Současný stav a perspektivy tváření za tepla

Současně s tím se zvyšuje tlak na ochranu životního prostředí. Znamená to snižování spotřeby pohonných hmot a snižování emisí CO₂. Toho lze docílit vývojem nových motorů s nižším obsahem CO₂ ve spalinách nebo snižováním hmotnosti karoserie. Vzniká tak soustavný tlak na vývoj nových materiálů a nových technologií. Odhaduje se, že tak lze snížit hmotnost karoserií až o 30 %, při respektování všech ostatních požadavků. Mluví se o stavbě nových lehkých nebo smíšených konstrukcí. Týká se to i konstrukce automobilů. Lehké konstrukce se staly synonymem pro revoluční průmyslový rozvoj. Při navrhování karoserií by měly hrát prioritu takové konstrukční tvary, které mají rovnoměrné provozní zatížení ve všech průřezech. To nejde často dohromady s moderním designem karoserií.

Koncepce stavby karoserií

Nové materiály používané v konstrukci automobilů přinášejí zcela nové nebo další požadavky na technologii. Pro jejich posuzování nejsou vhodné klasické absolutní hodnoty materiálu, ale jejich poměrné hodnoty vztažené k měrné hmotnosti použitého materiálu. Od technologických možností se odvíjejí i koncepce stavby karoserií. Ty jsou podle posledních informací tři. První koncepcí je stavba karoserií z ocelí o vyšší nebo vysoké pevnosti, druhou je stavba z protlačovaných profilů (zejména Al, Mg, Ti a jejich slitiny) a třetí koncepcí jsou smíšené konstrukce (vysokopevnostní oceli a profily, slitiny neželezných kovů, včetně Ti a plastické hmoty, zejména kompozity). S každou touto koncepcí je spojena řada speciálních technologických problémů, které musejí být vyřešeny před uplatněním té které koncepce.

Nové materiály pro tváření

V porovnání s mechanickými hodnotami oceli DC04 mají všechny nové materiály větší poměrné hodnoty k jejich měrné hmotnosti. Specifickým problémem je cena materiálu. Nové materiály mají dále jiné hodnoty odpružení, jiné přetvárné síly, jiné přetvárné schopnosti. Tyto vlastnosti vedly kromě toho také ke speciálním tepelně podporovaným tvářecím technologiím, které lze také nazvat tvářením za tepla či vytvrzováním na lisech. Byly vyvinuty speciální materiály na bázi ocelí 20Mn5B nebo jsou vyvíjeny další oceli, které mají vysoké přetvárné pevnosti. Tváří se metodou vytvrzování na lisech, kde v nástroji dochází k rychlému ochlazování. Slitiny Al a Mg s dobrými předpoklady pro použití mají při normálních teplotách malou tvařitelnost. Tu lze zlepšit pomocí ochlazování v nástroji na lisech. U ocelí lze rovněž použít tváření s podporou předehřevu a řízeného ochlazování - tzv. temperované tváření. Optimální teplotu v nástroji a rychlost ochlazování je možné nastavit lokálně předem. Materiál - přístřih - je ohřát předem v peci. Pro slitiny Al lze optimálním předehřevem nástroje výrazně zlepšit tvařitelnost a snížit přetvárné odpory a síly. Tak je možné na jednu tvářecí operaci vyrábět komplikované tvary výlisků. Musí být však sledovány souvislosti, jako určení optimální tvářecí teploty nebo jejich průběh při ochlazování, možná integrace ohřevu do lisovacího procesu, reálné časy předehřevu, kvalifikace FE simulací pro tyto tvářecí procesy a nástrojů pro ně, zajištění pracovní bezpečnosti a hospodárnost. Při konstrukci nástrojů zejména musí být brán ohled na tepelnou roztažnost nástroje a tvářeného dílu, přechod tepla mezi nástrojem a tvařencem. S rostoucí teplotou klesá počáteční kluzové napětí, s rostoucí rychlostí roste počáteční kluzové napětí, přetvárné teplo roste s přetvárnou rychlostí.

Simulace

FE simulace vyžadují teplotně závislé deformační křivky, dále znalost ztenčení, gradienty teplot ve směru tloušťky a teplotně na zatěžování nezávislé koeficienty přenosu tepla, dále teplotně závislé specifické teplo a tepelnou vodivost, modelování změny zrna, prokalení plechů, změny objemu při změně struktury a tepelně nezávislá mezní přetvoření. Při konstrukci nástrojů se dají použít simulační programy na bázi Ansys, Marc a Abaques. Problémem jsou výpočetní časy a veliké množství procesních parametrů. Ty jsou pro běžné materiály známy. Význačnou roli hraje koeficient tření. Je to komplexní veličina závisející zejména na teplotě, povrchové kvalitě polotovaru a nástroje, na mazání a na tvářecí rychlosti.

Temperované ochlazování

U ocelových plechů lze ovlivňovat výslednou strukturu, a tedy mechanické vlastnosti tvařence různou rychlostí ochlazování, nazývaného temperované ochlazování. Snadné vysvětlení vyplývá z křivek izotermického rozpadu austenitu. Lze docílit perlitické struktury o různé velikosti zrna, počínaje hrubozrnnou strukturou s velikými zrny až po jemnozrnnou bainitickou strukturu, rychlým ochlazováním martenzitickou strukturu. Tvářecí teploty bývají kolem 920 °C, výchozí pevnost cca 1 200 MPa a po vytvrzování na lisech, dle druhu materiálu, až 1 900 MPa. Tváří se buď na jednu operaci, tzv. přímým postupem, nebo na dvě operace, kde první je tvářen za studena v první tvarovací operaci - předlisování - a následuje druhá operace za tepla, tzv. nepřímý způsob. Po vylisování se musí odstranit otřep. Problémem je okujení, proto většinou následuje po ostřižení otryskání.

V zásadě lze ohřev a následné tváření za tepla provádět těmito postupy:

• - polotovar se ohřívá zvlášť, nejčastěji vprůběžné peci a tváření se provádí vnetemperovaném nástroji;
• - předehřev zvlášť a tváření vtemperovaném nástroji;
• - ohřev a tváření vtemperovaném nástroji. Ohřev probíhá indukcí nebo kondukcí, pomocí mikrovln a tepelným zářením.

Schéma linky pro tváření plechů za tepla je na obr. 1.

Žárové hliníkování

Tvářet se nadále budou i plechy nechráněné proti korozi a okujení. Proti okujení lze čelit v průběžné peci jenom obtížně. Proto Thyssen vyvinul speciální povrchovou úpravu a tou je žárové hliníkování. Působí současně jako ochrana proti korozi a vhodné je pouze pro přímou metodu. Označení plechů je MBW1500 + AS. Další vyvinutou povrchovou úpravou s podobným cílem, jsou nanovrstvy označení x-tec. Tyto vrstvy obecně mohou způsobovat problémy při svařování. Thyssen proto vyvinul metodu odstraňování této vrstvy před svařováním v šířce cca 1,5 mm po obou stranách svaru. Pro různé pevnosti těchto 20MnB5 ocelí jsou sledovány problémy optimalizace svařování tj. zejména svařovacích parametrů, s ohledem na mechanické vlastnosti ve svaru v jeho okolí a podobně pro tvrdost. Díky temperovanému tváření byl sortiment dílů karoserií rozšířen na další díly. Na obr. 2 jsou současné možné díly karoserií osobních automobilů, tvářené za tepla buď vytvrzováním na lisech, nebo temperovaným tvářením. I nadále přetrvávají problémy s ostřihováním technologických přídavků. Otryskávání okují odpadá pouze u pohliníkovaných plechů.

Crashové požadavky

Všichni používají v současné době ocel 22 MnB5 bez ochranné vrstvy nebo žárově hliníkované označené AS nebo x-tec. Způsob tváření je přímý nebo nepřímý. Crashové požadavky lze splňovat jenom tak, že na výlisku je měkké, tzv. soft místo, kde se akumuluje energie rázu při crashi. Používají se tzv. Hotform Blanks. Jsou vyrobeny ze dvou plechů. V části, kde chceme akumulovat crashovou energii, se použije měkká hlubokotažná ocel o normální pevnosti, zbytek je z vysokopevnostní oceli. Tváří se za tepla přístřihy svařené z těchto dvou plechů laserem. Firma Audi pro B sloupky modelů A4 a A5 používá materiálové kombinace, např. MBW1500+AS a MHZ 340+AS. Přístřihy se za studena nařežou a svaří laserem, potom se tváří za tepla. Oba plechy mají vrstvu AS, tj. žárový Al.  Dříve se tyto sloupky vyráběly z oceli DP-K500+ZE. Nová koncepce B sloupku je méně nákladná a navíc lehčí. Také má lepší crashové chování tzv. soft zóny. Při vývoji B sloupku nové konstrukce byly sledovány možnosti použití kombinace materiálů s použitím BH efektu po tváření za tepla. Příklad B sloupku z Hotform Blanks je na obr. 3. Další možností výroby B sloupků (pro lehké konstrukce) je použití technologie Tailored Tempering. Jak bylo výše uvedeno, jedná se o vytvrzování na lisech - tváření za tepla, po společném ohřevu v průchozí peci v nástrojích dovolujících diferencované rychlosti ochlazování. Struktura materiálu může být různá, jak bylo uvedeno výše a potom včetně měkké části pro akumulaci crashové energie o nízké pevnosti cca 600 MPa a tažnosti 15 %. Nástroj může mít provozní teploty jako při tváření vytvrzováním na lisech, tj. 100 až 200 °C. Nástroje se při konstrukci navrhují pomocí speciálních SW. Při temperovaném tváření jsou udržovány lokální teploty a rychlosti ochlazování nástroje dle požadované struktury výlisku. Je to z hlediska přestupu a odvodu tepla. Byly sledovány mechanické vlastnosti Rm a Re, pro 250 výlisků, tj. porovnávání pro materiál MBW1500+AS ve stavu vytvrzeném na lisu a pro Tailored Tempering zpracování. Dále byly prováděny zkoušky i pro jiné tvářené díly, materiály a tloušťky. Na obr. 4 je B sloupek vyrobený tvářením za tepla temperovaným ochlazováním.

Tvařitelnost

Plechy nebo nověji i trubky - polotovary pro lisování za tepla ze slitin AlZnMgCu, se vyrábějí nejprve válcováním za tepla a jsou dále zušlechtěny následujícím tepelným zpracováním na maximální pevnost. Tváří se za tepla při teplotách 200 až 250 °C a následuje vytvrzování při 170 až 180 °C po dobu 20 až 30 minut. Při vývoji lisovací technologie se tvařitelnost sleduje pomocí speciálních zkoušek tvařitelnosti. Pro optimální podmínky tvařitelnosti se vyvíjejí konkrétní tvářecí technologie a nástroje pro ně. Optimální technologie tváření včetně  nástrojů se navrhuje s výraznou počítačovou podporou.

V budoucnu je očekáván rostoucí zájem o technologii tváření plechů a trubek za tepla.

Zpracoval doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.

Článek byl zpracován na základě informací získaných ve sborníku EFB, Tagungsband T31 Bauteile der Zukunft, ISBN 978-3-86776-343-1, a informací získaných v odborných časopisech BlechRohreProfile, ročníky 2007 až 2010.

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.

jan.sanovec@fs.cvut.cz