Témata
Reklama

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.

Snížit spotřebu na výše uvedené hodnoty a splnit veškeré emisní limity je poměrně náročný technický úkol. Alternativní pohony vozů či jiná náhrada spalovacích motorů v současné době ve stabilní poloze dořešeny nejsou, a tak jediným technickým řešením stále zůstává redukce hmotnosti karoserie. K tomu lze do značné míry využít specifických vlastností za tepla lisovaných a v nástroji kalených dílů, jejichž výsledná pevnost je značná – dnes až 2 000 MPa.

Výrobních linek produkujících tento typ dílů je podle informací od firmy Schuler (výrobce linek pro tváření plechů za tepla) přibližně tři sta po celém světě. Vstupním materiálem je feriticko-perlitická ocel o vysoké pevnosti s označením 22MnB5. Ohřev na tvářecí – austenitizační – teplotu je spojen s okujením, proto jsou tyto plechy povlakovány vrstvou na bázi AlSi. Dalším specifickým aspektem při zpracování tohoto typu ocelí je vysoká pevnost okrajových částí určených zpravidla pro ostřihování, děrování a spojování. Povrchová kvalita i velmi vysoká výsledná pevnost dílu předurčují samotnou aplikaci pro vnitřní nepohledové prvky karoserií. I přes tyto problémy počet dílů za tepla tvářených plechů stále narůstá. Výrobní technika je vystavena tlakům vedoucím ke zvyšování výkonnosti při zachování kvalitativních parametrů. Jsou kladeny stále vyšší nároky na regulaci, možnosti řízení těchto výrobních linek apod. Požadována je jejich snadná přestavitelnost a ekonomická efektivnost.

Reklama
Reklama

Počítačová podpora

Proces tváření ovlivňuje celá řada okrajových podmínek a specifických vlivů. Návrh výrobního systému se dnes již neobejde bez počítačové podpory, zejména v oblasti konstrukčního návrhu lisovacího nástroje, ale také výrobní linky jako komplexního výrobního systému. Simulace se vhodně využívají i k návrhu řízení těchto linek a jsou tak cenným zdrojem informací pro plnění rozmanitých požadavků, jako je dodržování výrobní jakosti, hospodárnosti, minimální zmetkovitosti apod. Počítačová podpora výroby zároveň významně pomáhá při řešení pravidelné i mimořádné údržby výrobní linky.

Vstupními informacemi do numerických výpočtů jsou kromě materiálových a geometrických specifikací také teplota nástroje, dále čas přesunu polotovaru do nástroje, rychlost tváření, tvářecí a přidržovací síly, čas chlazení v zavřeném nástroji, tloušťka plechu apod. Výpočtově lze tak modelovat a hodnotit fázové změny, průběhy tvrdosti, sledovat odpružení, deformace během procesu tváření apod. Výsledky simulací jsou na příkladu experimentálně ověřovány na dílu výztuhy prahu a díky tomu je možné sledovat závislosti na vstupních veličinách pro tento konkrétní případ. Získané hodnoty lze pak operativně použít k regulaci tvářecího procesu. Na obr. 1 jsou uvedeny cykly lisu na tváření plechů za tepla. V současné době je stále více pozornosti věnováno použití parciálního ohřevu a chlazení. Díky tomu je možné strukturní vlastnosti dílů distribuovat podle konkrétních požadavků konstruktéra. Parciální kalení je umožněno vlastnostmi materiálu, definovanými strukturními křivkami a dále regulací teploty a času chlazení.

Obr. 1. Cyklus vytvrzování na lisu

Experimenty s parciálním ohřevem

Experimenty byly realizovány pro ocel 22MnB5. Na obr. 2 je znázorněna závislost struktury při parciálním ohřevu (v levé části obrázku) a při ochlazování (vpravo). Parciální ohřev byl při experimentech zajištěn pomocí infračerveného ohřevu a vhodného stínění. Bylo tak docíleno různých teplot předehřevu ohřívaného plechu, tedy přístřihu. Tato výchozí teplota je před tvářením u běžné technologie tváření za tepla všude stejná. Podobně bylo zajištěno parciální ochlazování v tvářecím nástroji. Rychlost ochlazování je rozdílná, což vede k rozdílným fázovým přeměnám a tím i k rozdílu ve výsledných mechanických vlastnostech. V tomto případě byl materiál ochlazován různou intenzitou podle odvodu tepla v nástroji s vodním chlazením.

Obr. 2. Fázové změny při diferencovaném ohřevu a ochlazování

Parciálním ohřevem a ochlazováním lze měnit strukturu a tím i mechanické vlastnosti napříč výliskem. Pokud se parciální způsob nepoužije, je struktura ve výlisku všude stejná. Parciálním ohřevem lze do značné míry řešit i technologické komplikace na hranách výlisku a zjednodušit tím technologie stříhání a spojování. Počet dílů tvářených za tepla v konstrukci osobního automobilu Volvo XC90 a jejich tvar a umístění jsou na obr. 3.


Obr. 3. Tzv. sešívané a svařované přístřihy Volvo XC 90
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

K vypracování tohoto příspěvku bylo využito informací ze společnosti Škoda Auto a ze sborníku z konference EFB Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung, konané ve Fellbachu 12. a 13. dubna 2016, Tagungsband T42 Prozesstechnik in der Blechverarbeitung – Interaktion Maschine/ Werkzeug, ISBN978-3-86776-477-3.

Jan Šanovec, Tomáš Pilvousek

sanovecjan@centrum.cz

Tomas.Pilvousek@skoda-auto.cz

https://www.fs.cvut.cz/

//www.skoda-auto.cz/

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 170519
Datum: 10. 05. 2017
Rubrika: Výroba / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Lehké konstrukce automobilů – využití hořčíku

Využití hořčíku a jeho slitin v automobilovém průmyslu má poměrně dlouhou tradici, sahající až do roku 1920, kdy byl tento materiál prvně použit v konstrukci sportovních vozů. O několik desetiletí později se objevil i v komerčních vozech, například u typu Volkswagen Beetle, kde jeho obsah činil téměř 20 kilogramů. Nicméně do popředí zájmu se tento specifický materiál dostává v posledních letech v souvislosti s nárůstem ekologických a legislativních požadavků na provoz vozidel.

Lehké konstrukce automobilů - použití lisů ve výrobě hybridních dílů

V předchozích článcích ze seriálu Lehké konstrukce automobilů o možném použití nových materiálů pro stavbu lehkých konstrukcí a jejich aplikacích na karoseriích osobních automobilů nebyly zpravidla detailně rozebrány možnosti výroby těchto specifických materiálů. Uvedeme je v tomto článku.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Související články
Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Lehké konstrukce osobních automobilu - použití hliníku

Kontinuální trend v oblasti snižování hmotností karoserií osobních vozů je důsledkem tlaku na eliminaci CO2 do roku 2020 až na 95 g.km-1. Konstrukční úpravy v oblasti hnacích agregátů nebo náprav vozů jsou do určité míry také možné, nicméně stále častěji obtížně realizovatelné. Již od 80. a 90. let se v konstrukci vozu využíval hliník a plastové hmoty, nicméně dominantním materiálem je i nadále ocel.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

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?

Vždy se snažíme konkurenci předběhnout

Špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s důrazem na mezinárodní spolupráci je hlavním cílem Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), vědecko-výzkumného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

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.

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.

Lehčí a čistější řezání vysoce pevných dílů

Automobilový průmysl řeší u karoserií především nízkou hmotnost a bezpečnost při nárazu. Proto se na vybrané části karoserie používají vysoce pevné ocele schopné tváření za tepla. Typickým příkladem je nový VW Golf VII. Při řezání vysoce pevných ocelí se s výhodou používá laser.

Tváření titanových trubek vnitřním přetlakem za tepla

Titan jako konstrukční materiál sice nabízí skvělé vlastnosti, je však drahý a jeho zpracování tvářením je technologicky a časově náročné, a nákladné. Novou ekonomickou technologii tváření titanových trubek pro automobilové výfukové systémy představil společný výzkumu dvou Fraunhoferových ústavů na říjnovém veletrhu EuroBLECH 2012 v Hannoveru.

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.

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.

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