Proces tlačenia – inovačný potenciál v plošnom tvárnení

Aktuálnosť procesu tlačenia (tiež kovotlačenia) umocňuje tiež to, že svetové trendy v oblasti výroby súčiastok tvárnením sa orientujú na inováciu technológií, kde prenos tvárniacich síl medzi nástrojom a výtvarkom je realizovaný prostredníctvom malej, obvykle veľmi úzkej kontaktnej plôšky, presúvajúcej sa po tvárnenej ploche.

Jedným z výrazných trendov v oblasti spracovania materiálov tvárnením je zvýšený záujem o procesy založené na princípe lokálnej plastickej deformácie materiálu, ktorá je realizovaná v malých objemoch postupným, prírastkovým spôsobom. Takýto spôsob plastického pretvorenia sa nazýva inkrementálne tvárnenie a k jeho najvýznamnejším pozitívam patrí skutočnosť, že získanie požadovaného tvaru výtvarku je možné s použitím univerzálnych a relatívne ľahko dostupných výrobných zariadení. Proces výroby charakterizuje vysoká pružnosť na zmeny výrobného sortimentu a možnosť výroby výtvarkov, ktorých vyrobiteľnosť klasickými postupmi tvárnenia je obmedzená. Poslednou, avšak nie menej významnou, výhodou je fakt, že v procese inkrementálneho tvárnenia sa významne zlepšujú charakteristiky tvárniteľnosti spracovávaného materiálu a dochádza ku generovaniu plôch s priaznivými povrchovými vlastnosťami. Jedným z procesov inkrementálneho tvárnenia je kovotlačenie (metal spinning), ktorého podstatou je výroba dutých osovo symetrických alebo osovo nesymetrických výtvarkov s rôznym tvarom profilovej krivky z plechov, rúr alebo tvarovo preddefinovaných plechových polovýrobkov.

Proces tlačenia je možné klasifikovať rôznymi spôsobmi. V praxi sa najviac používa triedenie podľa postupu tvarovania polotovaru na finálny výtvarok. Výsledný tvar sa dosahuje buď niekoľkonásobným dopredným a spätným prechodom nástroja (tzv. konvenčné tlačenie, bez zmeny hrúbky steny výtvarku – obr. 1a), alebo na jeden prechod nástroja, pri ktorom dochádza k doprednému presúvaniu materiálu, výsledkom čoho sú výtvarky kužeľového tvaru s výraznou redukciou hrúbky steny (šmykové tlačenie – obr. 1b). Oba spôsoby sa používajú na výrobu výtvarkov kužeľového, konkávneho i konvexného tvaru. Do tejto skupiny je zaradené aj tlačenie rotačných dutých polotovarov (napr. rúr), pri ktorom dochádza k axiálnemu doprednému alebo spätnému premiestňovaniu materiálu sústavou tvárniacich kladiek (obr. 1c). Výsledkom je zmena hrúbky steny výtvarku spojená s výrazným mechanickým spevnením povrchovej vrstvy materiálu, zjemnením štruktúry materiálu a vytvorením typickej materiálovej textúry.

V minulosti sa operácie tlačenia realizovali výlučne manuálnym spôsobom. Používal sa na to špeciálny kovotlačiteľský stroj alebo vhodne upravený hrotový sústruh. Práca kovotlačiara však vyžaduje manuálnu zručnosť a široké skúsenosti, pričom je súčasne fyzicky náročná. Vývoj preto postupne zaznamenal prechod k mechanizovaným strojom, často doplneným o hydraulické ovládanie pohybu nástrojového suportu, až k moderným, číslicovo riadeným centrám, umožňujúcim pracovať v playback móde, v on-line alebo off-line CNC móde alebo v playback móde, rozšírenom o možnosť využívať štandardné programové rutiny.

K významným benefitom tlačenia patrí skutočnosť, že potrebné nástrojové vybavenie je jednoducho vyrobiteľné, univerzálne a vyžaduje krátke zoraďovacie časy, čo prispieva k tomu, že táto technológia je flexibilná, použiteľná na výrobu malého počtu výtvarkov, alebo dokonca na zhotovenie jedného prototypového výtvarku. Umožňuje vyrábať široké rozmerové spektrum výrobkov v rozmedzí priemerov od 3 mm do 10 m a hrúbok spracovávaných materiálov od 0,4 mm do 30 mm (pri zvýšenej teplote až do hrúbky 140 mm) s nízkymi hodnotami výrobných tolerancií (napr. výtvarky do priemeru 600 mm pri bežnej presnosti dosahujú odchýlky rozmerov +/-0,38 mm až 0,79 mm, pri zvýšených požiadavkách na presnosť +/-0,02 mm až 0,13 mm) a priaznivými vlastnosťami integrity povrchových vrstiev výtvarku. Proces výroby je ľahko automatizovateľný a častokrát umožňuje kombinovať tvárnenie s inými technológiami, napr. obrábaním alebo zváraním, pri jednom upnutí polotovaru. Vzhľadom na lokalizované tlakové pôsobenie nástroja na spracovávaný materiál, a s tým spojený špecifický charakter priebehu plastickej deformácie, existuje len malá pravdepodobnosť porušenia materiálu. Špecifický charakter priebehu plastickej deformácie prispieva k zvýšeniu hodnôt pevnosti materiálu pri súčasnom zvýšení hraničných hodnôt únavy, odolnosti voči korózii a odolnosti voči rôznym formám opotrebenia.

Tlačením sa spracovávajú rôzne druhy kovových materiálov, v praxi sa však najčastejšie vyskytujú tlačené súčiastky z uhlíkových a zliatinových ocelí, vrátane austenitických koróziivzdorných ocelí, niklu, hliníka, medi, titánu, horčíka, kobaltu, platiny a ich zliatin. Spracovateľné sú aj materiály, ktoré sú vo všeobecnosti považované za obtiažne tvárniteľné. Počas tlačenia pri teplotách pod teplotou rekryštalizácie materiálu dochádza k modifikácii jeho pevnostných charakteristík (spevňovaniu), čo je v podstate priaznivý jav, umožňujúci vyrábať súčiastky s redukovanou hrúbkou steny pri zachovaní jej pevnosti. Niektoré materiály, ktoré sa počas tlačenia intenzívne spevňujú, vyžadujú zaradenie operácií medzioperačného žíhania. Na zníženie energetickej náročnosti procesu plastickej deformácie je možné využiť lokálny predhrev materiálu prídavným tepelným zdrojom vo forme elektrického indukčného ohrevu, kyslíkovo-acetylénového plameňa, plazmového oblúka alebo laserového zväzku.

Technológia tlačenia sa uplatňuje najmä vo výrobe súčiastok pre oblasť potravinárstva, pôdohospodárstva, telekomunikácií, osvetľovacej a ventilačnej techniky, energetiky, zdravotníctva, leteckého, lodného, obranného, ale tiež automobilového priemyslu, a to predovšetkým pri výrobe diskov kolies, dýz, nátrubkov a iných podobných súčiastok (obr. 2).

Technológia tlačenia, po období útlmu, spôsobeného tendenciou zhromadňovania výrob a s tým spojeným preferovaním technológie hlbokého ťahania, predstavuje veľmi dobrú alternatívu k týmto postupom výroby súčiastok, pričom má silný inovačný potenciál. Hoci objavovanie zákonitostí výroby súčiastok tlačením bolo historicky založené prevažne na empirických základoch, až súčasný intenzívny priemyselný rozvoj priniesol nové impulzy do poznávania tejto technológie, využitím exaktného experimentálneho výskumu, dopĺňaného poznávaním cestou matematického modelovania a počítačovej simulácie. Medzi aktuálne trendy v rozvoji tejto technológie patrí hľadanie nových, inovatívnych postupov výroby súčiastok tlačením, generujúcich priaznivé napäťovo-deformačné stavy v materiáli, umožňujúce vysoký stupeň pretvorenia materiálu. Študované sú vplyvy širokého spektra materiálových, kinematických a konštrukčných parametrov procesu (napr. tlačenie bez modelu, alebo model nahradený protikladkou, tlačenie s pohyblivým pridržiavačom alebo tlačenie s viackladkovou rotačnou hlavou), vplývajúcich na hraničné hodnoty plastického pretvorenia materiálu a formovanie komplexu výsledných vlastností výtvarku. Súčasné trendy v oblasti spracovania materiálov tlačením sú uvedené na obr. 3.

Technológia tlačenia, v podmienkach slovenského priemyslu, bola v minulosti široko využívaná firmou Sandrik, Hodruša-Hámre, ktorá bola známa predovšetkým výrobou rôznych výrobkov pre oblasť gastronómie. Jej kovotlačiteľská dielňa využívala najmä manuálny spôsob výroby výtlačkov, neskôr rozšírený o tlačenie na mechanických a hydraulických kovotlačiteľských strojoch. Spôsob výroby súčiastok tlačením, reflektujúci požiadavky modernej priemyselnej výroby, je v súčasnosti rozvíjaný v podmienkach firmy Eiben, Vlkanová. Firma sa špecializuje na výrobu výtvarkov z ocelí a zliatin kovov na báze ľahkých a farebných kovov, pričom významné zastúpenie majú najmä výtvarky z rôznych typov koróziivzdorných ocelí. Firma v súčasnosti patrí k významným producentom tlačených súčiastok s vysokou pridanou hodnotou technického riešenia (výtlačky s premenlivou hrúbkou steny; výtlačky s tvarmi dosahujúcimi hraničné možnosti pretvorenia materiálu) pre oblasť spotrebného, automobilového a obranného priemyslu.

Perspektívy využitia tejto technológie v súčasnej priemyselnej praxi sú stimulom prepájania existujúceho zázemia na rozvoj tejto technológie v slovenskom priemyselnom prostredí s vedecko-výskumným potenciálom Ústavu výrobných technológií Materiálovotechnologickej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave so sídlom v Trnave. V rámci riešenia medzinárodného projektu Smart EUREKA s názvom „An Integral Process Value Chain Based on Hybrid Manufacturing Process for a Flexible and Reconfigurable Production of High Complex Tooling“ bola pozornosť sústredená na overenie možností modifikácie vlastností povrchových vrstiev funkčných častí nástrojov aplikáciou povrchového textúrovania laserom, s cieľom pozitívne ovplyvniť interakciu trecej dvojice nástroj-výtvarok tak v procesoch plošného tvárnenia (aplikácia na aktívne plochy tlačných nástrojov – kladiek), ako aj v oblasti objemového tvárnenia (aplikácia na exponované plochy kovacích zápustiek). Príklady povrchových textúr, generovaných laserovým mikroobrábaním na aktívnych plochách tlačných nástrojov, poskytuje obr. 4.

Očakáva sa, že zvládnutie postupov výroby povrchových textúr nástrojov bude mať pozitívny dopad na energetickú náročnosť procesu tvárnenia, zníži sa spotreba procesných látok (mazív) a pozitívne budú ovplyvnené procesy plastickej deformácie materiálu, determinujúce makro a mikrogeometrické parametre finálnych výtvarkov.

Širšej propagácii tejto technológie a pochopeniu rozsiahlych možností jej uplatnenia v modernom priemysle napomáhajú aj vzdelávacie projekty. Jedným z nich je projekt KEGA s názvom „Zvyšovanie profesijných kompetencií absolventov univerzitného vzdelávania v odbore Výrobné technológie implementovaním prvkov duálneho vzdelávania”, ktorého výstupom je súbor vzdelávacích materiálov, praktických úloh z oblasti navrhovania výroby súčiastok technológiou CNC tlačenia, určený pre študentov technologicky orientovaných študijných programov na druhom stupni univerzitného vzdelávania.

Problematika prezentovaná v príspevku je súčasťou riešenia grantovej úlohy KEGA (022STU-4/2019) a projektu EUREKA (S 0104-FlexTool): „Integrovaný, hodnotovo orientovaný reťazec hybridných výrobných procesov pre pružnú, rekonfigurovateľnú výrobu komplexných nástrojových systémov“, spolufinancovaného Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR.