VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY
VÝROBA OPĚRY OBJEMOVÝM TVÁŘENÍM PRODUCTION OF SUPPORT BY SOLID FORMING
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS
AUTOR PRÁCE
Bc. FRANTIŠEK PFEIFER
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2009
Ing. MILOSLAV KOPŘIVA
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 4
ABSTRAKT PFEIFER František: Výroba opěry objemovým tvářením. Závěrečný projekt magisterského studia, 5. roč., ak.rok. 2008/2009, FSI VUT v Brně, ústav strojírenské technologie, odbor obrábění, květen 2009, str. 94, obr. 37, tab. 3 a 13 příloh. Závěrečný projekt vypracovaný v rámci magisterského studia předkládá návrh výroby součásti opěra z oceli 12 010. Polotovar je tyč Ø130 – 251 ČSN 42 5510. Roční produkce 95 000 ks. Na základě studie technologií výroby je navržena technologie výroby zápustkovým kováním na svislém kovacím lisu LMZ 6500B (firmy Šmeral Brno a.s.) se jmenovitou tvářecí silou 65 MN., s ostřižením výronku a blány na ostřihovacím lisu, který dosahuje jmenovité tvářecí síly 8 MN. Pro tuto variantu jsou provedeny potřebné technologické výpočty, návrh geometrie zápustky, výběr potřebných strojů a simulace tvářecího procesu pomocí softwaru QFORM. Klíčová slova Opěra, zápustkové kování, výkovek, zápustka, svislý kovací lis.
ABSTRACT PFEIFER František: Production of support by solid forming. A Graduation Thesis of Master´s Studies, the 5th Year of Study, the School-year 2008/2009, FSI VUT Brno, Department of Machining, May 2009, Pages No. 94, Pictures No. 37, Tables No. 3, Appendixes No. 13. The Graduation Thesis, elaborated in the framework of engineering studies, presents the production technology of support component from steel ČSN 12 010. A material is a rod of the Ø130 – 251 ČSN 42 5510. A yearly production is 95 000 pieces. Based on the studies of possible production technologies was proposed the technology of production by the vertical forging press LMZ 6500B (Šmeral Brno a. s.) with a nominal forming power of 65 MN, flash and pellicle trimming on a trimming press with a nominal power of 8 MN. For this option, the required technological calculations, the design of the die, the specification of production machines and a simulation forming process which is made in the software QFORM have been carried out. Key words Support, die forging, forging, die, vertical forging press.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE PFEIFER, František. Výroba opěry objemovým tvářením. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 94 s., 13 příloh. Ing. Miloslav Kopřiva.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 5
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Výroba opěry objemovým tvářením vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.
V Brně dne 18.05.2009
………………………………….
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 6
Poděkování Tímto děkuji panu Ing. Miloslavu Kopřivovi za poskytnutí potřebným materiálů, cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 7
OBSAH Abstrakt ............................................................................................................. 4 Prohlášení ......................................................................................................... 5 Poděkování ....................................................................................................... 6 Obsah ............................................................................................................... 7 1 Úvod ........................................................................................................... 10 1.1 Historie technologie tváření .................................................................. 10 1.2 Definice kování a popis ........................................................................ 11 1.3 Plastická deformace kovů..................................................................... 12 2 Literární studie ............................................................................................ 13 2.1 Základní charakteristika výkovků.......................................................... 13 2.2 Volné kování......................................................................................... 13 2.3 Zápustkové kování ............................................................................... 14 2.4 Kovací úkosy ........................................................................................ 15 2.5 Zaoblení hran ....................................................................................... 15 2.6 Přídavky ............................................................................................... 15 2.6.1 Technologické přídavky ................................................................. 16 2.6.2 Přídavky na obrábění ..................................................................... 17 2.7 Úchylky rozměrů a tvarů ....................................................................... 17 2.8 Dělicí rovina.......................................................................................... 18 2.9 Výronková drážka a určení jejích rozměrů ........................................... 19 2.9.1 Výronková drážka pro zápustkové kování na bucharu ................... 19 2.9.2 Výronková drážka pro zápustkové kování na lisu .......................... 20 2.10 Ideální předkovek ................................................................................. 22 2.11 Dělení přípravných dutin....................................................................... 25 2.12 Rozměry zápustek ................................................................................ 25 2.13 Kovací lis versus buchar....................................................................... 27 2.14 Určení velikosti bucharu ....................................................................... 28 2.15 Určení velikosti lisu ............................................................................... 29 2.16 Vyhazovače .......................................................................................... 29 2.17 Upínání zápustek ................................................................................. 30 2.18 Materiál zápustek ................................................................................. 31 2.19 Třídění výkovků do tříd ......................................................................... 33 2.20 Tepelné zpracování zápustek............................................................... 33 2.21 Vložkování zápustek ............................................................................ 34 2.22 Péče o zápustky ................................................................................... 34 2.23 Maziva .................................................................................................. 36 2.24 Úprava výkovků po kování ................................................................... 38 2.24.1 Ostřihování a děrování výkovků ..................................................... 38 2.24.2 Rovnání a kalibrování výkovků ...................................................... 39 2.24.3 Čištění výkovků .............................................................................. 40 2.24.4 Tepelné zpracování výkovků.......................................................... 40 2.25 Ohřev pro kování .................................................................................. 41 2.25.1 Tvářecí teploty ............................................................................... 42 2.25.2 Zásady pro stanovení tepelných podmínek pro kování ocelí ......... 42 2.25.3 Doba ohřevu .................................................................................. 43 2.25.4 Rychlost ohřevu ............................................................................. 44
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 8
2.26 Průvodní jevy ohřevu ............................................................................ 44 2.26.1 Opal ............................................................................................... 44 2.26.2 Oduhličení ...................................................................................... 45 2.26.3 Přehřátí a spálení ........................................................................... 45 2.27 Smrštění ............................................................................................... 46 2.28 Předehřev zápustek ............................................................................. 46 2.29 Ohřívací zařízení .................................................................................. 47 2.30 Dělení výchozího materiálu .................................................................. 48 2.30.1 Řezání............................................................................................ 48 2.30.2 Stříhání .......................................................................................... 49 2.30.3 Lámání ........................................................................................... 50 2.31 Simulace............................................................................................... 50 3 Stávající možnosti výroby ........................................................................... 52 3.1 Třískové obrábění ................................................................................ 52 3.2 Odlévání ............................................................................................... 52 3.3 Objemové tváření ................................................................................. 53 3.4 Návrh technologie výroby ..................................................................... 53 4 Technologický postup zápustkového kování .............................................. 55 4.1 Výkres výkovku .................................................................................... 55 4.1.1 Zařazení výkovku podle složitosti tvaru.......................................... 55 4.1.2 Stupeň přesnosti pro obvyklé provedení ........................................ 56 4.1.3 Mezní úchylky a tolerance rozměrů ............................................... 56 4.1.4 Dovolené přesazení, otřep, sestřižení, jehla a průhyb ................... 56 4.2 Materiál výkovku – ocel 12 010 ............................................................ 56 4.3 Volba kovací teploty ............................................................................. 57 4.4 Tvářecí síly ........................................................................................... 57 4.4.1 Výpočet tvářecí síly ........................................................................ 57 4.4.2 Stanovení tvářecí síly ..................................................................... 58 4.5 Volba lisu .............................................................................................. 58 4.6 Výchozí polotovar ................................................................................. 59 4.6.1 Určení objemu výkovku .................................................................. 59 4.6.2 Určení tvaru, rozměrů a objemu výronkové drážky ........................ 60 4.6.3 Určení tvaru, rozměrů a objemu blány ........................................... 60 4.6.4 Určení objemu přídavku na propal ................................................. 61 4.6.5 Celkový objem polotovaru .............................................................. 62 4.7 Volba polotovaru .................................................................................. 62 4.8 Volba způsobu dělení materiálu ........................................................... 64 4.9 Určení počtu operací ............................................................................ 64 4.10 Výpočet střižné síly .............................................................................. 66 4.11 Volba ostřihovacího lisu ....................................................................... 67 5 Simulace ..................................................................................................... 68 5.1 Mřížka rastru ........................................................................................ 68 5.2 Vektor rychlosti ..................................................................................... 69 5.3 Teplota ................................................................................................. 70 5.4 Efektivní přetvoření .............................................................................. 71 5.5 Přetvárný odpor .................................................................................... 72 6 Ekonomické zhodnocení ............................................................................. 73 6.1 Přímé náklady ...................................................................................... 73 6.1.1 Náklady na materiál: ...................................................................... 73
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 9
6.1.2 Náklady na mzdy ........................................................................... 74 6.1.3 Náklady na provoz strojního vybavení ........................................... 78 6.1.4 Celkové přímé náklady................................................................... 80 6.1.5 Přímé náklady na jeden kus ........................................................... 80 6.2 Nepřímé náklady .................................................................................. 81 6.3 Variabilní náklady ................................................................................. 81 6.3.1 Celkové variabilní náklady ............................................................. 81 6.3.2 Variabilní náklady na jeden kus ..................................................... 81 6.4 Fixní náklady ........................................................................................ 82 6.5 Celkové náklady ................................................................................... 82 6.6 Celkové náklady na jeden kus .............................................................. 82 6.7 Finální cena výkovku ............................................................................ 83 6.8 Rovnovážný bod................................................................................... 83 Závěr ............................................................................................................... 84 Seznam použitých zdrojů ................................................................................ 85 Seznam použitých zkratek a symbolů ............................................................. 87 Seznam příloh ................................................................................................. 91 Seznam použitých obrázků ............................................................................. 92 Seznam použitých tabulek .............................................................................. 94
FSI VUT
1
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 10
ÚVOD Tématem této diplomové práce je výroba opěry objemovým tvářením
s ověřením za pomoci simulace s předpokládanou výrobní sérií 95 000 kusů. Výkres opěry pochází z komerční kovárny a obsahuje všechny náležité kovářské přídavky na obrábění ploch, boční úkosy a zaoblení hran. Na základě literární studie shrnující problematiku objemového tváření za tepla, výpočtů a norem ČSN 21 1410, ČSN 22 8306, ČSN 42 9002 a ČSN 42 9030 byla navržena a zrealizována varianta výroby opěry zápustkovým kováním na svislém kovacím lisu LMZ 6500B (firmy Šmeral Brno a.s.) se jmenovitou tvářecí silou 65 MN. Náklady na výrobu výkovku zvolenou technologií jsou popsány v technicko-ekonomickém hodnocení.
1.1 Historie technologie tváření Poprvé pojem technologie použil německý autor J. Beckmann v roce 1772. Technologie jako samostatný vědní obor vznikla na konci 18. století. Válcování při výrobě plechu se v českých zemích začala používat až od rozšíření vysokých pecí. Technologie zpracování plechu, zvl. hluboké tažení, se začala výrazněji rozvíjet v souvislosti s vojenskými požadavky na výrobu nábojnic. Protlačování barevných kovů jako jsou olovo, měď a zinek, bylo známo už v 19. století, první pokusy o protlačování oceli za studena se však datují až do roku 1933. Stavba velkých lodí a letadel za druhé světové války si žádala velkoplošné výlisky, které ale nebylo možno vyrobit na stávajících lisech. Na základě válečných poznatků o účinku deformace ve vodě začala být průmyslově realizována technologie tváření výbuchem. Pokračování této technologie
je
ve
využití
exploze
silné
elektrické
jiskry
a
účinku
koncentrovaného elektromagnetického pole. Tvářecí stroje a nástroje současnosti jsou schopny zpracovat i velmi pevné a málo tvárné kovy. Při tzv. hydrostatickém tváření, kdy je materiál obklopen kapalinou o tlaku 5000 MPa, lze plasticky tvářet i mramor a kovy, jež mají podobné vlastnosti.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 11
Zavádění nových technologií umožňuje zvyšovat produktivitu práce, přispívá k vyšší kvalitě produkce, snižuje výrobní náklady při respektování ekologických podmínek. Další možné zdroje ekonomického zlepšení lze najít ve využití nových zdrojů energie, při zavádění levnějších materiálů (umělé pryskyřice, železobeton) nebo v použití speciálních tvářecích jednotek s vysokou produktivitou.1
1.2 Definice kování a popis Kování
patří
k
nejproduktivnějším
metodám
výroby.
Jedná
se o mechanické zpracování kovů, při kterém se působením vnějších sil mění tvar předmětu, aniž by se porušila celistvost materiálu.1 Kování je objemové tváření za tepla. Ohřev zmenšuje pevnost materiálu, čímž se zlepšuje jeho tvárnost. Každým ohřevem se povrch mění na oxidy. Tento povrch se při tváření odlupuje v šupinách - okuje, což jsou tzv. ztráty opalem (3 % hmotnosti polotovaru).5 Kování je buď volné, nebo v zápustkách. Lze ho rozdělit i podle způsobu práce na kování ruční a strojní. Oproti obrábění má dvě hlavní výhody: 1. Při výrobě soustružením se přeřezávají podélná vlákna, čímž se zmenšuje pevnost. Při výrobě kováním je pevnost produktu vyšší, což je způsobeno tzv. spěchováním, při němž podélná vlákna dostanou nový tvar (obr. 1.2.1). 2. U kování je vyšší hospodárnost materiálu. Při soustružení vzniká velký odpad ve formě třísek, jedná se až o 50 %.
Obr. 1.2.1 Podélná vlákna5
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 12
Kování je v podstatě fyzikálně-metalurgické tváření. Působí-li na kovové těleso vnější síly, které uvedou těleso do plastického stavu, mění těleso svůj tvar. Účinkem sil vzniká současně v tělese napětí, neboť jeho vnitřní síly brání změně tvaru. Tvarová změna se nazývá plastická deformace a uskutečňuje se pohybem dislokací.2 Technologie kování má široké využití, protože kromě uhlíkových a slitinových ocelí lze kovat též antikorozní a nástrojové oceli, hliník, titan, mosaz, měď, slitiny hořčíku, kovy středně a méně reaktivní.1
1.3 Plastická deformace kovů Kovy jsou tvářeny za studena nebo za tepla. Plastickou (trvalou) deformací, které vždy předchází deformace elastická (pružná). Elastická deformace je charakterizována tím, že po odlehčení zatěžujících sil se těleso vrátí do původního stavu. Plastická deformace vzniká dosažením napětí nad mez kluzu. Po odlehčení zatěžujících sil nedojde k návratnosti do původního stavu. Velikost deformace je závislá hlavně na rychlosti zatěžování, teplotě, chemickém složení, napjatosti, zpevnění a tření. Tyto vlivy tvoří deformační odpor. Dělíme dva základní způsoby plastické deformace a to skluzem a dvojčatěním. U skluzu dochází k pohybu nadbytečné vrstvy atomů ve směru působení napětí. Na povrch vystoupí, jen když se nezachytí o překážky uvnitř krystalu. U dvojčatění dochází k přeskupování části krystalu. Mřížka se natočí do polohy pro skluz a poté se skluzem deformuje. Rozvíjet se bude ten mechanizmus, který bude při daných podmínkách vyžadovat nejmenší napětí.1, 6
FSI VUT
2
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 13
LITERÁRNÍ STUDIE Literární studie zpracovává především problematiku objemového
tváření za tepla (kování).
2.1 Základní charakteristika výkovků Výkovek je výrobek, který vzniká kováním. Výkovek má tvar, který kopíruje tvar dutiny zápustky. Na výkresu výkovku je obrys obrobené součásti kreslen čerchovanou čarou se dvěma tečkami a obrys výkovku tlustou čarou, přičemž rozměry výkovku jsou zvětšeny o přídavky s příslušnými tolerancemi. Přídavky na obrábění se volí jen na ty části, které budou obráběny. Tolerance se určují u všech rozměrů výkovku.6
2.2 Volné kování Při volném kování může materiál tvářený údery nebo tlakem “volně téci“, především ve směru kolmém k působení síly. Volné strojní kování je takový způsob kování, při němž se používá jednoduchých kovárenských nástrojů, přípravků a strojů. Úchylky rozměrů výkovků jsou velké, povrch je hrubý a nerovný. Výchozím materiálem je předvalek nebo ingot. Je proto nutné zvolit velké přídavky na obrábění a velké tolerance. U strojního kování je vrchní kovadlo upevněno v beranu, spodní v šabotě bucharu nebo na stole lisu. Pracovní plochy kovadel jsou kaleny a mají zaoblené hrany. Upevňovací část kovadla má tvar rybiny, kde příčná vložka zajišťuje kovadlo proti příčnému posuvu a otvory v čelních stěnách umožňují zasunutí kolíku při manipulaci.1, 7 Mezi základní kovářské operace volného kování patří pěchování (materiál je stlačen ve směru osy a dochází k rozšíření průřezu a ke zkrácení délky), prodlužování (polotovar je prodlužován za současného zmenšování příčného průřezu), osazování, prosazování, přesazování (je v podstatě zmenšování resp. zvětšování průřezu u osazovaných hřídelů a zachovává souososti), děrování (dochází ke vzniku průchozí nebo neprůchozí díry), ohýbání (umožňuje zakřivení podélné osy výkovku), sekání (materiál je rozdělován na několik částí) a zkrucování (délka materiálu se zkracuje a průměr zvětšuje).2
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 14
2.3 Zápustkové kování Je realizováno v hromadné a velkosériové výrobě, tam kde je zapotřebí velkého
množství
tvarově
shodných
součástí
o
vysoké
přesnosti.
Při zápustkovém kování je materiál vtlačován údery nebo tlakem do kovové dvojdílné zápustky. Ta je rozdělena dělicí rovinou tak, aby se z ní dal výkovek snadno vyjmout. Zápustka je zušlechtěná a má shodný tvar s tvarem výkovku, její rozměry jsou zvětšeny o hodnotu smrštění. Materiál se vkládá do spodní poloviny zápustky a tváří se za tepla s úplnou rekrystalizací, za studena bez rekrystalizace a za poloohřevu s částečnou rekrystalizací. Podle převládajícího způsobu zaplňování je dutina vyplněna
pěchováním,
rozšiřováním,
protlačováním,
nebo
vzájemnou
kombinací. Většinou je výkovek dohotoven silou vrchní zápustky. Aby materiál dokonale vyplnil dutinu zápustky, má polotovar poměrně větší objem, než je objem výkovku. Přebytečný materiál, který se nazývá výronek, je vytlačen do mezery mezi zápustkami a po dokončení operace je odstřižen (obr. 2.3.1). Výronek je v podstatě část surového výkovku, která byla záměrně vytvořena drážkou v dělicí rovině zápustky. Tohle ovšem neplatí u uzavřených zápustek. Bezvýronkové kování vychází z předpokladu zachování stejného objemu mezi zápustkovou dutinou a objemem polotovaru, aby nedocházelo k přetěžování kovacího lisu. Poté, co je prostor dutiny zápustky plně zaplněn, vytváří se v mezeře mezi horním a dolním dílem zápustky přebytek (ostřina). Při kování na bucharu je důležité stanovit potřebnou rázovou práci. Dutina zápustky je vyplněna postupně několika údery beranu. Při kování na lisu se určuje kovací síla a dutina zápustky je vyplněna v průběhu jednoho zdvihu.1
Obr. 2.3.1 Průběh materiálu6
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 15
2.4 Kovací úkosy Úkosy se stanovují za účelem snadného vyjímání výkovku za zápustky a to vždy na svislých plochách výkovku (plochy rovnoběžné s pohybem zápustky). Úkosy vnitřních stěn výkovku jsou větší než úkosy na stěnách vnějších. Vnější svislé plochy výkovku se během chladnutí a smršťování uvolňují od stěn dutiny, zatímco vnitřní stěny chladnoucí výkovek svírají. Velikost úkosů stěn závisí na velikosti a tvaru ploch, zpravidla bývá od 3° do 10°. Obecně platí, že při kování na lisech jsou úkosy daleko menší než při kování na bucharu. To je dáno tím, že při kování na lisech pomáhají k vytažení výkovku vyhazovače. Přesné použití kovacích úkosů stanovuje norma ČSN 42 9030.17
2.5 Zaoblení hran Nesmírně důležité je, aby hrany výkovku a tím i zápustky byly zaobleny. Ostré hrany zápustky způsobují její značné opotřebení, vyvolávají koncentraci napětí a poškození zápustky praskáním. Zaoblení se proto provádí s ohledem na dobré zatékání kovu v zápustce, aby nedocházelo ke zvyšování odporu proti tečení a aby se na povrchu výkovku netvořily zákovky. Větší zaoblení prodlužuje životnost zápustek. Zaoblení hran je vnější i vnitřní. Velikost zaoblení je závislá na poloměru výšky a délky jednotlivých částí výkovku. Tabulku zaoblení hran a přechodů výkovků obsahuje norma ČSN 42 9030.1
2.6 Přídavky Použití přídavků nám zajišťuje dosažení požadovaných přesností, kvality povrchu i snadnou výrobu polotovaru. Jmenovité rozměry součásti jsou zvětšeny o přídavky. Dělí se na technologické přídavky a na přídavky na obrábění (obr. 2.6.1).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 16
Obr. 2.6.1 Zápustkový výkovek s technologickými přídavky6
2.6.1
Technologické přídavky Použití technologických přídavků nám zajišťuje snadnou výrobu
polotovaru a to těch částí, které nelze vykovat, nebo by byly kovány neekonomicky. Vyplňují se dutiny a vybrání ve směru kolmém k pohybu beranu. Upravují se i různě členité součásti s úzkým a hlubokým vybráním. U dutých součástí přináší odstraňování technologických přídavků značné úspory materiálu i úspory na následujícím obrábění. Průchozí otvor ve výkovku nelze vykovat, proto se otvor pouze předková s přídavkem – blánou. Ta se posléze odstřihne společně s výronkem (obr. 2.6.1.1a). Tloušťka blány se určí ze vztahu:
Sb = 0,45 D − 0,25h − 5 + 0,6 h [mm]
(2.1)
Jestliže však bude platit (d-1,25R)>26, tak se blána stanovuje s úkosem do středu (obr. 2.6.1.1b) Smin, Smax a d1 jsou určeny vztahy:
Smin = 0,65Sb [mm]
(2.2)
S max = 1,35Sb [mm]
(2.3)
d1 = 0,12d + 3 [mm]
(2.4)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 17
Pro nízké kruhovité výkovky o velikém průměru, dále u výkovků z překovaných kruhů se doporučuje blána vydutím do středu (obr. 2.6.1.1c). Poloměr R2 se určuje graficky. Pro Sb a R1 jsou dány vztahy:
Sb = 0,4 d [mm]
(2.5)
R1 = 5h [mm]
(2.6)
Provedení technologických přídavků může být i ve spojení s přídavkem na obrábění, tj. obrábějí se zároveň s přídavkem na obrábění, nebo mohou být samostatně, tj. na součásti zůstanou a neobrábějí se. Pro konstrukci zápustky je nutno rozměry výkovku zvětšit o hodnotu smrštění.2
Obr. 2.6.1.1 Doporučené geometrie blány výkovku3
2.6.2 Přídavky na obrábění Výkovky, u kterých požadujeme velkou rozměrovou přesnost, hladkost, jakost povrchu, musí být vždy obrobeny. Povrch výkovku je drsný a vyskytují se v něm okuje. Do určité hloubky je ocel oduhličena. Rovněž se mohou vyskytnout povrchové vady jako šupiny, trhliny, rozválcované bubliny a přeložky. Aby se tomu zabránilo, tak se musí stanovit přídavky na obrábění, které jsou pro všechny rozměry výkovku stejné. Ty se určují podle velikosti rozměrů výkovků.2
2.7 Úchylky rozměrů a tvarů Úchylky rozměrů a tvarů výkovků zahrnují úchylky rozměrů, přesazení, otřep a prohloubení. Mezní úchylky a tolerance se stanovují podle stupně přesnosti výkovku z největších rozměrů výkovku ve směru kolmo k rázu a ve směru rázu. Stupeň přesnosti (obvyklé provedení, přesné provedení
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 18
a velmi přesné provedení) se určuje podle oborového číselníku výrobků a podle složitosti tvaru, která je zpracována v normě ČSN 42 9002. Dovolené hodnoty výše zmíněných parametrů stanovuje norma ČSN 42 9030.17
2.8 Dělicí rovina Dělicí rovina rozděluje zápustku na dvě části (horní a dolní). Má zásadní význam pro konstrukci výkovku. V případě, že je to možné, umísťuje se do roviny souměrnosti výkovku nebo do roviny dvou největších, navzájem kolmých rozměrů výkovku (obr. 2.8.1).
Obr. 2.8.1 Příklady dělicí roviny4
Od tohoto pravidla lze ustoupit, jestliže se jinak navrženou dělicí rovinou sníží hmotnost výkovku (obr. 2.8.2a), či výronku (obr. 2.8.2b), nebo se zjednoduší technologie kování např. vypuštěním ohýbání (obr. 2.8.2c).
Obr. 2.8.2 Příklad dělicích rovin určených odstoupením od pravidla4
Nejčastěji bývá dělicí rovina rovná nebo lomená. Může být složená z menších vodorovných úseků, šikmých i válcových. U složitých součástí se dělicí rovina navrhuje pomocí prostorových souřadnic (u lopatek). Při navrhování dělicí roviny se rovněž přihlíží k intenzivnějšímu toku kovu do horního dílu zápustky, k dosažení nejvýhodnějšího průběhu vláken, k spolehlivé
kontrole
slícování
horního
a k snadnějšímu ostřihování výronku.4
a
dolního
dílu
zápustky
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 19
2.9 Výronková drážka a určení jejích rozměrů Kolem celé dokončovací dutiny v dělicí rovině zápustky se vytváří výronková drážka. Zúžením výronkové drážky se vytváří brzdicí můstek, který je regulátorem měrného tlaku v dutině zápustky a zvyšuje odpor proti vytečení materiálu do drážky a tak zajišťuje dokonalé zaplnění dutiny zápustky. Zároveň napomáhá ke snadnějšímu odstřižení výronku. Rozměry výronkové drážky a můstku se navrhují podle tvaru výkovku a jsou uvedeny v normách ČSN 22 8308 a ČSN 22 8306.1 2.9.1 Výronková drážka pro zápustkové kování na bucharu Pro zápustky použité na bucharu se používají uzavřené tvary výronkových drážek a na rozdíl od lisů je musíme opatřit po obvodě styčnou plochou, která přenáší přebytečnou energii beranu. Používané tvary a rozměry výronkových drážek určených pro zápustkové kování na bucharu stanovuje norma ČSN 22 8308. Normalizované typy výronkové drážky (obr. 2.9.1.1), kde a) je obvyklý typ I., b) je obvyklý typ II. a c) je typ pro členitější výkovky opatřený oboustranným
zásobníkem.
Tloušťka
můstku
hm,
se
počítá
ze vztahu:
hm = (0,012 ÷ 0,015) Sv [mm]
(2.7)
Sv je plocha vodorovného průmětu výkovku, přičemž další rozměry se vybírají z tabulky, která je uvedená v normě.
Obr. 2.9.1.1 Normalizované typy výronkové drážky15
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 20
Pro osově souměrné výkovky se doporučuje úsporná klínová výronková drážka (obr. 2.9.1.2).
Obr. 2.9.1.2 Klínová výronková drážka4
Objem kovu na vznik výronku musí být tak velký, aby nezaplnil zcela výronkovou drážku. Jinak by kov vinou nerovnoměrné velikosti výronku na obvodu na některých místech vytékal za vnější obvod drážky a způsobil by nedokování. Počítá se, že drážka smí být zaplněna jen ze 70 % své plochy, proto platí vztah:
Vvýr = 1,6 S výr [DV + 0,7(b1 + b2 )] [mm3]
(2.8)
Svýr je plocha průřezu výronku (mm2), kde DV je největší průměr rotačního výkovku (mm) a spočítá se jako:
DV = D + 2(b1 + b2 ) [mm]
(2.9)
b1 je šířka můstku (mm) a b2 je šířka zásobníku (mm).4 2.9.2 Výronková drážka pro zápustkové kování na lisu Pro zápustky použité na lisu se používají otevřené tvary výronkových drážek, protože při sevření lisu se nesmějí zápustkové vložky dotýkat. Používané tvary a rozměry výronkových drážek určených pro zápustkové kování na lisu stanovuje norma ČSN 22 8306. Normalizované typy výronkové drážky (obr. 2.9.2.1), kde a) je obvyklý typ I., b) typ II. používaný při velké vzdálenosti dutiny od kraje zápustky, c) typ III. používaný při velkém přebytku
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 21
materiálu, d) typ IV. klínový výronek, e) typ V. axiální výronek a f) typ VI. radiaxinální výronek. Hloubka zásobníku můstku n, se počítá ze vztahu:
n = 0,4h + 2 [mm]
(2.10)
h je výška můstku, která se společně s dalšími rozměry stanovuje v příslušné normě. Objem výronku je dán vtahem:
⎡ h⎞ ⎤ ⎛ Vvýr = o ⎢bh + ⎜ n + ⎟ B ⎥ [mm3] 2⎠ ⎦ ⎝ ⎣
(2.11)
o je obvod výkovku v dělicí rovině (mm), b je šířka výronkové drážky (mm), h je výška výronkové drážky (mm), n je hloubka zásobníku (mm) a B je šířka otřepu v zásobníku (mm), která se volí s ohledem na hmotnost výkovku. Výkovky o hmotnosti do 0,5 kg mají hodnotu šířky otřepu v zásobníku 10 mm. Při hmotnosti do 2 kg je to hodnota 15 mm a nad 2 kg se volí 20 mm.8
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 22
Obr. 2.9.2.1 Normalizované typy výronkové drážky18
2.10 Ideální předkovek Důležitá část výroby výkovku je volba ideálního předkovku a to z toho důvodu, aby se zabránilo přílišnému přemísťování materiálu při tváření. Vznikala by tak rozstříknutá materiálová vlákna (nesledující obrys výkovku).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 23
To se projeví zhoršením mechanických vlastností i špatnou zabíhavostí materiálu. Proto musí mít materiál vhodný tvar (obr. 2.10.1).6
Obr. 2.10.1 Příklady volby ideálního předkovku6
Ideální předkovek nám dává konkrétní představu o rozdělení materiálu. Jedná se o osově souměrné těleso, kde objem Vip (mm3) se rovná objemu výkovku Vv (mm3) zvětšenému o objem výronku Vvýr (mm3) a délka lip (mm) se rovná délce výkovku lv (mm). Obecně platí, že pro výkovky s rovnou rovinou se sestrojuje ideální předkovek podle výkresu výkovku. Pro výkovky s ohnutou osou se sestrojí podle jejich rozvinuté délky. Uvažovaným výkovkem je vedena síť příčných řezů, jejíž hustota je závislá na tvarové složitosti výkovku. Vypočtou se jednotlivé obsahy průřezových ploch ideálního předkovku. Pro nekoncové průřezy podle vztahu:
S ip = S + 2 S výr [mm2]
(2.12)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 24
a zvlášť pro koncové průřezy podle vztahu:
S ip = 2 S výr [mm2]
(2.13)
Svýr je plošný obsah příčného průřezu výronku (mm2). Dále se vypočítají jednotlivé průměry ideálního předkovku, ten je dán vztahem:
d ip = 1,13 S ip [mm]
(2.14)
Vypočtené hodnoty dip se nanesou souměrně jako pořadnice od zvolené vodorovné osy. Propojením koncových bodů pořadnic tak vznikne obrys ideálního předkovku. Vynesením hodnot plošných obsahů charakteristických průřezů Sip v měřítku mě jako pořadnic o výšce
hip =
S ip mě
[mm]
(2.15)
a spojení koncových bodů těchto pořadnic vzniká průřezový obrazec ideálního předkovku (obr. 2.10.2).4
Obr. 2.10.2 Sestrojení ideálního předkovku4
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 25
2.11 Dělení přípravných dutin Určení optimálních parametrů přípravných dutin závisí na tvářitelnosti kovaného materiálu, na kovacím stroji, na maximální velikosti zápustky, na sériovosti daného výkovku, na tvarové složitosti a přesnosti. Důležitý požadavek při rozmísťování dutin v zápustce je, aby střed nejvíce namáhané dutiny (nejčastěji dokončovací), ležel v ose působení sil, tj. v ose beranu stroje. Ostatní přípravné dutiny se umísťují po obou stranách dokončovací dutiny. Přípravné dutiny dělíme na několik druhů: a) Zužovací - Kov se přesouvá ve směru osy. Někde se nepatrně redukuje a jinde zase pěchuje. Kování se provádí na jeden úder a bez pootočení. b) Rozdělovací - Kov se přesouvá ve směru osy za současného napěchování a redukcí v příčném průřezu. Kove se na více úderů a pootočením o 90°. c) Prodlužovací - Polotovar se prodlužuje na úkor příčného průřezu při současném pootočení o 90°. d) Tvarovací - Kov se nepatrně přesouvá ve směru osy. Polotovar se tvaruje na tvar obrysu hotového výkovku. e) Ohýbací dutina - Ohýbá základní polotovar nebo předkovek. Přesun kovu a zúžení průřezu je nepatrné. Do další dutiny se vkládá po pootočení o 90°.8 f) Dutina pro otáčivé kování - Dutina pro otáčivé kování je nejvíce používaná pro předkování osově souměrných výkovků. Polotovar se zpracovává po předchozím prodlužování a při kování se pootáčí kolem podélné osy o 90°. g) Utínka - Utínka slouží k odseknutí hotového výkovku od tyče nebo k oddělení dvou kusů. Umísťuje se podle potřeby do kteréhokoli rohu.1
2.12 Rozměry zápustek Stanovení rozměrů zápustky je závislé na a) rozměru výkovku včetně výronku, b) jakosti materiálu výkovku, c) minimální vzdálenosti S dutiny
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 26
od okraje zápustky d) hloubce dutiny, e) minimální vzdálenosti S1 mezi jednotlivými
dutinami,
f)
předpokládaném
způsobu
a
počtu
obnov,
g) upínacích možnostech, h) velikosti dosedacích ploch a i) vedení zápustek. Velikost zápustky se určuje pomocí normy ČSN 22 8308 a to tak, aby mezi okrajem bloku a nejbližší dutinou byla zachována nejmenší vzdálenost s (mm). Ta se určuje pomocí nomogramu (obr. 2.12.1). Vzdálenost mezi jednotlivými dutinami s1 (obr. 2.12.2) je dána vztahem:
s1 = s cos α 1 [mm] α1 je hodnota bočního úkosu dutiny (º).15
Obr. 2.12.1 Nomogram pro stanovení vzdálenosti dutiny od kraje zápustky s4
Obr. 2.12.2 Náčrtek pro stanovení vybraných rozměrů zápustky4
(2.16)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 27
Pro určení nejmenší výšky zápustky HZmin (mm) se použije níže uvedený diagram (obr. 2.12.3). Hodnota nejmenší výšky HZmin se stanoví na základě největší hloubky zápustkové dutiny HD (mm). Rovněž musíme brát v potaz i parametry určené výrobcem bucharu. Ten uvádí maximální i minimální výšku zápustky včetně hmotnosti horního dílu.4
Obr. 2.12.3 Diagram pro stanovení nejmenší výšky zápustky4
2.13 Kovací lis versus buchar Pro kování na bucharu je charakteristickým znakem rázový účinek. Buchar působí na tvářený materiál údery (rázy) beranu a proková jej jen do určité hloubky. Dochází zde k větším hodnotám rychlosti tečení a snadnějšímu zaplňování hlubší dutiny ve směru rázu a naopak (obr. 2.13.1). Rázy se však přenášejí do základů stroje a způsobují otřesy i v okolí. Horní dutina zápustky se zaplňuje lépe než spodní. K dokončení výkovku dojde, až se dutina zápustky uzavře dotykem horní části se spodní po několika úderech beranu. Zápustky se více opotřebovávají, ale okuje z tvářeného materiálu opadávají a nedochází k zakování do výkovku. Výkovky jsou méně přesné.
Obr. 2.13.1 Rázový účinek bucharu a klidné působení u lisu2
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 28
Lis působí na tvářený materiál klidným tlakem a proková jej v celém průřezu. Tvářený materiál má lepší tečení ve směru kolmém k působení síly (obr. 2.13.1). Výkovek je dokončen na jeden zdvih beranu. Zápustky se mnohem méně opotřebovávají, protože žhavý kov se stýká se zápustkou pouze jednou. Okuje z tvářeného materiálu špatně opadávají a zakovávají se do výkovku. Výkovky dosahují větší přesnosti. Výroba na lisu je levnější až při velkosériové nebo hromadné výrobě. Výkonnost je až třikrát vyšší než u bucharů.
2.14 Určení velikosti bucharu Určení velikosti a výpočet práce bucharu podrobně zpracovává norma ČSN 22 8308. Velikost bucharu vychází z potřebné práce pro poslední úder. Protože právě tehdy dosahuje odpor tvářeného materiálu proti deformaci maxima. Pro kruhový výkovek lze práci stanovit z níže uvedeného vztahu.
2
⎛ 2 ⎞ ⎟⎟ . 0,75 + 0,001D 2 D .D D .σ s [J] AB = 18(1 − 0,005D D ).⎜⎜1,1 + DD ⎠ ⎝
(
)
(2.17)
DD je průměr výkovku v dělicí rovině (cm) a σs je pevnost materiálu za kovací teploty (MPa). Pro výkovek nekruhového tvaru použijeme vztah:
⎛ ⎛ LD An = AB ⎜1 + 0,1⎜⎜ ⎜ ⎝ BDstred ⎝
⎞⎞ ⎟ ⎟ [J] ⎟⎟ ⎠⎠
(2.18)
LD je délka výkovku (cm) a BDstred je střední šířka výkovku (cm). AB se spočte podle vztahu (2.17), v němž se dosazuje místo hodnoty DD hodnota DDred.
DDred = 1,13 FD [cm] FD je průmět plochy výkovku v ploše kolmé ke směru rázu (cm2).15
(2.19)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 29
2.15 Určení velikosti lisu Vhodná velikost lisu vychází z tvářecí síly. Pro osově souměrné výkovky lze práci určit vztahem:
2
⎛ 0,02 ⎞ ⎟⎟ S V .σ S [MN] F = 8(1 − D V ).⎜⎜1,1 + D V ⎠ ⎝
(2.20)
DV je průměr výkovku v dělicí rovině (m), Sv je plošný obsah vodorovného průmětu výkovku (m2) a σs je pevnost materiálu za kovací teploty [MPa]. Pro výkovek nekruhové tvaru použijeme vztah:
⎛ L ⎞ Fn = F ⎜⎜1 + 0,1 V ⎟⎟ [MN] BVS ⎠ ⎝
(2.21)
LV je délka výkovku (m) a BVS je střední šířka výkovku (m). Síla F se spočte podle vztahu (2.20), v němž se místo hodnoty DV dosazuje hodnota dána vztahem:
DV = 1,13 SV [m]
(2.22)
SV je plošný obsah vodorovného průmětu výkovku (m2).4
2.16 Vyhazovače Vlivem
tření,
hloubkou
dutiny,
členitostí
výkovku,
úkosy
a nedostatečným mazáním dochází k ulpívání výkovků. Proto je nutné při kování na lisech, umístit do zápustky vyhazovače. Vyhazovač je těleso válcovitého průřezu, který je mnohonásobně menší než délka tělesa. Po dolisování výkovku a při cestě beranu do horní úvrati dochází k vyhození výkovku ven ze zápustky. Vyhazovače jsou ovládány přes vyhazovače v držáku zápustek od vyhazovače umístěného ve stole nebo v beranu lisu.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 30
Jestliže má lis jen jeden vyhazovač uprostřed v ose lisu, tak se vytváří rozvod v držáku zápustek. Vyhazovače se dělí podle účinné části, která je v přímém styku s výkovkem, jsou to kolíkové vyhazovače, prstencové vyhazovače a vložkové. Kolíkové vyhazovače se používají jako středové, mimostředové a umístěné v ploše výronku (působící na blánu, tvar nebo výronek), to je závislé na tvaru a proporcích výkovku. Prstencové vyhazovače se používají pro výkovky se zahloubením ve středu výkovku – nábojem. Vložkové vyhazovače nacházejí využití jen v mimořádných případech, kdy vyhazovací kolík příliš zeslabuje vložku. Jsou vhodné pro výkovky, které mají blánu posunutou do spodní části výkovku.18
2.17 Upínání zápustek Horní díl musí být dokonale slícován se spodním dílem zápustky, aby bylo na výkovku dosaženo co nejmenšího přesazení. Zápustky se opatřují různými druhy vedení (kruhové, podélné, příčné a křížové), vodícími kolíky, popřípadě pomocí pera (zámku) pro zachycení posuvných sil. Kořen zápustky nebo držáku pro zápustkové kování na bucharu je opatřen rybinovitým výstupkem. Tím se ukládá do rybinovité upínací drážky beranu, šabotové vložky a stabilizuje se klínem, který má podélný úkos 1:100 (obr. 2.17.1). Proti příčnému
posuvu
je
zápustka
zabezpečena
krátkým
perem.
Pero se vkládá do boční stěny upínací drážky. Ta je kolmá na rybinovou upínací drážku a přečnívající část pera zasahuje do boční drážky kořene. Na protiběžných bucharech se zápustky upínají dvěma klíny a uprostřed kořenu je jistící čep. Což je podrobněji zpracováno v normě ČSN 21 1414.4,13 U lisů se nepoužívají rybinovité drážky, klíny ani pera. Zápustky se upínají pomocí lomených upínek a šroubů do držáků zápustek. Rozměr zápustek je dán sevřenou výškou držáků zápustek. Ustavení držáku se provádí za pomoci klínových distančních vložek na boku spodní části držáku. Zápustka má v zadní části drážku, za kterou je upnuta pomocí osazené lišty. Přední strana zápustky je řešena úkosem 10° a slouží
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 31
k upínání. Upínka se jednou částí opírá o úkosovou část zápustky a druhou částí je opřena o úkosovou část drážky v tělese držáku. Její zajištění se provádí pomocí šroubu a T drážky v tělese držáku. Tím je docíleno přitlačení ke kalené pokladové desce a zároveň i přitlačení na zadní osazenou lištu. Rovněž se musí provést i boční ustavení, při kterém jsou zápustky dorazeny k boční liště a zajištěny pomocí úkosové lišty a šroubů. Distanční vložky (mezerníky) se užívají v případech, kdy je šířka zápustek menší než odpovídající
rozměry
držáku.
Daná
problematika
zpracována v normách ČSN 21 1410 až ČSN 21 1412.
je
podrobněji
3
Obr. 2.17.1 Upínání zápustky14
2.18 Materiál zápustek Zápustky jsou mimořádně mechanicky a tepelně namáhány. Měrné tlaky dosahují velikosti až 2000 MPa. Vlivem smykového napětí a tepelných rázů dochází na povrchu dutiny ke vzniku trhlin. Na zápustkové oceli se proto kladou značné požadavky, vysoká pevnost a houževnatost v celém rozmezí kovacích teplot, dobrá prokalitelnost a co nejvyšší popouštěcí teplota, nízká teplotní roztažnost a co nejvyšší tepelná vodivost, vysoká otěruvzdornost, odolnost proti trhlinám tepelné únavy, dobrá obrobitelnost a příznivá cena. Všechny tyto vlastnosti nelze v souhrnu získat žádnou kombinací přísadových
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 32
prvků, a proto se výrobci soustřeďují alespoň na zabezpečení rozhodujících vlastností. Doporučené použití zápustkových ocelí uvádí (tab. 1).4 Tab. 1 Doporučené použití zápustkových ocelí4 Označení
Doporučené použití oceli se zřetelem k druhu kovacího namáhání zápustky stroje
oceli
velikosti zápustky
19 464
malé a střední zápustky
mírně tepelně namáhané nástroje
buchary, vřetenové lisy, kovací lisy
19 512
malé zápustky o tloušťce do 200 mm
středně tepelně namáhané nástroje
buchary, vřetenové lisy, kovací lisy
19 552
malé zápustky o tloušťce do 200 mm
vysoce tepelně namáhané houževnaté nástroje
buchary, vřetenové lisy, kovací lisy
19 642
malé, střední a velké zápustky
středně tepelně namáhané nástroje s velkou houževnatostí
především buchary, ale též vřetenové lisy a kovací lisy
19 650
malé, střední a velké zápustky
středně tepelně namáhané nástroje s dobrou houževnatostí
19 662
střední a velké zápustky
19 663
malé, střední a velké zápustky
středně tepelně namáhané nástroje s velkou houževnatostí
19 720
malé zápustky o tloušťce do 200 mm
vysoce tepelně namáhané dosti houževnaté nástroje
19 721
malé zápustky o tloušťce do 200 mm
vysoce tepelně namáhané méně houževnaté nástroje
malé zápustky o tloušťce do 200 mm
vysoce tepelně namáhané dosti houževnaté nástroje
19 740
středně tepelně namáhané nástroje s velkou houževnatostí
buchary, vřetenové lisy
především buchary
buchary, vřetenové lisy, kovací lisy všechny druhy lisů a buchary
materiálu výkovku nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů a olova nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů nelegované a nízkolegované oceli, slitiny lehkých kovů všechny druhy ocelí, slitiny mědi a lehkých kovů
všechny druhy ocelí, slitiny mědi a lehkých kovů nelegované a nízkolegované všechny druhy lisů oceli, slitiny lehkých kovů
všechny druhy lisů
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 33
2.19 Třídění výkovků do tříd Každý výkovek je označen pětimístným číslem ve tvaru X X X X . X. První pozice je tvarový druh, dále tvarová třída, tvarová skupina, tvarová podskupina a poslední číslo uvádí technologické hledisko. Nejprve je nutné určit druh a poté určujeme třídu. Výkovky tvarového druhu 4 (výkovky kruhového průřezu plné), 5 (výkovky kruhového průřezu duté), 6 (výkovky hranolovitých tvarů plné i duté), 7 (výkovky kombinovaných tvarů plné i duté), 8 (výkovky s ohnutou osou) a 9 (výkovky složitých tvarů s přímou dělicí plochou a 0 (výkovky s lomenou dělicí plochou). Dále se výkovky rozdělují do tvarových tříd 1 (konstantní průřez), 2 (kuželovité
-
jehlanovité,
klínovité),
3
(jednostranně
osazené),
4 (oboustranně osazené), 5 (osazené s kuželem - jehlanem, klínem), 6 (prosazené), 7 (kombinované), 8 (kombinované s kuželem - jehlanem, klínem), 9 (členité - u tvarového druhu 8 – výkovky háků) a 0 (neobsazeno). U výkovků zařazené podle druhu 9 a 0 probíhá dělení do tvarových tříd 1 (převážně kruhový průřez), 2 (převážně plochý průřez), 3 (s hlavou a jedním ramenem), 4 (s hlavou a více rameny), 5 (jednostranně rozvidlené), 6 (oboustranně rozvidlené), 7 (zalomené), 8 a 9 (šroubovité – pouze u tvarového druhu 0). Poté
proběhne
další
zatřídění
do
skupiny,
podskupiny
a technologického hlediska. Rozdělením zápustkových výkovků se podrobně zabývá norma ČSN 42 9002.16
2.20 Tepelné zpracování zápustek Pro výrobu zápustek nebo zápustkových vložek se používají polotovary ve stavu vyžíhaném o pevnosti 800 – 900 MPa. Opracování je tak snadnější. Po obrobení, ale musí následovat tepelné zpracování. Nebo se používají polotovary ve stavu zušlechtěném o pevnosti 1200 – 1500 MPa. To ovšem způsobuje problémy s obrobitelností. Zušlechtění závisí na typu tvářecího stroje, velikosti bloku zápustky a na hloubce dutiny. Doporučené rozmezí pevnosti:
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 34
a) zápustky o hmotnosti větší 1000 kg – pevnost 1000 – 1200 MPa b) zápustky o hmotnosti kolem 500 kg, nejmenší rozměr od 200 mm do 400 mm – pevnost 1100 – 1400 MPa c) zápustky o hmotnosti 100 kg, nejmenší rozměr zápustky od 100 mm do 200 mm – pevnost 1300 – 1800 MPa d) velmi malé zápustky, vložky, trny, nejmenší rozměr do 100 mm – pevnost 1500 – 2000 MPa a více e) pevnost kořene zápustky 850 – 1000 MPa f) pevnost vložkovaných bloků 1000 – 1200 MPa.2,8
2.21 Vložkování zápustek Zápustkové dutiny mají rozdílnou životnost. Při kování dochází k nerovnoměrnému namáhání jednotlivých částí dutiny. A právě proto se přistupuje k částečnému nebo úplnému vložkování zápustek. Tím se snižují materiálové náklady na zhotovení zápustek. Vložka je zhotovena z jakostní zápustkové oceli a zápustkový blok je zhotoven ze zápustkové nebo jakostnější konstrukční oceli. Vložky se upínají do zápustkového bloku klínem (obr. 2.21.1) nebo se zapouštějí za studena i za tepla s přesahem H8/u7.4
Obr. 2.21.1 Upnutí zápustkových vložek klínem4
2.22 Péče o zápustky Existuje několik základních pravidel, která je nutno při používání zápustek dodržovat. a) Skladování zápustek a jejich evidence o technickém stavu. Provádí se v dostatečně velkém a krytém skladovacím prostoru, který je opatřen manipulačním zařízením. Sklad by měl obsahovat kartotéku, ve které se vedou záznamy o počtu zápustek každého druhu, ale hlavně
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 35
zpracovávají informace o stupni opotřebení zápustkové dutiny. Záznamy obsahují údaje o výšce a o počtu provedených obnov na zápustce. Evidence umožňuje přehled o využití a o možnostech dalšího použití zápustky. b) Správné upnutí zápustky. Při špatném upnutí zápustky nebo použití nevhodných prvků pro upnutí, může dojít k ulomení některé části nebo i k předčasnému prasknutí zápustky. Aby k tomu nedocházelo, musí se dodržovat následující zásady. Upínací plochy zápustek a strojů musí být dokonale rovné. Sklon na bočních plochách musí mít předepsaný úhel. Veškeré upínací prvky nesmí být zdeformovány a musí mít předepsané rozměry. Před upnutím zápustky je vhodné za pomoci speciálních šablon zkontrolovat kořeny, rybiny a klíny. Upínací plochy bucharu se vlivem působení rázů vytloukají. Může se stát, že některá zápustka nedosedne na celé ploše a to vede jejímu prasknutí. Aby nedocházelo k rychlému vytloukání, podkládají se zápustky měkkými plechy, které částečně případné nerovnosti vyrovnávají. c) Předehřívání zápustek (kap. 2.28 Předehřev zápustek). d) Mazání zápustek (kap. 2.23 Maziva). e) Kontrola technického stavu. Výkovky jsou pravidelně kontrolovány a na základě jejich případných odchylek se určí i ukazatel stupně opotřebení. Rovněž se provádí pravidelná kontrola dutiny zápustky, zda nevznikají závady a trhliny ve tvaru. U trhlin dochází k jejich postupnému zvětšování, až zanechávají viditelné stopy i na povrchu výkovku. Aby nedošlo k lomu, musí se dutina zápustky včas vybrousit popřípadě obnovit. f) Úpravy zápustky během výroby. Běžným jevem, kterému se nedá při kování v zápustce zabránit, jsou deformace zápustkové dutiny. Jestliže tyto deformace překročí určitou mez, je zápustková dutina opotřebovaná. Mezi nejdůležitější činitele působící na deformaci patří jakost materiálu zápustky, její tepelné zpracování, jakost tvářeného materiálu, složitost výkovku, kovací teploty a doba kování. Na deformaci má největší vliv tepelný režim. Prodloužením kovací doby klesá teplota tvářeného materiálu a roste jeho deformační odpor. Rovněž se zvyšuje i teplota zápustky
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 36
v prostoru kovací dutiny. To má za následek snížení její pevnosti a odolnosti
proti
deformaci
(rozpěchováním
okrajových
částí).
To způsobuje pomalejší a obtížnější zaplňování dutiny, čímž dochází k prodloužení doby styku ohřátého materiálu s dutinou. Výkovky se rovněž špatně uvolňují. Rozpěchované okraje (zavaleniny) je nutné včas najít a odstranit vybroušením, frézováním, v některých případech i zavařením s následným obráběním. g) Obnovení a vložkování zápustek. Pokud deformace zápustkové dutiny dosáhne
mezí
stanovených
tolerancí
výkovků,
musí
zápustka
být obnovena. Zápustky se obnovují i v případech, kdy vady a trhliny v dutině
nabývají
větších
rozměrů
a
hrozí
tak
její
prasknutí
i za předpokladu rozměrově vyhovujících výkovků. Zápustkové dutiny se obnovují částečně nebo úplně (zhotovují se stejným způsobem jako u nové zápustky). Při obnovení zápustek se využívá vložkování (kap. 2.21 Vložkování zápustek).2
2.23 Maziva Mazivo patří mezi důležité prostředky v procesech technologie tváření. Většina tvářecích procesů by nebyla bez vhodného maziva uskutečnitelná. Na jeho složení, vlastnostech a použití záleží životnost tvářecích nástrojů, povrchové vlastnosti tvářených materiálů a velikost tvářecí práce. Dobré mazivo by mělo mít hlavně schopnost vytvářet únosné mazací filmy nebo filmy s optimálním koeficientem tření, být nekorozivní, nevyvolávat barevné změny na povrchu kovů, nevytvářet lepivé povrchy, po použití by mělo být snadno odstranitelné z povrchu kovu, fyziologicky nezávadné, ekologické a musí být tepelně stálé, aby v rozsahu teplot vznikajících při tváření neztrácelo potřebné vlastnosti (kapalná maziva musí mít dobrou smáčivost kovových povrchů a schopnost odvádět teplo).9 Volba maziva, jeho složení a vlastnosti musí být přizpůsobeny úkolům, které má mazivo při daném tvářecím procesu splnit, a vlivům, kterým je v pracovních podmínkách vystaveno (obr. 2.23.1). Z daných pracovních podmínek
vycházejí
jednoznačné
požadavky
na
reaktivní
schopnost,
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 37
na schopnosti přenášet vysoké tlaky a na termickou stabilitu. Mazivo má tedy chránit zápustku před opotřebením, chladit a tím zmenšovat tření mezi zápustkou a výkovkem, oddělovat povrch zápustky a výkovku, zamezit ulpívání okují v zápustce a zlepšit tok tvářeného materiálu.
Obr. 2.23.1 Faktory ovlivňující účinnost mazacího procesu při zápustkovém kování10
Při kování se používá nejčastěji jen jeden druh maziva. Na základě požadavků
bylo
vyvinuto
rozsáhlé
množství
maziv.
Pro
kování
jsou samostatné oleje jako maziva nevhodné. Mají nedostatečnou odolnost proti tlaku, odpařivost a možnost rozkladu při vysokých teplotách. Slouží spíše jako nosiče tuhých maziv, pokud tato nejsou použita samostatně (grafit, MoS2, talk, křída, ZnO, PbO aj.). Vedle nich mohou být přítomna i mýdla, např. hlinitá, nebo mastné látky (lůj, tuk z ovčí vlny, elain aj.), která zvyšují mazivost a kromě toho stabilizují disperzi tuhého maziva v oleji. Disperzní fází u některých tuhých maziv může být při nižších teplotách a vhodném materiálu zápustky i voda nebo těkavé rozpouštědlo, používají se i roztoky solí, např. chloridu sodného, dusičnanu draselného aj., popř. i s obsahem ve vodě rozpustných sodných nebo draselných mýdel. V součastné době dominují maziva na vodní bázi, která dosáhla podílu více než 90 %. Maziva pro zápustkové kování se dají rozdělit i z vizuálního hlediska jako maziva černá (účinnou látkou je grafit) a bílá (účinné látky jsou anorganicko-organické
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 38
sloučeniny). Grafit je teplotně stabilní a má nízký koeficient tření. Mezi skupinu bílých patří vodou rozpustná, olejová a bezgrafitová maziva. Mají rozdílné mazací i oddělovací schopnosti. Nesedimentují v míchacích zařízeních a minimálně ucpávají trysky.9,10
2.24 Úprava výkovků po kování Aby bylo dosaženo konečného tvaru výkovku je nutno provést následující úpravy: ostřihování a děrování výkovků (kap. 2.24.1) rovnání a kalibrování výkovků (kap. 2.24.2) čištění výkovků (kap. 2.24.3) tepelné zpracování výkovků (kap. 2.24.4). 2.24.1 Ostřihování a děrování výkovků Při zápustkovém kování vznikají na obvodech výkovků výronky. Tyto výronky eventuálně i blány (za předpokladu, že se na daném výkovku vyskytují) ostřihujeme (obr. 2.24.1.1) a děrujeme (obr. 2.24.1.2). Tyto operace se realizují buď za tepla, nebo za studena na ostřihovacích lisech, které jsou součástí kovací linky. Výkovky s obsahem C větším než 0,5 % se ostřihují za tepla s menším obsahem C, než 0,5 % lze ostřihovat za studena. Větší výkovky se ostřihují vždy za tepla.2
Obr. 2.24.1.1 Konstrukce ostřihovadla2
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 39
Obr. 2.24.1.2 Děrovadlo4
Střižná síla se vypočítá ze vztahu:
FStř = 1,7.0,8.Rm .o.2hm [N]
(2.23)
0,8.Rm je pevnost materiálu ve střihu, o je obvod výkovku v dělicí rovině (mm), hm je tloušťka můstku, která je z důvodu bezpečnosti dvakrát větší (mm), a protože se jedná o druh ostřihování, při kterém střižník nedosedá na střižnici, ale jen tlačí na výkovek, zvětšuje se síla 1,7krát.4 2.24.2 Rovnání a kalibrování výkovků Při ostřihování výronku se mohou některé výkovky poněkud zkřivit, což se napravuje rovnáním za studena nebo rovnáním za tepla. Za studena se rovnají výkovky po tepelném zpracování a za tepla se rovnají výkovky, které se zkřiví v průběhu kování a ostřihování. Příčin zkřivení výkovků je mnoho, např. uváznutí výkovku v dutině zápustky, způsobí zkřivení při vyjímání ze zápustky, ostřihováním výroků nebo po tepelném zpracování. Výkovky se rovnají: a) Za tepla v dokončovací dutině zápustky, v níž byl výkovek. Nevýhodou tohoto způsobu je menší výrobnost kovacího stroje a trvanlivost dokončovací dutiny. b) Na ostřihovacích lisech v rovnacích nástrojích. Tento způsob je omezen tlakem ostřihovacího lisu. c) Za studena v rovnacích zápustkách, což je nejvýkonnější způsob za použití padacích bucharů, vřetenových lisů nebo ostřihovacích lisů. Rovnací dutina má tvar výkovku s určitými odchylkami v rozměrech a tvaru a to z důvodu, aby bylo možno výkovek volně vkládat a vyjímat.
FSI VUT Aby
DIPLOMOVÁ PRÁCE byla
se tzv. kalibrování.
u Tak
výkovků
zajištěna
docílíme
výkovků
List 40
vysoká s přesnou
přesnost,
provádí
váhou,
přesným
rozměrem, hladkým a čistým povrchem. Kalibrování se provádí na klikových kolenových lisech a dosahuje se požadované rozměrové přesnosti a jakosti ploch, že se v důsledku toho mnohdy nemusí výkovek obrábět. Plošným kalibrováním za studena se zpřesňují rozměry mezi rovnoběžnými plochami výkovku za současného zvětšení rozměrů kolmo na směr kalibrování. Objemovým kalibrováním se dosahuje větší přesnosti všech rozměrů výkovku. Kalibruje se za studena nebo za tepla. Přebytečný kov je vytlačován do malého výronku, který se poté obrousí. Kalibrování za studena je přesnější než kalibrování za tepla. Vysoké přesnosti výkovků se docílí předběžným kalibrováním za tepla.2,4 2.24.3 Čištění výkovků Hlavním úkolem při čištění výkovků je odstranění okují, které vznikly při kovacím procesu z důvodu snazšího obrábění. Okuje se odstraňují mechanicky (otryskáním a omíláním) anebo chemickým mořením v roztocích kyselin či zásad. Někdy se i při konečné úpravě odstraňují zbytky výronků a povrchové nedostatky broušením nebo pilováním.2 2.24.4 Tepelné zpracování výkovků Tepelným
zpracováním
měníme
záměrně
vlastnosti
ocelových
zápustkových výkovků a to žíháním nebo zušlechťováním za účelem: a) Zaručit dobrou obrobitelnost výkovků. b) Zabránit vzniku velkých vnitřních pnutí, aby nevznikly hrubé trhliny. c) Zabránit vzniku vločkových trhlin. d) Dosažení požadovaných mechanických hodnot. Zušlechťování je kalení a popouštění. Podmínkou pro zakalení je ohřev nad teplotou přeměny AC3 u ocelí podeutektoidních a nad AC1 u ocelí nadeutektoidních a krátká výdrž na austenitizační teplotě. Poté je výkovek ochlazován v oleji nebo vodě. Po kalení následuje popouštění, kde výkovek
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 41
setrvá na popouštěcí teplotě po dobu 0,5 až 2 hodin. Poté je následně ochlazován na vzduchu, oleji nebo vodě. Účelem žíhání je, aby se ocel stala snadněji obrobitelnou. Rovněž se dosahuje
stejnoměrné
struktury,
odstraňuje
se
vnitřní
pnutí
a tím se zamezuje deformaci při dalším tepelném zpracování. Nejčastěji se používají tyto způsoby: a) Normalizační žíhání U normalizačního žíhání se volí teplota 30 až 50 °C (někdy i vyšší) nad teplotou přeměny AC3. Výkovky se musí dokonale prohřát v celém svém průřezu. Setrvání na normalizační teplotě je různé v závislosti na velikosti výkovku. U malých výkovků se časy pohybují pouze v rozmezí 10 až 20 minut, ale u velkých výkovků i 2 až 3 hodiny. Ochlazování výkovků nesmí probíhat v průvanu a výkovky musí chladnou odděleně. Normalizačním žíháním se odstraňují nestejnoměrné struktury a dosahuje se rovnoměrné krystalizace. To zajišťuje stejnoměrné mechanické vlastnosti a vyhovující obrobitelnost výkovků. b) Žíhání na měkko Řadí se mezi dlouhodobé tepelné operace. Provádí se pod teplotou AC1 po dobu 2 až 4 hodin za teploty 650 až 720 °C. Dochází zde k přeměně páskového perlitu na zrnitý perlit. Ochlazování je pozvolné a probíhá v peci. c) Izotermické žíhání Výkovek se ohřeje do austenitického stavu, tj. nad horní teplotou přeměny a krátce setrvá na této teplotě. Poté následuje rychlé ochlazení na vzduchu až na teplotu izotermické přeměny, kde následuje výdrž na této teplotě, dokud nedojde k úplnému ukončení přeměny. Poté je výkovek ochlazován libovolným způsobem. Výhodou tohoto způsobu je dobrá obrobitelnost i jeho hospodárnost.2
2.25 Ohřev pro kování Pro
snadné
tváření
materiálu,
zkrácení
času, snížení hustoty
mřížkových poruch, menší deformační odpor, a tím i menší opotřebení
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 42
zápustek se nejčastěji ková za nejvyšších přípustných kovacích teplot. Při stanovování
kovacích
teplot
se
vychází
z chemického
složení,
předcházejícího zpracování materiálu a z konečné úpravy po tváření.4 2.25.1 Tvářecí teploty Rozdělení intervalů tvářecích teplot je zřejmé z obrázku uvedeného níže (obr. 2.25.1.1). Kde horní kovací teploty jsou body: 1 – rychlostní ohřev, 2 – polotovary s licí strukturou a 3 – polotovary s tvářenou strukturou. A dolní kovací teploty jsou body: 4 – podeutektoidní oceli, 5 – nadeutektoidní oceli s nižší tvářitelností a 6 – nadeutektoidní oceli s vyšší tvářitelností. Pro tvářecí teploty platí HTT ≥ PTT a DTT ≤ DT. a) Horní tvářecí teplota (HTT) je nejvyšší dovolená teplota, na kterou se polotovar zahřívá. b) Počáteční tvářecí teplota (PTT) je teplota v počátku tváření. c) Dolní tvářecí teplota (DTT) je nejnižší dovolená teplota při tváření. d) Dotvářecí teplota (DT) je teplota na konci tváření.4
Obr. 2.25.1.1 Tvářecí teploty ocelí4
2.25.2 Zásady pro stanovení tepelných podmínek pro kování ocelí a)
Ocel
je
nejlépe
tvárná
v oblasti
tuhého
roztoku
γ.
Oceli
podeutektoidní mezi bodem A3 a A1 jsou směsi austenitu a feritu, avšak
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 43
tváření se blíží tváření za studena. To platí obzvláště u nízkouhlíkové oceli při nižším stupni deformace, kdy může nastat zhrubnutí zrna, což způsobí značný pokles houževnatosti. S rostoucím obsahem uhlíku se vliv hrubé rekrystalizace zmenšuje. Od obsahu 0,25 % C přestává být tváření v oblasti mezi A3 a A1 nebezpečné. V těchto oblastech se provádí dokončovací operace proto, aby snížená tvárnost nebyla příčinou vnitřních trhlin. b) Zhrubnutí zrna je následkem dlouhé prodlevy na vysokých teplotách. Při velkém stupni deformace během tváření dochází ke zjemnění zrna. Zrno zůstává zhrublé a pro jeho zjemnění musí následovat tepelné zpracování v případě, že je stupeň deformace malý. Proto se kovací teploty přizpůsobují stupni deformace, jedná se zejména o konečné teploty. c) Vysoké kovací teploty způsobují opal nebo místní spáleniny. d) Kovací teploty mají vliv i na vnitřní pnutí výkovku. Za předpokladu, že jsou dokončovací teploty dostatečně vysoké, dojde k vyrovnání pnutí vlastní teplotou. e) Austenitické oceli nemají fázovou přeměnu, a proto je nutné postupovat opatrně, protože jsou náchylné k růstu zrn a tím i k přehřátí. f) U uhlíkatých nástrojových ocelí (nadeutektoidní oceli) se volí nižší kovací teploty, protože se kováním rozrušují tvrdší karbidické složky. Dolní hranice tvářecí teploty je nad bodem A1. Volbou nižších kovacích teplot se zamezuje oduhličení povrchu. g) Při kování polotovaru odlitku volíme teplotu o 100 – 150 °C nižší než u polotovaru již tvářeného.11 2.25.3 Doba ohřevu Při
ohřevu
se
musí
dosáhnout
požadované
tvářecí
teploty,
co nejmenšího tepelného pnutí, rovnoměrného prohřátí za nízké energetické náročnosti, co nejnižší oxidace a oduhličení. U některých legovaných ocelí se ještě požaduje dosažení strukturních změn a rozpuštění karbidů. Ohřev těles je různý a volí se zejména v závislosti na hmotnosti a rozměrech polotovaru. Stanovení technologického postupu u menších polotovarů probíhá za pomoci tabulek a diagramů. U větších polotovarů je stanovení
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 44
technologického postupu obtížné, a proto jsou preferovány teoretické výpočty a simulace. Větší polotovary a ingoty se vkládají do pece, která je vyhřátá na teplotu 300 až 500°C s následným ohřevem na horní tvářecí teplotu. Tenká tělesa se vkládají do pece, která je vyhřátá na horní tvářecí teplotu.4 2.25.4 Rychlost ohřevu Rychlost ohřevu je závislá na teplotní vodivosti, na vlastnostech ohřívaného materiálu a na rozměrech polotovaru. Kratší doba ohřevu je zajištěna větší rychlostí ohřevu, ale v ohřívaném tělese tak vznikají tepelná pnutí. Aby se tepelná pnutí udržela v přijatelných mezích, probíhá předehřev polotovaru v peci se sníženou sázecí teplotou.4
2.26 Průvodní jevy ohřevu Průvodní nežádoucí a částečně destruktivní jevy jsou: opal (kap. 2.26.1) oduhličení (kap. 2.26.2) přehřátí a spálení (kap. 2.26.3). 2.26.1 Opal Každým ohřevem je povrch materiálu změněn na oxidy. Při tváření se neustále odlupuje ve formě
šupin, kterým se říká okuje. Dochází
tak ke ztrátám, kterým se říká ztráty opalem (uvádí se 3 % hmotnosti polotovaru). Opal vzniká oxidací povrchových vrstev ohřívaného tělesa v pecní atmosféře, která obsahuje volný kyslík, oxid uhličitý a vodní páru. Vznikají tak oxidy železa (obr. 2.26.1.1). Neustálým opadáváním okují z povrchu ohřívaného tělesa se oxidace tělesa urychluje. Mezi nepříznivé důsledky opalu patří ztráta kovu, snížení životnosti pecní nístěje, snížení životnosti tvářecích nástrojů,
možnost
zatlačení
okují
do
povrchu
tvářeného
polotovaru
a nezbytnost čistění povrchu tvářených výrobků před dalším tvářením. Množství vzniklých okují závisí na ohřívací teplotě, době předehřevu, pecní atmosféře a chemickém složení daného materiálu.4
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 45
Obr. 2.26.1.1 Molární podíl jednotlivých složek okují v závislosti na teplotě4
2.26.2 Oduhličení Ocel je oduhličována vlivem působení CO2 a H2O, dále pak O2 a H2. To se projevuje snížením pevnosti, povrchové tvrdosti a dalších vlastností závislých na obsahu uhlíku. Při dolní tvářecí teplotě dochází převážně k oduhličení, jehož hloubka může dosáhnout až 2 mm. Na horní tvářecí teplotě převládá oxidace. Přísadové prvky jako jsou Si, W, Mo podněcující aktivitu uhlíku v austenitu, čímž podporují oduhličení. Opačný účinek má chrom.4 2.26.3 Přehřátí a spálení Přehřátí oceli vzniká ohřevem těsně nad horní tvářecí teplotou. Dochází k hrubnutí austenitického zrna a při jeho následném ochlazování dochází k překrystalizaci a vzniká tak jehlicovitá struktura, která má nepříznivé vlastnosti. Jedná se o první stádium, které je označováno jako přehřátí bez ovlivnění hranic zrn. Snížená houževnatost se napravuje normalizačním žíháním. Druhé stadium je označováno jako přehřátí s ovlivněním hranic zrn a dochází k trvalému znehodnocení oceli. Pod teplotou solidu se rozpouští v oceli síra a difunduje na hranice zhrublého austenitického zrna s nižší povrchovou energií. Následným ochlazováním je síra vylučována na hranice austenitického zrna v podobě sulfidů. Tyto sulfidy ve zvýšené koncentraci oslabují soudržnost feritického síťoví a tím snižují plastické vlastnosti oceli.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 46
Ke spálení oceli dochází důsledkem ohřevu za teploty blízké teplotě solidu. Poté nastává její naprosté znehodnocení následkem natavení hranic zrn, kde se kromě dříve rozpuštěné síry rozpouští vlivem difuze z nitra zrn fosfor.4
2.27 Smrštění Při chladnutí výkovku dochází k jeho smrštění. Proto se při konstrukci zápustky rozměry výkovku zvětšují o hodnotu smrštění, protože tvar výkovku dává zápustka polotovaru v teplém stavu. Zvětšují se všechny rozměry přesahující
10
mm.
Smrštění
se
nevztahuje
na
spojovací
rádiusy.
Např. u výkovků středněuhlíkových a nízkouhlíkových ocelí za teploty 900 °C dojde po vychladnutí ke zmenšení asi o 1 % a u austenitických ocelí asi o 1,6 %.2 Pro
stanovení
konečných
hodnot
smrštění
se
musí
zvážit
vliv materiálu i tvaru výkovku. Hodnota smrštění je funkcí tvářecí teploty. U výkovků kovaných za nejmenších teplot se uvažuje smrštění s hodnotami o třetinu nižšími. A u výkovků jako je ojnice či páka se hodnota smrštění na největším délkovém rozměru zvětší o 50 % (u běžných ocelí maximálně o 1,8
%).
Daná problematika
je
podrobněji
zpracována
v
normách
ČSN 22 8306 a ČSN 22 8308.18
2.28 Předehřev zápustek Vysokolegované nástrojové oceli mají po tepelném zpracování poměrně nízkou houževnatost, a právě proto se zápustky před kování předehřívají na 200 – 300 °C. Jestliže by nebyla zápustka předehřána, došlo by k jejímu prasknutí. Předehřev snižuje teplotní gradient mezi povrchem dutiny a jádrem. Rovněž se snižují i tepelná pnutí a zmenšuje se přestup tepla při styku výkovku se zápustkou. Pomalejší snižování teploty výkovku brání vzrůstu pevnosti tvářeného materiálu, a tím i zvyšování měrných tlaků v dutině zápustky. Opotřebení dutiny zápustky je nižší.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 47
Ohřívání zápustek na teploty vyšší než 300 °C není účelné ani hospodárné. Maxima houževnatosti ocelí pro práci za tepla se obvykle dosahuje při již zmiňovaných teplotách 200 – 300 °C. Při teplotách nad 300 °C se houževnatost již nezvyšuje, ale dokonce dochází k jejímu určitému poklesu.2
2.29 Ohřívací zařízení V současné době se k ohřevu kovu pro tváření používají plynové a elektrické pece. Plynové komorové a průchozí pece jsou konstrukčně řešeny s přímým nebo nepřímým vyhříváním. V plynových pecích s přímým topením je materiál značně oxiduje, protože je vystaven účinkům plamene a splodin, které vznikají hořením. V plynových pecích s nepřímým topením je materiál uložen ve skříních a pouzdrech a je tak chráněn před přímým účinkem hoření a splodin. Ohřev je realizován teplem, které vyzařuje ze žhavých stěn pece. K oxidaci dochází jen v omezené míře. Pece komorové jsou konstrukčně jednoduché, ale ohřev i průchod materiálu není kontinuální a vsázka se vkládá i odebírá z jednoho místa. V průchozích pecích materiál prochází prostorem pece požadovanou rychlostí a tím se ohřívá na příslušnou teplotu. Tyto pece lze rozdělit podle posouvání materiálu a konstrukčního uspořádání na pece strkací, narážecí, kotálecí, karuselové a talířové. Ohřev elektrickou energií dělíme na nepřímý, přímý a indukční. U nepřímého ohřevu elektrickou energií vzniká teplo průchodem elektrického proudu topnými spirálami. Topné odporové elementy mohou mít libovolný tvar. U přímého ohřevu elektrickou energií vede přímo ohřívaným polotovarem elektrický proud. Průchodem proudu vzniká odpor, kterým se těleso zahřívá na požadovanou teplotu tváření. Používá se nízké napětí 5 -10 V, ale vysoké proudy 100 – 1000 A. U indukčního ohřevu se indukují proudy přímo v ohřívaném předmětu na základě jeho ohmického odporu. Polotovar je umístěn v cívce induktoru, ta je připojena na zdroj střídavého proudu. Hloubka Účinek (hloubka) je přímo závislý na frekvenci proudu a na měrném
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 48
odporu ohřívaného kovu. Obecně lze říci, že čím je frekvence proudu vyšší, tím je i hloubka, do které indukovaný proud působí, menší.1
2.30 Dělení výchozího materiálu Způsoby dělení materiálu jsou převážně: řezání (kap. 2.30.1) stříhání (kap. 2.30.2) lámání (kap. 2.30.3). 2.30.1 Řezání Pro řezání se používá nejrůznějších druhů pil (rámové, pásové a kotoučové), ale i kyslíkoacetylenový plamen. Ten se ovšem využívá u polotovarů větších průřezů v podmínkách malosériové výroby. Řezání na pilách se uplatňuje především u neželezných kovů a slitin, které nelze dělit stříháním, protože jejich nízká pevnost vede ke vzniku nežádoucích otlaků. Rovněž se řežou vysokouhlíkové a legované oceli, ale i běžné konstrukční oceli o velkém průměru.4 Nevýhody: - V místě řezu vzniká prořez, jehož tloušťka je dána tloušťkou řezného nástroje. - V porovnání s ostatními způsoby dělení je u řezání nízká výkonnost. - Při řezání je velká spotřeba řezných nástrojů. Výhody: - Na řezaném polotovaru nevznikají nežádoucí deformace. - Řezná plocha má vysokou jakost, kolmost k podélné ose polotovaru a minimální rozměrové úchylky délky nařezaných polotovarů.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 49
2.30.2 Stříhání Stříhání se provádí na nůžkách, které jsou v podstatě výstředníkové lisy různé konstrukce. Dají se tak dělit ocelové tyče o tloušťce t o ≥ 15 mm, přičemž nejkratší délka stříhaného polotovaru je vzhledem k tloušťce dána vztahem uvedeným níže.
l o ≥ 0,6t o [mm]
(2.24)
Pro stříhání můžeme použít i klikové lisy, kde dochází k dělení materiálu ve zvláštních přípravcích. A to zejména pro dělení ocelových tyčí malé tloušťky
t o < 40
mm,
přičemž
nejkratší
délka
stříhaného
polotovaru
je vzhledem k tloušťce dána vztahem uvedeným níže.
l o ≥ 0,3t o [mm]
(2.25)
Převážná většina nízkolegovaných a nízkouhlíkových ocelí je stříhána za studena. Středně uhlíková ocel o velké tloušťce a v některých případech i tyče z nízkouhlíkové oceli se ohřívají na teplotu 300 °C, kdy je ocel nejkřehčí. Tím se dosáhne příznivého vzhledu střižné plochy bez větších otlaků. Vysokouhlíkové a legované oceli se ohřívají na teploty 300 – 400 °C v závislosti na chemickém složení oceli a na tloušťce tyče.4 Nevýhody: - Střižná plocha má sníženou jakost (není zcela rovná a kolmá k podélné ose tyče). Výhody: - Stříhání je nejlevnější a velmi hospodárný způsob dělení tyčových polotovarů. - Je velmi produktivní. - V místě střihu nedochází ke vzniku odpadu.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 50
2.30.3 Lámání Lámání je založeno na koncentraci napětí, která vznikají při ohybu tělesa. Těleso je opatřeno zářezem a k porušení soudržnosti kovu dochází v místě kořene vrubu. Zde je výrazná koncentrace napětí, ta způsobí prudký pokles plasticity. Vzniká trhlina, která se šíří rychlostí až 1000 m.s-1. Lámání se uskutečňuje za studena na klikových, výstředníkových nebo hydraulických lisech.4 Nevýhody: - Lomová plocha není ideálně rovná. - Na lámaném tělese se musí zhotovit vrub. - Lámání lze použít pro tyče vyšší pevnosti, o tloušťce 70 až 300 mm a štíhlosti l o / t o ≥ 1,2 . Výhody: - Lámání se vyznačuje vysokou výrobností. - Je zde nižší energetická náročnost než u stříhání.
2.31 Simulace Simulace výrobních procesů řeší problémy širokého spektra. Používá se ve fázi přípravy výroby a přispívá ke značnému zvýšení produktivity, k získání rychlých výsledků pro různé varianty, k ověření a k získání většího přehledu o procesu. Simulací se získá komplexní pohled na studovaný problém, což umožňuje jeho analýzu na základě více kriterií. To přispívá k minimalizaci chybných rozhodnutí a dá se tak předejít eventuálním dodatečným opravám tvářecích nástrojů, které jsou náročné časově i ekonomicky. Chování tvářeného materiálu tak lze studovat v reálném, zrychleném nebo zpomaleném čase. Rovněž se simulují velmi složité technologické operace, které by se daly obtížně řešit analytickými metodami. Po provedení simulačního výpočtu lze pak během několika minut simulovat průběh celé technologické operace. Aby se simulace dala do chodu, musí
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 51
být provedena důkladná analýza zkoumaného problému včetně sestavení geometrického modelu. Nejvíce simulačních softwarů používá k výpočtu metodu konečných prvků, která numericky řeší napjatosti, deformace, teplotních polí, hlukovou analýzu a to za podmínek lineárního chování materiálu. Konečné prvky se získávají rozkladem oblasti na jednotlivé (troj, čtyř a šestiúhelníkové) prvky. Na hranici prvků musí být vždy splněn požadavek spojitosti. Přínosy i náklady se liší případ od případu a nedají se předem jednoznačně určit. Zkušenost ukazuje, že při včasném a správném nasazení simulace je možné dosáhnout přínosů několikanásobně vyšších, než jsou náklady s ní spojené. Kvalitativní faktory přitom mohou vést ještě k dalšímu výraznému zlepšení ekonomických výsledků.12
FSI VUT
3
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 52
STÁVAJÍCÍ MOŽNOSTI VÝROBY Opěra bude vyráběna v sérii 95 000 kusů za rok a lze ji u konvenčních
způsobů výroby vyrábět: obráběním (kap. 3.1) odléváním (kap. 3.2) objemovým tvářením (kap. 3.3).
3.1 Třískové obrábění Nevýhody: - Výroba je omezena výrobními kapacitami, jejichž rozšíření je ekonomicky velmi náročné - Porušení vláken materiálu (menší pevnost). - Značné množství odpadu (pohybuje se okolo 50 %). - Velká časová náročnost. - Značná pracnost. - Častá výměna nástrojů z důvodu otupování. Výhody: - Vysoká přesnost. - Vysoká jakost povrchu. - Nízká cena nástrojů. - Dobré mechanické vlastnosti výrobku. - Dobrá produktivita v případě dostatečných výrobních kapacit (vhodnost pro malé a kusové série).
3.2 Odlévání Nevýhody: - Velké náklady na zavedení a průběh výroby (náklady na materiál, formu, odlévání a výrobní režie). - Energetická náročnost. - Značné požadavky na kvalitu pracovního prostředí.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 53
- Nutnost obrábění všech funkčních ploch. - Horší mechanické a fyzikální vlastnosti materiálu v porovnání s technologií kování (výskyt vměstků, nečistot, staženin, bublin, zbytkového napětí atd.). Výhody: - Vysoká přesnost u speciálních technologií. - Malá zmetkovitost. - Dobrá produktivita výroby. - Vysoké využití materiálu.
3.3 Objemové tváření Nevýhody: - Velké náklady na zavedení a průběh výroby (náklady na materiál, zápustku, kování a výrobní režie). - Energetická náročnost. - Zbytková napětí v materiálu. Výhody: - Vysoká produktivita (velké série shodných součástí) - Malá zmetkovitost. - Vysoká přesnost. - Vysoké využití materiálu. - Malé přídavky a nízké množství odpadu při obrábění. - Hlavní přínos je prokování. - Velmi dobré mechanické vlastnosti (tvrdost, pevnost). - Podélná vlákna dostanou nový tvar (na rozdíl od třískového obrábění).
3.4 Návrh technologie výroby Výkres
opěry
pochází
z komerční
kovárny.
Ročně
se
musí
vyprodukovat série 95 000 kusů. Z povahy výkresu vyplývá, že součást bude značně mechanicky namáhána. Nejvhodnějším způsob výroby tělesa držáku bude objemové tváření (zápustkové kování na lisu). Tato technologie byla
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 54
zvolena nejen z důvodu vysoké produktivity a značné úspory materiálu, ale především již zmíněného prokování (obr. 3.4.1) a velmi dobrým mechanickým vlastnostem.
Obr. 3.4.1 Struktura oceli po prokování2
V následujících bodech bude řešena výroba pomocí zápustkového kování na bucharu.
FSI VUT
4
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 55
TECHNOLOGICKÝ POSTUP ZÁPUSTKOVÉHO KOVÁNÍ Technologický postup zápustkového kování pro výrobu zadané součásti
opěry je na níže uvedeném obrázku (obr. 4.1). 1. Výkres výkovku 2. Výchozí polotovar 3. Dělení materiálu 4. Ohřev pro kování 5. Zápustkové kování 6. Ostřižení 7. Tepelné zpracování 8. Úprava zápustkových výkovků 9. Výstupní kontrola 10. Balení a expedice Obr. 4.1 Technologický postup zápustkového kování
4.1 Výkres výkovku Výkres opěry pochází z komerční kovárny a obsahuje všechny potřebné kovářské přídavky na obrábění ploch, boční úkosy i zaoblení hran. Dle norem ČSN 42 9002 a ČSN 42 9030 se stanoví: zařazení výkovku podle složitosti tvaru (kap. 4.1.1) stupeň přesnosti pro obvyklé provedení (kap. 4.1.2) mezní úchylky a tolerance rozměrů (kap. 4.1.3) dovolené přesazení, otřep, sestřižení, jehla a průhyb (kap. 4.1.4). 4.1.1 Zařazení výkovku podle složitosti tvaru Pomocí normy ČSN 42 9002 je výkovek zařazen podle složitosti tvaru a odpovídá mu číslo 5420-4, kde: Tvarový druh má hodnotu 5 – výkovky kruhovitého průřezu duté Tvarová třída má hodnotu 4 – oboustranně osazené
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 56
Tvarová skupina má hodnotu 2 – rozměry H ≤ D a H > 2H1 Tvarová podskupina má hodnotu 0 – bez přesahu Technologické hledisko má hodnotu 4 – výkovky s dělicí plochou kolmou na hlavní osu nesouměrné 4.1.2 Stupeň přesnosti pro obvyklé provedení Stupeň přesnosti pro obvyklé provedení se určí z normy ČSN 42 9030 pomocí čísla pro zařazení složitosti výkovku. Z uvedené normy vyplývá stupeň přesnosti kolmosti IT5 a rovnoběžnosti IT6. 4.1.3 Mezní úchylky a tolerance rozměrů Mezní úchylky a tolerance rozměrů se stanovují z normy ČSN 42 9030. 1,9 Pro rozměr ve směru kolmo k rázu XX + −1,0 , tolerance je 2,9 mm a pro rozměr 2,9 ve směru rázu XX + −1,5 , tolerance je 4,4 mm. Mezní úchylky u zaoblení do 10 mm (R5, R6 a R10) jsou u zaoblení hran r + 0,25 a u přechodů R + 0,50 , − 0,50 − 0,25 zaoblení do 32 mm (R20) jsou u zaoblení hran r + 0,20 a u přechodů R + 0,40 − 0,40 − 0,20 a zaoblení do 100 mm (R36) jsou u zaoblení hran r + 0,15 a u přechodů − 0,30
R + 0,30 . − 0,15 4.1.4 Dovolené přesazení, otřep, sestřižení, jehla a průhyb Podle normy ČSN 42 9030 je dovolené přesazení pp, otřep, sestřižení gos a dovolený průhyb -1,0 mm. Dovolená jehla aj = 2,9 mm.
4.2 Materiál výkovku – ocel 12 010 Materiál výkovku je ocel 12 010. Oceli třídy 12 nejsou legované, ale mají přesněji určené chemické složení. Přesný obsah uhlíku umožňuje
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 57
jejich tepelné zpracování. Ocel 12 010 je vhodná k cementování a kalení. Používají se nejčastěji na součásti s povrchem odolným proti opotřebení (pastorky, ozubená kola, řetězová kola, vačky, vačkové hřídele, čelisti, šneky a další). Chemické složení je C = 0,07–0,14 %, Mn = 0,35–0,65 %, Si = 0,15–0,40 %, Cr = max. 0,15 %, Ni = max. 0,30 %, Cu = max. 0,30 %, P = max. 0,040 % a S = max. 0,040 %. Pevnost ve střihu Rstř = 320 MPa, tažnost A = 30 %, pevnost v tahu za normální teploty Rm = 400 MPa a pevnost materiálu za kovací teploty je σs = 34 MPa.19
4.3 Volba kovací teploty Z normy ČSN 22 8306 se stanoví optimální počáteční kovací teplota, která je pro daný materiál 1150 °C (σs = 34 MPa). Konečná kovací teplota je cca 1050 °C (σs = 48,25 MPa). Minimální kovací teplota dle platné ČSN je 750 °C.
4.4 Tvářecí síly Pro
správné
určení
tvářecího
stroje
je
nezbytné
stanovit
tzv. energosilové výpočty, které se vztahují k danému typu tvářecího stroje. U lisů se uvádí tvářecí síla a u bucharů deformační práce. V následujících bodech bude síla spočtena pomocí vzorce (kap 4.3.1) a stanovena pomocí normy (kap. 4.3.2). 4.4.1 Výpočet tvářecí síly Tvářecí síla pro osově souměrné výkovky se vypočítá ze vztahu (2.20), kde hodnota σsR se stanovuje pomocí Rebeljskiho diagramu. 2
⎛ 0,02 ⎞ ⎟⎟ SV .σ sR F = 8(1 − D D ).⎜⎜1,1 + D D ⎠ ⎝ 2
0,02 ⎞ ⎛ F = 8(1 − 0,3298).⎜1,1 + ⎟ 0,0854.72 0,3298 ⎠ ⎝ .
F = 44,41MN
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 58
4.4.2 Stanovení tvářecí síly Pomocí normy ČSN 22 8306 je stanovena podle nomogramu (obr. 4.3.2.1) hodnota tvářecí síly F=45MN.
Obr. 4.3.2.1 Nomogram pro určení tvářecí síly18
4.5 Volba lisu Na základě vypočtené tvářecí síly a možnosti širšího využití v budoucím výrobním programu byl zvolen svislý kovací lis LMZ 6500B firmy Šmeral Brno
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 59
a.s., který dosahuje jmenovité tvářecí síly 65 MN. Další parametry jsou zpracovány v tabulce (tab. 2). Tab. 2 Parametry lisu LMZ 6500B
Pracovní rozsah Tvářecí síla 65,0 [MN] Sevření 1150 [mm] Průchod 2100 [mm] Stůl Upínací plocha 1950x1900 [mm] Beran Upínací plocha 1900x1700 [mm] Přestavitelnost 20 [mm] Zdvih 450 [mm] Počet zdvihů 40 [1/min] Stroj Celkový instalovaný výkon 420,0 [kW]
4.6 Výchozí polotovar Objem polotovaru zahrnuje: určení objemu výkovku (kap. 4.6.1) určení tvaru, rozměrů a objemu výronkové drážky (kap. 4.6.2) určení tvaru, rozměrů a objemu blány (kap. 4.6.3) určení objemu přídavku na propal (kap. 4.6.4). 4.6.1 Určení objemu výkovku Výpočet objemu výkovku byl realizován v programu AutoCAD (obr. 4.6.1.1). VV = 3055901,54 mm3
Obr. 4.6.1.1 Výkovek opěra
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 60
4.6.2 Určení tvaru, rozměrů a objemu výronkové drážky Tvar a rozměry výronkové drážky se určí podle normy ČSN 22 8306. Pro výkovek opěry byl zvolen obvyklý typ výronkové drážky (obr. 4.6.2.1).
Obr. 4.6.2.1 Obvyklý typ výronkové drážky18
h – výška výronku
5 mm
b – šířka můstku
8 mm
r – přechod tvaru do dělicí plochy
2,5 mm
n - hloubka zásobníku se vypočítá ze vztahu (2.10):
n = 0,4.h + 2 n = 0,4.5 + 2 n = 4mm Objem výronku je dán vztahem (2.11):
⎡ ⎛ Vvýr = o ⎢b.h + ⎜ n + ⎝ ⎣
h⎞ ⎤ ⎟B 2 ⎠ ⎥⎦
⎡ 5⎞ ⎤ ⎛ Vvýr = 2.329,76 ⎢8.5 + ⎜ 4 + ⎟20⎥ 2⎠ ⎦ ⎝ ⎣ Vvýr = 112118,4mm
3
4.6.3 Určení tvaru, rozměrů a objemu blány Pro výkovek opěry je zvolen tvar s úkosem do středu (obr. 4.6.3.1).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 61
Obr. 4.6.3.1 Blána s úkosem do středu3
Rozměry blány jsou dány vztahy (2.2), (2.3) a (2.4), kde hodnota tloušťky blány se určí ze vztahu (2.1):
Sb = 0,45 D − 0,25h − 5 + 0,6 h Sb = 0,45 82 − 0,25.18 − 5 + 0,6 18 .
Sb = 6,4mm S min = 0,65S b = 0,65.6,4 = 4,16mm
S max = 1,35Sb = 1,35.6,4 = 8,64mm d1 = 0,12d + 3 = 0,12.82 + 3 = 12,84mm Výpočet
objemu
blány
byl
realizován
v
programu
AutoCAD
VBl = 58794,84 mm3. 4.6.4 Určení objemu přídavku na propal Objem přídavku na propal je dán vztahem uvedeným níže.
VP = (VV + Vvýr + VBl )
δ 100
[mm3]
(4.1)
Na základě běžných zvyklostí a s ohledem na literaturu je hodnota propalu volena δ = 3. Jedná se o ohřev v plynové peci.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
VP = (VV + Vvýr + VBl )
List 62
δ 100
VP = (3055901,54 + 112118,4 + 58794,84)
3 100
.
VP = 96804,44mm3
4.6.5 Celkový objem polotovaru Celkový objem polotovaru je dán součtem jednotlivých objemů.
VC = VV + Vvýr + VBl + V p [mm3]
(4.2)
VC = 3055901,54 + 112118,4 + 58794,84 + 96804,44 .
VC = 3323619,22mm 3
4.7 Volba polotovaru Průměr kruhového polotovaru se stanovuje ze vztahu uvedeného níž.
D ´ pol = k .3
VC [mm] m
(4.3)
D´pol je vypočítaný průměr kruhového polotovaru (mm), k je tvarový součinitel (pro čtvercový průřez je k = 1 a pro kruhový průřez je k = 1,08), VC je celkový objem (mm3) a m je štíhlostní poměr (ztráta stability ve vzpěru vlivem nekontrolovatelného vybočení do stran v počátku pěchování), který musí být v mezích 2,8-1,5 a je dán vztahem:
m=
L pol D pol
= 2,8 − 1,5 [-]
(4.4)
Lpol je délka polotovaru (mm) a Dpol je volený průměr kruhového polotovaru (mm).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 63
Na základě běžných zvyklostí je zvolena hodnota m = 2. Dosaženým do vztahu (4.3) zjistíme Dpol.
VC m
D´ pol = k .3
3323619,22 2
D´ pol = 1,08.3 .
D´ pol = 127,92mm
Dpol je zvoleno podle rozměrové normy kruhových tyčí ČSN 42 5510, tedy Dpol = 130 mm. Délka polotovaru je stanovena ze vztahu:
L pol =
VC
π
D
[mm]
2
(4.5)
pol
4 VC
je
celkový
objem
(mm3)
a
Dpol
je
volený
polotovaru (mm). Dosazením do vztahu (4.5) zjistíme Lpol.
L pol =
L pol
VC
π
D
2 pol
4 3323619,22 = π 130 2 4 .
L pol = 250,40mm
Délka polotovaru byla stanovena na Lpol = 251 mm.
průměr
kruhového
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 64
Pro kontrolu štíhlosti platí již zmiňovaný vztah (4.4).
m= m=
L pol D pol 251 130
.
m = 1,93
Poměr Lpol ku Dpol se pohybuje ve výše uvedeném rozmezí m = 2,8-1,5. Zvolený polotovar je tyč Ø130 – 251 ČSN 42 5510, která má drsný a oduhličený povrch, trhlinky, prohlubeniny po zaválcovaných okujích a otlaky nebo vyvýšeniny způsobené výrobním zařízením. Tyče se dodávají převážně ve výrobních délkách 3-6 m. Přesnost rozměrů profilu je odlišná podle druhů ocelí a tvarů tyčí a pohybuje se obvykle od úchylek ± 0,4 mm (pro nejmenší rozměry) do úchylek ± 2,5 mm (u profilu 200 mm).
4.8 Volba způsobu dělení materiálu Materiál Ø 130 ČSN 42 5510 bude dělen po délkách 251 mm. Pro stříhání musí být splněna podmínka (2.24), kde se posuzuje nejkratší délka stříhaného polotovaru lo vzhledem k tloušťce to.4
lo ≥ 0,6t o 251 ≥ 0,6.130 251 ≥ 78 Tato podmínka je splněna a materiál bude dělen pomocí stříhání na strojních nůžkách ScK 1000 s předehřevem na teplotu 450 °C.
4.9 Určení počtu operací Zadaná součást (opěra) bude zhotovena na čtyři operace. a) Pěchování s předznačením – polotovar bude spěchován s předznačením (obr. 4.9.1).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 65
Obr. 4.9.1 Stav po pěchování
b) Předkování – předkovek se umístí do předkovací dutiny spodní stranou vzhůru z důvodu jeho vystředění. Tvar po předkování je uveden na obrázku níž (obr. 4.9.2).
Obr. 4.9.2 Stav po předkování
c) Kování – v dokončovací dutině (obr. 4.9.3).
Obr. 4.9.3 Stav po kování
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 66
e) Ostřižení – dojde k ostřižení výronku a blány (obr. 4.9.4).
Obr. 4.9.4 Stav po ostřižení
4.10 Výpočet střižné síly Obecně platí, že větší výkovky a výkovky s obsahem C větším než 0,5 %
se
ostřihují
za
tepla.
Výkovky
s menším
obsahem
C než 0,5 % lze ostřihovat i za studena. Střižná síla je dána vztahem uvedeným níže.
FStř = 1,7.0,8.Rm .(o.2h + ob .2S max ) [N]
(4.6)
Jelikož se jedná o druh střihání, při kterém střižník jen tlačí na výkovek a nedosedá na střižni, tak se síla 1,7x zvětšuje. 0,8.Rm je pevnost materiálu ve střihu (Rm = 400 MPa), o je obvod výkovku v dělicí rovině (mm), h je výška výronkové drážky (mm), ob je délka střihu blány (mm) a Smax je maximální šířka blány (mm). Z důvodu bezpečnosti se dvojnásobně zvětšují hodnoty výšky výronkové drážky a šířky blány.8
FStř = 1,7.0,8.Rm .(o.2h + ob .2 S max ) FStř = 1,7.0,8.400.(π .329,76.2.5 + π .77,97.2.8,64) .
FStř = 7938293,7 N .
FStř = 7,94 MN
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 67
4.11 Volba ostřihovacího lisu Velikost ostřihovacího stroje je závislá na velikosti střižné síly, proto byl zvolen ostřihovací lis LDO 800 A/S firmy Šmeral Brno a.s., který dosahuje jmenovité tvářecí síly 8 MN. Další parametry jsou zpracovány v tabulce (tab. 3). Tab. 3 Parametry ostřihovacího lisu LDO 800 A/S20
Pracovní rozsah Tvářecí síla 8,0 [MN] Sevření 880 [mm] Průchod 1900 [mm] Stůl Upínací plocha 1870x1300 [mm] Beran Upínací plocha 1870x1300 [mm] Přestavitelnost 180 [mm] Zdvih 320 [mm] Počet zdvihů 33 [1/min] Stroj Celkový instalovaný výkon 62,0 [kW]
FSI VUT
5
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 68
SIMULACE Simulace byla zpracována v programu QFORM a prokázala správnost
navržení dutin zápustek (výkovky bez vad a přeložek). Jako výstup programu QFORM byly vybrány mřížky rastru, vektory rychlostí, teploty, efektivní přetvoření a přetvárný odpor. Příloze jsou dále uvedeny jednotlivé rychlosti přetvoření, znázornění průběhu třetí operace a detail výronkové drážky.
5.1 Mřížka rastru Mřížka rastru v jednotlivých fázích kování je znázorněna na obrázku uvedeném níže (obr. 5.1.1). Zobrazuje vodorovné i svislé osnovy čar rastru deformovaného objektu.
Obr. 5.1.1 Mřížka rastru v jednotlivých fázích kování
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 69
5.2 Vektor rychlosti Vektor rychlosti v jednotlivých fázích kování je znázorněn na obrázku uveden níže (obr. 5.2.1). Zobrazuje vektorové pole rychlostí uzlů sítě deformovaného objektu.
Obr. 5.2.1 Vektory rychlosti v jednotlivých fázích kování
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 70
5.3 Teplota Teplota v jednotlivých fázích kování je znázorněna na obrázku uvedeném níže (obr. 5.3.1). Zobrazuje tedy vrstevnice rozložení teploty objektu.
Obr. 5.3.1 Teploty v jednotlivých fázích kování
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 71
5.4 Efektivní přetvoření Vrstevnice rozložení efektivního přetvoření v jednotlivých fázích kování jsou znázorněny na obrázku uvedeném níže (obr. 5.4.1).
Obr. 5.4.1 Efektivní přetvoření v jednotlivých fázích kování
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 72
5.5 Přetvárný odpor Vrstevnice rozložení přetvárného odporu v jednotlivých fázích kování jsou znázorněny na obrázku uvedeném níže (obr. 5.5.1).
Obr. 5.5.1 Přetvárný odpor v jednotlivých fázích kování
FSI VUT
6
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 73
EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ Na základě výpočtů (4.3 a 4.5) byla stanovena jako polotovar tyč
Ø130 – 251 ČSN 42 5510. Tyčovina bude dodávána firmou Ferona a.s. v délkách 6 m. Požadovaná roční produkce výkovků je 95 000 kusů. Za předpokladu zmetkovitosti 3 % činí požadovaná roční produkce 97 850 kusů.
6.1 Přímé náklady Skládají se z nákladů na materiál, mzdy a strojní vybavení. 6.1.1 Náklady na materiál: Počet odstřižků nt z jedné tyče se stanovuje ze vztahu uvedeného níže.
nt =
lCEL [ks] lo
nt =
6000 . = 23,9 ⇒ 23ks 251
(6.1)
lCEL je délka jedné tyče (mm) a lo je délka stříhaného polotovaru (mm). Celkový počet tyčí nCEL je dán níže uvedeným vztahem.
nCELK =
Qv [ks] nt
nCELK =
97850 . = 4254,35 ⇒ 4255ks 23
(6.2)
Qv je vyráběné množství výkovků (ks) a nt je počet odstřižků (ks). Procentuální využití materiálu Pt se stanovuje ze vztahu uvedeného níže.
Pt = Pt =
nt .lo .100 [%] lCEL . 23.251 .100 = 96,22% 6000
(6.3)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 74
nt je počet odstřižků (ks), lo je délka stříhaného polotovaru (mm) a lCEL je délka jedné tyče (mm). Celková cena materiálu NtC se vypočítá ze vztahu, který je uveden níže.
N tC = CM ⋅
lCEL ⋅ nCELK [Kč] 1000
N tC = 3530 ⋅
(6.4)
6000 ⋅ 4255 = 90120900Kč 1000
CM je cena jednoho metru tyče Ø130 ČSN 42 5510 a je rovna hodnotě 3 530 Kč. lCEL je délka jedné tyče (mm) a nCEL je celkový počet tyčí (ks). 6.1.2 Náklady na mzdy Na výrobě se budou podílet čtyři pracovníci, kteří budou zajišťovat ohřev materiálu, dělení materiálu, zápustkové kování a ostřižení. a) Dělení materiálu Čas strojní je dán následným vztahem.
t Ad =
Qd [hod] zd ⋅ 60
t Ad =
97850 . = 27,18hod 60 ⋅ 60
Kde tAd je strojní čas dělení materiálu (hod), Qd
(6.5)
je množství děleného
materiálu (ks) a zd je počet zdvihů lisu (1/min). Čas dávkový se stanoví z níže uvedeného vztahu.
t Bd =
t Bd =
(nCEL ⋅ t1d ) + t 2 d + t3d 60
= [hod]
(4255 ⋅ 20 ) + 120 + 30 =. 1420,83hod 60
(6.6)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 75
Kde tBd je dávkový čas dělení materiálu (hod), nCEL je celkový počet tyčí (ks), t1d je čas ustavení jedné tyče (min), t2d je čas ustavení a upnutí dělicího nástroje (min) a t3d je čas kontroly ustavení dělicího nástroje (min). Čas celkový pro dělení tcelkd (hod) je dán součtem strojního tAd (hod) a dávkového času tBd (hod).
t celk d = t Ad + t Bd [hod]
(6.7)
tcelk d = 27,18 + 1420,83 = 1448,01hod Celkové náklady mezd na dělení materiálu jsou dány vztahem uvedeným níže.
N mz d = tcelkd ⋅ Tkk [Kč]
(6.8)
.
N mz d = 1448,01 ⋅ 110 = 159281Kč Nmzd jsou celkové náklady mezd na dělení materiálu (Kč), tcelkd je celkový čas pro dělení (hod) a Tkk je průměrná hodinová mzda pracovníka (Kč/hod), jejíž výše je u dělení materiálu stanovena na 110 Kč/hod. b) Ohřívací zařízení Strojní čas ohřevu tAp (hod) je pro daný materiál jedna hodina. Ohřev je realizován v dávkách po cca 50 ks. Qv je vyráběné množství výkovků (ks).
t Ap =
QV 98750 = = 1975hod 50 50
(6.9)
Čas dávkový se stanoví z níže uvedeného vztahu.
t Bp = t Bp =
(n
p
⋅ t1 p ) + t 2 p 60
= [hod]
(1975 ⋅ 3) + 1 =. 98,77 hod 60
(6.10)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 76
Kde tBp je dávkový čas ohřevu materiálu (hod), np je celkový počet dávek (ks), t1p je čas ustavení jedné dávky na ohřev tj. 12 kusů (min) a t2p čas kontroly ustavení kusů na ohřev (min). Celkový čas pro ohřev tcelkp (hod) je dán součtem strojního tAp (hod) a dávkového času tBp (hod).
tcelk p = t Ap + t Bp [hod]
(6.11)
tcelk p = 1975 + 98,77 = 2073,77hod Celkové náklady mezd na ohřev materiálu jsou dány vztahem uvedeným níže.
N mz p = tcelkp ⋅ Tkk [Kč]
(6.12) .
N mz p = 2073,77 ⋅ 110 = 228115 Kč Nmzp jsou celkové náklady mezd na ohřev materiálu (Kč), tcelkp je celkový čas pro ohřev (hod) a Tkk je průměrná hodinová mzda pracovníka (Kč/hod), jejíž výše je u ohřevu materiálu stanovena na 110 Kč/hod. c) Zápustkové kování Čas strojní je dán vztahem:
t Ak =
3.QV [hod] zd ⋅ 60
t Ak =
97850 .3 . = 122,31hod 40 ⋅ 60
Kde tAk je strojní čas kování (hod), Qv
(6.13)
je vyráběné množství výkovků
(ks) a zd je počet zdvihů lisu (1/min). Čas dávkový se stanoví ze vztahu uvedeného níže.
t Bk =
t Bk =
(QV ⋅ t1k ) + (QV ⋅ t2 k ) + (QV ⋅ t3k ) + t4 k + t5k 60
[hod]
(6.14)
(97850 ⋅ 0,4) + (97850 ⋅ 0,2) + (97850 ⋅ 0,3) + 360 + 40 =. 1474,42hod 60
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 77
Kde tBk je dávkový čas kování (hod), Qv je vyráběné množství výkovků (ks), t1k je čas ustavení do první zápustky (min), t2k je čas ustavení do druhé zápustky (min), t3k je čas ustavení do třetí zápustky (min), t4k je čas ustavení a upnutí zápustek (min) a t5k je čas kontroly ustavení zápustek (min). Čas celkový pro kování tcelkk (hod) je dán součtem strojního tAk (hod) a dávkového času tBk (hod).
tcelk k = t Ak + t Bk [hod]
(6.15)
tcelk k = 122,31 + 1474,42 = 1596,73hod Celkové náklady mezd na kování jsou dány následujícím vztahem.
N mz k = tcelkk ⋅ Tkk [Kč]
(6.16) .
N mz k = 1596,73 ⋅155 = 247493 Kč Nmzk celkové náklady mezd na kování (Kč), tcelkk je celkový čas pro kování (hod) a Tkk je průměrná hodinová mzda pracovníka (Kč/hod), jejíž výše je u kování stanovena na 155 Kč/hod. d) Ostřižení Čas strojní je dán níže uvedeným vztahem.
t Ao =
QV [hod] zd ⋅ 60
t Ao =
97850 . = 54,36hod 30 ⋅ 60
Kde tA0 je strojní čas ostřižení (hod), Qv
(6.17)
je vyráběné množství výkovků
(ks) a zd je počet zdvihů lisu (1/min). Čas dávkový se stanoví z následujícího vztahu.
t Bo =
(QV ⋅ t1o ) + t2o + t3o 60
[hod]
(6.18)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
t Bo ==
List 78
(97850 ⋅ 0,4) + 120 + 20 =. 654,67hod 60
Kde tBo je dávkový čas ostřižení (hod), Qv je vyráběné množství výkovků (ks), t1o je čas ustavení pro ostřižení (min), t2o je čas ustavení a upnutí pro ostřižení (min) a t3o je čas kontroly ustavení pro ostřižení (min). Čas celkový pro ostřižení tcelko (hod) je dán součtem strojního tAo (hod) a dávkového času tBo (hod).
tcelk o = t Ao + t Bo [hod]
(6.19)
tcelk o = 54,36 + 654,67 = 709,03hod Celkové náklady mezd na ostřižení jsou dány vztahem uvedeným níže.
N mz o = tcelko ⋅ Tkk [Kč]
(6.20)
.
N mz o = 709,03 ⋅135 = 95719 Kč Nmzo jsou celkové náklady mezd na ostřižení (Kč), tcelko je celkový čas pro ostřižení (hod) a Tkk je průměrná hodinová mzda pracovníka (Kč/hod), jejíž výše je u ostřihování stanovena na 135 Kč/hod. e) Celkové náklady na mzdy Celkové náklady na mzdy Nmz (Kč), jsou dány jednotlivými součty nákladů mezd dělení materiálu Nmzd (Kč), ohřev materiálu Nmzp (Kč), zápustkové kování Nmzk (Kč) a ostřižení Nmzo (Kč).
N mz = N mz d + N mz p + N mz k + N mz o [Kč] N mz = 159281 + 228115 + 247493 + 95719 = 730608 Kč 6.1.3 Náklady na provoz strojního vybavení Jsou součtem veškerých nákladů na provoz strojního vybavení.
(6.21)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 79
a) Strojní nůžky SCK 1 000 Náklady
na
dělení
materiálu
pomocí
strojních
nůžek
SCK 1 000 se stanoví na základě vztahu uvedeného níže.
N nd = t Ad ⋅ N hsd [Kč]
(6.22)
N nd = 27,18 ⋅ 900 = 24462 Kč Nnd jsou strojní náklady nůžek SCK 1 000 (Kč), tAd je strojní čas dělení materiálu (hod) a Nhsd je strojní hodinová sazba strojních nůžek (Kč/hod), jejíž výše je u strojních nůžek stanovena na 900 Kč/hod. b) Ohřívací zařízení Náklady na ohřev materiálu se stanoví na základě vztahu uvedeného níže.
N np = t Ap ⋅ N hsp [Kč]
(6.23)
.
N np = 1975 ⋅ 2500 = 4937500 Kč Nnp jsou strojní náklady na ohřev (Kč), tAp je strojní čas ohřevu materiálu (hod) a Nhsp je strojní hodinová sazba pece (Kč/hod), jejíž výše je u strojních nůžek stanovena na 2500 Kč/hod. c) Svislý kovací lis LZK 6500B Náklady na zápustkové kování za pomoci svislého kovacího lisu se určí následujícím vztahem.
N nk = t Ak ⋅ N hsk [Kč]
(6.24)
N nk = 122,31 ⋅1800 = 220158 Kč Nnk jsou strojní náklady svislého kovacího lisu LZK 6500B (Kč), tAk je strojní čas kování (hod) a Nhsk je strojní hodinová sazba lisu (Kč/hod), jejíž výše je u svislého kovacího lisu LZK 6500B stanovena na 1800 Kč/hod.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 80
d) Ostřihovací lis LDO 800 A/S Náklady na ostřižení na ostřihovacím lisu LDO 800 A/S jsou dány následujícím vztahem.
N no = t Ao ⋅ N hso [Kč]
(6.25)
N no = 54,36 ⋅1400 = 76104Kč Nno jsou strojní náklady ostřihovacího lisu LDO 800 A/S (Kč), tAo je strojní čas ostřižení (hod) a Nhso je strojní hodinová sazba ostřižení (Kč/hod), jejíž výše je u ostřihovacího lisu LDO 800 A/S stanovena na 1400 Kč/hod. e) Celkové náklady provozu strojního vybavení Celkové náklady provozu strojního vybavení NS (Kč) jsou dány jednotlivými součty nákladů za provozy strojních nůžek SCK 1 000 Nnd (Kč), pece pro ohřev materiálu Nnp (Kč), svislého kovacího lisu LZK 6500B Nnk (Kč) a ostřihovacího lisu LDO 800 A/S Nno (Kč).
N S = N nd + N np + N nk + N no [Kč]
(6.26)
N S = 24462 + 4937500 + 220158 + 76104 = 5258224 Kč 6.1.4 Celkové přímé náklady Celkové přímé náklady NP (Kč), jsou dány součtem nákladů za materiál Ntc (Kč), mzdy Nmz (Kč) a provoz strojního vybavení NS (Kč).
N P = N tc + N mz + N S [Kč]
(6.27)
N P = 90120900 + 730608 + 5258224 = 96109732 Kč 6.1.5 Přímé náklady na jeden kus Přímé náklady na jeden kus jsou dány vztahem uvedeným níže.
N Pone =
NP [Kč] QV
(6.28)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
N Pone =
List 81
96109732 . = 982,5 Kč 97850
NPone jsou přímé náklady na jeden kus (Kč), Np jsou přímé náklady (Kč) a Qv je vyráběné množství výkovků (ks).
6.2 Nepřímé náklady Nepřímé náklady jsou stanoveny následujícím vztahem.
N nep = N nep =
N p ⋅ ( S prR + VvýrR ) 100
[Kč]
(6.29)
96109732 ⋅ (150 + 500) = 624713258 Kč 100
Nnep jsou nepřímé náklady (Kč), Np jsou přímé náklady, SprR je správní režie (%) zvolena 150 % a VvýrR je výrobní režie (%) zvolena 500%.
6.3 Variabilní náklady celkové variabilní náklady (kap. 6.3.1) variabilní náklady na jeden kus (kap. 6.3.2). 6.3.1 Celkové variabilní náklady Celkové variabilní náklady NV (Kč) jsou dány součtem nákladů přímých Np (Kč) a nepřímých Nnep (Kč).
NV = N P + N nep [Kč]
(6.30)
NV = 96109732 + 624713258 = 720822990 Kč
6.3.2 Variabilní náklady na jeden kus Variabilní náklady na jeden kus jsou dány vztahem uvedeným níže.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
NVone =
NV [Kč] QV
NVone =
720822990 . = 7367 Kč 97850
List 82
(6.31)
NVone jsou variabilní náklady na jeden kus (Kč), NV jsou celkové variabilní náklady (Kč) a Qv je vyráběné množství výkovků (ks).
6.4 Fixní náklady Jsou dány zejména cenou nástrojů. Ceny zápustek jsou pěchovací 1 800 000 Kč, předkovací 2 300 000 Kč a dokončovací 2 500 000 Kč. Nástroj pro ostřižení výronku a blány má pořizovací cenu 1 800 000 Kč. Ostatní fixní náklady
jsou
tvořeny
z mezd
správních
a
technicko-hospodářských
pracovníků, nájmu, leasingových poplatků apod. Tyto náklady jsou stanoveny na 20 000 000 Kč. Fixní náklady FN = 28 400 000 Kč.
6.5 Celkové náklady Celkové náklady NC (Kč) jsou dány součtem celkových nákladů variabilních NV (Kč) a fixních FN (Kč).
NC = NV + FN [Kč]
(6.32)
NC = 720822990 + 28400000 = 749222990 Kč
6.6 Celkové náklady na jeden kus Variabilní náklady na jeden kus jsou dány vztahem uvedeným níže.
NC one =
NC [Kč] QV
NCone =
749222990 . = 7657 Kč 97850
(6.33)
NCone jsou celkové náklady na jeden kus (Kč), NC jsou celkové náklady (Kč) a Qv je vyráběné množství výkovků (ks).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 83
6.7 Finální cena výkovku Finální cena výkovku je dána následujícím vztahem.
Pone = NCone ⋅ zisk [Kč]
(6.34)
.
Pone = 7657.1,1 = 8423Kč Pone je finální cena výkovku (Kč) a NCone jsou celkové náklady na jeden kus (Kč). Zisk se počítá ve výši 10 %.
6.8 Rovnovážný bod RB rovnovážný bod se nachází v místě, kde se náklady rovnají výnosům (26 894 ks a 226 528 162 Kč).
QRB =
FN [ks] Pone − NVone
QRB =
28400000 . = 26893,94 ⇒ 26894ks 8423 − 7367
(6.35)
QRB je množství výkovků v rovnovážném bodě (ks), FN jsou fixní náklady (Kč), Pone je finální cena výkovku (Kč) a NVone jsou variabilní náklady na jeden kus (Kč). Výrobní kritické množství pro kování je 26 894 ks. Při větším množství kusů se stává zápustkové kování ekonomicky výhodné. Daná série výroby zaručí dostatečný zisk.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 84
ZÁVĚR V diplomové práci byla zpracována problematika výroby opěry, která je zhotovena z materiálu ČSN 12 010. Předpokládaná série výroby bude 95 000 kusů za rok. Z technologického i ekonomického hlediska je nejvýhodnější metodou výroby zápustkové kování. Výchozí polotovar bude dělen a následně objemově tvářen za tepla pomocí svislého kovacího lisu LMZ 6500B firmy Šmeral Brno a.s. technologií zápustkového kování. Pro případ větší sériovosti by bylo vhodné využít transferu nebo kovárenského manipulátoru. Doporučuji nástroj před nasazením do provozu podrobit zkušebnímu provozu, který odhalí případnou nutnost použití horních vyhazovačů (ulpívání výkovku v horní části zápustky). Z toho důvodu byl navržen držák zápustek firmy Šmeral Brno a.s., který umožňuje i přidání horního vyhazovače. Tento držák je dodáván jako příslušenství lisu. Výkovek bude zhotoven čtyřmi operacemi (pěchování, předkování, kování v dokončovací zápustce a ostřižení). Pro tento způsob výroby byla zpracována simulace pomocí programu QFORM. Simulace problému proběhla úspěšně a nepredikuje vznik technologických vad. Ekonomické hodnocení ukázalo, že při dané výrobní sérii bude zajištěn dostatečný zisk. Zisk bude generován od počtu 26 894 ks, přičemž cena výkovku byla stanovena na 8 423 Kč.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 85
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ
1. DVOŘÁK, M. Technologie II. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM s.r.o., 2001. 240 s. ISBN 80-214-2032-4. 2. HAŠEK, V. a KOL. Kování. 1. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1965. 732 s. 3. FOREJT, M. a PÍŠKA, M. Teorie obrábění, tváření a nástroje. 1. vyd. Brno:
Akademické
nakladatelství
CERM
s.r.o.,
2006.
226 s. ISBN 80-214-2374-9. 4. ELFMARK, J. Tváření kovů. 1. vyd. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1992. 528 s. ISBN 80-03-00651-1. 5. HLUCHÝ, M. a KOLOUCH, J. Strojírenská technologie 1. 2. vyd. Praha: Scientia, spol. s r.o., 1998. 216 s. ISBN 80-7183-150-6. 6. HLUCHÝ, M., KOLOUCH, J. a PAŇÁK, R. Strojírenská technologie 2. 1. vyd. Praha: Scientia, spol. s r.o., 1998. 320 s. ISBN 80-7183-117-4. 7. LENFELD, P. Technologie II [online]. Skripta pro podporu samostudia v oboru “Materiály a technologie“ MS studijního programu “Strojní inženýrství“
a
BS
studijního
programu
“Strojírenství“.
Technické
univerzity v Liberci, Fakulta strojního inženýrství. Dostupné na World Wide Web:
8. KOTOUČ, J., ŠANOVEC, J., ČERMÁK, J. a MÁDLE, L. Tvářecí nástroje. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1993. 349 s. ISBN 80-01-01003-1. 9. DVOŘÁK, M., GAJDOŠ, M. a NOVOTNÝ, K. Technologie tváření – plošné a objemové tváření. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM s.r.o., 2003. 169 s. ISBN 80-214-2340-4. 10. HARTWIG, H., SEIDEL, H. a MAŠEK, B. Moderní koncepty mazání pro použití v náročných kovářských technologiích. In 6. Kovárenská konference “Nové technologie kování“. Svaz kováren ČR, Ostrava, 2008, 6 s. ISBN 978-80-239-8938-0.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 86
11. MACHÁČEK, Z. a NOVOTNÝ, K. Speciální technologie I – plošné a objemové tváření. 1. vyd. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 1986. 168 s. 12. KOPŘIVA, M. Počítačová podpora technologie – sylaby [online]. Studijní opory pro podporu samostudia v oboru "Strojírenská technologie" BS studijního programu "Strojírenství". VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2002, 20
s.
Dostupné
na
World
Wide
Web:
< http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/opory.htm > 13. ČSN 21 1410, Upínání zápustek – základní ustanovení. Vydavatelství ÚNM Praha, 1970. 7 s. DT 621.979.1.073. 14. ČSN 21 1413, Upínání zápustek pro padací a parovzdušné buchary. Vydavatelství ÚNM Praha, 1970. 11 s. DT 621.974.2.074. 15. ČSN 22 8308, Zápustky pro buchary – Směrnice pro konstrukci. Vydavatelství ÚNM Praha, 1971. 19 s. DT 621.73.073:621.974. 16. ČSN 42 9002, Rozdělení zápustkových výkovků podle složitosti tvaru. Vydavatelství ÚNM Praha, 1982. 42 s. DT 669-134:621.73.043. 17. ČSN 42 9030, Výkovky ocelové zápustkové – Přídavky na obrábění, mezní
úchylky
rozměrů
a
tvarů.
Vydavatelství
ÚNM
Praha,
1986. 24 s. MDT 621.73.043. 18. ČSN 22 8306, Zápustky pro svislé kovací lisy – Směrnice pro konstrukci. Vydavatelství ÚNM Praha, 1990. 40 s. MDT 621.73.073. 19. ČSN 41 2010, Ocel 12 010. Vydavatelství ÚNM Praha, 1987. 16 s. MDT 669.14. 20. SVAZ STROJÍRENKÉ TECHNOLOGIE – Katalog [online]. Dostupné na World Wide Web: < http://www.sst.cz/katalog/product-types>
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 87
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka/Symbol
Jednotka
Popis
A
%
tažnost
a
J.mm-2
měrná energie
AB
J
práce bucharu
aj
mm
dovolená jehla
An
J
práce bucharu pro nekruhový výkovek
B
mm
šířka otřepu v zásobníku
b
mm
šířka výronkové drážky
b1
mm
šířka můstku
b2
mm
šířka zásobníku
CM
Kč
cena jednoho metru tyče
D
mm
průměr výkovku
D´pol
mm
vypočítaný průměr kruhového polotovaru
DD
cm
průměr výkovku v dělicí rovině
dip
mm
průměr ideálního předkovku
Dpol
mm
volený průměr kruhového polotovaru
Dv
m
průměr výkovku v dělicí rovině
DV
mm
největší průměr rotačního výkovku
e
kJ.kg-1
měrné zatížení
f
-
ukazatel členitosti tvaru výkovku
F
MN
tvářecí síla
FN
Kč
Fixní náklady
Fn
MN
tvářecí síla pro nekruhový výkovek
FStř
MN
střižná síla
gos
mm
dovolený otřep a sestřižení
h
mm
výška výronkové drážky
HD
mm
hloubka dutiny
hip
mm
výška pořadnic ideálního předkovku
hm
mm
tloušťka můstku
HZmin
mm
nejmenší výška zápustky
k
-
tvarový součinitel
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 88
lCEL
mm
délka jedné tyče
lip
mm
délka ideálního předkovku
lo
mm
délka stříhaného polotovaru
Lpol
mm
délka polotovaru
lv
mm
délka výkovku
m
-
štíhlostní poměr
mě
-
měřítko
mm
kg
hmotnost beranu
mo
kg
hmotnost obalového tělesa
mv
kg
hmotnost výkovku
n
mm
hloubka zásobníku
NC
Kč
celkové náklady
nCEL
ks
celkový počet tyčí
NCone
Kč
celkové náklady na jeden kus
Nhsd
Kč/hod
strojní hodinová sazba strojních nůžek
Nhsk
Kč/hod
strojní hodinová sazba lisu LZK 6500B
Nhso
Kč/hod
strojní hodinová sazba ostřižení
Nhsp
Kč/hod
strojní hodinová sazba pece
Nmz
Kč
celkové náklady na mzdy
Nmzd
Kč
celkové náklady mezd na dělení materiálu
Nmzk
Kč
celkové náklady mezd na kování
Nmzo
Kč
celkové náklady mezd na ostřižení
Nmzp
Kč
celkové náklady mezd na ohřev materiálu
Nnd
Kč
strojní náklady nůžek SCK 1 000
Nnep
Kč
nepřímé náklady
Nnk
Kč
strojní náklady kovacího lisu LZK 6500B
Nno
Kč
strojní náklady ostřihovacího lisu LDO 800
Nnp
Kč
strojní náklady na ohřev
NP
Kč
celkové přímé náklady
np
ks
celkový počet dávek
NPone
Kč
přímé náklady na jeden kus
NS
Kč
celkové náklady provozu strojního vybavení
nt
ks
počet odstřižků
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 89
NtC
Kč
celková cena materiálu
NV
Kč
celkové variabilní náklady
NVone
Kč
variabilní náklady na jeden kus
o
mm
obvod výkovku v dělicí rovině
ob
mm
délka střihu blány
Pone
Kč
finální cena výkovku
pp
mm
dovolené přesazení
Pt
%
procentuální využití materiálu
Qd
ks
množství děleného materiálu
QRB
ks
množství výkovků v rovnovážném bodě
Qv
ks
vyráběné množství výkovků
r
mm
vnitřní zaoblení výkovku
r
mm
přechod do dělicí plochy
R
mm
vnější zaoblení výkovku
Rm
MPa
pevnost v tahu
Rstř
MPa
pevnost ve střihu
RZ
mm
poloměr zaoblení zásobníku
s
mm
nejmenší vzdálenost od okraje zápustky
Sb
mm
šířka blány
Sip
mm2
plocha průřezu ideálního předkovku
Smax
mm
maximální šířka blány
Smin
mm
minimální šířka blány
SprR
%
správní režie
Sv
mm2
plocha vodorovného průmětu výkovku
Svýr
mm2
plocha průřezu výronku
t1d
min
čas ustavení jedné tyče
t1k
min
čas ustavení do první zápustky
t1o
min
čas ustavení pro ostřižení
t1p
min
je čas ustavení jedné dávky na ohřev
t2d
min
čas ustavení a upnutí dělicího nástroje
t2k
min
čas ustavení do druhé zápustky
t2o
min
čas ustavení a upnutí pro ostřižení
t2p
min
čas kontroly ustavení kusů na ohřev
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 90
t3d
min
čas kontroly ustavení dělicího nástroje
t3k
min
čas ustavení do třetí zápustky
t3o
min
čas kontroly ustavení pro ostřižení
t4k
min
čas ustavení a upnutí zápustek
t5k
min
čas kontroly ustavení zápustek
tA0
hod
strojní čas ostřižení
tAd
hod
strojní čas dělení materiálu
tAk
hod
strojní čas kování
tAp
hod
strojní čas ohřevu
tBd
hod
dávkový čas dělení materiálu
tBk
hod
dávkový čas kování
tBo
hod
dávkový čas ostřižení
tBp
hod
dávkový čas ohřevu materiálu
tcelkd
hod
celkový čas pro dělení
tcelkk
hod
celkový čas pro kování
tcelko
hod
celkový čas pro ostřižení
tcelkp
hod
celkový čas pro ohřev
Tkk
Kč/hod
průměrná hodinová mzda pracovníka
to
mm
tloušťka stříhaného polotovaru
VBL
mm3 3
objem blány
VC
mm
celkový objem polotovaru
Vip
mm3
objem ideálního předkovku
VP
mm3
objem přídavku na propal
Vv
mm3
objem výkovku
Vvýr
mm3
objem výronku
VvýrR
%
výrobní režie
zd
1/min
počet zdvihů lisu
α1
º
boční úkos dutiny
δ
-
propal
σp
MPa
přirozený deformační odpor
σs
MPa
pevnost materiálu za kovací teploty
σsR
MPa
pevnost materiálu dle Rebeljskiho
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1
Simulace - rychlost přetvoření
Příloha č. 2
Simulace - průběh dokončovací operace
Příloha č. 3
Simulace - detail výronkové drážky
Příloha č. 4
Svislý kovací lis LZK 6500B
Příloha č. 5
Ostřihovací lis LDO 800 A/S
Příloha č. 6
Výkres sestavy – 09-A1/010-00
Příloha č. 7
Výkres zápustky 1 – 09-A1/010-01
Příloha č. 8
Výkres zápustky 2 – 09-A1/010-02
Příloha č. 9
Výkres zápustky 3 – 09-A1/010-03
Příloha č. 10
Výkres opěry – 09-A2/010-04
Příloha č. 11
Teplý výkovek – 09-A2/010-05
Příloha č. 12
Studený výkovek – 09-A2/010-06
Příloha č. 13
Kolíkový vyhazovač – 09-A4/010-07
List 91
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 92
SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ Obr. 1.2.1 Podélná vlákna .............................................................................. 11 Obr. 2.3.1 Průběh materiálu ............................................................................ 14 Obr. 2.6.1 Zápustkový výkovek s technologickými přídavky ........................... 16 Obr. 2.6.1.1 Doporučené geometrie blány výkovku ........................................ 17 Obr. 2.8.1 Příklady dělicí roviny ...................................................................... 18 Obr. 2.8.2 Příklad dělicích rovin určených odstoupením od pravidla .............. 18 Obr. 2.9.1.1 Normalizované typy výronkové drážky ........................................ 19 Obr. 2.9.1.2 Klínová výronková drážka ........................................................... 20 Obr. 2.9.2.1 Normalizované typy výronkové drážky ........................................ 22 Obr. 2.10.1 Příklady volby ideálního předkovku .............................................. 23 Obr. 2.10.2 Sestrojení ideálního předkovku .................................................... 24 Obr. 2.12.1 Nomogram pro stanovení vzdálenosti dutiny od kraje zápustky s 26 Obr. 2.12.2 Náčrtek pro stanovení vybraných rozměrů zápustky ................... 26 Obr. 2.12.3 Diagram pro stanovení nejmenší výšky zápustky ........................ 27 Obr. 2.13.1 Rázový účinek bucharu a klidné působení u lisu ......................... 27 Obr. 2.17.1 Upínání zápustky ......................................................................... 31 Obr. 2.21.1 Upnutí zápustkových vložek klínem ............................................. 34 Obr. 2.23.1 Faktory ovlivňující účinnost mazacího procesu při kování ........... 37 Obr. 2.24.1.1 Konstrukce ostřihovadla ............................................................ 38 Obr. 2.24.1.2 Děrovadlo .................................................................................. 39 Obr. 2.25.1.1 Tvářecí teploty ocelí .................................................................. 42 Obr. 2.26.1.1 Molární podíl jednotlivých složek okují v závislosti na teplotě ... 45 Obr. 3.4.1 Struktura oceli po prokování .......................................................... 54 Obr. 4.1 Technologický postup zápustkového kování ..................................... 55 Obr. 4.3.2.1 Nomogram pro určení tvářecí síly ............................................... 58 Obr. 4.6.1.1 Výkovek opěra ............................................................................ 59 Obr. 4.6.2.1 Obvyklý typ výronkové drážky ..................................................... 60 Obr. 4.6.3.1 Blána s úkosem do středu........................................................... 61 Obr. 4.9.1 Stav po pěchování ......................................................................... 65 Obr. 4.9.2 Stav po předkování ........................................................................ 65 Obr. 4.9.3 Stav po kování ............................................................................... 65
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 93
Obr. 4.9.4 Stav po ostřižení ............................................................................ 66 Obr. 5.1.1 Mřížka rastru v jednotlivých fázích kování...................................... 68 Obr. 5.2.1 Vektory rychlosti v jednotlivých fázích kování ................................ 69 Obr. 5.3.1 Teploty v jednotlivých fázích kování ............................................... 70 Obr. 5.4.1 Efektivní přetvoření v jednotlivých fázích kování ............................ 71 Obr. 5.5.1 Přetvárný odpor v jednotlivých fázích kování ................................. 72
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 94
SEZNAM POUŽITÝCH TABULEK Tab. 1 Doporučené použití zápustkových ocelí .............................................. 32 Tab. 2 Parametry lisu LMZ 6500B .................................................................. 59 Tab. 3 Parametry ostřihovacího lisu LDO 800 A/S20...................................... 67
Příloha č. 1
Obr. P1.1 Rychlost přetvoření v pěchovací operaci
Obr. P1.2 Rychlost přetvoření v předkovací operaci
Obr. P1.3 Rychlost přetvoření v dokončovací operaci
Příloha č. 2
Obr. P2.1 Mřížka rastru v průběhu dokončovací operace
Obr. P2.2 Vektory rychlosti v průběhu dokončovací operace
Obr. P2.3 Teploty v průběhu dokončovací operace
Obr. P2.4 Efektivní přetvoření v průběhu dokončovací operace
Obr. P2.5 Rychlost přetvoření v průběhu dokončovací operace
Obr. P2.6 Přetvárný odpor v průběhu dokončovací operace
Příloha č. 3
Obr. P3.1 Mřížka rastru ve výronkové drážce
Obr. P3.2 Vektory rychlosti ve výronkové drážce
Obr. P3.3 Teploty ve výronkové drážce
Obr. P3.4 Efektivní přetvoření ve výronkové drážce
Obr. P3.5 Rychlost přetvoření ve výronkové drážce
Obr. P3.6 Přetvárný odpor ve výronkové drážce
Příloha č. 4
Příloha č. 5
