Vibrace odstraňují vnitřní napětí v materiálech

Při výrobě konstrukčních celků a při mechanickém opracování materiálů vznikají ve výrobku vnitřní napětí, která se běžně odstraňují žíháním. Zejména při svařování nebo tuhnutí odlitků jsou vnitřní napětí velká. Jejich odstraněním, nebo alespoň podstatným snížením, se zvýší bezpečnost konstrukce proti porušení lomem, odstraní se náchylnost k tvoření trhlin, zvýší se mez únavy materiálu součásti a současně se sníží nebezpečí vzniku deformací při následném mechanickém obrábění. Snížení vnitřních napětí lze dosáhnout také přirozeným stárnutím výrobků. Tento proces však trvá velmi dlouho, což prodlužuje výrobní časy a zvyšuje výrobní náklady.

Oba uvedené způsoby snižování vnitřních napětí, tj. žíhání a přirozené stárnutí, lze nahradit použitím vibrací, což je qvazi přirozené stárnutí probíhající ve zkráceném čase. Firma VSR Industrietechnik GmbH Duisburg vyvinula a dále rozvíjí tento fyzikální princip odstraňování vnitřních napětí tak, aby byla hospodárně použitelná v průmyslu. V současné době je to již hospodárná alternativa ke komerčnímu žíhání a je používána pro stabilizaci rozměrů velkých součástí. Pro každý výrobek je stanovena optimální frekvence vibrací. Vyhodnocení budicí frekvence se provádí z analýzy vibrací. Frekvence vibrací je základním parametrem pro další postup zpracování obrobku.

Minimalizace špiček vnitřních napětí snižuje deformace obrobku

V makroobjemech a částečně také v mikroobjemech materiálu dochází působením vibrací ke snížení špiček vnitřních napětí a obrobek je bez deformací. Je tedy vhodné srovnávat metodu vibrační s přirozeným stárnutím obrobků. Vystárlé výrobky vykazují menší náchylnost ke vzniku deformací po třískovém obrábění. Toto je důležité zejména u přesných výrobků, kde jsou požadovány úzké tolerance rozměrů a tvaru. Výhoda obrobků bez vnitřních napětí se projeví také při obrábění např. deskovitých součástí malé tloušťky nebo dlouhých tenkých součástí malého průměru.

První zařízení pro snižování vnitřních napětí v součástkách pomocí vibrací bylo vyvinuto začátkem šedesátých let minulého století v USA. Vylepšená verze byla vyvinuta a realizována v Evropě a od roku 1973 používána v Německu (typ LT 780). Již o dva roky později byla na světovém trhu uvedena značně vylepšená verze zařízení typ MX 800. Všechna tato zařízení však byla obsluhována manuálně. Obsluha musela během provozu vizuálně sledovat a ručně vyhodnocovat značné množství dat.  Stejně jako u každého procesu řízeného ručně, je i zde nebezpečí vzniku chyb, kterým lze obtížně zabránit.

V roce 1988 bylo vyvinuto a vyrobeno zařízení typ Fouriermatic KD 16, což byl průlom do využití vibrací pro odstraňování vnitřních napětí. Zařízení pracovalo zcela automaticky. Ruční zásah do řízení procesu byl však jako dříve ještě možný, ale výsledky procesu působení vibrací bylo možné dokumentovat v tištěné formě.

Vyhodnocování výsledků ve 3D pomocí dvou snímačů měřených hodnot

Na začátku nového tisíciletí vyvinula firma VSR Industrietechnik GmbH zařízení typ Vibmatic 6000, se zcela automatizovanou obsluhou, které pracuje pod Windows (obr. 1). Základem  řídicího systému je průmyslový PC s Intel procesorem. Při vývoji systému byly použity sériově vyráběné součástky, což v budoucnu umožní reagovat pružně na požadavky uživatelů ohledně zdokonalování řídicího systému. Software tvoří dvě části: pracovní sloužící pro obsluhu zařízení a automatický pro řízení a vyhodnocování procesu. Dnes obsluha zajišťuje bezpečné zakládání a vyjímání obrobků. I nadále je možné ruční ovládání procesu obsluhou, což se používá především ve zvláštních případech, např. při odstraňování vnitřních napětí po svařování poškozených součástí.

Zařízení pro odstraňování vnitřních napětí by neměla být umístěna v blízkosti přesných obráběcích center, nebo lépe, jejich základy by měly být odpruženy, aby se vzniklé vibrace nepřenášely do ostatních strojů. Vlastní obrobky jsou uloženy na speciálních gumových elementech. Zdroj vibrací (speciální motor se stupňovitě přestavitelným nevývažkem) se umisťuje na vhodném stabilním a masivním místě na obrobku (obr. 2), stejně jako jedno- a tříosý snímač vibrací. Použitím obou snímačů je možné vyhodnocovat působení vibrací a reakce obrobku ve třech směrech. Tím bylo u zařízení Vibmatic 6000 dosaženo značného zlepšení řízení průběhu pracovního procesu a byly docíleny vynikající výsledky.

Celý proces probíhá ve třech fázích. V první fázi (načítání dat)  začíná zařízení pracovat při otáčkách motoru 600 min^-1. Počet otáček motoru vibračního pohonu může být regulován v rozsahu 20 až 6 000 min^-1. Ve druhé (pracovní) fázi jsou načtená data zpracovávána. Ke kontrole slouží fáze třetí. Všechny tři fáze jsou zaznamenány do protokolu graficky i numericky a mohou být vytištěny (obr. 3). Samotný proces trvá zpravidla 20 až 30 minut.

U součástí stejné konstrukce se však mohou v důsledku rozdílného rozsahu opravy vyskytnout různé časy zpracování. K pracovnímu času je pro kalkulaci nákladů nutné přidat ještě přípravné časy, takže je nutné počítat s celkovým časem cca 1 až 2 hodiny.

Listujeme-li seznamem uživatelů zařízení pro odstraňování vnitřních napětí vibracemi, najdeme téměř stejné spektrum strojních součástí (obr. 4 a 5). V řadě případů jsou zařízení integrována do výrobního cyklu (obr. 6). Seznam materiálů, u kterých lze použít vibrační zařízení, je dlouhý: šedá litina s kuličkovým grafitem, ocelolitina, nízko- a vysokolegované oceli se strukturou po normalizačním žíhání nebo po popouštění. Částečně jsou vhodné také martenzitické a austenitické oceli, slitiny hliníku, niklu a titanu.

Snížená pracnost zkracuje průběžné výrobní časy

Nejmenší hmotnost zpracovávaného výrobku má být 100 kg. Ve výjimečných případech, má-li výrobek menší hmotnost nebo jiný materiál, než je uvedeno výše, je nutné provést před vlastním zpracováním vibracemi ověřovací zkoušky. Typické výrobky vhodné pro odstranění vnitřního napětí jsou lože strojů, rámy lisů, svařované konstrukce s velmi rozdílnou tloušťkou stěn a velké přesné trubky. Vibrační metoda může být také výhodně použita u oprav součástí svařováním, např. pro součásti kulových mlýnů.

Vzhledem k tomu, že jsou zařízení vyráběna v malých sériích, nejsou levná. Investiční náklady se však rychle amortizují při jejich každodenním využívání. Na příklad ve srovnání se žíháním odpadá u vibrační metody doprava do žíhací pece, ohřev, výdrž na žíhací teplotě, ochlazování, zpětná doprava na místo dalšího zpracování, příp. odstranění okují a lakování. Naproti tomu se proces odstranění vnitřních napětí vibracemi může provádět přímo na místě následné montáže nebo mechanického opracování výrobku, tedy bez nutnosti jakékoliv manipulace s výrobkem. Dále odpadá odstraňování okují. Největší výhodou vibrační metody je výrazné zkrácení průběžných výrobních časů a tomu odpovídající rychlá návratnost kapitálu vloženého do výroby.

Rostoucí náhrada za žíhání

Výhody metody odstraňování vnitřních napětí vibracemi se v průmyslu používá stále více. O tom svědčí počet nových zařízení instalovaných v roce 2008. Stále častěji se používá vibrační metoda jako nahrazení žíhání. Vysvětlení je nasnadě: obrobek bez vnitřních napětí se snadněji obrábí, často lze snížit počet operací v celém výrobním cyklu. Rovněž dochází ke snížení doby obrábění, neboť u polotovarů bez vnitřního napětí je možné nechat podstatně menší přídavek na obrábění, první odebíraná tříska je pak tenčí, řezné síly i opotřebení břitu menší.

Zařízení pro odstraňování vnitřních napětí vibracemi má dlouhou životnost, je pevné, tuhé a nenáročné na údržbu. Trvanlivost základních komponent zařízení, jako je speciální motor s budičem vibrací, je do technické prohlídky 1 000 pracovních hodin. Pro firmy, které by zařízení využívaly pouze ojediněle, nabízí firma VSR Industrietechnik GmbH využití zařízení formou služby.

Z ekologického hlediska je odstraňování vnitřních napětí vibracemi oproti žíhání značně výhodnější. Výhodnost se projevuje nejen ve snížené spotřebě energie během provozu (1 až 2 kWh), ale také v odstranění dopravy výrobku (bez výfukových plynů a tím snížení emisí CO₂).  

Wolfgang Zimmer

Zdroj: MM Maschinenmarkt č. 41/2009  

Zpracoval -vř-