Fakulta strojní
Studijní program M2301 – Strojní inženýrství
Strojírenská technologie zaměření tváření kovů a plastů
Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů
Využití optického systému ARGUS 4M pro analýzu deformace v kritických oblastech výlisku
ARGUS 4M optical system utilization for analysis of deformation in critical section of a moulding
Tomáš Jíra KSP – TP – 782
Vedoucí diplomové práce: Ing. Pavel Solfronk Ph.D.
Konzultant diplomové práce: Ing. Pavel Voborník
Rozsah práce a příloh:
Počet stran 77 Počet tabulek 21 Počet příloh 6
Počet obrázků 62 Datum: 25. 5. 2007
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
__________________________________________________________________
Katedra strojírenské technologie
Studijní rok: 2006/2007
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
Jméno a příjmení Tomáš J Í R A
Studijní program
M 2301 Strojní inženýrství
Obor 2303T002 Strojírenská technologie
Zaměření Tváření kovů a plastů
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje diplomová práce na téma:
Využití optického systému ARGUS 4M pro analýzu deformace v kritických oblastech výlisku.
Zásady pro vypracování:
(uveďte hlavní cíle diplomové práce a doporučené metody pro vypracování)
1. Seznámení se s problematikou tažení výlisků nepravidelných tvarů.
2. Materiály používané pro stavbu karoserie automobilu.
3. Metody používané pro analýzu deformace výlisků z plechů, diagram mezních přetvoření.
4. Seznámení se s principem bezkontaktní analýzy deformace výlisku pomocí optického systému ARGUS 4M.
5. Experimentální zjištění rozložení deformace v okolí trhliny u vybraných materiálů s využitím konvenční metody měření na dílenském mikroskopu.
6. Experimentální zjištění rozložení deformace v okolí trhliny u vybraných materiálů s využitím optického systému ARGUS 4M.
7. Porovnání výsledků měření.
8. Závěr.
Forma zpracování diplomové práce:
- průvodní zpráva cca 50 stran
- grafické práce
Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu):
[1] TMĚJ,J. – MIKEŠ,V.: Teorie tváření, skripta VŠST, Liberec 1981
[2] BOLJANOVIC,V.: Sheet Metal Forming Processes and Die Design, New York 2004, ISBN 0-8311-3182-9
[3] BUCHAR,Z.: Diagramy mezních přetvoření tenkých ocelových plechů, kandidátská disertační práce, VŠST Liberec,1987
[4] PEARCE,P.: Sheet Metal Forming, ISBN 0-7503-0101-5
[5] BILLY, J.: Trendy vývoja ocelových plechov pre l’ahké automobilové konštrukcie. In.: Hutnické listy 1999. Vol 3, s 16-21.
Vedoucí diplomové práce: Ing. Pavel Solfronk, Ph.D.
Konzultant diplomové práce: Ing. Pavel Voborník
L. S.
doc. Dr. Ing. Petr Lenfeld doc. Ing. Petr Louda, CSc.
vedoucí katedry děkan
V Liberci dne 15.2. 2007
____________________________________________________________________
Platnost zadání diplomové práce je 15 měsíců od výše uvedeného data ( v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ ). Termíny odevzdání diplomové práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v
harmonogramu výuky.
ANOTACE
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů
Studijní program: M2301 – Strojní inženýrství
Diplomant: Tomáš Jíra
Téma práce: Využití optického systému ARGUS 4M pro analýzu deformace v kritických oblastech výlisku.
ARGUS 4M optical system utilization for analysis of deformation in critical section of a moulding.
Číslo DP: KSP – TP – 782
Vedoucí DP: Ing. Pavel Solfronk, Ph.D.
Konzultant: Ing. Pavel Voborník
Abstrakt:
Diplomová práce byla zadána na základě požadavku lisovny Škoda Auto a.s..
Jejím cílem je určit možnosti využití optického systému ARGUS 4M v kritických oblastech výlisku. Tento systém je porovnávám s konveční metodou dílenského mikroskopu. Měření bylo prováděno v oblasti lokálního ztenčení. Výsledné hodnoty deformačních analýz byly navzájem porovnány a vyhodnoceny.
Abstrakt:
The graduation thesis was ordered on the basis of claim from pressing plant Škoda Auto a.s. Its aim is to establish possibility of ARGUS 4M optical system utilization in critical section of a moulding. This system is compared with conventional method of workshop microscope. The measurement was practiced in the sphere of local thinning. Consequential deformation analyses by means of these methods are respectively compared and evaluated.
Místopřísežné prohlášení:
Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci, 25.května 2007
………..
Tomáš Jíra
S. K. Neumanna 1033 Mladá Boleslav 293 01
Poděkování
Na začátku této práce bych rád poděkoval Ing. Pavlu Solfronkovi, Ph.D., Ing.
Pavlu Voborníkovi a také kolektivu oddělení Sériového plánování lisoven VZT – 1 za odborné rady a pomoc při vypracování diplomové práce.
OBSAH
1. Úvod... - 13 -
2. Materiály v automobilovém průmyslu ... - 14 -
2.1 Seznámení s používanými plechy v automobilovém průmyslu... - 15 -
2.1.1 Nízkouhlíkové hlubokotažné oceli... - 16 -
2.1.1.1 IF oceli – oceli bez interstice ( Interstitial free ) ... - 17 -
2.1.2 Oceli s vyššími mechanickými hodnotami ... - 17 -
2.1.2.1 Izotropní ocele ( IS – Isotropic steels )... - 17 -
2.1.2.2 Vysokopevnostní IF oceli (IF – HS interstital free steels) ... - 18 -
2.1.2.3 IF ocele s BH efektem (BH steels)... - 19 -
2.1.2.4 Uhlík-manganové oceli (C – Mn steels)... - 19 -
2.1.2.5 Vysokopevnostní mikrolegované oceli (HSLA)... - 19 -
2.1.3 Ultra vysokopevnostní oceli ... - 20 -
2.1.3.1 DP oceli – dvojfázové oceli (Dual Phase) ... - 20 -
2.1.3.2 TRIP oceli (Transformation – Induced Plasticity) ... - 21 -
2.1.3.3 TWIP oceli (Twinning – Induced Plasticity) ... - 22 -
2.1.3.4 CP oceli – komplexní fáze (Complex Phase) ... - 23 -
2.1.3.5 Martenzitické oceli ... - 23 -
2.1.3.6 Mangan – bórové oceli ... - 24 -
3. Mechanismy zpevnění ocelí ... - 24 -
3.1 Deformační zpevnění... - 24 -
3.2 Zpevnění tuhého roztoku ... - 24 -
3.3 Zpevnění zjemněním zrna... - 25 -
3.4 Zpevnění precipitací ... - 25 -
3.5 Zpevnění BH efektem... - 26 -
3.6 TRIP efekt... - 26 -
3.7 TWIP efekt... - 27 -
3.8 Zpevnění dvou a více fázových ocelí ... - 27 -
4. Analýza výlisku karosářského typu... - 28 -
4.1 Problematika tažení a výlisků karosářského typu ... - 28 -
4.2 Vztah plastičnosti a tvářitelnosti ... - 28 -
4.3 Hodnocení vlastností plechu z hlediska tažení výlisků ... - 29 -
4.4 Charakteristika výlisku karosářského typu ... - 29 -
5. Diagramy mezního přetvoření ... - 30 -
5.1 Definice mezního stavu přetvoření ... - 32 -
5.1.1 Metody získávání diagramu mezního přetvoření... - 35 -
5.1.2 Experimentální určení ... - 35 -
6. Analýza deformace – optický systém ARGUS 4M... - 36 -
6.1 ARGUS 4M – charakteristika ... - 36 -
6.2 Základní rozdělení systému ... - 37 -
6.3 Přednosti tohoto systému a proces měření... - 37 -
7. Experimentální část ... - 38 -
7.1 Použité materiály a jejich zpracování... - 39 -
7.1.1 Mechanické vlastnosti testovaných materiálů ... - 42 -
7.1.2 Měření drsnosti povrchu ... - 43 -
7.1.2.1 Princip měření ... - 44 -
7.1.3 Statická zkouška tahem ... - 44 -
7.1.3.1 Statická zkouška tahem ... - 44 -
7.1.3.2 Popis zkušebního zařízení... - 45 -
7.1.3.3 Průběh zkoušky ... - 46 -
7.1.4 Sestavení diagramu mezního přetvoření... - 53 -
7.2 Sledování deformací v oblasti lokálního ztenčení ... - 58 -
7.2.1 Analýza deformací pomocí dílenského mikroskopu ... - 58 -
7.2.2 Analýza pomocí optického systému ARGUS 4M ... - 59 -
7.2.2.1 Příprava vzorku ... - 59 -
7.2.2.2 Ovládací režimy ... - 61 -
8. Výsledné hodnoty ... - 63 -
8.1 Porovnání výsledných hodnot... - 63 -
8.2 Výsledné hodnoty pro materiál HX180BD Z100 MC ... - 63 -
8.3 Výsledné hodnoty pro materiál HX260LAD Z100 MB... - 66 -
8.4 Výsledné hodnoty pro materiál DX56D Z100MC ... - 68 -
9. Diskuze výsledků ... - 71 -
10. Závěr: ... - 73 -
Použitá literatura ……….. – 74 -
Seznam příloh ………..- 76 -
Seznam použitých zkratek a symbolů:
φ1, φ2, φ3 skutečná deformace [-]
φk1, φk2 hlavní kritické normálové přetvoření [-]
mφ ukazatel stavu přetvoření [-]
mσ ukazatel stavu napjatosti [-]
L1, L2 rozměry hlavních os sladovaných elementů [mm]
L0 počáteční rozměr výchozího elementu [mm]
a, b, c regresní koeficienty [-]
NbCN karbonitrid niobu
TiCN karbonitrid titanu
A80 smluvní tažnost na mezi pevnosti [%]
Ag tažnost; odpovídá rovnoměrnému prodloužení [%]
na mezi pevnosti
E modul pružnosti v tahu [MPa]
Rp0.2 smluvní mez kluzu [MPa]
Re pevnost v tahu dle. ČSN 42 0310 [MPa]
Rm mez pevnosti [MPa]
n exponent deformačního zpevnění [-]
r koeficient normálová anizotropie [-]
xs směrově střední hodnota [-]
x0 hodnota ve směru 0° [-]
x45 hodnota ve směru 45° [-]
x90 hodnota ve směru 90° [-]
KUT komplexní ukazatel tvářitelnosti [%]
KVP koeficient využití plasticity [-]
ZP zásoba plasticity [%]
IT index tvářitelnosti [%]
P poměr meze kluzu a meze pevnosti [-]
T teplota [°C]
t čas [s]
DMP diagram mezních přetvoření
4M rozlišení CCD čipu
FLD Forming limit diagram (DMP)
FLC Forming limit curve (křivka mezního přetvoření)
d průměr [mm]
b šířka [mm]
1. Úvod
V dnešním světě, který se neustále mění a dochází k stále silnějšímu konkurenčnímu boji nejen v automobilovém průmyslu, obstojí pouze ty nejlepší a nejsilnější. Požadavky dané zákazníkem jsou stále náročnější a progresivnější. Je proto povinností producentů automobilů, pokud chtějí i nadále zvyšovat své zisky zaměřit svojí výrobu tak, aby došlo k uspokojení co nejširšího objemu odběratelů.
V praxi lze říci, že samotný proces výroby je nucen pod tržním tlakem neustále flexibilně odpovídat na požadavky trhu. To znamená neustále vyvíjet nové koncepční řešení karoserií vozů obr. 1.1.
Obr.1.1 Karoserie Škody Roomster [1]
Firma Škoda Auto a.s., která je součástí koncernu VW, s hlubokou tradicí výroby automobilů, patří mezi nejúspěšnější strojírenské závody v České republice.
Značka Škoda se začíná stávat se svými produkty známa po celém světě a její vliv na mezinárodním automobilovém trhu neustále roste. Samozřejmě, že za to tato společnost vděčí svým zaměstnancům, kteří ve spoluprácí s nejmodernějšími technologiemi vyvíjejí vysoce kvalitní produkty. Avšak i za použití propracovaných výrobních procesů, školeného a zkušeného personálu dochází k neustálým potížím a problémům, které je nutno co nejefektivněji řešit.
Právě řešení karosérie tvoří vzhled automobilu, bezprostředně působící na zákazníka, významnou měrou se podílí na životnosti automobilu a svou kvalitou a způsobem použití vhodných kombinací materiálů značně ovlivňuje bezpečnost cestujících. Už při prvním pohledu na karosérii vozidla je zřejmé, že je tvořena řadou složitých a tvarově náročných výlisků. U těchto karosářských výlisku, které patří mezi technologicky velmi složité, dochází vlivem náročného zpracování k porušování a vzniků prasklin. Na všechny tyto části jsou kladeny velké požadavky v oblasti kvality zpracování, tvarových tolerancí a jiných faktorů, které musí tyto vozy splňovat.
Tato práce byla zadána na základě požadavku firmy Škoda Auto a.s. a jejím cílem je objasnit a pomoci řešit komplikace týkající se procesu výroby karosářských výlisků, které tvoří z velké většiny exteriér vozu. Cílem mojí práce je posoudit možnosti využití optického systému ARGUS 4M a jeho možnosti sloužící k analýze deformace karosářských výlisků. Tento úkol bude proveden pomocí optického systému Argus 4M a dílenského mikroskopu.
2. Materiály v automobilovém průmyslu
Vývoj karoserie by se neobešel bez vývoje a získávání nových či modifikovaných materiálů, které by se uplatnily při stavbě karoserie. Nejběžnějším materiálem použitým pro stavbu karoserie je ocel, ale objevují se i jiné materiály, zejména slitiny hliníku. Objevují se i slitiny hořčíku, plasty nebo různé typy kompozitů. Uplatnění jiných než ocelových materiálů prozatím značně pokulhává v porovnání s ocelovými materiály. Mezi důvody tak malého uplatnění alternativních materiálů patří především jejich vyšší cena v porovnání s ocelí, problémy s technologickou zpracovatelností některých materiálů či nutností užití speciální konstrukce karoserie atd.. Výše vyjmenované důvody pak často vedou ke zvýšení celkových nákladů na výrobu automobilu, které v konečném součtu nedokáží vyvážit snížení hmotnosti a s ní spojené nižší náklady na provoz vozidla. Ocelové materiály těží především ze své rozšířenosti, poměrně nízké ceny a v neposlední řadě i k poměrně dobře zvládnuté technologii zpracování ocelového plechu. Neustálý vývoj jednotlivých producentů ocelových plechů vedl k dobrému zvládnutí korozní odolnosti a vyvinutí početného sortimentu ocelí.
2.1 Seznámení s používanými plechy v automobilovém průmyslu
Oceli určené pro výrobu karoserií musí dnes splňovat vysoké požadavky dané výrobcem automobilů. Materiály musí mít co nejlepší tvářitelnost při zachování nízké meze kluzu a vysoké meze pevnosti. Trend vývoje automobilů směřuje především k zajištění bezpečnosti pasažérů, ale na druhé straně je stavba karoserie ovlivněna ekonomickými a ekologickými aspekty. Vysoké nároky na bezpečnost pasažérů, vzhled pohledových dílů, nízká cena atd. vedly výrobce ocelových plechů pro automobilový průmysl k vývoji nových materiálů, které svými vlastnostmi nejvíce vyhovují požadavkům výrobců automobilů.
Jak je znázorněno na obr. 2.2., ocelové plechy se lze dělit na [2]:
Obr. 2.2. Mechanické vlastnosti ocelových plechů
Ø Nízkouhlíkové hlubokotažné plechy – LSS ( low – strength steels ) Ø Vysokopevnostní plechy – HSS ( high – strentgh steels )
Ø Ultra vysokopevnostní plechy – UHSS ( ultra high – strength steels )
2.1.1 Nízkouhlíkové hlubokotažné oceli
Nízkouhlíkové hlubokotažné plechy se vyrábějí válcováním za studena nebo za tepla a nabízejí vysokou míru tvářitelnosti. Oceli válcovaní za tepla se používají pro nosné a podvozkové části karoserie, zatímco oceli válcované za studena mají vynikající povrchové struktury a hodí se pro vnitřní a vnější pohledové panelové části, na které jsou kladeny vysoké nároky na čistotu a mikrogeometrii povrchu.
Příklad rozdělení nízkouhlíkových hlubokotažných plechu dle [3,4]:
Ø CS ( Commercial Steel ) – běžné ocelové plechy Ø DS ( Drawing Steel ) – tažné ocelové plechy
Ø DDS ( Deep Drawing Steel ) – hlubokotažné ocelové plechy Ø EDDS ( Extra Deep Drawing Steel ) – extra hlubokotažné plechy Ø EDDS Plus ( Extra Deep Drawing Steel Plus ) – super hlubokotažné
plechy
Plechy z nízkouhlíkových hlubokotažných ocelí jsou dostupné bez ochranného povlaku či pozinkované a mají čistě feritickou strukturu, která je vidět na následujících metalografických výbrusech (obr. 2.3., obr. 2.4.).
Obr.2.3. Struktura tažné oceli (DS) [11] Obr.2.4. Struktura extra hlubokotažné oceli (EDDS) [12]
2.1.1.1 IF oceli – oceli bez interstice ( Interstitial free )
IF oceli (EDDS, EDDS Plus) mají velmi nízký obsah intersticiálně rozpuštěného uhlíku a dusíku. Mez kluzu se pohybuje okolo 150 MPa a mez pevnosti okolo 300 MPa. Při legování titanem nebo niobem, či jejich kombinací, dochází ke vzniku karbonitridů (TiCN, NbCN), které mají za následek zvýšení pevnosti při zachování dobré plastičnosti. Množství niobu má vliv na velikosti zrna, stárnutí ocelí a rekrystalizační teplotu, a proto je nutné přidávat ho pouze v potřebném množství.
Na mechanické hodnoty má vliv množství legujících prvků (např. mangan nebo fosfor), množství a disperzita precipitátů, velikost feritického zrna a způsob válcování. Jsou také téměř odolné vůči deformačnímu stárnutí po kontinuálním žíhání či žárovém pozinkování [3].
Typické složení IF ocelí je uvedeno v tab. 2.1.
Tab. 2.1. Chemické složení IF ocelí [7]
C [%] Si [%] Mn [%] P [%] S [%] N [%] Al [%] Nb [%] Ti [%]
0,002 0,01 0,15 0,01 0,01 0,0025 0,04 0,016 0,025
2.1.2 Oceli s vyššími mechanickými hodnotami
Do kategorie ocelí se řadí materiály, které mají vyšší mechanické hodnoty než běžné hlubokotažné oceli. Tyto oceli se rozdělují do těchto skupin [2]:
Ø Izotropní oceli ( IS )
Ø Vysokopevnostní IF ocele ( IF – HS ) Ø Oceli s BH efektem ( BH )
Ø Uhlík – manganové oceli ( C – Mn )
Ø Vysokopevnostní mikrolegované oceli ( HSLA )
2.1.2.1 Izotropní ocele ( IS – Isotropic steels )
Izotropní ocele mají základní matrici feritickou. Oproti mikrolegovaným ocelím mají vyšší hodnotu exponentu deformačního zpevnění n. U izotropních materiálů je orientace mřížky v jednotlivých zrnech různá, tedy bez výrazné
směrovosti, a proto jsou mechanické vlastnosti ve všech směrech stejné [2]. Hodí se převážně pro díly vyráběné vypínáním (střecha). Na obr 2.5. je vidět struktura izotropní nízkouhlíkové oceli, která je tvořena feritem a karbidy. Tato ocel je legována manganem a titanem a dosahuje pevnosti 345 MPa a tažnosti 41 % [4].
Obr. 2.5. Struktura izotropní nízkouhlíkové oceli [7]
2.1.2.2 Vysokopevnostní IF oceli (IF – HS High strentgh interstital free steels)
Tyto oceli jsou založeny na konceptu IF ocelí a mají ultra nízkou hodnotu obsahu uhlíku (30 ppm)1. Vysokopevnostní IF plechy mají oproti běžným IF ocelím jemnější zrno, které je stabilizováno pomocí rekrystalizačního žíhání, což zvyšuje mechanické hodnoty, které dosahují 220 MPa meze kluzu a 390 MPa meze pevnosti v tahu. Dobré tvářitelnosti lze dosáhnout pouze s plně rekrystalizovaným materiálem, přičemž kinetika tohoto procesu je závislá na zhrubnutí karbonitridů ( TiCn, NbCN).
Za účelem zvýšení pevnosti se využívá zpevnění tuhého roztoku. Legující prvky jsou mangan, niob, titánci fosfor (tab.2.2.).
Tab. 2.2. Příklad chemického složení vysokopevnostních IF ocelí [7]
C [ppm]1 N [ppm] Mn [%] P [%] Al [%] Nb [%] Ti [%] B [ppm]
30 30 0.35 0.05 0.03 0.035 0.02 10
Účinek fosforu je největší, protože při jeho obsahu 0,1% dojde ke zvýšení meze pevnosti tahu o 100 MPa. Negativním účinkem fosforu je jeho rozptyl ve
1 ppm (parts per milion) = Jeden díl z milionu.
- 1% je stý díl z celku, a potom platí, že 1 ppm = 0,0001%
směrech k hranicím jednotlivých zrn, což způsobuje křehnutí oceli, a proto se přidávají prvky bór a niob, které tuto negativní vlastnost eliminují [7].
2.1.2.3 IF ocele s BH efektem (BH steels)
Běžné IF ocele mají nízkou a nevýraznou mez kluzu, která je sice výhodná z pohledu tvářitelnosti, ale nevýhodná z hlediska odolnosti proti vtlačení, a proto byly vyvinuty IF oceli, které vykazují BH efekt [7].
BH efekt je ve své podstatě umělé stárnutí materiálů. Podmínkou pro použití tohoto principu je přítomnost uhlíku ve formě tuhého roztoku. Stejného efektu lze docílit i u ocelí s přebytkem titanu a niobu, ale celý proces je následně energeticky náročnější, protože uhlík potřebný pro vytvrzovací efekt se musí získat rozpuštěním karbonitridických precipitátů při vysokoteplotním žíhání na kontinuální lince s následným rychlým ochlazení. Pro vznik BH efektu je nutné dodávat teplo (T = 170o) po určitou dobu ( t = 20 min), což má následek zvýšení meze kluzu až o 40 -70 MPa. IF oceli s BH efektem se používají na výrobu vnějších dílů karoserie, jako je kapota apod.[2].
2.1.2.4 Uhlík-manganové oceli (C – Mn steels)
Obsah manganu v uhlíkových ocelí (0,1 – 0,25 % C) se pohybuje v rozmezí od 1,2% do 1,8% a přidává se za ke zlepšení prokalitelnosti, houževnatosti a pevnosti v tahu, která může dosahovat hodnot až 600 MPa.
2.1.2.5 Vysokopevnostní mikrolegované oceli (HSLA)
Mechanické vlastnosti mikrolegovaných ocelí jsou závislé na mikrostruktuře, která je tvořena uhlíkem (0,05-0,5 %) a manganem (až 2 %). Tvoření karbonitridových precipitátů je hlavním mechanismem zpevnění u mikrolegovaných ocelí. Niob, vanad a titan zvyšují pevnost, která může dosahovat až 700 MPa, a houževnatost ovlivněním austenitického zrna. Tyto oceli se požívají pro speciální konstrukce a součástky, které musí odolávat nárazu [7].
2.1.3 Ultra vysokopevnostní oceli
U těchto ocelí je struktura je tvořena minimálně dvěma fázemi. Základní měkká fáze je tvořena feritickou matricí a druhá martenzitem, bainitem a případně i perlitem. Ultra vysokopevnostní plechy se používají pro výrobu bezpečnostních prvků (výztuhy apod.) a dělí se do těchto skupin [7]:
Ø DP oceli Ø Trip oceli Ø Twip oceli Ø CP oceli
Ø Martenzitické oceli Ø Mangan – borové oceli
2.1.3.1 DP oceli – dvojfázové oceli (Dual Phase)
Dvojfázové oceli se skládají z feritické matrice, ve které je obsažen martenzit ve formě ostrůvků (obr. 2.6.).
Obr. 2.6. Mikrostruktura DP oceli [10]
Tato struktura zaručuje pevnost 500 – 1000 MPa a velmi dobrou tvářitelnost za studena. V některých případech může struktura obsahovat i bainit, který odolává vzniku trhlin na okrajích otvoru při rozšiřování. První fáze ve formě feritu je zpravidla souvislá, čímž je dána dobrá tažnost. Před působením deformační síly se napětí koncentruje v měkké fázi (ferit), kterou obklopují ostrůvky martenzitu, a tím dochází ke zpevnění ocelí. Vlivem působení deformační síly při kterém vzrůstá mez kluzu maximálně na 70% meze pevnosti, oproti mikrolegovaným ocelím (HSLA),
kde mez kluzu vzrůstá až na 90% meze pevnosti, vykazují tyto oceli lepší tvářitelnost (obr. 2.7.) [2].
Obr. 2.7. Porovnání mechanických vlastností HSLA, DP a TRIP oceli [3]
Z tohoto důvodu mají plechy z DP oceli vysoký koeficient deformačního zpevnění, čímž se značně ulehčuje tvářecí proces. Tyto materiály umožňují využít také BH efektu. V DP oceli je ponecháno větší množství uhlíku, které umožňuje formování martenzitu během ochlazování, čímž se dosáhne dobré prokalitelnosti.
Přidáním jednotlivých prvků jako je mangan, chrom, molybden, vanad a nikl. Lze dosáhnout lepších hodnot prokalitelnosti. Uhlík podporuje tvorbu martenzitu a zpevňuje ferit ve formě tuhého roztoku, stejně jako křemík a fosfor. Tyto prvky udržují výborné mechanické vlastnosti materiálu. Použití DP ocelí je vhodné pro výztuhy bezpečnostních částí.
2.1.3.2 TRIP oceli (Transformation – Induced Plasticity)
Mikrostruktura TRIP ocelí je tvořena zbytkovým austenitem (min. 5%), který je obsažen v primární fázi feritu. Navíc je zde obsažen bainit a martenzit v proměnném množství (obr. 2.8).
Obr. 2.8. Mikrostruktura TRIP ocel [10]
TRIP oceli mají na rozdíl od DP ocelí vyšší obsah uhlíku, který snižuje teplotu Mf (martenzit finish) pod teplotu okolí, při níž se vyloučí zbytkový austenit.
Při nižším obsahu uhlíku se austenit přemění na martenzit již během tváření, čímž dojde k vysokému zpevnění ocelí. Při vyšším obsahu uhlíku je tomu naopak.
Austenit zůstává stabilní a k jeho přeměně na tvrdou fázi (martenzit) dojde až při další deformaci, kterou může být např. náraz. Pevnost až 1050 MPa a dobrá tažnost předurčují tyto oceli k výrobě nejnáročnějších součástí v automobilovém průmyslu [2]. Nejčastějším použitím TRIP ocelí jsou deformační výztuhy bezpečnostních částí vozu.
2.1.3.3 TWIP oceli (Twinning – Induced Plasticity)
Tyto velmi moderní materiály patři do skupiny austenitických ocelí, které mají vynikající mechanické vlastnosti. Obsahují 15 – 20 % manganu a další prvky jako je hliník a křemík. Mez pevnosti v tahu může dosahovat 1200 MPa při 50%
tažnosti, dokonce i při velmi nízkých teplotách a velkých rychlostech deformace. Při pevnosti TWIP oceli 620 MPa může tažnost dosahovat až neuvěřitelných 88% . Tyto oceli využívají ke zpevnění TWIP efektu neboli dvojčatění austenitických zrn. Tento materiál je velice perspektivní, protože díky své vysoké tažnosti (obr 2.9.) se může
Obr. 2.9. Zkroucená zkušební tyč z TWIP oceli [7]
deformovat i po tváření. TWIP oceli jsou stále ve vývoji, ale je zřejmé, že budou využívány pro výrob nosných dílu karoserie, které jsou podrobeny vysokému zatížení [7].
2.1.3.4 CP oceli – komplexní fáze (Complex Phase)
Jsou to oceli s velmi jemnou mikrostrukturou skládající se z feritu a většího množství tvrdých fází jako je bainit či martenzit (obr. 2.10).
Obr. 2.10. Mikrostruktura CP oceli [10]
Obsahují stejné legující prvky jako DP a TRIP oceli. CP oceli často obsahují také malé množství prvků jako je niob, titan a vanad, které podporují tvorbu jemného precipitátu, a proto mohou být vedle strukturního zpevnění zpevňovány také pomocí precipitace. CP oceli mají vysokou mez pevnosti dosahující hodnot 800 – 1100 MPa s tažností minimálně 10 %. Schopnost absorpce deformační energie, která vzniká při nárazu, předurčuje tyto oceli k výrobě bezpečnostních prvků karoserie (např. výztuhy nárazníků, sloupků apod.) [7].
2.1.3.5 Martenzitické oceli
U těchto ocelí je téměř všechen austenit, který vzniká během válcování ze tepla nebo během žíhání, transformován v martenzit (obr. 2.11). Během ochlazování na válcovací trati nebo ochlazováním z žíhacích teplot. Tato struktura může vzniknout také ochlazením po tváření za tepla. Martenzitické ocele poskytují nejvyšší hodnoty meze pevnosti v tahu, které mohou dosáhnout až 1500 MPa. Tyto oceli bývají často popouštěny z důvodu zlepšení tvárnosti při extrémně velkých silách [7].
2.1.3.6 Mangan – bórové oceli
Mangan – bórové oceli jsou novým velmi perspektivním materiálem. Řadí se do kategorie ocelí vhodných ke kalení. Tento typ ocelí je legován především manganem a bórem. Proto jsou nazvané mangan – bórové oceli, které mají obvykle feriticko – perlitickou strukturu a vyznačují se svojí menší pevností (Rm = 450 -550 MPa) a dobrou tvárností (A80 = min. 20 %) před tepelným zpracováním. Při tepelném zpracování je ocel zahřátá na austenitickou teplotu a při řízeném ochlazování se vyloučí struktura ve formě martenzitu, který dodává oceli vysokou pevnost (až 1650 MPa). Tato ocel byla vyvinuta především pro snížení celkové váhy vyráběných dílů, které musí odolávat nárazu. Používá se na prvky, které zajišťují bezpečnost celé karoserie (boční výztuhy, sloupky, prahy, středový panel atd.) [7].
3. Mechanismy zpevnění ocelí
3.1 Deformační zpevnění
Deformační zpevnění nastává při tváření za studena, při kterém probíhají velké plastické deformace. Tento děj je doprovázen zvyšováním odporu proti dalšímu přetvoření a zároveň vyčerpáním plastických vlastností materiálu. Příčinou ztráty plastických deformací je vznik poruch v krystalové mřížce. Vzniklé vady (dislokace), které se hromadí uvnitř zrn tvářeného kovu, jsou zdrojem vnitřních napětí při tváření a způsobují vlastní zpevnění materiálu. Průvodním jevem deformačního zpevnění je zvýšení meze kluzu, meze pevnosti v tahu a snížení tažnosti [6].
3.2 Zpevnění tuhého roztoku
Při tomto druhu zpevnění vytváří prvky jako uhlík, fosfor, dusík, mangan či bór intersticiálně tuhé roztoky ve feritové matrici oceli. Prvky jako chrom a nikl vytvářejí substitučně tuhé roztoky. Protože se velikosti atomů legujících prvků a atomů železa liší, dochází k deformaci elementární mřížky základního kovu [5]. Tím je bráněno volnému pohybu dislokací, což způsobuje vlastní zpevnění materiálu.
Obecně platí, že intersticiální atomy zvyšují ve větší míře pevnosti ocelí oproti substitučním atomům, neboť výrazně zvyšují vnitřní energii mřížky (obr. 3.1.). Lze
to vysvětlit tím, že intersticiální atomy se musí vměstnat mezi základní atomy, čímž dojde k podstatnějšímu navýšení pružné deformace, než když substituční atom nahradí základní atom.
Obr. 3.1. Zpevnění tuhého roztoku
1. základní atom, 2. substituční atom, 3. intersticiální atom
3.3 Zpevnění zjemněním zrna
Zjemnění zrna feritu je jeden z nejdůležitějších principů zpevnění při tepelném zpracování ocelí. Jedná se v podstatě o tzv. tepelně-mechanické zpracování. Volbou teploty při řízeném válcování a volbou podmínek následného ochlazování lze získat požadovanou jemnozrnnou strukturu. Princip spočívá v tom, že při tváření za studena dochází ke zvětšení hustoty dislokací, které se šíří na okraj zrn, kde se hromadí. Toto nahromadění na překážce způsobuje napětí, které vede ke zpevnění materiálu. Při hrubé struktuře je nutný velký počet dislokací k překročení této kritické hodnoty napětí, která způsobí vlastní zpevnění materiálu, a proto je zřejmé, že při jemnozrnné struktuře bude zpevnění výraznější při stejném počtu dislokací.V případě, že velikost zrna se u hlubokotažných ocelí pohybuje okolo 0,25 mm, pak mez pevnosti dosahuje 100 MPa [5].
3.4 Zpevnění precipitací
Při zpevňování precipitací dochází k rozpadu přesyceného tuhého roztoku a vzniku nové fáze. K rozpadu tuhého roztoku dochází při přesycení rozpuštěnou složkou při změně teploty [8]. Vlastní zpevnění je založeno na blokování skluzových rovin částicemi, které vznikly precipitací. Tyto částice jsou velmi tvrdé, a proto je pohybující se dislokace nejsou schopny protnout. Dislokace zakotví na této přepážce a vytvoří okolo ní smyčky (obr. 3.3.). S rostoucím počtem smyček dojde ke vzniku vnitřních sil, které mají za následek zvýšení meze kluzu, pří snížení tvárnosti.
2
3
Obecně platí, že jemné částice vzniklé precipitací zpevňují materiál více, protože blokují daleko více skluzových rovin než hrubé částice.
Obr. 3.3. Dislokace zachycená tvrdými částicemi vzniklými precipitaci
3.5 Zpevnění BH efektem
Bake Hardening neboli BH efekt je zpevnění materiálu, ke kterému dochází až při zpracování výrobku. Jedná se podstatě o tzv. umělé stárnutí oceli, které probíhá např. při vypalování laku karoserie při teplotě 170°C po dobu 20 minut. Principem BH efektu je to, že volné atomy uhlíku difundují (obr. 3.4.) do míst s největší energií, tedy do okolí dislokací, kde brání jejich pohybu. Tímto mechanismem dochází ke zpevnění ocelí, při kterém se mez kluzu může zvýšit o 30 až 80 MPa. Podmínkou pro tento děj je přítomnost uhlíku ve formě tuhého roztoku i po válcování za tepla.
Obr. 3.4. Zpevnění pomocí činnosti BH efektu [7]
3.6 TRIP efekt
Transformation Induced Plasticity neboli tvárnost vyvolaná transformací je proces, při kterém se přeměňuje austenit na martenzit (obr.3.5.). Při výrobě této oceli je ocel ohřátá na teplotu cca. 900°C za účelem vytvoření nestabilní, ale vysoce tvárné krystalické mřížky (austenit), která neexistuje při běžné teplotě. Po následném řízeném ochlazování je tato struktura vrácena do stabilní tvrdé krystalické mřížky,
kde všechny krystaly zůstaly v původní formě. V oceli však zůstává zbytkový austenit, který se transformuje v martenzit již s nepatrným účinkem působící síly, a proto dochází ke zpevnění další deformací např. nárazu.
Obr. 3.5. Přeměna austenitu na martenzit – Trip efekt [7]
3.7 TWIP efekt
TWIP (Twinning Induced Plasticity) efektem se rozumí dvojčatní austenitických zrn, při kterém nedochází k přeměně na martenzit. Pro využití TWIP efektu je nutné přizpůsobit chemické složení tak, aby energie vrstvené chyby zakázala austenitu transformaci na martenzit. V případě, že austenit má relativně nízkou stabilitu, může dojít k jeho přeměně na martenzit, a proto je stabilita austenitu důležitým vznikem pro vznik TWIP efektu.
3.8 Zpevnění dvou a více fázových ocelí
Kromě již popsaných principů lze využít vytvrzení vnesením strukturních složek (martenzit, bahnit, perlit), které mají různou tvrdost a pevnost, do základní kovové matrice materiálu [5]. Tyto strukturní složky lze získat kontinuálním žíháním a řízeným ochlazováním z feriticko-austenitické oblasti na válcovací trati.
4. Analýza výlisku karosářského typu
[8]4.1 Problematika tažení a výlisků karosářského typu
Tažení výlisku nepravidelných tvarů, jejichž klasickým představitelem jsou karosářské výlisky, představují z technologického hlediska širokou problematiku výrazně se odlišující od problematiky hlubokého tažení jednoduché rotační nádoby.
Při jejich lisování se uplatňují na rozdíl od hlubokého tažení, jak posuvy tak vypínání. Výlisky nepravidelných tvarů je možné z hlediska jejich prostorového tvaru rozdělit do dvou základních skupin [9]:
1) ploché výlisky, při jejímž vzniku se uplatní hlavně vypínání a méně posuvy,
2) výlisky se složitým a hlubokým prostorovým tvarem, při jejímž vzniku se uplatní hlavně hluboké tažení a méně vypínaní.
Vzhledem k tomu, že se jedná o výlisky nepravidelných tvarů, které se mění v závislosti na konstrukci a tvaru karoserie, je nutno vždy znovu řešit i základní otázky technologie tažení daného dílu. Při globálním pohledu na uvedenou problematiku jako na systém vzájemného působení mnoha faktorů se názorně ukáže její náročnost. Jednotlivé prvky systémů jsou:
Ø vstupní materiál – plech,
Ø navržený tvar výlisku a nástřihu, Ø vzájemná interakce nástroj – plech, Ø funkce soustavy stroj – nástroj.
4.2 Vztah plastičnosti a tvářitelnosti
Schopnost kovových těles měnit trvale svůj tvar a rozměry závisí především na jejich plastických vlastnostech. Tyto vlastnosti se mění s chemickým složením a fyzikálním stavem kovů, ale jsou ovlivnitelné též podmínkami tváření. Plastičnost (tvárnost), která je předpokladem tvarových změn, lze definovat jako schopnost k trvalým změnám tvaru tělesa pod účinkem vnějších sil. Je třeba ji chápat jako
určitý fyzikální stav látky, tedy podmíněnou vlastnost závislou na mnoha činitelích.
Těmi jsou chemické složení a struktura materiálu, teplota, rychlost přetvoření a stav napjatosti. Základním požadavkem je, aby při tvarových a rozměrových změnách nebylo dosaženo porušení soudržnosti tvářeného materiálu či jiným způsobem definovaného mezního stavu. V technické praxi se často schopnost k plastické deformaci kovů spojuje s jejich upotřebitelností pro zpracování daným technologickým tvářecím pochodem. V takovém případě vystupuje další důležitý faktor, jakým je velikost odporu proti přetvoření. Tento faktor ovlivňuje velikost tvářecí síly potřebné na tváření atd.. Hodnotí-li se chování materiálu z hlediska jeho plastičnosti a současně i odporu proti přetvoření, lze hovořit o jeho tvářitelnosti.
4.3 Hodnocení vlastností plechu z hlediska tažení výlisků Technolog nebo konstruktér nástrojů pro plošné tváření potřebuje znát takové charakteristiky plechů, s jejichž pomocí by mohl stanovit meze tvářitelnosti výlisku při daném materiálu. Volba plechu musí zajistit nejen požadované vlastnosti hotového výrobku, ale i spolehlivý chod jeho výroby. Proto je důležité znát jeho vlastnosti a charakteristiky dané hutní výrobou [8]. Hodnocení vlastností tenkých plechů ve vztahu k jejich upotřebitelnosti při tažení výlisků je věnována celosvětově velká pozornost. Snahou je najít takové metody zkoušení, jež by poskytly co nejvěrnější obraz o chování materiálů za situací, které jsou rozhodující pro vznik výlisků – zvláště složitých a nepravidelných tvarů. Právě v rozmanitosti mechanických schémat napětí a přetvoření u těchto dílů je třeba hledat hlavní těžkosti pro objektivní posouzení vhodnosti určitého plechu pro daný typ výlisku.
V praxi se proto tvářitelnost hodnotí na základě ukazatelů, jež se stanoví z výsledků zkoušek, více či méně napodobují vlastní tvářecí pochod a mohou dát do určité míry objektivní představou o praktických vlastnostech plechů. Za kriterium tvářitelnosti se používají ty ukazatele, které ji charakterizují. Tyto ukazatele mohou být jednoduché (prosté), stanovené na základě základních mechanických zkoušek, nebo porovnávací stanovené na podkladě zkoušek přizpůsobených podmínkám tvářecího pochodu.
4.4 Charakteristika výlisku karosářského typu
Jde v převážné většině případů o výlisky, které mají složitý prostorový tvar. Při jejich vzniku se uplatňují přetvoření jak posuvem (přes tažnou hranu tažnice) tak
vypínáním (plech intenzivně bržděn pod přidržovačem), které představují dvě krajní polohy přetvoření plechu, ke kterým dochází při tažení. Při praktickém lisování se oba tyto mezní případy přetvoření objevují současně se vzájemným proměnným podílem dle příslušného tvaru výlisku a technologickými podmínkámi tažení. Pro daný typ výlisku je pak důležitý vhodný podíl posuvu a vypínání. Pro hlubší tvar je nutné více „pustit“ plech z oblasti přidržovače (méně vypínání), aby byl dostatek materiálu na vytvoření požadovaného tvaru výlisku. Tím je ale na plochách výlisku menší zpevnění. Pro mělčí tvar je výhodnější více brzdit posuv plechu do tažnice.
Dojde tak k většímu přetvoření vypínáním a tím i k většímu zpevnění materiálu a plocha výlisku tak bude mít větší stabilitu. Ovšem při intenzivním brždění posuvů může takové napětí v plechu překročit mez pevnosti materiálu a dojde k jeho trhání.
Z nastíněné úvahy vyplývá důležitost volby optimálních poměrů posuvu a vypínaní pro daný výlisek, a to s ohledem na možnost úspěšně vytáhnout požadovaný tvar i s požadovaným zpevněním v ploše výlisku a bez vad. Těmi jsou např. trhliny, zvlnění poškození povrchu, rozměrová a tvarová nepřesnost apod. K technologickým zvláštnostem tažení výlisků karosářského typu patří i to, že plocha vlastního výlisku je mnohem větší než plocha té jeho části, která se nachází v oblasti přidržovače. Tuto skutečnost je možno považovat za určující z hlediska volby technologických podmínek tažení. Množství nejrůznějších faktorů působících v jednotlivých etapách výroby tak může negativně ovlivnit vznik kvalitního výlisku. Velmi důležité jsou již předvýrobní etapy, kdy je navrhován tvar výlisku, technologický postup výroby, materiál, tažný nástroj, další nástroje atd.. Neméně důležitým momentem je i správná funkce soustavy stroj - nástroj. Propracovanost celého procesu vzniku karosářského výlisku může ve svých důsledcích vést k narušení zdárného průběhu čí výsledku lisování. Za nejzávaznější lze označit případy vzniku trhliny na výliscích.
Z předchozích úvah plyne, že výlisek je lisovatelný, jsou- li uspokojivě vyřešeny všechny nastíněné problémy a že řešení otázek lisovatelnosti dílů nepravidelných tvarů je jedním z nejsložitějších problémů plošného tváření.
5. Diagramy mezního přetvoření
[13,14]Při lisování znamená ztráta stability procesu tváření neschopnost libovolného elementu materiálu plechu přenášet tvářecí sílu. Mezní stavy přetvoření daného materiálu je možno vyjádřit za daných teplotně-rychlostních podmínek v závislosti
na napjatosti. Pro sestavení diagramu mezního přetvoření se využívá hlavních kritických normálových přetvoření φ1k, φ2k. Diagram mezních přetvoření lze pak vyjádřit jako závislost největšího přetvoření φ1 na nejmenším přetvoření φ2 v rovině plechu. Na výlisku nelze přímo určit velikost napětí. Lze však pomocí deformační sítě určit přetvoření v jednotlivých místech na výlisku. Je výhodné pro proporcionální přetvoření definovat ukazatel stavu přetvoření mφ vztahem 5.1.
1 2
ϕ ϕ
ϕ =
m (5.1.)
Je zřejmé, že ukazatel přetvoření mφ leží ve stejném intervalu jako ukazatel stavu napjatosti mσ čili mφ <-1,1>. Proto je výhodnější ve vztahu ke komplexní analýze přetvoření používat diagramy mezního přetvoření v souřadnicích φ1, φ2 a používat ukazatel mφ namísto mσ. Praktické zkušenosti ukázaly, že trhliny vznikající na výliscích jsou ohraničeny hodnotami mφ=-0,5 a mφ=1. V tomto rozsahu je pak nutné při sestavování diagramů mezního přetvoření modelovat stavy přetvoření.
Grafické znázornění jednotlivých stavů napjatosti (přetvoření) je vidět na obr. 5.1.
L0
L
Obr. 5.1. Stavy přetvoření v diagramu mezního přetvoření (DMP) [15]
5.1 Definice mezního stavu přetvoření
Velikost mezních deformací je dána plastičností plechu a podmínkami zatěžování, ale také výrazně způsobem definování mezního stavu. Jako hranice mezního stavu přetvoření lze považovat mez pevnosti a porušení materiálu vlivem tvarového lomu. K určení diagramu mezního přetvoření je proto nutné získat množství hodnot mezních přetvoření v rozsahu příslušných stavů mφ pro předem definovaný mezní stav. Modelovat různé stavy mφ lze experimentálně nebo matematicky. Pomocí diagramu mezního přetvoření lze hodnotit plastické vlastnosti různých materiálu, či využít těchto diagramů ke komplexní analýze přetvoření výlisku. V případě experimentálně stanovených diagramů mezního přetvoření je nutné velikost mezního stavu přetvoření měřit pomocí deformačních sítí. Otázkou tedy zůstává, jakým způsobem na reálném výlisku nadefinovat mezní stav přetvoření. Jednoznačné definování mezního stavu přetvoření a způsobu jeho určení je velmi důležité, neboť tyto faktory výrazně ovlivňují polohu a tvar křivky mezních přetvoření.
Řešení problému spočívá v přesném určení definovaného mezního stavu a způsobu jak se bude zjišťovat velikost dosaženého přetvoření, jež bude považováno za mezní. Bylo konstatováno, že je možné mezní stav definovat v rozmezí meze pevnosti a okamžiku vzniku tvárného lomu. Oba takto zvolené mezní stavy představují krajní hranice. Je zřejmé, že se mezi těmito krajními mezemi nalézá celá řada různě definovatelných mezních stavů. Volbu mezního stavu je vhodné, s ohledem na komplexní využití diagramů, uvažovat ve vztahu k reálnému výlisku.
Určit dosažení meze pevnosti u výlisku je dost obtížné, ne-li nemožné, zatímco objeví-li se první trhliny, je naprosto evidentní. První případ může znamenat nevyužití plastičnosti materiálu, druhý pak znamená již neopravitelný zmetek.
Přestože vysokého lomového přetvoření nelze z praktického hlediska ve vztahu k výlisku již využít, bylo by možné k analýze přetvoření použít i křivku mezních přetvoření stanovenou pro okamžik vzniku lomu. Pro reálné výlisky je však prakticky využitelné jen přetvoření realizované do okamžiku vzniku lokálního ztenčení. Potom se deformace lokalizuje do úzkého krčku, kdy za stavu rovinného přetvoření dochází k prodloužení pouze na úkor tloušťky plechu. V okolí krčku k deformaci prakticky nedochází. Vzhledem k malé tloušťce plechu je pak přírůstek přetvoření v tomto okamžiku pro realizaci změny tvaru výlisku zanedbatelný.
Charakter rozložení přetvoření v okolí trhliny v různých fázích tažení je zřejmý z obr. 5.2. Objektivní vizuální určení definovaného mezního stavu je dosti obtížné. Obecně nejrozšířenější postup při určování mezního přetvoření dle výše uvedené definice vychází z výběru vhodných elementů z okolí lomu, jak je naznačeno na obr. 5.3. Zviditelnění lokálního ztenčení okolo trhliny se dosáhne mírným poškrábáním povrchu plochým brouskem. Výběr pak zahrnuje elementy deformační sítě zasažené lomem č. 1 na obr. 5.3. , lokálním ztenčením č. 2 a takové, které sousedí s místem porušení, ale nejsou zasaženy ani lomem, ani lokálním ztenčením č. 3. Poloha bodů v diagramu mezního přetvoření představujících přetvoření dle jednotlivých vybraných elementů je zřejmá v diagramu mezního přetvoření budou nejvýše body č.1, pak č. 2 a nejníže č. 3. Křivka mezních přetvoření ve smyslu navržené definice pro počátek lokálního ztenčení je vedena tak, aby ležela nad body určené elementy č. 3 a pod body danými elementy č. 1 a č. 2.
Takto určená křivka mezního přetvoření v podstatě odděluje diagram mezního přetvoření na dvě oblasti. Nad ní existuje lokální ztenčení, pod ní ještě nedošlo k lokalizaci deformace. Křivka mezního přetvoření tvořící rozhraní obou těchto oblastí tak může odpovídat počátku vzniku lokálního přetvoření a plně vyhovět dané definici mezního stavu.
porušení
lokální ztenčení
difuzní ztenčení
rovnoměrné přetvoření
ϕ
1d [mm]
Obr. 5.2. Charakter rozložení přetvoření ϕ1v okolí trhliny
lokální ztenčení lom
poškrábaný povrch
1 4
3 2
Obr. 5.3. Výběr elementů deformační sítě pro určení mezního přetvoření
Všechny výše zmíněné postupy určení mezního stavu si kladou za cíl co nejpřesnější a nejjednodušší určení mezního přetvoření v souladu s přijatou definicí.
S ohledem na využívání experimentální metody určení diagramu mezního přetvoření v rozsáhlém měřítku, důležitém pro potřeby praxe, aby metoda určování mezního přetvoření byla rychlá, snadná, pokud možno jednoznačná a v souladu s jeho definicí, je výhodné odvíjet stanovení mezního stavu právě od vzniku lomu. Pak dle přijaté definice mezního stavu vhodně vybrat v okolí trhliny jednotlivé elementy deformační sítě, které budou použity ke stanovení mezního přetvoření. Pro přesné určení mezního stavu je navíc nutno měřit elementy v místě prvního vzniku lomu. Za mezní přetvoření je dle výše přijaté definice považováno to, které z vnějšku bezprostředně sousedí s lokální zónou. Tomu odpovídá střed elementu č.4 na obr.
5.3. (50% elementu zasaženo lokálním ztenčením) a jeho hodnota je na obr. 5.2.
označena šipkami. Výběr právě takového elementu je však, s ohledem na proměnnou šířku lokálního ztenčení v závislosti na tloušťce plechu a mφ při daném parametru sítě, značně problematický.
Z dosud provedených experimentů vyplývá, že přijaté definici mezního stavu se nejvíce blíží hodnoty, které jsou získány měřením elementů č.2 na obr. 5.3.. Na podstatné části plochy vymezené těmito elementy je rovnoměrné přetvoření, ale část této plochy je zasažena lokálním ztenčením, které zvyšuje naměřené přetvoření φ1 a napomáhá kompenzovat snížení hodnoty přetvoření v důsledku gradientu přetvoření φ1. Při dané velikosti elementu sítě je totiž změřená hodnota deformace přiřazena středu elementu. Střed měřené elipsy č.2 na obr. 5.3. však není totožný s rozhraním
„lokální ztenčení-rovnoměrná oblast“, kde lze očekávat dle přijaté definice mezní
přetvoření, ale je posunut dál do rovnoměrné oblasti, a tedy k nižším hodnotám přetvoření. Tento postup má tu výhodu, že snížením počtu měření (omezujeme se pouze na měření elementů č.2) se poněkud sníží pracnost celého experimentu. Další výhodou je, že umožňuje následné statistické zpracování výsledků, které značně rozšiřuje množství informací vytěžitelné z realizovaného experimentu.
5.1.1 Metody získávání diagramu mezního přetvoření
Základní metody rozlišení způsobu stanovení diagramů mezních přetvoření lze rozdělit do několika skupin dle způsobu určení vypočtených hodnot, které jsou nutné pro stanovení diagramu mezních přetvoření [14].
5.1.2 Experimentální určení
Pro experimentální zjištění křivky mezního přetvoření se v laboratořích využívá různých metod.
1) Hydraulická vypínací zkouška
Podstata zkoušky spočívá ve vypínání kruhového přístřihu do elipsovitého tvaru matrice. Zkouška je ukončena vznikem trhliny na vzorku.
Zjištěné deformace jsou v obou směrech různé.
2) Zkouška tahem se vzorky s vrubem
Zkouška se zakládá na natahování pásků s konstantní šířkou (20, 30 mm), ale s různým poloměrem vrubů ( od 5 do 40 mm ).
3) Zkouška vypínací s různými tvary tažníku
Zkouška se provádí vypínáním přístřihu kruhovou matrici a tažníkem, který má stále stejnou výšku, ale pokaždé s jiným zaoblením hran. Různá zaoblení tažníku mají za následek různou napjatost v materiálu.
4) Zkouška tažení kruhových odlehčených přístřihů
Využívá se polokulového tažníku a kruhových vzorků s vruby o poloměru (0 až 80mm). Různou kombinací poloměrů vrubů se popíše celá křivka mezního přetvoření.
5) Zkouška tažení pásků s proměnlivou šířkou v pevném nástroji
Na tažníku se táhnou pásky s různou šířkou (50 až 160 mm). Touto metodou se nechá popsat celá křivka mezního přetvoření. Nevýhodou se stává, nemožnost kontrolovat místo vzniku trhliny.
6) Zkouška vypínáním tvarových zkušebních těles s proměnnou šířkou b
Tato metoda určení diagramů mezního přetvoření je dlouhodobě používaná na katedře strojírenské technologie TU v Liberci. Více informací o této metodě je uvedeno v kapitole 4.2.8. Sestavení diagramu mezního přetvoření.
6. Analýza deformace – optický systém ARGUS 4M
6.1 ARGUS 4M – charakteristika
Jedná se bezkontaktní optický systém, který je určen pro měření 3D deformací kovových komponentů při tvářecích procesech. Původně byl vyvinut pro automobilku Renault. V dnešní době je tento systém používán téměř ve všech lisovnách automobilového průmyslu stejně tak jako u většiny jejich dodavatelů a výzkumných institucí po celém světě [16].
Hlavní části tohoto zařízení jsou tvořeny snímací kamerou č.1, výpočetní stanicí č.2, pomocným zařízení pro manipulaci ze vzorkem č.3 (obr.6.1).
Obr. 6.1. Optické zařízení ARGUS 4M [16]
Snímací kamera, která slouží k zachycení tvářecích změn na vzorcích pomocí snímkování. Výpočetní jednotka slouží, ke zpracování a následnému výpočtu a zobrazení výsledných hodnot dle. uživatelského nastavení. Pomocné zařízení pro manipulaci se vzorkem slouží k jeho pevnému ustavení a rotaci při samotném snímkování [18].
1
2
3
6.2 Základní rozdělení systému:
a) ARGUS 2M: je určen pro základní úlohy měření deformací, kde není požadováno vysoké rozlišení. Rozlišení CCD čipu je u tohoto modelu 2000 000 pixelů. Vhodný pro středně velké díly.
b) ARGUS 4M: je vzhledem k vyššímu rozlišení CCD čipu pro měření velkých objektů nebo pro měření detailů. Rozlišení CCD čipu 4000 000 pixelů.
c) ARGUS 12M: je určen pro náročnější úlohy měření deformací, kde je požadavek na vysoké rozlišení detailů. K měření se používá digitální fotoaparát Nikon D2X s rozlišením CCD čipu 12 000 000 pixelů.
6.3 Přednosti tohoto systému a proces měření:
Ø mobilita (systém lze převážet v osobním automobilu) Ø flexibilita (snadná změna velikosti záběru a rozlišení) Ø velký rozsah měření (objekty od 100mm do několika m) Ø rozsah měření deformace (od 0,5% až do několika stovek %) Ø přehledná analýza výsledků měření (grafické vizualice) (obr. 6.2. a obr. 6.3)
Obr. 6.2. Díl v reálném zobrazení [16] Obr. 6.3. Díl zobrazený pomocí
barevných polí v 3D systému [16]
Samotný proces měření, jemuž se věnuje kap. 7.2.2.1.- „Příprava vzorku”
lze stručně charakterizovat pomocí několika bodů [17]:
a) na měřený objekt je elektrochemicky vyleptána mřížka bodů o mikroskopické tloušťce
b) vzdálenost středů bodů mřížky je standartě mezi 1 až 6 mm mřížka se deformuje zároveň s vylisováním plechového dílu c) po vylisování je plech změřen kamerou CCD čipem
d) ze snímků jsou pomocí image processingu vypočteny 3D souřadnice bodů mřížky
e) vzdálenost mezi body mřížky definuje posunutí v prostoru
f) na základě metody zachování konstantního objemu je vypočteno rozložení hlavní a vedlejší deformace, redukce tloušťky materiálu a sestaven FLD diagram
g) výsledky jsou zobrazeny na 3D modelu jako barevná mapa nebo v řezech
7. Experimentální část
Cílem experimentální části je ověřit možnosti optického systému ARGUS 4M při analýze deformace výlisku v okolí lokálního ztenčení, či trhliny. Předpokládá se využití výsledků předkládané práce pro rozsáhlejší využití ARGUS 4M dle požadavků firmy ŠKODA AUTO a.s. Jako srovnávací měření, které umožňuje analýzu deformace i v blízkém okolí trhliny, byla volena konveční metoda měření na dílenském mikroskopu. Toto zařízení je používáno na katedře strojírenské technologie FS TUL. Testy budou provedeny na zkušebních vzorcích, které svým tvarem modelují různé stavy napjatosti na výlisku. Pro každou deformační stopu je použito dvou sad vzorků, na kterých je provedena deformační analýza výše uvedenými metodami. Postup měření je stručně charakterizován následujícím
schématem 7.1..
Použité materiály
Ověření mechanických vlastností
Analýza deformací
Dílenský mikroskop ARGUS 4M
Příprava vzorku Příprava vzorku
Proces měření Proces měření
Porovnání a diskuze výsledných hodnot
Závěr
Schéma 7.1. Postup měření
7.1 Použité materiály a jejich zpracování:
Materiály byly stanoveny firmou ŠKODA AUTO a.s., tak aby se lišily svými mechanickými vlastnostmi. Jedná se o tři různé výlisky (tab.7.1) , které se používají při výrobě karoserie vozidla.
Tab. 7.1. Vybrané komponenty a jejich jakosti
Název dílu: Materiál (jakost):
Povrchový plech kapoty (Octavia II. generace) DX56 D +Z100 MC
Výztuha příčníku HX260 LAD +Z100 MB
Povrchový plech kapoty (Fabia I. generace) HX180 BD +Z100 MC
Jednotlivé ukázky dílu jsou zobrazeny na obr.7.2. až obr.7.4.:
Obr. 7.2. Povrchový plech kapoty (Octavie II. generace)
Obr. 7.3. Povrchový plech Obr. 7.4. Výztuha příčníku kapoty (Fabie I. generace)
Jednotlivé jakosti pro dané materiály jsou vysvětleny dle. normy [19]
DX 56D Z100 MC
DX 56D – „katalogové“ označení materiálu. Jedná se o žárově pozinkovaný plech vysoké jakosti s přesně definovaným způsobem výroby. Žárové pozinkování se děje spojitým průchodem plechu zinkovací lázní.
V zinkové lázni musí být minimálně 99% zinku.
Z100 – Tato hodnota udává, kolik gramů zinku má být naneseno na jeden m2. Pro toto označení to znamená 100 gramů zinku na 1 m2.
MC Tato hodnota udává provedení a jakost povrch [20].
HX 180BD Z100 MC
HX 180BD – „katalogové” označení materiálu. Jedná se o žárově pozinkovaný plech vysoké jakosti s přesně definovaným způsobem výroby. Tyto materiály jsou vhodné pro B.H. efekt. Žárově pozinkování se děje spojitým průchodem plechu zinkovací lázni. V zinkové lázni musí být minimálně 99% zinku.
Z100 - Tato hodnota udává, kolik gramů zinku má být naneseno na jeden m2. Pro toto označení to znamená 100 gramů zinku na 1 m2.
MC - Tato hodnota udává provedení a jakost povrch [20].
HX 260LAD Z100 MB
HX 260LAD - „katalogové” označení materiálu. Jedná se o žárově pozinkovaný plech vysoké jakosti s přesně definovaným způsobem výroby. Žárově pozinkování se děje spojitým průchodem plechu zinkovací lázni.
V zinkové lázni musí být minimálně 99% zinku.
Z100 - Tato hodnota udává, kolik gramů zinku má být naneseno na jeden m2. Pro toto označení to znamená 100 gramů zinku na 1 m2.
MC - Tato hodnota udává provedení a jakost povrch [20].
7.1.1 Mechanické vlastnosti testovaných materiálů
Materiál pro provedení testů byl odebrán v průběhu zhotovení nástřihu ze střední série za sebou v nástřihové lince ve firmě Škoda Auto a.s.. Vybrané informace o materiálech jsou uvedeny v materiálových průvodkách (tab. 7.5. až tab.
7.7.).
Tab. 7.5. Materiálová průvodka Tab. 7.6. Materiálová průvodka
Materiálová průvodka Materiálová průvodka
SQS M15A SQS M12A
Číslo svitku 288177 Číslo svitku 291106 Datum uskladnění svitku 6.11.2006 Datum uskladnění svitku 10.11.2006
Jakost DX 56D Z100 MC Jakost HX 260LAD Z100 MB Název dodavatele Sollac Název dodavatele Sollac
Skladové číslo 288272 Skladové číslo 19927 Množství (kg) 23480 Množství (kg) 12277
Materiálové číslo --- Materiálové číslo ---
Den nástřihu 5.12.2006 Den nástřihu 13.12.2006 Číslo dílu --- Číslo dílu ---
Název dílu POVRCH. PLECH KAP. Název dílu VYZTUHA PRICNIKU
Tab. 7.7. Materiálová průvodka
Materiálová průvodka SQS M15A
Číslo svitku 129936 Datum uskladnění svitku 23.11.2006
Jakost HX 180BD Z100 MC Název dodavatele Ekostahl
Skladové číslo 232200 Množství (kg) 27780
Materiálové číslo ---
Den nástřihu 21.12.2006 Číslo dílu ---
Název dílu POVRCH. PLECH. KAP.
7.1.2 Měření drsnosti povrchu
Pro měření drsnosti povrchu plechu se použil moderní drsnoměr HOMEL TESTER T1000, který je vidět na obr 7.5. Tento přístroj je přizpůsoben pro měření drsnosti, vlnitosti a parametru profilu plechu podle norem DIN, ISO, JIS.
Obr. 7.5. Drsnoměr HOMEL TESTER T1000
7.1.2.1 Princip měření
Měřící přístroj HOMEL TESTER T1000 pracuje vždy s jedním z pěti možných programů. Přiložený snímač na testovaný materiál měří drsnost povrchu na ploše 37,5 mm2. Jedná se pruh o konstantní šířce 2,5 mm a délce pohybující se v intervalu od 0 do 15 mm. Pohyb posuvu jezdce je stanoven výrobcem přístroje na 1,0 mm.s-1. Měřící podmínky nastavené pro měření povrchu materiálů vycházejí z DIN EN ISO 4288:1998 a DIN EN ISO 3274:1998. Přístroj provádí měření v šesti usecích, z nichž se jeden (s největším rozptylem hodnot) automaticky odfiltruje.
Výsledkem jsou potom průměrné hodnoty zjištěné z pěti nezávislých cyklů. Měření proběhlo přiložením měřícího snímače na povrch plechu ve směru rovnoběžném a kolmém vůči směru válcování v souladu s normou pro hutní výrobu. V obou případech bylo provedeno osm měření drsnosti povrchu na vnější a vnitřní straně plechu. Výsledky měření jsou stanoveny v tab 7.8..
Tab. 7.8. Průměrná drsnost testovaného materiálu
DX 56D Z100 MC HX 260LAD Z100 MB HX 180BD Z100 MC
Zjišťované veličiny
ssss Vnitřní strana
Vnější strana
Vnitřní strana
Vnější strana
Vnitřní strana
Vnější strana
Ra [μm] 1,23 1,19 1,31 1,39 1,4 1,41
s 0,09 0,05 0,04 0,05 0,02 0,03
Rz [μm] 6,26 5,74 7,37 7,18 8,33 8,22
s 0,75 0,32 0,42 0,68 0,08 0,39
Pc [-] 103 104 79 81 107 90
s 2,94 4,19 1,25 1,25 2,94 2,05
Z naměřených výsledků je patrné, že všechny tři měřené materiály splňují z hlediska drsnosti povrchu požadovaná kritéria daná dodavatelem.
7.1.3 Statická zkouška tahem [21]
7.1.3.1 Statická zkouška tahem
Statická zkouška tahem je stále považována za jednu z ověřovacích metod k vyhodnocení mechanických vlastností. Z hodnot naměřených při tahové zkoušce lze odvodit celou řadu kombinovaných ukazatelů a významných parametrů. Požadované hodnoty z nichž jsou nejvýznamnější např. tažnost, koeficient normálové anizotropie
