MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2012
ZDENĚK PAVLÍK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Tvářecí technologie ve strojírenské praxi Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Vypracoval: Zdeněk Pavlík
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma “TVÁŘECÍ TECHNOLOGIE VE STROJÍRENSKÉ PRAXI“ vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MENDELU v Brně.
dne……………………………………….
podpis ……………………………..
PODĚKOVÁNÍ Tímto chci poděkovat vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za ochotu a trpělivost, kterou projevil při konzultačních hodinách. Také bych chtěl poděkovat paní RNDr. Zdeňce Galbavé, která mi pomohla s přeloţením abstraktu.
ABSTRAKT Bakalářská práce se zabývá tvářecími technologiemi ve strojírenské praxi. Tváření kovů patří k nejproduktivnějším oborům strojírenské technologie. Vyuţití materiálu je velmi hospodárné a vzniká minimální odpad. Pouţívá se jak u sériové, tak i u hromadné výroby. Výkonnost strojního zařízení je vysoká, jeden tvářecí stroj nahradí aţ 4 obráběcí stroje. Výrobní pochody lze velmi snadno mechanizovat. V bakalářské práci bude popsáno základní rozdělení tvářecích pochodů podle teploty, podle technologických operací a potřebných strojů, vyuţitých ke tvářecím úkonům. Bakalářská práce bude také zaměřena na vlastnosti materiálu potřebné ke tváření a v závěru této práce budou porovnány vlastnosti tvářeného materiálu oproti obráběnému materiálu.
Klíčová slova: Tvářecí technologie, tvářecí stroje, vlastnosti tvářeného materiálu, teplota tváření
ABSTRAKT Bachelor Thesis deals with form technologies in engineering practice. Forming metals belongs to the most productive branches of engineering technology: Usibg of material is very economical and there is minimal waste creating. It can be used both in serial or in mass prodoction. Efficiency of engineering equipment is high, one forming machine compenzates as far as four machine tools. Manufactoring processes can be automated very easy. In this Bachelor Thesis thereis described basic dividing of forming processes acording to temperature and technological operations necessary machines used to form transaction. I concentated on quality materialneeded to forming. In conclusion I compare qualities of forming material opposite to the forming.
Key words: forming technology, forming machines quality forming material, forming temperature.
OBSAH 1
ÚVOD..................................................................................................................... 9
2
CÍL ........................................................................................................................ 10
3
PŘEHLED MATERIÁLŮ VHODNÝCH KE TVÁŘENÍ ................................... 10
4
5
3.1
Vlastnosti materiálu pro objemové tváření za studena .................................. 10
3.2
Vlastnosti materiálu pro objemové tváření za tepla....................................... 11
3.3
Vlastnosti materiálu pro plošné tváření ......................................................... 11
TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ ............................................................................... 12 4.1
Zotavení ......................................................................................................... 13
4.2
Rekrystalizace ................................................................................................ 13
4.3
Růst zrn .......................................................................................................... 14
4.4
Stárnutí ........................................................................................................... 14
ROZDĚLENÍ TVÁŘECÍCH PROCESŮ PODLE TEPLOTY ............................ 14 5.1.1
Tváření za studena .................................................................................. 15
5.1.2
Tváření za tepla ...................................................................................... 15
5.1.2.1 Výhody tváření za tepla……………………………………………… 16 5.1.2.2 Nevýhody tváření za tepla……………………………………………...16 5.1.3
6
Tváření za poloohřevu ............................................................................ 16
5.2
Ohřev materiálu ............................................................................................. 17
5.3
Pnutí a deformace .......................................................................................... 18
5.4
Rozdělení tvářecích procesů podle tepelného efektu ..................................... 18
TECHNOLOGIE OBJEMOVÉHO TVÁŘENÍ ................................................... 18 6.1
Válcování ....................................................................................................... 19
6.1.1
Koeficient tření ....................................................................................... 19
6.1.2
Princip válcování .................................................................................... 19
6.1.3
Metody válcování ................................................................................... 20
6.1.4
Rozdělení válcovacích stolic .................................................................. 21
6.1.5
Válcování trubek .................................................................................... 21
6.1.6
Zvláštní způsoby válcování .................................................................... 22
6.1.6.1 Příčné klínové válcování……………………………………………… 22 6.1.6.2 Válcování kuličkových polotovarů……………………………………..23 6.1.6.3 Válcování závitů………………………………………………………..24 7
6.1.6.4 Materiál pro tvářené závity……………………………………………..24 6.2
Kování ............................................................................................................ 25
6.2.1
Rozdělení kování .................................................................................... 25
6.2.1.1 Volné (ruční kování)…………………………………………………...26 6.2.1.2 Strojní kování…………………………………………………………..27 6.2.2
Ohřev materiálu pro kování .................................................................... 26
6.2.3
Vady vzniklé nesprávným ohřevem ....................................................... 27
6.2.4
Stupeň prokování a deformace ............................................................... 28
6.2.5
Výpočet síly při kování .......................................................................... 30
6.2.6
Kovací stroje ........................................................................................... 30
6.2.6.1 Buchary………………………………………………………………...30 6.2.6.2 Stroje pro zápustkové kování…………………………………………..31 6.2.6.3 Lisy……………………………………………………………………..31 6.3
Protlačování ................................................................................................... 33
6.3.1
Hlavní způsoby protlačování .................................................................. 34
6.3.1.1 Zpětné protlačování…………………………………………………….34 6.3.1.2 Dopředné protlačování…………………………………………………35 TECHNOLOGIE PLOŠNÉHO TVÁŘENÍ ......................................................... 35
7
7.1
Stříhání ........................................................................................................... 35
7.2
Ohýbání .......................................................................................................... 37
7.2.1
Stanovení výpočtu délky polotovaru ...................................................... 37
7.2.2
Minimální poloměr ohybu ...................................................................... 38
7.3
Rovnání .......................................................................................................... 38
7.4
Taţení............................................................................................................. 40
7.4.1
Výpočet síly a práce ............................................................................... 40
8
ZÁVĚR ................................................................................................................. 41
9
POUŢITÁ LITERATURA ................................................................................... 43
10
SEZNAM SYMBOLŮ A ZNAČEK .................................................................... 45
11
SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK .................................................................. 46
8
1 ÚVOD Historie tváření spadá jiţ do doby bronzové. Technologie tváření představuje výrobní proces, při němţ se vyuţívá beztřískového zpracování, zaloţeného na tvárné deformaci, kde účinkem vnější síly dochází k trvalé plastické deformaci. Kaţdou trvalou deformaci předchází deformace pruţná (elastická). Tvářecí procesy probíhají za obecných termodynamických podmínek. Účelem tváření je zpravidla nejen dosaţení patřičného tvaru součásti, ale i dosaţení lepších mechanicko-fyzikálních vlastností výchozího materiálu. Tváření kovů patří k nejhospodárnějším metodám technologického zpracování kovů, vzhledem k minimálnímu odpadu materiálu. Díky novým technologickým obnovám strojních linek dochází k výrazné úspoře energie, materiálu a času. Největší rozvoj tváření nastal za druhé světové války.
(Hluchý M. a kol., 1979)
V součastné době existuje velké mnoţství technologických tvářecích procesů, které se dělí z nejrůznějších hledisek: Podle teploty tvářeného materiálu
tváření za studena (teplota tváření je niţší neţ teplota rekrystalizace)
tváření za tepla (teplota tváření je vyšší neţ teplota rekrystalizace)
Podle tepelného efektu Část energie vynaloţené na přetvárný proces se mění v teplo. Teplo se můţe zcela anebo jen částečně odvést do okolí nebo se můţe zcela anebo částečně akumulovat ve tvářeném materiálu. Důsledkem akumulovaného tepla vzroste teplota tvářené součásti. Tomuto jevu říkáme tepelný efekt. Podle mnoţství vyvinutého tepla, které se spotřebuje na zvýšení tvářené součásti, lze rozdělit tvářecí procesy na izotermické, adiabatické a polytropické (v praxi nejčastější, část tepla se akumuluje a část je odvedena do okolí).
(www.ksp.tul.cz)
Podle účinku tvářecí síly
tváření klidným tlakem
tváření rázem
9
Podle převládajícího stavu napjatosti
tváření plošné
tváření objemové
2 CÍL Cílem této bakalářské práce je popsání základních technologických operací, které tváření kovů doprovázejí a rozčlenění technologických operací do patřičných skupin, u kaţdé zmiňované kapitoly budou přidány teoretické poznatky podloţené názornými obrázky nebo grafy. V další kapitole poté mají být popsány základní vlastnosti tvářeného materiálu, např. jeho mechanické, chemické a teplotní pochody, které se během tváření mění. V závěru bakalářské práce mají být všechny shromáţděné informace pouţity k porovnání s třískovým obráběním.
3 PŘEHLED MATERIÁLŮ VHODNÝCH KE TVÁŘENÍ K tváření se hodí jen materiály tvárné (plastické), tj. takové, které mají dobrou tvárnost, čili schopnost změnit působením vnějších sil trvale svůj tvar, aniţ by se porušila jeho soudruţnost; částice hmoty se jen trvale přemísťují. Nejčastěji pouţívaným materiálem ke tváření je ocel a to v širokém rozmezí od nízkouhlíkových ocelí aţ po nástrojové oceli. Vedle ocelí se při výrobě polotovarů k tváření pouţívají lehké a barevné kovy včetně jejich slitin, nejvíce pouţívané jsou hliníkové a hořčíkové slitiny a mosazi atd. Obecně rozlišujeme podle podmínek tvářecích procesů materiály vhodné pro objemové tváření za studena, pro objemové tváření za tepla a materiály pro lisování plechu, kdy tuto skupinu dále rozčleňujeme na podskupiny materiálů pro taţení, pro ohýbání a pro stříhání plechu.
(Dvořák M. a kol.,2001)
3.1 Vlastnosti materiálu pro objemové tváření za studena Teoreticky lze protlačovat všechny druky ocelí i neţelezných kovů, jenţe tato myšlenka není v praxi dobře uplatnitelná kvůli silám vzniklým při tváření (zatěţující nástroj a samotný tvářecí stroj). Oceli pro objemové tváření za studena jsou nejvhodnější ve stavu ţíhaném na měkko. Strukturou feriticko-perlitickou, přičemţ perlit by měl být globulární. Vhodné struktury lze dosáhnout kombinovaným ţíháním, 10
tj. normalizačním ţíháním na zrovnoměrnění zrna s následujícím ţíháním na měkko za účelem dosaţení co nejniţší tvrdosti a co moţná nejvyšší tvárností. Z hlediska plasticity jsou nejvhodnější oceli s nejniţší mezí kluzu, nejvyšší taţností a s poměrem meze kluzu k mezi pevnosti v rozmezí (0,5 aţ 0,6). Chemické vlastnosti oceli se volí s nízkým obsahem uhlíku, s minimálním obsahem fosforu a síry a s minimálním výskytem nekovových vměstků. Při objemovém tváření neţelezných kovů za studena jsou potřeba mnohem menší energosilové parametry jako u oceli. U některých nízkotavitelných kovů, např. u olova a cínu, se rekrystalizační teploty pohybují v oblasti pokojové teploty, nedochází tak prakticky ke zpevnění při tváření za studena. Slitiny hliníku s mědí a manganem jsou tvárné, přičemţ obsah legur zvyšuje jejich pevnost, to však vede k růstu měrných tvářecích sil. Lité bronzy nejsou vhodné pro tváření za studena, ke tváření je vhodný bronz cínový a hliníkový. Mosazi jsou vhodné pro tváření za studena s minimálním obsahem mědi 63%.
(www.345.vsb.cz)
3.2 Vlastnosti materiálu pro objemové tváření za tepla Tváření za tepla se provádí za teploty dostatečně vyšší neţ je teplota rekrystalizace, při výběru materiálu je v tomto případě důleţitá rekrystalizační rychlost, která v poměru k deformační rychlosti významně ovlivňuje tvářitelnost. Tvářitelnost kovů a jejich slitin se hodnotí jako: zaručená, velmi dobrá, dobrá, zhoršená, možná. Velikost deformace je dalším rozhodujícím faktorem, protoţe malý stupeň deformace vede zpravidla ke kritickému růstu zrna a tím ke vzniku značného vnitřního pnutí. Správný ohřev oceli zabrání vznik okují a ovlivnění chemického sloţení z hlediska nauhličení a ztracením tak důleţitých legujících prvků. Stoupající obsah uhlíku zvyšuje interval tvářecích teplot a sniţuje horní tvářecí teploty a tvářitelnost v oblasti spodních teplot tváření. Mangan od 2 aţ 3% zlepšuje tvářitelnost, křemík se pouţívá jako dezoxidační prvek, chróm sniţuje rekrystalizační schopnosti oceli a podporuje vznik pevně lpících okují, nikl podporuje vznik vnitřních trhlin. Molybden výrazně sniţuje rekrystalizační schopnosti a vazbou na síru způsobuje vznik vnitřních trhlin, síra vyvolává křehkost za tepla, kyslík podporuje vznik lidických vměsků, dusík způsobuje stárnutí oceli, vodík způsobuje vznik vloček. (www.345.vsb.cz)
3.3 Vlastnosti materiálu pro plošné tváření Významné spektrum mezi výrobky (které jsou vyráběny lisováním), tvoří výlisky vyráběné taţením respektive hlubokým taţením poměrnou část. Obecně se rozlišují 11
z hlediska tvářitelnosti čtyři skupiny plechů: MT - jakost vhodná k mírnému taţení, ST - jakost vhodná ke střednímu taţení, HT - jakost vhodná k hlubokému taţení, VT jakost vhodná k velmi hlubokému taţení. Zařazení jednotlivých druhů plechů do těchto skupin probíhá na základě mechanických vlastností a chemického sloţení. Z hlediska mechanických vlastností jde o ocelové plechy s mezí kluzu 220 aţ 280 MPa, s mezí pevnosti 290 aţ 520 MPa a taţností 25 aţ 36% s obsahem C 0,07 aţ 0,20% a Mn 0,40 aţ 0,80%. Jde o plechy neuklidněné se sklonem ke stárnutí a uklidněné (nestárnoucí). K posouzení hlubokotaţnosti plechů slouţí řada specifických zkoušek. Stárnutí u ocelových plechů je souhrn změn fyzikálních a mechanických vlastností, k nimţ dochází v průběhu uloţení plechů při pokojové teplotě. Nejvýznamnější je z hlediska tvářitelnosti stárnutí po plastické deformaci za studena. V tomto případě se projevuje mez kluzu charakteristickým kolísáním napětí a značnou deformací na mezi kluzu (tzv. Lüdersova deformace). Tato deformace úzce souvisí s výskytem vrásek (kluzových čar) na výliscích.
(www.345.vsb.cz)
4 TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ Tváření se děje buď působením klidných sil (válcováním, lisováním apod.), nebo rázy (kováním, nýtováním apod.), a to za tepla nebo za studena. Při tváření za tepla se ohřevem zmenšuje pevnost materiálu, a tím se zvětšuje jeho tvárnost; teplota, při které tváříme, se nazývá teplota tváření; kaţdým ohřevem se povrch ohřívaného materiálu přemění na oxidy; oxidovaný povrch materiálu se při tváření odlupuje v šupinkách, kterým říkáme okuje; vznikají tak ztráty opalem (při jednom ohřevu činí asi 3 aţ 5%). Tvářením za studena se kovy zpevňují; zároveň se zvětšuje tvrdost, ale zmenšuje se houţevnatost, zpracování není v celém průřezu zcela rovnoměrné, vznikají nebezpečná vnitřní napětí, která mohou porušit materiál. Působí-li na kovové těleso vnější síla, mění těleso svůj tvar a při dostatečné velikosti vnější síly dojde k jeho porušení. Účinkem síly vzniká současně v tělese napětí, neboť jeho vnitřní síly brání ke změně tvaru. Tvarová změna, vyvolaná působením vnější síly, a tedy i v nízkém napětí, je deformace pouze pruţná a určena Hookovým zákonem. Po odlehčení tato deformace mizí a těleso tak nabude původního tvaru. Překročí-li hodnota vnější síly určitou mez, dojde k deformaci trvalé (plastické) a po odlehčení zůstává těleso trvale deformováno. Plastická deformace krystalických
12
materiálů se uskutečňuje pohybem dislokací. Jedná se o trvalou změnu tvaru vyvolanou smykovým napětím.
(Doubravský M., 1985)
S rostoucím stupněm deformace se mění tvar zrn. Zrna se prodluţují ve směru převládající deformace. V průběhu plastické deformace se mění také orientace mříţky. Původní náhodná orientace se během deformace mění v usměrněnou (např. válcování nebo taţení za studena) a to se také označuje jako textura. Podobně jako mez kluzu vzrůstá také pevnost a tvrdost. Mez kluzu vzrůstá rychleji neţ pevnost a obě hodnoty se k sobě přibliţuji. Poměr Re/Rm se blíţí jedné. Obecně dochází ke zpevnění. Kromě mechanické změny vlastností způsobuje také deformační zpevnění mimo jiné sníţení elektrické a tepelné vodivosti, sníţení odolnosti proti korozi, chemickým vlivům apod., coţ můţe být rozhodujícím faktorem pro určitý výrobek.
Návrat
z deformovaného stavu struktury nemůţe nastat samovolným způsobem, ale při vyšších teplotách, kde dojde k teplotně aktivovaným dějům.
(Forejt M., 1992)
4.1 Zotavení Je-li za studena deformovaný kov zahřát (u čistých kovů je teplota zotavení 0,1 aţ 0,35 teploty tání), dochází v jeho vnitřní stavbě ke změnám, které se projevují postupným zmenšováním zpevnění. Struktura deformovaná předchozím tvářením se nemění a celý proces probíhá v submikrostruktuře. Zotavení je charakterizováno především změnou v uspořádání dislokací, spojenou se zmenšením energie mříţky. Pro technickou praxi má zotavení velký význam. U výrobku, u něhoţ došlo po tváření za studena k zotavení, je moţno vyuţít zvýšené pevnosti a tvrdosti, získané v důsledku zpevňovacího procesu při dostatečné houţevnatosti. Zotavovací proces je procesem nevratným, probíhá za nízkých teplot dlouhou dobu. Zvyšování teploty má za následek zkracování zotavovacího procesu.
(Dvořák M. a kol.,2001)
4.2 Rekrystalizace Představuje obdobně tak jako zotavení nevratný, technicky důleţitý proces, který je doprovázen soustavnou změnou mechanických a fyzikálních vlastností materiálu. Při určitých podmínkách rekrystalizace získává materiál výrobku, zpevněný vlivem tváření, své původní vlastnosti, v některých případech i vlastnosti lepší oproti výchozím hodnotám. Při rekrystalizačním procesu se netvoří nová fáze, nemění se typ strukturní mříţky, ale upravuje se předchozí deformací porušená stavba krystalu. Rekrystalizace probíhá za teplot T
* T tav (Hluchý M. a kol., 1979)
13
4.3 Růst zrn Po dokončení původní rekrystalizace, tj. v okamţiku, kdy rostoucí krystaly spotřebovaly deformovaný materiál, můţe nastat proces dalšího sniţování energie kovu v důsledku sniţování úhrnné plochy povrchu zrna. Např. při dlouhém ţíhání za studena tvářené součásti lze pozorovat napřimování hranic zrn. Malá zrna se zmenšují a větší rostou. Tento proces, jehoţ řídícím mechanismem je povrchové napětí hranic zrn, nazýváme růstem zrn.
4.4
(Doubravský M., 1985)
Stárnutí Je křehnutí oceli, způsobené vyloučením nitridů, tj. sloučením dusíku s kovy na
hranicích zrn a v kluzných rovinách. Při stárnutí oceli tvářené za studena se blokují volné dislokace atomy uhlíku nebo dusíku rozpuštěnými ve feritu. Tento proces je provázen změnou mechanických vlastností oceli. Ocel se zpevňuje za současného křehnutí, klesá vrubová houţevnatost, zvyšuje se mez kluzu a zhoršuje se tvárnost za studena. Ke stárnutí jsou náchylné oceli nízkouhlíkové, obsahující dusík. Stárnutí probíhá samovolně při běţné teplotě okolí řádově měsíce a roky. Tvářením za studena a následujícím ohřevem na teploty v rozmezí 200-250°C se proces urychluje. (Doubravský M., 1985)
5 ROZDĚLENÍ TVÁŘECÍCH PROCESŮ PODLE TEPLOTY Rozdělení tvářecích procesů podle teploty je vlastně vztahem mezi teplotou tvářeného materiálu a teplotou rekrystalizace.
Obr. 1 Oblast tvářecích teplot pro konstrukční oceli (Hluchý M. a kol., 1979)
14
O b r . 1 O b l a s t t v á ř e c í c h t e p l o t p r o k o n s t r i k č n í o c e l i ( H l u
Obr. 2 Vliv teploty na přetvárný odpor slítinové chromové oceli 141400.4 (Forejt M., 1992)
5.1.1 Tváření za studena Tváření za studena se provádí za teplot výrazně niţších neţ je teplota rekrystalizace (tváření pod rekrystalizační teplotu, kdy teplota tváření je pod hodnotou 30% teploty tání tvářeného materiálu). Při dodrţení těchto poţadavků dochází ke zpevňování materiálu, zrna se deformují ve směru tváření a vytváří se deformační textura. Výhodou tváření za studena je vysoká přesnost rozměrů, kvalitní povrch, jelikoţ nenastává okujení. Nevýhodou však je nerovnoměrné zpevňování a omezená tvárnost materiálu, pro který je nutné vynaloţení velké tvářecí síly. (www.ksp.tul.cz) 5.1.2 Tváření za tepla Při tváření za tepla nastává úplná rekrystalizace. To znamená, ţe takto tvářený kov nemá po skončení tváření ţádné stopy po zpevnění, protoţe rychlost rekrystalizace je tak vysoká, ţe zpevnění způsobené tvářením mizí jiţ v průběhu tváření anebo bezprostředně po něm. Pro volbu teplot při tváření ocelí platí tyto zásady: Čím vyšší je teplota tváření, tím menší jsou odpory proti deformaci. Čím vyšší je teplota tváření, 15
tím více hrubne zrno a klesá houţevnatost. Vysoké teploty také způsobují značný opal. Proto se nesmí překročit horní teplota tváření a končit se má na dolní teplotě tváření viz (obr. 1). Jedná se o teploty v rozmezí: 0,8 * Tt
0,85* T t (Hluchý M. a kol., 1979)
Rozhodující pro vlastnosti tvářené oceli je hlavně konečná teplota, při které tváření skončilo. U oceli je to přibliţně 50 °C nad čárou A3 nebo A1 (obr. 1). Tvářením pod těmito čárami se dopouštíme tváření za studena, a proto nastává zpevňování oceli. Není-li práce při dolní teplotě tváření ještě dokončena, je nutné materiál znovu přiměřeně ohřát. Říkáme, ţe se tváří na jedno, dvě nebo více ohřátí. Ocel je nejlépe tvárná v oblasti austenitu. Pro uhlíkové oceli je rozmezí tvářecích (kovacích) teplot od 900°C do 1300°C.
(Hluchý M. a kol., 1979)
Při volbě reţimu tváření za tepla je nutno respektovat řadu hledisek, např. ohřev na vysokou teplotu, přehřátí vede k okysličování, vzniku okují a k oduhličení povrchové vrstvy. Při dlouhém setrvání mezi teplotami A1 a A3 (obr. 1) bez tváření způsobuje zhrubnutí zrna. Vedle poţadované změny tvaru a rozměru je také cílem zlepšení mechanických vlastností materiálu zjemněním jeho struktury. 5.1.2.1 Výhody tváření za tepla malé přetvárné odpory za vysokých teplot tváření, které se s rostoucím stupněm přetvoření nemění obnova a dynamické odpevnění struktury potřeba menších tvářecích sil a tím i menší přetvárné práce menší namáhání nástroje (Forejt M., 1992) 5.1.2.2 Nevýhody tváření za tepla velká spotřeba energie na ohřev, vyšší investiční náklady (el. energie, plyn, uhlí) značné tepelné namáhání nástroje a stroje menší tvarová a rozměrová přesnost horší kvalita oduhličeného a okujeného povrchu při kování a obrábění je třeba vyvarovat se porušení vláknité struktury (Forejt M., 1992) 5.1.3 Tváření za poloohřevu Probíhá při teplotách, kdy dochází k tepelně aktivovanému pohybu dislokací a ke sníţení jejich hustoty anihilací. Jedná se o teploty v rozmezí: 0,35 * Tt
0,55 * Tt
U nízkouhlíkové oceli se při 200°C zvýší taţnost o 20 aţ 30% proti výchozím 16
hodnotám tváření za studena. Teplota je niţší neţ teplota rekrystalizace a proto je tvářecí děj doprovázen deformačním zpevněním při menších hodnotách přetvárných odporů (obr. 2).
5.2
(Dvořák M. a kol., 2001)
Ohřev materiálu Jedním ze základních předpokladů správného tváření je dodrţení správné teploty
tváření. Proto je důleţité ohřev materiálu provést tak, aby bylo zaručené stejnoměrné prohřátí v celém průřezu a aby byl ohřev pokud moţno nejrychlejší (co nejvíce ekonomický) a ztráty vzniklé opalem co nejmenší. Doba ohřevu t na teplotu tváření je závislá na tepelné bilanci pece, vodivosti ohřívaného materiálu a na samotném rozloţení v peci (obr 3)
t = čas potřebný k ohřevu z 0°C na 1200°C (h) = součinitel závisející na průřezu materiálu a na jeho rozloţení v peci k = součinitel vlivu chemického sloţení materiálu D= průměr anebo délka strany průřezu ohřívaného materiálu (m) (Hluchý M. a kol., 1979)
Obr. 2 Závislost součinitele α na způsobu uložení materiálu v peci (Hluchý M. a kol., 1979) 17
5.3 Pnutí a deformace Pnutí v materiálu je zapříčiněno nestejnoměrným ochlazováním, prudkými změnami teploty a nepochybně i nevhodnými tvary výrobku. Při ochlazování výrobku se sniţuje teplota jeho povrchu rychleji neţ teplota jádra. Proto se v průběhu chladnutí vytváří tepelný spád, který podmiňuje vznik tepelného pnutí. Povrch se ochlazuje rychleji a má tak snahu se smršťovat, jádro, které má vyšší teplotu a tím i větší objem, smršťování brání. Výsledkem jsou pak tahová pnutí v povrchové vrstvě a tlaková pnutí v jádru. Je-li teplota vysoká, vyrovnává se pnutí na povrchu a v jádru plastickou deformací. Při dalším ochlazování pokračuje smršťování výrazněji v jádru, protoţe jádro má stále vysokou teplotu, jelikoţ teplota na povrchu je uţ velmi nízká, brání proto k vyrovnání teploty jádra a povrchu pomocí plastické deformace. V závěrečném a finálním procesu je jádro namáháno tahem a povrchová vrstva tlakovým napětím. Důsledkem tohoto stavu je pak deformace součásti.
(Filípek J., 1981)
5.4 Rozdělení tvářecích procesů podle tepelného efektu
Izotermické tváření je tváření, kdy veškeré vyvinuté teplo je odvedeno do okolí a teplota tvářeného kovu se nemění. Deformace je dostatečně pomalá.
Adiabatické tváření je proces tváření, při kterém veškeré teplo zůstane v materiálu a dojde ke zvýšení teploty kovu. Deformace je extrémně vysoká.
Polytropické tváření je způsob tváření, u kterého se část tepla odvede do okolí a část tepla zůstane v tvářeném materiálu (nejčastější případ). (www.ksp.tul.cz)
6 TECHNOLOGIE OBJEMOVÉHO TVÁŘENÍ Objemové tváření je odvětví tváření, u kterého nastává deformace ve směru všech tří os souřadnicového systému.
Technologické postupy spadající do objemového
tváření se mohou provádět při libovolných tvářecích teplotách (za tepla, za studena, za poloohřevu).
18
6.1 Válcování Materiál je do válcoven přiváděn ve ztuhlých ingotech, kdy se jeho hmotnost pohybuje od 100 kg do 50 t. Materiál se předehřívá v hlubinných pecích na teplotu tváření, a to kolem 1100°C. Poté se válcuje na předvalky. Z těch se dále vyrábějí válcováním konečné výrobky – vývalky (kolejnice, tyče, pásy, trubky, plechy). 6.1.1 Koeficient tření Koeficient tření se během válcování mění, jiný je na začátku válcování a pak mezi ustáleným válcováním. Při válcování za tepla se součinitel tření výrazně mění se změnou chemického sloţení kovu (u oceli s vyšším obsahem uhlíku má niţší součinitel tření), kaţdé oceli přísluší maximální součinitel tření pro dané podmínky a teplotu. Při vysokých teplotách ovlivňuje součinitel tření vznik okují, součinitel tření klesá. Úběr je změna z původní tloušťky před válcováním na tloušťku po válcování. Výhodné je válcovat menšími úběry ve více válcovacích operacích. 6.1.2 Princip válcování Podstata válcování spočívá v deformaci válcovaného materiálu mezi dvěma otáčejícími se válci, které materiál vtahují a postupně deformují tak, ţe dochází k jeho rozměrovým změnám (prodluţování, rozšiřování a zeslabování). Platí zde však zákon o stálosti objemu před a po tváření. Vo=V1.
(Doubravský M., 1985)
Válcováním se rozumí kontinuální proces, při kterém se tvářený materiál deformuje mezi otáčejícími se pracovními válci za podmínek převaţujícího všestranného tlaku. Podle směru, kterým válcovaný materiál prochází pracovními válci, podle samotného uloţení válců vzhledem k válcovanému materiálu a podle průběhu deformace válcování dělíme na podélné, příčné a kosé. Vtahování materiálu je umoţněno třením mezi válci a válcovaným materiálem (obr. 4). Při válcování působí na vývalek ve směru normály síly vyjádřené sloţkami 2N a ve směru tečném síly vyjádřené sloţkami 2T. Rovnováha mezi těmito silami, rozloţenými do směru válcování je dána rovnicí: (Doubravský M., 1985)
19
Obr. 3 Podstata válcování (Doubravský M., 1985)
Obr. 4 Princip válcování: a)podélné, b)příčné, c)kosé (www.ksp.tul.cz)
6.1.3 Metody válcování Podélné válcování: vývalek se deformuje v podélném směru, touto metodou se vyrábějí plechy, tyče, kolejnice apod. Příčné válcování: tato metoda spočívá v postupném tváření vývalku kruhového průřezu v radiálním (příčném) směru. Lze tak vyrábět např. hřídele, které mají různé osazení (obr. 5). Kosé válcování: tento způsob válcování se nejvíce uplatňuje při válcování. (www.ksp.tul.cz)
20
6.1.4 Rozdělení válcovacích stolic Pracovní válce jsou zabudovány do rámu, počet a průměr válců je jedna z charakterizujících parametrů válcovací stolice. Konstrukce válcovacích stolic se bude lišit podle druhu vývalků, podle velikosti tlaků, které jsou doprovázeny při válcování. Válcovací stolice se skládá z pracovních válců, loţisek, stavěcího a vyvaţovacího zařízení a spojovacími a přenášejícími mechanismy přenášející pohyb od el. motoru. Podle způsobu otáčení válců: jednosměrné, obousměrné Podle počtu válců ve stolici: dvouválcové, tříválcové, čtyřválcové, víceválcové, planetové, univerzální stolice
Obr. 5 Příklady základních profilů válcovaného materiálu (Doubravský M., 1985)
6.1.5 Válcování trubek Trubky se vyrábějí buď bezešvé, nebo švové (zhotovené svařováním). Nejčastější způsob výroby bezešvých trubek je pomocí Mannesmanové a Stiefelové metody (obr.
7 a 8). Mannesmanův a Stiefelův způsob spočívá v tom, ţe mezi dvěma válci s rovnoběţnými osami o stejném smyslu otáčení nastává kromě otáčení ještě šroubovitý posuv. K usnadnění hladké dutiny se pouţívá trn. K dalšímu kalibrování rozměru dochází na tzv. Poutnické stolici.
(Dvořák M. a kol.,2001)
21
Obr. 6 Výroba trubek, Mannesmannův způsob (www.ksp.tul.cz)
Obr. 7 Výroba trubek Stiefelův způsob (www.ksp.tul.cz)
6.1.6 Zvláštní způsoby válcování 6.1.6.1 Příčné klínové válcování Pouţívá se pro výrobu předkovků (vývalků), ale i pro výrobu polotovarů rotačních tvarů v konečné kvalitě. Při příčném klínovém válcování je anebo můţe být tyč kruhového průřezu indukčně ohřátá a posunuta do tvářecího stroje (obr. 9). Max. průměr vývalku 40 mm, délka 320 mm, výkon 10 aţ 20 ks vývalků za minutu. Tímto způsobem se například vyrábějí osy pedálů jízdních kol.
22
(Hluchý M. a kol., 1979)
Obr. 8 Příčné klínové válcování (www.ksp.tul.cz)
6.1.6.2 Válcování kuličkových polotovarů Kuličkové polotovary jsou určené pro další výrobu kuliček pro kuličková loţiska. Vysoká přesnost je dána samotným tvářením kuliček za studena. Nastává zpevnění a pěchování materiálu. Celý proces vzniká mezi dvěma válci se šroubovitým profilem, mezi které je vtahovaná tyč, ve které je v poslední části válců ustřiţena a vytvarována kulička od zbytku materiálu.
Obr. 9 Válcování kuličkových polotovarů
(www.ksp.tul.cz)
(www.ksp.tul.cz)
23
6.1.6.3 Válcování závitů Metodou válcování závitů lze dosáhnout lepších mechanických vlastností v důsledku zpevňování, vzniklého při tváření za studena. Závity tvářené za studena mají vyšší únosnost neţ závity vyráběné obráběním (nedochází k porušení vláknité textury). Profil závitu je tvořen tak, ţe do materiálu je vtlačována spirálová část závitu do předem vytvořeného otvoru díky jeho geometrii (obr. 11). Touto metodou je zaručená
niţší
drsnost
povrchu
na
bocích
závitu,
lepší
otěruvzdornost
a korozivzdornost. Nejvíce se tato metoda uplatňuje u neprůchozích otvorů, kde hrozí ucpání závitníku třískami, následného zničení závitníku a samotného závitu. (www.pab.cz) 6.1.6.4 Materiál pro tvářené závity Je moţné pouţít všechny kovové materiály, vykazující minimálně 6% prodlouţení a nepřekračující pevnost v tahu 1300 N/mm2
Vysoce legované, korozivzdorné a kyselinovzdorné oceli
Speciální slitiny hliníku
Slitiny mědi
Dutá tělesa a trubky s dostatečnou tloušťkou stěny
Obr. 10 Tváření závitů (www.ksp.tul.cz)
24
6.1.6.5 Válcování metodou Slick-Mill Metoda Slick-Mill je vhodná pro rotační výkovky velkých průměrů. Jedná se v podstatě o kombinaci hydraulického lisu a válcování. Spodní rotační zápustka je vyplňována tvářeným kovem za působení tlaku horního rotujícího disku. Vývalek je zhotoven na tomto zařízení za 60 aţ 80 sekund.
(www.ksp.tul.cz)
Obr. 11 Tvářecí metoda Slick- Mill (www.ksp.tul.cz)
6.2 Kování Kovářství neodmyslitelně patří k základním technologickým postupům zpracování oceli a jiných kovů. Zpracování ţelezné rudy bylo jedno z hledisek, podle kterého se určovala vyspělost starověkých civilizací. Velký rozvoj kovářství nastal asi ve 12 stol. před n. letopočtem v Asii. Kování spadá do objemového tváření kovu doprovázeného úderem nebo klidnou silou působící na tvářený materiál. 6.2.1 Rozdělení kování 6.2.1.1 Volné (ruční) kování Nejstarší metoda tváření kovu bez pouţití strojní síly. Kovář má k dispozici základní kovářské vybavení (výheň, kovadlinu usazenou na dubovém špalku) a nářadí (kladiva různých hmotností, přitloukací palici, kovářské kleště a zápustky ke kovadlině), které si kaţdý kovář vyrábí vlastnoručně. Tento postup kování se v dnešní době vyuţívá v malých manufakturách zabývající se uměleckým kovářstvím, kde se hodnotí umělecká tvořivost. 25
6.2.1.2 Strojní kování Strojní kování ulehčuje dělníkovi těţkou práci, urychluje ji a zproduktivňuje výrobu malých a středně velkých výrobků. Podle způsobu práce se strojní kování dělí na kování:
Volné strojní kování je takový způsob kování, při kterém se pouţívá jednoduchých kovářských nástrojů, přípravků a strojů.
Zápustkové kování oproti volnému kování vyţaduje zhotovení jednoúčelových nástrojů – zápustek (zpravidla dvoudílných). Touto metodou se dosahuje přesnějšího tvaru a jakosti kalibrovaného povrchu tak, ţe není nutno dalšího obrábění. Hlavní předností je výkonnost a jednoduchá obsluha zápustky. Pouţití je zejména v sériové a hromadné výrobě.
Obr. 12 Postup výroby zápustkovým kováním (Hluchý M. a kol., 1979)
Zápustky jsou vyrobeny z nástrojových ocelí vhodných pro práci a namáhání za vysokých teplot. Pracovní dutiny zápustky jsou nejčastěji vytvořeny třískovým opracováním. Takto vyrobené zápustky se pro zlepšení mechanických vlastností dále tepelně zpracovávají. Konstrukční rozdíl mezi zápustkami pro buchary a lisy je v tom, ţe pro buchary je zápustka vyrobena z jednoho kusu a upevněná na buchar pomocí rybinové dráţky. Zápustky pro lisy jsou ve většině případů dělené, sloţené z několika dílů a do lisu se upevňují pomocí šroubů.
(Bělovský V. a kol., 1955)
6.2.2 Ohřev materiálu pro kování Pro správnou tvárnost je základním předpokladem dodrţení vhodné kovací teploty, lépe řečeno určitého teplotního intervalu. Výše teploty se odvíjí od chemického sloţení kovaného materiálu (obr. 14). Kování probíhá za největších přípustných 26
kovacích teplot, protoţe se při nich materiál nejsnadněji tváří - nízký deformační odpor, kovací časy jsou krátké a opotřebení nástrojů je menší. Při vysokých kovacích teplotách nastává nebezpečí hrubnutí zrna a opal (spálení materiálu, které nejde uţ regenerovat). Kovací teploty musí být přizpůsobeny mimo jiné velikosti stupně přetvoření daného polotovaru. Při velkém deformačním stupni můţe být kovací teplota vysoká, a přesto nedojde ke zhrubnutí zrna, protoţe velkou deformací se zrno zjemní. Kování v malých deformačních stupních s více ohřevy vyţaduje niţší kovací teplotu. Tato zásada musí být respektována. Hrubé zrno ve výkovcích se odstraňuje normalizačním žíháním.
(Bělovský V. a kol., 1955)
Obr. 13 Rozsah kovacích teplot pro uhlíkové oceli (www.ksp.tul.cz)
6.2.3 Vady vzniklé nesprávným ohřevem Přehřátí oceli nastane za velmi vysokých teplot a poměrně dlouhé prodlevě na těchto teplotách. Vzniká růst zrn a difuze síry obsaţené v oceli převáţně v podobě sirníků na hranice astenických zrn, tím brání vytvoření jemné struktury při ochlazování. Přehřátím se výrazně zhoršují plastické vlastnosti oceli, především vrubová houţevnatost, taţnost a kontrakce. Normalizačním ţíháním nelze následky přehřátí odstranit. Přehřátou ocel lze napravit překováním s dostatečným stupněm prokování, nebo speciálním difuzním ţíháním za vyšších teplot.
27
Spálení oceli nastává při ohřevu na teploty blíţící se teplotě tavení. V oceli se při těchto teplotách natavují hranice austenických zrn, v nichţ se začne rozpouštět síra a fosfor, přicházející difuzí ze zrn. Spálená ocel má špatné mechanické vlastnosti a je velmi křehká, zpětná náprava uţ není moţná. Opal a oduhličení nastane při ohřevu oceli ve styku s ovzduším, tím se její povrch pokryje okují (vrstvou kysličníků). U oceli s vyšším obsahem uhlíku dochází při tom i k intenzivnímu oduhličení povrchu. Vzniká tak oduhličená vrstva, která zůstává i při zakalení měkká. Oduhličení je nutné zabránit především u výrobků, kde se nedá povrch obrousit (nástroje, pruţiny a dynamicky namáhané součásti). Opalu a oduhličení se lze vyvarovat např. ohřevem součástí v solných lázních, pokud toto není k dispozici, vyuţívá se speciálních nátěrů nebo obalů.
(Filípek J., 1981)
6.2.4 Stupeň prokování a deformace Při tváření za tepla se mění tvar primárních krystalů (dochází k jejich rozdruţování) a vytvářejí se vlákna. Jelikoţ však nastává dynamická rekrystalizace, deformovaná zrna se mění na nová, jemnější, a textura mizí. Nečistoty v povrchových vrstvách však nepodléhají rekrystalizaci a proto nemění svůj tvar, vzniká tedy vláknitá textura, která nejde ţádným tvářením ani tepelným zpracováním odstranit. (www.ksp.tul.cz)
28
Obr. 14 Vláknitá struktura (www.ksp.tul.cz) Vláknitost má vliv na mechanické vlastnosti (taţnost) ve směru vláken a ve směru příčném a mění se stupeň prokování p (praktická hodnota prokování je 3-4) a stupeň deformace. Proto se musí pamatovat při tváření na správný směr vláken, aby směr největšího silového namáhání souhlasil se směrem vláken a tečné napětí k němu kolmé. Vlákna nesmí být přerušena a mají se shodovat s obrysem součásti. (Hluchý M. a kol., 1979)
Obr. 15 Prodlužování a pěchování (Hluchý M. a kol., 1979)
29
Obr. 16 Orientační přehled nejvyšších tvářecích teplot pro vybrané tvářecí kovy (Doubravský M., 1985)
6.2.5 Výpočet síly při kování Přetvárná síla je celková síla, která je potřebná k trvalé deformaci materiálu. Je to tedy síla, kterou musí vyvinout tvářecí stroj nebo kladivo.
F = ko . S Kde:
kde
ko = k p . m
ko
přetvárný odpor [MPa]
kp
přetvárná pevnost [MPa]
S
plocha kovadel [mm2]
m
koeficient závislý na způsobu tváření, tvaru a rozměrech a na tření
Přetvárný odpor ko je napětí potřebné k tomu, aby se u tvářeného materiálu dosáhlo tvarových deformací.
6.2.6 Kovací stroje Kovací stroje provádí trvalou změnu tvaru materiálu za pomoci mechanické síly. Podle časového působení vnějších sil na tvářené těleso lze rozdělit tvářecí stroje na: Buchary - rychlost nástroje v = 5[m*s-1]. Lisy - rychlost nástroje v = 0,25[m*s-1].
30
6.2.6.1 Buchary Patří mezi nejjednodušší tvářecí stroje, tváří rázovou silou na principu úderu kladiva. Slouţí pro kování spíše menších výkovků. Základní rozdělení bucharů: Pružinové buchary jsou poháněny od el. motoru na setrvačník třecím převodem (řemenem nebo třecí spojkou) a od klikového mechanismu se přenáší přes listové pero na beran pohyb přímočarý vratný. Rychlost beranu (tím i rázová energie) se zvyšuje tím, ţe horní dvouramenná páka je ze svazku listových pruţin.
Obr. 17 Základní popis bucharů a) pružinový, b)pneumatický (Bothe O., 1999) Kompresorové buchary jsou určeny pro volné kování malých a středně velkých výkovků (stojan, šabota). Ve stojanu je pracovní a kompresorový válec. V pracovním válci se pohybuje beran, který je poháněný stlačeným vzduchem. Úder bucharu se mění podle sešlápnutí noţní páky, podle níţ se ovládají regulační šoupátka. Parní a vzduchové jednostojanové dvoučinné buchary se vyuţívají u volného kování středně velkých výkovků. Pára nebo stlačený vzduch se přivádí rozvodem střídavě nad pracovní píst nebo pod něj. Dvoustojanové dvoučinné buchary se pouţívají u volného kování větších výkovků o maximálním rozměru výkovku 400 aţ 900 mm ve směru kování.
31
6.2.6.2
Stroje pro zápustkové kování
Tvářecí stroje pro zápustkové kování lze rozdělit z hlediska pohybu nástroje a podle působení sil do dvou základních skupin, v první nejvíce pouţívané skupině je pohyb nástroje vertikální, ve druhé pak horizontální, rotační nebo kombinovaný. Typy zápustkových bucharů: Padací buchary, párovzdušné buchary, protiběžné buchary, vřetenové lisy, svislé kovací lisy 6.2.6.3 Lisy
Hydraulické lisy pracují klidnou (statickou) silou. Princip jejich práce je zaloţen na vyuţití Pascalova zákona. Jejich kapacita je dána lisovací silou.
Přednostmi hydraulických lisů jsou:
vysoké síly (píst můţe tlačit i tíhou 20t)
moţnost nastavit pracovní část zdvihu v kterémkoli místě zdvihu
značný rozsah rychlostí zdvihu (10-1 aţ 103 mm *s-1)
moţnost regulace tlaku a rychlosti
snadná reverzace pohybu beranu
mechanizace pomocných operací
Nedostatky jsou:
niţší účinnost neţ u mechanických lisů
obvykle niţší rychlost a výrobnost
sloţitější konstrukce pohonu
vyšší pořizovací cena
(www.345.vsb.cz)
Obr. 18 Řešení hydraulického pohonu lisů (www.345.vsb.cz) 32
Mechanické lisy vyuţívají k přenosu energie mechanických převodových systémů. Základní pohon je od klikového mechanismu, ostatní jsou odvozené, kombinované. Dle pouţitého převodového systému lze mechanické lisy dělit na výstředníkové, klikové, kolenové, šroubové, hřebenové atp. Pracovní cyklus je dán jednou otáčkou klikového hřídele, ze které se pouze část vyuţije pro pracovní zdvih. Volba pouţitého převodového mechanismu závisí na charakteristickém tvářecím pochodu a délce zdvihu:
krátký zdvih 1 ÷ 3 [mm], střední zdvih 3 ÷ 20 [mm], dlouhý zdvih 100 a více [mm]. (www.345.vsb.cz)
Další rozdělení lisů je podle provedení stolu: stroje můţou být opatřeny s nehybným anebo se stavitelným stolem. Podle polohy pohonu beranu se mechanické lisy dělí: vodorovné nebo svislé - se spodním, s horním pohonem. Podle pracovního rozsahu se mechanické lisy dělí: univerzální, speciální, jednoúčelové.
(www.ksp.tul.cz)
6.3 Protlačování Je to technologie tváření, která probíhá za tepla, poloohřevu a za studena. Napjatost v přetvářeném elementu materiálu je trojosá, všestranně tlaková. Tvářený materiál se přemísťuje (přičemţ nedochází k porušení soudrţnosti) a jeho směr pohybu je určen konstrukcí a tvarem nástroje - protlačovadla. Výrobek se nazývá protlaček. Dalšími přednostmi protlačování je vysoká přesnost a kvalita povrchu, dosahuje se řadové přesnosti
0,05 mm a drsnosti Ra 0,8. Důleţitou podstatou
protlačování je vytvoření mazacího filmu mezi průtlačníkem a materiálem. Vyuţívá se fosfátování povrchu, mazacího mýdla, tuku nebo oleje. (Dvořák M. a kol.,2001)
33
6.3.1
Hlavní způsoby protlačování
Podle směru proudění materiálu vzhledem k pohybu průtlačníku rozlišujeme tyto způsoby protlačování:
6.3.1.1 Zpětné protlačování Polotovar je zaloţen do uzavřené průtlačnice a tlakem průtlačníku se přivede do plastického stavu. Pouţití: výrobky v elektrotechnickém průmyslu, strojírenství (pouzdra, víčka, matice).
(Dvořák M. a kol.,2001)
Obr. 19 Zpětné protlačování (a,-průtlačník,b-stírač,c-průtlačnice,d-vyhazovač) (www.ksp.cz)
6.3.1.2 Dopředné protlačování Materiál se pohybuje ve stejném směru pohybu jako průtlačník. Konečný tvar dává průtlačníku tvar průtlačnice. Jako polotovaru se pouţívá plného materiálu.
Obr. 20 Dopředné protlačování (1,3-průtlačnice,2,4-průtlačník. a-průtlačník,bstírač,c-průtlačnice,d-vyhazovač) (www.ksp.tul.cz)
34
7 TECHNOLOGIE PLOŠNÉHO TVÁŘENÍ Plošným tvářením se vyrábí součásti za studena, jeţ mohou mít velmi malé rozměry nebo mohou dosahovat velkoplošných rozměrů. Plošné tváření nahrazuje svařené dílce a odlitky. Plošným tvářením lze uspořit 10% aţ 50 % materiálu a přitom sníţit pracnost o 25% aţ 75%.
(Dvořák M., Gajdoš F., Novotný E., 2003)
Základními výchozími materiály pro plošné tváření jsou: Plech (dodává se v tabulích nebo svitcích). Tenkostěnné profily se dodávají v tyčích (obr. 5). Trubky (bezešvé, svařované, s povrchovou úpravou nebo bez povrchové úpravy). Podle jednotlivých lisařských prací je moţné procesy plošného tváření dle ČSN 22 6001 rozdělit na:
stříhání (prosté stříhání, děrování, vystřihování, ostřihování, přistřihování, nastřihování, prostřihování, protrhávání, vysekávání)
ohýbání (prosté ohýbání, ohraňování, rovnání, zakruţování, lemování, obrubování, osazování – prosazování, drápkování, zkrucování)
taţení (prosté taţení, taţení se ztenčením stěny, zpětné taţení, ţlábkování, protahování, rozšiřování, zuţování, přetahování, objemové taţení)
tlačení (tlačení
tvaru,
rotační
obrubování,
rotační
lemování,
rotační
rozšiřování, rotační zuţování, rotační ţlábkování, osazování, prosazování, tlačení se ztenčením stěny).
(www.vutbr.cz)
7.1 Stříhání Technologie střihání spočívá v oddělování materiálu protilehlými břity noţů. Oddělení materiálu nenastane přesně v řezné rovině, je to způsobeno tím, ţe materiál je elastický a smykové napětí způsobuje tlak noţů na celé ploše. Střiţná plocha má tvar S. Noţe vnikají do materiálu a vyvolávají v něm napětí vyšší neţ je mez kluzu, které postupně vzrůstá, aţ dosáhne maximální pevnosti materiálu ve smyku. Střiţnou sílu vypočteme ze vztahu: = a*t*
[N]
35
Kde S = střiţná plocha [mm2], která je dána rozměry střiţného průřezu, a = střiţná délka, t = tloušťka [mm],
= pevnost materiálu ve střihu [MPa] (Dvořák M. a kol.,2001)
Obr. 21Deformační pásma při střihání ( 1 - pásmo zaoblení, 2 - pásmo utržení, 3 pásmo smyku, 4 - pásmo odtlačení) (www.vutbr.cz)
Dělení materiálu střiháním se v praxi pouţívá za pomocí různých strojů nebo nástrojů, důleţitým a výchozím parametrem je jeho výchozí část – střihacích noţů, nebo noţe, ty se dělí na tři základní typy: a) s rovnoběžnými noži – ostří noţů je rovnoběţné. b) se skloněnými noži – ostří noţů jsou k sobě skloněná pod určitým úhlem. c) s rotačními noži – kotoučové
(Dvořák M. a kol., 2001)
Plechy a páskový materiál pro hromadnou výrobu ať uţ jako polotovar anebo finální výrobek se nejčastěji zpracovává pomocí střihadel. Stroje, které, podle sloţitosti střihaného tvaru výrobek vystřihují na jeden anebo více zdvihů pístu. Důleţitým faktorem je správné rozloţení výstřiţků na základním materiálu, aby se docílilo co nejmenších ztrát odpadního materiálu.
Obr. 22 Příklad výstřižku a odpadu (Doubravský M., 1985) 36
7.2 Ohýbání Ohýbání je proces, který se provádí za tepla nebo za studena, při kterém dochází vlivem působení ohybového momentu vyvolání trvalé změně tvaru polotovaru. Při ohýbání dochází k pruţné (plastické) deformaci materiálu. Ohýbání je proces velmi rozšířený, ohýbáním se zpracovávají pásy plechu, profilový materiál, trubky, dráty apod. Aby vůbec došlo k trvalým deformacím a součást zůstala trvale ohnuta, musí ohýbací síla překonat pruţnou deformaci
(Doubravský M., 1985)
Kolem střední části průřezu ohýbaného materiálu ohýbaného materiálu jsou tahová napětí malá a dosahují hodnot niţších, neţ je mez kluzu daného materiálu. V přechodu mezi těmito dvěma pásmy jsou vlákna bez napětí a bez deformace. Jejich spojnice tvoří neutrální osu. Neutrální osa je na začátku ohýbání uprostřed materiálu, při ohýbáno se posouvá směrem k vnitřní straně ohybu. Není tedy totoţná s osou těţiště ohýbaného materiálu.
(Dvořák M. a kol.,2001)
Obr. 23 Rozložení velikosti napětí v ohýbaném materiálu. (www.ksp.tul.cz)
7.2.1 Stanovení výpočtu délky polotovaru Délka polotovaru je stanovená součtem délek rovných úseků daného výrobku a délek neutrálních ploch v místě ohybu. Délka neutrální plochy se vypočítá ze vztahu: [mm] Ln
délka neutrální plochy
[mm]
Ludolfovo číslo
[-] 37
úhel ohnutého úseku
[°]
R0
poloměr ohybu
[mm]
x
součinitel posunutí n.plochy [-]
t
tloušťka materiálu
[mm]
(www.vutbr.cz)
7.2.2 Minimální poloměr ohybu Minimální poloměr ohybu se odvíjí od plastičnosti a kvalitě ohýbaného materiálu, způsobu ohýbání, úhlu, šířce a tloušťce ohýbaného místa. Způsob směru ohybu můţe být podél a nebo napřič vláken.
Tabulka 1 Minimální poloměr ohybu materiál min. poloměr ohybu [mm] dural Rmin = (3-6) * t měkká ocel Rmin = (0,4 – 0,8) * t měkká mosaz Rmin = (0,3- 0,4) * t hliník Rmin = 0,35 * t měkká měď Rmin = 0,25 * t
Osa ohybu je kolmá na směr vláken materiálu. Jestliţe je osa ohybu podél vláken materiálu, tak se automaticky zvětšuje minimální poloměr ohybu na dvojnásobek. (www.vutbr.cz)
7.3 Rovnání Rovnání je technologie, která se ve strojírenské výrobě pouţívá k odstranění neţádoucí deformace, kterou můţe způsobit manipulace s materiálem nebo důsledkem technologické výroby polotovarů (navíjení plechu do svitků). Rovnání je v podstatě ohýbání polotovarů, při kterém se odstraňují neţádoucí deformace. Názvosloví a směrnice pojednávající o rovnání stanoví norma ČSN 22 7380. (Dvořák M. a kol.,2001)
38
K rovnání plechu se převáţně pouţívají válce (rovnací kladky). Rovnačky mají dvě skupiny válců, kromě rovnacích válců jsou zde i vstupní a výstupní válce, rychlost zaváděcích válců se zpravidla pohubuje v rozmezí od 2 aţ 0,1m*s-1. Princip rovnání je zaloţen na střídavém ohýbání materiálu, takţe pod odpruţení je materiál opět rovný. Pro rovnání profilového materiálu je třeba válce tvarovat, metoda rovnání zůstává stejná.
(www.ksp.tul.cz )
Obr. 24 Schéma rovnání plechu ve válcích (www.ksp.tul.cz)
Rovnací přípravky lze pouţít u drobných součástí (například výstřiţníků), které v důsledku předchozích operací nemají poţadovaný rovinný tvar anebo rozměr. Rovnací nástroje se upínají do beranu Lisu. Pro hladké materiály se musí povrch čelistí přebrousit na drsnost Ra 0,4. U velmi tenkých materiálů, kde by při celé rovnané ploše došlo k pnutí anebo u velmi tvrdých materiálů je nutné opatřit funkční plochy výstupky ve tvaru čtyřbokého komolého jehlanu se čtvercovou funkční plochou, popřípadě obdélníkovou plochou, jedná se tedy o bodové nebo bradavkové rovnání. Síla k rovnání závisí především na druhu rovnaného materiálu, jeho tloušťce a na geometrii funkční plochy nástroje. Je dána ze vztahu: F = S * p [kg*m*s-2] S = plocha rovnaného materiálu.[m2] Měrný tlak p [N* m-2] bývá pro plechy do. 0,5mm tl. rovnanými hladkými plochami nástroje v rozmezí 50 aţ 100 MPa. Pro materiály větší tloušťky se volí tlak v rozmezí = 300 aţ 800 MPa. (Dvořák M. a kol.,2001)
39
7.4 Taţení Taţení je technologickým procesem, při kterém se z rovinného plechu v jedné a nebo v několika operacích vyrobené duté těleso (tzv. hluboké taţení plechu). Je to velmi rozšířená metoda zpracování plechu, pomocí nichţ lze poměrně jednoduchým způsobem zhotovit různé prostorové součásti např. válcové anebo hranaté výtaţky. Přehled a názvosloví taţných operací jsou uvedeny v normě ČSN 22 6001, která rozděluje a blíţe specifikuje procesy taţení (např. jednoduché taţení, taţení se ztenčením stěny, zpětné taţení, ţlábkování, rozšiřování, zuţování a další). (Dvořák M. a kol.,2001) 7.4.1 Výpočet síly a práce Největší taţná síla musí být o něco menší, neţ je síla, která způsobí porušení materiálu. Velikost taţné síly pro nástroj s přidrţovačem, pro první a další tahy se zjednodušeně vypočítají podle vztahu:
Fc = Ft + Fp = L*s *Rm + Sn *p Kde: L = délka obvodu polovýrobku [mm], Rm = mez pevnosti materiálu [MPa], s = tloušťka plechu [mm], Sp = plocha přidrţovače [mm2], p = specifický tlak přidrţovače (od 0,8 do 3 MPa) Velikost práce se vypočítá ze vzorce A = C * Fc * h Kde:
h = výška výtaţku [mm], C = koeficient zaplnění plochy
V praxi se pouţívá i metody taţení materiálu s ohřevem, princip metody spočívá v ohřátí příruby mezi plochou taţnice a přidrţovače. Tato metoda je zejména vhodná pro hořčíkové slitiny, hliníku i mosazi.
40
8 ZÁVĚR Tváření kovů je velmi rozsáhlá kapitola, která svého největšího rozkvětu a rozvoje dosáhla uţ za druhé světové války, kdy se objevily poţadavky na velkoplošné výlisky a výkovky např. na stavby velkolepých lodí, letadel a bezpochyby i zbrojního průmyslu. Správná volba technologie tváření zajišťuje úsporu času, energie a materiálu nejvhodnější je plnění těchto ukazatelů součastně. Porovnáme-li tváření oproti třískovému obrábění, dojdeme k závěru, ţe náklady na tváření budou vyšší. Pozornost je třeba věnovat hlavně u malých sériových výrobků, kde zatím poměrně vysoká cena tvářecího stroje a nástroje hraje negativní roli v celkové cenové kalkulaci. Tvářecí stroje se ve srovnání s obráběcími stroji vyznačují: robustnější a tuţší konstrukcí, menším odpadem materiálu, horší přestavitelností a univerzálností. Pro jejich nákladnost a zdlouhavé seřizování je jejich pouţití výhodné pouze v hromadné výrobě. V současné době jiţ v podstatě není problém tvářet jakýkoliv kov nebo slitinu. Tvářecí stroje a nástroje jsou schopné zpracovávat i velmi pevné a málo tvárné kovy s maximálně moţnou přesností, bez finálního třískového obrábění. Světové zásoby nerostných surovin a tím i energetické zásoby se postupně vyčerpávají. V této souvislosti, kdy se energie postupně stává nedostatkovým materiálem, značně roste a v budoucnu určitě poroste její cena. Ve všech činnostech společnosti je tedy nutné zamezit zbytečnému plýtvání a zaměřit se hlouběji nad myšlenkou šetření energie a přistoupit na ekologický a ekonomický rozvoj společnosti. Tato vize je uskutečnitelná pouze v moderních výrobních závodech, kde se lépe propaguje myšlenka ekonomického hospodářství. Nové výkonné a ekonomické stroje, to je cesta ke sníţení výrobních nákladů. Tvářecí stroje mohou tyto přísné poţadavky na výrobu téměř bez pochyby splnit. Současný trend klade důraz na nové koncepce jak univerzálních, tak i speciálních strojů, které dokáţou splnit několik pracovních cyklů plně automatizovaných v naprogramovaném čase. Na úplný závěr bakalářské práce si dovolím přidat několik statistických údajů celosvětové výroby tvářecích a obráběcích strojů. Ve světě je poměr mezi obráběcími a tvářecími stroji 72 : 28 ve prospěch obráběcích strojů a v České republice je tento 41
poměr 92 : 8, také ve prospěch obráběcích strojů. Z tohoto malého srovnání vyplývá, ţe v České republice se technologie tváření nevyuţívá tak jako ve světě. Je zajímavé, ţe třeba v takové Belgii je tento poměr obrácený 20 : 80.
42
9 POUŢITÁ LITERATURA FOREJT, M. Teorie tváření, Brno : VUT, 1992. 167s. FILÍPEK, J. Technické materiály (přednášky), Brno: MZLU, 1981. 106stran. DVOŘÁK, M., GAJDOŠ,F., NOVOTNÝ,E., Technologie Tváření. Plošné a objemové tváření, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, 2003, 171s. ISBN 80–2142340-4 BOTHE, O., Strojírenská technologie II, 6 vydání, nakladatelství Sobotáles, 1999, 163s HLUCHÝ,M., A KOLEKTIV, Strojírenská technologie 2, Nakladatelství technické literatury, n. p. Praha, 1979, 408s. BĚLAVSKÝ, V. A KOLEKTIV, Mechanická technologie IV,Státní nakladatelství technické literatury, n. p. Praha, 1955, 296s DVOŘÁK, M., A KOLEKTIV, Technologie II, nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, 2001, 238s, ISBN 80–214–2032-4 DOUBRAVSKÝ, M., MACÁŠEK, I., MACHÁČEK, Z., Technologie slévání, tváření a svařování, 2 vydání, Brno: Rektorát Vysokého učení technického, září 1985. 246 s. ISBN 55-638-85 Technologie
tváření.
[online].
[cit.
2012-04-11].
Dostupné
z:
http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/opory_soubory/technologie_tvareni/index.htm Materiál pro tváření a tvářecí nástroje. [online]. [cit. 2012-03-11]. Dostupné z: http://www.345.vsb.cz/jirihruby/KTN/02_Materialy.pdf Technická univerzita Liberec: katedra strojírenské technologie. [online]. [cit. 201202-05].Dostupné http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/01.htm#011 Vysoká škola Báňská-Technická univerzita Ostrava: fakulta strojní [online]. [cit. 2011-09-11]. Dostupné z: http://www.345.vsb.cz/jiripetruzelka/Texty/Uvod_TV1.pdf
43
Trapézové
šrouby
a
matice.
[online].
[cit.
http://www.pab.cz/download/srouby/ts_katalog.pdf
44
2012-04-18].
Dostupné
z:
10 SEZNAM SYMBOLŮ A ZNAČEK Tabulka 2 Seznam použitých symbolů a značek
Zkratka/symbol jednotka popis ČSN
Česká státní norma
Ttav
°C
Re
Mpa
mez kluzu
Rm
Mpa
mez pevnosti
teplota taveniny
2N
normálová síla
2T
tečná síla
t
h
čas
α
-
součinitel průřezu materiálu
k
-
součinitel vlivu chem. Sloţení mat.
D
m
V0
3
m
objem před tvářením
V1
m3
objem po tváření
k0
MPa
přetvárný odpor
kp
MPa
přetvárná pevnost
S
m
plocha
v
m *s-1
rychlost
F
N
Ra
µm
drsnost
a
m
střiţná délka
s
MPa
pevnost mat. ve střihu
Ln
m
délka neutrální plochy
-
Ludolfovo číslo
R0
m
poloměr ohybu
x
mm
Rmin
m
minimální poloměr ohybu
Fc
N
taţná síla
Sn
m
plocha přidrţovače
C
-
koeficient zaplnění plochy
průměr, nebo délka ohřív. mat
síla
součinitel posunutí neutrál. plochy
45
11 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Seznam obrázků Obr. 1 Oblast tvářecích teplot pro konstrikční oceli (Hluchý M. a kol., 1979) ........... 15 Obr. 3 Závislost součinitele α na způsobu uložení materiálu v peci (Hluchý M. a kol., 1979) ............................................................................................................................. 17 Obr. 5 Princip válcování: a)podélné, b)příčné, c)kosé (www.ksp.tul.cz) .................... 20 Obr. 4 Podstata válcování (Doubravský M., 1985)...................................................... 20 Obr. 6 Příklady základních profilů válcovaného materiálu (Doubravský M., 1985)... 21 Obr. 7 Výroba trubek, Mannesmannův způsob (www.ksp.tul.cz)................................. 22 Obr. 8 Výroba trubek Stiefelův způsob (www.ksp.tul.cz) ............................................. 22 Obr. 9 Příčné klínové válcování (www.ksp.tul.cz) ....................................................... 23 Obr. 10 Válcování kuličkových polotovarů
(www.ksp.tul.cz) ................................... 23
Obr. 11 Tváření závitů (www.ksp.tul.cz) ...................................................................... 24 Obr. 12 Tvářecí metoda Slick- Mill (www.ksp.tul.cz) .................................................. 25 Obr. 13 Postup výroby zápustkovým kováním (Hluchý M. a kol., 1979) ..................... 26 Obr. 14 Rozsah kovacích teplot pro uhlíkové oceli (www.ksp.tul.cz) .......................... 27 Obr. 15 Vláknitá struktura (www.ksp.tul.cz) ................................................................ 29 Obr. 16 Prodlužování a pěchování (Hluchý M. a kol., 1979) ...................................... 29 Obr. 17 Orientační přehled nejvyšších tvářecích teplot pro vybrané tvářecí kovy (Doubravský M., 1985) ................................................................................................. 30 Obr. 18 Základní popis bucharů a) pružinový, b)pneumatický (Bothe O., 1999) ........ 31 Obr. 19 Řešení hydraulického pohonu lisů (www.345.vsb.cz) ..................................... 32 Obr. 20 Zpětné protlačování (a,-průtlačník,b-stírač,c-průtlačnice,d-vyhazovač) (www.ksp.cz) ................................................................................................................ 34 Obr. 21 Dopředné protlačování (1,3-průtlačnice,2,4-průtlačník. a-průtlačník,bstírač,c-průtlačnice,d-vyhazovač) (www.ksp.tul.cz) ..................................................... 34 Obr. 22Deformační pásma při střihání ( 1 - pásmo zaoblení, 2 - pásmo utržení, 3 pásmo smyku, 4 - pásmo odtlačení) (www.vutbr.cz) .................................................... 36 Obr. 23 Příklad výstřižku a odpadu (Doubravský M., 1985) ....................................... 36 Obr. 24 Rozložení velikosti napětí v ohýbaném materiálu. (www.ksp.tul.cz) .............. 37 Obr. 25 Schéma rovnání plechu ve válcích (www.ksp.tul.cz) ...................................... 39 Seznam tabulek Tab. 1 Minimální poloměr ohýbaného materiálu………………………………………….38 Tab. 2 Seznam použitých symbolů a značek………………………………………………..44 46
47
