Témata
Reklama

Optimalizace tvářecích nástrojů laserovým dispergováním

Podle požadavků automobilového průmyslu na snížení spotřeby paliva při zvyšující se bezpečnosti vozidla, řešitelných v prvé řadě lehkým konstruováním, se technologie tváření v posledních letech trvale snaží o optimalizaci tvářecích procesů. Použití materiálů typických pro lehké konstruování karoserií, jako hliník, vysokopevnostní oceli a tailored blanks, a nových technologií, jako je tváření vnitřním přetlakem, silně ovlivnilo řešení nástrojů.

Úvod

Při tváření hliníkových plechů dochází vlivem afinity materiálu k oceli k adhezivnímu opotřebení, zatímco použití plechů z vysokopevnostních ocelí vede k abrazivnímu opotřebení nástrojů. Nalepování materiálu v oblasti hran má vliv na zvýšení potřebné přetvárné síly, zhoršení jakosti povrchu dílu a snížení životnosti nástroje. Ve výrobě karoserií se prosadilo použití pozinkovaných tenkých plechů, což spolu s nízkou deformační schopností vysokopevnostních ocelí přináší další problém přilnavosti a otěru zinkového povlaku. Obvykle se ke snížení opotřebení tvářecích nástrojů používají tenké povlaky - TiN, TiC, TiCN, CrN, CrC ap., nanášené procesy PVD nebo CVD (i s plazmovou asistencí). Ve zvláště namáhaných oblastech nacházejí použití i keramické vložky. Od CVD povlakování nástrojů se často upouští, protože je lze vzhledem k nepatrným tloušťkám povlaků a vysokým tvrdostem jen omezeně dodatečně upravovat. Selhání povlaků se zpravidla připisuje jejich nedostatečné přilnavosti k substrátu nebo nízké nosnosti substrátu (efekt vaječné skořápky). Pro renovaci opotřebeného povlaku je často nutné jeho úplné odstranění, nejčastěji obráběním (broušením). U keramických vložek a základního materiálu zase dochází v provozu k rozdílnému odpružení vlivem různých modulů pružnosti. Problematická je též citlivost keramiky na tahová pnutí a dynamické namáhání i její obrobitelnost.
Z prostředků rozpočtu Spolkového ministerstva hospodářství, poskytnutých přes AiF a EFB, bylo v Laser Zentrum Hannover (LZH) vyvinuto jednostupňové laserové dispergování keramických částic v povrchu oceli, které výrazně snižuje opotřebení nástrojů pro tváření hliníku a plechů z vysokopevnostních ocelí a vyrovnává dosavadní nedostatky keramických povlaků a vložek. Výkonnost vrstev byla stanovena srovnávacími zkouškami opotřebení dispergovaných (DN) a nedispergovaných modelových nástrojů (NN) na zařízení pro tažení pásky a na niblovacím stroji v ústavu Institut für Produktionstechnik (IPT) TU Drážďany.
Reklama
Reklama
Reklama

Zkoušky dispergování

Dále vám přiblížíme jednotlivé zkoušky dispergováním.
Nástrojové materiály
Jako zkušební materiály používané na nástroje ve výrobě karoserií byly použity nástrojová ocel pro práci za studena 1.2379 (X155CrVMo 12-1) a legovaná šedá litina s globulárním grafitem 0.7070 (GJS-700-2-L). Ocel pro práci za studena se vyznačuje vysokou odolností vůči opotřebení, dostatečnou tažností, velmi dobrou trvanlivostí řezné hrany a odolností vůči popuštění. Šedá litina byla zvolena pro svůj dobrý poměr ceny k výkonu. K zabránění vzniku pórů koagulací uhlíku, fosforu, síry, kyslíku a dusíku do plynových bublinek v laserové tavenině je nutný přiměřený vztah záření k době průběhu látkové výměny.
Keramické materiály
Ytriumoxidem stabilizovaný zirkonoxid (92ZrO2+8Y2O3) a titanoxidem stabilizovaný oxid hlinitý (93Al2O3+7TiO2) byly použity ve formě prášků. Stabilizační přísady slouží ke zlepšení tepelné odolnosti jako důležitému kritériu procesu dispergování. Zvláště v citlivosti vůči lomu vykazuje ZrO2 výrazné přednosti proti Al2O3. Navíc je rozdíl v modulech pružnosti oceli a ZrO2 nepatrný.
Plechy
Použité materiály různých skupin karosářských plechů jsou uvedeny v tabulce. Austenitická korozivzdorná ocel 1.4301 má vysokou schopnost přetváření, vysokou pevnost a dobrou odolnost vůči korozním médiím. Elektrolyticky zinkovaný plech H280 LA+ZE, často používaný ve stavbě vozidel pro svou dobrou tvařitelnost a vysokou pevnost dílů, je z mikrolegované oceli. Pás z výšepevnostní oceli CP-W 800 patří do kategorie jemnozrnných CP ocelí s tvrdými a jemnými fázemi ve struktuře s jemnými homogenními precipitáty. Tento materiál se užívá přednostně pro nárazově relevantní díly. Hliníková slitina A 6181 A byla užita ve stavu "vytvrzeném za studena". U této slitiny, vytvrditelné za tepla, dochází ke zpevnění v průběhu vypalování laku.
Zkušební zařízení
Laserovým zdrojem je Nd:YAG laser s výkonem 2 kW v trvalém provozu, ovládaný regulací tepelného procesu v reálném čase TemCon, vyvinutou v LZH. Regulace omezuje kolísání teploty lázně na ±100 K, čímž brání tepelnému rozkladu keramických částic v procesu dispergování. Povrchová teplota tuhé i tekuté fáze na dílu se měří přes emitované tepelné záření kvocientním pyrometrem. TemCon systém, založený na PID řídicím algoritmu, vypočítává z teploty nastavovací hodnoty pro řízení výkonu laseru. Laser používá laserové hlavy s bočním přívodem prášku, jejíž ovládání podle typu dílu řídí čtyřosé zařízení nebo šestiosá robotická ruka.
Zpracování povrchu
Při jednostupňovém laserovém dispergování byl přídavný materiál zaveden do laserem vytvořené lázně jako prášek v nosném plynu. Na rovinných vzorcích materiálů 1.2379 a 0.7070 s odpovídající úpravou povrchu proběhly zkoušky dispergování prášků ZrO2 + Y2O3 a Al2O3 + TiO2. Jako parametry procesu byly sledovány teplota lázně, fokusace, rychlosti posuvu, úhel trysky prášku a ochranný plyn.
Charakteristika vrstev
První zkouškou byla vizuální prohlídka vrstev na vzorcích. Kritériem bylo zbarvení keramických částic, z něhož lze usuzovat na možný tepelný rozklad při dispergování. Slibné vrstvy byly vyšetřeny metalograficky s hodnocením změn struktury, rozdělení tvrdé fáze a přítomnosti pórů a trhlin. Zkoušky chování vrstev při tření a opotřebení za podmínek blízkých reálným proběhly na zařízení pro tažení pásky a zkoušky na životnost nástroje při niblování v IPT.

Rozbor výsledků

Dispergování oxidu hlinitého Al2O3 na nástrojové materiály nevedlo k úspěšnému výsledku. Přestože teploty tavení oceli a litiny leží kolem 1300 °C a pod teplotou tavení Al2O3 2050 °C, naznačilo zabarvení keramiky tepelný rozklad, potvrzený metalograficky. Vyšší absorpcí laserového záření keramikou proti nástrojovým materiálům mají částice vyšší teplotu než lázeň, což vede ke vzniku glazury.
Pokusy s oxidem zirkoničitým ZrO2 + Y2O3 ukázaly, že na nástrojových materiálech lze připravit vrstvy bez pórů a trhlin. Podle nezměněného zbarvení částic nedošlo k tepelnému rozkladu, což bylo i se zjemněním struktury potvrzeno metalograficky. Zlepšily se též mechanické vlastnosti povrchu nástrojových materiálů, jako tvrdost a tažnost. Ukázaly, že parametry přívodu prášků jsou velmi úzké; při nevhodných parametrech dochází k víření prášků, omezujícímu jejich přístup do lázně.
Pro zkoušky tažení pásky byly vyrobeny tažné čelisti a pro zkoušky niblováním kruhové razníky. Nástroje z oceli 1.2379 byly kaleny na tvrdost 60 HRC, zatímco šedá litina byla použita bez úpravy. Nástroje měly leštěný povrch s RZ cca 1 µm a ve zkouškách byly užity s mazáním nejvhodnějším pro zpracovávaný typ plechu.
Na tažném zařízení bylo provedeno 500 zkoušek pro každý nástroj a typ plechu s měřením profilu povrchu vždy po 50 zkouškách.
Zkoušky na plechu H280 LA+ZE neukázaly rozdíl mezi DN a NN z oceli 1.2379. U NN ze šedé litiny vznikly na páskách slabé rýhy již po 250 zkouškách; po 500 zkouškách se drsnost povrchu zvýšila třikrát s výrazným úbytkem zinkového povlaku. Drsnost DN zůstala na původní úrovni a úbytek zinku byl nepatrný.
Zkoušky na pásu CP-W 800 s nástrojem z oceli 1.2379 nevedly k žádným závažným rozdílům mezi DN a NN.
U oceli 1.4301 ukázal povrch NN z oceli 1.2379 již po 150 zkouškách mělké rýhy a hluboké rýhy po 250 zkouškách. Tření se zvýšilo o faktor 6 a drsnost o faktor 30 proti výchozímu stavu. U DN se objevují mělké rýhy až po 450 zkouškách; hodnoty tření a opotřebení se zvýšily pouze dvakrát.
Také u hliníkového plechu AA 6181 A ukázaly DN z litiny 0.7070 výrazně lepší vlastnosti než NN. Zatímco u NN již po 150 zkouškách nalepující se materiál vede ke zhoršení povrchu, u DN k tomu dochází až po 350 zkouškách. Při tření dochází ve zkouškách u DN k poklesu hodnot, zatímco u NN k jejich růstu. Změna hodnot tření při zkouškách opotřebení je u DN nižší než u NN. Z toho lze vycházet pro větší jistotu při použití DN pro tváření hliníkových slitin.
Ve zkouškách životnosti při niblování zkoušených plechů nevedlo použití DN ani po dosažení 50 000 zdvihů k jejich poškození.

Shrnutí

V Laser Zentrum Hannover byly vyvinuty procesy k optimalizaci nástrojů z oceli pro práci za studena 1.2379 a z legované šedé litiny 0.7070 jednoduchých geometrií pro tváření plechu teplotně řízeným laserovým dispergováním částic Y2O3 stabilizované zirkonoxidové keramiky a vnesených až 0,1 mm pod povrch materiálu. Bylo stanoveno pole parametrů pro dispergování ZrO2 a užití procesu pro úpravy modelových nástrojů.
Při tváření plechů z korozivzdorné oceli a hliníku lze dispergováním docílit vícenásobné životnosti a výrazného snížení hodnot tření. Pro uplatnění výsledků na komplexní geometrie nástrojů je nutný další výzkum.
Prof. Dr.-Ing. E.h. mult. Heinz Haferkamp
Dipl.-Ing. Mathias Deutschmann
Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover
Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms
Dipl.-Ing. Roland Müller
Institut für Produktionstechnik, TU Dresden

Výroba plechových dílů

Česká společnost pro výzkum zpracování plechu (ČSVZP) a Evropská společnost pro výzkum zpracování plechu (EFB) se sídlem v Hannoveru pod patronací německé společnosti AiF Otto von Guericke a ve spolupráci s firmou Eduka uspořádala v Praze již tradiční německo-český seminář k aktuálním otázkám zpracování plechu.
Program dvoudenního semináře obstaralo celkem 23 přednášek (17 jich bylo ze SRN, 5 z České republiky a 1 ze Slovenska) z pracovišť automobilových výrobců, výrobců tvářecích strojů a nástrojů, softwarových firem a univerzit. Základem programu bylo 15 přednášek poprvé uvedených na předchozím kolokviu EFB ve Fellbachu. Přednášky byly mimořádně zajímavé novými technologiemi tváření plechu, způsoby, jak se zpracování plechu v automobilovém průmyslu vyrovnává s tvářením vysokopevnostních ocelí a tlakem na náklady, novinkami ve spojování plechů, softwarovými novinkami pro tváření plechu a profilů a informacemi o nárocích na jakost.
MM Průmyslové spektrum vybralo po dohodě s ČSVZP několik zajímavých přednášek a bude je postupně zveřejňovat v redakčně krácené úpravě jako informaci o novinkách ve zpracování plechu. Vybrané příspěvky se týkají zejména tváření plechů a optimalizace nástrojů ve výrobě karoserií, ale uvedené poznatky mají pro zpracování plechů tvářením obecnou platnost.
-ab-
Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 40706
Datum: 16. 07. 2004
Rubrika: Inovace / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Termomechanické zpracování

Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

Optimalizace tvaru nástroje pro válcování

V současné době je velmi vyhledávaným strojem válcovačka typu ULS. A s rozvojem elektromobility se jeví velmi pravděpodobný požadavek na zvyšování produkce hřídelových součástí. Společnost Šmeral Brno se proto rozhodla inovovat a zlepšit nejen stroj ULS, ale i samotný proces tvorby nástrojů příčného klínového válcování (PKV).

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.

Související články
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?

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

Nová řada vysekávacích lisů kombinovaných s laserem

V souladu s tradicí soustavného rozvoje produktových řad uvedla společnost Prima Power na trh kompletní novou generaci servoelektrických vysekávacích lisů kombinovaných s laserem.

Co je nového v tvářecí technice

Oblast plošného tváření je dynamicky se rozvíjející segment výroby dílců z plechu. Mezi technologií a stroji byl v minulosti veden neustálý boj. Vždy se podařilo vyvinout technologii, která o kus dál posunula hranice zpracování těžko tvářitelných materiálů nebo tvarově složitých dílců. Velkou roli v tomto rozvoji technologií plošného tváření vždy hrál automobilový průmysl, který neustále zvyšoval požadavky na komplikovanější tvary v souvislosti s fantazií designérů.

Vliv materiálu na kvalitu výlisku

Kvalita vstupního materiálu významně ovlivňuje výslednou kvalitu výlisku. Ověřování jeho vlastností je možné provádět různými zkouškami, mezi něž patří ověřování jeho mechanických vlastností či technologické zkoušky.

Metodika kompenzace odpružení u velkoplošných karosářských výlisků

Dnešní doba je charakterizována rychlou reakcí na akceschopnost a poptávku a klade vysoké požadavky na konečné nízké provozní náklady a vysokou kvalitu všech výrobků. V ideálním případě by měly být výlisky vyráběny bez defektů. Takto dokonalého stavu ovšem není možné zatím dosáhnout. Již v minulosti bylo řadou autorů popsáno početné množství defektů, u kterých se dnes ví, jaký přístup pro jejich predikci a eliminaci zvolit. Jedná se například o zvlnění materiálu, vyčerpání plasticity, iniciace trhliny, ztenčení materiálu aj.

Nekonvenční zpracování nové generace vysokopevných výkovků

Vysokopevnostní zušlechtěné výkovky se strukturou popuštěného martenzitu v současné době představují high-end skupinu kovárenských produktů. Díky nejnovějším poznatkům z oblasti fyzikálně-metalurgických dějů probíhajících v materiálu výkovků by skupina vysokopevnostních výkovků mohla být doplněna novou generací výkovků, jejichž struktura je tvořena nekonvenčním CFB (Carbide-Free bainitem) a QP martenzitem.

Požadavky na lisy a nástroje při výrobě převodovek

Stoupající požadavky na redukci CO2 ve výfukových plynech automobilů vedly k jejich narůstající hybridizaci a elektrifikaci. Z těchto důvodů se výrazně zvyšují nároky na plechové díly nejenom v konstrukci karoserií osobních automobilů, ale také v jejich pohonech. Jsou to především požadavky na kvalitu a rozměrovou přesnost. Zvyšuje se komplexnost těchto dílů, a proto také nabývají na významu nároky na tvářecí stroje a nástroje.

První krok od ohraňovacího lisu k servo-elektrické ohýbačce

Požadavky na trhu se mění a zpracovatelé stále více čelí situacím, kdy jsou velké série a objemy nahrazeny potřebouči poptávkou vyrábět malé série, navíc postavené na bázi just-in-time dodávek.

Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

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.

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