Kování výkyvnou zápustkou a přesné kování

Všichni výrobci strojních součástí se snaží použít pro výrobu co možná nejméně operací a dodávat součásti kompletně opracované, vysoce pevné a ve stabilní kvalitě. Toto je důležité zejména při velkosériové nebo hromadné výrobě. Důležité je rovněž vyrobení součásti komplexně, aby ji bylo možné zabudovat přímo do konstrukčního celku. Tomuto cíli se značně přibližujeme při použití dvou tvářecích technologií – přesné kování a kování ve výkyvné zápustce. Obě technologie mají své výhody a svá omezení, které je možné vysvětlit např. při výrobě kuželových ozubených kol pro diferenciál (obr. 1).

Obr. 1. Kuželová ozubená kola diferenciálu pro osobní a  nákladní automobily je možné vyrábět technologií kování výkyvnou zápustkou nebo technologií přesného kování.

Správně řečeno, nejsou přesné kování a kování výkyvnou zápustkou samostatné izolované technologie. Kování výkyvnou zápustkou rotačně symetrických výrobků vyžaduje jako výchozí polotovar rotační výkovek. Jako přesné kování lze označit kombinaci tvářecích postupů (viz tabulka), které dají součásti konečný tvar. Především kombinací tváření za poloohřevu a za studena mohou být vyrobeny rozměrově přesné a jakostní funkční plochy součásti. Kvalitně provedené přesné kování umožní vypustit některé následné operace, jako je např. obrábění. Jak kování výkyvnou zápustkou, tak také přesné kování jsou vždy úsporné z hlediska využití použitého materiálu a výrobního času. Rovněž i struktura tvářeného materiálu je výhodnější než např. po frézování. Přesné kování je nyní, vzhledem k možnosti dosáhnout vysoké geometrické přesnosti i na velmi tvarově rozmanitých výrobcích, považováno za špičkovou technologii tváření. Přesné kování umožňuje vyrobit součásti na hotovo, bez dodatečného obrábění, ve velmi přesných tolerancích rozměrů a s vysokou jakostí povrchu (obr. 2). Použití přesného kování je od kuželových ozubených kol přes synchronní kroužky, ozubené spojky až po součásti s ozubením a tvarovými dutinami. Přesné kování se používá rovněž při výrobě součástí pro vodovodní a plynárenskou instalaci i pro stavební technologie. U diferenciálních kuželových ozubených kol se nejprve provádí kování za tepla, kterým se dosáhne cca 98 % požadovaných tvarů. Konečný tvar se získá kalibrací na lisu. Při správném uspořádání výroby lze dosáhnout velmi krátkých výrobních cyklů, lze vyrobit až 120 součástí za minutu.

Základním kamenem pro výrobu přesných součástí, stabilitu výroby a nízké náklady je dokonalá konstrukce nástroje. Přesné kování je však komplexní proces s mnoha ovlivňujícími faktory, které mají vliv na výslednou kvalitu výkovků. Začíná to stříháním polotovarů z tyčí, pokračuje přes dokonalé, reprodukovatelné vyplnění zápustky, dodržení kovací teploty atd. Při dodržení všech optimálních parametrů procesu kování lze získat také dokonalý výrobek.

Kombinací kování za tepla a následným kováním výkyvnou zápustkou lze využít výhod těchto dvou různých technologií a dosáhnout tak příznivého průběhu procesu výroby s dobrým výsledkem.

Polotovary kuželových kol kované za tepla dosahují cca 65 % požadovaného konečného tvaru součásti. Pro výrobu lze použít běžný kovací stroj. Kováním výkyvnou zápustkou za studena se dosáhne konečného tvaru kuželového ozubeného kola. Relativně neznámá technologie kování výkyvnou zápustkou patří do technologií tváření za studena, při které působí tvářecí síla pouze na část povrchu obrobku. Vzniklé valivé tření (na rozdíl od vlečného tření vznikajícího při běžném lisování za studena) je malé a materiál teče bez velkého odporu v radiálním směru. Tak vznikne v materiálu napětí jen o něco málo větší, než je napětí na mezi kluzu materiálu obrobku. Vzhledem k menší ploše styku nástroje s obrobkem a příznivým podmínkám tření je tvářecí síla desetinová oproti např. síle při lisování za studena.
Kývavý pohyb horní zápustky umožňuje realizovat velký stupeň přetvoření bez vzniku trhlin. Kování výkyvnou zápustkou je jednostupňový tvářecí proces. Jediným zdvihem beranu lisu je za několik cyklů současného kývavého pohybu dosaženo požadovaného přetvoření. Protože výroba zápustek nepředstavuje velké náklady, je kování výkyvnou zápustkou vhodné i pro malé série. Vhodné stroje jsou na trhu nabízeny např. firmou Heinrich Schmidt (obr. 4). Výrobní cyklus diferenciálního kuželového kola činí asi pět sekund. Výrobci automobilů vyrábějí na dvou lisech při rovnoměrné výrobě denně až 18 000 ozubených kol, jejichž ozubení má konečný tvar.

Kování výkyvnou zápustkou probíhá za teploty okolí a nevznikají při něm žádné otřesy. Toto umožňuje instalovat tvářecí lis do bezprostřední blízkosti dalších strojů, např. obráběcích, a vytvořit tak výrobní linku využívající všech dostupných automatizačních prvků. Kování výkyvnou zápustkou probíhá zcela bez chlazení a mazání a přispívá tak ke zlepšení životního prostředí na pracovišti. Tato technologie rovněž přispívá ke snížení vzniku možných úrazů, např. popálení, uklouznutím po zaolejované podlaze atd.

Z hlediska přesnosti výkovků existují následující poznatky: přesnost ozubení kuželových kol diferenciálu pro osobní automobily je podle DIN 3965 požadována IT8, kováním výkyvnou zápustkou se dosahuje přesnosti IT7, přesným kováním se dosahuje požadovaných IT8 (při zvláštním úsilí také IT7). Kvalita ozubení má značný vliv na záběrové pole a na celkové chování ozubeného převodu. Čím lepší je záběrové pole, tím klidnější je chod a větší trvanlivost převodu. Přesným kováním nebo kováním výkyvnou zápustkou se dosáhne téměř optimálního tvaru a polohy záběrového pole ozubení. Kování výkyvnou zápustkou je vhodné pro všechny více nebo méně rotačně symetrické součásti. Hodí se nejen pro výrobu kuželových ozubených kol, ale také pro výrobu přírub, součástí převodovek apod. Technologii kování výkyvnou zápustkou nelze použít pro výrobu osově symetrických součástí nebo součástí s nerotačně symetrickými tvary. U rotačně symetrických součástí je použití technologie kování výkyvnou zápustkou omezeno výškou horní části kovaného tvaru. Výška tvaru je omezena dvěma faktory: jedním je tzv. efekt otáčení tvářené součásti a druhým je prostor zastavěný nástrojem ve výkyvné hlavě. Přesné kování s následným kalibrováním je zdlouhavé a drahé, je proto nutné, aby byl výkovek před kalibrací vyroben velmi přesně. To je důvod vysoké ceny zápustky i její údržby. Investiční náklady na technologii kalibrování jsou vysoké, protože pro tváření je potřebná vysoká tvářecí síla. Geometrie a tvar součásti nejsou téměř ničím omezeny.

Obě technologie umožňují efektivní použití pro tváření běžně používaných konstrukčních materiálů a dávají vysoce přesné výrobky, často v konečném provedení. Protože jak přesné kování, tak také kování výkyvnou zápustkou neporušují strukturu materiálu a zachovávají průběh vláken vhodný z hlediska zatížení součásti, mají vyrobené součásti velmi dobré pevnostní vlastnosti, které se projeví např. u kuželových kol diferenciálu na záběrovém poli a tedy i na klidném chodu diferenciálu.
Použití technologie kování výkyvnou zápustkou může být výhodné zejména tam, kde by bylo vhodné integrovat ji do výrobní linky. Přednosti této technologie se projeví především u nových součástí, které se konstruují s ohledem na možnosti této technologie. Technologii kování výkyvnou zápustkou lze použít i pro menší série.

Součásti vyráběné technologií přesného kování mohou mít téměř libovolný tvar a jsou vyrobeny s velkou přesností. Přesné kování je vhodné pro velké série nad 100 000 součástí, kde se projeví krátké výrobní časy této technologie.

Jürgen Fürst
Zdroj: MM Das Industriemagazin, č. 45/ 2011
Zpracoval – VŘ -

dana.benesova@mmspektrum.com

Tab. Možnosti tváření kováním, charakteristika technologie tváření za tepla, za studena a s poloohřevem