [4] RUSZ, S.:The Influence of Technological Parameters on the Rotary Pressing Process, Metallurgy and Foundry Engineering,1995, Vol.21, No.3. pp. 201-208
