Inovace pro zvyšování životnosti lisovacích nástrojů

Jednou z výzev při lisování žáromateriálů je jejich velká abrazivita, která vede k rychlému opotřebení lisovacích nástrojů, a tudíž jejich malé životnosti a nutnosti vyrábět na jeden typ tvarovky více nástrojů. Před začátkem inovací se ve společnosti P-D Refractories CZ pro výrobu lisovacích nástrojů používaly vysokolegované nástrojové oceli odolné proti opotřebení, kalené ve vakuu. Renovace dílců vyrobených z těchto materiálů bylo kvůli jejich relativně nízké životnosti na úrovni 5 000 odlisovaných tvarovek nutno provádět velmi často. Hlavním problémem je opotřebení činné plochy lisovacích nástrojů, které je dané kombinací používaných abrazivních materiálů na bázi korundu a křemíku spolu s vysokými lisovacími tlaky u hranice 100 MPa. Toto opotřebení má velký vliv na rozměrovou a povrchovou kvalitu lisovaných výrobků. Při opotřebení funkční plochy až na přípustnou mez je nutná oprava nástroje, která vyžaduje nutnou renovaci nebo výrobu nového dílu, což je ekonomicky velice nákladné.

Prvním krokem řešení a zároveň problémem bylo vytvoření vlastní metodiky testování životnosti materiálů, jelikož standardní metody určování otěruvzdornosti a prvotní testy ukázaly obtížnou simulaci procesu lisování a navození korespondujících opotřebení v podobných počtech cyklů. Hlavními požadavky, které byly kladeny na ČVUT při vývoji tohoto zařízení, byly zejména možnost simulovat extrémní podmínky lisování při zachování ekonomické efektivity provozních zkoušek, tzn. možnost lisovat malé objemy materiálu. Konstrukční řešení experimentálního zařízení bylo navrženo podle požadavků skutečného lisování žáruvzdorných materiálů na hydraulických lisech společnosti P-D Refractories CZ, kde běžné lisování probíhá se jmenovitým výkonem 1 000 tun a lisovacím tlakem až 100 MPa ve vertikální poloze. Ve spolupráci s ČVUT bylo tedy vyvinuto experimentální zařízení, které disponuje jmenovitým tlakem 100 MPa. Konstrukční řešení zařízení umožňuje rychlé a efektivní zkoušky odolnosti materiálů, kde v experimentálním zařízení je použit zmenšený model lisovacího nástroje opatřený funkční vrstvou. Jako abrazivo je používána běžná směs pro lisování žáruvzdorných materiálů na bázi Al₂O₃ a SiO₂ ovšem se změněnou granulometrií, tak aby i na menších vzorcích docházelo k řádově stejnému opotřebení testovacích forem.

Souběžně s vývojem metody testování probíhal výzkum a vývoj funkčních vrstev, kde byla klíčovým sledovaným parametrem odolnost proti opotřebení na funkčních dílech experimentálního lisovacího zařízení. Při řešení tohoto projektu spolupracovalo s ČVUT více než 50 českých a zahraničních dodavatelských firem z oblasti práškové metalurgie, navařování odolných vrstev, tenkých CVD/PVD vrstev, žárových nástřiků, ale i speciálních chemicko-tepelných úprav povrchu ocelí. Do současné doby bylo podrobeno abrazivním testům již více než 200 různých materiálů a kombinací materiálů, povlaků a způsobů chemicko-tepelného zpracování. První obrázek znázorňuje průměrnou velikost opotřebení jednotlivých experimentálních nástrojů společně s referenčním vzorkem 0, vyrobeným standardní technologií v P-D Refractories CZ, po pěti tisících odlisovaných cyklech. Z grafu je jasně patrné, že existuje celá řada řešení, která umožní podstatné zvýšení životnosti lisovacího nástroje oproti používané metodě (znázorněno červeně) – rozhodující je technicko-ekonomická výhodnost každého z řešení.

Na základě provedených zkoušek abrazivní odolnosti materiálů a následných analýz opotřebení provedených na FS ČVUT v Praze byly vytipovány vhodné funkční vrstvy pro aplikaci na lisovací nástroje. U všech těchto vrstev byly sledovány vlastnosti jako fázové složení vrstvy, její tvrdost, adheze k základnímu materiálu nástroje, drsnost povrchu, otěruvzdornost a nelepivost lisovaného materiálu.

Různé druhy vybraných materiálových řešení s sebou přinášejí celou řadu technologických omezení, která přímo ovlivňují konstrukci nástroje. Nové konstrukční řešení tedy muselo splňovat jednak technologické parametry, které byly dány novým typem funkční vrstvy, respektive její aplikací na základní materiál, ale také požadavky dané technologií lisování.

Vzhledem ke složitosti dílů z hlediska tvaru pro některé tvarovky byl zahájen i výzkum týkající se složitého dílu pro lisování těchto tvarů v souvislosti s výrobou prototypu. Poznatky z tohoto výzkumu byly využity především při výběru vhodného dodavatele funkčního povrchu tak, aby splňoval vysoké požadavky na adhezi podkladního materiálu, kohezi vrstvy a s ní související požadavky na fázové složení a homogenitu tloušťky vrstvy. Na konstrukčním řešení formy se podílela řada konstruktérů jak ze strany P-D Refractories CZ, tak ze strany ČVUT. Při vývoji nové konstrukce lisovacího nástroje bylo třeba dodržet omezující podmínky, a to zejména umožnit snadnou montáž lisovacího nástroje, robustní konstrukci s ohledem na pevnostní zatížení během lisování a vhodné konstrukční řešení jednotlivých dílů s ohledem na technologii výroby odolných vrstev. Podle těchto požadavků bylo navrženo několik konstrukčních řešení, která byla podrobena provozním testům.

Řešení projektu přineslo také dílčí problémy, kdy byla na základě abrazivních testů zvolena metoda boridování tvarově složitých dílů. Pro zkoušky boridování reálných dílů byly použity tvarově složité štíhlé trny, kde jako podkladový materiál byla zvolena ocel ČSN 419436 z důvodů odzkoušené technologie výroby kalených trnů. Metoda boridování byla vybrána jako vhodná pro modifikaci povrchu z hlediska vzniku tvrdé povrchové vrstvy. Při procesu boridování ovšem docházelo k deformaci trnů, a to nad toleranční mez. Výsledky z analýzy geometrických specifikací boridovaného trnu na souřadnicové měřicí technice (CMM) jsou uvedeny na doprovodných obrázcích. Deformace „boridovaných“ dílců přesahovaly povolenou toleranci cca čtyřikrát. Jako jeden z faktorů přispívající k deformování byla zvažována mikrostruktura podkladového materiálu, zejména tzv. karbidická řádkovitost, s čímž úzce souvisí typ a hmotnostní podíl karbidických fází. Cílem provedených analýz bylo zjistit typ a hmotnostní zastoupení karbidů, které byly zjištěny z analýzy metalografických výbrusů na řádkovacím elektronovém mikroskopu.

Aplikace funkčních vrstev na prototypové díly přinesla řadu problémů týkajících se zejména přesnosti výroby a přilnavosti vrstev k tvarově složitým dílům. Standardně jsou ve společnosti vyráběny díly s přesností s odchylkou max. 0,05 mm na plochu. Pro vybrané funkční vrstvy je tato odchylka nepřípustná. Z tohoto důvodu bylo nutné navrhnout takovou technologii výroby, která by zajistila výrobu dílů s o řád vyšší přesností, tak aby bylo možné zaručit aplikaci funkční vrstvy v přesnosti s odchylkou max. 0,05mm na plochu. Prototypové díly byly po aplikaci funkční vrstvy analyzovány jak z hlediska fázového složení, tak z pohledu mikrostruktury a tloušťky vrstvy. Hlavním problémem, který bylo nutné vyřešit, bylo zejména vícečetné adhezní porušení funkční vrstvy. Provedené analýzy na řádkovacím elektronovém mikroskopu odhalily, že k porušení došlo z důvodů nedostatečné adheze celé vrstvy. Tento problém byl vyřešen vhodnou úpravou povrchu podkladového materiálu. Finální řešení již tyto vady neobsahovalo.

Funkční vrstvy, které byly nanášeny technologií žárových nástřiků HVOF, dosahovaly výborných výsledků. Ovšem s rostoucí složitostí dílů klesala přesnost nástřiku a zhoršovaly se vlastnosti povlaku. Na geometricky složité díly není vhodné aplikovat jednoduché trajektorie, ale složitější trajektorie nástroje kopírujícího povrch součásti. Toho je v oblasti žárových nástřiků dosahováno nejčastěji pomocí průmyslových robotů se šesti stupni volnosti. Průmyslové roboty jsou sice velice přesné manipulátory, ale každý svůj pohyb realizují nejčastěji rotací všech šesti svých os, které neustále akcelerují a decelerují. Během pohybu robota při nevhodném použití strategie nástřiku často dochází k velkému kolísání rychlosti TCP (Tool Center Point), která způsobuje nerovnoměrnou distribuci povlaku na geometrických prvcích součásti. Současně složité geometrie nedovolují často použít optimální (technicko-ekonomicky nejvhodnější) parametry nástřiku, které vedou k dalším variabilitám depoziční účinnosti a dalších funkčních vlastností povlaku.

Z tohoto důvodu byla provedena analýza vhodných materiálů pro žárové nástřiky za účelem zvýšení odolnosti proti abrazi, a analýza všech možných příčin variabilit během procesu nástřiku. Dalším vývojem bude experimentální testování vybraných materiálů, kde bude sledován vliv jednotlivých hlavních parametrů nástřiku (depoziční úhel, rychlost, vzdálenost) a vliv kinematiky robota během procesu nástřiku. Vliv parametrů nástřiku je pro každý materiál jiný, a je nutné závislosti experimentálně otestovat. Hlavním nedostatkem v oblasti žárových nástřiků aplikovaných na geometricky složité dílce je již zmíněná znalost pouze optimálních parametrů. Například normálový úhel nelze v řadě případů využít a je nutné úhel snížit. Při použití dalších parametrů bez jakékoliv kompenzace dochází k lokální depozici povlaku horší kvality, který se opotřebí rychleji než deponovaný povlak na zbytku součásti. Zároveň vzhledem ke kolísající rychlosti nástroje robota je nutné najít vhodnou metodu optimalizace procesu nástřiku pro dané geometrické prvky forem s vhodnou kombinací procesních parametrů. V rámci návrhu vhodné strategie budou testovány různé metody optimalizace, ale i analogie SW CAM, kde se při programování využívá podobného přístupu a je zde mnoho možností nastavení trajektorií. Výsledkem by měla být depozice povlaku stejné tloušťky a vlastností komplexně na celém povrchu formy a získání dalšího zvýšení životnosti.

Výsledkem celého projektu je tedy prototyp lisovacího nástroje. Díky systematickému a komplexnímu řešení dílčích úkolů bylo při realizaci projektu vyvinuto takové materiálové a konstrukční uspořádání lisovacího nástroje opatřeného odolnou vrstvou, které zajišťuje životnost 250 000 odlisovaných tvarovek. Lze tedy konstatovat, že životnost takto navrženého lisovacího nástroje se oproti běžnému lisovacímu nástroji zvýšila více než 50násobně.Tento výsledek projektu byl téměř okamžitě zaveden do výroby lisovacích nástrojů. Hlavním přínosem bylo pro společnost výrazné snížení výroby neshodných dílů až na hranici 0,1% (dříve cca 10%), možnost lisovat větší série tvarovek, snížení počtu vynucených odstávek lisu a možnost zachovat si vlastní know-how.