TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI. Fakulta strojní. Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

Netradiční způsoby plošných technologií tváření kovů

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Ondřej Šorf

2010

-1-

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Studijní program B2341 – Strojírenství Materiály a technologie zaměření tváření kovů a plastů Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

Netradiční způsoby plošných technologií tváření kovů

Non-traditional Ways of Forming Metals by Using Planary Technologies

Ondřej ŠORF KSP–TP–B73 Vedoucí bakalářské práce:

Ing. Pavel Doubek, Ph.D.– TU v Liberci

Konzultant bakalářské práce: Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. – TU v Liberci Rozsah práce a příloh: Počet stran: 52 Počet tabulek: 12 Počet příloh: 0 Počet obrázků: 28

Datum: 28. květen 2010

-2-

-3-

-4-

ANOTACE TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů Studijní program:

B2341 – Strojírenství

Student:

Ondřej ŠORF

Téma práce:

Netradiční způsoby plošných technologií tváření kovů Non-traditional Ways of Forming Metals by Using Planary Technologies

Číslo BP:

KSP-TP-B73

Vedoucí BP:

Ing. Pavel Doubek, Ph.D. – TU v Liberci

Konzultant BP:

Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. – TU v Liberci

Abstrakt: Tato práce přibližuje principy některých vybraných netradičních metod plošného tváření materiálů. Vysvětluje podstatu technologií, popisuje stroje a nástroje, jichž je třeba k jejich aplikaci. Zmiňuje také druhy materiálů vhodných na výrobu těchto nástrojů a polotovarů, které lze těmito metodami zpracovávat. Uvádí výhody a přednosti jednotlivých technologií, upozorňuje i na jejich zjevné praktické nedostatky. Abstrakt: This degree work elucidates the principles of some selected untraditional methods of planary forming of materials. It aims at explaining the substance of technologies, describes the machines and tools necessary for their application. It aims at explaining the substance of technologies, describes the machines and tools necessary for constructing such tools and manufacturing half-finished products that can be- by using the methods mentioned above- processed. It states the advantages and strong points of individual technologies as well as drawing attention to their apparent practical shortcomings.

-5-

Místopřísežné prohlášení: Místopřísežně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury. V Liberci, 28. května 2010 ……………………………… Ondřej Šorf Jaselská 1017 506 01 Jičín

-6-

Poděkování

Děkuji svým rodičům za jejich trpělivost a všestrannou podporu během mých studií. Vděčím jim i za řadu dobrých rad, připomínek, vztahujících se k této práci, a pomoc při její korekci. Poděkování patří též Ing. Pavlu Doubkovi, Ph.D. a Ing. Pavlu Solfronkovi, Ph.D. za odbornou pomoc a cenné podněty, které mi při vypracovávání této bakalářské práce poskytli. Ondřej Šorf

-7-

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A JEDNOTEK

- 10 -

1.ÚVOD

- 11 -

2. TAŽENÍ NEPEVNÝMI NÁSTROJI

- 13 -

2.1 TVÁŘENÍ POMOCÍ PRYŽE

- 14 -

2.1.1 METODA GUERIN

- 15 -

2.1.1.1 Princip metody Guerin

- 15 -

2.1.1.2 Nástroje a stroje pro metodu Guerin

- 17 -

2.1.2 METODA MARFORM

- 19 -

2.1.2.1 Princip metody Marform

- 19 -

2.1.2.2 Nástroje a stroje pro metodu Marform

- 20 -

2.2 TVÁŘENÍ POMOCÍ KAPALINY

- 22 -

2.2.1 METODA WHEELON

- 23 -

2.2.1.1 Princip metody Wheelon

- 23 -

2.2.1.2 Nástroje a stroje pro metodu Wheelon

- 24 -

2.2.2. METODA HYDROFORMING S PRYŽOVOU MEMBRÁNOU

- 26 -

2.2.2.1. Princip metody Hydroforming s pryžovou membránou

- 26 -

2.2.2.2 Nástroje a stroje pro metodu Hydroforming s pryžovou membránou

- 28 -

2.2.3. HYDROMECHANICKÉ TAŽENÍ

- 29 -

2.2.3.1 Princip hydromechanického tažení

- 30 -

2.2.3.2. Nástroje a stroje pro hydromechanické tažení

- 32 -

2.2.4. TVÁŘENÍ DVOU PLECHŮ POMOCÍ METODY HYDROFORMING - 33 2.2.4.1 Princip tváření dvou plechů pomocí metody Hydroforming

- 33 -

2.2.4.2 Nástroje a stroje pro tváření dvou plechů metodou Hydroforming

- 34 -

3. TVÁŘENÍ VYSOKÝMI PARAMETRY

- 35 -

3.1 TVÁŘENÍ VÝBUCHEM

- 36 -

-8-

3.1.1 Princip metody tváření výbuchem

- 36 -

3.1.2 Nástroje a stroje pro tváření výbuchem

- 37 -

3.2. ELEKTROHYDRAULICKÉ TVÁŘENÍ

- 41 -

3.2.1.PRINCIP ELEKTROHYDRAULICKÉHO TVÁŘENÍ

- 41 -

3.2.2. NÁSTROJE A STROJE PRO ELEKTOROHYDRAULICKÉ TVÁŘENÍ

- 42 -

3.3. ELEKTROMAGNETICKÉ TVÁŘENÍ

- 43 -

3.3.1. Princip metody elektromagnetického tváření

- 44 -

3.3.2. Nástroje a stroje pro elektromagnetické tváření

- 45 -

3.4. TVÁŘENÍ POMOCÍ ULTRAZVUKU

- 47 -

3.4.1. Princip metody tváření ultrazvukem

- 47 -

3.4.2. Nástroje a stroje pro tváření ultrazvukem

- 48 -

4. ZÁVĚR

- 49 -

SEZNAM LITERATURY

- 52 -

-9-

Seznam použitých zkratek, symbolů a jednotek

Obr.

obrázek

Tab.

tabulka

Např.

například

Cca

přibližně

Max.

maximálně

Tzv.

takzvaný

TNT

trinitrotoluen

Blesk.

bleskovice

Ø

průměr

%

procento

x

krát

σ

napětí

ε

deformace

Sh

shore

MPa

megapascal

mm

milimetr

m

metr

kg

kilogram

kW

kilowatt

°C

stupeň celsia

m.s-1

metr za sekundu

kJkg-1

kilojoule na kilogram

V

volt

s

sekunda

A

ampér

kJ

kilojoule

- 10 -

1.Úvod Plošné tváření kovů se běžně provádí známými, praxí prověřenými základními technologickými procesy (např. tažení, ohýbání, stříhání). Přesto jsou vyvíjeny další, netradiční metody, které stávající nahrazují nebo doplňují a zdokonalují. Pomocí nich je možné vyrobit tvarově složitější díly, které by se jen obtížně daly zhotovit konvenčními technologiemi. Výroba celistvých velkoplošných dílů pomocí klasických tvářecích technologií je prakticky nemožná, protože je limitována kapacitou výrobních zařízení. Uplatněním speciálních plošných technologií, například tvářením výbuchem nebo elektrohydraulickým tvářením, lze tyto rozměrné díly poměrně snadno zhotovit. Těmito technologiemi je možné také zpracovávat materiály obtížně tvařitelné. Termín „nekonvenční technologie“ však v řadě případů nemusí znamenat, že jde o postupy nové, moderní. Některé technologie, které se označují jako „speciální či nekonvenční “, byly patentovány i před několika desítkami let, ale v době svého vzniku nenašly svoje praktické uplatnění nebo jejich hospodárná realizace nebyla možná z konstrukčního hlediska. Dnes se k nim řada výrobců vrací, inovuje je a zdokonaluje. Proto jsou mnohé „znovuzrozené technologie“ prezentovány jako „moderní “. Uplatnění těchto speciálních metod v praxi není příliš rozšířené, věnuje se jim pouze omezená skupina výrobců, zaměřená především na letecký průmysl. Zřejmě to je důvodem skutečnosti, že v odborné literatuře nenajdeme příliš zdrojů, které tyto procesy popisují. Tato práce si klade za cíl poskytnout čtenáři důležitá fakta, týkající se speciálních technologií využívaných pro plošné tváření kovů, a tuto mezeru alespoň částečně odstranit. Nekonvenční technologie je možné dělit podle několika hledisek, například podle tvářecích teplot, používaných výrobních strojů, podle velikosti sil nebo podle nástrojů. Tato bakalářská práce se zabývá pouze speciálními technologiemi pro plošné tváření a dělí technologické metody do dvou hlavních skupin. První zahrnuje tváření materiálu pomocí nepevného nástroje, do druhé skupiny se řadí tváření materiálu vysokými parametry. Obě skupiny by se zřejmě daly z obecnějšího pohledu začlenit do souhrnné skupiny tváření nepevnými nástroji, ovšem odborná literatura toto zařazení neužívá. Na následující stránce je vyobrazeno názorné rozdělení obou skupin v této práci (schéma č.1.1 a schéma č.1.2).

- 11 -

Schéma č. 1.1 Tažení nepevnými nástroji

Tváření pomocí pryže

Tváření pomocí kapaliny

Metoda Guerin

Metoda Wheelon

Metoda Marform

Metoda Hydroforming s pryžovou membránou

Hydromechanické tažení

Tváření dvou plechů pomocí metody Hydroforming

Schéma č. 1.2 Tváření vysokými parametry Tváření pomocí výbuchu

Elektrohydraulické tváření

Elektromagnetické tváření

Tváření pomocí ultrazvuku

- 12 -

2. Tažení nepevnými nástroji [1,2,5] Tažení je technologický proces, jímž lze z rovinného polotovaru vyrobit prostorový díl nerozvinutého tvaru. Základem každého nástroje pro tažení je tažník a tažnice s tažnou hranou, dokonalejší nástroje jsou vybaveny přidržovačem. Plechový polotovar se nazývá přístřih, hotový výrobek je výtažek. Jednotlivé výtažky lze dělit na dvě základní skupiny, mělké a hluboké. Technologií tažení lze docílit rotačních i nerotačních tvarů nebo složitějších karosářských dílů. Pří klasickém tažení dochází k tváření plechu zejména napětím tahovým, které klade vyšší nároky nejen na konstrukci a tvar budoucí součásti, ale také na technologii výroby a funkci nástroje pro tažení. Během procesu jednotlivá napětí a příslušné deformace vykazují značnou nejednotnost. Kritická oblast je v místech mezi dnem výtažku a jeho stěnami, kde dochází k velkému ztenčení stěny a je vysoké nebezpečí vzniku trhliny. Obr. 2.1 demonstruje schémata napětí a deformace v jednotlivých místech válcového výtažku s přírubou.

Obr. 2.1- Porovnání schémat napětí a deformace v různých místech výtažku zhotoveného vpravo klasickým tažením, vlevo pomocí technologie tažením nepevným nástrojem. [3][2]

Všeobecně pro technologii tváření je příznivější napětí tlakové, které trhlinám naopak brání a uzavírá je. Aby bylo v procesu tažení docíleno tlakového napětí, je třeba tomu podřídit konstrukci nástroje. Část nástroje se nahrazuje materiálem, který dokáže vyvolat všestranný tlak. Mezi materiály využívané pro zhotovení nepevných nástrojů patří zejména pryž, kapalina a nebo jejich vzájemné kombinace. Použitím elastických materiálů v technologii tažení je docíleno příznivého zvýšení plasticity tvářeného materiálu, snížení ceny na výrobu nástroje, ale také

- 13 -

snížení přípravných časů, neboť je zapotřebí z kovu vyrobit pouze jednu část výrobního nástroje. To umožňuje tyto technologie využívat nejen v sériové, ale i malosériové až kusové výrobě. Nevýhodné je tyto metody využívat pro velkosériovou výrobu, protože dochází k rychlému opotřebení elastických materíálů, a zvyšuje se jejich spotřeba, což představuje zvýšení celkových nákladů na výrobu.

2.1 Tváření pomocí pryže [1,2,3,5] Pryž, nesprávně guma, je zesíťovaná makromolekulární látka. Jednotlivé makromolekulární řetězce (přímé, rozvětvené) uvnitř látky jsou navzájem propojeny a tvoří jednu makromolekulu neboli řídkou prostorovou síť. Uvedené vnitřní uspořádání umožňuje této látce radikálně měnit svůj tvar působením vnějších sil a po uvolnění se vrátit do původního stavu. Tohoto charakteristického jevu se využívá právě při tažení tak, že pryž bez nutné tvarové úpravy nahradí tažnici, která dokonale okopíruje tvar tažníku. Je zapotřebí dostatečně velký lisovací tlak, jenž umožní pevné dosednutí plechu na tažník. S pomocí pryže je možné zhotovit mělké nebo hluboké výtažky jednoduchých či složitých, rotačních i nerotačních tvarů. Mezi základní metody využívající pryží patří metoda Guerin a Marform. Existují i další technologie, které využívají vlastnosti pryže, například rozšiřování trubkových polotovarů, nebo i stříhání a ohýbání. Charakteristické mechanické vlastnosti pryže pro jednotlivé technologie jsou uvedeny v tab. 2.1. Tab 2.1. Nejpoužívanější tvrdosti pryže. [1] Technologie

Tvrdost (Sh)

Pevnost v tahu (MPa)

Prodloužení (%)

Stříhání

70 – 90

10

200

Ohýbání

50 – 80

10

300

Tažení

45 – 60

10 – 16

450 - 600

- 14 -

2.1.1 Metoda Guerin [1,2,5,6,8,9,10] Guerin je nejstarší metoda, jejíž podstatou je využití pryže, která plní funkci tažnice. Je známa již od roku 1872 a původně se nejednalo o metodu určenou k tažení plechu, ale pro stříhání cínových fólií. Až o několik desítek let později se začala tato metoda aplikovat v technologii stříhání a při výrobě mělkých výtažků z plechu. Ukázalo se, že metoda Guerin trpí nedostatky, které brání jejímu širšímu využití. Nedovoluje například zhotovení hlubokých výtažků s přírubou bez zvlnění. Tato metoda byla brzy překonána a stala spíše „odrazovým můstkem“ pro vznik dalších metod, např. Marform, Wheelon či Hydroforming.

2.1.1.1 Princip metody Guerin [1,2,5,6,8,9,10] Na počátku procesu je nutné umístit rovinný přístřih z plechu na tažník. Nedrží-li plech na tažníku dostatečně, k upevnění se dočasně použijí fixační kolíky (obr. 2.2) nebo speciální podpěry, které zabrání sklouznutí. Pryž, která je upevněna na pohyblivé části lisu po jeho spuštění dosedne na tažník, na kterém leží plechový polotovar, a začíná proces

Obr. 2.2- Použití fixačních kolíků. [6]

tažení. Pryž vytváří všestranný rovnoměrný tlak působící proti plechu, který je do pryže

zatlačován

spolu

s

tažníkem, jenž plechu předá požadovaný tvar (obr 2.3). Úplným

přetvořením

plechu proces tažení končí. Tažník je vysunut automaticky ven z pryžového polštáře, pryž se samovolně vrátí zpět do původního stavu. Hotový Obr. 2.3- A) Nástroj před tvářením, B) Nástroj na konci tváření .[6,7,8]

výtažek se sejme z tažníku a celý postup je možné znovu opakovat.

- 15 -

Většinou popsaný proces probíhá na jednu operaci. Při zhotovování výrobků složitějších tvarů, zejména s průřezem připomínajícím písmeno C nebo Z, je nutné proces rozdělit do více operací. Složitější tvary lze zhotovit i s použitím speciálního příslušenství, které pomůže přenést tlak do potřebných míst. Pomocí speciálního příslušenství (obr. 2.4) lze také eliminovat nežádoucí zvlnění.

Obr. 2.4- Speciální příslušenství pro zvyšování tlaku pryže v určitých místech. A) klín, B) klapka. [9]

Při zhotovování výtažků s přírubou se projeví nedostatky této metody. Pokud je příruba příliš úzká, nemusí dojít k dokonalému přidržení a může dojít k jejímu zvlnění, stejně tak v případě, použije-li se nedostatečný lisovací tlak. Pryž nevyvine dostatečnou sílu na plochu plechu a ten se může samovolně zvrásnit. Totéž nastává také za dostatečně velkého lisovacího tlaku, jestliže hloubka výrobku přesahuje hranici cca 40 mm. Metodou Guerin je možné tvářet i více součástí na jeden zdvih, protože tlak potřebný pro tváření není závislý na počtu tažníků, ale na velikosti ponorné desky. Přes své výhody se metoda příliš nerozšířila. Její používání v hromadné výrobě brání její nákladnost. Pryž se rychle opotřebovává a musí být vyměněna, což vede k navýšení provozních nákladů. Využívá se zejména v leteckém průmyslu pro tváření hliníkových slitin. Hlavní polotovar, který se dá zpracovávat metodou Guerin, je plech. Protože na něj působí nepevný nástroj, lze zpracovávat pouze tenké plechy z různých druhů materiálů. Při zkoušení kapacit metody [6] bylo použito ocelového plechu o tloušťce 15 mm pro úspěšné tváření kulového vrchlíku Ø 210 mm. Při zvýšení tlaku až na 98 MPa neodolal tlaku gumy ani plech o tloušťce 28 mm. Běžně tvářené materiály a jejich tloušťky jsou uvedeny v tab. 2.2. Obecně platí, že čím větší tloušťka materiálu, tím vyšší lisovací tlaky budou zapotřebí. Co do plochy je možné touto metodou tvářet přístřihy o rozměrech až 800 x 800 mm [5].

- 16 -

Tab. 2.2 Nejvíce používané materiály [7]

Materiál pro mělké tažení

Max tloušťka (mm)

Slitiny hliníku ČSN 42 4222

4.7

Austenitická uklidněná ocel

1.3

Austenitická vytvrzovaná ocel

0.8

Slitiny titanu

1.0

2.1.1.2 Nástroje a stroje pro metodu Guerin [1,2,5,6,8,9,10] Každý tažný nástroj se skládá ze dvou hlavních částí, tažníku a tažnice. U metody Guerin tomu není jinak (Obr. 2.5). Tažník se používá stejný jako při klasickém tažení. Na jeho výrobu lze použít širokou škálu materiálů, protože při této metodě se používá menších tlaků, kterým řada levných, lehko opracovatelných materiálů dobře odolá.

Obr. 2.5- Nástroj pro metodu Guerin. [6,7]

Mezi běžně používané materiály patří tvrdé, vrstvené dřevo, plast, litina, ocel, slitiny hliníku, hořčíku a nebo zinku. Nejměkčí materiály se používají v malosériové výrobě nebo při výrobě prototypů, protože nepředstavují velkou finanční zátěž. U dřeva nebo plastu se kratší životnost dá snadno prodloužit vyvložkováním ocelovým plechem. Nezávisle na druhu materiálu musí však být povrch tažníku co nejdokonalejší. Jakákoli nerovnost na jeho povrchu se může obtisknout do výtažku, který se buď dále nedá použit a nebo je nutné jej ručně opracovat. Tažníky jsou obvykle leštěné nebo velmi jemně broušené.

- 17 -

Poloha tažníku není obecně pevně určena. Je možné ho uchytit kdekoli na ponornou desku v dostatečné vzdálenosti od okrajů, aby nedošlo k žádným nežádoucím jevům. Je možné na jednu ponornou desku upnout i více tažníků najednou (Obr. 2.3). Tažnice u metody Guerin představuje pružný člen. Výška elastického média se pohybuje v rozmezí od 152 – 305 mm [9]. Jako elastický materiál se používá pryž, která je cenově dostupná, ale délka její použitelnosti je omezená. Lze použít i polyuretan, který je odolnější, ale dražší. Pryžovou tažnici lze zhotovit jak z jednoho celku, tak vrstvením pryžových desek. Celistvá tažnice se většinou vyřízne z většího kusu pryže. Oproti tomu vrstvená tažnice vnikne položením několika desek pryže na sebe. Jednotlivé desky pryže běžně o tloušťce 25.4 mm [9], je možné spojit lepením a nebo je možné je ponechat volně ložené na sobě bez přichycení. Tento volný způsob uchycení nabízí mnoho výhod. Dojde-li například k opotřebení dotykové desky, lze tuto desku snadno vyjmout ze schránky, otočit ji, či vyměnit za jinou desku, nebo zcela nahradit deskou novou. Blok z pryže se umisťuje do pevné schránky (někdy objímky [6] jindy skříně [2]). Schránka je nejčastěji zhotovena z ocele nebo litiny. Její výška bývá přibližně o 25 mm větší než výška použité pryže. Schránka musí být dostatečně robustní, aby byla schopná odolat tlaku pryže. Přitlačí-li se pryž pomocí lisu, působí všestranným tlakem nejen proti plechu, ale i proti všem stěnám schránky. Pro úspěšnou realizaci tažení je nutné zabránit jakémukoliv vyběhnutí pryžového polštáře ven ze schránky, protože každý jeho únik se projeví poklesem tlaku. Do schránky lze pryž přichytit napevno lepením. Lze také využít jevu rozpínavosti a do schránky vtlačit blok

Obr. 2.6- Tvar schránky do písmene Z. [9]

pryže, který má své rozměry nejméně o 1 % větší než rozměry schránky. Je rovněž možné se setkat se speciální konstrukcí schránky do tvaru písmene Z (Obr. 2.6), kam se vkládají pouze pryžové desky a celá schránka je upnuta na horní beran lisu. Na strojní vybavení není tato metoda náročná, což má pozitivní vliv na celkové náklady výroby. Obvykle se při ní používají tlaky v rozmezí 7 – 48 MPa. Metodu lze s úspěšností aplikovat na běžně používaných strojích pro klasické tváření. Pro nižší tlaky do 10 MPa lze používat běžné klikové, excentrické nebo třecí lisy. Pro vyšší tlaky je nezbytné použít lisy hydraulické.

- 18 -

Velikost tlaku je závislá na velikosti ponorné desky. Platí, že pokud se zmenší její velikost, vzroste tlak. Hloubka výtažků, zhotovených touto metodou, se pohybuje v rozmezí

od

31,8 do 38,1 mm [9]. Ve výjimečných případech lze využitím vyššího tlaku (140 MPa) s úspěšností docílit i hlubších tahů až okolo 70 mm [7]. Souhr výhod a nevýhod metody Guerin je v tab. 2.3. Tab. 2.3- Výhody a nevýhody metody Guerin.

Výhody §

Je zapotřebí vyrobit z pevného materiálu pouze tažník.

§

Pro výrobu tažníku je možné použít širokou škálu materiálů.

§

Tažnice je tvořena pryží, kterou není potřeba nijak tvarovat.

§

Není zapotřebí žádné přednastavení, pokud se mění tloušťka plechu.

§

Nástroj na povrchu výtažku nezanechává stopy.

§

Je možné tvářet i více součástí během jednoho zdvihu lisu.

§

Výroba je časově kratší, snadno a rychle lze vyměnit tažník během procesu.

§

Nevyžaduje speciální stroje.

§

Je snadné ji využít i pro jiné technologické postupy jakými je stříhání, ohýbání nebo jejich kombinace.

Nevýhody §

Lze zhotovovat pouze mělké výtažky.

§

Životnost tažnice z pryže je nižší než životnost kovu.

§

Je použitelná pouze pro tažení tenkých plechů.

§

Je vhodná pouze pro kusovou a malosériovou výrobu.

2.1.2 Metoda Marform [1,2] Tato metoda vychází z metody Guerin, použití přídavného přidržovače ji činí ale univerzálnější. Je používána pro tváření tenkých plechů. Hloubka výtažku už není limitujícím faktorem, jak tomu bylo u metody Guerin. Metodou lze vyrábět i hluboké nádoby s přírubami bez nežádoucího zvlnění.

2.1.2.1 Princip metody Marform [6,7,8,9,10,11] Princip metody je podobný jako u metody Guerin. Tažnice v horní pohyblivé části je zhotovena z pryže, v dolní části tvářecího nástroje je pevný tažník. V jedné

- 19 -

rovině s vrchem tažníku je přidržovač. Do této polohy se na něj umístí rovinný plechový přístřih, který se usadí do zarážek, aby jeho poloha vůči tažníku byla dostatečně určena a nedocházelo tak k výrobě zmetků. Poté, co je plech umístěn do správné polohy, lis plynule přisune horní část tvářecího nástroje. Tažnice dosedne na plech a přitlačí ho k přidržovači. Tímto přitlačením se vyvolá v pryži počáteční předpětí. Následným působením lisu dochází k vlastnímu procesu hlubokého tažení. Pryž vytváří všestranný tlak, přitlačuje plech k tažníku. Tažnice se působením sil hydraulického lisu pomalu pohybuje proti tažníku. Současně s tažnicí se pohybuje přidržovač, jehož pohyb musí být dostatečný, aby působil na plech stále stejným tlakem, zejména proto, aby nedošlo k utržení příruby výtažku. Pokud přidržovač nevyvine dostatečný tlak, dochází ke zvlnění okrajů výtažku. Jestliže proces probíhá optimálně, dochází k postupnému nabalování plechu na tažník. Způsobeným třením vzniká síla, která způsobuje odlehčení výtažku v místech mezi dnem a boky. To je hlavní odlišnost od klasického hlubokého tažení. K maximálnímu napětí dochází v místech mezi boky a přírubou výtažku, kde je největší riziko porušení výrobku. V okamžiku, kdy dosedne plech pevně na tažník, je vlastní proces tváření u konce. Horní polovina lisu se vrátí do své počáteční polohy, spolu s ní vyjede zpět také přidržovač, který uvolní výtažek z tažníku. Po zastavení všech pohyblivých částí lze hotový výtažek vyjmout, vložit nový polotovar a opakovat tažení.

2.1.2.2 Nástroje a stroje pro metodu Marform

[6,7,8,9,10]

Protože se touto metodou zhotovují zejména součásti větší hloubky, je nezbytné použít pro zhotovení tažníku pevnější materiály, které jsou schopné odolat větším tlakům. Materiály jako tvrdé dřevo nebo plast zde uplatnění nenaleznou. Tažník je pevně přichycen k dolnímu stolu stroje. Uložení tažníku je uzpůsobeno tak, aby jeho výměna byla snadná a zároveň rychlá. Je možné se setkat i s modifikacemi, kdy tažník je pohyblivý a naopak přidržovač je pevně uchycen k rámu. Přidržovač neumožňuje použít více tažníků najednou. Tažnice se principielně neliší od tažnice pro metodu Guerin (Obr. 2.7). Opět je tvořena pryžovým polštářem, ať už celistvým nebo z jednotlivých desek. Jestliže u metody Guerin bylo důležité, aby výška pryže dosahovala trojnásobku (popřípadě čtyřnásobku) [7] výšky výtažku, zde je to ještě nutnější, aby se prodloužila životnost pryže. Výtažek je sice možné úspěšně zhotovit i s použitím menší výšky pryžového

- 20 -

polštáře, ovšem namáhání pryže je daleko vyšší.

Obr. 2.7– Nástroj pro metodu Marform. [6,7]

Samotný pryžový polštář je umístěn v robustní ocelové schránce, která musí být, stejně tak jako u procesu Guerin, odolná vůči tlakům pryže. K uchycení pryže do objímky je možné použít stejných postupů jako u metody Guerin. Celá skříň je pevně upnuta na horním beranu stroje. Přítomnost přidržovače představuje hlavní odlišnost od technologie Guerin. Jeho funkcí je přidržet plech a vyvolat dostatečný protitlak, který plynule reguluje pohyb matriálu, brání vzniku vlnění na přírubě výtažku a umožní tak hluboké tahy. Funguje zároveň i jako stírač hotového výtažku. Pro jeho správnou funkci je důležitá jeho synchronizace s pohybem tažnice, kterou zajišťuje nízkotlaké zařízení umístěné ve spodní části nástroje. Je tvořeno hydraulickým pohonem, který působí na píst přidržovače a manometrem, jenž plynule reguluje tlak v komoře v závislosti na pohybu tažnice. Rozměry přidržovače by měly být dostatečné, aby byla zajištěna dostatečná provozní vůle mezi přidržovačem a tažníkem, obvykle se používá vzdálenost 1,57 mm [9]. Vyběhnutí pryže mimo tvářecí prostor se může projevit poklesem tlaku a zvyšuje se tak riziko nesprávně dotaženého dílu. Hodnoty tlaku přidržovače jsou závislé na koeficientu tažení. Obvykle u metody Marform se dosahuje vyšších hodnot koeficientu tažení než u klasického hlubokého tažení. V tab. 2.4 jsou uvedeny potřebné tlaky pro přidržovač pro různé druhy materiálů, v případě, že koeficient tažení je roven dvěma. Tab. 2.4 Hodnoty tlaků pro přidržovač. [6] Materiál Tlak přidržovače (MPa) Slitiny hliníku

30 – 40

Nízkouhlíkové oceli

60 – 65

Nerezavějící oceli

70 – 90

- 21 -

Pro metodu Marform se používají zejména jednočinné hydraulické lisy. Je to proto, že pro realizaci hlubších tahů je zapotřebí větších tlaků, které jsou za pomocí mechanických

lisů

nedosažitelné.

Rozmezí

běžně

používaných

tlaků

na

hydraulických lisech pro tuto metodu je 34 - 69 MPa. Pro úspěšnější realizaci procesu je důležité, aby lis umožňoval nastavení rychlosti pohybu beranu. Důležitá je také výška jeho zdvihu. Celková výška nástroje je poměrně vysoká kvůli použití přidržovače a je nutné přihlédnout k výšce budoucího výtažku, aby bylo možné jej bezproblémově vyjmout z nástroje. Souhrn výhod a nevýhod pro metodu Marform je uveden v tab. 2.5. Tab. 2.5- Výhody a nevýhody metody Marform.

Výhody §

Z pevného materiálu je nutné vyrobit pouze tažník.

§

Pomocí metody lze vyrábět jak mělké, tak i hluboké výtažky.

§

Během metody je dosahováno vyššího koeficientu tažení než u klasických metod tažení.

§

Možnost spojení procesu stříhání, tažení a ohýbání.

§

Nedochází k porušení povrchu výrobku.

Nevýhody §

Klade vyšší nároky na správnou synchronizaci přidržovače s pohybem tažnice.

§

Životnost tažnice z pryže je nižší než kovu.

§

Je zapotřebí stroje, schopného vyvinout vyšší tlak.

2.2 Tváření pomocí kapaliny [1,2,20] Kapalina, která se používá u následujících technologií, plní podobné funkce jako pryž u metody Guerin a Marform. Pomocí kapaliny lze docílit všestranného tlaku, jenž je pro tváření obecně příznivý. Použití kapaliny sice klade vyšší nároky na zamezení jejímu úniku, její pořízení není tak nákladné jako například pryže. Mezi nejpoužívanější kapaliny patří voda nebo olej.Kapalina se využívá u těchto metod: Ø Metoda Wheelon Ø Metoda Hydroforming s pryžovou membránou Ø Hydromechanické hluboké tažení Ø Tváření dvou plechů pomocí metody Hydroforming Ø Metoda Hydroforming pro tváření trubek (Poslední uvedená metoda, která se používá pro tváření trubek, nebude v této práci, která se soustředí pouze na plošné tváření kovů, popisována.)

- 22 -

2.2.1 Metoda Wheelon [1,6,7,8,9,10] Tato metoda je obvykle zařazována do skupiny technologií, používajících k tváření kapalinu, která se používá jako tlakové médium, ale přítomny jsou i další elastické materiály např. pryž. Ta v tomto procesu má již spíše jen „ochrannou funkci“. Metoda Wheelon rovněž vychází ze základní metody Guerin. Je jejím zdokonalením a nabízí více možností uplatnění. Přítomnost kapaliny zajišťuje dosažení vyšších tlaků, přibližně v rozmezí 35 – 200 MPa. Mohou se tak vyrábět díly dokonalejší s širšími přírubami bez zvlnění, tvarově složitější, žebrované součásti apod.

2.2.1.1 Princip metody Wheelon [1,6,7,8,9,10] Pro metodu Wheelon se používá speciální stroj, který je konstrukčně odlišný od klasických tvářecích lisů. Tento stroj má válcový tvar a je opatřen výsuvným stolem (Obr. 2.8). Na něj se přichytí tažníky, na které se položí plechové polotovary. Poté výsuvný stůl zajede do válcové komory, v níž se nalézá pevně uchycená deska

Obr.2. 8- Speciální stroj pro metodu Wheelon,A) na počátku děje, B) na konci tváření.[6,7]

z pryže, nad níž je elastický vak s kapalinou. Výsuvný stůl spolu s přístřihy se zasune pod pryžovou desku, zastaví se a začíná vlastní proces tažení. Do vaku je přivedena kapalina, s jejímž přibývajícím množstvím vak nabírá na objemu, tlačí na pryž a ta postupně rovnoměrně tiskne plech na tažník. Po skončení procesu je kapalina z vaku odvedena, klesne tedy tlak působící na pryž a ta se vrátí do své původní podoby. Stůl je nyní uvolněný a je ho možné vysunout ven z komory a hotové výtažky vyjmout. Délka celého děje trvá přibližně 1 – 2 minuty, což je déle než by trvalo klasické tažení. Časovou zátěž představuje zejména opakované plnění a vypouštění kapalinového vaku.

- 23 -

Metoda Wheelon je určena pro zhotovování mělkých až středně hlubokých součástí.. Je možné zhotovit i široké okraje bez zvlnění až do šířky 425 mm.[7] Tato metoda našla největší uplatnění v leteckém průmyslu. Je tedy jasné, že hlavním materiálem, se kterým pracuje, jsou hliníkové slitiny. Mezi další materiály patří nízkouhlíková ocel, nerezavějící ocel a hořčíkové slitiny. Postupem času se s použitím základního principu metody Wheelon vyvinuly dvě její modifikace, Verson-Wheelon a ASEA Quintus, které se dnes používají.

2.2.1.2 Nástroje a stroje pro metodu Wheelon [1,6,7,8,9,10] Konstrukce tažníku se prakticky nemusí lišit od tažníku pro metodu Guerin, jeho tvary však mohou být i složitější. Materiálem pro jeho zhotovení může být ocel, litina, hliník a další. Použití měkkých materiálů jakými jsou plast nebo dřevo není vhodné, protože vyšší tlaky kapaliny by mohly již po několika opakováních tažník rozdrtit. U modifikace nazvané Verson-Wheelon (Obr. 2.9) je tažnice tvořena dvěma částmi. První je deska z pryže, která je vmáčknuta do drážky uvnitř těla válcové konstrukce, druhá část je tvořena

vakem

naplněným

kapalinou.

Jako

kapalina se používá buď voda nebo hydraulický olej. Vak je možné vyrobit z neoprenu nebo

Obr. 2.9- Stroj Verson Wheelon. [14]

polyuretanu, musí být vždy umístěn nad pryžovou deskou. Hlavním důvodem tohoto řešení je, že pryž pod ním chrání vak před protržením. Bez použití ochranné pryže by vak naplněný kapalinou, mohl snadno proniknout pod plechový přístřih a přemístit ho z potřebné pozice. Také by se mohlo stát, že by k úplnému přetvoření plechu nemuselo dojít, hrany a rohy přístřihu by snadno mohly roztrhnout kapalinový vak a způsobit tak její nežádoucí únik. Přestože pevně uchycená deska pryže slouží jako prevence proti protržení vaku, i její povrch se chrání proti poškození vkládáním tvrdšího plátu pryže nebo například kůže na plechový přístřih, aby se prodloužila životnost i této ochranné části. Předchází se tím její náročné výměně. U druhé modifikace Wheelonu, tedy ASEA Quintus, je podoba tažnice odlišná. I když se řadí pod metodu Wheelon, je do značné míry principielně více podobná metodě Hydroform, o níž bude ještě pojednáno. Hlavní odlišnost je v použití pružné

- 24 -

pryžové membrány, která nahrazuje kapalinový vak a zároveň i ochrannou pryžovou desku. Membrána je neprodyšně přichycena k vrchní části komory. Kanály přivádějící hydraulický olej ústí nad membránou. Pokud dojde k porušení membrány, je její výměna snadnější než u Verson-Wheelon a zabere přibližně 30 minut [7]. Při tváření hořčíkových slitin se používá i předehřevu polotovarů. Maximální teplota, kterou je možné použít je 315 °C [7].

Při takto zvýšených teplotách je

kladen vyšší důraz na ochranu kapalinového vaku, protože by snadno mohlo dojít k jeho propálení. Používají se tedy ochranné desky, které vak tepelně odizolují. Jak už bylo zmíněno, stroj pro metodu Wheelon je zcela jiné konstrukce než hydraulické

nebo

mechanické

lisy,

které

se

používají

u

technologií

pro tváření nepevnými nástroji. Stroj, na němž je možno metodu Verson-Wheelon používat, má válcové tělo jež se skládá z vrstvené oceli dobře odolávající tlakům. Druhý typ konstrukce stroje pro aplikaci modifikace ASEA Quintus je opět válcového tvaru. Válec je tvořen ocelovým výkovkem a pro zvětšení jeho odolnosti je ovinutý ocelovým lanem. Konstrukce tohoto typu je opět odolná proti vysokým tlakům a zároveň je i odolnější vůči únavě materiálu. Zvláštním

prvkem

u

obou

konstrukcí je výsuvný stůl (Obr. 2.10).

Obr. 2.10- Ukázka výsuvného stolu s tažníky. [13]

Na jeho dno se upevňují tažníky,

stejně jako u metody Guerin je možné použít více tažníků najednou. Jejich počet je limitován jen velikostí výsuvného stolu. Obvykle se lze setkat se stoly ve velikosti 508 x 1270 mm

až

1270 x 417 mm

pro

Verson

a

700 x 2000 mm

do

2000 x 5000 mm pro ASEA Quintus [7]. Výsuvný stůl je většinou zdvojený, umožňuje na jednom konci vyjmutí hotových kusů a umístění nových přístřihů. Naopak druhý konec stolu je ve válcové komoře a probíhá na něm proces tažení. Jestliže jsou výtažky hotové, dojde k výměně stolů a proces se opakuje. Takto zdvojený stůl napomáhá snižovat celkový výrobní čas a odstraňuje nebo výrazně zkracuje nutnou přestávku obsluhy. V praxi je možně se setkat i s linkami, kde je použito více stolů, které se pohybují po dopravním pásu a jednotlivě zajíždějí dovnitř stroje pro tuto metodu. Souhrn výhod a nevýhod pro metodu Wheelon je uveden v tab. 2.6.

- 25 -

Tab. 2.6- Výhody a nevýhody pro metodu Wheelon.

Výhody §

Pracuje s menším množstvím pryže a používá prostředků pro její ochranu, odpadá tak nutnost časté výměny.

§

Umožňuje tvářet na větším počtu tažníků během jedné operace.

§

Snižuje se počet potřebných tahů pro zhotovení výlisku.

§

Umožňuje zhotovit tvarově složitější díly.

§

Stroj pro tuto metodu je mnohem lehčí než hydraulické lisy.

§

Pracuje se všestranným tlakem.

Nevýhody §

Složitější výměna ochranné pryže.

§

Při porušení může dojít k úniku velkého množství kapaliny.

§

Některé měkčí materiály se na vytvoření tažníku nedají použít kvůli vyšším tlakům.

§

Je zapotřebí stroj odolávající vysokým tlakům.

§

Stroj je náročný na prostor.

2.2.2. Metoda Hydroforming s pryžovou membránou [6,7,8,9,10, 17,18,22]

Metoda, i přesto že je zařazována mezi metody používající kapalinu, nadále využívá také pryž. Metoda vznikla na přelomu čtyřicátých a padesátých let 20. století. Byla vyvinuta v reakci na potřeby leteckého průmyslu, který požadoval hluboké výtažky v menších sériích. Stejně jako pryž i kapalina dokáže vyvolat na povrchu tvářeného dílu všestranný tlak, který je zejména pro hluboké tažení výhodnější než tlak místní, používaný u konvenční technologie tažení. U metody Hydroforming s pryžovou membránou se kapalina tvářeného materiálu nedotýká. Přímému styku brání právě membrána z pryže.

2.2.2.1. Princip metody Hydroforming s pryžovou membránou [6,7,8,9,10, 17,18,22]

Na začátku procesu je vrchní část nástroje v horizontální poloze. Viditelná je pouze pryžová membrána, která drží počáteční množství kapaliny na správném místě. Na spodní část, tedy na přidržovač prstencového tvaru a zasunutý tažník, je položen přístřih plechu. Tak jako u ostatních technologií i zde je nutné přístřih

- 26 -

umístit do správné polohy, aby proces mohl být úspěšně dokončen. Obvykle se na přístřih nanáší malé množství maziva. Pro zvýšení ochrany pryžové membrány je možné plech přikrýt textilií. Poté lis spustí tlakovou komoru do výchozí pozice. Komora je natlakována na počáteční hodnotu a pryž zaujímá funkci přidržovače. Tlak vytvoří hydraulické čerpadlo. Tento přípravný tlak se pohybuje v rozmezí mezi 14 – 69 MPa. Následně je pomocí hydraulického pohonu uveden do pohybu tažník, který je přisouván směrem nahoru k tlakové komoře s kapalinou. Dochází ke zvyšování tlaku až k hodnotám okolo 103 MPa [7]. Plech, pryžová membrána a textilie se začnou současně přizpůsobovat tvaru tažníku. Tlak během procesu musí být programově kontrolován a regulován, aby nedošlo k nechtěnému porušení nástroje nebo naopak k nedokonalostem na povrchu výrobku.

Obr. 2.11-Tvarově náročné díly zhotovené metodou Hydroforming. [15]

Jestliže je tažník ve své maximální horní poloze, končí proces tažení. V horní komoře poklesne tlak a nástroj se otevře. Setření výtažku může být u některých tvarů problém. Proto se často snímá pomocí tlakového vzduchu, který je přiveden kanálky v tažníku. Po vyjmutí hotového výtažku je možné proces znovu opakovat. Příklady tvarově náročných dílů jsou v obr.2.11. Hloubka výtažku může dosáhnout maximálně 305 mm [22]. Nejčastěji jsou pomocí této metody tvářeny plechy z nízkouhlíkových ocelí a hliníkových slitin v tloušťkách 0.25 - 1.65 mm [7].

- 27 -

2.2.2.2 Nástroje a stroje pro metodu Hydroforming s pryžovou membránou [6,7,8,9,10, 17,18,22] Tažnici, jak už princip napovídá, tvoří tlaková komora (Obr. 2.12). Ta musí být konstruována tak, aby odolala vysokým tlakům kapaliny a nedošlo k jejímu porušení. Jako přepážka pomáhající zadržet kapalinu uvnitř tlakové komory zde slouží deska z pryže, mající tloušťku asi 66 mm. Je možné použít desku rovnou nebo pro hluboké tahy její tvar částečně přizpůsobit tvaru tažníku již při její výrobě. Pryž je opatřena ještě pružnou textilní vrstvou, která ji chrání před poškozením a prodlužuje její životnost. Při tomto procesu je hlavní funkcí pryže přidržet plech a bránit tak zvlnění okrajů výtažků.

Obr. 2.12-Princip metody Hydroforming s pryžovou membránou. [7,22]

Tažník je poháněn hydraulickou silou proti plechu a je připevněn na hydraulickém pístu ve spodní části stroje či nástroje. Materiál pro jeho zhotovení je možné opět vybrat ze široké škály druhů. Je však nutné zvážit počet výlisků a druh materiálu, z něhož budou vyráběny, protože se tažník zhotovený z levnějších a měkčích materiálů může velmi rychle opotřebovat nebo nebude s jeho použitím možné vyrobit například složité detaily. Pryž na dně tlakové komory by však sama o sobě jako přidržovač nefungovala, důležitá je zároveň i přítomnost ocelového prstence ve spodní části nástroje. Pro jeho zhotovení se dá použít ocel nebo litina, kterou lze podle potřeby vytvrdit tepelným zpracováním. Protože tento prstenec obepíná tažník je nutné dodržet požadovanou vůli, která je asi 50 % tloušťky formovaného materiálu [7].

- 28 -

Pokud tedy na prstenec dosedne pryžová membrána, začíná se toto spojení chovat jako přidržovač. Tak jako u metod předešlých dochází i zde k značnému opotřebovávání pryžové membrány. I při použití ochranné textilie se její obvyklá životnost pohybuje od 500 do 1500 vyrobených kusů v závislosti na hloubce výrobku a jeho členitosti. Pro realizaci této technologie mohou posloužit běžné hydraulické lisy, do kterých se upne celý nástroj, který dokáže Hydroforming pomocí pryžové membrány uskutečnit. Zapotřebí je opět vyšší zdvih stroje a nutné je osazení dalších zařízení jednak pro přívod tlakové kapaliny jednak pro snímání tlaku. Existují však zařízení speciálně navržená právě pro tuto technologii, která mohou být koncepčně velmi podobné hydraulickým lisům, ale mohou také používat zcela jiný princip viz.obr 2.13

Obr. 2.13-Vlevo lis s nástrojem pro metodu Hydroforming s pryžovou membránou, vpravo speciální stroj.pro stejnou metodu. [12,15]

Souhrn výhod a nevýhod metody Hydroforming s pryžovou membránou je uveden v tab. 2.7. Tab. 2.7-Výhody a nevýhody metody Hydroforming s pryžovou membránou.

Výhody §

Možnost mělkých i hlubokých tahů se složitými tvary.

§

Příznivé tvářecí podmínky (všestranný tlak ).

Nevýhody §

Vyšší nároky na utěsnění komory .

§

Opotřebení pryže může prodražit proces.

§

Pouze pro tenké materiály.

§

Nutnost speciální koncepce výrobního zařízení.

- 29 -

2.2.3. Hydromechanické tažení [7,10, 17,18,22] Mezi další metody, které používají kapalinu místo jedné části nástroje, patří hydromechanické tažení. Jde o technologii, která již nepoužívá pryžovou desku. Dochází k přímému kontaktu použité kapaliny a tvářeného materiálu.

2.2.3.1 Princip hydromechanického tažení [7,10, 17,18,22] Koncepce nástroje je u této metody poněkud odlišná od předchozích metod (Obr. 2.14) Vrchní část nástroje je tvořena hydraulicky poháněným tažníkem. Spodní část slouží jako tažnice a je tvořena tlakovou komorou, která je naplněna tlakovou kapalinou. Důvod je, že kapalina není chráněna proti úniku, proto musí být situována v nejnižší části. Technicky proveditelné by bylo i opačné řešení, ovšem přibyla by nutnost čerpání kapaliny dovnitř či ven během každé operace. To by se projevilo nárůstem výrobního času. Před započetím každé operace je nutné na spodní tlakovou komoru umístit plechový přístřih. Obě části nástroje na sebe dosednou a přidržují plech po jeho obvodu. Tlakovou komoru ve spodní části je nutné natlakovat na počáteční hodnotu. Poté se tažník začne plynule pohybovat proti plechu. Vytvoří se tak potřebný protitlak, který tlačí pevně plech na tažník již od samého počátku tažení. Dochází tak k eliminaci místního ztenčení. Tento jev je hlavní výhodou této metody oproti klasickému hlubokému tažení. Postupný tok materiálu je brzděn přidržovačem.

Obr. 2.14- Nástroj pro hydromechanické hluboké tažení a jeho hlavní princip. [17,22]

- 30 -

Kapalina v tlakové komoře je téměř nestlačitelná, proto je nutné její část odvést mimo komoru do zásobní nádrže. Celý odvod však musí být plynule řízen ventilem tak, aby tlak byl udržován na stálé hodnotě. Při poklesu tlaku může být výsledkem ne zcela dotažený výrobek. Největší problémy bývají zejména s ostrými přechody mezi rovinnými a konkávnímu plochami. Proto je vždy tažnice osazena ještě přídavným hydraulickým čerpadlem, které v případě potřeby zvýší tlak v nádobě. Je-li výtažek hotový, ventil ve spodní části uvolní tlak v nádobě, tažník se vrátí do výchozí polohy a přidržovač se otevře. Hotový výrobek je možné vyjmout. Obecně platí, že touto metodou se dají zhotovit výrobky velkých hloubek spíše rotačních tvarů. Mezi nežádoucí jevy, které se vyskytují během tohoto procesu, patří zvlnění, praskliny a v neposlední řadě vyboulení proti směru tažení (Obr. 2.15). Tento nedostatek je zapříčiněn vniknutím plechu do mezery mezi tažníkem přidržovačem. Předejít tomuto jevu se dá, použije-li se speciální těsnící kroužek nejen na obou plochách přidržovače, ale i v mezeře mezi tažníkem a přidržovačem. Vytvoří se tak pomocná komora, která se zaplní kapalinou, jejíž tlak brání vzniku protivlny.

Obr. 2.15.- Vlevo je znázorněno vyboulení příruby výtažku proti směru tažení, vpravo je znázorněn princip, jakým lze toto vyboulení odstranit. [18]

Na první pohled tento proces působí

jako

klasická

technologie

hlubokého tažení. Tedy spodní část přidržovače funguje jako tažnice a je v těsném Odlišností

kontaktu

s

plechem.

hydromechanického

hlubokého tažení je, že nedochází k poškození povrchu výtažku při dotyku s tažnicí. Tlak, který kapalina vytvoří, je

velký

natolik,

že

kapalina

se

Obr. 2.16- Stěny výtažku se dotýká kapalina. [17,18]

- 31 -

dostane i do míst, kde dochází u konvenčního tažení k dotyku dvou kovů (Obr. 2.16). V praxi je možné se setkat i s hydromechanickým tažením, které používá počáteční předepnutí plechu. Princip je obdobný, pouze před pohybem tažníku proti plechu dojde ke zvýšení tlaku v kapalině, který způsobí vyboulení plechu proti tažníku. Poté se začne tažník pohybovat proti předepjatému polotovaru a dochází k vlastnímu tažení. Vzhledem k počátečnímu všestrannému napětí na povrchu plechu dochází ke zvětšení deformačního zpevnění. Hotové výlisky pak mají odolnější, tvrdší povrch.

2.2.3.2. Nástroje a stroje pro hydromechanické tažení

[7,10,

17,18,22]

Nástroj pro realizaci této metody se skládá z pevného tažníku (Obr. 2.14). Kvůli vyšším tlaků je pro jeho konstrukci vhodné použít pevnější materiály, jež umožní více opakovaní cyklu. Tlaková komora ve spodní části nástroje slouží nejen jako nádrž pro přívod tlakové kapaliny, ale zároveň i jako přidržovač s tažnou hranou. Do komory musí být také zajištěn přívod kapaliny, aby byla umožněna případná regulace jejího tlaku. Tlak je sledován pomocí manometru a jeho hodnota může být v případě potřeby zvýšena za pomocí hydraulického čerpadla. To je se zásobní nádrží zpravidla umístěno mimo pracovní prostor stroje. Okraj tlakové komory ve spojení s vrchní částí nástroje slouží jako přidržovač. Vnitřní okraj ve spodní části nástroje je zaoblen, aby zde nedocházelo k velké koncentraci napětí, které by mohlo způsobit odtržení příruby výtažku. Tento spodní díl přidržovače je nutné také osadit těsněním, aby se zamezilo nežádoucímu úniku kapaliny z tlakové komory. Nejvhodnějším strojem pro tuto metodu je jednoznačně hydraulický lis. Jednotlivé části nástroje se upnou na jeho upínací desky. Protože je nástroj poměrně rozměrný, je zapotřebí volit takový lis, který má dostatečně velký zdvih. Hlavní úlohou lisu je uzavření nástroje. Tím dochází ke stisku plechu na přidržovači, který poté reguluje postupný tok materiálu. Základní výhody a nevýhody pro metodu hydromechanického tažení jsou uvedeny v tab. 2.8.

- 32 -

Tab. 2.8- Základní výhody a nevýhody pro hydromechanické tažení.

Výhody §

Pomocí metody lze zhotovit tvarově náročné díly.

§

Hotové díly mají opět bezchybný povrch.

Nevýhody §

Vyšší nároky na utěsnění nástroje.

§

Na povrchu výtažku po jeho vyjmutí z nástroje může zůstat poměrně velké množství kapaliny.

2.2.4. Tváření dvou plechů pomocí metody Hydroforming [18,22] V automobilovém průmyslu se používá množství dílů, vyráběných z několika částí. Jednotlivé části se zhotovují klasickým tažením plechu a poté se odstraní nepotřebné okraje. Následuje dokončovací operace sváření, která zajistí dokonale pevné spojení součástí v jeden nerozebíratelný celek. Hotový výrobek zhotovený pomocí technologie tváření dvou plechů pomocí Hydroformingu vypadá stejně jako výrobek zhotovený klasickým postupem. Jednotlivé operace však za sebou postupují v jiném sledu za přítomnosti kapaliny.

2.2.4.1 Princip tváření dvou plechů pomocí metody Hydroforming [18,22] Základním polotovarem je plechový přístřih. Přesněji se jedná o dva po obvodu spojené plechy, které jsou doplněny otvorem pro přívod kapaliny. Plechy se spojují svářením a mohou být rovinného tvaru nebo je možné je předtvarovat. Velkou výhodou je, že je možné spojit a následně tvářet nejen materiály různé tloušťky, ale i materiály s různými vlastnostmi. Jestliže je polotovar připravený, je umístěn do nástroje skládajícího se z vrchní a spodní zápustky, které uchytí pevně polotovar za obvodovou hranu. Nyní už jen stačí přivést kapalinu mezi svařené plechy a následně dochází k jejich tažení vlivem rostoucího tlaku kapaliny. Když plechy na obou stranách dosednou pevně do zápustek, proces tažení končí. (Obr. 2.17). Kapalina z nově vzniklé dutiny se

- 33 -

odvede a výrobek je hotový.

Obr. 2.17- Základní princip metody tváření dvou plechů. [18,22]

Tento proces přes své výhody má i některé nedostatky. Zvýšené nároky jsou kladeny na hloubku jednotlivých zápustek. Je-li jedna z nic hlubší, může nastat situace, při které je okraj se svarem vtažen do vnitřku komory a dochází ke vzniku prasklin. V mělčí zápustce může dojít ke vzniku

ostrých

přehybů

(Obr. 2.18). Z těchto důvodů je třeba

hloubky

Obr. 2.18-Přehyby. [18]

jednotlivých

zápustek volit pouze s malým rozdílem, max. do 15 % [18].

2.2.4.2 Nástroje a stroje pro tváření dvou plechů metodou Hydroforming [18,22] Klasický tažník, který se u metod předešlých až doposud vždy používal, je nahrazen kapalinou mezi plechy. Oproti tomu tažnice je zde tvořena vrchní a spodní zápustkou. Materiál pro jejich konstrukci by měl odolávat vyšším tlakům, které se uvnitř zápustky vyskytují. Jednotlivé zápustky se uchycují do pracovního prostoru lisu. Pro realizaci je potřeba stroj, který dokáže vyvinout dostatečný tlak na přitlačení zápustek. Takový tlak lze vyvíjet na jednočinných hydraulických lisech. Důležité je, aby byla zajištěna správná poloha plechu před přívodem kapaliny. Zařízení, na kterém je tento proces možné zrealizovat, musí být osazeno hydraulickým čerpadlem, které je schopno pod tlakem přivést dostatečné množství

- 34 -

kapaliny do prostoru mezi plechy a po skončení tažení kapalinu odvést do zásobní nádrže. Do prostoru mezi svařené plechy se kapalina přivádí buď přívodním trnem, který se vsune do předem připraveného otvoru, nebo je možné použít přívodovou jehlu, která se zavede mezi plechy. Takto vzniklé vtoky je nutné řádně utěsnit, aby nedocházelo k úniku tekutiny. Výhody a nevýhody metody tváření dvou plechů metodou Hydroforming jsou uvedeny v tab. 2.8. Tab. 2.8- Výhody a nevýhody tváření dvou plechů metodou Hydroforming.

Výhody §

Možná kombinace materiálu různé tloušťky různých vlastností.

§

Odpadá nutnost výroby tažníku.

§

Zdokonaluje proces Hydroformingu pro tváření trubek.

Nevýhody §

Je nutné konstruovat pevnou zápustku z kovu pro vršek a spodek nástroje.

§

Vyšší nároky na utěsnění

§

Hloubka jednotlivých zápustek se nesmí lišit více jak o 15%

3. Tváření vysokými parametry [1,6,7,19,21,23,24] Slovním spojením „vysoký parametr“ se rozumí zejména vysoké rychlosti tváření a vysoké frekvence mechanických kmitů. Vysokých rychlostí tváření se v technologii dosahuje zejména použitím výbuchu, výbojů a magnetických impulzů. Vysoké frekvenční parametry jsou realizovány především ultrazvukovým zařízením. Během tváření pomocí vysoké rychlosti dochází k těmto odlišnostem: Ø

Deformace se šíří místně od působiště síly ve vlnách.

Ø

Silně se uplatňuje účinek setrvačných sil.

Ø

Proces probíhá adiabaticky, deformační práce se přemění na teplo a zůstane v tvářeném materiálu.

Ø

Tvařitelnost u špatně tvařitelných materiálů se zvyšuje, při určitých rychlostech narůstá skokově.

Ø

Přibližně o jednu třetinu se snižuje koeficient tření.

Ø

Zrna se drobí intenzivněji.

Ø

Hotový výrobek po vyjmutí neodpružuje

Ø

Dochází k vysokému zpevnění povrchových vrstev dílu.

- 35 -

3.1 Tváření výbuchem [1,6,7,19,21,23,24] Pod slovem „výbuch“ si lidé představují ohlušující ránu, záblesk, stoupající dým a v neposlední řadě množství trosek v epicentru s tisíci úlomků v jeho okolí. Energie, kterou výbuch vyprodukuje, je obrovská, mnohdy až nepředstavitelná. Její účinky mohou být prospěšné, například při demolici starých objektů nebo při práci v dolech. Někdy však její síla může mít fatální následky, dojde-li k jejímu zneužití. Ačkoliv působí na první pohled nezvladatelně, její ovládnutí je možné. Důkazem toho je použití výbuchu v technologii tváření. Na rozdíl od konvenční technologie plošného tváření, tato zajímavá metoda je vhodná pro kusovou výrobu rozměrných dílů, vyráběných z materiálů různé tloušťky a pevnosti. Rozměr dílu tedy již není limitujícím faktorem, jak tomu bylo u klasických metod tváření. Používá se například pro výrobu den nádrží až o Ø 6 m, je však možné tvářet i plechy o rozměrech 1,5 x 7,2 m [5]. Jde také o jednu z nejlevnějších metod, protože při její realizaci není zapotřebí žádného drahého tvářecího stroje a nástroj je možné zhotovit z ocelí nebo např. železobetonu.

3.1.1 Princip metody tváření výbuchem

[1,6,7,19,21,23,24]

Pomocí výbuchového tváření lze tvářet i trubkové polotovary, ale především se tato metoda používá pro plošné tváření plechů. Lze ji využívat také pro spojování různých druhů kovů. Hlavním činitelem tažení pomocí výbuchu je trhavina a zápustka. Jedná se o tzv. „otevřený systém“, který využívá pouze malou část celkové energie trhaviny. V tab. 3.1 jsou uvedeny trhaviny používané pro plošné tváření plechů, jejich rychlosti a konzistence [11]. Tab. 3.1 Příklady tuzemských trhavin [19] Výbuchové teplo

Detonační rychlost

(kJkg-1)

(ms-1)

Perunit 20

4861

Ostravit EQ

konzistence

poznámka

5850

plastická

vodovzdorná

1369

2170

sypká

Není vodovzdorná

Formel 2

4316

6800

plastická

vodovzdorná

Pentrit

6169

8000

Sypká,bleskovice

Vodovzdorná(blesk.)

Semtex 60

3510

3950

-

-

Název trhaviny

- 36 -

Nálož se umístí nad plechem v předem definované vzdálenosti. Energie od výbuchu může být k plechu přivedena několika způsoby. Nejjednodušší je vedení prostřednictvím vzduchu, kdy po výbuchu trhaviny se rázová vlna šíří plynným prostředím. Tímto způsobem dochází ke značným ztrátám energie, proto je zapotřebí větší množství trhaviny. K zamezení ztrát energie výbuchu se někdy používá akustický reflektor (obr.3.1), který se umístí nad nálož a po výbuchu odrazí detonační vlnu zpět k tvářenému plechu. Dalším prostředím, ve kterém je možné úspěšněji a efektivněji šířit tlakovou

energii,

je

prostředí

kapalné. Kapalinou lze napustit vak, do něhož je vložena i výbušnina. Vak se umístí na plechový přístřih. Tento způsob je vhodný pouze pro zhotovení malého počtu výrobků. Je-li zapotřebí vyrobit díl ve

Obr. 3.1-Ukázka akustického reflektoru. [6]

větších počtech kusů, je výhodnější použít pro tváření vodní nádrž, do které se umístí zápustka, plech i výbušnina. Proces ve vodní nádrži je rychlejší, ale celkově dražší. Aplikuje se především při výrobě rozměrných dílů. Detonační vlnu lze nechat šířit i prostředím pevným, např. pískem. Šíření neprobíhá tak spolehlivě jako u kapaliny a je zapotřebí použít opět větší množství trhaviny. Bez rozdílu prostředí, jehož je pro tváření výbuchem použito, je zapotřebí zajistit dostatečný odvod vzduchu z dutiny zápustky, ležící pod plechem, aby došlo k celoplošnému přilnutí plechu k zápustce. Nejsnadněji se tento odvod zajišťuje, je-li zápustka umístěna ve volném prostředí. Stačí pouze na povrchu zápustky zhotovit otvor, kterým vzduch unikne. U vodní nádrže je nutné nejen zajistit odvod vzduchu z tvářecího prostoru, ale zároveň zamezit nežádoucímu vniknutí vody do prostoru zápustky. Používá se proto přídavná vývěva.

3.1.2 Nástroje a stroje pro tváření výbuchem [1,5,6,7,19,21,23,24] Klíčový význam pro tuto technologii má zápustka, představující tažnici. Investiční nároky, které si vyžádá její konstrukce nejsou zdaleka tak vysoké, jako u nástroje pro klasické tažení. Tažnici je možné zhotovit například z tepelně zušlechtěné oceli tam, kde se výroba menší součásti často opakuje během určitého

- 37 -

časového období. Stykem s vodou může ale dojít ke korozi povrchu zápustky, proto se její povrch potírá vrstvou maziva. Levnější alternativou

kovové

zápustky

může být např. slitina hliníku a zinku. Platí však, že tam, kde je potřeba zhotovit rozměrný díl, je výroba

zápustky

z

kovu

nehospodárná. Levnější je použití svařeného ocelového roštu, který se zalije betonem a vytvaruje do požadovaného

tvaru.

Není

Obr. 3.2- Ukázka výbuchového tváření za pomocí vaku s vodou. [6]

vyloučeno vyrobit zápustku na jedno použití např. z rychle tvrdnoucí sádry, směsi skelných vláken pryskyřice, písku a štěrku, uložených v jednotlivých vrstvách do ocelového kontejneru, raritou je použití zápustky z ledu. Zápustka musí být opatřena otvory pro odvod plynů, které se mohou otisknout do povrchu výrobku. Umísťují se proto do nepohledových míst nebo tam, kde je možné je později oddělit. Samotný plechový přístřih je možné volně položit na povrch tažnice, vhodnější je použít přídavného přidržovače, který obemkne plech po obvodu a reguluje tok materiálu při jeho deformování. Samotný přidržovač je nutné konstruovat s přihlédnutím k obrovské síle výbuchu tak, aby nedošlo k jeho porušení a bylo jej možné opětovně použít. Používá-li se pro přenos tlakové energie kapalina, umisťuje se běžně do vaku z polyetylénové fólie (Obr. 3.2). Tato koncepce je vhodná pro zhotovování menších dílů. Při tváření rozměrnějších dílů je zapotřebí větší množství vody, které by nebylo možné vzhledem k jeho váze ve vaku udržet. Nejčastěji používanou kapalinou je voda, zejména kvůli dostupností a nízké ceně, lze použít například i olej. Obecně platí, že čím je hustota kapaliny větší, tím dochází k lepšímu přenosu energie výbuchu. Oproti plynnému prostředí, výbuch ve vodě dokáže uspořit až 80 % energie. Nádrž (obr.3.3) pro výbuchové tváření musí být dostatečně pevná, aby odolala tlaku kapaliny i šíření tlakové vlny po výbuchu nálože. Nádrže se většinou používají dostatečně velké, aby se šířící rázová vlna zredukovala natolik, že nepoškodí jejich stěny. Problémem je hmotnost. Například použije-li se materiál o tloušťce 25 mm pro tvorbu nádrže poloměru 1,2 m a poté ten samý materiál pro nádrž o poloměru

- 38 -

Obr. 3.3-Výbuchové tváření v nádrži s vodou. [6,7]

12 m, po odpalu 0,5 kg TNT v obou, napětí vyvolané výbuchem, které působí na stěny větší nádrže je o 26 % nižší [7]. Váha větší nádrže je desetinásobně větší. Aby odpadla nutnost konstrukce velkých a těžkých nádrží, používají se na snížení tlaku rázových vln nafukovací hadice nebo vzduchové bubliny (Obr. 3.4). Pryžová hadice naplněná vzduchem se spirálově namotá podél stěn uvnitř nádrže. Vytvoří tak polštář, který dokáže zredukovat napětí až o 83 %. Tento způsob ochrany se však více hodí pro nádrže menších rozměrů, protože je obtížné udržet velké množství namotané hadice na místě a také kontrola a výměna v případě poškození je značně obtížná. Hadice musí být naplněna pouze malým množstvím vzduchu, protože jinak ztrácí schopnost redukce napětí a umožní přenos tlakové vlny. Jiný způsob ochrany nádrže spočívá v pokrytí stěn vzduchovými bublinami. Tato varianta je efektivní a zároveň je levná. Vzduchové vedení, které zajišťuje

Obr. 3.4- Ochrana stěny nádrže pomocí nafouknuté pryžové hadice. A)po nárazu tlakové vlny, B )za klidu. [7]

- 39 -

přísun bublin, je zabudováno ve dnu nádrže. Při zkouškách, kdy bylo použito na nádrž o poloměru 2,4 m materiálu tloušťce 12,5 mm , po odpálení 0,5 kg TNT stěny nádrže i bublinová záclona nejevily žádné známky porušení [7]. Důležitá je i ochrana dna nádrže. Pro jeho konstrukci se používají materiály větší tloušťky než na stěny. Nádrž je nutné umístit na dostatečně pevnou základnu, která může být z kamene, železobetonu přikrytého ocelovým plechem, je možné mezi ně i vložit například desku z pryže nebo piliny. Pro ochranu dna je možné opět použít nafukovací hadici, která se umístí mezi dno nádrže a základnu. Pro spojení dna a stěn nádrže se v minulosti používala technologie sváření, spoje však nebyly dostatečně odolné a docházelo často k jejich porušení. Větších úspěchů bylo dosaženo spojením dvou částí pomocí plastového těsnění, které je snadno opravitelné. Při použití výbuchového tváření ve vodní nádrži (Obr. 3.5) je nutné vodu po každé explozi trhaviny přefiltrovat, aby se z ní odstranily různé úlomky a zbytky trhaviny. Jejich přítomnost může poškodit povrch výrobku. Zbytky výbušniny ve vodě by se po nějaké době mohly nahromadit a následně znovu vybuchnout a zvětšit tak sílu použité nálože. Vodu je možné z nádrže vypustit a zbytky vyčistit nebo použít filtrační zařízení, pracující na podobném principu jako filtrace u plaveckého bazénu. Zbytková voda by se však nikdy neměla vypouštět přímo do kanalizace, protože by v ní opět zbytky trhaniny mohly způsobit

Obr.3.5- Tváření výbuchem ve vodní nádrži. [16]

vážné potíže. Nálož a příslušné prostředí, v němž se šíří tlaková vlna, plní funkci tažníku a plech přinutí dosednout na stěny tažnice (zápustky). Je nutné zvolit správné množství výbušniny a její druh i vzdálenost od plechu. Použije-li se písku, nálože jsou v něm zakryty, použije-li se kapaliny, je nutné nálož zavěsit, aby byla dodržena její vzdálenost. Obdobně se postupuje i v plynném prostředí. Pro iniciaci výbuchu nálože je potřeba trhavinu připojit k detonačnímu obvodu, napájenému baterií nebo zdrojem o napětí 110 V. Z bezpečnostních důvodů zařízení před odpalem sepne výstražné světlo a sirénu. Pro případ zkratů, které v obvodu mohou nastat, je osazen jističem, jenž chrání před nechtěným výbuchem. K odpálení je zapotřebí sepnout část obvodu klíčkem, což může učinit pouze kompetentní osoba.

- 40 -

Ač se tato metoda jeví na první pohled složitě, jde o jednu z nejjednodušších a nejhospodárnějších technologií. Jako jediná plošná metoda, nepoužívá žádný stroj, což výrazně snižuje cenu výroby. V tab. 3.1 jsou uvedeny výhody a nevýhody tváření výbuchem. Tab. 3.1-Výhody a nevýhody tváření za pomocí výbuchu.

Výhody §

Je vhodná pro zhotovení složitých tvarů.

§

Možnost tváření rozměrných dílů.

§

Používá nástroje vyrobené z levných materiálů.

§

Snižuje se počet tvářecích operací.

§

Nedochází k odpružení.

Nevýhody §

Mohou se použít pouze trhaviny.

§

Manipulace s částmi nástroje nebo díly je náročná.

§

Nutnost odvodu vzduchu ze zápustky.

§

Může dojít ke korozi povrchu dílu nebo nástroje kvůli přítomnosti vody.

§

Náročnost na bezpečnostní opatření.

3.2. Elektrohydraulické tváření [1,7,19,21,23,24] Metoda elektrohydraulického tváření se podobá metodě tváření výbuchem zejména v konstrukci nástroje. Je zde i podoba s metodou elektromagnetického tváření, kde se rovněž používá energie nahromaděná v kondenzátorech. Elektrohydraulické tváření je rychlejší a bezpečnější než tváření výbuchem, levnější než elektromagnetické tváření, neboť odpadá potřeba drahé cívky.

3.2.1.Princip elektrohydraulického tváření [1,7,19,21,23,24] Základní princip spočívá v šíření tlakové vlny přes médium, kterým bývá voda, glycerin nebo olej. Vznik tlakové vlny v kapalině je vyvolán vybitím elektrické energie přes jiskrový výboj. Výboj vzniká přes jiskřiště za pomocí svíčky a nebo přes odpařující se drátek. Do každé nádrže pro elektrohydraulické tváření jsou přivedeny elektrody s regulovatelnou vzdáleností, jsou připojeny k základnímu elektrickému obvodu,

- 41 -

který se skládá z deskového kondenzátoru, vypínače a zdroje elektrické energie (Obr. 3.6).

Obr. 3.6- Nástroj pro elektrohydraulické tváření. [1,23]

. Nejprve dochází k nabíjení kondenzátoru, poté je celý proces spuštěn pomocí vypínače, elektrická energie se dostane do elektrod, kde případně dojde k okamžitému odpaření drátku. Vytváří se plasmové řečiště, které umožní průchod jiskry. Elektrická energie se mění na tlak, teplo a záření. Důsledkem je vznik tlakové vlny, která vtlačí plech do zápustky. Dojde-li ke zvýšení napětí ze 4500 V na 20 000 V, není již zapotřebí pro vznik jiskrového výboje přítomnost drátku, ale stačí pouze elektrody. Jedná se opět o tváření probíhající za zvýšené rychlosti, kdy maximálního tlaku 105 MPa je dosaženo za velmi krátký čas 10-6 s.

3.2.2. Nástroje a stroje pro elektorohydraulické tváření [1,7,19,21,23,24] Uskutečnit elektrohydraulické tváření je možné jednak bez použití výrobního stroje, podobně jako u tváření výbuchem, existují ale i speciální stroje, které jsou určeny pouze pro tuto metodu (Obr. 3.7). Nástroj pro elektrohydraulické tváření vychází ze stejných principů jako nástroje pro metodu tváření výbuchem. Používají se stejné nádrže i stejné materiály pro výrobu zápustek. Rozdíl je pouze v prostředcích pro buzení tlakové vlny. Slabý drátek používaný pro realizaci jiskrového výboje je nejčastěji zhotoven z hliníku a nebo hořčíku. Jestliže dojde k jeho odpaření, páry zajistí zvýšení

- 42 -

expanzního tlaku. V případě, že je tento drátek použit, je nutné jej do zařízení před každou následující operací znovu vložit. Používání drátku je výhodné, protože zvyšuje účinnost výboje, naopak hodnota potřebného napětí je menší. Drátkem lze také tlakovou vlnu nasměrovat do požadovaných míst. Základní výhody a nevýhody jsou shrnuty v tab. 3.2.

Obr. 3.7 Speciální stroj určený pro elektrohydraulické tváření. [23]

Tab. 3.2- Výhody a nevýhody elektrohydraulického tváření.

Výhody §

Je rychlejší a bezpečnější než tváření výbuchem.

§

Lze použít levný materiál pro výrobu zápustky.

§

Není zapotřebí žádný tvářecí stroj.

Nevýhody §

Někdy je nutné opakovaně vkládat drátky mezi elektrody.

§

Nutnost odvodu vzduchu ze zápustky.

§

Může dojít ke korozi povrchu dílu nebo nástroje kvůli přítomnosti vody.

3.3. Elektromagnetické tváření [1,7,19,20,21,23,24] Základy této metody byly položeny v USA v roce 1958. Jde o technologii, kterou je možné využít pro spojování materiálů, rozšiřování a zužování trubek a pro

- 43 -

plošné tváření plechů. Jedná se o proces, který lze snadno ovládat. Je přesný a rychlý. Po skončení tváření na materiálu nezůstávají žádné stopy po nástroji a nedochází ani k tepelnému ovlivnění. Největší nevýhodou metody je, že se dá aplikovat pouze na feromagnetické kovy jako je měď, slitiny hliníku, nízkouhlíkové ocele, mosaz nebo molybden. Ostatní méně vodivé kovy se metodou dají tvářet také, avšak pouze dojde-li ke zvýšení energie a nebo použití speciálního vodivého příslušenství, jež nevodivý kov vytvaruje. V následujících odstavcích je rozebrána technologie elektromagnetického tváření plechů.

3.3.1. Princip metody elektromagnetického tváření [1,7,19,20 ,21,23,24]

Elektromagnetické tváření je bezkontaktní technologie, která používá poměrně vysokých tlaků. Pro tuto technologii je třeba pět následujících náležitostí: Ø

zdroje elektrické energie

Ø

soustavy kondenzátorů

Ø

přepínače

Ø

pracovní spirály

Ø vodivého plechu, který bude tvářen Nejprve musí dojít k nabití samotného kondenzátoru vysokým napětím, které dosahuje hodnot mezi 3000 – 30 000 V. Do kondezátoru se tak uloží velké množství energie, dosahující hodnot od 5 do 200 kJ. Jestliže je kondenzátor nabit, dochází k přepnutí obvodů přes nízkonapěťový vypínač. Vysoký proud je vpuštěn do spirálové cívky a kondenzátor se vybíjí. Proud dosahuje hodnot od 104 až do 106 A. Čas potřebný k dosažení maximálního proudu se pohybuje v řádech mikrosekund. Hodnoty času jsou malé a tím se zabrání zbytečné ztrátě energie zahříváním součásti. V okolí cívky se vytvoří silné chvilkové magnetické pole, které indukuje proud a zároveň magnetické pole opačné polarity ve tvářeném materiálu. Mezi cívkou a tvářeným materiálem působí odporové síly, které mají snahu obě části od sebe oddalovat. Tyto síly jsou natolik velké, že dokáží tvářený materiál natlačit na povrch tažníku nebo zápustky a přetvarovat ho do požadovaného tvaru. Síly působící na plochy vyvolají tlaky, nabývající hodnot ve zvláštních případech až 1000 MPa, obvykle však hodnot okolo 340 MPa [7]. Tváření probíhá opět za zvýšené rychlosti deformace, přesahující 100 m.s-1. Proces probíhá

- 44 -

velmi rychle a časově nejnáročnější je vyjmutí výtažku a vkládání přístřihu. Nástroje pro tuto metodu se dají automatizovat i tak, že je možné proces opakovat i ve stovkách kusů za minutu. Důležité je zajistit, aby střídavý proud, který budí magnetické pole, měl vysokou frekvenci. Pokud tomu tak není, k tváření nedochází. Budící frekvence je závislá na charakteristikách obvodu, který by měl mít jak malou kapacitanci tak zároveň i induktanci. Jestliže materiál má horší vodivost, je zapotřebí vyšší budící frekvence, která umožní tváření. Zvýšením budící frekvence lze například tvářet uhlíkovou ocel. Naopak materiály jako titan nebo austenitické oceli jsou klasickým elektromagnetickým způsobem prakticky netvařitelné. Jediná možnost jak tyto materiály přetvořit, je tvářet je za pomocí vodivých materiálů tak, že se blíže k zápustce umístí plech z titanu a na něj plech z vodivého materiálu. Odpudivé síly pak přetvoří oba plechy. Protože se jedná o technologii bezkontaktní, je možné tváření podrobit i polotovary, které mají zvláštní úpravu povrchů, např. eloxová vrstva nebo různé druhy pokovování. Technologie ovšem nezanechá stopy ani na povrchu broušeném nebo leštěném. Odpadá také potřeba maziv.

3.3.2. Nástroje a stroje pro elektromagnetické tváření

[1,7,19,20

,21,23,24]

Nástroj se opět skládá ze dvou hlavních částí, tažnice a tažníku. Podoba tažnice je odlišná

od

konvenční

technologie tažení. U tváření elektromagnetického

pro

plechy je tvořena spirálovou cívkou (Obr. 3.8), která je připojena

k

základnímu

elektrickému obvodu. Aby se zvýšila účinnost cívky, přidává

Obr. 3.8- Nástroj pro elektromagnetické tváření. [20]

se před ní jádro. Oblast, v níž se bude materiál tvářet, bude stejně rozměrná jako cívka. Materiál ležící mimo magnetické pole zůstane nezměněn. Vzdálenost mezi cívkou a plechem by měla dosahovat 1,3 mm [7], při tváření tvarově různorodých

- 45 -

dílů tato vzdálenost nemůže být nutně dodržena. Platí však, že tvářecí tlak se mění se čtvrtou mocninou vzdálenosti od zdroje, proto by tato vzdálenost měla být co nejmenší. Cívku s jádrem je nutné nehybně uchytit, aby nedocházelo k její deformaci. Obvykle se spirálové cívky navrhují tak, aby jejich životnost přesáhla několik milionů operací. Samotné jádro cívky je většinou speciálně předtvarované zvlášť pro každou součást. Vyrobeno je z beryliové mědi a často je nutné ho ochlazovat, protože směrem k plechu se rychle ohřívá. V praxi se lze setkat s přídavným vzduchovým

Obr.3.9 Tažný nástroj pro lis. [21]

nebo kapalinovým chlazením. Jádro zefektivní celý proces elektromagnetického tváření, je však možné tvářet touto metodou i bez jeho použití. Tažník je zcela shodný s metodou klasického tažení. Protože vrchní část je tvořena spirálovou tažnicí, jedná se o proces, u kterého je nutné měnit pouze jednu část nástroje, pokud je zapotřebí vyrábět tvarově odlišný díl. Protože nedochází k těsnému kontaktu mezi oběma částmi nástroje, není zapotřebí žádného speciálního přednastavení v případě, že se bude tvářet plech odlišné tloušťky. Samotný nástroj pro elektromagnetické tváření je možné zároveň považovat za speciální stroj. Je možné se setkat s použitím této technologie i na hydraulických lisech, kde je vodivá cívka integrovaná do povrchu tažníku nebo tažnice. Jednotlivé části nástroje na sebe nedosedají. Dochází pouze k částečnému předtvarování plechu za pomoci lisu. O konečné dotvarování se postará elektromagnetické tváření, které donutí materiál vniknout i do dutin nástroje (obr. 3.9). Metoda pracuje s vysokými napětími a proudy, které jsou dostatečně velké na to, aby usmrtily člověka. Nutné je tedy opatřit celé zařízení ochranou klecí, která oddělí pracovní prostor stroje a nedovolí vniknutí nepovolané osoby. Naprosto nepřípustná je ruční manipulace s výtažky. Výhody a nevýhody pro elektromagnetické tváření jsou shrnuty v tab.3.3.

- 46 -

Tab. 3.3 - Výhody a nevýhody elektromagnetického tváření.

Výhody §

Nedochází ke kontaktu s povrchem dílu.

§

Tváření probíhá velmi rychle.

§

Odpadá potřeba maziv.

Nevýhody §

Pouze pro feromagnetické kovy.

§

Vysoké napětí je nebezpečné pro obsluhu (nutnost klece pro stroj).

3.4. Tváření pomocí ultrazvuku [1,5,19] Ultrazvuková zařízení nalezla uplatnění v mnoha různých oborech. Ve strojírenství se používají ke sváření, čištění nebo obrábění, významná je jejich role i v technologii tváření. Základy tváření pomocí ultrazvuku byly položeny ve 40. letech 20. století, další vývoj probíhal ještě několik desítek let než se v 60. letech metoda uplatnila i ve výrobě. V oblasti objemového tváření ultrazvuk napomáhá pří protlačování, dá se však uplatnit i v plošné technologii tažení.

3.4.1. Princip metody tváření ultrazvukem [1,5,19] Podstata této metody je obdobná jako u klasické technologie hlubokého tažení. Jde o to, že tažník zatlačuje plech do tažnice a během tohoto pohybu dochází ke změně tvaru plechu v prostorový výtažek. Použije-li se při této technologii ultrazvuk, proces probíhá opticky stejně. Jeho účinek je okem nepozorovatelný a do jisté míry podobný účinkům, které vznikají zvýšením teploty. Ovlivňuje deformační odpor materiálu a jeho plasticitu. Na velikost deformačního odporu má zejména vliv hustota ultrazvukové energie, druh materiálu, druh ultrazvukové soustavy a schéma ozvučení. Obecně platí, že deformační odpor je tím menší, čím větší je hustota ultrazvukové energie a ve výsledku se to projeví vyšším zpevněním materiálu. Pravidlo však platí do tzv.prahové hodnoty. Jevy probíhající uvnitř materiálu pod vlivem ultrazvuku jsou složité a jsou popisovány různě. Probíhající děj si lze zjednodušeně vysvětlit chováním částic

- 47 -

uvnitř materiálu. Při působení ultrazvuku jsou atomy vychylovány z jejich rovnovážných poloh. Vychylování umožňuje dislokacím snadněji se pohybovat. Na styčných plochách se účinky ultrazvuku projeví zejména snížením kontaktního tření. Celková deformace materiálu pak probíhá rovnoměrněji. Platí však, že při jednoosé napjatosti usnadňují ultrazvukové vibrace vznik trhliny, její šíření a snižuje se plasticita. Naopak při kombinaci napětí tlakového a tahového, zejména při nasazení ultrazvuku v hlubokém tažení, dochází naopak ke zlepšení plasticity. Ultrazvukové vlny usnadňují celý proces tváření na úkor vysoké energetické náročnosti. Mnohdy energie, která je zapotřebí pro jejich vyvolání, je vyšší než energie uspořená při tváření materiálu. Nelze tedy technologii doporučit pro tváření běžných materiálů. Výhodnější je použít tuto metodu pro tváření materiálů s horší tvařitelností.

3.4.2. Nástroje a stroje pro tváření ultrazvukem [1,5,19] Aby vůbec bylo možné ultrazvukové vlny převést na potřebná místa, je nutné tomu přizpůsobit i nástroj (Obr. 3.10), který musí být opatřen rezonátorem. Je-li rezonátor připevněn zároveň k tažníku a tažnici, je tato koncepce nazývána „uzavřenou“ soustavou. Jestliže je napojena pouze jedna část nástroje, jedná se o soustavu „otevřenou“. Konstrukce nástroje závisí na směru kmitání (podélný, příčný, radiální, torsní), na schématu ozvučení, tedy na tom, jestli se nástroj nachází v kmitně nebo uzlu výchylky. Velkou roli hraje i správná volba materiálu pro výrobu nástroje. Z hlediska akustického v něm nesmí docházet ke ztrátám a musí být odolný proti únavě. Z technologického hlediska musí být dostatečně pevný s dobrou otěruvzdorností. Pro tváření běžných materiálů poměrně dobře splňují uvedené podmínky tepelně zpracované a tvrdě chromované nástrojové oceli. Jako materiál

Obr. 3.10-Nástroj pro ultrazvukové hluboké tažení. [19]

- 48 -

pro výrobu se dá použít i titan, který má výborné akustické, ale horší třecí vlastnosti, nebo se používají i slinuté karbidy, které mají horší akustické vlastnosti. K

přenosu

mechanických

kmitů

od

měniče

do

rezonátoru dochází

prostřednictvím vlnovodu. Směr mechanických kmitů je ovlivnitelný přítomností transformátoru, dochází ke změnám z podélných kmitů na příčné nebo radiální. Pro realizaci metody se stejně tak jako u konvenčního hlubokého tažení používají hydraulické lisy. Je však nevyhnutelné stroj izolovat od ultrazvukové soustavy. K vyvolání ultrazvukových vln se používá zvláštní zařízení, skládající se z ultrazvukového zdroje a ultrazvukové přenosové soustavy. Ultrazvukový zdroj se skládá z generátoru a měniče. Jeho základní úlohou je změna kmitočtu síťového napětí na vysokofrekvenční. Úlohou měniče je změna elektrického kmitání na mechanické. Ve spojení s tranzistorovými generátory se používají zásadně měniče piezokeramické. Pro zvětšení výkonu celé soustavy je možné jednotlivé generátory a měniče skládat. Samotné zvyšování výkonu však nelze provádět neomezeně. Výkony dosahující desítky kW jsou špatně technicky realizovatelné a navíc toto zvýšení je finančně náročné. V tab. 3.4 jsou uvedeny výhody a nevýhody pro ultrazvukové tváření. Tab. 3.4-Výhody a nevýhody pro tváření ultrazvukem.

Výhody §

Příznivý vliv na průběh tváření (pokles deformačního odporu, zvýšení plasticity).

§

Následkem ultrazvukového tváření materiály dosahují vyššího zpevnění než u klasických metod.

Nevýhody §

Vytvoření ultrazvukových vln je značně energeticky náročné.

§

Vhodné je metodu uplatnit pouze při tváření obtížně tvařitelných materiálů.

§

Má špatný vliv na výrobní stroje.

4. Závěr Nekonvenčních metod plošného tváření je známo velké množství. Pozornost v této práci byla věnována těm, s nimiž se můžeme setkat především při tažení plechů. Nekonvenční metody plošného tváření se vyvinuly jednak z metod konvenčních tak, že se v technologii hlubokého tažení začaly používat nové

- 49 -

materiály pro tvorbu činné části nástroje. Další speciální technologie při tváření nově využívají efektu procesů, které byly vyvíjeny původně pro jiné praktické účely. Jde např. o využití účinku a energie šíření tlakové vlny, působení elektromagnetického pole nebo vysokofrekvenčního akustického vlnění. Mezi hlavní materiály používané pro tvorbu nástroje patří pryž. Její vlastnosti umožnily vznik základních technologií Guerin a Marform, jež dovolují zhotovit díly, které by klasickým tažením byly nerealizovatelné. Tento jejich přínos však nemůže zcela zastřít podstatnou nevýhodu metod, používajících pryž jako tlakové médium. Tou je rychlé opotřebení pryže a nutnost její poměrně časté obměny. Tento nedostatek brání využití uvedených metod v automobilovém průmyslu a jiných velkosériových výrobách, protože znamená v konečném důsledku růst výrobních nákladů. Používají se v leteckém průmyslu, a to pouze v malém měřítku. Budoucnost technologií Guerin a Marform je poměrně nejistá. Jestliže se podaří nahradit klasickou pryž materiály schopnými regenerace, je možné, že neupadne v zapomnění. V opačném případě z ekonomických důvodů dostane přednost klasické tažení nebo například technologie používající kapalinu. Skupina nekonvenčních technologií používající kapalinu místo části nástroje je perspektivnější. Nabízí výhody, pro které se již dnes používají v automobilovém průmyslu. Tváření kapalinou umožňuje zhotovit tvarově velmi náročné díly. Zejména kvůli vyšším nárokům na atraktivní design automobilů bude často dávána přednost právě těmto metodám před klasickým tažení. Technologie tváření pomocí výbuchu byla, je a bude nadále používána pro tváření velkoplošných výtažků z obtížně tvařitelných materiálů. Jedná se o technologii nenáročnou na konstrukci nástroje, na druhou stranu klade vyšší nároky na přípravu, manipulaci s výtažky, jakož i zajištění bezpečnosti při práci. Pravděpodobně tato metoda bude využívána nadále ojediněle pro zhotovování výrobků pouze v počtu několika málo kusů. Další vývoj této technologie bude zřejmě směřovat k efektivnějšímu využití a přenosu celkové energie vyprodukované trhavinou. V případech, kdy bude zapotřebí vyrobit větší množství kusů menších rozměrů, bude výhodnější použít elektrohydraulické tváření, které nevyžaduje tak velké přípravné časy. Širší využití metody elektromagnetického tváření může v budoucnu nejvíce brzdit rostoucí cena elektrické energie. Jinak tato technologie skýtá bohaté možnosti praktického využití. Automatizace výrobního procesu může tuto metodu zefektivnit a zvýhodnit oproti klasickým metodám tváření. Je možné, že některé z těch metod, jimž je tato práce věnována, časem nebudou vůbec prakticky využívány a zůstanou o nich pouze zmínky v literatuře.

- 50 -

Některým však určitě na významu přidá vědeckotechnický rozvoj, pokud pomůže překonat jejich nedostatky. Např. budou-li odstraněny překážky související s opakovatelností procesů nebo podaří-li se vyvinout materiály na výrobu nepevných nástrojů, které bude možné scelit a regenerovat. Velkým úkolem v této souvislosti je hledat řešení, umožňující efektivnější nakládání s energiemi ve speciálních technologiích používanými i jimi produkovanými. V každém případě existence těchto metod prokazuje neustálý vývoj technologie tváření, její rozmanitost a nesporně také technologickou zajímavost.

- 51 -

Seznam literatury [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]

BLAŠČÍK, F. a kol.Technológia tvárnenia, zlievárenstva a zvárania, 1. vydání. Bratislava: Alfa, 1988. LENFELD, P.Technologie II.-1.část (Tváření kovů)-2.část (Zpracování plastů). Skripta.1. vydání. Liberec:TUL 2005. ISBN 80-7372-020-5 HRIVŇÁK, A., PODOLSKÝ, M.,DOMAZETOVIČ, V. Teória tvárnenia a nástroje. Bratislava Alfa, 1992. PROCHÁZKA, J.,ZAHRADÍK, M.,NĚMEC, M.,NOVOTNÝ, J. Technologie slévání, tváření a svařování. Skripta. 1. vydání Praha: ČVUT, 1982 JÍLEK, L. Hutnické aktuality-Speciální tvářecí postupy.Dobrá u Frýdku Místku Výzkumný ústav hutnictví železa informetal 1990 PÁSEK, V. a kol. Pokrokové metody tváření. 1. výdání. Praha: SNTL, 1964 DAVIS, J. Metals Handbook, Vol.14. Forming and Forging, ASM Handbook, 1988, ISBN 0-87170-007-7(v.1). JOHNSON, V.,H. Manufacturing Processes.2. edition. Illinois,USA: GLENCOE, 1984, ISBN 0-02-664990-X Society of Manufacturing Engineers (SME). Die Design Handbook, 3. edition. SME USA, 1990,ISBN 0-87263-375-6 LASCOE, O. D.Handbook of Fabrication Processes. 5. edition.USA: ASM international, 1998, ISBN-0-87170-302-5 Patentní spis č.89761 a [online].[29.4.2010]. Dostupný z WWW: Triform sheet hydraulic hydroforming press specifications [online].[29.4.2010]. Dostupný z WWW: Products [online].[14.4.2010]. Dostupný z WWW:< http://www.avure.com> Efficient, low-volume Verson Wheelon hydraulic fluid cell preses online].[14.4.2010]. Dostupný z WWW:< http://www.verson.com/wheelon.htm > Sectors and products, aerosapce aircraft [online].[25.3.2010]. Dostupný z WWW:< http://www.loiresafe.com> Explosively formed hull of an ocean viewer vesel [online].[28.4.2010]. Dostupný z WWW:< http://www.twi.co.uk> SCHULER COMPANY. Metal Forming Handbook. Germany: Springer, 1998, ISBN 3-540-61185-1 Introducing to the hydroforming processes [online].[30.3.2010]. Dostupný z WWW: PETRUŽELKA, J. Nekonvenční metody tváření. Skripta VŠB- Technická univerzita Ostrava, 2007. Tailor, L. Metals Handbook Forming vol. 4. 8th Edition: Ohio USA: ASM International, 1969 Daehn, G.S. Sheet Forming Handbook vol. 14B. Ohio USA: ASM International, 2006. SINGH, H. Fundamentals of Hydroforming. Society of Manufacturing Engineers, USA, 2003. ISBN 0-87263-662-3 BENEDICT, G. F. Nontraditional Manufacturing Processes, USA, 1987. ISBN 0-8247-7352-7 GOWRI, S., HARIHARAN, P., SURESH BABU, A. Manufacturing Technology-I, India 2008. ISBN 81-317-1023-8

- 52 -

Prohlášení Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č.121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 - školní dílo. Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL. Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše. Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

Datum: 28. května 2010

……………………………

Ondřej Šorf

- 53 -

Declaration I have been notified of the fact that Copyright Act No. 121/2000 Coll. applies to my thesis in full, in particular Section 60, School Work. I am fully aware that the Technical University of Liberec is not interfering in my copyright by using my thesis for the internal purposes of TUL. If I use my thesis or grant a licence for its use, I am aware of the fact that I must inform TUL of this fact; in this case TUL has the right to seek that I pay the expenses invested in the creation of my thesis to the full amount. I compiled the thesis on my own with the use of the acknowledged sources and on the basis of consultation with the head of the thesis and a consultant.

Date: 28. May 2010

……………………………

Ondřej Šorf

- 54 -