Liberec 2016
NÁVRH VÁLCOVACÍHO PŘÍPRAVKU PRO VÝROBU ZÁVITOVÝCH TYČÍ
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2301T048 – Strojírenská technologie a materiály Autor práce: Bc. Petr Horák
Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Solfronk, Ph.D.
Liberec 2016
Liberec 2016
Liberec 2016
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje 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 tomto 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 tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Liberec 2016
NÁVRH VÁLCOVACÍHO PŘÍPRAVKU PRO VÝROBU ZÁVITOVÝCH TYČÍ
Anotace:
Diplomová práce se zabývá návrhem a konstrukcí válcovacího přípravku pro výrobu závitových tyčí o rozměru M8. Návrh se skládá z vytvoření 3D modelů a technických výkresů konstrukce přípravku. Dále se zabývá návrhem modifikovaného přidržovače, který určuje polohu tvářeného polotovaru při válcování závitu a ověření jeho funkčnosti ve výrobě pro dva druhy nejčastěji poptávaných ocelí.
Klíčová slova:
tvářený závit, válcovací přípravek, měření průměrů, kvalita závitu, rozměrové normy, pevnostní normy, korozivzdorná ocel, konstrukční ocel
DESIGN OF THE ROLLING JIG FOR THE THREADED RODS PRODUCTION
Annotation:
This thesis is focused on the design and assembly of a new rolling jig for producing M8 diameter threaded rods. The design includes creating a 3D model and technical drawings of the body as well as designing a brand new support ruler which determines the position of the material when entering between the rolling dies. The rolling support will then be applied to the real production using two types of the most common steel grades.
Keywords:
rolled thread, thread rolling jig, dimensional checking, thread quality, dimensional strandards, tensile strength standards, stainless steel, construction steel
Liberec 2016 PODĚKOVÁNÍ
Tímto bych chtěl poděkovat svému vedoucímu práce panu doc. Ing. Pavlu Solfronkovi, Ph.D. za jeho odbornou pomoc, věnovaný čas a cenné připomínky, které mi poskytl během zpracování této práce.
Diplomová práce 6 OBSAH:
1. ÚVOD... 10
2. TEORETICKÁ ČÁST ... 11
2.1 Závit... 12
2.1.1 Rozdělení závitů podle účelu a použití ... 13
2.1.2 Rozdělení závitů podle tvaru profilu ... 14
2.1.2.1 Metrický závit... 15
2.1.2.2 Lichoběžníkový závit ... 16
2.1.2.3 Unifikovaný palcový závit ... 17
2.1.2.4 Vrutový závit ... 18
2.1.3 Tolerování metrických závitů ... 18
2.1.4 Tolerování lichoběžníkových závitů ... 21
2.2 Výroba závitů válcováním ... 22
2.2.1 Válcování závitů plochými čelistmi ... 23
2.2.2 Válcování segmentovými válcovacími čelistmi. ... 24
2.2.3 Radiální (zapichovací) způsob válcování ... 24
2.2.4 Axiální (průběžný) způsob válcování ... 25
2.2.5 Stroje pro válcování závitů: ... 28
2.3 Pevnost závitové části ... 30
2.4 Mechanické vlastnosti šroubů z uhlíkové a legované oceli... 31
2.4.1 Systém označování tříd pevnosti pro uhlíkové a legované oceli .. 32
2.4.2 Barevné označování pevnostních tříd ... 32
2.5 Mechanické vlastnosti šroubů a svorníků z korozivzdorných ocelí ... 33
2.5.1 Systém značení tříd pevnosti u korozivzdorných ocelí ... 34
2.6 Vliv způsobu výroby závitu na jeho pevnost ... 35
2.7 Výroba vnitřních závitů tvářením ... 37
2.7.1 Předpoklady pro použití tvářecích závitníků ... 37
2.7.2 Proces tváření závitu ... 37
2.7.3 Správná velikost předvrtaného otvoru ... 38
2.7.4 Technologie tváření vnitřních závitů ... 38
Diplomová práce 7
2.7.5 Konstrukce tvářecího závitníku ... 39
2.7.6 Ekonomika technologie tváření vnitřních závitů ... 40
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 41
3.1 Společnost Valenta ZT s.r.o. ... 43
3.2 Válcování závitů ve společnosti Valenta ZT s.r.o. ... 43
3.2.1 Vedení polotovarů a hotových výrobků při výrobním procesu ... 44
3.2.2 Rychlost výroby při průběžném válcování ... 46
3.2.3 Kvalita válcovaného závitu ... 46
3.3 Návrh konstrukce válcovacího přípravku ... 47
3.4 Experimentální výroba závitových tyčí... 50
3.4.1 Nastavení stroje a přípravků ... 50
3.4.2 Výrobní proces ... 53
3.4.3 Návrh a výroba modifikovaných pravítek ... 56
3.4.4 Výroba s modifikovanými pravítky... 57
3.5 Zkoumání dosažených výsledků s novými pravítky ... 58
3.6 Tahová zkouška pro dokončené šrouby ke stanovení Rm ... 61
3.6.1 Postup zkoušky ... 61
3.6.2 Stanovení pevnosti v tahu Rm ... 62
3.6.3 Výsledky zkoušek ... 63
4. ZÁVĚR ... 64
SEZNAM LITERATURY ... 66
SEZNAM PŘÍLOH ... 68
Diplomová práce 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
Ph Stoupání závitu [mm]
ø Průměr [mm]
d Velký průměr závitu šroubu [mm]
φ Úhel stoupání závitu [ ° ]
π Ludolfovo číslo [ - ]
M Metrický závit [ - ]
P Rozteč závitu [mm]
D Velký průměr závitu matice [mm]
d2 Střední průměr závitu šroubu [mm]
d3 Malý průměr závitu šroubu [mm]
D2 Střední průměr závitu matice [mm]
D1 Malý průměr závitu matice [mm]
α Úhel profilu závitu [ ° ]
H1 Nosná hloubka závitu [mm]
W Whitworthův závit [ - ]
G Trubkový závit [ - ]
KG Trubkový závit kuželový [ - ]
Rd Oblý závit [ - ]
E Edisonův závit [ - ]
Tr Lichoběžníkový závit rovnoramenný [ - ] Sd Lichoběžníkový závit nerovnoramenný [ - ]
L,LH Levotočivý závit [ - ]
h3 Nosná hloubka vnějšího závitu [mm]
r Poloměr paty zubu [mm]
b Vůle závitu [mm]
Diplomová práce 9
R1 Poloměr zaoblení vrcholu závitu [mm]
R2 Poloměr zaoblení paty závitu [mm]
UNC Palcový závit hrubý [ - ]
UNF Palcový závit jemný [ - ]
UNEF Palcový závit zvláště jemný s proměnnou roztečí [ - ]
UNS Palcový závit stálé rozteče [ - ]
Ra Drsnost povrchu [μm]
Rm Střední aritmetická úchylka profilu [MPa]
Dv Průměr kotoučů [mm]
CNC Číslicové řízení pomocí počítače [ - ]
es horní mezní úchylka - hřídel [μm]
EI dolní mezní úchylka - náboj [μm]
Rp0,2 smluvní mez kluzu v tahu [MPa]
Rel dolní mez kluzu v tahu [MPa]
Diplomová práce 10 1. ÚVOD
Výroba vnějších závitů tvářením (válcováním) je nejproduktivnější způsob výroby závitů. Společnost Valenta ZT se výrobou závitů, především válcováním, zabývá již 20 let od doby svého založení. Neustálý vývoj a změny na trhu se spojovacím materiálem nutí i tuto firmu na stav trhu a požadavky zákazníků reagovat. Rozšiřování možností výroby a tím i sortimentu je jedním ze způsobů jak si udržet silnou pozici na trhu. Výrobní možnosti dovolují firmě válcovat metrický závit až do rozměru M120 (závisí na jakosti materiálu) a zatímco větší rozměry metrických závitů nepředstavují vzhledem k technologii, času výroby a kvalitě velký problém, se snižujícím se průměrem závitu tyto problémy přibývají. Lze říci, že výroba závitů průběžným způsobem válcováním pod průměr M10 se vzhledem k problémům spojeným s technologií, kvalitou a času výroby finančně nevyplácí. Dosud častým řešením bylo skladové závitové tyče dodávané od různých dodavatelů v 1m, 2 m a 3 m délkách nařezat na požadovaný rozměr.
Tento způsob ovšem není vždy vhodný a někdy je i nemožný.
Cílem této diplomové práce je navržení takových opatření, aby se výroba závitů malých průměrů průběžným válcováním stala více produktivní, kvalitní a tím i větší součástí vyráběného sortimentu ve firmě Valenta ZT. Zvláště pak bude důraz kladen na výrobu závitových tyčí z korozivzdorných ocelí, po nichž poptávka neustále roste a při jejichž pokusu o výrobu v minulosti vznikaly značné problémy s kvalitou závitu.
Diplomová práce 11 2. TEORETICKÁ ČÁST
Spojení šroubem a maticí je nejčastěji užívaným rozebíratelným spojením ve strojírenství i v jiných oborech. Odstupňování rozměrů závitů a normalizace tvarů závitových profilů je dnes již samozřejmostí, cesta k tomu byla však dlouhá a začala v době průmyslové revoluce a rozmachu tovární strojírenské výroby. Princip šroubu a funkce závitu byly známé již ve starověku (Archimedés, Hérón, Plinius popisují šroub jako druh jednoduchého stroje). Původně se používalo závitu pohybového (Archimedés - čerpání vody pro zavlažování, Římané ve svých španělských provinciích - šroubové lisy k lisování olivového oleje nebo šťávy z vinných hroznů, Hérón- zvedání břemena), spolehlivé zmínky o existenci spojovacího šroubu a matice jsou až z 15. století našeho letopočtu. Otázka smontovatelnosti, vyměnitelnosti a zaměnitelnosti závitů vznikla se vznikem dílen specializujících se na výrobu šroubů a dalších závitových součástí. Bylo zapotřebí sjednotit průměry, profily a stoupání závitů. Od počátku 19. století byly učiněny pokusy o normalizaci zejména spojovacích závitů, docházelo k uspořádání závitů do určitých systémů, které vyústily nejprve do uspořádání závitů s úhlem profilu 55° a v palcových mírách (Whitworthův závit), později do soustavy metrických závitů s úhlem profilu 60° a v desetinné soustavě SI. Mezitím byl v USA normalizován závit podobného profilu s úhlem 60°, avšak v palcových mírách (Sellersův závit). Všechny tři typy závitu přetrvaly v normách do současnosti a jsou běžně používány pro spojovací součásti, šrouby a matice. [1]
.
Diplomová práce 12 2.1 Závit
Závit je tvořen profilem, který je navinut na válcovou nebo kuželovou část. Šroubovice závitu je dráha tvořena bodem, který má při rotačním pohybu konstantní poměr mezi posunutím a příslušným úhlovým natočením (obr. 2.1). Každý bod profilu závitu tvoří vlastní šroubovici, tyto body mají stejnou osu a také stoupání šroubovice Ph. Rozvinutím válcové plochy se šroubovice změní v přímku svírající s rovinou kolmou na osu úhel stoupaní, který je značen φ. [2]
Obr. 2.1: Tvar a stoupání šroubovice
Závity šroubů mohou být pravé (s pravým stoupáním šroubovice) nebo levé (s levým stoupáním šroubovice). Navinutím jednoho tvořícího profilu vzniká jednochodý (jednoduchý) závit, současným navinutím dvou nebo několika tvořících profilů vzniká dvouchodý nebo několikachodý závit.
Jmenovitý profil závitu je určen jmenovitými rozměry závitu (obr. 2.2). [3]
Diplomová práce 13 Obr. 2.2: Profil a rozměry závitu [4]
d - velký průměr závitu šroubu d3 - malý průměr závitu šroubu d2 - střední průměr závitu šroubu D2- střední průměr závitu matice D - velký průměr závitu matice D1 - malý průměr závitu matice
d2,D2- střední průměr závitu šroubu a matice
Ph - stoupání, tj. vzdálenost dvou sousedních stejnolehlých bodů téže šroubovice závitu, u jednochodého závitu se stoupání rovná rozteči závitu (Ph = P), u závitu několikachodého je stoupání násobkem rozteče (Ph = n.P, kde n = počet chodů)
P - rozteč závitu α - vrcholový úhel
H1 - nosná hloubka závitu a hloubka závitu matice
2.1.1 Rozdělení závitů podle účelu a použití
a) Závity spojovacích šroubů - jsou vesměs ostré, jednochodé a zpravidla pravé, výjimečně levé. V Evropě je používán zpravidla závit metrický. Normy rozlišují podle stoupání metrické závity základní řady a metrické závity jemné.
Diplomová práce 14 b) Závity ke spojování trubek (trubkové závity) jsou válcové a kuželové.
c) Závity pohybových šroubů mají obvykle profil rovnoramenného nebo nerovnoramenného lichoběžníku. Mohou být pravé i levé, jednochodé i několikachodé.
d) Závity pro zvláštní účely jsou závity vrutů (šrouby do dřeva), Edisonův, pancéřový apod. [3]
2.1.2 Rozdělení závitů podle tvaru profilu
Tab. 2.1: Nejčastěji používané jednochodé závity a jejich označování.
Druh závitu Označení
obecně příklad
Metrický základní řady M d M 12
Metrický s jemným stoupáním M d x s M 12 x 1
Whitworthův W d“ W “
Trubkový válcový G Js“ G “
Trubkový kuželový KG Js“ KG “
Pancéřový P Js P 21
Oblý Rd d Rd 32
Edisonův E d E 14
Lichoběžníkový rovnoramenný Tr d x s Tr 48 x 8 Lichoběžníkový nerovnoramenný S d x s S 70 x 10
Js- jmenovitá světlost příslušné trubky.
U několikachodých závitů se ke stoupání připisuje počet chodů za šikmou zlomkovou čarou, např.: Tr D x s/n (Tr 48 x 16/2). U levých závitů se za označením připíše L nebo LH (left hand). [3]
Dále budou podrobněji popsány závity, jejichž výrobou se zabývá firma Valenta závitové tyče s.r.o., ve které byla provedena experimentální část této diplomové práce. Jsou to především metrické a trapézové závity a okrajově také palcové ISO a vrutové.
Diplomová práce 15 2.1.2.1 Metrický závit
Metrický závit, jehož profil je vidět na obrázku 2.3, je v Evropě nejčastěji používaný závit na spojovacích součástech. Všechny jeho rozměry jsou uváděny v milimetrech, úhel profilu je roven 60°. Metrické závity dělíme na hrubé (standardní stoupání) a jemné. Tento závit se značí velkým písmenem
„M“, za nímž následuje číslo označující rozměr závitu. Např. M30 je metrický závit se jmenovitým průměrem 30 mm. Pokud se jedná o závit s jemnou roztečí, je v označení za velikost průměru přidána velikost rozteče, např.:
M30x3. Nejčastěji používaný je hrubý závit a to u spojovacích součástí.
Jemný závit se používá tam, kde je potřeba využít jeho výhod. Například v automobilovém a leteckém průmyslu, v měřicí technice apod.
Výhody jemného závitu jsou:
a) Vyšší statické napětí v tahu
b) Vyšší odolnost vůči uvolnění při působení vibrací c) Vyšší přesnost polohování
d) Menší hloubka profilu závitu
Obr. 2.3: Profil a rozměry metrického závitu [5]
kde: H - myšlená hloubka závitu h3 - nosná hloubka závitu d2 - střední průměr závitu d3 - malý průměr závitu r - poloměr paty profilu P - rozteč závitu
Diplomová práce 16 2.1.2.2 Lichoběžníkový závit
Lichoběžníkový závit může být rovnoramenný (viz obr. 2.4) nebo nerovnoramenný. Ve většině případů se používá rovnoramenný neboli trapézový. Je to nejčastěji používaný závit u pohybových šroubů. Používá se pro převod otáčivého pohybu na posuvný a naopak. Nejčastěji u různých zvedáků, svěráků, soustruhů apod. Velmi často se vyskytuje jak pravý, tak levý a také často ve vícechodém provedení. Trapézový závit se značí „Tr“.
U jednochodých závitů ve spojení s čísly, která značí průměr a stoupání.
Například: Tr 20x4 je závit vnějšího průměru 20 mm se stoupáním 4 mm.
Tr 44x14(P7) pak značí dvouchodý závit průměru 44 mm se stoupáním 14 mm a roztečí 7 mm.
Obr. 2.4: Profil a rozměry trapézového závitu [5]
kde: H - myšlená hloubka závitu h3 - nosná hloubka závitu b - vůle závitu
d - vnější průměr závitu d2 - střední průměr závitu d3 - malý průměr závitu P - rozteč
R1 - max. 0,5 b R2 - max. b
Diplomová práce 17 2.1.2.3 Unifikovaný palcový závit
Unifikovaný palcový závit je používán převážně v USA. Má stejný profil závitu jako závit metrický, také s vrcholovým úhlem 60° (viz obr 2.5). Jeho rozměry jsou ovšem dány v palcové míře. Unifikované palcové závity jsou normalizovány normou ČSN ISO 68-2. Podle této normy se také značí:
UNC - hrubý UNF - jemný
UNEF - zvláště jemný - řady s proměnnou roztečí UNS - řady se stálou roztečí
Obr. 2.5: Profil a rozměry UNC závitu [5]
kde: H - myšlená hloubka závitu h3 - nosná hloubka závitu d2 - střední průměr závitu d3 - malý průměr závitu r - poloměr paty profilu P - rozteč závitu
Diplomová práce 18 2.1.2.4 Vrutový závit
Profilů vrutových závitů se používá velké množství a norem na tvar jeho profilu existuje několik. Rozdíl je především v účelu použití šroubu. Tento závit se používá u vrutů do dřeva, plastu, různých měkkých materiálů, ale i do kovu. Používají se výhradně pravotočivé s vysokým stoupáním kvůli rychlé montáži. Ovšem např. do plechů je vhodnější použít jemnějšího stoupání. Na obrázku 2.6 je profil, který mimo jiné zhotovuje do nástrojů firma Narex Zdice s.r.o.
Obr. 2.6: Vrutový profil s příklady rozměrů [5]
2.1.3 Tolerování metrických závitů
Volbou tolerančních polí závitu vnitřního a závitu vnějšího a jejich vzájemné polohy lze docílit podobně jako při tolerování hladkých součástí různých typů uložení. Je však nutno zdůraznit, že vzhledem ke komplexnosti a vzájemné závislosti tolerancí průměrů závitů, tolerance úhlu profilu a tolerance rozteče závitů a geometrických tolerancí je bezpodmínečně nutné kontrolovat správnost závitu komplexními mezními závitovými kalibry (vnější závity pomocí pevných závitových kroužků nebo pomocí mezních závitových třmenových kalibrů, vnitřní závity pomocí závitových trnů oboustranných nebo jednostranných), a to pokud možno v celé délce zašroubování závitu.
Tzv. rozměr přes drátky lze použít jen jako orientační metodu kontroly závitu.
Velikost tolerančních stupňů závitů pro všeobecné použití je určena dle
Diplomová práce 19 normy ČSN ISO 965-1 třídou přesnosti s označením číslem od 3 do 9 pro závity vnější a od 4 do 8 pro závity vnitřní.
Poloha tolerančních polí závitu je určena základní úchylkou es pro závity vnější a EI pro závity vnitřní. Označuje se písmeny malé abecedy pro závity vnější a velké abecedy pro závity vnitřní.
Obr. 2.7: Možné polohy tolerančních polí tolerovaných průměrů vnějšího závitu
U závitů vnějších jsou předepsána toleranční pole středního průměru d2 a velkého průměru d (viz obrázek 2.7 - tolerančního pole vnějšího závitu).
Obr. 2.8: Možné polohy tolerančních polí tol. průměrů vnitřního závitu
U závitů vnitřních jsou předepsána toleranční pole středního průměru D2 a malého průměru D1 (viz obrázek 2.8 - toleranční pole vnitřního závitu).
Diplomová práce 20 Označení přesnosti metrických závitů se umisťuje za označení rozměru závitu za pomlčkou. Skládá se z:
- označení tolerančního pole středního průměru závitu, tj. čísla vyjadřujícího třídu přesnosti středního průměru d2, resp. D2,
- písmene vyjadřujícího polohu tolerančního pole vzhledem ke jmenovitému profilu závitu (základní úchylka),
- označení tolerančního pole velkého průměru vnějšího závitu d nebo tolerančního pole malého průměru vnitřního závitu D1, tj. čísla vyjadřujícího třídu přesnosti průměru d resp D1,
-písmene vyjadřujícího polohu tolerančního pole vzhledem ke jmenovitému profilu závitu (základní úchylka)
Příklady označení přesnosti:
Přesnost vnějšího závitu M 20 (s hrubou roztečí P = 2,5mm) s normální délkou zašroubování (mezi 10mm a 30mm), s tolerančním polem středního průměru 5g a s tolerančním polem velkého průměru závitu 6g se označí:
M 20 - 5g6g
Přesnost vnějšího závitu M 20 (s hrubou roztečí P = 2,5mm) s normální délkou zašroubování (mezi 10mm a 30mm), s tolerančním polem středního průměru 6g a s tolerančním polem velkého průměru závitu 6g se označí:
M 20 - 6g
Přesnost vnitřního závitu M 20 (s hrubou roztečí P = 2,5mm), s tolerančním polem středního průměru 6H a s tolerančním polem malého průměru závitu 6H se označí:
M20 - 6H
Běžné uložení pro hromadně vyráběné šrouby a matice je uložení s vůlí s tolerančním polem závitu matice 7H a závitu šroubu 6g. [1]
Diplomová práce 21 2.1.4 Tolerování lichoběžníkových závitů
Normalizovaný rovnoramenný lichoběžníkový závit je tolerovaný podobně jako závit metrický, tj. toleruje se střední průměr závitu vřetene d2, resp. malý průměr závitu pohybové matice. Velikost tolerančních polí je udána stupněm přesnosti (6, 7, 8, 9), poloha tolerančního pole je udána písmenem označujícím základní úchylku (c, e, g, h pro závit vřetene, H pro závit matice), viz obrázek 2.9 - možné polohy tolerančních polí středního průměru závitu vřetene a obrázek 2.10 - polohy tolerančního pole středního průměru závitu pohybové matice.
Obr. 2.9: Možné polohy tolerančních polí středního průměru závitu šroubu
Obr. 2.10: Poloha tolerančního pole středního průměru závitu pohybové matice
Přesnost lichoběžníkového závitu se jmenovitým průměrem d = 20 mm, s roztečí P = 4 mm, s normální délkou zašroubování, s tolerančním polem 7e středního průměru d2 , s tolerančním polem 4h velkého průměru d (toleranční značka 4h velkého průměru d se neuvádí) se označí:
Tr 20x4 - 7e
Diplomová práce 22 2.2 Výroba závitů válcováním
Nejvýhodnější způsob výroby vnějších závitů je válcování, kromě největší produktivity (vteřinové strojní časy) se jím dosahuje také příznivého průběhu vláken materiálu dříku (viz obr. 2.11), a tedy i větší pevnosti závitového spoje, dále velké přesnosti a výborné jakosti povrchu (přesnost průměru i stoupání je v setinách mm, drsnost povrchu Ra = 0,2 až 0,4 μm). [6]
Obr. 2.11: Průběh vláken u válcovaného závitu [7]
Předpokladem výroby závitů válcováním je dostatečná tažnost materiálu (minimálně 6%), běžně je možno válcovat materiál pevnosti Rm = 900 MPa i více. Jako polotovaru se používá taženého nebo loupaného materiálu, pro přesné šrouby přesně taženého nebo bezhrotě broušeného, s průměrem přibližně rovným střednímu průměru závitu. Závit se válcuje mezi plochými nebo kruhovými čelistmi, resp. kotouči, nebo ve válcovacích hlavách. [6]
Diplomová práce 23 2.2.1 Válcování závitů plochými čelistmi
Ploché válcovací čelisti, které jsou na obrázku 2.12, jsou vyráběné z vysoce legovaných nástrojových ocelí, např. DIN X155CrVMo12-1 nebo DIN 45WCrV7, mají na sobě vytvořeny drážky s negativním profilem závitu, jejichž sklon se rovná úhlu stoupání závitu.
Obr. 2.12: Ukázka plochých válcovacích čelistí [5]
Čelisti pracují axiálním způsobem vždy v páru ve stroji. Jedna čelist je pevná, druhá se pohybuje se smýkadlem a odvalováním hladkého dříku mezi čelistmi se vytváří závit. Na svých náběžných hranách jsou čelisti zkoseny, čímž se usnadní vniknutí válcovaného polotovaru mezi čelisti (Obr. 2.13). [6]
Obr. 2.13: Princip válcování plochými čelistmi [7]
Diplomová práce 24 2.2.2 Válcování segmentovými válcovacími čelistmi.
Tento způsob válcování se někdy také nazývá planetový. Polotovar je tvářen ve výrobek mezi jednou kotoučovou čelistí a jedním čelisťovým segmentem (viz obr. 2.14). Jedná se o vysoce produktivní způsob výroby, avšak výrobky nedosahují tak vysoké jakosti jako u radiálního způsobu válcování, proto je vhodný pro méně přesné, respektive běžné spojovací součásti se standardním stoupáním.
Obr. 2.14: Nástroje pro planetové válcování [8]
2.2.3 Radiální (zapichovací) způsob válcování
Při radiálním způsobu válcování se závit válcuje mezi dvěma kotouči, na nichž je vytvořen negativní profil válcovaného závitu s příslušným stoupáním.
Kotouče mají osy rovnoběžné s osou polotovaru, oba jsou poháněny a během válcování se hydraulicky k sobě přisouvají, takže závit se vyválcuje během několika otáček kotoučů, ale třeba i necelé jedné otáčky, v závislosti na rozměru polotovaru a pevnosti materiálu. Princip zapichovacího válcování je znázorněn na obrázku 2.15. [6]
Diplomová práce 25 Obr. 2.15: Radiální způsob válcování [7]
Šířka válcovacího kotouče je přitom minimálně tak velká jako délka závitu na svorníku. Pro válcování pravého závitu se používá válcovacích kotoučů s levým závitem a naopak. Nástroje pro zapichovací válcování jsou vyrobeny tak, že na nich lze válcovat vždy jen jeden průměr a stoupání závitu. [6]
2.2.4 Axiální (průběžný) způsob válcování
Pro svorníky s delším závitem než je největší šířka vyráběných zapichovacích válců, nebo například pro celozávitové tyče, je nutno použít průběžného způsobu válcování. Průběžně válcovat závity lze dvěma nebo třemi kotouči, přičemž válcovaná součást se vždy během tváření otáčí a zároveň axiálně posouvá. Na obrázku 2.16 je první způsob průběžného válcování, kdy je použito dvou válcovacích kotoučů s větším úhlem stoupání, než je úhel stoupání závitu na součásti, čímž se zajistí axiální posuv válcované součásti.
Diplomová práce 26 Obr. 2.16: Axiální válcování kotoučovými čelistmi s profilem se stoupáním [5]
Dalším způsobem průběžného válcování, znázorněným na obrázku 2.17, je pomocí dvou kotoučů s příslušným profilem závitu, který je na kotoučích vytvořen jako nákružky, tj. bez stoupání. Osy válcovacích kotoučů jsou mimoběžně vykloněny o úhel stoupání závitu. Náběžné hrany kotoučů jsou mírně zkoseny pro snadnější vstup materiálu do kotoučů.
Obr. 2.17: Axiální způsob válcování s kotouči s nákružky [5]
Diplomová práce 27 Pro rychlejší proces válcování lze také použít kotouče s profilem ve stoupání (viz obr. 2.18), které se vykloní o větší hodnotu než kotouče s nákružky a válcovaná součást se poté axiálně pohybuje rychleji. [6]
Obr. 2.18: Axiální způsob válcování kotouči s profilem ve stoupání a s vykloněním vřeten [5]
Často používané je také válcování pomocí tří kotoučových čelistí. A to buď na speciálních válcovacích strojích, v revolverovém soustruhu nebo vrtačkách, při použití válcovacích čelistí nebo válcovací hlavy. Při axiálním způsobu válcování třemi kotouči se závit válcuje mezi kotouči, na kterých je závit vytvořen jako nákružky, tj. bez stoupání. Osy válcovacích kotoučů jsou mimoběžné, proti ose součásti jsou skloněny o úhel stoupání závitu a jsou navzájem přesazeny o 1/3 stoupání závitu. Náběžné strany kotoučů jsou zkoseny. Při válcování ve válcovacích čelistech se vzájemná poloha kotoučů nemění. Polotovar se otáčí a je vtahován mezi zkosené náběžné části kotoučů. Nevýhodou válcovacích čelistí je, že jich lze použít jen pro jeden průměr a stoupání závitu a to zejména na revolverových soustruzích a automatech. Výhodnější je použití válcovacích hlav na závity. Princip jejich práce je stejný jako u čelistí, jsou však rozevírací a vzdálenost os kotoučů lze do určité míry měnit. Jednou hlavou je tedy možno válcovat závit jednoho stoupání v určitém rozsahu průměrů, např. M6 až M10, M12 až M20 atp.
Hlavy jsou konstruovány jako stojící, mechanicky natahovací s režimem
Diplomová práce 28 samočinného otevření hlavy při doválcování závitu. Válcovací kotouče jsou valivě uloženy na excentrických čepech, otvírání obstarává pružina.
Obr. 2.19: Válcovací hlava [5]
2.2.5 Stroje pro válcování závitů:
V současné době se pro válcování závitů používají CNC řízené stroje jedno až tří saňové. Závity se válcují zejména v sériové výrobě, přesnost závitu je definována po změření stoupání a je dána výběrem vhodných úseků. Z důvodu sériovosti a vysoké produktivity se používají stroje, které umožňují průběžné válcování závitu. Na jedné straně stroje je zásobník a zakladač tyčového materiálu a na druhé straně dopravník, který zajišťuje dopravu od válcovačky na následující operaci. Vzhledem k sériovosti výroby jsou stroje umístěny v automatizovaných linkách.
Diplomová práce 29 Válcování závitu je velmi progresivní a zároveň energeticky náročná metoda výroby. Proto, aby výrobek dosahoval co možná nejlepších parametrů, se při válcování používá procesní kapalina, olej nebo emulze. Kapalina zajišťuje mazání povrchu pro snížení tření a také zlepšení kvalitativních vlastností povrchu. Tedy snížení opotřebení nástroje a chlazení nástroje a obrobku.
Vzrůstající nároky na možnost ekonomického válcování vysoce pevnostních materiálů i v malých sériích zásadně změnily požadavky na techniku válcování závitů. Pokud se v minulosti jednalo o jednoduché jednosaňové stroje s omezeným tlakem, tak jsou dnes čím dál více požadovány CNC řízené jedno, dvou a tří saňové stroje. Válcovací stroje vyrábí přední světoví výrobci, například firmy: Leistritz Produkcionstechnik GmbH nebo Profiroll Technologies GmbH jejichž stroj je k vidění na obrázku 2.20.
Obr. 2.20: Stroj na válcování závitů a profilů PR 16.1
Diplomová práce 30 2.3 Pevnost závitové části
Pro šrouby, které jsou namáhány statickým tahem, je oproti předpokladům výhodnější závit základní (hrubé) řady než závit s jemným stoupáním. Je to proto, že při stejném napětí v jádru šroubu jsou závity s jemným stoupáním více zatíženy než závity se stoupáním základní řady, ty mají oproti jemným závitům větší nosnou hloubku profilu závitu. Při utahování šroubů zatížených osovou silou počítáme se srovnávacím napětím složeným z napětí v tahu a z napětí v krutu. Nemá-li přitom dojít k plastické deformaci, srovnávací napětí nesmí překročit:
- u šroubu se závitem základní řady 90% meze kluzu v tahu, - u šroubu se závitem jemným 70 % meze kluzu v tahu.
V obou případech dosáhne napětí u závitového dna právě meze kluzu v tahu. Přitom vyrovnávání únosnosti zvětšováním výšky matice nemá velký význam, protože největší část zatížení přenášejí první závity matice.
Je zjištěno, že šroub se závitem základní řady může být asi o 20% více zatížen než šroub se závitem s jemným stoupáním, a to i přes to, že šroub s jemným stoupáním má větší průřez jádra i plochu redukovaného průřezu.
Bylo rovněž zkouškami prokázáno, že napětí na mezi pevnosti v jádru šroubu je u šroubů se závitem s menším stoupáním menší než u šroubů se závitem s větším stoupáním, i když celková pevnost až do přetržení je u šroubu s jemnějším stoupáním závitu větší, a to v důsledku většího průřezu jádra závitu. Rozdíl pevností v tahu je menší u šroubů větších průměrů než u šroubů malých průměrů. Je to způsobeno zřejmě tím, že u šroubů velkých průměrů se zmenší vliv vrubu, čímž se ovlivní vznik prostorového namáhání (napětí). Uvedené zvýšení pevnosti se projevuje zejména u šroubů z materiálů se schopností plastické deformace a u materiálů schopných zpevnění působením víceosé napjatosti stejného smyslu. [1]
Diplomová práce 31 2.4 Mechanické vlastnosti šroubů z uhlíkové a legované oceli
Třídy pevnosti a jim odpovídající mechanické vlastnosti, definované v normě ISO 898-1:2009, platí pro šrouby, svorníky a závrtné šrouby s metrickým závitem, se jmenovitými průměry do 39 mm včetně, vyrobené z uhlíkové a legované oceli, jsou-li testovány při teplotě místnosti.
Neplatí pro stavěcí šrouby a podobné závitové součásti nenamáhané tahem (viz ISO 898-5), nebo pro specifické požadavky jako jsou svařitelnost, odolnost proti korozi (viz ISO 3506-1). Systém označování tříd je možno použít i pro jiné velikosti nad d = 39 mm, pokud jsou splněny všechny mechanické vlastnosti v tabulce 2.2. [9]
Tab. 2.2: Mechanické vlastnosti šroubů, podle tříd pevnosti vyráběných ve firmě Valenta ZT. [10]
Diplomová práce 32 2.4.1 Systém označování tříd pevnosti pro uhlíkové a legované oceli
Symboly tříd pevnosti, označující důležité mechanické vlastnosti, se skládají ze dvou čísel oddělených tečkou. Například 10.9. První číslo znamená 1/100 jmenovité pevnosti v tahu v N/mm2. Třída pevnosti 10.9 má tedy pevnost v tahu 10x100 = 1000N/mm2.
Druhé číslo stanoví 10násobek poměru dolní meze kluzu Rel (nebo smluvní meze kluzu Rp0,2) a jmenovité pevnosti v tahu Rm. Například u třídy pevnosti 10.9 je druhé číslo výsledkem rovnice (1). [9]
= 9 (1)
2.4.2 Barevné označování pevnostních tříd
Pro snadnější orientaci a rozlišení pevnostních tříd (dle normy EN ISO 898-1) je pro závitové tyče a svorníky schváleno používání barevného značení. Pevnostní třídy se označují barvami podle obrázku 2.21.
Obr. 2.21: Barevné značení tyčí a svorníků s metrickým závitem dle DIN 976 pro pevnosti vyráběné ve společnosti Valenta ZT. [10]
Diplomová práce 33 2.5 Mechanické vlastnosti šroubů a svorníků z korozivzdorných ocelí
Mechanické vlastnosti upevňovacích prvků z korozivzdorné oceli jsou definovány v normě ČSN EN ISO 3506:2009, část 1 pro šrouby a svorníky.
Termín korozivzdorná ocel se používá pro širokou škálu materiálů, z nichž všechny mají nejméně 12% chromu (Cr) a obvykle i jiné slitinové prvky, přičemž nejdůležitější jsou nikl (Ni) a molybden (Mo). V těchto ocelích se na povrchu vytváří oxid chromu, což je chrání před korozí. Při zvýšených teplotách má chrom tendenci vytvářet karbidy místo oxidu. Pro upevňovací prvky je rozsáhlá škála korozivzdorných ocelí rozdělena dle normy ISO 3506 do 3 materiálových skupin na základě jejich metalurgické struktury:
Austenitické (A) Martenzitické (C) Feritické (F)
Martenzitická a feritická skupina má pro komerční upevňovací prvky sotva nějaký význam. Austenitická skupina materiálů - nazývaná též chromniklové oceli - je pro upevňovací prvky nejvíce používaná a dělí se dále na 5 stupňů oceli s různou odolností proti korozi a specifickou oblastí použití.
A1: Automatová ocel s výbornými vlastnostmi pro obrábění díky vyššímu podílu fosforu a síry. V důsledku toho je však snížena odolnost proti korozi.
Tato automatová nerezová ocel se pro hromadně vyráběné upevňovací prvky používá zřídka.
A2: Nejčastěji používaný stupeň korozivzdorné oceli (pro hromadnou výrobu upevňovacích prvků) - nazývaný také 18/8 (18% Cr, 8%Ni) - s vynikající odolností proti korozi za normálních atmosférických podmínek, ve vlhkém prostředí i při působení oxidačních a organických kyselin a mnoha alkalických roztoků. Druh A2 však není možný pro použití v prostředí s neoxidačními kyselinami a činidly s obsahem chlóru, tj. v bazénech a v mořské vodě.
A3: Je to stabilizovaná korozivzdorná ocel s vlastnostmi A2. Díky prvkům Ti, Nb nebo Ta, které snižují vazbu uhlíku na chrom, je tento druh oceli zvláště
Diplomová práce 34 vhodný pro použití při zvýšených teplotách. Pro hromadnou výrobu upevňovacích prvků se používá poměrně zřídka.
A4: Oceli stupně A4 jsou „oceli odolné kyselinám“ legované molybdenem (Mo), které poskytují značně lepší odolnost proti korozi v agresivních prostředích, která se vyskytují v mořském klimatu (chloridy), průmyslové atmosféře (oxid siřičitý), kde jsou přítomné oxidační kyseliny a v prostředí, kde může docházet k bodové korozi. V agresivních prostředích, jako jsou aplikace na moři, prostředí s vysokým obsahem chlóru a podobně je nutno použít oceli s vyšším obsahem Cr, Ni a zejména Mo.
A5: jedná se o stabilizovanou nerezovou ocel s vlastnostmi A4. Díky prvkům Ti, Nb nebo Ta, které snižují vazbu uhlíku na chrom, je tento stupeň oceli obzvlášť vhodný pro použití při zvýšených teplotách. Pro hromadnou výrobu upevňovacích prvků se používá poměrně zřídka. [9]
Tab. 2.3: Mechanické vlastnosti šroubů a svorníků- austenitické oceli. [11]
Skupina oceli
Druh oceli
Třída pevnosti
Pevnost v tahu Rm min. [MPa]
Smluvní mez kluzu 0,2%
Rp0,2 min. [MPa]
Prodloužení po přetržení A min.
[mm]
Austenitické
A1,A2 50 500 210 0,6d
A3,A4 70 700 450 0,4d
A5 80 800 600 0,3d
2.5.1 Systém značení tříd pevnosti u korozivzdorných ocelí
Označování korozivzdorných ocelí pro šrouby podle druhů a tříd pevnosti oceli je na obrázku 2.22. Označení materiálu sestává ze dvou částí oddělených pomlčkou. První část označuje druh oceli, druhá část třídu pevnosti oceli. Označení druhu oceli se stává z písmen A, C, F, která udávají skupinu oceli a číslice, která značí rozsah chemického složení v této skupině oceli. Druhá část, která se odděluje pomlčkou, sestává ze dvou číslic, které udávají 1/10 pevnosti v tahu spojovací součásti. [11]
Diplomová práce 35 Obr. 2.22: Systém označení korozivzdorných ocelí pro šrouby a svorníky
podle druhů a tříd pevnosti dle ČSN EN ISO 3506-1. [11]
Příklad: A2-70 značí: austenitickou ocel, zpracovanou za studena, nejmenší pevnosti v tahu 700 MPa.
C4-70 značí: martenzitickou ocel, kalenou a popouštěnou, nejmenší pevnost v tahu 700 MPa.
2.6 Vliv způsobu výroby závitu na jeho pevnost
Praktické zkušenosti ukazují, že způsob výroby závitu má na dlouhodobou pevnost šroubového spoje značný vliv. Například šrouby se závitem zhotoveným válcováním po tepelném zpracování mají dlouhodobou pevnost vyšší než šrouby se závitem soustruženým. Je to v důsledku toho, že válcováním závitu dochází k mechanickému zpevnění materiálu a ke vzniku pnutí ve šroubu. Při válcování závitu jsou tvářené vrstvy materiálu plasticky deformovány, zatímco v hloubce vznikají jenom pružné deformace (pružná prodloužení). Po skončení válcování se pružné prodloužení smršťuje, proti tomu působí vrstva přetvořená plasticky, což způsobuje tahové napětí v jádru šroubu a tlakové napětí těsně pod závitem. Toto napětí brání vzniku trhlinek na povrchu závitového dna. Vyrovnáváním pnutí s napětím se podstatně zvyšuje dlouhodobá pevnost šroubu. U válcovaného závitu je drsnost a přesnost poloměru zaoblení závitového dna rovněž lepší než u závitu šroubu soustruženého, avšak to nemá zásadní vliv na dlouhodobou pevnost šroubu.
Mnohem větší vliv má mez kluzu. To je také důvod, proč se u šroubů
Diplomová práce 36 z měkkých materiálů dosáhne válcováním závitu jen poměrně malého zvýšení dlouhodobé pevnosti.
Tento jev se vysvětluje tím, že plastické přetvoření vznikající válcováním závitu proniká tak hluboko do jádra šroubu, že tlakové pnutí pod závitem, které je vyvoláno pružně přetvořenou částí, je jen nepatrné. Jestliže tepelné zpracování následuje až po válcování závitu, ztrácejí se výhody získané válcováním závitu podle předchozího, a dlouhodobá pevnost je dokonce nižší než u šroubu se závitem soustruženým, přestože by se měl projevit vliv vyšší přesnosti poloměru zaoblení závitového dna a jeho lepší povrch.
Zkouškami bylo zjištěno, že při dostatečném tepelném zušlechťování není možné zabránit povrchové oxidaci, při níž se oduhličí povrchové vrstvy, pod kterými pak vznikají trhlinky. To má za následek snížení meze dlouhodobé pevnosti šroubu. Menší dlouhodobou pevnost než šrouby se soustruženým závitem mají i šrouby s broušeným závitem, i když jsou vyrobeny mnohem přesněji a mají kvalitnější povrch než závity soustružené, u nichž se nedá zabránit vzniku trhlinek a šupinek ve dně závitu. Při soustružení se totiž pod tlakem nože materiál zpevňuje, a naopak při broušení závitu, hlavně za použití velkých posuvů a při nedostatečném chlazení, dochází k místnímu přehřátí materiálu a k plastické deformaci. Plastická deformace způsobuje po vychladnutí tahové napětí pod závitem, které se sčítá s napětím od zatížení, a tak se zvyšuje špička napětí. Jinak je tomu u závitů velkých průměrů, které nelze vyrábět válcováním. U nich je možné vyvolat tlakové pnutí v závitovém dně po předříznutí závitu a jeho dokončení válcováním kladičkou. Přitom musí největší plastické přetvoření vznikat na dně závitového profilu. Použitím oceli zpevněné tvářením s redukcí průřezu o 20% pro výrobu šroubů se došlo k zajímavým výsledkům. Nejvyšší dlouhodobé pevnosti dosáhne šroub vyrobený z takové oceli se závitem válcovaným, ale šroub se závitem soustruženým má stejnou dlouhodobou pevnost jako šroub z oceli stejné jakosti, která není zpevněna tvářením ani tepelně. [1]
Diplomová práce 37 2.7 Výroba vnitřních závitů tvářením
Závity jsou vytvářeny v předvrtaných otvorech bez oddělování třísek. To má velký význam především v neprůchozích otvorech a všude tam, kde nejsou optimální podmínky pro dobrý odchod třísek. Odpadá tak nebezpečí ucpávání nástroje třískami a z toho vyplývající možnost poškození nástroje i závitu. Tím se značně zvětšuje spolehlivost obrábění. Hlavní předností vytvářeného závitu je jeho lepší jakost a větší pevnost, neboť při tváření závitu dochází ke zpevnění povrchu závitu zhuštěním materiálu a nejsou přerušena vlákna materiálu v profilu závitu jako u řezaných závitů. Je rovněž dosahováno rovnoměrnější kalibrace závitu. Proces tváření vyžaduje vyšší řezné rychlosti, což pochopitelně vede ke zvýšení produktivity dosahované v tomto procesu.
2.7.1 Předpoklady pro použití tvářecích závitníků
Základním předpokladem pro použití metody tváření vnitřních závitů jsou mechanické vlastnosti obráběného materiálu, a to zejména jeho dobrá tvárnost za studena a tažnost nejméně 10 %. Tyto vlastnosti má více než polovina průmyslově používaných materiálů. Nejvhodnějšími materiály pro tváření závitů jsou zejména slitiny hliníku, měkké mosazi a oceli s pevností do 500 MPa. Některé materiály vyznačující se velkou tažností, např. měď nebo hliník, k použití této metody přímo vybízejí. Zde je nutné podotknout, že klasické třískové obrábění má u těchto materiálů svoje specifika a nezřídka je velmi obtížné. Tvářecí závitníky nejsou vhodné pro závitování v křehkých druzích neželezných materiálů, v litině a v chromniklových a martenzitických ocelích s pevností přes 1000 MPa. Rovněž se nedoporučuje tváření pro průměry větší než 30 mm a stoupání závitu nad 3 mm.
2.7.2 Proces tváření závitu
Při tváření závitu se zoubky na náběhu tvářecího závitníku postupně vtlačují do obráběného materiálu, který vznikajícím teplem při tváření měkne a zatéká mezi zoubky profilu tvářecího závitníku. Výsledkem procesu tváření je závitový profil, jehož boky mají podstatně lepší kvalitu, tj. nižší drsnost povrchu než u závitu vzniklého řezáním. Neúplně utvářené vrcholy závitového profilu jsou typickým znakem tvářeného závitu, ale nemají žádný
Diplomová práce 38 vliv na pevnost závitu, neboť pevnost, funkce a přesnost závitového spojení jsou založeny na bocích závitového profilu a jeho nosné hloubce.
2.7.3 Správná velikost předvrtaného otvoru
Velikost průměru předvrtaného otvoru má velký význam pro úspěšné použití metody tváření závitu. Všeobecně platí, že předvrtaný otvor pro tváření je větší a velikost jeho tolerance musí být podstatně přesnější než pro klasický způsob výroby závitu, tj. pro řezání. Přesnost vyvrtaného otvoru se pohybuje od 0,05 mm do M8 a 0,1 mm nad M8. Jak již bylo uvedeno, vnitřní závit je vytvářen přemisťováním materiálu dovnitř otvoru. Zde musí dosáhnout předepsaných hodnot malého průměru matice. Při nedodržení výše uvedené poměrně přesné tolerance předvrtaného otvoru dochází ke dvěma jevům. Při příliš velkém otvoru bude výsledný závit tzv. nedotvářený, tj. nebude dosaženo předepsané výšky profilu závitu. Při příliš malém otvoru dojde s největší pravděpodobností k poškození tvářecího závitníku nebo se závit nepodaří vytvořit vůbec. Z uvedeného vyplývá, že velikost předvrtaného otvoru a stabilita jeho přesnosti je základní podmínkou při zavádění technologie tváření vnitřních závitů. Všichni výrobci tvářecích závitníků sice doporučují hodnoty průměrů předvrtaných otvorů pro jednotlivé rozměry tvářecích závitníků, nicméně nejvýhodnější průměry předvrtání by se měly vždy určit zkouškou.
2.7.4 Technologie tváření vnitřních závitů
Pro dosažení úspěšného průběhu tváření vnitřních závitů je nutné vytvořit určité podmínky. Prvním důležitým krokem je výběr a příprava výrobního zařízení. Zde může být použito běžné závitovací zařízení vybavené upínači, do kterých lze tvářecí závitníky bezpečně upnout. Bude-li tváření prováděno do neprůchozích otvorů, je vhodné použití momentové závitořezné hlavy.
Dalším významným bodem je příprava otvoru. Část materiálu se během tváření axiálně vytláčí, a to v náběhové části před otvor a při výběhu závitníku za otvor. Zde je nutné pamatovat na sražení obou hran otvoru a zařadit tuto operaci před operaci tváření závitů, aby nevyvstal problém s vytlačeným materiálem na čelech otvoru.
Diplomová práce 39 Při tváření vznikají několikanásobně větší odpory a krouticí momenty než při řezání závitu a současně vzniká velké tření mezi nástrojem a obrobkem.
Proto je nutné použití vhodného řezného oleje aplikovaného během procesu.
Převládá spíše potřeba mazání, tj. snížení tření, než potřeba chlazení. U hliníkových slitin lze k uvedenému účelu použít i řezné emulze, ovšem o vyšší koncentraci. Bezproblémové použití tvářecích závitníků je ve značné míře závislé na vlastnostech mazacího prostředku. Významným činitelem ovlivňujícím proces tváření je závitovací rychlost nástroje. Obecně platí, že rychlost závitování by neměla klesnout ve vztahu k obráběnému materiálu pod 10 - 15 m.min-1. Tento údaj platí pro tváření ocelí. U neželezných kovů s nižší tažností by pak řezná rychlost neměla klesnout pod 20 m.min-1. Zvyšováním řezné rychlosti v procesu tváření klesá krouticí moment namáhající nástroj. Tváření vnitřních závitů má ve vztahu k obráběným materiálům svá výrazná specifika a při úvaze o zavádění této technologie do výrobního procesu je vhodné ověřit uvedené aspekty. Doporučujeme vždy specifikovat jednotlivé případy tváření závitů z hlediska obráběného materiálu, předvrtaného otvoru, řezné rychlosti a mazacího média.
2.7.5 Konstrukce tvářecího závitníku
V porovnání s řezacím závitníkem má tvářecí závitník s ohledem na způsob práce odlišnou konstrukci, jak je vidět na obrázku 2.23. Zcela chybí podélné drážky, které u řezacího závitníku tvoří čela břitů. Přední část tvářecího závitníku je tvořena náběhovým tvářecím kuželem, za kterým následuje kalibrační část. Náběhový tvářecí kužel je pracovní částí nástroje, neboť tato část přemísťuje materiál. Kalibrační část nástroje kalibruje vytvářený závit. Délka náběhového kužele je obvykle konstruována v délce tří stoupání závitu a nedá se na rozdíl od řezacích závitníků v průběhu použití obnovovat nebo upravovat. U neprůchozích otvorů je proto nutné s délkou náběhového kužele počítat při stanovení hloubky předvrtaného otvoru vůči činné délce závitu. Průřez tvářecího závitníku má tvar mnohoúhelníku, nejčastěji se třemi, čtyřmi nebo pěti zaoblenými vrcholy. Tento tvar umožňuje pronikání řezného oleje k pracovní části závitníku. Některé závitníky jsou opatřeny úzkými a mělkými drážkami pro dokonalejší přívod řezného oleje.
Tyto drážky rovněž umožňují únik vzduchu a oleje z tvářeného otvoru, aby
Diplomová práce 40 bylo možné se vyhnout pístovému efektu ve dně neprůchozího otvoru.
Správná konstrukce tvaru příčného profilu tvářecího závitníku ovlivňuje velikost tvářecí síly a tím i velikost potřebného krouticího momentu. Tvářecí závitníky se vyrábějí z vysoce výkonné rychlořezné oceli. Pro obtížnější pracovní podmínky je jejich pracovní část opatřena povlakem TiN nebo TiCN, a to pro snížení tření a zvýšení trvanlivosti nástrojů.
Obr. 2.23: Profily nástrojů a vznik tvářeného vnitřního závitu. [13]
2.7.6 Ekonomika technologie tváření vnitřních závitů
Za určitých podmínek je tato metoda jednodušší a ekonomičtější než řezání závitů. Má rozhodující význam při požadavcích na jakost povrchu, zpevnění a kvalitu závitu. Další výhodou je podstatně vyšší trvanlivost, až 10krát vyšší oproti třískovému obrábění. U standardních tvářecích závitníků je oproti klasickým závitníkům řeznou rychlost možné zvýšit až o 100 %.
Výsledkem jsou kratší pracovní časy. Další skutečností je, že tvářecí závitníky nelze obnovovat, tzn., že se nepřeostřují, a tím odpadají náklady na údržbu používaných nástrojů. Není nutno se tedy zabývat problematikou přeostřování, jako je tomu u klasických závitníků. [12]
Diplomová práce 41 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Cílem experimentální části je navrhnout taková opatření, aby bylo možno válcovat průběžným způsobem podobně jako na obrázku 3.1, závity o průměru M8 a případně M6 v dostatečné kvalitě a rychlosti tak, aby takto vyrobené závitové tyče byly vyhovující svou kvalitou i cenou.
Obr. 3.1: Válcování závitové tyče M60.
U dvouvřetenových strojů na válcování závitů je velice důležité, v jaké pozici bude tvářený materiál vzhledem k tvářecím nástrojům. Osa tvářeného polotovaru nesmí být nad osami rotujících kotoučů, ani příliš nízko pod nimi, aby nedocházelo k poškození závitu. Rozměr o jaký má být osa tvářeného materiálu pod osami nástrojů je okótován na obrázku 3.2 a je značen malým písmenem h. Hlavním bodem experimentální části práce je návrh takového přípravku, který usnadní nastavení parametru h, zajistí možnost výroby v případě jeho ne úplně přesného nastavení a zajistí též přesné vedení polotovarů do nástrojů a zvýší produktivitu práce.
Diplomová práce 42 Obr. 3.2: Průběžné válcování dvěma kotouči s opěrným pravítkem.
Pro naplnění výše uvedených cílů diplomové práce bylo postupováno v následujících bodech:
1) Rozbor stávajícího stavu výroby a popis problémů s vedením, rychlostí výroby a kvalitou závitu.
2) Návrh a konstrukce přípravku, který by měl zajistit přesné vedení a co možná nejmenší styk válcovaného závitu s jiným tělesem než jsou tvářecí kotouče.
3) Experimentální výroba závitových tyčí ze dvou nejvíce poptávaných ocelí pro rozměr M8 jimiž jsou: Korozivzdorná austenitická ocel značená dle DIN 1.4301 (používaná pro skupinu A2, viz obr 2.22) a konstrukční ocel S235JRC dle ČSN EN 10025-2, která odpovídá pevnosti 4.8. Dále také zkoumání různých výrobních vlivů na kvalitu závitu.
4) Zkoumání a vyhodnocení dosažených výsledků při výrobě s navrhnutými přípravky.
Diplomová práce 43 3.1 Společnost Valenta ZT s.r.o.
Počátkem experimentální části bude představena firma, která zadala téma diplomové práce a s jejíž spoluprácí byla diplomová práce řešena.
Společnost Valenta ZT působí na trhu se spojovacím materiálem od roku 1995, od roku 2008 pak jako společnost s ručením omezeným. Za dobu existence se firma stala důležitým dodavatelem pro zákazníky v distribučním řetězci spojovacího materiálu a dále do strojírenství, energetiky, stavebnictví a dalších odvětví průmyslu. Hlavními trhy Valenta ZT jsou Česká republika a okolní ale i vzdálenější evropské země. Nosným sortimentem Valenta ZT je normalizovaný spojovací materiál, závitové tyče, tesařské kování, kotevní patky, plotové díly a trapézové závity. Vlastní výroba disponuje kapacitou pro CNC obrábění, válcování závitů, dělení, ohýbaní a tváření. Silnou stránkou je výroba tyčí a hřídelí s trapézovým závitem, závitových tyčí velkých průměrů a délek, užití širokého spektra materiálů od neušlechtilých ocelí po zušlechtěné vysokopevnostní a korozivzdorné oceli. Typické výrobní série začínají na desítkách kusů větších dílů a pokračují po zakázky čítající desítky tisíc kusů.
3.2 Válcování závitů ve společnosti Valenta ZT s.r.o.
Válcování jak zapichovacím, tak průběžným způsobem (obr 3.3) je ve firmě na vysoké úrovni. Zatímco délka závitu vyráběná zapichovacím způsobem závisí na šířce válcovacích kotoučů a na síle stroje, délka závitu vyráběná průběžným způsobem je teoreticky neomezená. Běžně se ve firmě vyrábějí tyče délky 6 m a to jak na zakázku, tak do skladových zásob.
Obr. 3.3: Průběžné válcování závitu M48
Diplomová práce 44 3.2.1 Vedení polotovarů a hotových výrobků při výrobním procesu
Velké délky tyčí s sebou nesou problém s vedením tyčí jak na straně vstupu do stroje, tak na výstupu ze stroje. K dopravě hladké tyče do stroje slouží automatická linka, nebo jsou vkládány ručně u kusové výroby. Při kusové výrobě, nebo při výrobě svorníků, které mají závity pouze na koncích, jsou tyče vyjímány ze stroje zpět ze strany, odkud byly zakládány. V tomto případě je nutné zajistit, aby byla válcovaná tyč vodorovně a aby nedocházelo otáčením a současným posunem tyče k jejímu odření od dopravního nebo podpůrného zařízení. Se snižujícím se průměrem a zvětšující se délkou vstupního materiálu a zvyšujícími se otáčkami je velmi důležité zajistit, aby byla otáčející se kulatina podepřena po celé své délce, jinak by mohlo dojít k jejímu rozkmitání a následnému ohnutí až zlomení, což by mohlo mimo materiálových škod ohrozit zdraví obsluhy stroje. Při výrobě celozávitových tyčí platí na výstupu podobná pravidla jako při vstupu do stroje. Tyče musí být, hlavně dokud neopustí otáčející se kotouče vedeny rovně jak horizontálně, tak vertikálně. V opačném případě by mohlo docházet k tomu, že válcovaná tyč tzv. „vyskočí“ z kotoučů a tím se její válcování ukončí. Stejně tak je nutné dbát na to, aby nebyl vyrobený závit ve styku s žádnou překážkou, která by způsobila jeho odření nebo zničení. Nejlepším způsobem je, pokud je závitová tyč za kotouči při válcování volně ve vzduchu, ovšem to lze jen u krátkých délek. U delších tyčí a tyčí menších průměrů by docházelo k jejich rozkmitání a deformaci. U velkých průměrů je výstup tyčí řešen pomocí podpůrných konstrukcí, u automatických linek společně s automatickým vyhazováním.
U strojů které nemají automatické vyhazování, jsou tyče v závislosti na jejich délce dopravovány na paletu nebo do bedny trubkou (obr. 3.4), nebo
skluzem podobně jako na obrázku 3.5.
Diplomová práce 45 Obr. 3.4: Tyče jsou dopravovány na paletu od nástrojů uvnitř trubky.
Obr. 3.5: Naválcované tyče padají skluzem do bedny.
Diplomová práce 46 3.2.2 Rychlost výroby při průběžném válcování
Při výrobě závitů se zmenšujícím se rozměrem stupňuje důležitost produkce výroby. Protože krátké závitové tyče malých průměrů mají malou hmotnost, mívají i nízkou cenu. Proto je důležité, aby rychlost jejich výroby byla co nejvyšší. Rychlost válcování lze měnit počtem otáček. To probíhá u strojů od výrobce Profiroll výměnou ozubených kol v převodovce. Nastavení příliš vysokých otáček s sebou ovšem přináší problémy popsané v předchozí kapitole, kdy je nutno předejít rozkmitání tyčí a jejich deformacím. Přímo v tvářecím procesu potom mezi válcovacími kotouči může docházet k tomu, že válcovaný polotovar opustí svou ideální polohu předurčenou spodním přidržovačem, posune se směrem vzhůru a v tom okamžiku přestane být tvářen.
3.2.3 Kvalita válcovaného závitu
Obecně se dá říci, že tvářené závity mají vyšší jakost oproti závitům řezaným. I tvářené závity ovšem mohou vykazovat znaky nekvality, nebo mít rozměry nevyhovující normě. Nejdůležitějším prvkem, který rozhoduje o konečné kvalitě závitu je polotovar. Nejčastěji se k válcování závitů používají tažené nebo loupané tyče o toleranci h9. Pokud vstupní materiál vykazuje nevyhovující znaky jako např. pokročilou korozi, vměstky, nevyhovující přímost, přechody po obrábění, přeloženiny, drážky po tažení, projeví se to i na kvalitě vyrobeného závitu. Pokud by byl zvolen materiál příliš velkého nebo malého průměru, jeho rozměry nemusí vyhovovat tolerancím. Dalšími prvky, které rozhodují o kvalitě závitu, jsou správné nastavení stroje, nástrojů a přípravků. Při nevhodně zvoleném nastavení výrobního procesu mohou závity opět vykazovat špatné rozměry, ať už to jsou malý, střední, nebo velký průměr, tak také může vzniknout příliš velká chyba stoupání. Na závitech také mohou vznikat různé šupiny a špony, se kterými měla firma problém v minulosti hlavně u pokusů o válcování korozivzdorných tyčí o rozměrech M8 a M6. Nejen tento, ale i ostatní zmiňované problémy budou v průběhu práce zkoumány a bude usilováno o jejich odstranění.
Diplomová práce 47 3.3 Návrh konstrukce válcovacího přípravku
Firma Valenta ZT s.r.o. disponuje výhradně dvouvřetenovými stroji na válcování závitů a profilů, u nichž jak již bylo řečeno, je velmi důležité, na jakou výšku bude nastavený spodní přidržovač (dále jen pravítko). Pravítko slouží jako opěra pro válcovaný polotovar a tím určuje jeho polohu při válcování. Zpravidla se nastavuje tak, aby osa válcovaného materiálu byla mírně pod osami válcovacích kotoučů. Velikost posunutí osy je na obrázku 3.2 značena jako malé písmeno h a závisí na průměru válcovaného materiálu. Začíná na hodnotách kolem 0,1 mm a se stoupajícím se průměrem roste až do několika milimetrů. Pokud je hodnota h příliš velká, válcovaný materiál je vytlačován směrem na pravítko a tím dochází k působení nepříznivých sil, což může vést až k destrukci pravítka. Příliš velká hodnota parametru h se také projeví na kvalitě závitu, který bývá v tomto případě odřený na vrcholech profilu závitu. Naopak je-li nastavena příliš malá hodnota h, nebo pokud je dokonce nastavena nad osy vřetene stroje, materiál je poté vytlačen z válců směrem vzhůru a jeho tváření je nemožné. K tomuto jevu dochází také při vysokých rychlostech válcování, zvláště pak právě u tenkých tyčí, ačkoliv je výška pravítka správně nastavena. Z tohoto důvodu bude vytvořen přípravek, který bude mít ustavena 2 pravítka. Jedno pravítko bude jako doposud pod válcovaným materiálem a druhé bude shora bránit „vyskočení“ z válců. Toto řešení by mělo urychlit nastavení pravítka, jelikož by nemělo být tak citlivé na posunutí osy válcovaného materiálu pod osy válcovacích kotoučů, a také by mělo dovolit válcování většími otáčkami stroje, což povede k větší produktivitě.
Základ konstrukce přípravku bude vycházet z originálního přípravku od firmy Profiroll (obr. 3.6) dodávaného spolu se strojem. Ten je ustaven na desku stroje pomocí klínových upínacích prvků. Jeho výška se zhruba nastaví podložkami a konečná výška se nastaví otáčením šroubu, který hýbe klínovým mechanismem.
Diplomová práce 48 Obr. 3.6: Válcovací přípravek se spodním pravítkem.
Základní upínací deska bude v navrhnutém přípravku kopírovat přípravek originální, jelikož jeho způsob upínání je vyhovující a jiný způsob upínání by byl vzhledem ke konstrukci stroje složitý. Na základní desku budou usazeny 2 sloupky a na ně horní deska, ke které se bude moci upnout horní pravítko.
Šířka sloupků by měla být co nejmenší vzhledem k mezeře, která vzniká mezi vřeteny strojů, avšak vzhledem k případné větší univerzálnosti přípravku bude zvoleno použití výměnných pouzder, která budou s vůlí uloženy ve sloupcích a zajištěny pojistným kroužkem. Kvůli pouzdrům ovšem mírně vzroste plánovaná šířka sloupků. Tato výměnná pouzdra zajistí přesné vedení polotovaru mezi válce a jejich výstup z válců. Prozatím bude počítáno s pouzdry pro rozměry M6, M8 a M10. Vnější průměry pouzder byly zvoleny na 24 mm u vstupního i výstupního, přičemž u vstupního pouzdra bude ve sloupku ještě nalisované bronzové pouzdro, které by mělo zmenšit třecí koeficient a tím ulehčit případnému otáčení vstupních pouzder. Z tohoto důvodu bude přední sloupek širší než zadní a to 38mm. Zadní sloupek potom bude mít šířku 32 mm. Průměry děr v pouzdrech budou zhotoveny vždy zhruba o 1,5 mm větší, než je vstupní a výstupní průměr materiálu.
