Témata

Akademie tváření: Hluboké tažení

Přinášíme vám další díl naší Akademie, kterou pro vás ve spolupráci s odborníky Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze a technickými specialisty firmy Trumpf připravujeme již druhým rokem. V jednotlivých příspěvcích se postupně věnujeme konkrétním technologiím zpracování plechu, jež jsou představeny jak po teoretické stránce, tak následně v konkrétních aplikacích na strojích Trumpf. Volba témat je v souladu s technickými možnostmi, které nabízejí stroje právě výše zmíněného výrobce, který bezesporu představuje špičku v oboru, a proto se na něj i redakce při tvorbě Akademie tváření obrátila.

Tento článek je součástí seriálu:
Akademie tváření
Díly
František Tatíček

Vedoucí skupiny Tváření na FS ČVUT v Praze

Rádi přivítáme vaše připomínky jak ke koncepci seriálu, tak i k samotnému obsahu konkrétních příspěvků.

Za autorský kolektiv Roman Dvořák
roman.dvorak@mmspektrum.com

....................
Tažení je takový technologický způsob tváření, při kterém se v jednom nebo v několika tazích vyrobí z rovného plechu (přístřihu) duté těleso – polouzavřená nádoba. Někdy se tento technologický proces nazývá hluboké tažení. Ke změně tvaru dochází působením tažníku přes tažnou hranu tažnice. Při tomto procesu se výrazně nemění výchozí tloušťka materiálu. Při tažení vyšších nádob dosahuje tečné napětí kritických hodnot, takže v přírubě dochází ke tvorbě vln, které mohou-li se volně zvětšovat, způsobí podstatný vzrůst tažné síly a vedou k utržení dna výtažku. Pro vytvoření výtažku je nutné tvářet na více operací. Mezi operace hlubokého tažení patří především technologie prostého tažení, tažení se ztenčením stěny, zpětné tažení, žlábkování, protahování, rozšiřování nebo zužování.
U komplikovaných reálných výtažků se lokální deformační stav pohybuje od tahového do tlakového napětí. Tváření plechů se od objemového tváření liší v několika aspektech. U plošného tváření převládá v napěťovém stavu tah nebo kombinace tah – tlak a jeden nebo oba povrchy tvarujícího se výtažku jsou volné. U objemového tváření převládá tříosé tlakové napěťové schéma. Při obou způsobech tváření závisí tvařitelnost zejména na materiálových vlastnostech, tvaru nástroje a velikosti součinitele tření. Hlavní rozdíl je v mechanismu porušení: při plošném tváření je spíš způsobeno plastickou nestabilitou při tahu, při objemovém tváření spíše plastickým lomem.

Tažná síla

Z důvodu komplikovanosti procesu se matematické vztahy zjednodušují. Matematické vztahy vycházejí z toho, že tažná síla musí být o něco menší než síla, která způsobí utržení dna výtažku, tzn. dovolené napětí musí být menší než napětí na mezi pevnosti.

Průběh tažné síly v jednotlivých fázích tažení

Velikost tažné síly pro nástroj s přidržovačem, pro první a další tahy se zjednodušeně vypočte podle vztahu:

Fc = Ft + Fp = L . s . Rm + Sp . p

Kde:
L délka obvodu polovýrobku [mm],
Rm mez pevnosti materiálu [MPa],
s tloušťka plechu [mm],
Sp plocha přidržovače [mm2]
p specifický tlak přidržovače (od 0,8 do 3) [MPa].

Tažná mezera vůle

Při hlubokém tažení bez ztenčení stěny se tažná mezera mezi tažníkem a tažnicí volí větší než tloušťka plechu.
Zvětšení tažné mezery by mělo kompenzovat zesílení plechu při tažení a jeho rozměrové tolerance a umožnit průchod materiálu mezerou s přijatelným třením. Bude tedy rozdílné pro první a další tahy a tahy kalibrační. Nominálně se pohybuje v hodnotách tm= (1,05 – 1,5) s0. Doporučené hodnoty tažné mezery (vůle) lze, v závislosti na tloušťce materiálu a typu tahu, nalézt v normách ČSN a v příručkách tažení.
Při tažení hranatých výtažků se tažná mezera na přímých úsecích výtažku volí přibližně stejná nebo mírně nižší než u kruhových výtažků. V rohových oblastech se volí větší až o 50 %, protože zesílení materiálu je zde intenzivnější.
Tvorba tažné vůle (na úkor tažníku nebo tažnice) u závěrečných tahů závisí na tom, který rozměr je předepsán (předepsaný vnější rozměr – na úkor tažníku, vnitřní rozměr – na úkor tažnice).

Přidržovací tlak a rychlost tažení

Vzhledem k převládajícím tangenciálním tlakovým napětím v přírubě výtažku má plech tendenci se v tomto místě zvlnit. Tento jev lze potlačit aplikací přidržovací síly prostřednictvím implementovaného konstrukčního prvku v nástroji – přidržovače. Optimální síla přidržovače by měla eliminovat zvlnění v přírubě a v ploše výlisku, zároveň však nesmí dojít k utržení dna (vznik trhlin nebo kritického difuzního ztenčení).
Velikost přidržovacího tlaku lze stanovit numerickým modelováním. Jak pro rozhodnutí o použití přidržovače, tak pro stanovení přidržovacího tlaku ověřených empirických vztahů, které lze nalézt v normách ČSN a příručkách tažení.

Tlak přidržovače v závislosti na tloušťce materiálu a0 a stupni tažení pro hlubokotažnou ocel

Je třeba si uvědomit, že rychlost pohybu nástroje nemusí odpovídat rychlosti deformace při lisovacím procesu, ale rychlost deformace je ovlivňována rychlostí pohybu nástroje. Rychlost deformace je definována jako dosažená velikost deformace za jednotku času a ovlivňuje mimo jiné přetvárný odpor materiálu, tvařitelnost a stabilitu plastického toku materiálu.

Problematika tření

Velikost třecích sil působících mezi lisovaným materiálem a nástroji ovlivňuje celkovou tažnou sílu. Z principu jejího působení je tedy žádoucí, aby tření v tažnici a na přidržovači bylo minimální a na tažníku co možná největší.
Velikost tření je komplexní funkcí obou kontaktních materiálů, makro- a mikrogeometrie kontaktní plochy, kvality maziva včetně nosné vrstvy, relativní rychlosti kluzných ploch, tlaku maziva. Snížit tření lze především vhodným mazivem, vysokou kvalitou povrchu tažnice a přidržovače. Maximální hodnota tření na tažníku je však omezena především požadavkem na kvalitu vnitřního povrchu výtažku.
Poloměr zaoblení, stanovení rozměru přístřihu
Poloměr zaoblení tažné hrany tažníku a tažnice ovlivňuje proces tažení (velikost tažné síly, tažné napětí, limitní deformace, vznik zvlnění).
Tvar, rozměr a orientace přístřihu patří k velmi důležitým parametrům, které mají vliv na technologii hlubokého tažení. Z ekonomického hlediska je nutné věnovat se v první řadě tvaru přístřihu a zejména pak technologickému odpadu, který by měl být co nejmenší. Přístřih musí zajistit minimální odpad, ale zároveň zabezpečit bezproblémové lisování. V současnosti se s výhodou užívá pro návrh tvaru nástřihu numerických výpočetních systémů většinou založených na principu rovnosti povrchu výtažku a přístřihu. V poslední době se využívají nové typy polotovarů, které jsou tvořeny ze dvou a více materiálů rozdílných vlastností.

Rozdělení tažných operací

Počet operací technologického postupu a jejich rozdělení závisí u hlubokého tažení primárně na tvařitelnosti materiálu. Míru technologické tvařitelnosti materiálu posuzujeme podle ukazatelů tvařitelnosti. Jedním z ukazatelů hlubokotažnosti je nejčastěji součinitel tažení m = d/D.
Tvařitelnost materiálu se s rostoucím počtem operací snižuje. Opětovné zvýšení tvařitelnosti je možné vložením operace tepelného zpracování. Při návrhu tvářecího postupu je třeba dbát, aby počet tažných operací byl co nejnižší, tažné operace v technologickém cyklu byly rozděleny rovnoměrně a tvary nástrojů odpovídaly požadavku opakované využitelnosti.

Tažení pravoúhlých výtažků

Tažení pravoúhlých výtažků je složitější proces než tažení výtažků válcových. Vyplývá to z nerovnoměrnosti deformačního a napěťového stavu v taženém polotovaru. Složitost tažení se zvyšuje od nízkých pravoúhlých výtažků (tažených v jednom tahu) přes hluboké výtažky (tažené v několika operacích) až po tažení pravoúhlých výtažků se širokou přírubou.

a) b) c)Napěťové schéma při tažení a) válcového, b) pravoúhlého výtažku, c) deformace (původně pravoúhlé) sítě na pravoúhlém výtažku

Brzdné drážky

Při tažení obdélníkových výtažků vzniká podél tažné hrany proměnlivé tlakové a tahové napětí. Nepříznivý účinek tlakového napětí v přímých částech výtažku lze zmenšit zvýšením radiálního tahového napětí a tím jeho zrovnoměrněním po celém obvodu tažné hrany. To se docílí použitím brzdných drážek, které kladou zvýšený odpor taženému materiálu. Brzdné drážky se umísťují převážně v přímých úsecích tažné hrany. Počet a rozložení brzdných drážek se při konstrukci nástroje stanoví buď orientačně odhadem, nebo při analýze metodou konečných prvků. Vždy je rozmístění, tvar a rozměry drážek nutno prověřit experimentálně.

Závěr

Hluboké tažení je jednou z nejsložitějších technologií tváření. V rámci rozsahu tohoto článku není možné se detailně věnovat všem faktorům ovlivňujících tuto technologii. Pro pochopení problematiky doporučujeme podívat se do běžně dostupné literatury popisující problematiku hlubokého tažení.
Ing. František Tatíček, Ing. Tomáš Pilvousek, Ing. Martin Kubelka

ČVUT, FS v Praze

Frantisek.Taticek@fs.cvut.cz

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit