TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta strojní
Studijní program B2341 – Strojírenství
Materiály a technologie zaměření tváření kovů a plastů
Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů
Hodnocení technologie výroby vnitřních závitů pomocí tváření a obrábění
The evaluation of manufacturing technology of internal thread by forming and cutting
Richard Hamáček KSP – TP – B55
Vedoucí diplomové práce: Ing. Pavel Doubek, Ph.D.
Konzultant diplomové práce: Ing. Pevel Solfronk, Ph.D.
Rozsah práce a příloh:
Počet stran: 50 Počet tabulek: 9 Počet příloh: 12
Počet obrázků: 40 Datum: 5. 6. 2009
ANOTACE
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů
Studijní program: B2341 – Strojírenství Student: Richard Hamáček
Téma práce: Hodnocení technologie výroby vnitřních závitů pomocí tváření a obrábění
The evaluation of manufacturing technology of internal thread by forming and cutting
Číslo BP: KSP – TP – B55
Vedoucí BP: Ing. Pavel Doubek, Ph.D.
Konzultant: Ing. Pavel Solfronk, Ph.D.
Abstrakt:
Bakalářská práce se zabývá problematikou vlivu způsobu výroby vnitřního závitu na jeho následné mechanické vlastnosti, geometrickou přesnost a ekonomickou náročnost. Pro zjištění tohoto vlivu bylo využito statické zkoušky tahem, zkoušky mikrotvrdosti, a pro vizuální porovnání průběhu deformačních vláken v materiálu naleptáním metalografického výbrusu. Výsledkem experimentálního měření je porovnání tvrdosti po profilu závitu u tvářecí a obráběcí technologie, porovnání geometrie závitu s určením současné ekonomické náročnosti tvorby závitu na Railu F00R.L00.XXX ve společnosti Bosch Diesel s.r.o .
Abstract:
The thesis deals with a problem of how the internal thread manufacturing process may influence the mechanical properties of the thread, geometrical precision and economical seriousness. The static tensile test, microhardness test and the metallographic scratch pattern etching for visual comparison of progression of deformation fibres in the material were used to find the influence. The result of experimental measurement is the comparison of hardness along the thread profile in case of forming and cutting technology, comparison of the thread geometry with current economical seriousness of thread manufacturing on Rail F00R.L00.XXX in Bosch Diesel s.r.o company determined.
MÍSTOPŘÍSEŽNÉ PROHLÁŠENÍ
Místopřísežně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci, 5. června 2009
……….
Richard Hamáček Královský Vršek 28 586 01 Jihlava
PODĚKOVÁNÍ
Na začátku této práce bych rád poděkoval Ing. Pavlu Doubkovi, Ph.D., Ing. Pavlu Solfronkovi, Ph.D., Ing. Michaele Kolnerové, Ph.D., Ing. Ivě Novákové, Ph.D., a ostatním členům katedry strojírenské technologie, dále Ing. Viere Jagerčíkové za odborné rady a pomoc při vypracování bakalářské práce.
OBSAH:
1. ÚVOD ………... 9
2. TEORETICKÁ ČÁST ……… 10
2.1. ZÁKLADY TEORIE ZÁVITU ……… 10
2.1.1. Charakteristika závitu ……… 11
2.1.2. Druhy závitů………. 13
2.2. VÝROBA ZÁVITŮ……… 13
2.3. Teorie obrábění ………... 13
2.3.1. Řezné prostředí ………... 14
2.3.2. Řezání vnitřních závitů závitníky ………... 14
2.3.3. Soustružení vnitřních závitů ………... 14
2.3.4. Frézování vnitřních závitů ………. 15
2.3.4.1. Frézování vnitřních závitů monolitní vrtací závitová frézou ... 16
2.3.4.2. Frézování vnitřních závitů monolitní kruhově interpolační závitovou frézou ………... 16
2.3.4.3. Frézování vnitřních závitů monolitní závitovou frézou …….... 17
2.3.4.4. Frézování vnitřních závitů stopkovou závitovou frézou ……... 17
2.4. Teorie tváření ……….... 17
2.4.1. Historie tváření vnitřních závitů ………... 18
2.4.2. Konstrukce tvářecích závitníků ………. 19
2.4.3. Technologie tváření vnitřních závitů ………. 21
2.4.4. Technické parametry pro tváření vnitřních závitů ………. 24
2.4.4.1. Průměr a příprava předvrtaného otvoru ………... 24
2.4.4.2. Tolerance tvářecích závitníků………... 25
2.4.4.3. Maximální hloubka a stoupání závitu ………. 26
2.4.4.4. Kroutící moment ………... 26
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ……….. 28
3.1 SPOLEČNOST BOSCH DIESEL s.r.o. ……….. 28
3.1.1. Bosch Diesel s.r.o celosvětově ………. 28
3.1.2. Výrobní program Railu F00R.L00.XXX ve společnosti Bosch Diesel s.r.o. ……….. 29
3.2. CÍL EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ……… 30
3.3. MATERIÁL RAILU F00R.L00.XXX ………. 30
3.4. PROVÁDĚNÉ EXPERIMENTY ……… 31
3.4.1. Statická zkouška tahem ………. 31
3.4.1.1. Vyhodnocení statické zkoušky tahem ………. 33
3.4.2. Příprava metalografických výbrusů ………. 34
3.4.2.1. Průběh deformačních vláken ………... 34
3.4.3. Mikrotvrdost ………... 35
3.4.3.1. Naměřené výsledky mikrotvrdosti na tvářeném závitu ... 38
3.4.3.2. Naměřené výsledky mikrotvrdosti na obrobeném závitu ... 39
3.4.3.3. Vyhodnocení mikrotvrdosti v závislosti na vybrané technologii 40 3.4.4. Porovnání geometrie závitů ……….... 41
3.4.4.1. Vyhodnocení geometrie vnitřních závitů v závislosti na vybrané technologii ………... 44
3.4.5. Ekonomické porovnání vybraných technologií ………. 45
3.4.5.1. Porovnání nákladů pro zhotovení vnitřního závitu ve společnosti Bosch Diesel s.r.o. ……… 45
3.4.5.2. Vyhodnocení ekonomického porovnání ………... 47
4. ZÁVĚR ……… 48
POUŽITÁ LITERATURA ……….. 49
SEZNAM PŘÍLOH ……….. 50
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
Ax [%] Tažnost
d [mm] Velký průměr závitu šroubu d2 [mm] Střední průměr závitu šroubu d3 [mm] Malý průměr závitu šroubu
d [mm] Aritmetický průměr úhlopříček d1 a d2 d1 [mm] Délka úhlopříčky vtisku
d2 [mm] Délka úhlopříčky vtisku D [mm] Velký průměr závitu matice D1 [mm] Malý průměr závitu matice D2 [mm] Střední průměr závitu matice F [N] Zkušební zatížení
H [mm] Výška teoretického profilu závitu
hz Hlava zubu (malý průměr vnitřního závitu) HV [-] Zkouška tvrdosti podle Vickerse
i [-] Počet chodů
L0 [mm] Počáteční měřená délka P [mm] Rozteč závitu
Ph [mm] Stoupání závitu
pz Pata zubu (velký průměr vnitřního závitu)
Rp 0,2 [Mpa] Smluvní mez kluzu
Rm [Mpa] Smluvní mez pevnosti
s Směrodatná odchylka
SNOP Stroj-nástroj-obrobek-přípravek VBD Výměnné břitové destičky
x Aritmetická střední hodnota α [ º] Vrcholový úhel závitu α1, α2 [ º] Úhel boku zubu
1.ÚVOD
Ve stavbě strojů a strojních zařízení jsou základním prvkem umožňujícím kompletování součástí, ze kterých se stroj skládá, spojující elementy. Součásti pro spojení dvou a více dílů se používají již od zahájení výroby strojů a strojních zařízení.
Z uvedeného je zde snaha o neustále vyvíjení, vylepšování, zjednodušování a objevování nových možností spojování částí strojů a zařízení.
Mezi hlavní spojovací prvky, které umožňují vytvořit rozebíratelný spoj, patří závitové spojení. Ve strojírenské praxi z větší části převažuje výroba závitů klasickým způsobem, to znamená třískovým obráběním. Hlavní princip třískového obrábění je postupný úběr třísky pro získání požadovaného profilu, rozměru a jakosti závitu.
V malosériové a kusové výrobě je tato metoda jistě nejvhodnější z hlediska ekonomického, ale současně i z hlediska snadnosti a jednoduchosti technologie. Je možné užít i jinou metodu výroby závitu, a to tvářením. Při této metodě získáme finální výrobky pomocí plastického přetvoření vzniklého působením nástroje na polotovar.
Proč však volit tuto variantu? Jaké benefity mi tato metoda poskytne? Pomůže mi tato metoda zefektivnit výrobu? Proč používat pro zhotovení závitu tvářecí závitníky, které jsou mnohem nákladnější než klasické řezací závitníky nebo závitové frézy?
Tyto a mnoho dalších otázek si pokládá mnoho technologů a vývojových pracovníků z různých strojírenských firem a organizací při přechodu na novou výrobu. Málokdo však má možnost prostudovat literaturu poskytující celkové shrnutí výše uvedených metod a následně zhodnotit, jaký způsob výroby by mohl být pro danou výrobu nejlevnější, nejdostupnější, nejkvalitnější a geometricky nejpřijatelnější. V porovnání ,,cena / výkon , cena / kvalita.“
Výše zmíněné otázky jsou bezesporu hlavním důvodem, proč jsem si dané téma vybral pro svou bakalářskou práci.
Hlavním cílem bakalářské práce je zhodnocení, která z uvedených technologií je výhodnější z hlediska mechanických vlastností závitu a z hlediska ekonomické náročnosti obou technologií prováděných ve společnosti Bosch Diesel s.r.o. na vysokotlakých zásobnících – Railech F00R.L00.XXX .
2.TEORETICKÁ ČÁST
2.1 ZÁKLADY TEORIE ZÁVITU
Závity a jimi vzniklá spojení jsou v technickém odvětví považovány za jedny z nejdůležitějších způsobů spojení. Závit je tvořen profilem závitu, který rotuje v levé nebo pravé šroubovici podle smyslu otáčení závitu. Pravotočivý závit se používá nejčastěji.
Obr. 1: Rozdělení profilů a jejich výroby
Levotočivý závit se používá ve zvláštních případech spojení strojních součástí.
Vzhledem k umístění závitu na tělese rozlišujeme závity vnější (závit na dříku – šroubu) a vnitřní (závit v díře – matici). Podle využití a účelu závitu je jeho provedení (především profil) děleno na závity spojovací, pohybové a zvláštní (obr. 1).
Mezi hlavní přednosti závitových spojů patří jednoduchost a spolehlivost spoje s možností opakované montáže a demontáže. Znamená to, že patří do skupiny rozebíratelných spojů. Závitové spoje se používají nejen pro spojení strojních součástí, přeměně kroutícího momentu na osovou sílu, ale také pro přeměnu posuvného pohybu na pohyb otáčivý a naopak. Postupem času strojírenský průmysl vyžadoval existenci zaručeného závitového systému pro snadnější orientaci mezi dodávanými závitovými produkty. [1,2]
O tento systém, respektive soustavu, se nejvíce zasloužil J. Whitworth, který určil jednotný profil závitu s vrcholovým úhlem 55º a průměrem závitu s náležitým stoupáním, které se udává počtem závitů na „1“. Později byl WZ měřený v anglických palcích. Následně byl nahrazen novou závitovou soustavou měřenou v milimetrech s vrcholovým úhlem 60º, která se stala základem dnešní soustavy metrických závitů.
[3]
2.1.1 Charakteristika závitu
Závit je možno si představit pohybem bodu po křivce šroubovice, která je rovnoměrně vinuta kolem osy a zároveň se ve směru osy pohybuje. Tuto osu však v žádném bodě neprotíná. Jestliže tomu tak je, jedná se o závit válcový. Pokud by šroubovice rovnoměrně měnila vzdálenost od osy, nebo k ose, jedná se o závit kuželový. Během jednoho otočení závitu o 360 º dojde k osovému posuvu. Tento osový posuv se nazývá stoupání a značí se Ph . [4]
Při osovém řezu šroubem, respektive maticí, vznikne teoretický profil závitu, na kterém jsou zakótovány všechny důležité rozměry (obr. 2). Profily jsou rozdílných tvarů a mají rozhodující vliv na vlastnosti závitů. [2]
Obr. 2: Řez osou šroubu a maticí (metrický závit)
→ d – velký průměr závitu šroubu (používá se při označování závitu díky snadnému změření)
→ D – velký průměr závitu matice
→ d3 – malý průměr závitu šroubu (průměr, jehož hodnota je použita pro pevnostní výpočet šroubu)
→ D1 – malý průměr závitu matice
→ d2 = D2 – střední průměr závitu (určuje vzdálenost profilu od osy)
→ P – rozteč závitu
→ H – výška teoretického profilu
→ α – vrcholový úhel závitu (α1 + α2)
→ α1, α2 – úhel boků závitu [4]
Závit může být tvořen jako jednoprofilový, neboli jednochodý, nebo víceprofilový, potom hovoříme o vícechodém (obr. 3). Nejkratší vzdálenost mezi dvěma profily stejné šroubovice, respektive závitu, nazýváme rozteč p.
Pro již zmíněný jednochodý závit platí Ph = p . Vícechodý závit má větší počet chodů i, proto platí Ph = i . p . [1]
Obr. 3: jednochodý závit (vlevo), dvouchodý závit (vpravo) [1]
2.1.2 Druhy závitů
Závit je často používaným prvkem, proto je normalizován do všech detailů.
Postupem času tomu tak bylo i u součástí majících závit, jako jsou šrouby a matice.
Závity šroubů a matic jsou normalizovány podle ČSN ISO 262. [2]
Nároky kladené na vlastnosti závitových spojení u šroubů a matic jsou ve strojírenské praxi rozdílné.
Uvedených vlastností lze docílit existencí odlišnými profily závitů podle (obr. 1) na:
→ závity spojovacích šroubů
→ závity ke spojování trubek
→ závity pohybových šroubů [1]
2.2 VÝROBA ZÁVITŮ
Jak již bylo výše zmíněno, závity představují nejdůležitější konstrukční prvky, které umožňují spojení součásti nebo její pohyb, proto je požadována maximální možná přesnost, jakost a pevnost závitu pro jeho spolehlivou funkci při užití.
Výrobu závitu lze rozdělit na strojní a ruční, vnější a vnitřní (obr. 1). Základní způsoby výroby závitů jsou tváření a obrábění. V případě velmi přesných závitů, kde je kladen důraz na drsnost profilu, profil a stoupání, je užito broušení zapichovacím nebo podélným způsobem. [5]
2.3 Teorie obrábění
Obrábění je jedna z historicky nejstarších technologií, která se postupem času vyvíjela až do dnešní podoby. Začátky vědecké činnosti obrábění sahají do roku 1873 (Francie), kde Tresca ve svých studiích zkoumal problematiku tvoření třísky a odpory vznikající při obrábění.
Obrábění je technologický proces, při kterém dochází k vytvoření nových povrchů požadovaného rozměru a jakosti jednorázovým nebo postupným oddělováním částic materiálu (třísek) řezným nástrojem. Při obrábění uskutečňuje obrobek a nástroj vzájemný pohyb za pomoci stroje v soustavě SNOP. [6]
2.3.1 Řezné prostředí
Řezné prostředí je pojem, který se užívá jak v technologii obrábění, tak tváření. Je to oblast mezi nástrojem a obrobkem za ne/přítomnosti řezné (procesní) kapaliny.
Hlavním přínosem procesní kapaliny je schopnost mazací, a to jak u procesu tváření vnitřních závitů, tak i obrábění. Dále pak schopnost chladící a v neposlední řadě
schopnost odplavení třísky z místa řezu. Procesní kapalina také napomáhá odvádět vzniklé teplo pro dobrou teplotní stabilizaci a napomáhá snížit tření. Procesní kapalina je do místa řezu přiváděna mnoha způsoby (např. tělem nástroje), které jsou závislé na různých faktorech.
Obrábění je také proveditelné bez přítomnosti procesní kapaliny. V materiálu tak nedochází k pnutí vlivem rychlého ochlazení procesní kapalinou. Je tedy důležité zvážit nutnost existence procesní kapaliny, podle které se pak také odráží celkové náklady na finální výrobek. [6]
2.3.2 Řezání vnitřních závitů závitníky
V běžné výrobě se vnitřní závity nejčastěji řežou závitníky a to ručně nebo strojně (obr. 1). Podle jejich provedení je možno závitníky rozdělit na (sadové, maticové a strojní). Závitník je v užším slova smyslu šroub s náběhovým kuželem a břity tvořenými přímými nebo šroubovitými drážkami.
Sadové závitníky použijeme v případě ručního řezání závitů do slepé díry nebo díry delší než 1,5 D (obr. 4). [5,6]
Obr. 4: Profil ručních sadových závitníků [5]
2.3.3 Soustružení vnitřních závitů
Výroba závitů se na soustruhu provádí nožem, který má tvar závitového profilu.
Pohyb nože ve směru osy závitu je vázán na otáčky vřetene. Na jednu otáčku se nůž posune o hodnotu stoupání závitu Ph. Tento posuvný pohyb nástroje je odvozen od vodícího šroubu přes matici na suportu soustruhu. Je možno soustružit vnější i vnitřní levé i pravé závity. [5,6]
2.3.4 Frézování vnitřních závitů
Frézování závitů je perspektivní technologií výroby závitů, která nabízí řadu výhod oproti klasickým metodám výroby závitu. Metody frézování závitů korespondují také s kinematikou obráběcího procesu a použitým nástrojem. Při možnosti užití CNC frézek s možností naprogramování kruhové interpolace je závit zhotoven planetovým
pohybem nástroje při jeho současném osovém posuvu (posuv ve směru osy a rotace kolem osy nástroje se současnou rotací nástroje kolem osy díry).
V tom případě je možno použít závitořezné frézy různých typů. Jejich tuhá konstrukce, mající šroubovité nebo přímé drážky, umožňuje zhotovit vnitřní závity i v těžce obrobitelných materiálech vysokými řeznými rychlostmi v souladu s nízkými řeznými silami. Využitím kruhové interpolace odpadá také problematika odstranění zalomených závitníků v otvorech rozpracovaného výrobku, na který již byly vynaloženy nemalé finanční prostředky. Tento druh frézování nám nabízí možnost použití jednoho nástroje pro různé průměry závitu avšak stejného stoupání v pravém i levém provedení. Fréza však musí mít menší průměr, než malý průměr vyráběného závitu. Při použití klasických závitníků dochází k pěchování třísek, při tomto druhu frézování tato starost rovněž odpadá.
Dalším kladem této technologie je možnost vyřezat závit téměř až do dna díry díky konstrukci frézy. Fréza totiž nemá řezný kužel jako klasické nebo tvářecí závitníky, kde je tato konstrukce nepostradatelná. Vypouští se také nutnost nastavení reverzních otáček, protože nástroj má možnost vždy najet zpět do středu díry a vysunout v ose nad obrobek do výchozí polohy.
Chladící kapalina je v případě závitořezných fréz do místa řezu přiváděna tělem nástroje, což umožňuje proniknutí kapaliny do míst, kde je potřeba. V případě hlubokých děr mají nástroje vývody také na bocích pro zaručené mazání nástroje po celé délce. [7]
2.3.4.1 Frézování vnitřních závitů monolitní vrtací závitovou frézou
Vrtací závitová fréza je vyráběna v provedeních nepovlakovaných nebo povlakovaných slinutými karbidy včetně vnitřního chlazení (stejně jako níže uvedené frézy). Tento nástroj umožňuje ekonomickou výrobu vnitřních závitů. V jedné jediné operaci nástroj provede tři různé úkony bez výměny nástroje. Vyvrtání díry do plného materiálu, sražení hrany a frézování závitu (obr. 5). Tím se ušetří mnohé náklady na jednotlivé nástroje a také čas potřebný pro výměnu těchto nástrojů. [5,8]
Obr. 5: Pracovní cyklus monolitní vrtací závitové frézy [8]
2.3.4.2 Frézování vnitřních závitů monolitní kruhově interpolační závitovou frézou
Díky kruhově interpolační závitové fréze je možno najednou provést dvě obráběcí operace opět bez nutnosti výměny nástroje. Fréza zhotoví v jedné operaci otvor i závit (obr. 6). Pro tento druh nástroje tedy není nutná existence předvrtaného otvoru.
[8]
Obr. 6: Pracovní cyklus monolitní kruhově interpolační frézy [8]
2.3.4.3 Frézování vnitřních závitů monolitní závitovou frézou
Frézou je možné řezat závit i srážet hranu. Před vlastním frézováním závitu je nutné zhotovit otvor pro budoucí závit. Pro výrobu kuželového závitu je možné užít frézu stejné řady, avšak kuželového tvaru taktéž s rovnými i spirálovými drážkami.[8]
Výrobní proces této frézy je obdobný jako u vrtací závitové frézy s tím rozdílem, že je potřeba předem zhotovit otvor požadovaného průměru.
2.3.4.4 Frézování vnitřních závitů stopkovou závitovou frézou
Hlavní výhodou této frézy je možnost mechanického upnutí vyměnitelných břitových destiček (obr. 7). VBD destičky mají hřebenovitý tvar, jehož profil odpovídá požadovanému závitu. VBD mohou být nepovlakované nebo povlakované slinutými karbidy.
Velká výhoda tohoto nástroje spočívá v tom, že různé druhy závitů s různým stoupáním je možno provádět jedním základním držákem (stopkou). Pro potřebné stoupání a typ závitu se snadno vymění příslušná VBD. Na jednom držáku je možné upnout jednu, maximálně dvě VBD. [8]
Obr. 7: Stopková závitová fréza firmy s vyměnitelnými břitovými destičkami [5]
2.4 Teorie tváření
S rychlým rozvojem strojírenské výroby je vyžadován vývoj tvářecích technologií, kterými by bylo možné nahradit technologie obráběcí. Podstatný rozdíl mezi uvedenými technologiemi je, že při obrábění je hlavním znakem vznikání třísek při přeměně polotovaru na finální výrobek, na rozdíl od druhé zmíněné technologie, která se obejde bez vzniku odpadu v podobě třísek. Neexistence vzniku třísek hraje v teorii tváření nejdůležitější roli, která znamená maximální možné využití materiálu. Tváření je proto posuzováno za metodu moderní a velice účinnou. [9]
Tvářecí časy při výrobě vnitřních závitů jsou kratší, než při řezání, a to díky vytvoření závitu na jedno projetí nástroje. Tato skutečnost je považována za pozitivní v oblasti tváření závitů společně s dobrou rozměrovou přesností a s dalšími kladnými vlastnostmi.
Počáteční polotovar je měněn plastickým přetvořením na finální výrobek. Plastické přetvoření je založeno na pohybu jednotlivých částeček kovů materiálu. Daný mechanismus je možno vysvětlit pohybem a vznikem mřížkových poruch (bodové, čárové, plošné, prostorové). Na plastické přetvoření mají vliv především čárové poruchy, respektive dislokace. [12]
Plasticitu materiálu ovlivňuje tvářecí teplota, (viz. literatura [12]), charakter a velikost napjatosti. (viz. literatura [12]). Velikost napjatosti v jednotlivých místech deformovaného tělesa v průběhu vlastního tvářecího procesu jsme v dnešní době schopni zjistit za pomoci početních metod a prostředků. Takto získané hodnoty jsou využity pro stanovení tvářecích podmínek jako tvářecí síla, práce, kroutící moment, a jejich limitních hodnot. Na plastické přetvoření tvářeného materiálu má také vliv zpevňující efekt (viz. literatura [14]). [9]
2.4.1 Historie tváření vnitřních závitů
Tváření vnitřních závitů se nejdříve aplikovalo na trubkách větších světlostí v Německu ve 30 letech 20. století. Bylo užito válcovacího trnu (obr. 8), který je
složen z nosné části, na kterém jsou tři válcovací segmenty (s profilem závitu) opírající se o závitovou patronu umístěnou v ose nástroje. Patrona je schopna axiálně se posouvat, má profil požadovaného stoupání a slouží jako opěrný element pro segmenty válcovací. Z těchto důvodů mají tyto segmenty schopnost naklonit se do požadovaného úhlu.
Obr. 8: Tvářecí trn [11]
Prvním krokem v historii tváření vnitřních závitů do předem předvrtaných otvorů byla nutnost vyvinout nástroj, u kterého by se snížilo tření při jeho ,, vtlačování “.
Proto byla aplikována myšlenka užití kaleného šroubu, který by byl k tomuto účelu upraven. [11]
2.4.2 Konstrukce tvářecích závitníků
Dnešní tvářecí závitník je tvořen z jednoho kusu nebo může být složen z vyměnitelné tvářecí korunky, která se mechanicky (pomocí šroubu) upne na upínací stopku (obr. 9). Tvářecí korunka má z jedné strany takzvané zapuštění pro hlavu šroubu a z druhé strany drážky (tzv. zámky), které jsou totožné s drážkami na stopce (obr. 10). Toto konstrukční řešení napomáhá k lepšímu přenášení kroutícího momentu ze stopky na nástroj a zamezuje tak případnému protočení tvářecí korunky na stopce.
Obr. 9: Tvářecí závitník s korunkou Obr. 10: Tvářecí korunka
Pracovní část je stejně jako klasické řezací závitníky tvořena šroubovicí se stejným profilem jako je profil požadovaný. Šroubovice může být i přerušena mělkými drážkami (obr. 11). V tomto případě drážky neplní funkci odvodu třísky jako je tomu u řezacích závitníků, ale slouží pro odvod vzduchu a oleje z tvářeného otvoru pro vyhnutí se vzniku pístového efektu na dně neprůchozí díry. [10]
Obr. 11: Pracovní část tvářecího závitníku
Dalším typickým znakem tvářecího závitníku je jeho průřez s tvarem mnohoúhelníku (polygonu), nejčastěji se třemi, čtyřmi, pěti, šesti, ale i osmi zaoblenými vrcholy. Počet tvářecích vrcholků je optimalizován podle specifických materiálových skupin, pro které jsou závitníky vyvinuty. Tento tvar je stěžejním konstrukčním prvkem, napomáhajícím v menším množství k pronikání procesní kapaliny do pracovního místa (obr. 12). Dále ovlivňuje velikost třecí síly, se kterou souvisí také velikost potřebného kroutícího momentu.[8]
Při dotyku s materiálem má tvar mnohoúhelníku také vliv na postup a rychlost přesouvání tvářeného materiálu.
Obr. 12: Řez tvářecího závitníku [8]
Celé tělo závitníku se skládá z několika funkčních částí (obr. 13). Přední část tvářecího závitníku je tvořena náběhovým kuželem. Úhel náběhového kužele je rozdílný podle použitého materiálu (obr. 14).
Délka náběhového kužele je obvykle tvořena v délce tří stoupání závitu. V případě tváření závitů do neprůchozích otvorů je proto nutné tuto délku započítat v určení hloubky předvrtaného otvoru vůči činné délce závitu. Všeobecně jinak slouží pro
snadnější vtlačení závitníku do předem připraveného otvoru. Dále následuje vodící válcová část sloužící pro snadnější vedení nástroje v axiálním směru při samotném procesu tváření a pro vyhlazení (kalibraci) tvořeného závitu. [10]
Z výše uvedeného je možné říci, že závitníky mají výbornou samovodící schopnost společně s větší stabilitou (zvláště u menších průměrů) na rozdíl od klasických řezacích závitníků.
Obr. 13: Tvářecí závitník [8]
Tvářecí závitníky se vyrábějí z řezné oceli. V případě náročnějších pracovních podmínek jsou závitníky povlakovány (i v několika vrstvách) tvrdými a nepřilnavými materiály pro lepší přesouvání materiálu, zlepšení otěruvzdornosti, tepelné odolnosti, snížení tření a nalepování částí materiálu na tvářecí závitník. [8]
Obr. 14: Náběhový kužel tvářecího závitníku [8]
2.4.3 Technologie tváření vnitřních závitů
Tváření vnitřních závitů je proces probíhající za studena. Hlavní podmínkou užití tvářecí metody pro výrobu vnitřních závitů jsou mechanické vlastnosti tvářeného materiálu. Materiál by měl být dobře tvárný za studena s tažností nejméně 5% a pevnost v tahu by neměla přesáhnout 1400 N/mm2. Mezi materiály mající tyto vlastnosti patří především slitiny oceli s pevností do 500 Mpa, mosazi a nejvíce vhodné k této technologii předurčující jsou hliník, slitiny hliníku a měď. Užití tvářecích závitníků není vhodné u křehkých materiálů a v litině. [10]
Proces výroby vnitřního závitu spočívá ve vtlačování náběhové části tvářecího závitníku do předem zhotoveného otvoru. V průběhu vtlačování materiál vlivem tepla měkne.
Materiál se tvaruje a přesouvá těsně po boční hraně zubu nástroje a dále směrem k malému průměru závitu (obr. 15). [8]
Obr. 15: Směr přesouvání materiálu při tváření [8]
Tato skutečnost zaručuje vytvoření charakteristické ,,rýhy“ (drážky) vznikající na vrcholu závitového profilu (malého průměru závitu) vlivem neúplně dotvářeného profilu zubu (obr. 16). [10]
To však nemá žádný vliv na vlastnosti závitu, protože pevnost, funkce a přesnost závitového spojení spočívá především na bocích zubů a jejich nosné výšce, respektive hloubce. Při tváření závitu tvářecími závitníky má závit hladký povrch. Svým vzhledem připomíná povrch broušený, a to díky válcové vodící části závitníku, která povrch vyhlazuje, respektive kalibruje a napomáhá mu, jak již bylo uvedeno, v axiálním posuvu. Povrch má proto příznivý koeficient tření a nedochází tak k zadírání závitu. Závit lépe odolává korozi i otěru.
Závit má stálý tvar s velkou odolností proti stárnutí, to znamená, že po delší době namáhání závitu nevzniká nebezpečí vzniku únavových lomů, ani neklesá vrubová houževnatost. Tvářené závity prokazují také vyšší pevnost v tahu a tlaku. [8,11]
Obr. 16: Drážka na vrcholu závitového profilu
Při tvářecím procesu totiž dochází k deformaci vláken podél povrchu tvářeného profilu. Vlákna ale zůstávají neporušená na rozdíl od závitu obrobeného, kde dochází k jejich přerušení (přetnutí) (obr. 17).
Obr.17: Průběh vláken tvářeného závitu (vlevo),obrobeného závitu (vpravo) [8]
Podle stupně deformace obráběného materiálu dochází ke zpevnění, které je největší zejména v oblasti velkého průměru závitu (obr. 17). Postupem k malému průměru závitu zpevnění klesá, stejně tak jako od velkého průměru dále do materiálu (nulové zpevnění) (obr. 18.). Z obrázku je také zřejmé, že profil zubu má po tváření vyšší pevnost po povrchu nežli uvnitř. [11]
Obr.18: Zpevnění profilu závitu [11]
To napomáhá další úspoře nákladů vynaložených na materiál, protože jsme schopni použít materiál o nižší původní pevnosti. Je také možné vyrábět tvářením menší jmenovitý průměr vnitřního závitu vykazující stejnou pevnost závitu jako závit obrobený, ale s větším průměrem do stejného materiálu. [11]
2.4.4 Technické parametry pro tváření vnitřních závitů
Pro získání kvalitního závitu tvářením je nutné vytvořit odpovídající tvářecí podmínky, jako jsou průměr a jakost předvrtaného otvoru. Pro požadovaný vnitřní závit s náležitou tolerancí je nutné užít tvářecího závitníku se správnou tolerancí a dodržet další podmínky uvedené v následujících kapitolách.
2.4.4.1 Průměr a příprava předvrtaného otvoru
Jedním z nejdůležitějších kroků ve výrobě vnitřních závitů tvářením je příprava otvoru. Je důležité si uvědomit fakt, že materiál se axiálně vytlačuje (obr. 15). Při prvotním vtlačování závitníku se materiál vytlačuje před otvor a při výběhu závitníku za otvor. Z tohoto důvodu je nutné pamatovat na sražení hran otvoru z obou stran, aby se zabránilo vytlačení materiálu na čelech.
Další důležitý faktor mající rozhodující vliv na proces tváření je průměr předvrtaného otvoru. Je nutné vyrobit otvor přesněji, než je tomu u metod obráběcích.
Přesnost se pohybuje v případě standardních metrických závitů v rozmezí 0,05 mm až 0,09 mm do rozměru M8 a (0,1 až 0,15) mm nad rozměr M8 (viz. příloha 1). Každé nedodržení uvedené tolerance pro vyvrtaný otvor, ale i špatná drsnost povrchu otvoru nebo zanechání třísek, či jiných nečistot, v předvrtaném otvoru má vliv na kvalitu vytvářeného závitu a toleranci jeho malého průměru závitu (obr. 19). [10]
Za předpokladu malého průměru předvrtaného otvoru se při tváření materiál silně stlačuje v kořeni závitu (velký průměr vnitřního závitu). V tom případě je nutné užít větší kroutící moment, při kterém dochází k extrémnímu namáhání tvářecího závitníku, který se může deformovat prasknutím v případě tvářecího závitníku z jednoho kusu, v případě tvářecí korunky může dojít k roztržení celé korunky. Může však také nastat situace, kdy nebude vůbec možno závit v předem připraveném otvoru vytvářet.
Obr.19: Vliv předvrtaného otvoru na rozměr malého průměru závitu matice [8]
V případě příliš velkého průměru je materiál naopak deformován málo v oblasti kořene závitu a dochází tak k nedotváření závitu, nebude tedy dosaženo požadované funkční výšky profilu závitu (obr. 19). [10]
Nutností je dodržet výrobcem stanovené tolerance průměrů u předem připravených otvorů pro různé závitníky. V praxi se však v některých případech pro nalezení optimálního průměru otvoru využívá pomocí testů a zkoušek. [8]
2.4.4.2 Tolerance tvářecích závitníků
V případě tvářecích závitníků jejich výrobci vyrábějí závitníky s větší tolerancí.
Důvodem je smrštění materiálu (po samotném tvářecím procesu), kdy se materiál o určitou hodnotu smrští v závislosti na tažnosti materiálu. Díky tomu bude vytvářený závit menšího průměru, než je průměr šroubovice závitníku. [8]
Je tedy zřejmé, že po procesu tváření vnitřních závitů nebude nikdy možné tvářecí nástroj (závitník) plně zašroubovat do vytvářeného závitu, jak je tomu zvykem v případě vnitřních závitů vyrobených obráběním.
Z tohoto důvodu je nutné vyrobit závitník, respektive jeho pracovní část, blíže horní toleranci vnitřního závitu. Kalibrace tvářených závitů je uvedena v příloze č. 2.
[8]
2.4.4.3. Maximální hloubka a stoupání závitu
Při řezání závitů závitníkem je do jisté míry limitní záležitostí hloubka vnitřního závitu, a to z důvodu odvodu třísek. Při tváření tato problematika odpadá. Tím se zvyšuje bezpečnost při výrobě, neboť neexistence vzniku třísek nikterak neohrožuje výrobní proces.
V praxi není vymezena limitní maximální hloubka, respektive délka tvářeného závitu, pokud je možné užít dostatečně dlouhý závitník. Se zvyšující se hloubkou závitu vzniká problém, jak kvalitně dodávat mazací médium do pracovního prostoru.
Je proto vhodné užít tvářecí závitník s kanálkem v těle nástroje. Nástroje jsou však nákladnější vzhledem k obtížnosti výroby. Tvářecí závitník má axiální centrální kanálek s radiálními vývody po obvodu nástroje zásobující mazací drážky (obr. 13).
Hluboké závity je možné snadno tvářet, protože po vtlačení celé délky pracovní části tvářecího závitníku do předvrtaného otvoru je potřebný kroutící moment konstantní bez ohledu na současnou hloubku závitníku v díře. Tváření vnitřních závitů nám ale dovoluje tvářet vnitřní závity pouze do určité hodnoty stoupání, samozřejmě v závislosti na vlastnostech tvářeného materiálu. Horní proveditelná hranice pro stoupání je 3,5 mm. [10]
2.4.4.4 Kroutící moment
S vlastnostmi materiálu také úzce souvisí velikost potřebného kroutícího momentu společně s průměrem předvrtaného otvoru, průměrem požadovaného závitu, geometrií, pracovní částí tvářecího závitníku, jeho povlaku a na použitém mazacím respektive chladícím médiu (procesní kapalině). Z obrázku č. 20, který znázorňuje porovnání potřebného kroutícího momentu při řezání a tváření při shodných podmínkách, je zřejmé, že při tváření vnitřních závitů bude zapotřebí užít většího kroutícího momentu.
Obr. 20: Potřebný kroutící moment tváření / řezání [8]
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
3.1. SPOLEČNOST BOSCH DIESEL s.r.o.
Výrobcem vysokotlakých zásobníků (dále pouze Railů), které byly užity pro provedení experimentální části bakalářské práce je společnost Bosch Diesel s.r.o . Z tohoto důvodu je v kapitole v krátkosti popsána samotná společnost i funkčnost Railu společně s výrobním programem.
3.1.1. Bosch Diesel s.r.o. celosvětově
Bosch je celosvětovým pojmem pro mnoho výrobků v oblasti automobilové a průmyslové techniky stejně jako spotřebního zboží a techniky budov. Koncern má celkem 280 dceřiných společností ve všech částech světa s 251 000 zaměstnanci.
Jednou z nejvýznamnějších v Evropě je závod Bosch Diesel s.r.o. v Jihlavě, zaměstnávající 6200 lidí. Společnost Bosch investuje nemalé částky do vývoje a výzkumu, který napomáhá také vysokému počtu přihlášených patentů ve prospěch firmy.
Podstatnou část výrobního programu firmy tvoří komponenty palivového vstřikovacího systému Common Rail (příloha č. 3) využívající se při výrobě osobních a nákladních vozů předních světových značek, proto musí splňovat nejnáročnější kritéria kvality.
Hlavní komponenty systému Common Rail patří:
→ Vysokotlaké čerpadlo
→ Nízko - a vysokotlaké potrubí
→ Rail
→ Elektronicky řízené vstřikovače
→ Snímače pracovních podmínek motoru
→ Řídící jednotka systému
Mezi hlavní přednosti systému Common Rail patří tišší chod motoru, nízká spotřeba paliva a nižší emise.
3.1.2. Výrobní program Railu F00R.L00.XXX ve společnosti Bosch Diesel s.r.o.
Samotný Rail (příloha č. 5) je zásobník, kam proudí palivo z čerpadla pod vysokým tlakem, a z kterého je rozváděno k jednotlivým vstřikovacím jednotkám
“injektorům“. V soustavě Common Rail tedy zastává pozici mezi čerpadlem a injektorem. Ve společnosti Bosch Diesel s.r.o. jsou Raily vyráběny jako kované, kde polotovarem je výkovek, a svařované, kde je polotovarem válcovaná tyč z oceli
Ø33 x 150 - 500mm v závislosti na typu Railu. V jihlavském závodě se vyrábějí typy pro 3, 4 válcové motory pro zákazníky z celého světa. V případě hodnoceného Railu v této práci se jedná o Rail svařovaný.
Výrobní program Railu spočívá v několika následujících operacích (obr. 21).
Prvním procesem je hluboké axiální vrtání. Jedná se o přesné vrtání v ose polotovaru.
Tím je získán otvor skrze Rail sloužící u finálního výrobku jako zásobník paliva.
Tento otvor napomáhá v procesu tváření vnitřního závitu v následném axiálním opracování. Užitá procesní kapalina má možnost protéct skrze otvor a nevytváří tak škodící pístový efekt, který vzniká u neprůchozích děr. V druhém procesu je provedeno axiální a radiální opracování společně s odstraněním otřepů vzniklých při obrábění v dutině Railu. Axiální opracování zahrnuje výrobu závitu M18 x 1,5 na čele polotovaru (příloha č. 4, 5) buď tvářením, nebo obráběním. Samotná výroba
závitu předpokládá předešlé předvrtání otvoru na ∅18mm v případě obrábění, v případě tváření na ∅17mm s následným vystružením na ø17,3+−00,,02507 mm. Největší hustota otřepů vzniká v přechodu mezi axiálním a radiálním vrtem v dutině Railu.
Poté následuje přivaření připojovací patky (pro upevnění na těle motoru) a přivaření nízkotlaké a vysokotlaké spojky. Posledním procesem výrobního programu je úprava povrchu, a to pozinkováním.
Obr.21: Výrobní program Railu F00.L00.XXX hluboké
axiální vrtání
radiální opracování
axiální opracování vysokotlaká
spojka
nízkotlaká spojka
připojovací patka
3.2. CÍL EXPERIMENTÁLNÍ ČÁSTI
Rozdílné technologie užité pro výrobu vnitřních závitů M18 x 1,5 u Railů F00R.L00.XXX mají významný vliv na mechanické vlastnosti závitu a jeho
ekonomickou náročnost. Cílem této bakalářské práce je zjištění rozdílných mechanických vlastností a geometrie vnitřních závitů vyrobených danými technologiemi společně s určením ekonomické zátěže vlastní výroby. Vedle klasické technologie třískového obrábění je hodnocena i moderní, velice progresivní tvářecí technologie. Průvodní jevy spjaté s vybranou technologií, které mají vliv na vlastnosti závitu, jsou: u tvářecí technologie deformace vláken a s nimi spojená vyšší pevnost v tahu i tlaku a nedotvářený profil zubu závitu, v případě obráběcí technologie horší kvalita povrchu profilu a přeřezání vláken materiálu. Pro praktické potřeby spojené s volbou technologie pro výrobu vnitřních závitů je nutné provést několik následujících experimentů.
3.3. MATERIÁL RAILU F00R.L00.XXX
Rail je vyráběn z oceli 20MnCrS5. Nejblíže odpovídající česká norma pro materiál tohoto složení je ČSN 14 221 s nutností dodání síry. Jako polotovar pro výrobu jsou užity tyče Ø33 x 150 – 500mm v závislosti na typu Railu. Hlavní legury tohoto materiálu jsou uvedeny v tabulce č. 1.
Tab. 1: Údaje o složení materiálu
Celková část v %
Legující prvky Doprovodné prvky
C 0,18 až 0,25 Mo max. 0,08
Si max. 0,25 Ni max. 0,30
Mn 1,25 až 1,45 Cu max. 0,301
P max. 0,020 V max. 0,05
S 0,008 až 0,0015 Cr 1,15 až 1,35
Mechanické vlastnosti materiálu dané výrobcem jsou uvedeny v tabulce č. 2.
Skutečné naměřené hodnoty se však liší a jsou uvedeny blíže v kapitole 3.4.1.
Tab. 2: Mechanické vlastnosti materiálu využité pro experimentální měření udané výrobcem
druh oceli Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%]
20MnCrS5 820 1010 12
3.4. PROVÁDĚNÉ EXPERIMENTY
Pro zjištění vlivu volby technologie na mechanické vlastnosti hodnoceného závitu (příloha č. 4, 5) byla použita statická zkouška tahem a zkouška mikrotvrdosti.
Pro znázornění průběhu vláken u obou technologií byly zhotoveny také metalografické výbrusy a fotografie profilu závitů. Fotografie umožňují analyzovat rozdílnou geometrii hlavy zubu (malého průměru vnitřního závitu, dále pouze hz) tvářeného závitu. Pro možnost provedení geometrického porovnání závitů v celé délce bylo provedeno měření povrchu profilu ve společnosti Bosch Diesel s.r.o. .
3.4.1. Statická zkouška tahem
Pro porovnání, případně potvrzení mechanických vlastností materiálu udávaných výrobcem (viz. 3.3) byla použita statická zkouška tahem dle ČSN 10002 – 1. Měření bylo provedeno na trhacím zařízení TIRAtest 2300 (obr. 22) a k vyhodnocení bylo využito softwaru LabNet v. 4. (obr. 23). Velikost deformace byla měřena na tenzometrické odporové měřící hlavě s rozsahem 100kN.
Obr. 22: TIRAtest 2300 Obr. 23: Pracovní prostředí softwaru LabNet v.4.
Pomocí softwaru LabNet v. 4. byly vyhodnoceny následující mechanické vlastnosti. Mez kluzu Rp0,2, mez pevnosti Rm a tažnost A30mm.
Tahová zkouška byla provedena na 6 vzorcích. Jako vzorky byly užity jemně soustružené tyčky Ø10mm, počáteční měřené délky L0 = 30mm (obr. 24) zhotovené v dílnách Technické univerzity v Liberci dle normy ČSN EN 10002 – 1.
Obr. 24: Tyčka před a po přetržení
V tabulce č. 3. je uvedena střední aritmetická hodnota x veličin získaných ze statické zkoušky tahem. U naměřených hodnot jsou také uvedeny směrodatné odchylky s. Pro grafické zhodnocení údajů uvedených výrobcem materiálu a vlastních naměřených hodnot bylo užito porovnání pomocí dvouosého sloupcového grafu (obr. 25). Pro zhodnocení bylo určeno porovnání meze pevnosti Rm, meze kluzu Rp0,2 a tažnosti Ax.V případě výrobce je tažnost udávána A5,u vlastního měření
A30mm z důvodů velikosti původního polotovaru. Protokol z provedené statické
zkoušky tahem je v příloze č. 6.
Tab. 3: Naměřené mechanické hodnoty materiálu 20MnCrS5
20MnCrS5 Rp0,2 [ MPa] Rm [ MPa] A30mm [%]
n 6 6 6
x 1034,9 1116,5 19,2
s 19,91 4,18 0,84
Rp0,2
Rp0,2
Rm
Rm
A30m m
A5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200
hodnoty dle výrobce naměřené hodnoty
Rp0,2 , Rm [MPa]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Ax [%]
Obr. 25: Porovnání mechanických hodnot Rp0,2, Rm, Ax pro daný materiál
3.4.1.1. Vyhodnocení statické zkoušky tahem
Z grafu na obrázku č. 25 je patrné, že hodnoty mechanických vlastností zkoumaného materiálu Rm, Rp0,2 , Ax udávané výrobcem se liší od hodnot naměřených. Výrobce všeobecně udává nižší hodnoty, než jsou hodnoty skutečné získané měřením. Podle kapitoly 2.4.3 je hodnocený materiál vhodný pro tváření vnitřních závitů. Materiál totiž několikanásobně překračuje minimální hodnotu tažnosti za studena a zároveň nepřekračuje limitní hranici meze pevnosti.
3.4.2. Příprava metalografických výbrusů
Odběr vzorků z Railu byl realizován tak, aby byla zanechána celá funkční délka závitu. Tyto vzorky byly následně rozřezány v ose závitu.
Takto získané vzorky byly zality do manipulačních těles pomocí dentakrylu. Po ztvrdnutí následoval proces mechanického broušení za mokra na brusných rotujících kotoučích na stroji KOMPAKT 1031 (obr. 27).
Obr. 27: Bruska a leštička KOMPAKT 1031
Pro broušení byly použity 4 brousicí kotouče rozdílné drsnosti povrchu. Broušení se provádělo od nejhrubšího brusného kotouče po nejjemnější. Při přechodu mezi jednotlivými brusnými kotouči byl vzorek vždy broušen kolmo na směr předchozího broušení po dobu potřebnou k odstranění stop po předcházejícím broušení.
Konečné leštění bylo provedeno na stejném stroji avšak s kotoučem potáhnutým plátnem a vlasem.
Na tento kotouč byl místo vody nanášen líh společně s diamantovou suspenzí s velikostí diamantových zrn 3µm. V tomto případě se vzorek nemusel otáčet o 90º jako u brusných kotoučů ale naopak, vzorkem se mohlo volně pohybovat po ploše lešticího kotouče.
3.4.2.1. Průběh deformačních vláken
Po leštění a opláchnutí obou metalografických výbrusů byl povrch naleptán roztokem chloridu železitého a kyseliny dusičné. Naleptání touto sloučeninou nezvýraznilo deformační strukturu, proto byly metalografické výbrusy znovu vyleštěny a naleptány Nitalem (2% roztok kyseliny dusičné v alkoholu).
Po opětovné kontrole vzorku optickým světelným mikroskopem Neophot 21 (obr. 28) se požadovaná deformační struktura zvýraznila. Struktura byla zachycena digitálním fotoaparátem propojeným se světelným mikroskopem a vyhodnocena pomocí softwaru optické analýzy Mis – Elements v. 2.3.
Obr. 28: Mikroskop Neophot 21
Na obrázku č. 31 je zachycen profil tvářeného závitu při 50 násobném zvětšení.
Na snímku (příloha č. 7) je znázorněn profil tvářeného závitu při zvětšení 25x. Pata zubu (velký průměr vnitřního závitu, dále pouze pz) tvářeného závitu při zvětšení 500x a 200x (příloha č. 8), je zde znatelně viditelný průběh deformačních vláken naskládaných hustě vedle sebe vlivem největšího zhutnění materiálu v této oblasti.
V pz je tedy předpokládaná největší tvrdost materiálu.
Na snímcích (příloha č. 9) je zachycen bok zubu tvářeného závitu při zvětšení 100x a 200x. Z těchto snímků jsou viditelné větší rozestupy mezi vlákny zvětšující se směrem k vrcholu zubu (malému průměru vnitřního závitu). Je tedy zřejmé, že tvrdost na boku zubu bude menší než na pz.
Na obrázku č. 32 je zachycen profil obrobeného závitu při 50 násobném zvětšení.
Na snímcích (příloha č. 10) je znázorněna pz obrobeného závitu při zvětšení 200x a 500x. Z těchto snímků je patrné, že u obrobeného závitu k deformaci vláken nedochází. Vlákna mají v materiálu přímý průběh a vlivem třískového obrobení pro získání profilu závitu jsou vlákna přetnuta.
Na snímcích se místy vyskytují černé skvrny, které představují sirníkové vměstky.
3.4.3. Mikrotvrdost
Pro zjištění rozdílné tvrdosti po profilu závitu vyrobeného tvářením a obráběním byla užita zkouška mikrotvrdosti dle ČSN EN ISO 4516. Tato zkouška se řadí mezi zkoušky tvrdosti vnikací, statické. Měření bylo provedeno na mikrotvrdoměru, který je na bázi Hanmennova mikrotvrdoměru. Mikrotvrdoměr je vybaven stolkem s mikrometrickým posuvem, mikroskopem a digitální kamerou. Kamera je propojena s počítačem s náležitým softwarem (obr.29).
Obr. 29: Mikrotvrdoměr s PC
Pro provedení měření byl užit mikrotvrdoměr s indentorem tvaru jehlanu se čtvercovou základnou a vrchovým úhlem 136º (podle Vickerse). Velikost vtisku (obr. 30), je následně měřena na obrazovce pomocí polohovacího zařízení počítače (myš, tablet). Vyhodnocení výsledku bylo provedeno náležitým softwarem dle:
0,189 2 d
HV = F (1)
kde je:
F…zkušební zatížení v [N]
d… průměrná úhlopříčka vtisku v [mm];
d1
d2 136°
Obr. 30: Vtisk provedený metodou podle Vickerse
Pro jednotlivé technologie byly zkoušky provedeny na jednom metalografickém výbrusu (viz. 3.4.2). Tvrdost se měřila pouze na jednom zubu při 40 násobném zvětšení. Proto byl vybrán takový zub na profilu závitu, který neměl pod mikroskopem na povrchu viditelné známky poškrábání, které by se i přes provedení metalografického výbrusu nepodařilo eliminovat. Měření bylo provedeno v případě tvářeného závitu na dvou místech profilu zubu a to na pz a boku zubu (obr. 31), v případě obrobeného závitu pouze na jednom místě, a to na pz (obr. 32).
2 2 1 d d d +
=
Obr. 31: Profil tvářeného závitu
Obr. 32: Profil obrobeného závitu
pata zubu
boky zubu
pata zubu makro 50x
makro 50x
U závitu obrobeného se totiž předpokládá stejná tvrdost po jeho celém profilu. Pro objektivnost měření a možnost porovnání tvrdosti obou profilů mezi sebou a v případě tvářeného závitu porovnání tvrdosti v různých oblastech profilu zubu, byla snaha o provedení měření v přibližně stejných hloubkách od povrchu profilu kolmo na povrch metalografického výbrusu. Zatěžování materiálu indentorem mikrotvrdoměru bylo prováděno také po stejnou dobu stejně velkou zátěží u obou vybraných technologií.
3.4.3.1. Naměřené výsledky mikrotvrdosti na tvářeném závitu
V tabulce č. 4 jsou uvedeny naměřené hodnoty tvrdosti provedené na pz.
V tabulce č. 5 jsou uvedeny naměřené hodnoty tvrdosti provedené na boku zubu.
Průběh tvrdosti v závislosti na měřené hloubce je znázorněn na obrázcích č. 33, 34 pro pz, respektive bok zubu.
Měření bylo provedeno 11x v uvedených oblastech se zatížením 0,098N po dobu 20 sekund.
Tab.4: Naměřené hodnoty mikrotvrdosti na patě zubu
Měření č. Hloubka[µm] HV 0,01 d1 [µm] d2 [µm] d [µm]
1 9,8 403,7 6,4 7,2 6,8
2 21,0 391,8 6,6 7,2 6,9
3 34,2 403,0 7,0 6,6 6,8
4 41,0 379,0 7,2 6,8 7,0
5 51,6 380,5 7,0 7,0 7,0
6 60,6 368,8 7,2 7,0 7,1
7 89,6 329,9 7,2 7,8 7,5
8 107,4 310,9 7,8 7,6 7,7
9 142,2 312,2 7,6 7,8 7,7
10 202,6 288,8 7,8 8,2 8,0
11 428,1 312,2 7,8 7,6 7,7
Obr. 33: Naměřená tvrdost na patě zubu v závislosti na hloubce
Tab. 5: Naměřené hodnoty mikrotvrdosti na boku zubu
Měřění č. Hloubka[µm] HV 0,01 d1 [µm] d2 [µm] d [µm]
1 9,8 426,0 6,6 6,6 6,6
2 19,6 390,5 7,0 6,8 6,9
3 24,6 403,1 6,6 7,0 6,8
4 40 348,4 7,2 7,4 7,3
5 49,8 347,9 7,4 7,2 7,3
6 62,8 367,5 7,0 7,2 7,1
7 81,0 312,3 7,8 7,6 7,7
8 100,8 320,7 7,4 7,8 7,6
9 118,8 311,9 7,8 7,6 7,7
10 152,2 320,2 7,6 7,6 7,6
11 443,4 311,9 7,6 7,8 7,7
Obr. 34: Naměřená tvrdost na boku zubu v závislosti na hloubce
3.4.3.2. Naměřené výsledky mikrotvrdosti na obrobeném závitu
V tabulce č. 6 jsou uvedeny naměřené hodnoty tvrdosti provedené na pz. Průběh tvrdosti v závislosti na měřené hloubce na pz je znázorněn na obrázku č. 35.Měření bylo provedeno 7x v uvedené oblasti za stejných podmínek jako u závitu tvářeného (viz. 3.4.3.1). Uvedených 7 měření bylo v případě obráběného závitu
profil tvrdosti
HV 0,01
hloubka [mm]
profil tvrdosti
HV 0,01
hloubka [mm]
dostačující, neboť se tvrdost v uvedených vzdálenostech od profilu závitu měnila pouze nepatrně.
Tab. 6: Naměřené hodnoty mikrotvrdosti na patě zubu
Měření č. Hloubka[µm] HV 0,01 d1 [µm] d2 [µm] d [µm]
1 11,8 237,6 9,7 8,0 8,8
2 24,2 236,8 8,8 8,9 8,8
3 43,8 261,3 8,2 8,6 8,4
4 63,8 254,4 8,4 8,6 8,5
5 83,0 267,7 8,4 8,2 8,3
6 154,0 274,5 8,0 8,4 8,2
7 451,2 274,0 8,4 8,0 8,2
Obr. 35: Naměřená tvrdost na patě zubu v závislosti na hloubce
3.4.3.3. Vyhodnocení mikrotvrdosti v závislosti na vybrané technologii
Z obrázků č. 33, 34, 35 je patrné, že druh technologie vybraný pro zhotovení vnitřního závitu na Railu F00R.L00.XXX má vliv na jeho zpevnění. Závit zhotovený tvářením vykazuje vyšší zpevnění, než závit zhotovený obráběním.
U tvářeného závitu je podle obrázku č. 33 patrné, že se zvyšující se hloubkou od profilu závitu v pz klesá tvrdost materiálu. V hloubce 9,8 µm od povrchu profilu byla naměřena nejvyšší tvrdost 403,7 HV. V hloubce 107,4 µm byla naměřena tvrdost pouze 310,9 HV. Od této hloubky už tvrdost nijak výrazně neklesá, je téměř konstantní až do hloubky 428,1 µm.
Podle obrázku č. 34 uvádějící tvrdost na boku zubu je patrné, že nejvyšší tvrdost byla naměřena v hloubce 9,8 µm, a to 426 HV. Od hloubky 81 µm, kde byla naměřena tvrdost 312,3 HV, se tvrdost už nijak extrémně nemění a je téměř konstantní.
profil tvrdosti
HV 0,01
hloubka [mm]
Podle kapitoly (2.4.3) by měla být nejvyšší tvrdost na pz. Naměřené hodnoty na obrázcích č. 33, 34 poskytují možnost srovnání tvrdostí u tvářeného závitu na patě a boku zubu. V první měřené hloubce, to znamená 9,8 µm, je naměřena vyšší tvrdost na boku zubu o 22,3 HV než na pz. Zbylých 9 měření prokazuje vyšší tvrdost pz podle očekávání. U posledního 11. měření je vyšší tvrdost opět na boku zubu.
Měřená hloubka u 11. měření sice není stejná, tvrdost je přesto značně rozdílná.
V provedeném experimentu porovnávajícím patu a bok zubu je znatelná vyšší tvrdost na pz.
S výše uvedeným výsledkem bychom však mohli být spokojeni, neboť vyšší pevnost na boku zubu, byť jen v povrchové vrstvě, jistě není na škodu, protože funkčnost závitu spočívá především na bocích zubů. Můžeme proto očekávat vyšší životnost, otěruvzdornost a korozivzdornost boků zubů, jinými slovy vyšší životnost závitu.
Podle obrázku č. 35, zobrazujícícho tvrdost v pz obrobeného závitu, je patrné, že se zvyšující se hloubkou se nepatrně zvyšuje také tvrdost materiálu do středu materiálu.
Podle obrázků č. 33, 35 porovnávajících tvrdost tvářeného a obrobeného závitu v pz je možné konstatovat, že při obrábění vnitřního závitu ke zpevnění nedochází.
Tvrdost je s menšími rozdíly po celém profilu závitu stejná. Naopak při tváření vnitřního závitu vlivem deformací vláken v materiálu (obr. 17, 18) ke zpevnění dochází nejvíce v patě a po bocích zubu v závislosti na hloubce. Hloubka, do které se vytvoří zpevnění vlivem tváření vnitřního závitu M18 x 1,5 zhotoveného v materiálu, (viz. 3.3) je přibližně (90 až 110) µm na pz a přibližně (60 až 80) µm na boku zubu od povrchu profilu závitu. Dále do materiálu je tvrdost neměnná.
