Konstrukce zařízení pro ohýbání trubky palivového systému
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Matěj Havlíček
Vedoucí práce: Ing. Josef Skřivánek, Ph.D.
Liberec 2019
Master thesis
Study programme: N2301 – Mechanical Engineering
Study branch: 2302T010 – Machines and Equipment Design
Author: Bc. Matěj Havlíček
Supervisor: Ing. Josef Skřivánek, Ph.D.
Design of bending machine for fuel
pipe bending
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že texty tištěné verze práce a elektronické verze práce vložené do IS STAG se shodují.
2. 5. 2019 Bc. Matěj Havlíček
Poděkování
Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Josefu Skřivánkovi, Ph. D. za jeho ochotu, trpělivost, věnovaný čas a odborné vedení práce. Dále děkuji pánům doc Ing. Martinu Bílkovi, Ph. D. a Ing. Petru Žabkovi, Ph. D. za cenné rady a pomoc s metodou konečných prvků. Děkuji firmě JM-MECHANIKA s.r.o. a jejím členům za možnost podílet se na tvorbě projektu a za jejich podporu a výpomoc při návrhu a stavbě zařízení. V neposlední řadě děkuji své přítelkyni, rodině a přátelům za podporu po celou dobu studia.
2
Anotace
Tato diplomová práce pojednává o návrhu konstrukce jednoúčelového ohýbacího zařízení pro ohyb trubky palivového systému. Zařízení je určeno pro ohyb jednoho typu trubky s 20ti ohyby a dvěma zapečenými převleky. Úvodem je provedena rešerše ohýbacích technologií a ohýbacích zařízení. Následně je vytvořen vlastní návrh ohýbacího zařízení spolu se vstupním zásobníkem pro zásobu a přípravu trubek. Součástí práce je také analýza ohybového momentu trubky, který je zjištěn třemi metodami, a to analyticky, numericky a experimentálně.
Klíčová slova
ohyb, trubka, moment, zařízení, jednoúčelový, konstrukce, oplocení, bezpečnost
Anotation
This Master thesis deals with design of single-purpose bending machine for bending the fuel system pipe. The device is designed for bending one type of tube with 20 bends and two baked sleeves. Initially, bending technology and bending devices are searched. Subsequently, a custom bending machine design is created together with an input tray for the supply and preparation of the pipes. The work also includes analysis of the bending moment of the tube, which is found by three methods (analytical, numerical and experimental).
Key words
bend, pipe, tube, moment, device, single-purpose, design, fencing, safety
Obsah
1 Úvod ... 5
2 Ohýbání trubek ... 6
2.1 Obecná problematika ohýbání trubek ... 7
2.1.1 Deformace průřezu ... 8
2.1.2 Posunutí neutrální osy ... 9
2.1.3 Minimální poloměr ohybu ... 10
2.1.4 Odpružení ... 10
2.2 Používané technologie ohýbání trubek ... 11
2.2.1 Ohýbání momentem ... 11
2.2.2 Ohýbání příčnými silami ... 11
2.2.3 Ohýbání nabalováním na tvarový segment ... 12
2.2.4 Ohýbání navíjením na tvarový segment ... 13
2.2.5 Ohýbání zakružováním ... 15
2.2.6 Ohýbání protlačováním ... 15
2.2.7 Ohýbání trubek zatepla ... 16
2.3 Stroje a zařízení na ohýbání trubek ... 16
2.3.1 Ruční ohýbací zařízení ... 16
2.3.2 Poloautomatické ohýbací zařízení ... 17
2.3.3 Automatické ohýbací zařízení ... 17
2.3.4 Speciální ohýbací zařízení ... 19
3 Vlastní návrh ohýbacího zařízení ... 21
3.1 Vstupní polotovar a finální výrobek ... 22
3.2 Ohýbací část ... 24
3.2.1 Upínací mechanismus ... 28
3.2.2 Ohybové segmenty ... 29
3.2.3 Tok materiálu, výstupní zásobník ... 34
4
3.3 Vstupní zásobník ... 36
3.3.1 Příprava trubky na vstupu ... 37
3.3.2 Zásoba a ojednocení trubek ... 38
3.3.3 Ustavení sleevů ... 41
3.3.4 Zapékací jednotka ... 43
3.3.5 Chladicí jednotka ... 45
3.4 Rám ... 47
3.5 Oplocení ... 50
3.6 Řízení a elektrické prvky ... 52
3.7 Pneumatické prvky ... 55
4 Výpočet ohybového momentu palivové trubky ... 57
4.1 Analytický výpočet ... 57
4.2 Experimentální metoda ... 59
4.3 Numerický výpočet ... 62
4.4 Výsledek analýzy ohybu ... 65
5 Závěr ... 66
1 Úvod
Ohýbání trubek je dnes již nedílnou součástí strojírenského průmyslu. Své uplatnění nachází ve většině odvětví, z nichž nejvýznamnějšími jsou letectví, energetika, chemický, potravinářský a především automobilový průmysl. Bohatý sortiment trubek dnes zahrnuje polotvary různých rozměrů a materiálů dle požadavků, které jsou na trubky kladeny.
V provozu mohou být trubky vystaveny mechanickému namáhání vnějšími silami, jako jsou tah, tlak, krut, ohyb a jejich kombinace, vnitřním a vnějším přetlakem. Při vedení kapalin a chladicích médií jsou také vystaveny tepelnému namáhání, způsobenému rozdíly teplot v jejich objemu, či chemickým vlivům vedené látky.
Trubka má proti ostatním válcovaným profilům největší průřezový modul v krutu při zachování stejné váhy, proto je její použití vhodné pro konstrukce namáhané krutem, má ale dobré vlastnosti i pro namáhání ohybem či vzpěrem. Díky tomu jsou trubkové konstrukce lehké.
Z krátkého úvodu je zřejmé, že zpracování trubek často tvoří celé výrobní celky ve většině strojírenských podniků a můžou se dělit na jednotlivé úseky. Příprava trubek k dalšímu zpracování zahrnuje rovnání trubek ze svitků, řezání na potřebnou délku a úpravu konců pro napojení dalších komponent (svařování, řezání závitů, či různé tvarování konců). Následuje samotné ohýbání, vrtání či lisování na požadovaný tvar, často doprovázené kontrolou přesnosti v kontrolním přípravku.
V rámci této diplomové práce je čtenář seznámen s problematikou technologie ohýbání trubek, a jsou mu představeny jednotlivé principy ohýbacích strojů a zařízení. Hlavním cílem je návrh jednoúčelového zařízení pro ohýbání trubky pro vedení paliva od nádrže k motoru osobního automobilu.
6
2 Ohýbání trubek
Ohýbání je technologický proces tváření, při kterém je materiál působením vnějších sil trvale deformován do požadovaného tvaru bez odběru třísky. K ohybu dochází vznikem plastických deformací při dosažení napětí hodnoty na mezi kluzu daného materiálu. Plastická deformace je doprovázena deformací elastickou (pružnou) a vzniká tak deformace pružně-plastická po průřezu materiálu, jejíž průběh je různý od povrchu směrem k neutrální ose. Elastická deformace se projevuje odpružením po uvolnění sil a tím způsobuje problémy s dodržením požadované přesnosti.
Materiál na vnější straně ohybu je zatěžován tahovým napětím, kdežto na vnitřní straně působí napětí tlakové. Místa bez napětí a deformace tvoří neutrální osu, která se při ohýbání ani nezkrátí, ani neprodlouží. Neutrální osa, určující rozměr polotovaru, se během ohýbání posouvá blíže ke středu ohybu a není tedy totožná s osou těžiště. Její posuv způsobuje zvyšující se tlakové napětí na vnitřní straně a tahové napětí na vnější straně ohybu.
Obrázek 1: Rozložení napětí ohybu trubky [1]
2.1 Obecná problematika ohýbání trubek
Nejprve je nutno vysvětlit základní pojmy spjaté s technologií ohýbání trubek. Na Obrázku 2 je znázorněna geometrie ohnuté trubky po uvolnění všech zatěžujících momentů a sil způsobujících ohyb.
Obrázek 2: Geometrie ohybu trubky [2]
Poloměr ohybu 𝑹 je měřený na ose trubky a je doplněn poloměrem ohybu krajních vláken na vnější 𝑹𝒗 a vnitřní 𝑹𝒎 straně ohybu. Z Obrázku 2 je patrné ztenčení stěny vnější strany ohybu, kdy dochází ke změně původní tloušťky trubky 𝒕 na hodnotu 𝒕𝒗. Opačně tomu je na vnitřní straně, kde dochází k hromadění materiálu a nárůstu tloušťky stěny 𝒕𝒎. Vnitřní 𝒓𝒎, střední 𝒓𝒔 a vnější 𝒓𝒗 poloměr trubky je často nahrazován průměry 𝑫𝒎, 𝑫𝒔 a 𝑫. Úhel ohybu 𝜶 se zpravidla udává ve stupních.
8 2.1.1 Deformace průřezu
V průběhu ohýbání dochází ke změně kruhového průřezu trubky. Nejčastěji vzniká tvar zploštělý (Obrázek 3), kdy dochází ke zmenšování průměru ve směru poloměru ohybu na hodnotu 𝑫𝒓 a zvětšování průměru ve směru kolmém na 𝑫𝒑. [2]
Obrázek 3: Zploštělý průřez trubky [2] Obrázek 4: Vydutý průřez trubky [2]
Pro tento zploštělý nekruhový tvar pak platí:
𝐷𝑟 𝐷𝑝 < 1
V opačném, méně častém případě vzniká tvar vydutý (Obrázek 4), pro který platí:
𝐷𝑟 𝐷𝑝 > 1
Hodnota poměrné ovality 𝝈 pak charakterizuje oválný tvar příčného průřezu trubky a může nabývat hodnot menších nebo větších než nula. [2]
𝜎 =𝐷𝑝− 𝐷𝑟 𝐷
Deformace průřezu je ovlivněna především poloměrem ohybu, který by neměl být menší než trojnásobek průměru. Proto se poloměr ohybu často uvádí jako násobek vnějšího průměru trubky např. 𝑅 = 3𝐷. Poměr vnějšího průměru trubky a poloměru ohybu se označuje jako relativní poloměr ohybu.
Dalším charakteristickým parametrem je poměrná (relativní) tloušťka stěny trubky.
𝑘𝑡 = 𝑡 𝐷
Podle poměrné tloušťky stěny jsou trubky děleny na tenkostěnné a tlustostěnné, hranici tvoří stav, kdy je tloušťka rovna jedné desetině průměru trubky. [2]
𝑘𝑡 = 1
10= 0,1
Tyto hodnoty určují stupeň obtížnosti procesu a pro optimální podmínky platí:
𝑘𝑡= 𝑡
𝐷≥ 0,1 a 𝑅
𝐷≥ 3 2.1.2 Posunutí neutrální osy
Již bylo zmíněno, že v důsledku různých napětí v průřezu trubky dochází ke vzniku neutrální osy, tedy osy s nulovým napětím, která není totožná s osou, procházející středem trubky. Vybočení neutrální osy je nutné uvažovat pro určení správné délky polotovaru trubky. Celková délka je součtem délky rovných částí trubky a délky neutrální osy jednotlivých ohybů. [2]
𝐿𝑇 = 𝑙1+ 𝑙2+ ⋯ + 𝑙𝑖 + ⋯ + 𝑙𝑛−1+ 𝑙𝑛
kde 𝒏 je součet počtu ohnutých a rovných částí. Délka rovné části, je rovna délce osy trubky a pro délku neutrální osy platí:
𝑙𝑖 = (𝑅𝑖 + 𝑥𝑡). 𝛼𝑖
kde 𝒄 je součinitel posunutí neutrální osy, který je závislý na poměru poloměru ohybu 𝑹𝒊 a tloušťce materiálu 𝒕. [3]
R/t 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 2 4 >5
x 0,23 0,29 0,32 0,35 0,37 038 0,4 0,41 0,42 0,45 0,47 0,5
Tabulka 1: Součinitel posunutí neutrální osy [3]
10 2.1.3 Minimální poloměr ohybu
Velikost poloměru ohybu trubky ovlivňuje mnoho požadavků. Pro plynulé proudění media v trubce je vhodné volit poloměr ohybu co největší, podobně je tomu tak u samotné výroby ohybu, kdy je snadnější dosáhnout většího poloměru. Prostorová zástavba a uspořádání trubek jako svazků často nutí konstruktéra volit ohyby spíše ostřejších poloměrů a je tak často nutné skloubit konstrukční a prostorové požadavky s technologickými, resp. ekonomickými možnostmi.
Z důvodu velkého množství činitelů ovlivňujících minimální poloměry není možné řešit tuto úlohu pouze výpočty, a je tak nutné spoléhat se na empirické, nebo experimentálně ověřené hodnoty, které byly nalezeny pro vybrané materiály. [2]
2.1.4 Odpružení
Stejně tak jako velikost minimálního poloměru ohybu, je při návrhu ohýbacího nástroje či přípravku potřeba brát v potaz odpružení materiálu. K tomu dochází při ohýbání za studena po uvolnění ohybových momentů a sil. Na velikost odpružení má největší vliv modul pružnosti v tahu a velikost deformace. Spolu s úhlem ohybu se ale také mění velikost poloměru ohybu (viz Obrázek 5). Následující rovnice popisuje závislost změny poloměru a úhlu ohybu na základě konstantní délky osy trubky.
𝛼𝑟. 𝑅𝑟= 𝛼𝑘𝑜𝑛. 𝑅𝑘𝑜𝑛
Ačkoliv bylo sestaveno několik matematických vzorců pro výpočet odpružení, jejich výsledky nejsou dostatečně přesné. Často jsou výpočty pouze orientační a velikost odpružení se zpřesňuje zkouškou. [2]
Obrázek 5: Zpětné odpružení [2]
2.2 Používané technologie ohýbání trubek
Z důvodu mnoha technologických požadavků na ohýbané trubky bylo časem vyvinuto nespočet strojů a zařízení umožňujících jejich splnění. Z hlediska geometrických požadavků, můžeme ohyby dělit následovně:
Ohyby ležící v jedné rovině
Ohyby v několika rovinách (většinou z konstrukčních nebo zástavbových důvodů)
Ohyby prostorové (technologický účel)
Materiál a rozměry trubky mají velký vliv na volbu způsobu ohýbání. Tažnost materiálu a požadavek minimálního ohybu trubky často nutí k použití speciálních technologií. Nejnáročnějšími ohyby jsou ty, při kterých je potřeba dosáhnout hladkého povrchu při malém poloměru ohybu.
Konstruktér může při návrhu ohýbacího stroje použít různé kombinace působení sil a momentů, teplot, uchycení trubky a vyhlazování povrchu. Vyjmenování všech technologických způsobů ohýbání není téměř možné a v této práci jsou zmíněny pouze základní a nejpoužívanější způsoby. Vhodné je rozdělení podle působení ohybových sil a momentů. [2]
2.2.1 Ohýbání momentem
Působením momentů na konci trubky vzniká konstantní ohybový moment v celé délce trubky. Trubka by tak teoreticky měla být rovnoměrně ohýbána na konstantní poloměr, toho je však dosaženo pouze v pružné oblasti. Po překročení meze kluzu se začíná projevovat nestejnorodost materiálu a různé tvarové odchylky. Navíc dochází k borcení trubky z důvodu velkého stupně přetvoření a různému prodlužování jednotlivých vláken. Tento způsob tedy není v praxi příliš vhodný. [2]
2.2.2 Ohýbání příčnými silami
Tato technologie je z mechanického hlediska stejná jako osamělou silou zatížený nosník na dvou podpěrách. Vzniká tak nekonstantní ohybový moment po celé délce
12 v místech podpěr. Poloměr ohybu tak není konstantní, proto je této technologie využívání především k ohýbání na lisech, kde trubka nabírá tvar tvárníku a často ještě dochází ke kalibraci příčného řezu trubky.
Obrázek 6: Ohyb trubky lisem [4]
2.2.3 Ohýbání nabalováním na tvarový segment
Při této technologii je trubka nabalována na statickou matrici. Momentová dvojice vzniká reakcí příčné síly tvarové příložky a matrice, a její působiště se v průběhu ohybu mění. Často se takto ohýbají trubky na ručních ohýbačkách, ale existují také zařízení, u kterých je rameno s tvarovou příložkou hydraulicky poháněno. Trubka se upíná do svěráku, který drží trubku v axiálním směru tak, aby nedošlo k prokluzu, a zároveň chytá reakci vnitřního ohybového momentu. [2]
Obrázek 7: Ohyb trubky nabalováním [4]
2.2.4 Ohýbání navíjením na tvarový segment
Jedná se o jeden z nejpoužívanějších principů ohýbání trubek. Od ohýbání nabalováním se liší tím, že během ohýbání dochází k otáčení tvarové matrice a tím k navíjení trubky na matrici.
Obrázek 8: Ohyb trubky navíjením [4]
Ohýbání navíjením na tvarový segment se dá dělit na ohýbání s trnem a ohýbání bez trnu. Trn uvnitř trubky slouží k vyrovnávání nerovností způsobených zplošťujícími silami a také vyhlazuje trubku a brání vzniku vln na vnitřním poloměru ohybu. Konstrukce trnů je různá a technolog má na výběr z celé řady trnů pevných, či článkových. Základním trnem je trn kulový, který je díky snadné výrobě nejméně nákladný, působí však pouze v místě ohybu a není tak vhodný pro vyhlazování ohybů ostřejších úhlů. Při malých poloměrech ohybu, je potřeba použití článkových, či kloubových trnů, které díky své konstrukci dokáží kopírovat tvar ohybu a vyhlazovat trubku nejen v místě vzniku ohybu. Přehled typů trnů je znázorněn na Obrázku 9. Použití trnu přináší jednu z nevýhod této technologie, tj. délkové omezení rovného polotovaru, neboť celá trubka musí být nejdříve
Obrázek 9: Typy trnů [2]
14 Zajištění trubky je řešeno většinou kleštinou, která umožňuje axiální posuv trubky a často také rotaci trubky kolem své osy. Tím je možné trubku různě polohovat a tvořit tak ohyby v různých rovinách. Pro usnadnění zavedení trubky je často v blízkosti ohýbací hlavy pneumaticky ovládaná podpěrná soustava, která zabraňuje ohnutí polotovaru při zavádění, či při vysouvání trubky kleštinou.
Matrice odpovídá danému průměru trubky a poloměru ohybu. Čelist matrice spolu s upínací čelistí slouží k pevnému uchopení trubky, které musí být dosti silné, neboť musí udržet tah vyvolaný navíjením trubky na matrici. Často bývá ohýbací hlava uložena na posuvech, které umožňují její přestavení, vznikají tak např. několika patrové hlavy, kdy každé patro může obsahovat tvarovou čelist, která slouží k uchycení trubky, pokud vzdálenost mezi ohyby neumožňuje použití rovných upínacích čelistí. Špičkoví výrobci poté dokáží vyvinout oboustrannou hlavu, kdy na každé straně jsou až tři patra čelistí. Vyhlazovač umístěný v blízkosti vnitřní strany ohybu před matricí slouží k vyhlazování trubky v místě ohybu a brání tak vzniku vln.
Často se jedná o ocelovou konstrukci, která na sobě nese funkční bronzový díl. [2]
Proti matrici, hned za upínací čelistí, se nachází přítlačná lišta, jejíž hlavní funkce je zachytávat reakci ohybu a udržet trubku před ohybem rovnou. Aby nedocházelo ke tření, je přítlačná lišta posuvná. Spolu s kleštinou hrají také velkou roli v chování trubky v průběhu ohybu. Podle rychlosti posuvu trubky tažením čelistmi, rychlostí posuvu kleštiny a rychlostí posuvu přítlačné lišty je možné dosáhnout různých výsledků ohybu. Méně tažné materiály mají například tendenci praskat na vnějším poloměru, neboť dojde k přílišnému ztenčení tloušťky stěny. Zvýšením rychlosti posuvu přítlačné lišty (tzv. předběh přítlačné lišty) dokáže způsobit to, že je materiál tlačen do místa vnějšího poloměru a je tak možné zabránit praskání trubky.
2.2.5 Ohýbání zakružováním
Tato metoda je vhodná pro ohýbání trubek větších průměrů a tlustostěnných polotovarů. Běžně se zakružuje třemi, nebo více kotouči, které svým ustavením vyvozují ohybový moment. Trubka je často vtlačována mezi kotouče axiální silou působící na konec trubky, neboť vtahování kotouči, by mohlo mít za následek změnu tvaru průřezu trubky. Z důvodu nepřítomnosti kalibračních prvků často dochází ke zploštění trubky. [2]
Obrázek 10: Ohyb trubky zakružováním [4]
2.2.6 Ohýbání protlačováním
Velmi ostrých ohybů je možno dostáhnout technologií ohýbání protlačováním.
Trubka je tlačena do formy, která určuje poloměr ohybu. Materiál kopíruje tvar formy a často je zevnitř kalibrován trnem. Díky tlakovým silám dochází k pěchování materiálu a nevznikají tak propady a trhliny na povrchu trubky.
16 2.2.7 Ohýbání trubek zatepla
Z ekonomických důvodů je snahou každého výrobce používat co nejvíce technologií ohýbání zastudena. Pro méně houževnaté materiály s malou tažností by při ohýbání zastudena docházelo k vyčerpání zásoby plasticity a vzniku trhlin a prasklin, stejně tomu je i u velmi ostrých ohybů. Zatepla také klesá pevnost materiálů a tím klesají i potřebné ohybové síly, díky tomu mohou být stroje pro ohýbání zatepla podstatně slabší a méně výkonné. Je potřeba si také uvědomit to, že zpevnění vznikající ohýbáním zastudena mizí s rekrystalizací ohřátého materiálu v oblasti austenitu.
Před samotným ohřevem trubky v peci, je trubka naplněna pískem. Udusaný písek vyplňující dutinu trubky má stejné vlastnosti jako článkový trn a působí tak pozitivně na tvar průřezu trubky.
2.3 Stroje a zařízení na ohýbání trubek
2.3.1 Ruční ohýbací zařízení
Ruční ohýbačky patří k těm nejjednodušším způsobům ohýbání. Jsou tak často užívané pouze pro ruční výrobu několika kusů, ale také pro příliš komplikované ohyby, kterých nejsme schopni strojově dosáhnout. Z důvodu ručního ovládání je tato technologie vhodná spíše pro ohýbání materiálů nižších pevností (Al, Cu). Často se jedná o princip navíjení trubky na matrici bez opěrného trnu. Své uplatnění nachází především v zámečnických a klempířských dílnách, také se ale používají například pro ohýbání hydraulických trubek a trubek topení, či klimatizací.
Obrázek 12: Ruční ohýbačka Parker [6]
2.3.2 Poloautomatické ohýbací zařízení
Poloautomatických ohýbaček se využívá pro ohýbání velkých sérií bez přestavení stroje. Význam poloautomatické spočívá v nutnosti ručního doladění mechanismů a dorazů při změně trubky. Často je osa ohybu řízena elektricky servopohonem, a nastavování natočení trubky a posuvu probíhá manuálně.
2.3.3 Automatické ohýbací zařízení
Na rozdíl od poloautomatických, mají plně automatické ohýbačky všechny osy řízeny. Pro pohon se často používají elektrické servopohony, které jsou občas doplněny o hydraulické prvky. Mezi hlavní požadavky patří variabilita ohybů, vysoká spolehlivost, přesnost a opakovatelnost procesu.
Obrázek 13: BLM Elect52 [7]
Ruční ovládání je zde nahrazeno elektrickým řízením, většina strojů tedy má svůj operační panel pro rychlé a přehledné programování, umožňující také 3D simulaci procesu ohýbání. Je tak možno názorně ověřit správnost vstupních parametrů ještě před samotnou výrobou. Program zobrazuje pohyby jednotlivých částí zařízení a samotné tvarování trubky. Nedílnou součástí jsou také kontroly kolizních stavů, které hlídají průniky ohýbané trubky a ohýbacího zařízení či okolí. [7]
18 Obrázek 14: Ohýbací zařízení BLM se třemi patry čelistí [7]
Ohýbací hlavy automatických ohýbaček často bývají vícepatrové a oboustranné, součástí bývají také zakružovací kotouče umožňující variabilitu poloměru ohybu.
Pro trubky malých průměrů existují speciální zařízení, které ve svém středu upnou trubku svěrákem a následně dvě ohýbací hlavy postupně naohýbají trubku směrem od konců ke středu. Špičková zařízení výrobce Dengler Tube Tec mohou mít i více těchto jednotek za sebou a poté dochází k částečnému ohnutí na prvním stanovišti a následnému předání trubky na stanoviště druhé, kde se dokončí zbylé ohyby. [8]
Obrázek 15: Dengler CNC-MULTI-HEAD [8]
2.3.4 Speciální ohýbací zařízení
Nespočet speciálních zařízení dnes umožňuje ohýbat trubky velkých průměrů, pevných materiálů, či například trubky bez rovných částí. Poslední zmíněné umožňuje například technologie zvaná free-form. Při této technologii je trubka tlačena buď mezi soustavu kotoučů, či skrz natáčecí průvlak, který udává trubce tvar. Na rozdíl od klasických ohýbaček, které často potřebují určitou rovnou vzdálenost pro uchycení trubky, zde dochází k dynamické změně polohy kotoučů, či průvlaku a tím k průběžné, či téměř skokové změně velikosti a roviny ohybu. Tato technologie je hojně využívána pro trubky dekorativních účelů v architektuře. [10]
Obrázek 16: Využití trubek technologie freeform [10]
20 Obrázek 17: Nissin Precision freeform zařízení [9]
Tato diplomové práce se zabývá ohybem trubky pro vedení paliva. Trubka je relativně tenká na svou délku, a použití konvenčních způsobů ohýbání nejsou vhodné. V automotive se tedy často využívají ohýbací zařízení zvané powerbendery.
Jedná se o jednoúčelové ohýbací zařízení, které pracuje na principu ohýbání příčnými silami. Jeho hlavní výhodou je relativně velká rychlost ohybů, neboť často dochází k dvěma či více ohybům najednou. Díky tomu, že nedochází k axiálnímu posouvání trubky skrz čelisti, je možná změna průměru ohýbané části, což usnadňuje ohýbání částí trubky s nataveným převlekem (sleevem), či možnost ohýbání trubky, která již má na svých koncích provedenou potřebnou úpravu (endform, závit, apod.). Nevýhoda powerbenderů, tak jako většiny jednoúčelových zařízení, je ztráta variability upravované trubky a změna geometrie ohýbaného dílu často vede k rozpadu celého zařízení.
3 Vlastní návrh ohýbacího zařízení
Hlavním cílem této diplomové práce je návrh jednoúčelového ohýbacího zařízení palivové trubky splňující požadavky zákazníka a v souladu s požadavky technických a bezpečnostních předpisů platných v ČR.
Veškeré požadavky zákazníka jsou uvedeny v dokumentu Work Order, který byl součástí objednávky. Geometrie a tolerance trubky je popsána výkresem doplněným o koordináty význačných bodů. Níže je výpis vybraných požadavků:
Plně automatická linka
Zásoba polotovarů (min 50ks)
Kontrola správné délky polotovaru
OK tvar trubky ve zkušebním přípravku – tolerance ± 3 mm
Ocelové kalené rolny
Průchozí uspořádání (vkládání a vyjímání na opačných stranách)
Takt cyklu 2,5s na ohyb
Před samotným návrhem bylo vytvořeno schématické rozložení celého zařízení v souladu s požadavkem na průchozí uspořádání.
Obrázek 18: Schématické rozložení zařízení
22 Pro snadnější manipulaci a přepravu celého zařízení byl vstupní zásobník zvolen jako samonosná konstrukce, která bude k ohýbací části ukotvena až po transportu a naladění. Výstupní zásobník tvoří ocelový rám, zavěšený na hlavním rámu ohýbací části. Pro transport je tedy možné zařízení demontovat na tři části.
3.1 Vstupní polotovar a finální výrobek
Vstupem do zařízení je polotovar v podobě přibližně 2,5 m dlouhé ocelové trubky o vnějším průměru 8,46 mm a tloušťce stěny 1 mm. Jedná se o svařovanou trubku z uhlíkové oceli TSG3152G s plastovou povrchovou úpravou. Trubka má na sobě navlečené dva sleevy o délkách 30 a 710 mm které se zahřátím stáhnou, zapečou a vytváří tak dodatečnou ochranu trubky. Na koncích jsou předem vytvořené lemy (pertly), oddělující těsnicí část trubky pro napojení na palivový rozvod.
Těsnicí plochy mohou být opatřeny ochrannými plastovými čepičkami a jejich poškození je nepřípustné.
Obrázek 19: Detaily vstupující trubky
Hotový výrobek musí odpovídat geometrickým parametrům, a to v požadované toleranci ± 3 mm, která je doplněna dílčími tolerancemi polohy a válcovitosti na obou koncích a v místech uchycení trubky. Trubka musí po celé své délce splňovat požadavky na kruhovitost průřezu a nesmí docházet ke vzniku ovality vyšší než 0,2 mm. Povrch trubky a sleevů musí být bez otlaků a vrypů.
Ke kontrole požadované přesnosti trubky slouží kontrolní přípravek se středicím pinem na každý konec trubky. Pevný pin určuje přesné zakončení trubky a druhý pin umožňuje určitou variabilitu délky trubky v rámci celkové tolerance polotovaru.
Po zapinování trubky by mělo dojít k jejímu vystředění a nikde po délce trubky by nemělo docházet ke kontaktu s kontrolním přípravkem. Přípravek také přesně určuje hranice polohy zapečených sleevů.
Obrázek 20: Kontrolní přípravek – levý pin
Obrázek 21: Kontrolní přípravek – pravý pin
24
3.2 Ohýbací část
Stěžejní a nejtěžší úkol byl návrh ohýbací části, proto byla její konstrukce, výroba, montáž a ladění přednostní. Návrh konceptu, rozložení a posloupnosti ohybů byl úkol vyžadující velkou prostorovou představivost a vůli konstruktéra. Postup a jednotlivé kroky návrhu jsou popsány v této kapitole.
Obrázek 22: Ohýbací část
V první řadě bylo třeba určit místo upnutí trubky. Z hlediska snížení celkového času cyklu ohýbání je ideální místo upnutí uprostřed ohybů, tedy tak aby byl od upnutí na každou stranu stejný počet ohybů. Zároveň je potřeba trubku upnout za dostatečně dlouhou rovnou část, což v našem případě nebylo možné přímo uprostřed ohybů a místo upnutí se tak muselo posunout blíže k jedné straně.
Výsledkem je takové uchycení, které tvoří poměr počtu ohybů 7
13.
Po návrhu místa upnutí trubky bylo potřeba navrhnout posloupnost ohybů.
Zpravidla se volí postup ohybů směrem od středu ke krajům. Má to své výhody z hlediska rychlosti sledu ohybů, ladění, zástavby, ale především tuhosti zařízení a přesnosti ohybů. Postupným ohýbání od středu ke kraji jsme schopni jednotlivé ohyby držet sevřené, což výrazně přispívá k přesnosti, neboť reakce vznikajícího ohybového momentu je zachycována rolnou předchozího ohybu na krátké vzdálenosti a nedochází tak k výraznému vyboulení a změně poloměru ohybu.
Obrázek 23 znázorňuje první fázi ohybů, kdy trubka je chycena upínacím mechanismem (vpravo) a naohýbána segmenty, které zůstávají zavřené až do posledního ohybu (vlevo), následně dojde uvolnění směrem od konce ke středu.
Obrázek 23: Ohyb trubky – první fáze
Koncept, jakožto nedílná součást návrhu konstrukce, spočíval ve vytvoření schematických ohybových segmentů a základním rozvržení posloupnosti ohybů.
Finální model trubky, zadaný pouze koordináty, bylo potřeba rozpadnout do několika různých větví uvolněním vybraných ohybů. I přes nespočet funkcí v dnešních CAD softwarech nebyla nalezena funkce, umožňující u naohýbané trubky uvolnit (potlačit) ohyb tak, aby se zbylá část transformovala v souladu s úhlem natočení roviny ohybu. Nejsložitější úloha celého návrhu (analýza posloupnosti
26 ohybů) tedy byla kombinací vizuální prostorové představivosti (se skutečným finálním dílem vyrobeným na CNC zařízení) a ručním uvolňováním ohybů v CAD modelu. Při návrhu bylo nutné uvažovat zástavbový prostor a typ každého segmentu, průniky všech komponent, přístup při ladění a údržbě, princip vkládání rovné a vyjímaní hotové trubky a v neposlední řadě odpružení. Na Obrázku 24 je vidět princip modelování trubky pro první fázi levé strany. Černá trubka představuje finální díl. Její model byl opakovaně vložen, oříznut, a zavazben na předchozí tak, aby představoval trubku s potlačeným ohybem (bílé trubky).
Nakonec byla několika modely postupně proložena křivka, představující trubku s potlačenými ohyby pro ohyb první fáze (žlutá trubka).
Obrázek 24: Návrh posloupnosti ohybů
Stejným postupem byly odvozeny všechny ohybové fáze pro obě strany ohýbací části. Obrázek 25 zobrazuje ohybové fáze pro levou stranu trubky. Z první (žluté) fáze je trubka ohybem těsně u upínacího mechanismu překlopena do fáze druhé (oranžové). Ohyb blízko středu (upínače) způsobí výrazný přesun trubky do míst kde je více prostoru pro další ohybové segmenty. Následují ohyby tvořící další fáze (zelená, modrá). Po naohýbání do modré fáze dojde opět ohybem blízko upínače k vyklopení trubky do prostoru, odkud se hotový (černý) díl snadněji odebírá.
Obrázek 25: Ohybové fáze levé strany
V průběhu návrhu bylo potřeba také uvažovat velikost a zástavbu ohybových segmentů. Byly postupně tvořeny jednoduché modely, jejichž úkolem bylo podpořit prostorovou představivost při návrhu pohybů a principů jednotlivých ohybů.
28 3.2.1 Upínací mechanismus
Upnutí musí zabránit rotaci a posunutí trubky v průběhu ohybů. Mechanismus tedy musí být dostatečně tuhý a nastavitelný tak, aby byla trubka pevně upnuta a zároveň nedocházelo k její deformaci. Byl navržen samosvorný mechanismus, který trubku upíná silou, jejíž velikost je závislá na pevnosti pák (01) a na nastavení čelistí (05).
Obrázek 27: Upínací mechanismus
Pomocí šroubů (02) je potřeba čelisti (05) naladit tak, aby při sevření trubky (06) byly páky (01) co nejvíce v zákrytu. Po naladění se pomocí kontramatic (03) a šroubů (04) pozice čelistí zafixuje. Mechanismus je ovládán pneumatickým válcem, a geometrie byla navržena tak, aby při zasunutém válci byly čelisti otevřeny do pravého úhlu pro snadné vkládání a vykládání trubky.
3.2.2 Ohybové segmenty
Hlavními funkčními jednotkami celého zařízení jsou ohybové segmenty. Při jejich návrhu bylo nutné brát v potaz požadavky na sílu, tuhost a kompaktnost jednotlivých segmentů. Pro usnadnění konstrukce, výroby a montáže byla snaha o co největší stejnorodost jednotlivých komponent, jako jsou rolny, pneumatické válce, lineární vedení, základové hliníkové profily a ostatní obráběné díly. V průběhu konstrukce vzniklo několik typů ohybových segmentů, které můžeme rozdělit na ohybové segmenty přímé a rotační, opěrné a ohýbací.
Obrázek 28: Typy segmentů
Rolny, představující základní členy ohýbací části, jsou soustružené díly různých velikostí s obvodovou drážkou. Rolny ohybové (opěrné) jsou ty, kolem kterých dochází k ohybu trubky. Určují tedy poloměr ohybu trubky a jejich vnitřní průměr je tak pevně daný. Drážka má za úkol snadnější nabrání trubky a boční vedení ohybu.
U ohybů větších úhlů napomáhá eliminaci deformace (propadu) průřezu trubky.
Ideální šířka drážky je taková, která zabraňuje propadu, zároveň ale nedochází k přílišnému stlačení boků trubky a při uvolnění není trubka rolnou stahována.
Trubka je na ohybové rolny nabalována rolnami ohýbacími. Jejich průměr už nemá
30 větší význam a pro snadnější výrobu a použití byl zvolen poloměr menší než u opěrných rolen. Drážka zde má funkci podávací, neboť v průběhu rychlého ohýbání dochází ke kmitání trubky a pro urychlení cyklu je nutno zajistit správné nabrání trubky. Rolny jsou pro snadnější výměnu uloženy na lícovaných šroubech, aby nedošlo k ovlivnění ohybů (posunutím rolny ve vůli šroubu) chodem zařízení nebo při výměně. Rolny ohybové jsou chyceny napevno, zatímco u ohýbacích rolen je umožněna rotace, která zabraňuje prodření plastové povrchové úpravy ohýbané trubky. Při návrhu ohybových rolen bylo potřeba uvažovat o odpružení trubky, jehož hodnota byla zjištěna experimentem (viz 4.2 Experimentální metoda).
Následuje postup pro výpočet geometrie ohybové rolny pro úhel ohybu 45°.
𝛼𝑟. 𝑅𝑟= 𝛼𝑘𝑜𝑛. 𝑅𝑘𝑜𝑛
𝑅𝑟 =𝛼𝑘𝑜𝑛
𝛼𝑟 . 𝑅𝑘𝑜𝑛 =𝛼𝑟−𝜌
𝛼𝑟 . 𝑅𝑘𝑜𝑛= (1 − 𝜌
𝛼𝑟) . 𝑅𝑘𝑜𝑛 = (1 − 3
45) . 25 = 23,4 [𝑚𝑚]
Obrázek 29: Opěrná rolna Obrázek 30: Ohýbací rolna
Většina segmentů je osazena pneumatickými válci SMC CP96 dle normy ISO 15552.
Jedná se o dvojčinné pneumatické válce s jednostrannou pístnicí a nastavitelným vzduchovým tlumením krajních poloh, které výrazně snižuje hlučnost a rázy zařízení. Průměry ohýbacích pneumatických válců byly zvoleny D50 mm na základě výpočtu ohybového momentu (4.4 Výsledek analýzy ohybu) a uvážení všech okolností jako je opotřebení segmentů a pneumatických válců, potřebná dynamika, možná změna polohy působiště síly v průběhu ladění a v poslední řadě pulzace a pokles tlaku v pneumatickém rozvodu. Opěrné segmenty jsou osazeny válci s průměrem minimálně D63. Výhodou těchto normovaných válců je dobrá dostupnost a velká sada příslušenství, ze kterých byly využity kloubové hlavice, a patky pro závěsné uložení.
Rotační ohybové segmenty se s výhodou používají tam, kde není možný přísun ohybové rolny v rovině ohybu. Ohybová rolna se přisune ve směru kolmém na rovinu ohybu a svou rotací poté trubku tzv. zamkne. Tyto rolny tedy mají vynechanou část drážky, která umožní posuvné odjetí rolny i po ohnutí trubky.
Rotace je poháněna kyvnými křídlovými pneumotory CRB2-Z výrobce SMC, které zajišťují kompaktnost segmentů a dostatečný moment pro uvolnění trubky. Rotační ohýbací segment je poháněn dvoukřídlým CRB1, jehož moment musí být větší než ohybový moment trubky.
32 Přesný a rychlý chod mechanismů zajišťuje kuličkové lineární vedení výrobce HIWIN s.r.o. Zvolen byl typ vozíků HGW se čtyřmi řadami kuličkových drah, díky kterým má tento typ vysokou životnost a tuhost. Písmen W označuje přírubový typ vozíku, který umožňuje dvojí způsob připojení vozíku k základní desce. Lineární vedení bylo použito trochu nezvyklým způsobem a to tak, že vozík je umístěn staticky na rámu a pohyblivá je kolejnice nesoucí rolny (viz Obrázek 31). Tento princip umožňuje lepší využití prostorové zástavby. [13]
Návrh kuličkového lineárního vedení je obdobný s návrhem ložisek. Potřebnými vstupními hodnotami je síla zatížení, geometrie mechanismu a potřebná životnost.
Byl proveden výpočet pro všechny kritické případy zatížení. Prvním je statické zatížení lineárního vedení rotačních ohybových segmentů, kdy je vedení zatěžováno plnou ohybovou silou kolmo na osu kolejnice. Jelikož k zatížení vedení dochází za nepohyblivého stavu, uvažujeme zde pouze statickou bezpečnost, která by při rázovém zatížení měla být větší než 3. [13]
𝑘𝑆 = 𝑀0𝑖 𝑀𝑖 > 3
Druhým je dynamické zatížení ohýbacích segmentů, které jsou zatěžovány složkou ohybové sily, závislé na úhlu ohybu a úhlu ustavení samotného segmentu vůči rovné trubce. Výpočet byl proveden pro 90° ohyb a zdvih pod zátěží byl odhadnut na 50 mm. Živostnost byla počítána pro produktivitu zařízení 200 000 kusů za rok a měla by překročit požadovaných 7 let.
Obrázek 32: Značení ohybových momentů lineárního vedení HIWIN [13]
𝐹 = 380 [𝑁]
𝑧 = 150 [𝑚𝑚]
𝐶0 = 34,490 [𝑘𝑁]
𝐶𝑑𝑦𝑛 = 26,48 [𝑘𝑁]
𝑀0𝑍 = 330 [𝑁𝑚]
𝑀𝑑𝑦𝑛𝑍 = 240 [𝑁𝑚]
𝑠𝑟 = 200 000 [𝑘𝑠. 𝑟𝑜𝑘−1]
𝑙𝑧 = 50 [𝑚𝑚]
𝑡𝑧 = 7 [𝑟𝑜𝑘]
VÝPOČET LINEÁRNÍCH VEDENÍ
𝑀𝑧= 𝐹. 𝑧 = 54 [𝑁𝑚]
Ekvivalentní zatížení
𝑃 = 𝐹 + 𝐶0 𝑀𝑖
𝑀0𝑍= 6003,82 [𝑁]
Statická konstrukční bezpečnost 𝑘𝑆𝐿 =𝐶0
𝑃 = 5,75 > 3 [−]
Statická bezpečnost pro zatěžování krutem 𝑘𝑆𝑀 =𝑀0𝑖
𝑀𝑖 =𝑀0𝑧
𝑀𝑧 = 6,11 > 3 [−]
Jmenovitá životnost lineárního vedení 𝐿 = (𝐶𝑑𝑦𝑛
3.𝑃 )3. 50 = 158 [𝑘𝑚]
Ujetá vzdálenost vedení pod zátěží
𝐿𝑧= 𝑠𝑟. 𝑡𝑧. 𝑙𝑧 = 70 [𝑘𝑚]
𝐿𝑧 < 𝐿
Z kontrolních výpočtů lineárního vedení je zřejmé, že navržené lineární vedení svou únosností vyhovuje i nejvíce zatíženým segmentům. Jednotlivé statické bezpečnosti jsou větší než hodnota 3 a životnost vedení je také dostačující. Byl zvolen jeden typ vedení HIWIN HGW25HC pro všechny ohybové segmenty z důvodu usnadnění výroby, montáže, případné výměny a malé cenové odlišnosti vůči ostatním velikostem vedení.
Uložení jednotlivých segmentů musí být dostatečně tuhé a zároveň snadno nastavitelné. Byly tedy využity stojny skládající se z trubkové patky (honovaná trubka), tyče a sady frézovaných hranolů. Kombinace honované trubky a soustružené tyče vytváří válcovou vazbu s minimálními vůlemi. Sestava spolu s drážkami v hliníkových profilech a patkách umožňuje snadné nastavení segmentu ve všech 6ti stupních volnosti. (viz Obrázek 33) Ladění probíhalo na stojnách dotažených na moment a po odladění ohybu byly stojny zavařeny.
34 Obrázek 33: Stojna ohýbacího mechanismu
3.2.3 Tok materiálu, výstupní zásobník
Ze vstupního zásobníku je trubka vyvezena do výšky necelých 2 metrů výtahem skládajícím se z bezpístnicového pneumotoru, lineárního vedení a sady hliníkových profilů. V horní pozici je pod trubku vyklopena část skluzu, na který trubka přepadne po odjetí výtahu dolu. Skluz se skládá z trojice nerezových tyčí, bočního vedení trubky a dvou pneumatických stoperů. Po odebrání hotového kusu z ohýbací části dojde k vysunutí nerezových vidliček, které slouží k navedení trubky ze skluzu do upínacího mechanismu, následně dojde k ustavení trubky a kontrole správné délky. Mechanismus kontroly (Obrázek 34) je navržen tak, aby po ustavení trubky (01), tedy stlačení pružiny (05) talířkem (02) bylo aktivováno indukční čidlo
snímací čep (03). V případě kratšího, či delšího polotvaru nedojde k sepnutí čidla (04). Úspěšná kontrola délky trubky podmiňuje možnost upnutí trubky a započetí ohýbací sekvence.
Obrázek 34: Mechanismu kontroly délky trubky
Po dokončení ohybů na obou stranách dojde k vyklopení chapadel s pneumatickými uchopovači, jejichž palce nesou pružné tvarové čelisti vyrobené technologií 3D tisku.
Pružnost materiálu flexible umožňuje dostatečně pevné uchopení a zároveň nedochází k poškození trubky. Hotový díl je poté zavěšen na výstupní skluz, který slouží také jako výstupní zásobník.
36
3.3 Vstupní zásobník
Vstupní zásobník doplňuje ohýbací část a spolu tak tvoří automatickou ohýbací linku, zajišťující zásobu, přípravu a zpracování polotovaru. Konstrukce vstupního zásobníku je samostatně stojícím celkem schopným kooperace s ohýbací částí.
Je tedy nezbytné, aby čas cyklu přípravy trubky byl menší, nebo roven času cyklu ohýbací části. Samotný zásobník můžeme rozdělit na čtyři dílčí jednotky (pozice), které jsou určeny pneumatickými stopery. Poloha trubky na pozici je hlídána dvěma indukčními čidly na každé straně.
Obrázek 36: Řez vstupního zásobníku
3.3.1 Příprava trubky na vstupu
Ačkoliv se jedná o automatické zařízení, je potřeba polotovary zakládat tak, aby byl vstupní zásobník schopen trubku správně ustavit. Spočívá to v ručním ustavení trubky na samotném vstupu zařízení. Operátor má k dispozici podpěrnou soustavu (misky) pro přípravu trubek, jejich zarovnání a správné napozicování převleků (déle jen sleevů). S ohledem na ergonomii zařízení byla zvolena výška pracovního prostoru 1 m pro přesnou práci vstoje.
Ze snahy co nejvíce usnadnit práci obsluhy zařízení, byl navržen systém dorazů pro snadnější pozicování. Trubky jsou zarovnány pomocí bočnic misek, a pozici sleevů určuje dvojice vodítek, ke které jsou sleevy doraženy (viz Obrázek 37). Při vstupu špatně napozicovné trubky by mohlo dojít k poškození mechanismů zařízení, proto byly na samotný vstup osazeny šablony, které zabrání vstupu špatně ustavené trubky do zásobníku. Šablony tvoří drážku tvaru trubky a napozicovaých sleevů s maximální tolerancí polohy podle omezeného zdvihu mechanismu ustavení.
Z důvodu prohýbání trubek vlastní vahou byla v uprostřed mezi miskami navařena nerezová podpora pro jejich srovnání.
Obrázek 37: Ustavení trubky na vstupu
38 3.3.2 Zásoba a ojednocení trubek
Výrobce ohýbacích zařízení často dodává také různé typy zásobníků. Nejčastějším typem zásobníků trubek jsou pásové (řemenové) zásobníky. Jedná se o sérii řemenů prověšených ve tvaru U, do kterých jsou trubky zavěšeny. Navíjením řemenů trubky postupně přepadávají přes hranu zásobníku a tím dochází k jejich ojednocení.
Výhoda takovýchto zásobníků je v jednoduché manipulaci těžkých svazků trubek, kdy svazek může být do zásobníku založen pomocí manipulační techniky, a až zavěšený v řemenech se může rozbalit. Další výhodou je účinně využitý prostor zásobníku, jelikož naložené řemeny mohou sahat až těsně k zemi, ale místo podávání trubky zásobníkem může být umístěno podstatně výše.
Obrázek 38: Řemenový zásobník trubek Trumpf [11]
Z důvodu potřeby ustavení trubek a sleevů nebylo možné tento typ použít a zásoba je tvořena řadou trubek na skluzu zásobníku (viz Obrázek 36). Skluzy jsou tvořeny broušenými nerezovými výpalky podpírající trubky ve třech místech.
Mezera mezi horním a spodním skluzem je menší než průměr lemového zakončení, a tím brání přetočení trubky a zkřížení trubek. Zásoba trubek je hlídána indukčním čidlem, které v případě poklesu zásoby pod určitý počet kusů upozorní obsluhu.
Mechanismus ojednocení slouží k oddělení jedné trubky od zbytku zásoby. Pro rychlejší a jemnější zacházení s trubkou byl zvolen jednoduchý princip překlápěcí rolny, ta umožňuje propuštění jedné trubky, a zároveň nedochází k rázovým pohybům trubky, které by mohli ovlivnit polohu ustavení kratšího sleevu.
Ojednocovací rolna je rotační díl s drážkou velikosti průměru trubky. Každý bok drážky je opatřen výřezem, který trubku propustí do, nebo vně drážky. Výřezy v bocích jsou přesazeny pod uhlem 90°. Ojednocení probíhá na jeden dvojzdvih řídicího pneumatického válce, kdy vysunutím dojde k přetočení rolny a nabrání trubky do drážky, která je následně zasunutím válce a zpětným přetočením rolny přepuštěna na další pracovní pozici. Materiál rolny byl zvolen PE 500 pro své dobré kluzné vlastnosti, otěruvzdornost a obrobitelnost. Rolna je uložena s minimální vůlí na lícovaném šroubu umožňujícím rotaci, vyvozenou kyvně uloženým přímočarým pneuválcem SMC CD85N16-30-B.
40 Jeden bok drážky rolny je zkosený pro lepší vniknutí mezi trubky. Zároveň ale tento bok musí udržet sílu vyvozenou zásobou trubek, jelikož rolna zároveň koná práci stoperu. Byla tedy provedena analýza ojednocovací rolny, kdy byl bok rolny zatížen silou odpovídající příslušné složce tíhy zásoby trubek (50ti kusů).
Obrázek 40: Analýza ojednocovací rolny
Obrázek 40 zobrazuje výsledné napětí zatížené rolny a je zřejmé, že mez kluzu materiálu je téměř třikrát vyšší, než maximální hodnota napětí rolny. Ojednocovací jednotky jsou navíc celkem dvě, což výrazně přispívá ke snížení celkového zatížení.
Dvě ojednocovací rolny navíc zamezují prohnutí trubky, ke kterému by docházelo při použití jedné rolny uprostřed. Je však nutno nastavit současný chod obou mechanismů, toho bylo dosaženo pomocí škrticích ventilů regulujících rychlost pneumatických válců překlápějících rolny.
3.3.3 Ustavení sleevů
Po ojednocení propadne trubka na pozici ustavení. Tolerance polohy sleevů vůči trubce je dána výkresem, přičemž jedna strana sleevu má vždy pozici přesnou a druhá má toleranci ±2mm. Takto volná tolerance je jednak z důvodu různé délky střihu sleevu, ale také z důvodu různé teplotní roztažnosti materiálu.
Nejprve dochází k výsunu stavicích vidliček a následně k ustavení trubky vůči rámu dvěma pneumatickými válci v ose trubky. Následně jsou oba sleevy posuvnými vidličkami přiraženy k vidličkám statickým. Přepuštěním trubky na další pozici zapečení hrozí u krátkého sleevu posun z ustavené polohy. Je to způsobeno malou styčnou plochou sleevu s trubkou a vznikem menších třecích sil než u sleevu dlouhého. Z toho důvodu bylo využito horkovzdušné trysky, která ustavený krátký sleeve předpeče. Po ustavení tedy dojde k 10s cyklu předpékání, jehož dobu trvání je možné nastavit z ovládacího panelu. Ustavená a předpečená trubka je poté uvolněna a puštěna do pozice zapečení.
Obrázek 41: Mechanismus ustavení krátkého sleevu
42 Mechanismus ustavení je tvořen soustavou pneumatických válců a lineárního vedení. Ustavení trubky je provedeno kompaktními válci SMC CDQ2A25-25DZ a CDQ2A20-25DZ na jejichž koncích jsou polyamidové talířky určené pro kontakt se zakončením trubky. Stavicí vidličky jsou uloženy na pneumatických válcích s oválnou pístnicí SMC CQUB32-50M, která zabraňuje pootočení. Válce statických vidliček jsou připevněny přímo k rámu, posuvné vidličky jsou uloženy na lineárním vedení a posuv je zajištěn lineárním pneuválcem SMC CD85N16-50-B.
Předpek sleevu zajišťuje miniaturní ohřívač Mercanta XS20 s výkonem 1kW. Jedná se o horkovzdušnou trysku, schopnou vytvářet konstantní proud vzduchu s teplotou až 650°C a průtokem 100 l.min-1. Pro snadnou regulaci teploty je tryska osazena termočlánkem typu K. Síla proudu vzduchu je řízena škrticím ventilem SMC AS2002F-06 umístěným těsně před tryskou. [15]
Obrázek 42: Miniaturní ohřívač - Mecanta XS20 [15]
3.3.4 Zapékací jednotka
Hlavním úkolem zapékací jednotky je udržení konstantní teploty s minimálními odchylkami. Ze zkušeností zákazníka víme, že ideální teplota pro rychlé zapečení se pohybuje kolem 400 °C a sebemenší kolísání teplot výrazně ovlivňuje kvalitu zapečení. Právě z důvodu neustálého udržování konstantní teploty v zapékací jednotce byla vyloučena technologie horkovzduchu a bylo potřeba najít takové topné těleso, které danou teplotu udrží.
Obrázek 43: Acim – Jouanin zářiče [17]
Po konzultaci se zákazníkem byly vybrány infračervené zářiče FTE výrobce Acim – Jouanin. Jedná se o tepelné vlákno zalité v keramickém těle zářiče s antikorozní keramickou glazurou. Pro zajištění optimální teploty jsou zářiče osazeny termočlánkem typu K, který je zalitý v keramice a sklosilikonové vrstvě v blízkosti plochy záření. Výrobce dává na výběr z několika tvarových, délkových i výkonových provedení. Pro naši aplikaci byly zvoleny zářiče zakřivené s výkonem 1kW umožňující dosažení průměrné teploty až 680°C. [17]
44 Pro zajištění největší efektivity je nutné záření usměrnit a tím optimálně nasměřovat vydanou energii. Výrobce tedy nabízí také plechový reflektor s Al vrstvou, který slouží k usměrnění záření a zároveň tvoří nosný prvek pro spojení více zářičů za sebe. Součástí zářiče je také montážní kit pro upevnění v podobě šroubů, matic, dvou vzpěr chránících vedení kryté v keramických prstýnkách a keramickou svorkovnici pro elektro vývody. [17]
Obrázek 44: Zářiče s plechovými reflektory [17]
Zářiče byly umístěny pod a nad zapékanou trubku. Toto průchozí uspořádání tvoří mezeru pouze pro průchod trubky a tím dochází k většímu uzavření prostoru zapékání. Pro stabilitu teplot byly navíc kolem zářičů přidány tepelně izolační desky, které zároveň chrání okolní komponenty (pneumatické válce, hadice, čidla, kabely) od vysokých teplot a záření.
3.3.5 Chladicí jednotka
Trubka po zapečení má povrchovou teplotu přibližně 150 °C. Takto rozpálený sleeve má tendenci se trhat a lepit na rolny. Je tedy nutné teplotu trubky výrazně snížit, a to alespoň na teplotu kolem 70 °C. Zároveň musí ochlazení proběhnout v řádu desítek sekund. V průmyslu se běžně používají dva typy chlazení materiálu, jimiž jsou chlazení ponořením od kapaliny a ofuk vzduchem. Právě druhý zmíněný způsob je vhodný i pro ochlazování zapečeného sleevu. Ofukem dochází k nucené konvekci, která několikanásobně zvyšuje účinnost ochlazování přestupem tepla z rozehřáté trubky na proudící vzduch.
Obrázek 45: MOS vzduchový nůž VPN [16]
Jako zdroj proudu vzduchu byly využity vzduchové nože série VPN od výrobce MOS technik s.r.o. Jedná se o pneumatický prvek, který úzkou štěrbinou vytváří rovinný proud vzduchu. Na rozdíl od použité horkovzdušné trysky se u vzduchových nožů síla proudu reguluje buď výměnnou planžetou štěrbiny, nebo regulátorem tlaku na vstupu vzduchového nože. Obrázek 46 znázorňuje výsledek simulace proudu vzduchu, prováděnou výrobcem MOS technik s.r.o. [16]
46 Obrázek 46: Simulace proudu vzduchu nože [16]
Spotřeba vzduchu při ofuku je závislá na použité planžetě (resp. velikosti štěrbiny) a nastaveném tlaku vzduchového nože. Zařízení je osazeno dvěma vzduchovými noži, jejich výsledná délka činí 950 mm. Po testování se dospělo k ideálnímu nastavení pro naši trubku, kterým je tlak 0,2 bar a planžeta 0,1 mm (zelená přímka).
Doba ochlazování přizpůsobená celkovému času cyklu je 15 sekund. Pomoci grafu (Obrázek 47) jsme schopni dopočítat spotřebu vzduchových nožů na jednu trubku.
𝑄𝑉𝑁 = 𝑄100. 𝑙𝑉𝑁. 𝑡𝑜𝑐ℎ. 10−2= 150.950.0,25. 10−2= 𝟑𝟓𝟔, 𝟐𝟓 𝒍𝒏
Obrázek 47: Diagram spotřeby vzduchových nožů MOS [16]
3.4 Rám
Vstupní zásobník i ohýbací část je postavena na kombinaci ocelové rámové konstrukce a rámu z hliníkových profilů. Svařovaný rám z ocelových jeklů tvoří základní nosnou konstrukci a jsou na něj kladeny požadavky především na tuhost, která musí odolat namáhání v průběhu chodu zařízení, ale také musí zajistit stabilitu zařízení při transportu. Byla proto provedena simulace rámu na vidlích manipulační techniky, zatíženého silou odpovídající hmotnosti nesených komponent (1,5 t).
Obrázek 48: Koncept rámu – deformace [mm]
Obrázek 49: Koncept rámu – průběh napětí [MPa)
48 Obrázky 48 a 49 zobrazují původní návrh rámové konstrukce. Ačkoliv maximální napětí je trojnásobně menší než mez kluzu, průhyb rámu je v určitých místech větší než 1 mm. Pro snížení průhybu byly přidány výztuhy do rohů rámu, ty snížily maximální průhyb rámu z hodnoty 1,4 mm na 0,77 mm, při zachování stejného namáhání.
Obrázek 50: Finální rám - deformace [mm]
Obrázek 51: Finální rám - průběh napětí [MPa)
Rám z hliníkových profilů je použit především díky usnadnění ladění a urychlení montáže. Jedná se o stavebnicový systém, který se hojně používá při stavbě jednoúčelových zařízení. Oba rámy jsou pevně svázány a tvoří tak tuhý základ celého zařízení. [12]
Obrázek 52: Sestava rámů ohýbací části
50
3.5 Oplocení
Bezpečnost strojů a strojních zařízení během jejich provozování je komplexní a nelehkou problematikou. Zahrnuje totiž velké množství norem a nařízení vlády často s velmi náročnými požadavky. Cílem je maximální zvýšení bezpečnosti při obsluze zařízení a snížení možného rizika vzniku škod. Prohlášení o shodě a analýza rizik byla prováděna firmou Conformity s.r.o., se kterou byly veškeré bezpečnostní opatření projednávány již v průběhu návrhu.
Jedním ze základních opatření je zakrytování zařízení. V našem případě se jedná o kombinaci plechového zakrytování a oplocení nebezpečného prostoru. Při návrhu zakrytování je potřeba se řídit dvěma základními tabulkami, tj. Dosah skrz pravidelné otvory a Výška oplocení. Na základě těchto tabulek je možné určit rozměry otvorů v mříži (v našem případě 30 mm) a výšku oplocení (2 m). V místech, kde jsou pohybující se části blíže než 120 mm, je vhodné použití plného plechového zakrytování. V našem případě bylo využito plotových segmentů výrobce MISUMI, který dodává veškeré příslušenství od spojovacích prvků přes patky pro kotvení do podlahy, až po závěsné posuvné dveře.
Obrázek 54: Oplocené zařízení
Zařízení je osazeno několika nouzovými tlačítky (central stop), které uzavírají jeden bezpečnostní obvod. Druhý bezpečnostní obvod je tvořen bezpečnostními magnetickými zámky na servisních dveřích zařízení. Tyto bezpečnostní obvody v případě přerušení zastaví chod zařízení a vytvoří oplocený prostor prostorem bezpečným pro operátora. Operátor, nebo servisní technik do oploceného prostoru vstupuje za účelem ladění, případně odebrání NOK dílu. Je tedy nezbytné, aby v tu chvíli bylo odpojené vysoké napětí na topicích jednotkách a tlak v pneumatickém obvodu, to zajišťuje bezpečnostní dvojventil s hlídanou polohou SMC VP744, který v základní poloze odvzdušní větev pneumatických válců.
Poloha servisních dveří je hlídána dvěma bezpečnostními magnety výrobce SICK.
Prvek skládající se ze dvou dílů (senzor a aktuátor) funguje na základě kódovaného magnetického signálu. Na obrázku můžeme vidět použití dvou typů, kdy horní pouze uzavírají bezpečnostní obvod, kdežto spodní má navíc výstupní signál do PLC.
Obrázek 55: Bezpečnostní zámky servisních dveří
52
3.6 Řízení a elektrické prvky
Nedílnou součástí návrhu průmyslových zařízení je také návrh elektrického zapojení a tvorba elektrického schématu. Projektování elektrických zařízení může vykonávat pouze osoba tomu způsobilá, tj. osoba, která má platné osvědčení o vykonání zkoušky dle vyhlášky 50/1978 Sb. §10. Následující kapitola pojednává o elektrických prvcích navrhovaného jednoúčelového ohýbacího zařízení.
Srdcem zařízení je zdroj Weidmüller PRO MAX 480W 24V 20A, měnicí střídavé napětí ze sítě na stejnosměrné nízké napětí. Musí být navržen tak, aby dokázal napájet veškeré řídicí a senzorické komponenty zařízení. Řízení zajišťuje programovatelný logický automat (PLC) Siemens SIMATIC S7-1200. Společně s 9"
ovládacím panelem SIMATIC HMI tvoří mozek celého zařízení. [18]
Přenos signálů mezi řídicím systémem, výkonovými prvky a senzory je zajištěn pomocí chytré průmyslové komunikace IO-Link, která navzdory vyšším vstupním nákladům přináší řadu výhod. Těmi hlavními jsou především přehlednější a jednodušší zapojení ať už v rozvodné skříni, nebo na rámu zařízení, a s tím související úspora kabeláže. Tím, že kabely prvků nejsou taženy až na svorky v rozvodné skříni, je také mnohem snazší výměna samotného prvku. Na našem zařízení byly použity komponenty výrobce Balluff skládající se z jednoho masteru a osmi rozšiřujících modulů. Master BNI005H je spojen s PLC pomocí jednoho ethernetového kabelu a disponuje osmi konfigurovatelnými porty pro vstupy a výstupy. Obrázek 56 znázorňuje schématické zapojení, kdy čtyři porty masteru jsou použity pro řízení pneumatických ventilových bloků a na zbylých čtyřech jsou připojeny rozšiřující moduly. Z důvodu velkého množství senzorů, bylo potřeba vytvořit sériové zapojení rozšiřujících modulů, které umožňuje zvýšení vstupních signálů za menší náklady, než při osazování druhého masteru. Při takovém zapojení je potřeba ohlídat výkonový přenos a únosnost jednotlivých modulů a kabeláže. [19]
Obrázek 56: Schématické zapojení komunikace Balluff [19]
Do rozšiřujících modulů jsou zapojeny všechny senzory zařízení, které tvoří zástupce tří základních kategorií. Indukční čidla SICK slouží k detekci přítomnosti trubky na jednotlivých pozicích vstupního zásobníku, v upínacím mechanismu ohýbací části, nebo i v čelistech výklopného mechanismu. Optická čidla s odrazkou detekují mezní stavy zásobníku NOK, i OK dílů. Poslední kategorií jsou jazýčkové spínače SMC, které detekují polohu pístnice pneumatických válců.
Obrázek 57: Regulátor teploty Pixsys DRR245 [21]
Dalším zajímavým prvkem elektrického obvodu jsou jednoznačně regulátory teploty Pixsys DRR245. Jedná se o multifunkční regulátory s možností montáže na
54 Hlavními funkcemi jsou PID regulace spolu s autotuning funkcí pro automatické nastavení parametrů. Dle vstupu z termočlánků infrazářičů tedy dochází k regulaci teploty na hodnotu nastavenou operátorem na ovládacím panelu HMI. [21]
Ovládací panel zajišťuje přenos informací mezi obsluhou a samotným PLC.
Operátorovi dává informace o aktuálním stavu stroje, případných chybách, aktuálních teplotách, počtu hotových kusů a průměrném času cyklu. Naopak operátor může na panelu nastavovat hodnoty požadované dávky a času přepékání, zapékání a ochlazování. Po přihlášení do servisního režimu je možné zařízení přepnout do krokovacího režimu pro snazší ladění. Pod samotným ovládacím panelem je šest mechanických tlačítek pro snadnější a přehlednější ovládání.
Obrázek 58: Ovládací prvky
V příloze naleznete vybrané části elektrického schématu popisující zapojení bezpečnostních prvků, regulace topných těles a komunikace IO-Link.
