Inovativní technologie v automobilovém průmyslu

Společnost Walter NEFF GmbH se sídlem v Karlsruhe je výrobcem hydraulických lisů. Firma zhotovila v posledních letech několik lisů zařazených do celých výrobních celků včetně robotů a zásobníků.

Výrobní technologie kalení lisováním

Snížení spotřeby paliv, snížení emisí ₂ a zvýšení bezpečnosti cestujících – to jsou nejen dnes, ale i do budoucna důležité cíle výrobců automobilů. Existuje proto zvyšující se potřeba karosářských dílů s příznivým poměrem pevnosti a váhy. K tomuto spektru dílů patří především A a B sloupky, boční výztuhy ve dveřích a prazích, díly rámu, uchycení nárazníku, příčníky pro podvozek a střechu, podélné i příčné nosníky. Pro tento účel vyvinutý karosářský plech z martenzitické zakalitelné oceli 22MnB5 nabízí dnes tuto možnost vyrábět díly, které mají znaky hlubokotažné geometrie a pevností až 1700 MPa. Byla proto vyvinuta výrobní technologie kalení lisováním.

Tato nová technologie spojuje výhodu tvarování za tepla, která dovoluje vyrábět komplexní hlubokotažné díly bez většího zpětného odpružení materiálu již známou metodou zvýšení pevnosti ocelových materiálů pomocí martenzitických spojení. Při kalení se za pomoci teploty nad A_c3 změní stávající feritická struktura na kompletní austenitickou strukturu. Následně se při kalení pomocí prudkého snížení teploty na teplotu M_S přemění austenit na martenzit. Ferit má kubickou prostorově orientovanou a austenit kubickou plošně orientovanou mřížovou strukturu. Austenit proto má o něco vyšší plastickou tvarovatelnost než ferit. Ve feritu je možné rozpustit jen asi max. 0,02 % uhlíku, v austenitu maximálně 2,06 % uhlíku. Při martenzitické přeměně austenitu se změní kubické plošně orientovaná mřížka na tetragonální prostorově orientovanou mřížku. Tvoření martenzitu je ukončeno po dosažení teploty M_f. Při nové technologii kalení lisováním se před kalením tvaruje austenitická struktura a teprve tvarováním za tepla se zakalí. K tomuto vytvrzujícímu procesu dochází v uzavřeném studeném nástroji při kontaktu studeného povrchu nástroje s horkým povrchem tvarovaného dílu. Proto se nejprve v peci ohřívá plechový přístřih až do úplné austenitizace. Následně se plně austenitizovaný polotovar vloží do nástroje v hlubokotažném lisu, zavřením nástroje dojde nejprve ke tvarování dílu a poté při uzavřeném nástroji k jeho zušlechtění. Podmínkou pro úplnou přeměnu martenzitu je přitom nutné, aby byla struktura dílu ochlazena tak rychle, aby byla překročena vrchní ochlazovací rychlost v_ok. Zde je velikost hodnot M_{Sf ok} zásadně odvislá od obsahu uhlíku v materiálu. Toto platí především pro oceli s obsahem uhlíku od 0,2 do 0,4 %. V tomto rozsahu se snižují hodnoty M_{f ok} s rostoucím obsahem uhlíku. Nutné zadání pro optimální tvorbu martenzitu, především teploty A_c3 a M_S a kritická rychlost ochlazení v_ok poskytuje pro každý typ materiálu diagram ZTU. Pro každou ocel se musí vytvořit platný diagram ZTU. Z tohoto diagramu je možné vyčíst chování přeměny austenitu a složení struktury podle změny rychlosti ochlazení.

Karosářský plech z oceli 22MnB5 se na trhu nabízí pod různými obchodními značkami – jako ultraform/voestalpine; USIBOR 1500 P/Arcelor; BTR 165/Benteler; MBW/ThyssenKruppSteel. Podstatné podíly legujících prvků jsou 0,22 – 0,25 % C; 0,25 – 0,35 % Si; 1,2 – 1,4 % Mn; 0,005 % B. Nabízené tloušťky plechů jsou v rozmezí 1,5 mm a 2,5 mm.

Pro ocel 22MnB5 je v diagramu ZTU kritická rychlost ochlazení v_ok > 27 °C/s, počáteční martenzitická teplota M_S cca 390 °C, konečná martenzitická teplota M_f cca 190 °C a teplota A_c3 cca 800 °C. Hodnoty A_c3S f se dají vypočítat také pomocí empirických vzorců, známých z literatury. V případě, že míra ochlazení je moc nízká, může dojít k tvorbě feritu, bainitu nebo perlitu ve struktuře dílu. Tyto součásti struktury snižují pevnost a tuhost dílu.

Fáze lisování za tepla

Lisovaní za tepla je technologie závislá na teplotě a času. Probíhá v několika na sebe bezprostředně navazujících krocích. V prvním kroku se u polotovaru přemění existující feritická struktura na austenitickou strukturu. K tomuto se polotovar ohřeje v peci nad teplotu A_c3 a po určitou dobu se na této teplotě ponechá. Tato prodleva je nutná, aby došlo ke kompletní přeměně struktury na austenitickou. V průměru je tato doba od 4 do 7 minut. V druhém kroku se ohřátý polotovar vyjme z pece a vloží se do nástroje v lisu. Pro tuto přepravu je potřeba nějaká doba. V této době dojde k vlivem okolního vzduchu k ochlazení. Výše tepelné ztráty je odvislá od tloušťky materiálu. Ztráty se pohybují u materiálu o síle 1,5 mm asi 20 °C/s a u materiálu o síle 2,5 mm asi 10 °C/s. Při použití optimálního dopravního prostředku je možné dosáhnout času od 2,5 do 3,5 vteřiny. To znamená, že se u dílu z 1,5 mm materiálu snížila teplota o 140 °C, pokud na přepravu z pece do lisu bylo potřeba 7 vteřin. Tuto teplotní ztrátu je nutné kompenzovat, aby bylo zajištěno, že polotovar má při zahájení lisování austenitizační teplotu. Proto se v praxi nastavuje pec pro ohřev na zhruba 950 °C. Tímto je teplota o cca 150 °C vyšší než teplota A_c3, která má 800 °C. Pokud se používají materiály bez povrchové úpravy, dochází při dopravě z pece k lisu k tvorbě okují, tomu nelze zabránit ani při ohřevu v peci s ochrannou atmosférou. Tvorbě okují lze zabránit použitím povrchové úpravy Al-Si. Tato povrchová úprava není ochranou proti korozi, je pouze dobrým předpokladem pro následující KTL lakování lisováním zušlechtěných dílů.

Aby se kompenzovala teplotní ztráta mezi pecí a nástrojem, ohřívají se polotovary na 950 °C. Tavicí teplota Al-Si povrchové úpravy je již pod 620 °C. Se stoupající teplotou však vznikají difuzní procesy, které vedou k nasycování železem. Toto vzrůstající nasycení vede k tomu, že se tavicí teplota povrchové ochrany zvedne až nad 1100 °C. Při ohřívání polotovarů z povrchově Al-Si upravených plechů je tedy nutné dbát na to, aby teplota byla stále pod tavicí teplotou povrchové úpravy, která se nastavuje podle nasycení.

V dalším kroku výroby dojde k tváření s bezprostředně na to navazujícím zakalením ve studeném tvářecím nástroji. Aby bylo dosaženo maximální plastické tvarovatelnosti, měly by být tepelné ztráty tvarovaného dílu co nejmenší. Rychlost uzavíracího beranu by proto měla být co největší, aby nutný čas k uzavření nástroje trval pouze několik vteřin. Moderními hydraulickými lisy lze dosáhnout uzavíracích časů od 1 do 2 vteřin.

Zatímco při tváření jsou žádoucí co nejmenší přechody tepla z dílu na nástroj, potřebujeme naopak po uzavření nástroje pro zakalení co nejvyšší tepelnou výměnu mezi nástrojem a výliskem, aby se struktura tvářeného dílu ochladila tak rychle, že dojde k překročení kritické rychlosti chladnutí a k vytvoření martenzitické struktury.

tváření zůstane nástroj tak dlouho uzavřený, až dojde k úplnému vytvoření martenzitické struktury. Toto nastane v okamžiku, když teplota dílu poklesne pod teplotu M_f, která je přibližně 190 °C. Pro zajištění toho, že se ve výlisku skutečně přemění všechen austenit na martenzit, měl by být nástroj otevřen, až když je teplota dílu 150 °C až 170 °C. Teprve v tomto okamžiku je možno díl z nástroje vyjmout.

Čas, který je nutný pro kalení v uzavřeném nástroji, rozhodujícím způsobem ovlivňuje celkový čas potřebný pro výrobu jednoho dílu. Čím je tato takzvaná doba uzávěru kratší, tím lze očekávat vyšší produktivitu a hospodárnost této technologie horkého lisování. Kratší uzavírací doby lze dosáhnout pouze vyšší mírou ochlazení. A vyšší míry ochlazení lze dosáhnout optimalizovanou konstrukcí nástroje. Tento musí mít jednak s ohledem na míru ochlazení vysokou tepelnou výměnu a na druhou stranu s ohledem na životnost a tvarovou přesnost vysokou odolnost proti opotřebení. Dnes jsou na trhu chlazené nástroje s dosažitelným chladicím účinkem až 100 °C/s a více. To znamená, že lze dosáhnout pomocí moderní konstrukce nástrojů časů v hodnotě cca 15 vteřin.

Design nástroje

Hlavním faktorem zodpovědným za dosažení vyššího chladicího účinku je design nástroje. Pro design nástrojů pro tepelné tváření se musí zohlednit dvě podmínky. Za prvé je nutné na jeden zdvih dosáhnout maximální tvarové přesnosti. Za druhé nástroj musí umožnit dostatečné ochlazení tvářeného dílu, aby bylo dosaženo perfektní mikrostruktury v materiálu.

bylo dosaženo dostatečné chladicí kapacity, musí být nástrojem absorbována vysoká dávka (až 100 kW) tepelné energie a poté nástroji odebrána efektivním chlazením.

Je zřejmé, že potenciál megapevnostních ocelí je daleko vyšší, než se na začátku očekávalo.

Především v Evropě se automobilový průmysl soustředí i na díly zadní nápravy, nárazníků, ochranných rámů, které jsou vyráběny z megapevnostních ocelí.

Jelikož firma Walter Neff GmbH spolupracuje s doposud jediným nezávislým výrobcem nástrojů, je právě Walter Neff GmbH v pozici, kdy může nabídnout dodávky kompletních linek pro tepelné tváření dílů z megapevnostních ocelí. Výhradním zástupcem firmy Walter Neff Pressen GmbH na českém a slovenském trhu je KIT Invest Trading.

D. Bauer

Walter Neff Pressen