Zvýšení produktivity, efektivity a kvality kovových výlisků

V průběhu řešení výzkumného projektu Eureka bylo nutné vzít v úvahu všechny vstupní parametry, které výrazně ovlivňují samotný výrobní proces. Při prvotním posouzení vyrobitelnosti lisovaného dílce jsou důležitými fakty surový materiál, jeho chemické složení a fyzikální (mechanické) vlastnosti, tloušťka zpracovávaného materiálu a v neposlední řadě geometrie výlisku. Na základě zmíněných faktů se určí, jaké střižné vůle bude nutné v nástroji předepsat, jaký koncept nástroje je správný pro sériové zhotovení požadovaného dílce.

Z propagace předchozích etap projektu Eureka je zřejmé, že výsledky výzkumu a vývoje budou mít velký význam zejména ve velkosériové výrobě, hlavně v automobilovém průmyslu, kde je důraz kladen hlavně na cenu a kvalitu výrobku. Poptávka sériových dílců zhotovených technologií přesného střihu se v automobilovém průmyslu zaměřuje především na sedákové a zámkové systémy, převodové komponenty, kovové výztuhy plastových výlisků aj.

Cílem vývoje je zhotovení konkrétního strojního dílce, kde budou využity všechny výsledky v souvislosti s předchozím zkoumáním. Pro tyto účely byl vybrán dílec pro zámkové systémy – „západka“ pro německou společnost, která díl kompletuje v sestavě zámkového mechanismu a dodává do automobilky Mercedes do modelové řady C, roční požadované množství uvedeného dílce je 650 000 ks. Dílec je vyráběn z cementační oceli 16MnCr5 tloušťky 5 mm. Geometrie dílce se vyznačuje malými přechodovými rádiusy, kde je požadováno 90 % čisté střižné plochy, tzn. že velikost pásma utržení je povolena na maximálně 10 % tloušťky dílce, výkres požaduje střižnou plochu bez trhlin (natrženin). U dílce je požadováno prodloužení funkční délky otvoru (viz obr. 1), které lze zhotovit efektivně pouze objemovým tvářením za studena.

Vzhledem ke všem výše uvedeným požadavkům bylo nutné uvažovat progresivní postupový nástroj, vytažení krčku otvoru se postupně vytváří ve čtyřech krocích, v pátém kroku je střižen otvor a v posledním kroku dochází k vystřižení dílce z pásu (hlavní střih). Následně byl specifikován dodací stav surového materiálu, kde hlavním parametrem při jeho výběru jsou potřebná plasticita materiálu a taktéž dosažitelnost požadované čistoty střihu bez natrženin v kritických místech kontury dílce (zejména malé přechodové rádiusy, ostré rohy). Vstupním materiálem je pás válcovaný za studena s důrazem na žíhání naměkko za účelem sferoidizace perlitu, resp. cementitu. Po přepočtu tvářecích a střižných sil bylo vybráno vhodné technologické zařízení, v tomto případě je plně dostačující mechanický lis pro přesný střih Feintool MFA 1600 s jmenovitou tonáží 1 600 kN (≈160 t).

Další fází vývoje sériového nástroje byl proces prototypování, v prostředí CAD systémů byly navrženy tvářecí trny, u kterých numerická simulace poukázala na nutnost korekce jejich geometrie pro zlepšení toku materiálu a taktéž odhalila kriticky slabá konstrukční místa. S ohledem na požadovanou přesnost a sériovost bylo se zákazníkem dohodnuto fyzické prototypování. Ke snížení finanční náročnosti prototypování byly využity prvky již zhotovených zkušebních přípravků v rámci projektu Eureka (stojánky, vodicí a kotevní elementy) a taktéž výsledky z numerické simulace. Díky zmíněnému faktu se podařilo náklady na proces prototypování vyčíslit na 15 % z celkové ceny sériového nástroje, což odpovídalo zákazníkem vyhrazenému rozpočtu.

K dosažení požadované produktivity sériové výroby je nutné zajistit, aby byl nástroj schopen vyrobit minimálně kalkulované množství, tzn. zajistit dostatečnou trvanlivost funkčních částí sériového nástroje ve výrobním procesu. Z výsledků předchozího vývoje došlo k optimalizaci konstrukce nástroje, dále byly využity výsledky z testování různých povlaků a tvářecích olejů. U zpracovávané cementační oceli 16MnCr5 bylo zjištěno, že i při použití výkonného střižného oleje dochází ke vzniku studených mikrosvarů, které vedou k porušení střižníků vlivem zadírání a působení stírací síly. Zjednodušeně lze říci, že střižník je zamčen v materiálu a tahová (stírací) síla způsobí ulomení jeho střižné nebo kotevní části. Z testů jako nejvhodnější povlak i z hlediska ceny vyšel povlak TiCN MP, který se vyznačuje dobrou otěruvzdorností a nízkým koeficientem tření vůči oceli 0,2.

Záměrem výzkumu a vývoje projektu Eureka je zejména zefektivnění výroby, ovšem samotná produktivita není zárukou kvality. Zákazníci mají v tomto ohledu vysoké nároky na čistou střižnou plochu, výlisek bez škrábanců, rýh a různých záseků. Pro zajištění vysoké kvality střižné plochy byla testována vnitřní struktura materiálů, dále se výzkum zaměřil na definovanou úpravu střižné hrany (účelové otupení), která významně ovlivňuje čistotu střihu i u dílců se složitou geometrií nebo materiálů s ne příliš vhodnou vnitřní strukturou. Poslední významnou oblastí pro zvýšení kvality je vyklízení dílu z pracovního prostoru nástroje, protože odpady a dílce u nástroje pro přesný střih nejsou odváděny klasicky do propadu, ale musejí být odvedeny tlakovým vzduchem soustavou trysek. V tomto duchu se podařilo vyvinout mechanické vyklízení (viz obr. 3), které zajistí kontrolovaný odvod dílu bez záseků a taktéž při každém zdvihu dojde k očištění střižné a vodicí desky od malých ostřin a tím se zamezí i vzniku otlaků, což je výhodné zejména u dílů s těsnicí plochou. Při mechanickém vyklízení lze snadněji zvýšit rychlost lisování (počet zdvihů), což lze považovat za další zproduktivnění výroby.

Konkurenceschopnost výrobních podniků se zvyšuje se širšími dovednostmi a schopnostmi v technologické oblasti, proto se výzkum zaměřil na dosažení vyšší produktivity a rentability výrobního procesu a možnost vyloučit z procesu výroby nehospodárné sekundární operace. Další přínos výzkumného projektu lze zmínit v oblasti hůře zpracovatelných materiálů (nerez oceli, uhlíkové oceli). Při zpracování takovýchto materiálů byla nalezena vhodná kombinace nástrojového materiálu, progresivního povlaku a maziva. Celkovou úsporu nákladů u řešeného sériového dílce (potřebné množství materiálu, vyloučení sekundárních operaci, zvýšení kvality) lze vyčíslit na 60 %, což při ročním množství 650 000 ks není zanedbatelné číslo.

Tento článek vznikl v rámci programu Eureka „LF12009 – Výzkum a vývoj nové technologie přesného tváření za studena jako náhrada třískového obrábění“ za podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky.

Ing. Martin Kulenda, Ing. Pavel Kubík

ANC Components

martin.kulenda@anccomponents.cz

www.anccomponents.cz