Témata
Reklama

Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Využití kapaliny ke tváření plechů, ale i trubek, se řadí k novým nekonvenčním tvářecím metodám, i když počátky jejího používání sahají až do 70. let minulého století. K prudkému rozmachu technologií pak došlo v 90. letech, a to zejména díky požadavkům na výrobu stále složitějších tvarových dílců v automobilovém průmyslu.
Používání kapaliny ve tvářecích operacích předpokládá užití vody či hydraulických olejů jako hlavního nebo doprovodného tvářecího média v různých aplikacích a konfiguracích lisovacích nástrojů. Efektem je rovnoměrnější rozložení přetvoření lisovaného dílce. Tento fakt umožňuje výrobu komplikovanějších a složitějších tvarů výlisků, které nejsou konvenčními technologiemi dosažitelné. Rovnoměrná deformace dílce s sebou zároveň přináší i jeho vyšší pevnost, čehož se s výhodou využívá např. pro zvýšení tuhosti karoserií. Jedním z dalších benefitů je bezesporu redukce počtu výrobních operací, a to zpravidla na jedinou. Vzhledem k tomu, že lze většinu takto lisovaných dílů vyrábět pouze v jedné operaci, navíc bez nutnosti mezioperačního žíhání, náklady na nástroje mohou být sníženy až o 90 %.

Výrobní metody využívající kapalinu lze souhrnně označit jako metody hydroformování, resp. tzv. hydroforming. V současnosti existuje celá škála metod, které lze rozdělit podle aplikace na dvě základní skupiny, tj. na metody určené ke tváření plechových dílů a na ty, které jsou zaměřeny především na tváření trubek. Zmíněné kategorie jsou charakterizovány specifickými vlastnostmi a nabízejí možnosti dalšího rozdělení.

Reklama
Reklama
Reklama

Hydroformování trubek

Hydroformování trubkových a dutých polotovarů je v základu založeno na přivedení tvářecího média do dutiny tvářeného dílce. Zvýšením tlaku je poté docíleno změny tvaru trubky či uzavřeného profilu na požadovaný, podle tvaru dutiny nástroje – lisovnice, která tvoří negativní tvar hotového výlisku. Polotovarem mohou být nejen klasické švové či bezešvé trubky, ale i kuželovité díly, duté profily nebo trubky o proměnné tloušťce stěny. Hydroformování trubek umožňuje výrobu tvarově rozmanitých dílců. Mohou to být díly s přímou, lomenou nebo prostorově ohnutou osou.

K výrobě požadovaných dílců je možné kromě statických nástrojů, které po uzavření vytvářejí dutinu lisovnice, využít i přídavného axiálního zatížení, zpravidla vyvolaného působením lisovníků. Rozlišení jednotlivých metod hydroformování trubek primárně zohledňuje velikost pracovních tlaků kapaliny při tváření. Z tohoto hlediska se rozeznávají celkem tři hlavní kategorie – nízkotlaké, vícetlaké a vysokotlaké hydroformování.

U nízkotlakého hydroformování se nepředpokládá významnější působení kapaliny uvnitř tvářeného dílce. Jedná se spíše o pomocnou úlohu opory průřezu proti jeho zborcení, např. při operaci ohýbání. Vícetlaké nebo též postupové hydroformování již aktivně používá kapalinu především ke změně tvaru. Tlak kapaliny působí uvnitř tvářeného dílce už při uzavírání nástroje. Tím také dochází k prvotnímu částečnému lisování a ke stabilizaci dílce před vlastním uzavřením nástroje. Kapalina tak usnadňuje materiálový tok polotovaru. Ve druhé etapě, kdy už je nástroj zcela uzavřen, tlak uvnitř polotovaru skokově vzroste a tím vylisuje díl do požadované geometrie. Vysokotlaké hydroformování, jak název sám napovídá, využívá v porovnání s ostatními metodami až několikanásobně vyšších tlaků, které umožňují výrobu složitějších dílců. Lze tedy tvářet i tlustostěnné součásti, a to až na samou hranici ztenčení stěny. Typickým příkladem hydroformování trubek, resp. vysokotlakého hydroformování je výroba nejrůznějších typů „Y“ nebo „T“ tvarovek.

Hydroformování plechů

Snad nejrozšířenější oblastí využití hydroformovacích metod představuje tváření plechů, pro něž se vžilo označení SHF (sheet hydro-forming). Tato oblast nabízí celou řadu metod pro přetvoření jednoho nebo dvou plechů do požadovaného tvaru a lze docílit širokého spektra tvarově složitých výlisků. Uplatnění nachází např. v automobilovém průmyslu, při výrobě otevřených či dutých výlisků nádrží apod.

Nejjednodušší možností hydroformování plechových polotovarů je přímé využití tlaku kapalinného média. Výhoda tohoto konceptu spočívá především v jeho jednoduchosti – není nutné konstruovat pohyblivý nástroj typu lisovník, neboť jej nahradí kapalina, což dokresluje schematicky znázorněný princip na obrázku někde. Po vložení polotovaru do nástroje dochází k jeho uzavření, tj. sevření okrajů plechu mezi lisovnicemi. Tím je celý systém utěsněn a po přivedení kapaliny se plech začne přetvářet do požadovaného tvaru podle dutiny lisovnice. Nutnou podmínkou je samozřejmě vysoký tlak kapaliny, aby byl překonán deformační odpor tvářeného materiálu (obvykle desítky až stovky MPa podle tvarové a rozměrové složitosti dílce). Do této skupiny spadají např. metody tváření tlakem kapaliny (hydro-stretch forming), paralelní hydroformování (pillow hydroforming), Flexform nebo metoda Verson–Wheelon.

Další možností je lisování s pomocí lisovníku, kdy kapalina, která nahrazuje funkci lisovnice, hraje spíše podpůrnou roli. Kapalina může působit na povrch tvářeného plechu přímo, jako např. u metody hydromechanického tažení. Potom je ale potřeba dostatečně utěsnit celý systém proti jejímu úniku. Proto se v některých aplikacích, jako např. u metody Hydroform či ASEA, s výhodou využívá gumová či polyuretanová membrána, která plně odděluje komoru s kapalinou od tvářeného plechu. Vlastní postup při hydroformování s využitím lisovníku je obdobný jako u předešlého případu. Po uzavření nástroje a zvýšení tlaku v lisovací komoře na požadovanou úroveň dochází ke vnoření lisovníku do již zmíněné lisovací komory zaplněné kapalinou. Tím se také polotovar přetvoří do požadovaného tvaru. Pracovní tlak uvnitř lisovací komory je třeba během lisovacího procesu monitorovat a případně regulovat, např. pomocí externího čerpadla.

Výroba strukturovaných povrchů

Příkladem efektivního využití hydroformování ve výrobní praxi může být výroba strukturovaných povrchů, resp. tvorba sady prolisů v plechovém polotovaru. Toho lze s výhodou využít např. při konstrukci plochých solárních absorbérů, u kterých přídavný reliéf na jejich absorpční straně zvyšuje efektivitu ohřevu teplosměnného média, jež protéká tělem takto vyrobeného solárního absorbéru.

Nabízí se proto využití metody paralelního hydroformování. Tento systém využívá kapaliny ke tváření nikoliv pouze jednoho plechového polotovaru, ale hned dvou nad sebe umístěných plechů, mezi které je po uzavření nástroje přivedeno, např. přes šroubení v jednom z nich, tvářecí médium. Plechy mohou být před samotným tvářením po obvodě svařeny, což zabezpečuje jejich správnou polohu vůči sobě a hlavně slouží jako zábrana proti úniku kapaliny při tvářecím procesu. Finální vzhled výlisku potom zohledňuje tvar obou lisovnic.

V daném případě byla realizována výroba sady jehlancovitých prolisů o vrcholovém úhlu 60° a výšce cca 4 mm do plechu tloušťky 0,8 mm, a to na ploše 1 000 × 166 mm. K tomuto účelu byly vyrobeny lisovací nástroje, tj. horní a spodní lisovnice, která tvoří negativní tvar požadovaného reliéfu.

Mezi tyto nástroje byl vložen polotovar v podobě dvojice po obvodě svařených plechů. Polotovar byl po obvodě sevřen prostřednictvím sešroubování horního a spodního dílu nástroje. Následně byla mezi plechy přivedena kapalina. Samotný přívod kapaliny, ale i nezbytné odvzdušnění, je možné realizovat různými cestami. Nejvhodnější je použití dvojice otvorů se závity, které je možné vytvořit např. vyhrdlením pomocí rotujícího konického nástroje (tzv. termálním vrtáním), jimiž je opatřen jeden z tvářených plechů. Pro zmíněnou realizaci byla takto vytvořena dvojice olemovaných otvorů se závity G1/4". Velkou výhodou je, že se po tváření lemy se závity nemusejí složitě odstraňovat, neboť poslouží coby vstup a výstup teplosměnné kapaliny při vlastním provozu absorbéru. Během přívodu kapaliny mezi dvojici plechů, tj. v průběhu vlastního tvářecího procesu, je nutné obě lisovnice (byť je celek sešroubován) k sobě přitlačovat dodatečnou silou. Tlak kapaliny 70 MPa, který je potřebný pro správné vytvoření požadovaných prolisů, by totiž mohl způsobit nežádoucí deformaci obou lisovnic, v krajním případě až destrukci celého nástroje. Proto je třeba hydroformování realizovat s podporou hydraulického lisu, jež zabezpečí dostatečnou tuhost nástrojů.

Na obrázcích někde je vidět detail finální vylisované struktury i celkový pohled na vylisovaný dílec. Jednotlivé segmenty opatřené strukturovaným povrchem lze potom sériově spojovat do libovolně velkých absorpčních ploch.

Závěrem lze říci, že využití popsaných konceptů je v principu jednoduché a vzhledem ke svým možnostem velmi efektivní. Metody využívající kapalinu jako tvářecí médium mají i v budoucnu určitě své místo a uplatnění, už kvůli požadavkům na stále složitější vyráběné tvary, a to nejen v automobilovém či leteckém průmyslu. Další otázkou moderních přístupů k výrobě jsou i pevnější nové materiály, které se s využitím konvenčních postupů dají tvářet jen s obtížemi. Proto je cesta využití hydroformování stále aktuálnější, i když je nutno zmínit, že v České republice stále některé koncepty hydroformovacích metod čekají na své objevení a využití ve výrobní praxi.

Obr. 1. Základní rozdělení hydroformovacích metod
Obr. 2. Příklady tvarových skupin dílců trubkového hydroformování
Obr. 3. Řízení tlaku v jednotlivých etapách hydroformování trubek
Obr. 4. Princip vysokotlakého hydroformování
Obr. 5. Příklady tvarových skupin dílců hydroformování plechů
Obr. 6. Princip tváření tlakem kapaliny
Obr. 7. Princip tváření metodou Hydroform
Obr. 8. Výroba strukturovaného povrchu
Obr. 9. Horní a spodní lisovnice
Obr. 10a. Proces hydroformování
Obr. 10b. Detail výlisku
Obr. 11. Vyrobený dílec

Kontakt:
Kamil Podaný
podany@fme.vutbr.cz
http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/

Autor: Ing. Jan Řiháček, Ph.D., Ing. Kamil Podaný, Ph.D., Ing. Eva Peterková, Ph.D.

Firma: VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologi

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 190107
Datum: 12. 02. 2019
Rubrika: Trendy / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Související články
Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Modulární lisovací systémy

Od univerzálních standardních lisů až po jednoúčelové speciální lisy - firma TOX Pressotechnik je díky svému modulárnímu systému lisů a pohonů schopna realizovat speciální a úsporná řešení v krátkém čase. Lisy ecoLine je možné sestavit v online konfigurátoru.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Optimalizace péče o ložiska zabraňuje odstávkám výroby

Ložiska jsou vysoce namáhanými součástmi pohonů, které v průběhu času podléhají opotřebení. S ohledem na to je zvláště důležité zahrnout je do plánů údržby, protože tato strategie pomáhá prodloužit životnost strojů nebo zařízení.

Velmi rychlá dvojčata

SolidCAM a InventorCAM jsou jeden a tentýž CAM program integrovaný v různých CADech (SolidWorks a Autodesk Inventor), proto má smysl mluvit o obou najednou. Neliší se funkčně totiž opravdu vůbec, pouze je uživatel ovládá ve svém oblíbeném CADu.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Okénko do historie

Na Vinohradech v Praze v historickém areálu rodiny Fričů sídlí malá nástrojařská dílna Nástrojárna NADO. Řemeslné dílny byly v tomto areálu od nepaměti, zejména se jednalo o výrobu hodinových strojků jako součástí měřicích přístrojů. Návštěva Nástrojárny NADO je spíše takovým okénkem do historie, ale přeci jen se v ní najde něco nového. Na jen několik let staré drátové řezačce Fanuc Robocut tam vyrábějí velmi přesné lisovací a tvářecí nástroje, dílenské přípravky a formy na vstřikování termoplastů.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

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