Témata
Reklama

Prototypové nástroje pro hydromechanické hluboké tažení

V minulém vydání jsme po dohodě s Českou společností pro výzkum zpracování plechu přetiskli redakčně upravenou přednášku o optimalizaci tvářecích nástrojů laserovým dispergováním, která zazněla na letošním semináři zabývajícím se problematikou zpracování plechu. Dnešní přepracovaná přednáška se zabývá aspekty hydromechanického tváření.

Ve zpracování plechu je hydromechanické tváření vhodné k pružné výrobě malých sérií dílů vysoké jakosti na nákladově výhodných systémech.
Praktický přechod na procesy hydromechanického tváření vyžaduje vedle metodicko-plánovacího know-how koncepce vhodných zařízení a nástrojů. Rozsáhlé zkušenosti získala Audi AG. Zvláště koncepce lisů Schnupp Hydraulik, realizovaná v Audi, optimálně podporuje proces tváření vysokým vnějším přetlakem AHU (Aussenhochdruckumformung) řadou svých parametrů ovládání. V konstrukci nástrojů byla zpočátku převzata běžná provedení, jako lité nebo běžné nástrojové oceli s velkou rezervou bezpečnosti. Mezitím byly nové prototypové nástroje vypočteny na nová provozní namáhání a nově vyrobeny v automobilovém výrobním řetězci; proti dosažené rychlosti výroby běžně dosahované neobstojí.
Reklama
Reklama
Reklama

Základy hydromechanického hlubokého tažení

Průběh tváření vnějším přetlakem AHU spočívá v podstatě ve třech krocích. Po uzavření přidržovače, příp. hydromechanického nástroje, je plech vodotěsně natlakován. Po něm začíná předklenutí jako vložený krok, při němž se plech podrobuje tlaku média. Následuje hydromechanické tváření (HMT) plechu proti přidržovači a nástroji s kalibrací polotovaru, při němž vnitřním tlakem materiál plně dosedne na razník. Přitom stoupne uzavírací tlak lisu na potřebnou minimální hodnotu.
Pro posouzení předností je účelné rozlišovat dvě kategorie dílů. Na jedné straně geometrie s velkou hloubkou tahu, na druhé velkoplošné, málo hluboké díly. K prvním patří u automobilu strukturní díly, např. tunel pohonu. Zde umožňuje HMT vysoký poměr průměrů tažník/tažnice v jednom tahu a úspory nákladů za nástroje.
Druhou oblastí nasazení HMT jsou velkoplošné málo hluboké díly. V automobilu to jsou vnější viditelné plechové díly karosérie. HMT umožňuje rovnoměrné přetváření a vysoké deformace, a z toho vyplývající vysoké deformační zpevnění v celém dílu. Vnější povrch dílu přitom přichází do styku s pracovním médiem. Ve srovnání s konvenčním hlubokým tažením (HT), kde povrch klouže po tuhé matrici, se dociluje lepší jakosti povrchu při nepatrné práci nástroje.
V rámci programu Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) "Tváření plechu založené na pracovních médiích 2000" byl na Katedře tváření a slévárenství TU Mnichov vyšetřen vliv aktivního předtváření při HMT na velkoplošné slabě konturované díly a vliv tlakového účinku média na rozložení změn tvaru a napětí u různých materiálů. U obou typů dílů má HMT potenciál lehkého konstruování. Redukce tloušťky plechu při stejných vlastnostech dílu proti klasickému HT vede u HMT ke snížení hmotnosti. Možné nasazení nových materiálů, jako např. výšepevnostních ocelí, zde podporuje ideu lehkého konstruování.
Pro hospodárnou výrobu s HMT při delších dobách taktu ve srovnání s HT je na předním místě malosériová výroba vysoce jakostních dílů. Svůj potenciál zde nabízí nepatrná investice do zařízení a nástrojů ve spojení s inovativní výrobní strategií.

Prototypové nástroje

U dosud užívané koncepce nástrojů v HMT se jedná většinou o provedení, silně připomínající běžné HT; mají vodicí, nosné a upínací zařízení s přípravky ze "stavebnice" běžně vyrobených nástrojů. Pro dimenzování nosných průřezů na "velmi bezpečné" straně se proto volí vysokopevnostní lité oceli nebo oceli k zušlechťování. Matrice je vybavena prvky běžné výroby nástrojů a prvky managementu kapalin: přívody a odvody média, těsněním a zařízením pro kontrolu přetečení nebo úniku.
Popsaný způsob konstrukce ukazuje jasně: náročnost nákladů a výrobního času je značná. S pohledem na oblast nástrojů, které lze přiřadit geometrii dílu, příp. tvářecího zařízení a nikoliv funkci nástroje, je tu požadavek soustředit veškeré, v každém AHU nástroji potřebné prvky v jednom variabilním a více využitelném systému nosiče nástrojů, příp. ve "vodní skříni" a tyto komponenty uspořádat do zásobníku prototypových nástrojů.
Na nástroje pro HMT se klade požadavek vysoké pevnosti. Vedle sil pro tažení a přidržování jako u běžného HT musí snášet síly tlaku média působícího všemi směry. Celková lisovací síla se uvádí na spodní část nástroje přes stůl lisu jako uzavírací síla. Proti ní působí síla tlaku média. Tím vznikají na potřebném průřezu AHU nástroje dva druhy namáhání. Prvním je případ max. uzavírací síly a max. tlaku média, jaký se vyskytuje při kalibraci. Při něm klesá dno nástroje a stěny se prohýbají do stran. Druhým je případ max. uzavírací síly bez vnitřního přetlaku. Ten vzniká, pokud při kalibraci dojde k selhání dílu a s tím spojeným náhlým poklesem tlaku. Při něm se dno nástroje prohýbá nahoru.
U stávajících nástrojů se příznivě projevilo žebrování na bocích nástroje. Pro modulární systém však tato konstrukční úprava není vhodná, neboť zabírá místo potřebné pro vložky matric. Navíc má materiál Zamak jen asi poloviční modul pružnosti cca 95 GPa proti šedé litině GGG70 s cca 170 GPa a je proti GGG70 měkčí. Materiál Zamak je vhodnější, protože lépe přenáší namáhání pružnou deformací do nosiče nástroje. Ten musí snést téměř veškeré namáhání bez žebrování. Aby nerostly tloušťky stěn, byl omezen max. přípustný tlak média na 300 barů. Podle geometrie dílu byl teoreticky možný tlak až 480 barů.
K odhadu namáhání nástroje byly provedeny výpočty metodou konečných prvků (FEA). Při základním dimenzování v počátečním stadiu byly napětí a průhyb počítány pomocí softwaru MSC-MARC americké firmy MSC Software. S přibývajícími detaily, jako žebrování a vrtání, byly nároky na síť nástroje v MARC příliš velké. Analytická funkce konstrukčního softwaru CATIA V5 od Dassault Systems díky integrovanému automatickému 3D síťování nabídla lepší řešení. Srovnávací výpočty oběma systémy ukázaly, že vypočtená napětí a průhyby vychází u CATIA asi o 10 % vyšší než u MARC. Při použití CATIA se tak pohybujeme na bezpečnější straně.
Pro nejrealističtější stanovení okrajových podmínek simulace byla deska stolu též zahrnuta do výpočtu. Spojení desky se spodním dílem nástroje bylo uvedeno pozicí upínacích šroubů. Přidržovač byl pro své rozměry pojat jako tuhý ve vztahu ke spodnímu dílu a v pevném uložení spojen s vodicími sloupy vložky Zamak. Přes použití výkonného počítače nemohl být překročen určitý počet elementů pro únosnou dobu výpočtu, a tak bylo upuštěno od modelování dalších, pro simulaci nerelevantních elementů. Vložka Zamak byla do nosiče nástrojů umístěna plošně.
S podporou DFG byl tento nástrojový systém realizován k provedení zkoušek v programu. Cílem prvních zkoušek tváření bylo ověření funkční schopnosti systému nikoliv variací parametrů. Jako referencí bylo použito zkušebních dat konvenčních nástrojů. Zkoušky byly provedeny na plechu tloušťky 1 mm z oceli DC04.
Při první zkoušce zatížení byl systém uzavřen a plech podroben vyklenutí tlakem. Přitom byla ověřena těsnost systému mezi přidržovačem a plechem, a mezi matricí Zamak a nosičem nástrojů. Ve druhé zkoušce byl díl tvářen až do konečného tvaru. Přitom vzrostl tlak média na 50 barů. S předem stanoveným nastavením byl systém dále zkoušen ve fázi kalibrace.
Po zkoušce byly díly opticky vyhodnoceny. U dílů vyrobených pomocí modulární spodní části nástroje bylo v oblasti příruby nalezeno silnější zvrásnění než u dílů vyrobených konvenčním AHU nástrojem. Vyšší přidržovací síla při předtváření a tváření ukazuje srovnatelný obraz zvrásnění. Větší zvrásnění se připisuje nižšímu modulu pružnosti matrice Zamak (cca 95 GPa) proti modulu konvenční ocelové matrice (cca 210 GPa) a změněné konstrukci spodního dílu nástroje, čímž se mění jeho odpružení. Navíc má matrice Zamak jiný způsob vestavění. Tvarová přesnost byla zjišťována 3D souřadnicovým měřením na řezu a porovnáním s daty geometrie tažníku. Srovnáním s díly vyrobenými konvenčními nástroji AHU není u dílů vyrobených modulárními nástroji žádný rozdíl v rozměrové přesnosti.

Shrnutí

Ve výrobě dílů karoserie nejvyšší jakosti, zvláště v malých a středních sériích, má inovativní hydromechanické tváření technologické a ekonomické přednosti.
Pro možnost výroby v prvé řadě prototypových dílů pomocí technologie AHU tak, jak je zvyklostí u tažení běžných dílů, byl vyvinut a realizován systém, jenž jako jiné úpravy obsahuje všechny funkce, nevztahující se ke geometrii dílu. Všechny vytčené cíle rychlosti, amortizace, snížení nákladů, spektra dílů a funkce byly dosaženy.
Dipl.-Ing. Matthias Kerschner, Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann,
Lehrstuhl für Umformtechnik und Giessereiwesen TU München;
Dr.-Ing. Artur Stümke, Dipl.-Ing. Wolfgang Rauh,
Audi AG Ingolstadt
Reklama
Vydání #10
Kód článku: 41009
Datum: 13. 10. 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
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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?

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.

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.

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.

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.

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