Témata
Reklama

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.

Reklama
Reklama

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

Reklama
Související články
Akademie tváření: Technologičnost konstrukce při ohýbání

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 třetím 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.
Tento článek volně navazuje na předchozí v rámci akademie tváření, především na již popsanou problematiku ohýbání, odpružení v plošném tváření a technologičnost konstrukce v návrhu výstřižku. Článek popisuje obecná pravidla z hlediska technologičnosti konstrukce pro technologie ohýbání.
Rádi přivítáme vaše připomínky jak ke koncepci seriálu, tak i k samotnému obsahu konkrétních příspěvků.
Za autorský kolektiv Roman Dvořák
roman.dvorak@mmspektrum.com

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.

Zvýšení produktivity, efektivity a kvality kovových výlisků

Výrobní společnost ANC Components a výzkumná společnost Comtes FHT spolupracují na výzkumném projektu Eureka s cílem zefektivnit výrobní proces a zvýšit produktivitu a kvalitu přesně lisovaných dílců a plně eliminovat dodatečné sekundární operace. Výsledky ze čtyř etap zmíněného projektu přinášejí rentabilitu technologie přesného střihu a konkurenční výhodu společnosti ANC Components v této oblasti. Řešení projektu bylo již dříve prezentováno ve vydání MM 10/2012, MM 1, 2/2015 a dále v Hutnických listech 4/2013.

Související články
Bezpečnostní spojování tvářením za studena

Přinášíme aktuální informaci z polského veletrhu ITM v Poznani. V kategorii inovace a technika získal Zlatou medaili exponát firmy BalTec – tvářecí centrum RNC.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Hospodárnější střihání statorových a rotorových plechů

Podle nedávné tiskové informace firmy Schuler je možno ovládaným střihacím nástrojem podstatně zlepšit flexibilitu a ekonomii střihání plechů pro elektrické stroje.

Mechanizované nástroje pro ruční stříhání plechů

Pro ruční stříhání plechů a trubek lze použít tři nově vyvinuté postupy: stříhání s nůžkami s úzkými čelistmi, nůžkami na plech a obrážení. V článku je ukázáno, kdy je nejvýhodnější použít kterou metodu stříhání.

Lehčí a čistější řezání vysoce pevných dílů

Automobilový průmysl řeší u karoserií především nízkou hmotnost a bezpečnost při nárazu. Proto se na vybrané části karoserie používají vysoce pevné ocele schopné tváření za tepla. Typickým příkladem je nový VW Golf VII. Při řezání vysoce pevných ocelí se s výhodou používá laser.

Zdokonalený procesní řetězec

Konstrukce dílů, zhotovení řezných plánů a programů ohýbání, plánování výrobních procesů a jejich kontrola: moderní výrobu plechu si už nelze představit bez výkonného softwaru. Pomocí nového BySoft 7 společnosti Bystronic může uživatel rychle a pohodlně zkonstruovat rozměrově přesné díly a pouhým stisknutím tlačítka vypracovat řezné plány a programy ohýbání. Kromě toho je zajištěno a kontrolováno efektivní plánování výrobních procesů. Pro další zdokonalování procesního řetězce při zpracování plechů jsou však navíc zapotřebí vysoce moderní stroje. V tomto ohledu jsou vhodné oba dva nové stroje firmy Bystronic - laserový řezací stroj ByAutonom a ohraňovací lis Xcite.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem 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