Témata
Reklama

Zvýšení životnosti nástrojů při výrobě ventilů

Při kování ventilů spalovacích motorů s využitím odporového ohřevu dochází k velkému opotřebení nástrojů hlavně při pěchovací operaci. Byla provedena analýza tohoto procesu včetně využití počítačové simulace s následným návrhem změny materiálu opěrné destičky při pěchování. Po doporučené změně materiálu opěrné destičky došlo k několikanásobnému zvýšení životnosti.

Tabulky naleznete v tištěné podobě časopisu.
Ventil spalovacího motoru je osově symetrická rotační součást, která je v první operaci napěchována, následně ve druhé operaci je pak vykována hlava ventilu.
Při odporovém ohřevu je pro průchod proudu přes ohřívanou součást důležitý dobrý kontakt a co největší styčná plocha. Jinak dochází k poměrně rychlému opotřebení opěrné destičky vlivem velkých přechodových odporů, k enormnímu namáhání styčné plochy a tím k rychlému opotřebení.
Polotovar je axiálně tlačen na opěrnou destičku a ve střední části je veden ve vodicím pouzdru. Při průchodu proudu dojde v místě styku s destičkou k odporovému ohřevu až na kovací teplotu. Vlivem stálého axiálního tlaku dojde k napěchování materiálu v oblasti styku s destičkou a na polotovaru se vytvoří hruškovitý tvar pro následné vykování hlavy ventilu ve druhé operaci na vřetenovém lisu.
Polotovar ventilu je tyč průměru 6,3 mm z nerezové oceli ČSN 17 115 (pro sací ventil) nebo 17 465 (pro výfukový ventil). Opěrná destička je vyrobena z polotovaru průměru cca 50 mm a výšky 25 mm, a to z korozivzdorné oceli ČSN 17 345.1 nebo 17 348.1 bez tepelného zpracování.
Reklama
Reklama
Reklama

Vlastnosti opěrné destičky

Při aplikaci odporového ohřevu dochází při pěchování hlav ventilů k nadměrnému opotřebení opěrné destičky a jejich dosahovaná životnost je cca 100 - 150 předkovků.
Na základě počítačové simulace byla provedena analýza tohoto procesu z hlediska průběhu pěchovací operace a z hlediska případné náhrady materiálu kovadlinky. Tím se určilo rozložení tlaků, teplot, vektorů tečení, napětí v nástroji a velikost potřebné tvářecí síly. Simulací je taktéž možno i predikovat vznik trhlin.
Z hlediska materiálových vlastností opěrné destičky tkví základní problém v tom, že její materiál má při tvářecí teplotě přibližně stejné mechanické hodnoty jako pěchovaný polotovar. Při pěchování, kdy teplota na konci polotovaru i v místě styku s opěrnou destičkou dosahuje oblasti kovacích teplot, dochází ke ztrátě pevnosti za tepla a důsledkem toho je rychlé opotřebení destičky v místě styku.
Dalším faktorem, který ovlivňuje životnost opěrné destičky, může být i úkosová plocha na čele polotovaru s relativně velkou drsností. Tato plocha jednak zmenšuje plochu kontaktu s opěrnou destičkou, jednak dochází k nerovnoměrnému vzniku jiskření po obvodu a tím ke zvýšení elektroeroze na opěrné destičce.

Aplikace metody konečných prvků

Pro analýzu operace pěchování byla použita počítačová simulace se zaměřením na průběh napětí v kovadlince i v polotovaru v oblasti vzájemného kontaktu.
Všechny zde uvedené hodnoty byly vzaty jako podklad pro simulaci zadaného problému. Simulace byla provedena jako jednooperační. Vzhledem k charakteru řešeného problému byl problém řešen v režimu dvojdimenzionálním.
Simulace byla provedena především se zaměřením na průběh napětí a kontaktních tlaků mezi polotovarem a opěrnou destičkou. Pozornost byla dále zaměřena na predikci vzniku trhlin ve tvářeném materiálu v průběhu celého procesu pěchování. Výsledky postprocessingu jsou patrné i z obrázků. Výsledky simulace se uvádí u rotačních součástí v 2D geometrii vždy pro pravou část od osy rotace. Hodnoty v daném bodě součásti je možno odečíst na boční barevné škále.
Řešená simulace byla provedena na softwaru pracujícím metodou konečných prvků, a to v režimu dvojdimenzionálním - geometrie řešeného problému s materiálovým elastoplastickým modelem polotovaru. Materiálový model byl vytvořen na základě hodnot vycházejících z materiálové normy.
Kontaktní podmínky byly stanoveny pro standardní typ maziva a pro charakter tvářecí operace. Průběh tvářecí rychlosti byl určen na základě technických podkladů pro řešený technologický postup.

Závěr

Na základě provedené analýzy pěchovacího procesu a provedené počítačové simulace lze potvrdit, že použití odporového ohřevu pro pěchování je technologicky velmi náročné. Vzhledem k tvářecím podmínkám při pěchování nutně dochází k nadměrnému opotřebení styčné plochy na opěrné destičce, což způsobuje malou životnost této součásti.
Základní problém spočívá v tváření velmi podobných materiálů ventilu a opěrné destičky, které mají přibližně stejné mechanické vlastnosti při ohřevu na tvářecí teplotu. Vzhledem k nízké životnosti opěrné destičky je nutno hledat kvalitnější materiál, který bude mít větší pevnost za tepla a bude lépe snášet enormní namáhání v místě styku s polotovarem.
Pro řešení tohoto problému je třeba brát v úvahu všechny působící faktory, z nichž hlavní spolu s doporučeným řešením uvádíme.
Materiál opěrné destičky
Opěrná destička je při pěchování zatěžována mechanicky tlakem a současně přes ni prochází proud. Polotovar se ohřeje na tvářecí teplotu, ale v místě jeho styku s destičkou se ohřeje i destička na kovací teplotu. Je proto nutno volit takový materiál destičky, aby měl větší pevnost za tepla než materiál polotovaru, ale aby si zachoval stále stejnou elektrickou vodivost.
Doporučené řešení:
Protože nelze jednoznačně prohlásit, který materiál bude nejvhodnější, bylo doporučeno postupně odzkoušet následující tři materiály:
  • materiál na bázi wolframu G17B, který obsahuje 92,5 % W, 3,75 % Fe a 3,75 % Ni;
  • materiál dle označení EURO normy NiCr20TiAl č. 2.4952, obchodní označení
  • NIMONIC 80 A;
  • z nástrojových ocelí bylo doporučeno vyzkoušet rychlořeznou ocel ČSN 19 830.
  • Kvalitní dosedací plocha polotovaru
    Velmi důležitá je dosedací plocha polotovaru na opěrnou destičku, protože přes tuto plochu prochází elektrický proud. Při nedokonalém styku dochází k jiskření a ke vzniku elektrického oblouku a tím i ke vzniku elektroeroze. Důležitá je i velikost kontaktní plochy. Čím je menší, tím vzniká větší hustota elektrického proudu, což rovněž může zvyšovat opotřebení.
    Doporučené řešení:
    Pro zajištění kvalitní dosedací plochy polotovaru na opěrnou destičku je nutno zajistit kolmé čelo polotovaru a sražení hrany co nejmenší a pokud možno hladké, aby nedocházelo ke vzniku elektrického výboje a tím ke vzniku procesu elektroeroze.
    Směr vláken vzhledem k polotovaru
    Při použití válcovaných tyčí pro výrobu opěrných destiček není vhodné jako funkční plochu používat tu část destičky, kde vlákna materiálu jsou sousměrná s osou tvářeného polotovaru. V takovém případě nejsou vlákna vhodným způsobem zatěžována a dochází k nadměrnému opotřebení destiček.
    Doporučené řešení:
    Protože u válcovaných polotovarů vzniká anizotropie, tj. vzniká textura ve směru válcování a tím rozdílné mechanické vlastnosti ve směru osy a ve směru kolmo k ose, měl by být pro výrobu opěrných destiček používán všestranně prokovaný materiál se stupněm prokování cca 50 %, při použití válcovaných materiálů by pak destička měla být alespoň zatěžována kolmo na směr vláken. Při tomto způsobu zatěžování má materiál větší životnost, protože vlákna materiálu nejsou přerušena.
    Optimální velikost proudu
    Pro dobrý průběh operace pěchování je nutno volit optimální velikost procházejícího proudu tak, aby došlo k odpovídajícímu ohřevu polotovaru a přitom nebyl materiál zbytečně ohříván na vyšší teploty, což rovněž nepříznivě ovlivní opotřebení destiček.
    Mazání styčné plochy
    Při pěchování dochází rovněž ke zvětšování průměru pěchované části polotovaru a tím ke zvětšování plochy vzájemného kontaktu. Dochází k relativnímu pohybu pěchované části polotovaru po opěrné destičce, čímž rovněž vzniká opotřebení. Je proto vhodné tuto styčnou plochu také mazat. Zlepší se tím průběh deformace, průměr pěchované části se zvětší a tím se současně zvětší plocha kontaktu pro průchod proudu, čímž se celkově zlepší podmínky pěchování.
    Doporučené řešení:
    Je třeba mazat kontaktní plochu vhodným mazivem, které však musí být elektricky vodivé a ekologické. Mazáním se ovlivní třecí podmínky v místě styku polotovaru s destičkou a přispěje to ke zvýšení životnosti.
    §§§
    Na základě výše uvedených doporučení došlo při použití materiálu NIMONIC 80 A až ke čtyřnásobnému zvýšení životnosti opěrné destičky.
    Doc. Ing. Karel Novotný, CSc.
    Ing. Miloslav Kopřiva
    FSI VUT v BrněÚstav strojírenské technologie
    VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství
    novotny@fme.vutbr.cz
    //kst2.fme.vutbr.cz/
    www.mmspektrum.com
    060111
    Reklama
    Vydání #1,2
    Kód článku: 60111
    Datum: 01. 02. 2006
    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
    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?

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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