Témata

Akademie tváření: Technologičnost konstrukce v návrhu výstřižků

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 již druhým rokem připravujeme. 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. Rádi přivítáme vaše připomínky jak ke koncepci seriálu, tak i k samotnému obsahu konkrétních příspěvků.
Za autorský kolektiv Roman Dvořák

Tento článek je součástí seriálu:
Akademie tváření
Díly
František Tatíček

Vedoucí skupiny Tváření na FS ČVUT v Praze

Roman Dvořák

Je absolventem oboru Strojírenská technologie Fakulty strojní ČVUT v Praze, kde studuje kombinovanou formu doktorského studia. V roce 1997 nastoupil do vydavatelství Vogel Publishing na post odborného redaktora vznikajícího strojírenského titulu MM Průmyslové spektrum. V roce 1999 přijal nabídku od německého vlastníka outsourcingovat titul do vlastního vydavatelství. 

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.

Technologičnost výstřižků

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.

Tvar nástrojů

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.

Materiál

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.

Obr. 2. Uspořádání výstřižků na pásu

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.

Obr. 3. Uspořádání výstřižku na pásu a úprava konečného tvaru po stříhání

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. 4. Ohýbaný výstřižek a jeho nesprávné a správné umístění v pásu se zřetelem na směr vlákna

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).

Obr. 6. Požadavky na kritické rozměry výstřižku

Obr. 7. Volba minimálního počtu střihů
Obr. 8. Metoda volby nejvhodnějšího tvaru výstřižku – ideální případ

Obr. 9. Metoda volby nejvhodnějšího tvaru výstřižku – akceptovatelný případ
Obr. 10. Čím je jednodušší obrys, tím je snazší a levnější výroba nástroje a jeho údržba, zvlášť u malých výstřižků

Závěr

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

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