Akademie tváření: Technologičnost konstrukce v návrhu výstřižků

Při konstrukci výrobků se řídíme nejen jejich funkcí, estetikou, ergonomikou a ekologií, ale především způsobem a ekonomikou výroby. Cílem každého konstruktéra by mělo být dosažení maximální přitažlivosti výrobku s požadovanými užitnými vlastnostmi a co nejnižšími materiálovými a výrobními náklady. Optimální konstrukce proto bývá kompromisem mezi technickými požadavky, technologickými možnostmi a ekonomičností výroby.

Technologičnost konstrukce je široký pojem obsahující komplexní souhrn požadavků, které má splnit konstrukce výrobku pro zajištění funkční způsobilosti a požadované životnosti při maximální hospodárnosti výroby. Obecně můžeme hlavní požadavky na konstrukci z hlediska technologičnosti uvést do následujících zásad:

• vysoká využitelnost materiálu (malý odpad, vhodné profily, odlehčení nezatěžovaných částí);
• přizpůsobení konstrukce technologii výroby, která musí být volena s ohledem na objem výroby;
• nízká cena, nízký počet druhů materiálů;
• využití hromadně vyráběných polotovarů a dílů;
• volba tvaru a rozměrů s ohledem na technologii výroby (tloušťky stěn, otvory, dutiny, drážky, úkosy, výstupky, žebra, dělicí plochy, zaoblení atd.);
• přiměřené nároky na drsnost, přesnost, výskyt vad, rozptyl mechanických vlastností atd.;
• jednoduchá, krátká a nenákladná příprava výroby;
• co nejmenší spotřeba speciálních nástrojů – přípravků, strojů a zařízení;
• co nejmenší počet a nejnižší složitost operací;
• co nejkratší doba a průběžný čas výroby a montáže;
• co nejjednodušší manipulace a doprava;
• co nejmenší spotřeba výrobních a skladovacích ploch;
• využívání typizace a unifikace;
• využívání dědičnosti (přebírání osvědčených dílů a konstrukčních prvků);
• možnost nenáročné recyklace výrobku.

Jak je na první pohled patrné, je třeba zvažovat celé spektrum často protichůdných požadavků. Proto je cesta k optimální konstrukci zpravidla velmi složitá a náročná. Zkušenost potvrzuje, že dodatečné zásahy technologa nebo pracovníků ve výrobě ve prospěch technologičnosti konstrukce napraví jen 5 až 15 % potřebných případů. Hlavní práci musí proto provést konstruktér sám již ve svém návrhu. Tím se tedy stává konstruktér prvním a nejdůležitějším činitelem ve výrobním procesu.

Výstřižky jsou součásti vytvořené střižným nástrojem z tabulí, pásů a svitků plechů či jednotlivých přístřihů. Materiál se stříhá v nástroji tím, že střižník nejprve mírně ohýbá stříhaný materiál položený na střižnici. Účinkem střihací síly dochází k nárůstu smykového napětí v rovinách maximálních smykových napětí. Při překročení hodnoty meze pevnosti ve smyku dochází ke střihu. Roviny střihu obou břitů se pohybují proti sobě. Při optimální střižné vůli dojde k setkání těchto smykových rovin. Pokud je střižná vůle malá či větší než doporučená, kvalita střihu je velice špatná, vznikají otřepy, které je nutné nákladně odstranit. Při obvyklé technologii stříhání je část střižné plochy lesklá, zbytek hrubý.

Již ve fázi návrhu konstrukčního řešení výstřižku je nutné uvažovat počet výrobních operací a jednotlivé tvary střižných a pomocných nástrojů. Představa o tvaru nástroje se zřetelem k výstřižku pomůže vyloučit takové průřezy tělesa nástroje, které jsou příčinou jeho poškození, ať při provozu či tepelném zpracováni.
Je třeba si také uvědomit, že pro tzv. měkčí stříhání musí mít jeden z nástrojů (nebo oba) úkosy, které mohou nedostatečné průřezy vyplývající z žádaného tvaru výstřižku ještě více zeslabovat.

Obr. 1. Při úvaze o nástroji a jeho zhotovení by se měl konstruktér vyhnout nevhodným tvarům výstřižku a nahradit je při stejném funkčním výsledku tvary technologickými.

Velmi důležitá je volba materiálu. Volíme vždy takový materiál po cenové stránce, který vyhoví funkci součásti a také usnadní nebo umožní optimální výrobní proces. Náklady na materiál jsou v poměru k celkovým výrobním nákladům na výlisek tím větší, čím větší je počet výlisků. Ve velkosériové a hromadné výrobě převažuje účinek technologičnosti materiálu všechny ostatní zdroje úspor.
Tvar výstřižku a jeho uspořádání na pásu ovlivňuje hospodárné využití stříhaného materiálu. Prostříhání vzniká tzv. technologický a konstrukční odpad. Někdy je nutné pro zvýšení hospodárnosti změnit tvar součásti nebo finální vzhled výstřižku realizovat až po stříhání. Hospodárné využití materiálu zjišťujeme výpočtem součinitele spotřeby materiálu , který by měl být větší než 0,7.

Obecně platí, že technologičnost materiálu je tím lepší, čím menší je potřebná šířka pásu na určitý výrobek. Lze očekávat menší odpad materiálu, snazší manipulaci při přípravě a lisování, možnost využití rychloběžného lisu, menší rozměry nástroje a ostatní výrobní a manipulační pomůcky. Je třeba uvést, že šířka výchozího pásu nezávisí jen na rozměrech součásti, ale i na nástřihu, tj. na umístění, natočení výstřižku vzhledem k ose pásu. Při stejné spotřebě materiálu je lepší dát přednost nástřihu, u nějž je kratší krok (posuv) než šířka pásu.

Při určování způsobu vystřihování součásti z tabule nebo pásu může být kromě koeficientu využití materiálu uva¬žován též směr vláken. Vlivem válcování plechových polotovarů dochází ke vzniku usměrněné textury plechu, která ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálu. Tato skutečnost je zvlášť nezbytná v případě, kdy se výstřižky dále ještě ohýbají či táhnou, ať ve výrobě, montáži nebo v provozu. V takových případech je třeba přihlédnout k tomu, aby ohyb byl bud' kolmý na směr vláken nebo alespoň svíral se směrem vláken úhel cca 45°.

Obr. 5. Požadavky na kritické rozměry výstřižku

Technologičnosti konstrukce výstřižků lze dosáhnout respektováním některých nedokonalostí procesu stříhání, mezi něž patří drsnost střižné plochy, malé zešikmení střižné plochy vlivem střižné vůle mezi břity, zeslabení tloušťky plechu podél střižné plochy, zpevnění materiálu do hloubky asi 0,1 až 0,2 sekundy, odchylky v rozměrech výstřižků nebo prohnutí některých výstřižků ohybovým momentem obou složek střižné síly.

Zabránit uvedeným nedokonalostem je samozřejmě možné (např. přesným stříháním, přistřihováním, kalibrováním apod.), ovšem za cenu zvýšení výrobních nákladů (dražší nástroj, přídavné operace). V těchto případech je vždy před finálním rozhodnutím nutná ekonomická bilance o návratnosti investic.
Z výše uvedených vlastností stříhání lze odvodit tato pravidla technologičnosti:
1. Nezužovat bezdůvodně velikosti tolerance rozměrů.
2. Není-li střižná plocha funkční plochou součásti, nepředepisovat její drsnost ani kolmost k ploše plechu.
3. Rovinnost malých výstřižků z tlustých plechů větší tvařitelnosti se může snížit vlivem ohybového momentu dvojice střižných sil;
4. Nejmenší velikost otvorů, jež lze běžným nástrojem prostřihnout, závisí na tloušťce a druhu materiálu.

5. Upřednostnit otvory kruhového průřezu.

6. Vzdálenost mezi otvory nebo otvorů od okraje výstřižku má být nejméně: a ≥ 0,8 s, b ≥ ???s, c ≥ = 1,5 s (Uvedené údaje platí pro polotvrdý ocelový plech Rmt = 500 MPa. U měkčích materiálů je třeba uvedené vzdálenosti zvětšit, o 20 až 25 % u plechu o tloušťce s ≤ 1,5 mm a o 10 až 15 % u plechů větších tlouštěk (viz obr. 5).
7. Šířka vyčnívajících částí dílu nebo nejmenší šířka štíhlých výstřižků má být š = 1,5x tloušťka materiálu (viz obr. 6).
8. Rohy na výstřižku mají být sraženy nebo zaobleny.
9. Není správné měnit na výstřižku poloměr zaoblení rohů, střídat ostré a zaoblené rohy.
10. Plynulé přechody oblouků do přímých částí obrysu apod. zdražují nástroj a vyžadují uzavřený střih.
11. Při stříhání na nůžkách volíme tvary vyžadující nejmenší počet střihů (viz obr. 7).
12. Nejvhodnější tvar výstřižku je rovnoběžník, jehož protější strany jsou stejně tvarovány jako negativ a pozitiv (viz obr. 8).
13. Nelze-li dodržet tvar negativ – pozitiv, vyhoví také tvar symetrický vzhledem k ose strany (viz obr. 9).

14. Rozvětvené tvary výstřižku jsou velmi neúsporné, je třeba hledat tvary spojité (viz obr. 10).

S pojmem technologičnost se setkávám nejenom v oblasti střižných operací plošného tváření, ale také v dalších výrobních technologiích – slévání, svařování, objemovém tváření, obrábění nevyjímaje. Ve všech těchto odvětvích se řeší specifické problémy, které lze mírnit nebo úplně eliminovat již v etapě projektování konstrukce.

Technologičnost konstrukce není jednoznačný termín. Co je technologické u jednoho způsobu výroby, nemusí být technologické u jiného, co je vhodné u kusové výroby, nemusí vyhovovat sériové nebo hromadné výrobě. Z důvodu rozličných tvarů a rozměrů každé součásti nelze sestavit univerzální předpis technologičnosti konstrukce, který by seděl na míru každé součásti. Můžeme pouze uplatňovat výše zmíněné zásady s ukázkou typických příkladů.

Respektováním technologičnosti výroby již v návrhu konstrukce výrobku je možné významně uspořit náklady a předcházet komplikacím a nákladným řešením výrobních problémů. Je nutné si uvědomit, že nelze poskytnout vždy univerzální postupy technologického řešení konstrukce, a proto je žádoucí, aby příprava výrobku probíhala za účasti materiálových specialistů, nástrojařů, technologů a ekonomů a byla vždy výsledkem kompromisu těchto odvětví.

Ing. František Tatíček
Ing. Martin Kubelka, IWE
Ing. Tomáš Pilvousek, IWE

ČVUT, FS v Praze

Frantisek.Taticek@fs.cvut.cz