MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2013
TOMÁŠ VAŇÁTKO
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Výrobní cyklus strojní součásti v technické praxi Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.d.
Vypracoval: Tomáš Vaňátko
Brno 2013
Ústav techniky a automobilové dopravy Akademický rok: 2012/2013
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
Zpracovatel:
Tomáš Vaňátko
Studijní program:
Zemědělská specializace
Obor:
Provoz techniky
Název tématu:
Výrobní cyklus strojní součásti v technické praxi
Zásady pro vypracování: 1. Popište výrobu hutních polotovarů a jejich využití v dalším výrobním cyklu. 2. Dále se zaměřte na technologie lisování a tepelného zpracování výrobků. 3. Zvolte konkrétní strojní součást a popište technologický postup její výroby.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ”VÝROBNÍ CYKLUS STROJNÍ SOUČÁSTI V TECHNICKÉ PRAXI” vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………………. Podpis…………………………………….
PODĚKOVÁNÍ Tímto chci poděkovat vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za ochotu a trpělivost, kterou projevil při konzultacích. Také bych chtěl poděkovat firmě METALDYNE Oslavany, spol. s.r.o. a to zejména Ing. Radku Dubšíkovi za poskytnutí odborných informací a studijních materiálů.
ABSTRAKT Bakalářská práce se zabývá výrobou polotovaru brzdového pístu, určeného do kotoučových brzd u osobních automobilů. Výchozím polotovarem pro výrobu byl zvolen válcovaný a loupaný špalík z oceli ČSN 12 010 dodávaný z Třinecké železárny. Každoroční předpokládaná výrobní série činí 800 000 výrobků.
Výchozí výrobek
vznikne za pomocí protlačovacího stroje jedinou tvářecí operací. Pro navržení tvaru výrobku a výrobních nástrojů se bude vycházet z literární studie objemového tváření za studena se zaměřením na protisměrné protlačování a dále budou provedeny základní technologické výpočty.
Klíčová slova: objemové tváření, protisměrné protlačování, protlaček, technologie výroby
ABSTRACT This thesis deals with the production of semi-finished brake piston, designed to disc brakes for passenger cars. Pre-product for the production of rolled and was elected shelled block of steel CSN 12010 supplied from Trinec’s iron works. The annual estimated production run is 800,000 products. Initial product is created using an extrusion molding machine operations only. To design the shape of the product and production tools will be based on literary studies cold shaped with a focus on counterextrusion and also makes the basic technological calculations.
Keywords: bulk forming, counter-extrusion, molding, technology
OBSAH 1
ÚVOD ....................................................................................................................... 9
2
CÍL .......................................................................................................................... 10
3
VÝROBA HUTNÍCH POLOTOVARŮ ................................................................ 10 3.1 Válcované polotovary .......................................................................................... 12 Válcování tyčí, plechů a drátů .................................................................... 12
3.1.1
Tažené polotovary........................................................................................... 13
3.2
Tažení tyčí a drátu....................................................................................... 13
3.2.1
Výroba trubek ................................................................................................. 14
3.3
Trubky svařované a bezešvé ...................................................................... 14
3.3.1
Vytlačované polotovary .................................................................................. 14
3.4 4
OBJEMOVÉ TVÁŘENÍ ZA STUDENA............................................................... 16 Základní způsoby objemového tváření ........................................................... 16
4.1
5
4.1.1
Dopředné protlačování ................................................................................ 16
4.1.2
Zpětné protlačování .................................................................................... 17
4.1.3
Sdružené protlačování................................................................................. 18
4.1.4
Stranové protlačování ................................................................................. 18
4.1.5
Pěchování .................................................................................................... 19
4.2
Zpevňování materiálu při objemovém tváření za studena .............................. 19
4.3
Křivky zpevnění .............................................................................................. 20
PROTLAČOVACÍ STROJE .................................................................................. 21 Mechanické lisy .............................................................................................. 21
5.1 5.1.1
Klikové lisy ................................................................................................. 21
5.1.2
Výstředníkové lisy ...................................................................................... 22
5.1.3
Kolenové lisy .............................................................................................. 22
5.2 6
Hydraulické lisy .............................................................................................. 23
TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELI........................................................................ 23 6.1
Normalizační žíhání ........................................................................................ 24
6.2
Žíhání na měkko ............................................................................................. 24
6.3
Rekrystalizační žíhání ..................................................................................... 25
Žíhání k odstranění pnutí ................................................................................ 25
6.4 7
NÁVRH TECHNOLOGIE VÝROBY BRZDOVÉHO PÍSTU ............................. 26 7.1
Stanovení tvaru a rozměru .............................................................................. 26
7.2
Volba materiálu polotovaru ............................................................................ 27 Vliv chemických prvků na vlastnosti materiálu ......................................... 27
7.2.1 7.3
Stanovení sledu operací .................................................................................. 29
7.4
Dodržení technologických zásad pro návrh protlačku .................................... 30 Návrh protlačku při zpětném protlačování ................................................. 30
7.4.1
Dodržení technologických zásad pro návrh nástrojů ...................................... 31
7.5 7.5.1
Konstrukce průtlačníku při zpětném protlačování ...................................... 31
7.5.2
Návrh průtlačnice při zpětném protlačování ............................................... 32
7.5.3
Návrh objímky pro zpětné protlačování ..................................................... 33
7.5.4
Návrh vyhazovače při zpětném protlačování .............................................. 34
7.5.5
Návrh stěrače při zpětném protlačování ..................................................... 35
7.5.6
Nástrojové oceli pracovních nástrojů ......................................................... 35
7.6
Výpočet tvářecí síly a práce ............................................................................ 36
7.7
Konstrukce protlačovadla ............................................................................... 37
8 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 39 9 SEZNAM LITERATURY ........................................................................................... 40 10 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK ....................................................................... 42 11 SEZNAM SYMBOLŮ A ZNAČEK ......................................................................... 43
1 ÚVOD Výrobou hutního materiálu v hutních závodech výrobní proces nekončí, ale vyrobený surový materiál se dále zpracovává na polotovary a ve výrobních závodech na výrobky. Například odlitek pro slévárnu je výrobkem, ale pro další fázi výroby, např. pro obrábění je polotovarem; tyče, trubky atd. jsou pro hutě výrobkem, ale pro zpracovatelský závod polotovarem. Každý nehotový výrobek je tedy z hlediska uskutečněných výrobních činností výrobkem, ale z hlediska dalších činností jen polotovarem. (Hluchý, Kolouch a Paňák 1998) Podle výrobních fází rozeznáváme:
výrobu polotovarů (zpracování surových – výchozích materiálů)
výrobu součástí (zpracování polotovarů)
spojování součástí ve funkční celek (montáž) i s konečnými úpravami a zkouškami
V součastné době existují v České republice pouze dvě hutní společnosti, ArcelorMittal Ostrava a Třinecké železárny, které poskytují úplný hutní cyklus, tj. od výroby železa přes výrobu oceli až po výrobu ocelových polotovarů. Tyto hutní produkty slouží jako výchozí materiál pro strojírenský průmysl, proto se s ním setkáváme zejména na Ostravsku, kde se zabývají především těžkým strojírenstvím, které slouží pro výrobu např. těžební techniky, hutní techniky, části letadel a dalších strojů. V lehkém strojírenství se vyrábí hlavně díly pro dopravní prostředky, textilní stroje, obráběcí stroje a atd. (www.wikipeia.org) Pro stoupající průmyslovou produkci strojních dílu se více uplatňuje technologie výroby objemovým tvářením, která se jeví při hromadné a sériové výrobě jako perspektivní. Objemové tváření kovů z hlediska úspor patří k nejefektivnějším, dochází k významným úsporám v čase, materiálech a energiích. Protlačování má také mnoho významných technických předností, dosahuje vysoké přesnosti, kvality povrchu a zvýšení tvrdosti základního materiálu. Vhodně zvolenými pracovními postupy se dá touto metodou nahradit především technologie obrábění, kde se ekonomické náklady snižují i o více než polovinu. Protlačování je známo od roku 1886, kdy bylo poprvé použito ve Francii. Tehdy se touto metodou zpracovávalo pouze olovo a cín, následně se začali zpracovávat zinkové a hliníkové slitiny, které se však musely již přihřívat na nejrůznější teploty. Teprve až roku 1909 Hooker v USA přihlásil svůj patent na výrobu trubek a nádob z mosazi. 9
Začátkem třicátých let se v Evropě přistoupilo k pokusům vyrábět nábojnice z oceli firmou Kabel- und Mettalwerke Neumeyer AG Norimberg. Z podnětu německé armády byl na tuto metodu vyhlášen tajný patent z důvodů ochrany státu. Po skončení druhé světové války se tato metoda začala rozvíjet i do ostatních průmyslových odvětví, především do elektrotechnického, textilního, spotřebního a automobilového, kde se vyrábí hlavně tlakové nádoby, drážkové náboje a hřídele. U nás se protlačování oceli rozšířilo až v poválečném období. Hlavní vliv na rozvoj měl vznik výzkumného ústavu ve Vsetíně roku 1954, které mělo zjistit uplatnění protlačování všech vhodných kovů a jejich hospodářský přínos. Další rozvoj nastal v 90. letech 20. století, kdy právě společnost Neumeyer přestěhovala výrobu z Německa do České republiky. Později se tato společnost stala součástí koncernu Metaldyne, ve které jsem se seznámil s technologií protlačování oceli za studena. (Hemr 1968)
2 CÍL Cílem této bakalářské práce je popis výroby hutních výrobků o různých geometrických tvarech a rozměrech, které slouží jako výchozí polotovary pro strojírenskou výrobu v oblasti objemového tváření. Dále vysvětlit princip protlačování oceli za studena, popsat vliv protlačování oceli na jejích mechanické vlastnosti a využití rozdílných metod tepelného zpracování výrobků mezi postupnými tvářecími operacemi. V poslední části bude zvolen konkrétní výrobek, u kterého budou popsány hlavní technologické zásady pro návrh protlačku a nástrojů.
3 VÝROBA HUTNÍCH POLOTOVARŮ Hutní polotovary se vyrábějí ze surového železa nebo z neželezných kovů a jejich slitin. Jsou jedny z nejpoužívanějších polotovarů ve strojírenství, a proto jsou normalizovány do různých rozměrových, geometrických a jakostních skupin. Kovy a slitiny pro výrobu hutních polotovarů se ve strojírenství zpracovávají v hutích klasickými metalurgickými procesy, kterými se získává tekutý kov, jehož chemické složení se upraví přísadou legujících prvků. Tento roztavený kov se odlévá do kovových forem zvaných kokily, ve kterých tuhne na ingot. Tyto ingoty se dále v hutích zpracují válcováním na válcovacích stolicích, jejichž produktem jsou hutní polotovary. Ingoty mají nejčastěji čtvercový průřez, který je vhodný pro válcování sochorů a tyčí různého průřezu na válcovacích 10
stolicích s kalibrovanými válci nebo obdélníkový průřez, jenž je vhodný pro válcování plechů a pásů na válcovacích stolicích s hladkými válci. Dnes
se
však
využívá
modernější technologie zvané plynulé lití (kontinuální lití, nebo krátce konti-lití) ingotů o nekonečné délce, na které navazuje klasické nebo kontinuální válcování. Tento nový postup splňuje mnohem lépe podmínky kladené pro hromadnou výrobu v hutích, která je základním předpokladem plynulého zásobování širokou škálou polotovarů pro potřeby všech odvětví průmyslu a to především pro strojírenský průmysl. (Dillinger 2007) V zásadě je možno tvářet za tepla nebo za studena. Cílem tváření za tepla je snížit přetvárnou práci a spotřebu energie využitím snížení vazebných sil mezi atomy za vyšší teploty. Ohřevem se snižuje pevnost a houževnatost kovových materiálů a zlepšuje se jejich tvářitelnost. Ocel se ohřívá na teplotu asi 250 až 300 °C pod solidem do tzv. pásu tvářecích teplot, který je omezen shora horní teplotou tváření a zdola dolní teplotou tváření. Snažíme tvářet za tepla vždy na jedno ohřátí, protože s každým ohřevem se zvyšují ztráty tzv. opalem o 3 až 5 %. Jde o zoxidovaný materiál za tepla tzv. okuje, které se z povrchu odlupují ve formě šupin. Výhodou tváření za tepla je tedy nižší přetvárná práce, naopak nevýhodou je nižší dosažitelná přesnost tvaru a rozměrů a s tím spojená nutnost vyšších přídavků na dokončování a také vyšší spotřeba materiálu. Pokud je tváření dokončeno pod dolní teplotou tváření, je tváření posuzováno jako tváření za studena, které v podstatě může probíhat i za teplot blízkých teplotě místnosti. Pro tváření za studena je charakteristické zpevnění materiálu, které je tím větší, čím je větší stupeň přetváření a také čím je nižší teplota, při které tváření probíhá. Proti tváření za tepla, lze tvářením za studena získat výrobky podstatně přesnější co do tvaru i rozměrů a navíc s vysokou čistotou povrchu, avšak za cenu vyšší spotřeby energie, neboť přetvárná práce je vyšší. Odpadá však energie potřebná pro ohřátí na tvářecí teplotu v peci. (www. technostroj.g6.cz)
11
Obr. 1 Teploty pro tváření za tepla uhlíkových ocelí (www. technostroj.g6.cz)
3.1 Válcované polotovary Ztuhlé ocelové ingoty o hmotnosti kolem 10 tun nebo kontislitky, které jsou konečným výrobkem oceláren, se prohřejí v hlubinných pecích na stejnoměrnou teplotu tváření (asi 1 100 °C) a válcují se na předvalky. Z těch se pak vyrábějí konečné výrobky (vývalky) válcoven (tyče, kolejnice, plechy pásy, trubky apod.). U pásů a tyčí s válcovaným povrchem při zpracování mohou vznikat určité nedostatky, jako jsou rýhy, trhlinky či jiné vady. Tyto vady jsou přípustné pouze do určité hloubky určené normou. Při protlačování se obvykle tyto vady zvětšují, to zvlášť se projeví při pěchování a vyšším stupni deformace výrobku, kdy se povrchové rysky znatelně otvírají, popřípadě se původně neobjevené trhlinky projeví. Proto se válcovaných polotovarů využívá pro podřadnější výrobky, u kterých povrchová vrstva nemá vliv na funkci součástky. Kvalitnějšího povrchu můžeme dosáhnout odstraněním povrchové vrstvy obráběním nebo výkonnějším loupáním. Válcování je tváření kovů rotujícími válci, jenž je materiál mezi ně vtahován a zároveň stlačován a prodlužován. (Hluchý, Kolouch a Paňák 1998) (www.technostroj.g6.cz) 3.1.1
Válcování tyčí, plechů a drátů
Válcováním se dosahují různé průřezy tyčí, jako jsou kruhové, čtvercové, obdélníkové, šestihranné, I, L, U, kolejnice apod. Různé rozměry jsou udávané ve strojírenských tabulkách, délky od 3 m do 12 m se válcují na tzv. profilových válcovacích stolicích s kalibrovanými válci. Válcovaný materiál prochází postupně zmenšujícími se kalibry, aniž by se válce k sobě přibližovali. Poslední kalibr má tvar a rozměr vývalku. 12
Válcování plechů se provádí se na válcovacích stolicích s hladkými válci z plochých předvalků zvaných ploštiny. Nejprve se válcují tzv. napříč a po dosažení požadované šířky plechu se předvalek otočí o 90° a válcuje se na délku. Dosáhne se tak rovnoměrné tloušťky plechu a sníží se anizotropie materiálu, tj. nebudou tak velké rozdíly vlastností v příčném a podélném směru válcování. Aby měl plech hladký povrch, a velkou přesnost válcuje se nejprve za tepla a takto získaný polotovar se doválcovává za studena. Válcování pásů se provádí se obdobně, rovněž za tepla, či za studena, avšak dodávají se v pruzích nebo ve svitcích. (Hluchý, Kolouch a Paňák 1998) Válcování drátů se provádí na speciálních kontinuálních válcovacích stolicích a to za tepla od průměru 5 mm nahoru. Průměry menší jak 5 mm se vyrábějí tažené. (ww.ust.fme.vutbr.cz) 3.2 Tažené polotovary Polotovary válcované za tepla nemají dostatečnou přesnost ani jakost (úpravu) povrchu. Musí se proto při výrobě součástí obrábět většinou celé, což je nekomické. Proto pro dosažení těchto požadavků tyto polotovary ještě protahujeme (kalibrujeme) průvlaky slinutých karbidů nebo diamantů. (Hluchý, Kolouch a Paňák 1998) 3.2.1
Tažení tyčí a drátu
Provádí se na tažných stolicích. Produktem jsou tažené tyče, které jsou velmi přesné vyrábějí se s úchylkami rozměrů h9, h11 a h12 a navíc mají vysoce kvalitní lesklý povrch, který není třeba obrábět, a proto se používají hlavně v sériové a hromadné výrobě strojních součástí na revolverových soustruzích a soustružnických automatech. Tažení drátů o průměru 5 mm se provádí na kontinuálních bubnových tažných stolicích - drátotazích. Drát se protahuje postupně stále menšími kalibry, až dosáhneme žádaného rozměru. Tažením se u drátu vyčerpává plasticita. Po několika tazích většinou po 3, je drát již natolik křehký, že nelze dále táhnout bez porušení. Pro obnovení jeho tvářitelnosti se musí proto tzv. patentovat, což je zvláštní způsob žíhání ocelových drátů v olověné lázni při teplotě asi 550 °C. Po tomto tepelném zpracování lze v redukci průměru pokračovat dál. (www.technostroj.g6.cz)
13
3.3 Výroba trubek Ocelové trubky se vyrábějí za tepla nebo za studena buď jako svařované (švové) nebo jako bezešvé. Jejich povrch může být buď okujený, mořený nebo lesklý. Na zvláštní objednávku může mít jejich povrch různé ochranné povlaky. (www.hgf.vsb.cz) 3.3.1
Trubky svařované a bezešvé
Vyrábějí se z pásů, jejichž šířka se rovná obvodu trubky. Pás je po obou stranách zahříván svařovacími hořáky, skružován profilovacími válečky a následně stlačen svařovacími válečky, čímž vzniká konečná podoba trubky. Trubky bezešvé mají vyšší pevnost a také těsnost proti trubkám svařovaným, i když se zdokonalením technologie svařování se oba druhy kvalitativně dnes již hodně blíží. Nicméně jsou oblasti ve strojírenství, kde z pevnostního hlediska vyhovují pouze trubky bezešvé, jejichž výroba je náročnější, a proto jsou také dražší. Vyrábějí se hlavně Mannesmannovým
způsobem,
při
kterém
se
vývalek
válcuje
mezi
dvěma
bombírovanými válci s mimoběžnými osami. Oba válce se otáčejí stejným směrem a mezi ně je vložen předvalek plného kruhového průřezu, čímž vznikne jeho šroubovitý pohyb, tj. rotační a současně axiálně posuvný, což vyvolá uvnitř válcovaného materiálu velké tahové napětí, kterým se vývalek ve středu poruší – vznikne dutina, kterou trn pouze zkalibruje a vyhladí její povrch. Tímto způsobem se vyrábějí krátké tlustostěnné polotovary, ze kterých se potom například na proutnických stolicích válcují bezešvé trubky v široké škále vnějších průměrů a tloušťek stěn v určitých výrobních délkách. (www.technostroj.g6.cz) Vše je dáno příslušnými normami ve strojírenských tabulkách a v technických dodacích předpisech. Lze tak válcovat i tenkostěnné čtyřhranné profily tzv. MSH – Mannesmann Stahlbau Hohlprofile, které se používají již několik desítek let pro realizaci stavebních ocelových konstrukcí. Kromě Mannesmannova způsobu se používá hlavně pro výrobu trubek menších průměrů způsob Stiefelův, který je principielně stejný, avšak místo válců se používají kotouče. (www.hgf.vsb.cz)
3.4 Vytlačované polotovary Principem této metody je vytlačování materiálu dírou menšího rozměru, než je rozměr výchozího materiálu. Vyrábějí se tak tyče, trubky a různé profily převážně z neželezných kovů, dnes také i z nelegovaných a legovaných ocelí. Vytlačováním se 14
vyrábí i speciální polozavřené ocelové profily, které nelze válcovat. Vytlačování je produktivnější způsob tváření než válcování a tažení. Žádaného profilu se dosáhne jedinou redukcí. (Hluchý, Kolouch a Paňák 1998) Tab. 1 Výchozí polotovary k protlačování (Hemr 1968) Výchozí Polotovar Material k protlačování
pásy
Náčrt polotovaru
Použití – poznámka:
tvarový výstřižek
ke zpětnému protlačování neželezných kovů
čtyřhran
1. malé tlouštky s1- stříhánky 2. velké tloušky s2- řezány L 1 stříhány D l 2. 1 děleny řezáním D
1.
tyče
špalík
soustružený polotovar s otvorem
pro duté průtlačky
a) stočené bez sváru
dráty
prstenec
trubky
polotovar z trubky
b) stočené a svařené
pro duté průtlačky
15
4 OBJEMOVÉ TVÁŘENÍ ZA STUDENA Technologie objemového tváření za studena se používá především pro výrobu rotačně symetrických součástí. Tato technologie má oproti obrábění i jiným výrobním metodám řadu výhod. Výhodami jsou např. velmi nízká spotřeba materiálu (minimální odpad), nízké výrobní časy, vysoká produktivita práce, nízké výrobní náklady a vysoká kvalita produktů. Objemové tváření zastudena je technologií, při které se podstatně mění tvar polotovaru. Pro výrobu součástí se zpravidla využívají kombinace různých základních způsobů objemového tváření zastudena. V porovnání s jinými metodami tváření zastudena probíhá objemové tváření za působení prostorové napjatosti, které vytváří podmínky pro velké plastické deformace, aniž se porušuje soudržnost tvářeného materiálu. Deformace je vyvolána tlakem průtlačníku a průtlačnice, přičemž v oblasti deformace dosahuje napětí přetvárného odporu. Vlastní tváření probíhá pod rekrystalizační teplotou (max. 0,3 teploty tavení materiálu), takže dochází k postupnému zpevňování výchozího materiálu. Velikost zpevnění závisí na průřezové deformaci v daném místě výlisku. Vzhledem k tomu, že deformovaný materiál má vyšší mez kluzu i mez pevnosti, lze pro daný výrobek (s požadovanými mechanickými hodnotami) použít méně hodnotný výchozí materiál tj. materiál o nižších výchozích mechanických vlastnostech. Neméně významné jsou i metalurgické vlastnosti výrobků, např. nepřerušený průběh vláken, zvýšení meze únavy výlisku v důsledku zpevnění. (Čada 2007)
4.1 Základní způsoby objemového tváření Podle směru a působení tečení materiálu v tvářecím nástroji se rozeznávají tyto základní způsoby objemového tváření kovů: 4.1.1
Dopředné protlačování
Materiál teče ve směru pohybu průtlačníku, proto se též nazývá protlačování sousledné. Výchozím polotovarem, může být kalíšek (vyrobený zpětným protlačováním), prstenec, špalík kruhového nebo jiného průřezu, trubka atd. Výhodou dopředného protlačování je to, že poměr délky výlisku k průměru může být až 24:1. Délka protlačené části není
16
závislá na délce průtlačníku. Používá se při tváření čepů, šroubů a pouzder, apod., tedy výrobků, u kterých není konstantní průměr. (Čada 2007) (www.ksp.tul.cz)
Obr. 2 Dopředné protlačování plného polotovaru, trubkové součásti a kalíšku se slabým dnem (Hemr 1968) 1- průtlačnice, 2- průtlačník, 3- objímka, 4- výtlační 4.1.2
Zpětné protlačování
Materiál teče proti směru pohybu průtlačníku, proto se též nazývá protlačování protisměrné. Výchozím materiálem je špalík, jehož výška je zpravidla větší než polovina průměru. Nevýhodou tohoto způsobu je velký přetvárný odpor, který omezuje funkční délku průtlačníku. Maximální poměr délky výlisku k průměru je 3:1. Zpětným protlačováním lze z oceli hospodárně zhotovit nízké a tlustostěnné protlačky. (Čada 2007)
Obr. 3 Zpětné protlačování špalíku, kalíšku a plného polotovaru (Hemr 1968) 1-průtlačnice, 2-průtlačník, 3-objímka, 4-výtlačník 17
4.1.3
Sdružené protlačování
Je kombinací dopředného a zpětného způsobu, tj. materiál teče součastně ve směru i proti směru pohybu průtlačníku, proto se též nazývá protlačování obousměrné. Aby materiál dobře zatekl do spodní i horní části protlačku, musí být v té části protlačku, do níž teče ve směru pohybu průtlačníku, volen menší stupeň deformace (redukce), jinak by materiál do této části protlačku nezatekl. (Čada 2007) (Hemr 1968)
Obr. 4 Sdružené protlačování plného polotovaru (Hemr 1968) 1-průtlačnice,2-průtlačník, 3-objímka, 4-výtlačník 4.1.4
Stranové protlačování
Materiál teče kolmo na pohyb průtlačníku, tj. kolmo k podélné ose polotovaru. Tento proces umožňuje výrobu protlačků, které mají členité výstupky pravidelné i nepravidelné tvaru. (Čada 2007)
Obr. 5 Stranové protlačování plného polotovaru (Hemr 1968) 1-průtlačnice,2-průtlačník,3-výtlačník,
18
4.1.5
Pěchování
Spočívá ve stlačování výchozího polotovaru a tím zvětšování jeho průřezu. Tohoto procesu často využívá jako dílčí operace při výrobě členitých tvarů výlisku, např. při kalibraci výchozího materiálu za účelem dosažení přesných rozměrů, potřebných pro následující operace, zarovnání čel polotovarů, deformovaných při dělení materiálu. Operace pěchování rovněž umožňuje využití výchozího materiálu menších rozměrů, což je výhodné především z hlediska dělení polotovaru. (Čada 2007)
Obr. 1 Pěchování plného polotovaru (Hemr 1968)
4.2 Zpevňování materiálu při objemovém tváření za studena Tvářením za studena se mění mechanické vlastnosti ocelí, vlivem zpevnění vzrůstá mez kluzu. Velikost zpevnění je závislá na velikosti deformace. Změny mechanických vlastností zpevněním dané oceli jsou znázorněny v diagramu, ze kterého je patrné, že mez pevnosti i kluzu do poměrné průřezové deformace cca 20% prudce vzrůstají, zatímco tažnost klesá. S dalším růstem deformace jsou tyto změny menší. Mez kluzu roste rychleji, než mez pevnosti, takže při velkých hodnotách deformace se u většiny ocelí tyto veličiny přibližují, u některých dokonce ztotožňují. Zpevňování je provázeno i zvýšením tvrdosti. Tažnost materiálu při jeho zpevňování klesá a současně se snižuje i jeho houževnatost. Naproti tomu však i přes zmenšování tažnosti se u většiny ocelí zvyšuje mez únavy. Zpevňování se projevuje u všech tvárných kovů, ale v rozdílné míře, který závisí na chemickém složení materiálu, odlišné stavbě krystalových mřížek a na způsobu tváření. Při tváření zastudena se zrna kovu prodlužují ve směru tváření a tím dochází v protlačku ke vzniku textury. Povrchové vrstvy materiálu se zpevňují více než vrstvy vnitřní, protože deformace není vlivem nerovnoměrné napjatosti v celém průřezu rovnoměrná. Rozdíly ve zpevnění 19
rostou s velikostí průřezu a stupněm deformace, takže tváření větších průřezů zastudena je obtížné jak z hlediska potřebných tvářecích sil, tak z hlediska dosažení rovnoměrného zpevnění v celém průřezu. Proto se tvářením zastudena zpracovávají převážně jen menší průřezy do průměru cca 50 mm. (Čada 2007)
Obr. 6 Vliv protlačování při různých stupních deformace na mechanické vlastnosti oceli 12 010 (Čada 2007)
4.3 Křivky zpevnění Pro praktické využití zpevňování kovů při návrzích technologických postupů objemového tváření se sestrojují pro jednotlivé materiály, teploty tváření a deformační rychlosti diagramy zpevnění, nazývané křivky zpevnění. Vyjadřují graficky závislost zpevňování materiálu na deformaci. Při výrobě protlačků několika tvářecími operacemi (bez mezioperačního žíhání) se zpevnění získaná jednotlivými tvářecími operacemi sčítají, na což je nutno brát zřetel při výpočtu velikosti deformační síly pro jednotlivé operace. Zpevnění je možno odstranit tepelným zpracováním - žíháním. Důležitým předpokladem určení konečného zpevnění protlačku, které se stanoví jako součet dílčích zpevnění, je znalost křivek zpevnění pro různé způsoby tváření a jejich kombinace. Podmínkou pro přípustnost prostého součtu dílčích zpevnění je, aby deformace probíhala stále buď tahem, nebo tlakem. Kombinují-li se totiž způsoby tváření, např. tažení a pěchování, dochází v průběhu druhého způsobu tváření zpravidla
20
nejprve k poklesu předchozího zpevnění a teprve potom nastává další zpevňování. (Čada 2007)
Obr. 7 Deformační diagram oceli 12 010 (Feldmann 1962) Pro úsporu vyhodnocování zdlouhavých zkoušek pěchováním se mohou křivky zpevnění přibližně sestrojit z diagramů zkoušky tahem (jejich aproximací). Tento způsob je vhodný pro předběžné posouzení technologických postupů objemového tváření zastudena. (Čada 2007)
5 PROTLAČOVACÍ STROJE Pro objemové tváření zastudena se využívají mechanické nebo hydraulické lisy, které musí být tuhé, protože tuhost má přímý vliv na účinnost tváření, na dosahovanou přesnost výlisku, na životnost nástrojů i samotné stroje. (Čada 2007)
5.1 Mechanické lisy 5.1.1
Klikové lisy
Klikový lis je poháněn elektromotorem, který zpravidla pohybuje pomocí převodu ozubených kol, spojky, klikového hřídele a ojnice beranem lisu, v němž je upevněn nástroj (průtlačník). Lis má většinou dvou stojanovou konstrukci. U lisů klikových a výstředníkových dosahuje síla na smykadle lisu asi při polovičním zdvihu tj. při postavení kliky 90º, pouze asi polovinu své jmenovité síly, 21
přitom plná jmenovitá síla je nejčastěji stanovena pro polohu kliky 30º před dolní úvratí. (Feldmann 1962) 5.1.2
Výstředníkové lisy
Beranem lisu pohybuje výstředník, který je uváděn v pohyb přes spojku elektromotorem. Lis může mít jedno stojanovou nebo dvou stojanovou konstrukci. Tyto lisy se používají pro méně náročné operace objemového tváření zastudena, případně pro pomocné operace. (Feldmann 1968) 5.1.3
Kolenové lisy
Lis je poháněn elektromotorem. Krouticí moment se přenáší na setrvačník spojkou a klikovým hřídelem na kolenové ústrojí, které pohybuje beranem. Stojan lisu bývá ocelový odlitek rámové konstrukce. Kolenové lisy mají průběh protlačovací síly velmi nepříznivý, protože asi 30 º úhlu kliky před dolní úvratí určuje pracovní dráhu smýkadla jen asi 5 mm, kdy je možno využít jmenovité síly lisu. Tendence průběhu síly je pak velmi sestupná, takže protlačovací schopnost lisu je malá. Křivka znázorňující průběh rychlosti smýkadla lisu má tvar sinusoidy, takže v okamžiku dosednutí pytlačku na tvářený polotovar má ještě značnou rychlost. V průběhu protlačování se rychlost zmenšuje. Obě okolnosti nejsou tvářecímu procesu příznivé. Velká dosedací rychlost způsobí tvrdý doraz na nástroje a tím snižuje jejich trvanlivost. I zpomalení rychlosti během protlačování není žádoucí, nepříznivě ovlivňuje rychlost tečení tvářeného kovu. (Feldmann 1962)
Obr. 8 Charakteristika mechanického lisu (Feldmann 1962)
22
5.2 Hydraulické lisy U hydraulických lisů beranem pohybuje píst (plunžr). Tento píst je poháněn buď tlakovou kapalinou z akumulátoru, nebo přímo z čerpadla. Jako pracovní kapaliny se může použít vody nebo hydraulického oleje. Pracovní diagram hydraulických lisů má téměř po celou dráhu smýkadla konstantní jmenovitou sílu P. Průběh rychlosti je vyjádřen křivkou v, která mimo začátek a konec (spouštění i zastavování lisu) tvoří přímku. V průběhu tváření má tedy nástroj stejnou rychlost bez zrychlení nebo zpoždění. Práce lisu A je součinem jmenovité síly a příslušné pracovní dráhy. Na diagramech je znázorněná šrafovanou plochou. (Feldmann 1962)
Charakteristika hydraulického lisu[5] Obr. 9 Charakteristika hydraulického lisu (Feldmann 1962)
6 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELI Aby byl tvářený kov schopen plastické deformace, při pokud možno nízkých měrných protlačovacích tlacích, je před tvářením a dále mezi postupnými tvářecími operacemi vhodně tepelně zpracován. Vlivem výrobního způsobu v hutích, např. kováním, válcováním za tepla nebo studena, tažením a podobně, nejsou vlastnosti zpracovávaného materiálu stejné. Tepelným zpracováním před tvářením dochází k přeměnám mechanickým vlastností zpracovávaného materiálu stejné. Tepelným zpracováním
před
tvářením
dochází
k přeměnám
mechanickým
vlastností
zpracovávaného materiálu (odstranění vnitřního pnutí, dosažení vyšší tvárnosti, změna 23
tvrdosti a pevnosti atd.) a dosáhne se stejnoměrnosti struktury. Každý kov a slitina má svoji určitou rekrystalizační teplotu, a to podle chemického složení a stupně deformace. Legující prvky a příměsi zvyšující rekrystalizační teplotu. Stupeň deformace ovlivňuje výši rekrystalizační teploty tak, že s vyšším stupněm deformace se teplota snižuje. (Feldmann 1962)
6.1 Normalizační žíhání Tohoto tepelného zpracování se dosáhne ohřevem nad horní teplotu přeměny Ac3, po němž následuje prosté vychladnutí na klidném vzduchu. Účelem normalizačního žíhání je odstranění hrubé a nestejnorodé struktury vzniklé buď při lití, tváření za tepla při příliš vysokých teplotách, nebo žíháním při vysoké teplotě. Normalizačním žíháním lze odstranit všechny účinky tváření za studena, nebo o nebezpečí stárnutí, jež úzce souvisí právě s tvářením za studena, nebo ať jde o mimořádně hrubou rekrystalizaci. Rovněž je možno odstranit nežádoucí tvoření vláknitosti a často lze dosáhnou také zlepšení příčné vrubové houževnatosti. Pro zvlášť velké stupně deformace při protlačování za studena nebo pro složité tvary se osvědčilo předchozí normalizování oceli (obzvlášť ocelí nízkouhlíkových uklidněných Al) při teplotě asi 920 ºC s následujícím ochlazováním rychlosti asi 20 ºC za 1 minutu. Normalizování oceli při protlačování za studena by však mělo omezit jen na výše uvedené případy a mělo by se ho z ekonomických důvodů co nejméně používat. Normalizační žíhání se tedy má používat jen pro uvedené výjimečné případy a odstraňují se jim závady v oceli. (Feldmann 1962)
6.2 Žíhání na měkko Měkkým žíháním rozumíme ohřátí a delší udržování na teplotě blízko pod Ac1 nebo při kolísající teplotě kolem Ac1 a následující pomalé ochlazování, aby bylo dosaženo co největší měkkosti. Žíháním na měkko se dá dosáhnout zrnitého perlitu, a tím největší měkkosti, houževnatosti a opracovatelnosti oceli daného složení. U ocelí k protlačování s obsahem uhlíku nad 0,2 % a pro legované oceli, které mají dostatek cementitu, má měkké žíhání velký význam. Doporučuje se výchozí polotovar v těchto případech vždy měkce žíhat a
24
podle potřeby i žíhat mezi jednotlivými pracovními operacemi. Doporučuje se však provádět před měkkým žíháním žíhání normalizační. (Feldmann 1962)
6.3 Rekrystalizační žíhání Rekrystalizační žíhání je nejpoužívanější žíhání při protlačování za studena. Používá se ho pro výchozí polotovar i pro žíhání mezi jednotlivými operacemi. Výchozí polotovary, které byly žíhány na měkko, se podle potřeby zpracovávají mezi operacemi rekrystalizačním žíháním. (Feldmann 1962)
6.4 Žíhání k odstranění pnutí Žíhání k odstranění pnutí se provádí při teplotě pod eutektoidní přeměnu Ac1, nejčastěji pod teplotu 550 ºC. Po ohřevu na uvedenou teplotu následuje pomalé ochlazování. Tohoto žíhání se používá tam, kde vzniká ve vyráběném předmětu vnitřní pnutí a žíhání má toto pnutí odstranit. Dále se ho používá k odstranění pnutí vzniklých při protlačování ocelí za studena nebo za tepla, popř. nerovnoměrným ohřevem nebo ochlazováním. Žíhání k odstranění pnutí zařazujeme jen v uvedených případech. (Feldmann 1962)
Obr. 10 Oblasti žíhacích teplot v rovnovážném diagramu železo – uhlík (Dillinger 2007) 25
7 NÁVRH TECHNOLOGIE VÝROBY BRZDOVÉHO PÍSTU 7.1 Stanovení tvaru a rozměru Podle zákona stálosti objemu zůstává objem tělesa při protlačovaní konstantní, tj. objem výchozího polotovaru se rovná objemu konečného výrobku. Nejdřív se stanoví objem konečného tvaru, jehož obsah se určí na základě dané konstrukce. Postupuje se tak, že u jednoduchých tvarů výrobků rozložíme konečný tvar na tělesa, pro která je známý matematický vzorec obsahu: je to např. krychle, válec, dutý válec, jehlan, kužel s kruhovou základnou, kulové klíny, trojúhelníky aj. Při komplikovaných tvarech používáme Guldinova pravidla pro rotační tělesa, které zní: „Jestliže se otáčí rovná plocha kolem své osy ležící v její rovině, potom objem vymezený otáčející se plochou se rovná součinu z obsahu plochy a dráhy jejího těžiště“. Takto určený objem hotového výrobku se nyní zvětší na základě experimentálně stanovených hodnot o příslušný odpad (šířka řezu při dělení, konce tyčí). Ten se pohybuje mezi 10 až 50 % podle tvaru a druhu výrobků. Protože jde o rotační těleso, můžeme objem stanovit nejsnáze podle Guldinova pravidla. Podle obrázku rozložíme rozříznutou součást na jednotlivé plochy a vypočteme těžiště. (Hemr 1968)
Obr. 11 Rozklad pístu na základní plochy 26
Tab. 2 Výpočet objemů Těžiště α Obsah ploch S
Objem pláště V
(mm)
(mm2)
(mm3)
1
27,8
259,5
45328,93
2
25
1,5
235,63
3
20,5
15
1932,14
4
15,05
51
4822,81
5
14
111,2
9781,97
6
18
5
565,50
7
20
3,5
439,84
8
28,7
6,8
1226,26
Celkem
64333,08
Objem polotovaru pístu:
Vcelk = V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 Vcelk = V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 64333,08mm3
7.2 Volba materiálu polotovaru Výchozím materiálem pro výrobu brzdového pístu byla zvolena ocel ČSN 12 010. Tato ocel nebyla tepelně zpracována. Byla však povrchově upravena válcováním a loupáním. Tento typ oceli je vhodný pro součásti, které se zpracovavají objemovým tvářením za studena. 7.2.1
Vliv chemických prvků na vlastnosti materiálu
Vlastnosti ocelí podstatně závisí na legujících prvcích a žádoucích nebo nežádoucích doprovodných prvcích. Doprovodné prvky (příměsi), např. fosfor, vodík, dusík a síra ovlivňují zejména pevnost a houževnatost. Legující prvky, např. chrom, wolfram a vanad, vytvářejí se základním kovem (železem) směsné krystaly nebo vedou k jemnozrnnému vylučování karbidu. Lze jimi zlepšit vlastnosti oceli, jako pevnost v tahu, odolnost proti opotřebení a odolnost proti korozi. (Dillinger 2007)
Uhlík - zvyšuje pevnost a tvrdost (maximum při C=0,9%), kalitelnost a tvoření trhlin, snižuje však teplotu tavení, tažnost, svařitelnost a kujnost. 27
Křemík - zvyšuje pevnost v tahu, mez kluzu a odolnost proti korozi, snižuje tažnost, vrubovou houževnatost, hlubokotažnou, svařitelnost a obrobitelnost.
Mangan - zvyšuje pevnost v tahu, prokalitelnost a houževnatost (při malém množství Mn), snižuje obrobitelnost, svařitelnost za studena.
Fosfor - zvyšuje pevnost v tahu, tepelnou odolnost a odolnost proti korozi, snižuje vrubovou houževnatost a svařitelnost
Síra - zvyšuje obrobitelnost, snižuje vrubovou houževnatost svařitelnost
Chrom - zvyšuje pevnost v tahu, žáruvzdornost a odolnost proti korozi, snižuje houževnatost, svařitelnost a tažnost
Nikl - zvyšuje pevnost v tahu, žáruvzdornost, odolnost proti břitu a odolnost proti korozi, snižuje tepelnou roztažnost, svařitelnost a obrobitelnost řezáním (Dillinger 2007)
Tab. 3 Obsah chemických prvků v oceli 12 010 Chemický prvek Min. obsah prvku
[%]
Max. obsah prvku [%]
C
Si
Mn
P
S
Cr
Cu
Ni
0,07 0,14
0,15 0,4
0,35 0,65
0,04 0,04
0,15 0,4
0,15
0,3
0,3
V tabulce jsou uvedeny vhodné druhy ocelí k protlačování, rozdělené do skupin podle jejich tvárnosti. Oceli skupiny A mají zvlášť příznivé podmínky k protlačování, ve skupině B jsou oceli s vyhovujícími podmínkami při běžném tepelném zpracování a povrchové úpravě. Oceli uvedené ve skupině C lze protlačovat jen při pečlivém tepelném zpracování, vhodné povrchové úpravě a vhodném mazání. Protože tvárnost ocelí ve skupině C je nízká, je nutno výrobní proces rozložit na více protlačovacích operací. Měrné tvářecí tlaky při protlačování těchto ocelí hraničí s přípustnými tlaky na činné části protlačovacích nástrojů, a proto ohrožují jejich hospodárnou životnost. Maximální přípustná velikost měrných tlaků je 2 500 MPa. Tuto hranici překračujeme jen ve výjimečných případech. Velikost měrných tlaků závisí na způsobu protlačování a stupni deformace. (Hemr 1968)
28
Tab. 4 Rozdělení oceli dle vhodnosti k objemovému tváření za studena (Feldmann 1962)
Skupina
Dovolený stupeň deformace S
S0 S1 100 S0
%
Zpětné protlačování
Druh protlačování oceli
Kalíšku
Plného tvaru
30 - 70
30 – 75
A
11 300, 11 320, 11 330, 11 343, 11 373,12 010, 12 011, 12 013
B
11 350, 11 375, 11 423, 11 425, 11 523, 12 020, 12 030, 14 120, 14 220,
35 - 60
35 – 65
C
11 500, 11 600, 12 040, 12 050, 15 260, 16 220, 16 221, 17 021
30 - 50
30 - 50
7.3 Stanovení sledu operací Když je stanoven objem, tvar a rozměr výchozího polotovaru, určuje se sled pracovních operací. Jsou to hlavně pracovní postupy tváření, tj. tváření výchozího polotovaru na tvar hotového výrobku přímo nebo postupně přes nutné mezioperace, dále ostatní potřebná zpracování, např. tepelná úprava, povrchová úprava aj. První úvaha se týká výroby výchozího polotovaru. U tyčového materiálu je třeba rozhodnout, zda má být zhotoven řezáním pilou nebo stříháním. Pilou odříznuté výchozí polotovary mohou být převážně protlačovány bez zvláštního předlisování, kdežto stříhané výchozí polotovary vyžadují v každém případě předlisování. Po tváření je třeba zjistit celkový stupeň deformace z výchozího tvaru na tvar konečný. To vyjádříme nejlépe celkovou hlavní deformací, protože pak je možno rozvrhnout tváření úměrně na jednotlivé dílčí deformace, tj. celkovou hlavní deformaci dostaneme součtem dílčích deformací. Jestliže jde o výrobek mající jednoduchý tvar, může být konečného tvaru výrobku dosaženo z výchozího polotovaru jedním nebo vícenásobným zpětným nebo přímým protlačováním. Jestliže je konečný tvar hotového výrobku složitý, vyžadují se většinou kromě operací protlačovacích ještě další operace tváření. Z tohoto důvodu nás zajímá při všech tvářecích postupech s různými druhy ocelí největší deformace, jíž lze v praxi 29
dosáhnout jednou pracovní operací, přitom platí přibližné směrnice, jež jsou sestaveny v tabulce. Dolní mez platí pro druhy ocelí s velkým obsahem uhlíku nebo legované oceli, horní mez pro oceli s nízkým obsahem uhlíku. (Hemr 1968) Tab. 5 Směrnice pro přípustnou deformaci při tvářecím postupu (Hemr 1968) Změna příčného průřezu Změna tloušky stěny Tvářecí postup
Zpětné protlačování
εS smluvené v %
φS skutečné v%
40 -75
51 - 140
εt φt smluvené Skutečné v% v% 40 - 75
51 -140
Hlavní deformace φg
85 - 186
Určení velikosti deformace: Zmenšení příčného průřezu:
S
D12 512 100 100 71,8% D02 60, 22
Hlavní deformace:
D02 60, 22 g ln 2 100 ln 100 126% 2 2 2 60, 2 51 D0 D1
7.4 Dodržení technologických zásad pro návrh protlačku 7.4.1
Návrh protlačku při zpětném protlačování
Průtlačnice má na vnějším tvaru nalisovanou bandáž, kterou se dosahuje předpětí průtlačnice zvyšující její trvanlivost. Při zpětném protlačování klade tvářený kov větší odpor než při dopředném, takže protlačovací nástroje jsou více namáhány. Dovolený stupeň deformace má nižší hodnoty. (Čada 2007) Při navrhování tvaru ocelového protlačku vhodného ke zpětnému protlačování je třeba dodržet následující technologické zásady:
Stupeň deformace volit dle tabulky
30
Vnější tvar dna protlačku je vhodný mírně vydutý t = (1÷2) mm, protože vypuklý opěrný trn (vyhazovač) má větší životnost než provedení s rovným čelem,
Tloušťka dna má být stejná nebo větší než tloušťka stěny. Součásti s velmi tenkým dnem jsou ve dnu tak zpevněny, že vzniká nebezpečí prasklin v nejtenčím místě (Hemr 1968)
Obr. 12 Protlačený kalíšek s technologicky vhodným tvarem (Hemr 1968)
7.5 Dodržení technologických zásad pro návrh nástrojů Protlačovací nástroje jsou konstruovány tak, aby se zamezilo tření mezi výrobkem a nástrojem, a aby ty části nástrojů, které jsou vystaveny největšímu opotřebení, byly co nejmenší a nejsnadněji vyměnitelné. Dále správná konstrukce záleží na určení poloměrů zaoblení, přechodů, tolerancí a jakosti povrchu. Při stanovení poloměrů je třeba dbát na to, aby se tvářený materiál nikde nemohl nahromadit nebo nepřirozeně zaškrtit. Přechody mají být mírné a nenáhlé. Úhly protlačovacích nástrojů jsou stanoveny experimentálně. (Čada 2007) (Hemr 1968) 7.5.1
Konstrukce průtlačníku při zpětném protlačování
Při navrhování tvarů průtlačníku ke zpětnému protlačování je třeba dodržet následující technologické zásady:
Údaje pro konstrukci nejčastěji používaného čela průtlačníku. průměr rovného čela průtlačníku
d = 0,5D
úkos čela průtlačníku
β = 27° 31
výška válcované plošky
a = (2÷5) mm
průměr protlačku za válcovanou ploškou
D1 = D - (0,1÷0,3) mm
Povrchová úprava nástrojů vyžaduje zvláštní péči při broušení po zušlechtění a stejně tak při lapování a leštění.
Konečné úpravy prováděny ve směru toku tvářeného materiálu, jejž zmenšují nepříznivé působení příčných rýh po broušení. (Hemr 1968)
Obr. 13 Geometrie čela průtlačníku pro zpětné protlačování oceli (Hemr 1968) 7.5.2
Návrh průtlačnice při zpětném protlačování
Dutina průtlačnice pro protisměrné protlačování je dána požadovaným tvarem protlačeného výlisku. Na obrázku je znázorněna průtlačnice pro kalíšek se zaobleným rohem r1 a rovným dnem. Ústí pracovní dutiny je buď zaobleno poloměrem r= (2÷4) mm, nebo kuželovou ploškou (2÷4) mm / 30 °, aby se usnadnilo vkládání polotovaru a zamezilo se odírání fosfátové vrstvy. Hloubka h2 dutiny průtlačnice je určena výškou výchozího polotovaru, která musí býti vložena do nástroje alespoň 5 mm pod horním čelem průtlačnice. Pro přechod r1 se používá co největší poloměr, aby se zamezilo praskání průtlačnice vlivem tepelného zpracování a k zajištění pevnosti nástroje. Tloušťka dna h1 musí býti dostatečná jednak z pevnostních důvodů, jednak pro dostatečné vedení vysunovače. Rozměr h1 je závislý na poloměru D2/ d2, kde pro D2/d2=4 bude h1=2d a pro D2/d2=2 bude h1=d. Vnější průměr A=(2÷3)D. Válcová dutina D má býti mírně kuželovitě otevřená k ústí a bez zápichu ve spodní části. Zápichy jsou nejčastější příčinou praskání průtlačnice ve směru kolmém k ose. (Kotouč 1978) 32
Obr. 14 Průtlačnice pro výrobu kalíšku (Kotouč 1978) 7.5.3
Návrh objímky pro zpětné protlačování
Zděřováním se umožňuje vytvořit celek, který snese vysoké namáhání průtlačnic a zajišťuje jejich snadnou vyměnitelnost. Tyto průtlačnice lze použít pro vnitřní tlaky do 1 600 MPa. Přesné rozměry průtlačnic a zděří se zjišťují pomocí výpočetní techniky v závislosti na vnitřním tlaku, materiálu nástroje a jeho tepelném zpracování. Předpětí se dosáhne postupným nalisováním průtlačnice a zděří na sebe.
Obr. 15 Typické tvary průtlačnic a jejich pouzdření objímkami (Forejt a Piška 2010)
33
Tab. 6 Geometrické parametry průtlačnic (Forejt a Piška 2010) PRŮTLAČNICE s jednou objímkou
se dvěma objímkami
1000 až 1600
1600 až 2000
D2/D1= 2 až 2,2
D2/D1= 1,6 až 1,8
D3/D2= 2 až 2,3
D3/D1= 2,2 až 3,2
D3/D1=4 až 5,5
D4/D1=4 až 6
Stykový průměr
D3 D3 D1
-
Přesah (mm)D2
(0,0055 až 0,0075)D2
(0,004 až 0,005)D2
-
(0,003 až 0,004)D3
Radiální tlak (MPa)
(mm)D3
7.5.4
Návrh vyhazovače při zpětném protlačování
Pro uzavření dna dutiny a funkci vyrážeče výrobků z nástrojů se používá spodní vysouvač. Vzhledem k jeho značnému namáhání je nutno volit správný poměr průměru dutiny průtlačnice D a vysunovače d h6, který se pohybuje v intervalu D/d = 2÷4, přičemž menší hodnota platí pro oceli s malým obsahem C (0,15%) a větší pro oceli s menší schopností plastické deformace. Délka má být co možná nejmenší a to v důsledku vybočení a napěchování vyhazovače. Vyhazovač má-li jen funkci vyrážeče, je zakončen kulovou nebo komole kuželovou plochou. (Kotouč 1968)
Obr. 16 Konstrukce vyhazovače (Kotouč 1978) 34
7.5.5
Návrh stěrače při zpětném protlačování
Pro odstranění výtlačku z nástroje při zpětném protlačování se používají stěrače, jenž jsou konstruovány jako prstencové nebo čelisťové, zanesené do stavebnicového odpruženého držáku, s nímž tvoří jakou si stírací desku. Mimo pevných kroužků se používají i segmentové stírací kroužky, kde jednotlivé segmenty jsou na obvodu přitlačovány pružinou. Při konstrukci nástroje je třeba odhadnout, zda součást ulpí na průtlačníku, nebo zůstane v průtlačnici. Materiálem používaným pro stěrače bývá ocel 19 312, 19 221 a 19 1991, zušlechtěna na HRC 56÷60. (Kotouč 1968)
Obr. 17 Konstrukce stěračů (Kotouč 1978) 7.5.6
Nástrojové oceli pracovních nástrojů
Na volbu vhodných nástrojových ocelí a jejich tepelné zpracování se klade velice důkladná pozornost. Nástrojové oceli musí být vysoké jakosti, tj. s nízkým obsahem síry, fosforu a musejí být pečlivě dezoxidované. Základní strukturou těchto ocelí je martenzit, legující prvky (Cr, Ni, Mo, W, V) váží uhlíku oceli ve formě karbidů. Aby bylo dosaženo správného uspořádání karbidů v základní martenzitické struktuře, je nutno ocel vhodně tepelně zpracovat. (Hemr 1968) Životnost hlavních nástrojů závisí na stupni deformace a tvaru pracovních částí. Rozmezí trvanlivosti se pohybuje u průtlačnice při zpětném protlačování mezi 5 000 až 30 000 kusů a u průtlačníku 300 až 150 000 kusů. U protlačování ocelí se vyžaduje vyšších měrných tlaků, a proto jsou vyšší nároky na pracovní nástroje. (Čada 2007) 35
Tab. 7: Doporučené druhy nástrojových ocelí (Feldmann 1962)
Nástroj
Průtlačnice
Průtlačník
Doporučená ocel
Tepelné zpracování
Poznámka
(HRC) pro měrné tlaky do 2 000 Mpa, velmi houževnatá
19 655
51-55
19 614
56-58
19 733
58-60
19 436
56 63
pro nízké měrné tlaky
19 800
61-63
pro vysoké měrné tlaky
19 824
61-63
pro vysoké měrné tlaky
19 830
62-64
pro vysoké měrné tlaky
19 436
60-62
vzdoruje otěru
ocel pro měrné tlaky do 2 500 Mpa
7.6 Výpočet tvářecí síly a práce Tvářecí síla, potřebná k dimenzování nástrojů a kontrole jmenovité síly zvoleného lisu, se vypočítá ze vztahu: F = kps·S = 1 093 · 2 042,8 = 2 233 kN Kde je S
- průřez činné části průtlačníku (mm2)
kps - střední přetvárný odpor materiálu (MPa) Aby nenastalo porušení činných částí nástroje (průtlačníku, průtlačnice apod.) nesmí hodnota středního přetvárného odporu kps překročit dovolené namáhání v tlaku materiálu činných částí (kps= max. 1 800 až 2 200 MPa, výjimečně 2 700 MPa). V oblasti výpočtů tvářecích sil při objemovém tváření zastudena byly pro inženýrskou praxi odvozeny vzorce pro stanovení středního přetvárného odporu, které respektují tření, rozměry výlisku a jeho geometrický tvar. (Čada 2007)
36
Určení středního přetvárného odporu při zpětném protlačování:
S S0 S S 2846,3 log 0 log 0 log 1 1,152 510 S S S S S S S 2042,8 0 1 0 1 1 1 0 2846,3 2846,3 2846,3 2042,8 log log log 2846,3 2042,8 2846,3 2042,8 2042,8 2846,3 2042,8 k ps 1,152 ks
S0 S1
1093 MPa
kde je ks – střední přirozený přetvárný odpor materiálu (MPa) S0 – průřez polotovaru protlačku (mm2) S1 – průřez dutiny protlačku (mm2) Střední přirozený přetvárný odpor materiálu lze vypočítat z hodnot přirozeného přetvárného odporu materiálu výlisku na počátku k1 a na konci k2 tvářecí operace: ks
k1 k2 260 670 465 MPa 2 2
Hodnoty k1 a k2 pro daný materiál lze stanovit podle křivky zpevnění na základě logaritmické průřezové deformace na počátku φS1 a na konci φS2 tvářecí operace. Velikost tvářecí práce lze vypočítat ze vztahu: A = F · h =2 233 · 16,45 = 36 733 kJ kde je
F - tvářecí síla (kN) h - dráha průtlačníku, během které probíhá vlastní tváření
7.7 Konstrukce protlačovadla Konstrukce protlačovacího nástroje pro zpětné protlačování se skládá vždy z průtlačníku, průtlačnice a stírače. Průtlačník bývá zakončen kuželovou hlavou, která slouží pro zvětšení dosedací plochy a pro středění průtlačníku v horní části stroje. V dolní části stroje je zalisovaná průtlačnice do zděře, rovněž se zde nachází vyhazovač opřený o kalenou desku. Vyhazovač lisu je seřízen tak, aby při protlačování měla tyčka vyhazovače určitou vůli X. Protože nástroj pracuje při automatickém chodu klikového lisu, je jeho bezporuchový chod zajištěn vyhazovačem a stěračem, aby bylo zaručeno spolehlivé odstranění protlačků z obou částí nástroje. (Feldmann 1962) 37
Obr. 18 Sestava pro zpětné protlačování pístku (METALDYNE Oslavany s.r.o.) 1- Vyhazovač; 2- průtlačnice; 3- průtlačník; 4- pouzdro průtlačníku; 5- opěrný kolík
38
8 ZÁVĚR Touto bakalářskou prací na téma Výrobní cyklus strojní součásti v technické praxi jsem chtěl zmapovat výrobu ocelového polotovaru, konkrétně brzdového pístu určeného do osobních automobilů v podniku MELDYNE Oslavany s.r.o., který je významným výrobcem
strojírenských
součástí
určených
pro
automobilový,
železniční
a
elektrotechnický průmysl. V první části práce byly popsány nejčastější způsoby výroby hutních polotovarů, které slouží jako výchozí polotovary k následnému zpracování protlačováním oceli za studena. Při volbě druhu polotovaru se vychází především z počtu vyráběných kusů, na němž závisí cena výrobku. V zásadě platí, že při volbě nejvhodnějšího polotovaru pro hromadnou nebo sériovou výrobu se volí materiál s co nejmenšími přídavky na opracování, tzv. polotovary přesné, které však bývají obvykle nenormalizované, a proto se musejí vyrábět na zakázku. V případech s velkou sérií výrobků se musí tedy před konečným rozhodnutím o druhu a způsobu výroby provést porovnávací technickohospodářský rozbor, při kterém se přihlíží nejen k nákladům na pořízení polotovaru, ale také k nákladům na opracování. Při volbě optimálního hutního polotovaru se také vychází z požadovaného rozměru na konci pracovní operace, zároveň je definován výchozí materiál a geometrický tvar protlačku. Při objednávce oceli z železárny, bylo nutno předepsat určité dodací podmínky a zkoušky, aby byla zaručena kvalita pro další zpracování. Výchozí polotovar pro výrobu musel být povrchově opracován loupáním, aby zamezil vzniku a rozšíření trhlin při horní mezi příčné deformace zvoleného výrobku. Navržený postup výroby zpětným protlačováním za studena poukazuje, že kvalitní výrobek s dlouhou životností a spolehlivostí lze vytvořit nejen z odpovídajících materiálů, ale i kvalitní technickou přípravou a dodržování technologických zásad. Přestože je v dnešní době velmi významný nástup výpočetní techniky ve strojírenské výrobě, který znamená usnadnění, zrychlení a zpřesnění výroby, měl by každý pracovník ve svém oboru mít základní znalosti a přehled o dané problematice.
39
9 SEZNAM LITERATURY Knihy: ČADA, R. 2007: Postupy údržby I. Ostrava, Vydalo Ediční středisko VŠB – TUO. ISBN 978-80-248-1506-0. 278 s. DILLINNGER, J. 2007: Moderní strojírenství pro školu a praxi. Vydalo nakladatelství Europa – Sobotáles Praha. ISBN 978-80-86706-19-1. 607 s. FELDMANN, H. D. 1962: Protlačování oceli. Přeloženo z německého originálu Fliessen von Stahl vydaného nakladatelstvím Springer-Velaf, Berlin –GőttinenHeidelberger v roce 1959. Přeložil Doc. Ing. Hašek. Vydalo SNTL Praha v roce 1962. 200 s. FOREJT, Milan; PIŠKA, M. 2010: Teorie obraběni, tvařeni a nastroje. 1.vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, Brno. ISBN 978-80-214-4220-7. 134 s. HEMR, F. 1968: Konstruování součástí vhodných k protlačování za studena.
SNTL -
Nakladatelství technické literatury, Praha. 213 s. HLUCHÝ, M. – KOLOUCH, J. – PAŇÁK, R. 1998: Strojírenská technologie 2, 1. díl. Polotovary a jejich technologičnost. Praha, Vydalo Scientia, ISBN 80-7183-244
-
8. 316 s. KOTOUČ, JIŘÍ. 1978: Nástroje pro tváření. ČVUT Praha. Vydala Státní tiskárna Praha n. p., závod 6, Praha 1. Číslo vydání 2867. 158 s. LAPČÍK, V. 2008: Výrobní a environmentální technologie. Ostrava, FRVŠ 244/2008/F1/b. 247 s. Firemní materiály METALDYNE Oslavany, spol. s r. o.
40
Internetové zdroje: PRŮMYSL
V ČESKU.
Databáze
online
[cit.
2013-4-6].
Dostupné
na:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Průmysl_v_Česku TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ. Studijní opory pro kombinované studium I. stupeň, 2. Ročník CTT-K. Databáze dostupná online [cit. 2013-3-25]. Dostupné na: http:// ust.fme.vutbr.cz/tvareni/opory_soubory/technologie_tvareni/kapitola_3.htm TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ KOVŮ. Databáze online [cit. 2012-10-14]. Dostupné na: http://ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/01.htm VÝROBA HUTNÍCH POLOTOVARŮ. Databáze online [cit. 2012-10-13]. Dostupné na: http://techstroj.g6.cz/T/T06.pdf
41
10 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Seznam obrázků Obr. 1 Teploty pro tváření za tepla uhlíkových ocelí (www. technostro.g6.cz.)............. 12 Obr. 2 Dopředné protlačování (Hemr 1968) .................................................................. 17 Obr. 3 Zpětné protlačování špalíku, kalíšku a plného polotovaru (Hemr 1968)............ 17 Obr. 4 Sdružené protlačování plného polotovaru (Hemr 1968) ..................................... 18 Obr. 5 Stranové protlačování plného polotovaru (Hemr 1968) ..................................... 18 Obr. 6 Vliv protlačování na mechanické vlastnosti oceli 12 010 (Čada 2007) .............. 20 Obr. 7 Deformační diagram oceli 12 010 (Feldmann 1962) .......................................... 21 Obr. 8 Charakteristika mechanického lisu (Feldmann 1962) ........................................ 22 Obr. 9 Charakteristika hydraulického lisu (Feldmann 1962) ........................................ 23 Obr. 10 Oblasti žíhacích teplot v rovnovážném diagramu (Dillinger 2007) .................. 25 Obr. 11 Rozklad pístu na základní plochy ...................................................................... 26 Obr. 12 Protlačený kalíšek s technologicky vhodným tvarem (Hemr 1968) .................. 31 Obr. 13 Geometrie čela průtlačníku pro zpětné protlačování oceli (Hemr 1968) ......... 32 Obr. 14 Průtlačnice pro výrobu kalíšku (Kotouč 1978) ................................................. 33 Obr. 15 Typické tvary průtlačnic a jejich pouzdření objímkami (Forejt a Piška 2010). 33 Obr. 16 Konstrukce vyhazovače (Kotouč 1978) ............................................................. 34 Obr. 17 Konstrukce stěračů (Kotouč 1978) .................................................................... 35 Obr. 18 Sestava pro zpětné protlačování pístku (METALDYNE Oslavany s.r.o.) ......... 38 Seznam tabulek Tab. 1 Výchozí polotovary k protlačování (Hemr 1968) ................................................ 15 Tab. 2 Výpočet objemů.................................................................................................... 27 Tab. 3 Obsah chemických prvků v oceli 12 010 ............................................................. 28 Tab. 4 Rozdělení oceli dle vhodnosti k objemovému tváření (Feldmann 1962) ............. 29 Tab. 5 Směrnice pro přípustnou deformaci při tvářecím postupu (Hemr 1968) ............ 30 Tab. 6 Geometrické parametry průtlačnic (Forejt a Piška 2010) .................................. 34 Tab. 7 Seznam použitých symbolů a značek ................................................................... 43
42
11 SEZNAM SYMBOLŮ A ZNAČEK Tab. 7 Seznam použitých symbolů a značek Zkratka / symbol
jednotka
popis
ČSN
-
a
mm
a
J
A
mm
A
J
d
mm
vnitřní průměr
D
mm
vnější průměr
F
N
síla
h
mm
zdvih
H
mm
hloubka
ks
MPa
střední přirozený přetvárný odpor materiálu
kps
MPa
střední přetvárný odpor materiálu
l
mm
délka
m
kg
hmotnost
p
MPa
tlak
r
mm
zaoblení
S
mm2
plocha, průřez, tloušťka
t
ºC
teplota
V
mm3
objem
α
mm
vzdálenost od osy rotace
β
º
zkosení
δ
-
tažnost
ε
-
poměrná deformace
φ
-
logaritmická deformace
σ
-
pevnost
π
-
Ludolfovo číslo
ψ
-
kontrakce
Česká státní norma výška válcové plochy přetvárná práce průměr tvářecí práce
43
