V současném strojírenském světě lze využít nových materiálů a technologií, které vedou k možnostem výroby, které v letech minulých
nebyly možné. Proto se v dnešní době používají moderní technologie, které umožňují efektivnější a hlavně výkonnější produkci. Při dělení polotovarů z nízkouhlíkových hlubokotažných plechů se nejčastěji využívá stříhání.
Tento způsob je nejlevnějším řešením pro přípravu polotovaru plechů, ale u vysokopevnostních plechů jej nelze využít z důvodu velmi vysoké pevnosti.
Nároky kladené na střižné nástroje a stroje by byly neúnosné z hlediska tvářecí síly a ceny. Proto se dnes využívá moderních technologií dělení materiálu, jako je řezaní plasmou, laserem či vodním paprskem.
4.1. Řezání laserem
Řezání je realizováno pomocí laserového paprsku. Jedná se o tzv.
fokusovaný světelný paprsek, k jehož vzniku dochází v plynové komoře laseru. Paprsek je pomocí speciální čočky zaostřen na povrch materiálu, který se následně natavuje a pomocí řezacího plynu, který je přiváděn koaxiální dýzou, je materiál odfukován (Obr. 4.1.1.). V závislosti na druhu řezaného materiálu je volen optimální řezací plyn - kyslík nebo dusík. Metody řezání laserem je možné rozdělit na tavné, oxidační a sublimační. [26]
Obr. 4.1.1. Princip řezání laserem [27]
a) Tavné řezání – Místo řezu se lokálně nataví a tavenina je oddělována pomocí vysoce inertního plynu (používá se přednostně dusík), který se ovšem na procesu řezání přímo nepodílí. Tento typ řezání je vhodný pro
mosaz atd. Polotovary vyrobené tímto způsobem není nutné již nijak upravovat, protože vznikají vysoce kovově lesklé plochy. Nevýhodou však je možnost vzniku otřepů na spodní straně a nedosažení vysokých řezných rychlostí [26].
b) Oxidační řezání –Tato metoda se od tavného řezání liší pouze tím, že používaný plyn je kyslík. Při vzájemném působení kyslíku a roztaveného kovu dochází k exotermické reakci, která ohřívá materiál, čímž dochází ke zhoršení kvality řezu, ale na druhé straně ke zvýšení řezné rychlosti.
Proto se používá pro řezání nízkolegovaných a nelegovaných ocelí, neboť kvalita řezné hrany je podstatně horší. Určitého zlepšení lze dosáhnout přechodem na pulzní provoz laseru, kdy se řezaný materiál mezi jednotlivými pulzy ochladí a nedochází tak k nežádoucí exotermní reakci.
c) Sublimační řezání – Při sublimačním řezání laserem dochází k odpařování materiálu v místě řezu. Tato metoda se používá v minimální míře, neboť u kovů nesmí tloušťka materiálu překročit průměr laserového paprsku, aby páry materiálu již dále nekondenzovaly a nevytvořily svár. Proto se používá výhradně u nekovových materiálů (nevytváří tekutou fázi), jako je dřevo či keramika, protože zde neplatí omezující faktor tloušťky řezu, jako je tomu u kovů.
Tlak plynu a geometrie tvaru trysky ovlivňují kvalitu řezu, drsnost povrchu řezné plochy a tvorbu otřepů. Z tohoto důvodu je nutné se věnovat nastavení optimálních řezných podmínek, aby mohly být využity všechny výhody laserového řezání. Laser koncentruje svoji energii do úzkého zaostřeného paprsku, který má za následek nízkou hodnotu přebytečného tepla a z toho vyplývající tenký řez (0,2 - 0,3mm; u CNC 0,1 - 0,01) a úzkou tepelně ovlivněnou oblast oproti plasmě [28]. Mezi další výhody patří možnost širokého výběru materiálů a řez bez mechanického ovlivnění materiálu (minimální deformace). Nevýhodou této technologie je omezující faktor tloušťky materiálu, tepelně ovlivněná zóna, vysoká pořizovací cena zařízení a vysoké provozní náklady [26].
4.2. Řezání plasmou
Princip řezání plasmou popisuje obr. 4.2.1. Elektrický oblouk se vytváří mezi elektrodou a elektricky vodivým materiálem a je škrcen pomocí otvoru v měděné trysce. Škrcení zvyšuje teplotu a rychlost plasmového oblouku,
který vystupuje z trysky. Teplota plasmy dosahuje až 20000 °C a rychlost může dosahovat až rychlosti zvuku [29]. Jako plasmový plyn se
používá argon, kyslík, vodík, dusík nebo obyčejný vzduch, který v kombinaci s elektrickým proudem vytváří vysokoteplotní plasmový oblouk. Oblouk prochází skrz kov a roztavuje tenkou oblast materiálu. Roztavený kov je vytlačován silou oblouku skrz obrobek, čímž dojde k oddělení materiálu.
Obr.4.2.1. Princip řezání plasmou [29] Obr. 4.2.2. Ovlivněná oblast [30]
Výhodou této technologie je rychlejší řez, který se může provádět bez předehřívacího cyklu a možnost řezání všech vodivých materiálů jako je
hliník, mosaz, či nerezová ocel [31]. Na obr. 4.2.2., je vidět průběh řezu a zpevněné pásmo. Tepelně ovlivněná zóna, která vzniká při řezání plasmou,
je typicky užší (1mm), než je tomu při řezání plamenem (2,5mm), ale zároveň podstatně vetší, než je tomu u laserového řezání [32]. I když je maximální tvrdost vzniklá v této oblasti při řezání plasmou oproti řezání plamenem menší, přesto zůstává nežádoucím jevem pro tváření a obrábění. Při řezání touto technologií je charakteristickým rysem tavení materiálu směrem ke spodnímu okraji, což má za následek vytvoření otřepu z roztaveného kovu. Tuto negativní vlastnost lze redukovat škrcením oblouku, který bude produkovat více jednotného tepla v horní i spodní části řezu [29]. Zvláště při
tváření za studena může docházet k tvorbě trhlin od ovlivněné řezné hrany, a proto se doporučuje odstranit ovlivněnou vrstvu před dalším zpracováním.
4.3. Řezání vodním paprskem
Podstatou této metody je řezání, které je realizováno pomocí vysokotlakého vodního paprsku. Tlak, který se pohybuje mezi 50 a 420 MPa je zprostředkován pomocí speciálních čerpadel [33]. Paprsek vzniká v řezací hlavě, která je zakončena tryskou, kterou prochází proud tlakové vody. Lze volit paprsek čistý, který se hodí pro zpracování měkkých materiálů.
V ostatních případech se používá abrazivní paprsek (obr. 4.3.1.). Abrazivní paprsek je způsob, při kterém se do vody přivádí příměsi, jako olivín či granát, čímž při vlastním procesu řezání dochází k řízenému obrušování materiálu.
Obr. 4.3.1. Vodní paprsek s abrazivem [34]
Vodním paprskem se dají řezat prakticky všechny materiály bez omezení tloušťky řezu. Mezi klady této technologie patří skutečnost, že nedochází k tepelnému a mechanickému ovlivnění materiálu, díky čemuž je výsledný řez čistý, bez okují a mechanického zpevnění [33]. Další výhodou je vysoká přesnost řezu (až 0,2 mm), malé ztráty materiálu, a také fakt, že materiál se již dále nemusí opracovávat. Tryska se po celou dobu řezu musí udržovat
v konstantní vzdálenosti od materiálu, aby řezná hrana byla kvalitní.
Při dodržení optimálních řezných podmínek se tato metoda stává nepřekonatelnou v oblasti kvality a jakosti výsledného povrchu. Nevýhodou této metody je následná koroze v důsledku působení vodního paprsku, vyšší
hladina hluku a ekonomická nákladovost. Častým jevem je zkosení a zhoršená kvalita řezné hrany, protože provozovatelé této technologie se
snaží zkrátit celkový řezný čas z ekonomických důvodů. Ke zkosení řezné hrany dochází v důsledku příliš velké řezné rychlosti. Zhoršený (hrubší) povrch s mikrotrhlinami je spojen s volbou použitého abraziva. Volba abraziva a řezné rychlosti má proto rozhodující vliv na výslednou kvalitu řezného povrchu.
4.4. Stříhání
Stříhání je operace, při které dochází k oddělení materiálu smykovým působením dvou břitů s předchozí pružnou a plastickou deformací místa střihu. Pro dokonalé provedení střihu je snaha o to, aby plastická deformace byla lokalizována v co nejbližším okolí střihu, a aby hrany střižníku a střižnice byly co nejostřejší a byla volena optimální střižná vůle.
4.4.1. Fáze stříhání
Při operaci střihu dochází ke čtyřem fázím stříhání (obr. 4.4.1.1.) [35].
Obr. 4.4.1.1. Deformační pásma při stříhání [35]
1 - pásmo zaoblení, 2 - pásmo utržení, 3 - pásmo porušení, 4 - pásmo odtlačení
1) V této fázi, bezprostředně po dosednutí střižníku na stříhaný materiál, dochází k pružné deformaci, kde se napětí pohybuje pod mezí kluzu.
Materiál se vlivem působení sil ohýbá. Na straně střižníku dochází k zaoblení, a na straně střižnice k vytlačení.
2) Ve druhé fázi se napětí koncentruje kolem střižných hran a roste až za mez kluzu, kde vzniká střižná plocha. Napětí na stříhaném materiálu se blíží mezi pevnosti.
3) Ve třetí fázi se napětí pohybuje nad mezí pevnosti ve střihu a vznikají trhliny ve směru největšího smykového napětí, tj. přibližně 45° od tahového napětí. První trhliny se objevují v okolí střižnice a střižníku, neboť tahovými napětími jsou deformována nejvíce povrchová vlákna.
4) V konečné fázi se trhliny spojí a dojde k oddělení materiálu.
Podmínkou je, aby se vznikající trhliny setkaly a pokud k tomu nedojde, materiál se musí znovu stříhat, popř. utrhnout = zmetek. Tento případ může nastat při nesprávné volbě střižné mezery, kdy se materiál vlivem ohybového momentu může vklínit mezi nože, čemuž lze zabránit použitím přidržovačů.
Na kvalitě střižné plochy velmi záleží, proto je nezbytné volit optimální střižnou mezeru, která má vliv na vznik otřepu (obr. 4.4.1.2.), od kterého se šíří trhliny při následném tváření nízkouhlíkových hlubokotažných plechů.
Obr. 4.4.1.2. Kvalita střižné plochy při několika velikostech střižné mezery ms
u hlubokotažných plechů[35]
Při stříhání vysokopevnostních plechů (Obr. 4.4.1.3.) nevzniká výrazný otřep a praskliny se z něho tedy nešíří, ale vznikají v místě, kde byly vyčerpány plastické vlastnosti materiálu, tedy v oblasti čistého smyku.
Obr. 4.4.1.3. Kvalita střižné plochy při několika velikostech střižné mezery ms
u vysokopevnostních plechů
4.5. Třískové obrábění
Třískové obrábění je již po mnoho desetiletí hojně využívanou technologií, která si stále ponechává svoji funkčnost a nenahraditelnost na poli strojírenské výroby. Řezný nástroj je vtlačován silou do materiálu, ve kterém jsou překročeny hodnoty meze pevnosti. Následně dochází k oddělování materiálu, tedy jednotlivých třísek. Mezi operace třískového obrábění nepatří pouze soustružení, ale také jiné operace, jako je broušení, frézování, protahování, hrubování apod. Při obrábění je nutné místo řezu lubrikovat, neboť bez potřebných emulzí by mohlo dojít k zakalení a tepelně ovlivněná zóna by následně ovlivňovala proces tváření, či by došlo k poškození nástroje. Kvalita řezné plochy je oproti tavnému laseru, plasmě a vodnímu paprsku výrazně lepší. Ovšem pro přípravu polotovaru z plechů nejsou technologie třískového obrábění vhodné.