2. Teoretická část

Fakulta strojní

Studijní program M2301 – Strojní inženýrství

Strojírenská technologie zaměření tváření kovů a plastů

Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

Zvýšení životnosti tvářecího nástroje při výrobě šroubů za studena

Cold headed parts tooling life time increasment

Václav Šantin KSP - TP - 811

Vedoucí diplomové práce: Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. – TU v Liberci Konzultant diplomové práce: Ing. Pavel Doubek, Ph.D. – TU v Liberci

Rozsah práce a příloh:

Počet stran 71 Počet tabulek 15 Počet příloh 14 Počet obrázků 43

Počet grafů 3 Datum: 20.05.2008

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

Studijní program: M2301 – Strojní inženýrství

Diplomant: Václav Šantin

Téma práce: Zvýšení životnosti tvářecího nástroje při výrobě šroubů za studena

Cold headed parts tooling life time increasment

Číslo DP: KSP - TP - 811

Vedoucí DP: Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. – TU v Liberci Konzultant: Ing. Pavel Doubek, Ph.D. – TU v Liberci

Abstrakt:

Diplomová práce se zabývá návrhem tvaru redukovacích nástrojů při tváření šroubů za studena. Cílem bylo získat co nejnižší tvářecí síly a co nejvyšší životnost tvářecích nástrojů.

Abstract:

Thesis describes proposal to the shape of the reduction tooling for cold headed fasteners. The goal was to establish optimal ic. max tooling life time based on minimal molding forces.

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.

V Liberci, 23. května 2008

...

Václav Šantin Svijany 77 463 46 Příšovice

pomohli při zpracování zadání této diplomové práce, což vždy nebyl jednoduchý úkol.

Mé poděkování patří především oddělení Technické přípravy výroby ve firmě Kamax Turnov, jmenovitě Petru Klementovi a Ing. Martinu Kuželovi, kteří byli mým vedením v technické stránce diplomové práce. Děkuji vedení firmy Kamax za možnost realizace měření přímo ve výrobě při tváření šroubů za studena.

Mé poděkování směřuje také vedoucímu diplomové práce Ing. Pavlu Solfronkovi, PhD., za bezmeznou trpělivost a za doplňující informace, díky kterým jsem mohl diplomovou práci dokončit. J

7 OBSAH

1. ÚVOD...10

2. TEORETICKÁ ČÁST...11

2.1 TVÁŘENÍ ZA STUDENA – LISOVÁNÍ ...11

2.2 ZPŮSOBY TVÁŘENÍ ŠROUBŮ ...12

2.2.1 PĚCHOVÁNÍ...12

2.2.2 REDUKOVÁNÍ...13

2.2.3 TAŽENÍ...15

2.2.4 PROTLAČOVÁNÍ...15

2.2.4.1 Dopředné protlačování...15

2.2.4.2 Zpětné protlačování...17

2.2.5 DĚROVÁNÍ...20

2.2.6 ODSTŘIŽENÍ...20

2.3. TEORETICKÉ PŘETVÁŘECÍ SÍLY ...21

2.4 VÝROBA ŠROUBŮ V KAMAXU TURNOV...22

2.4.1 VÝROBA ZÁVITU...26

2.4.2 ZUŠLECHTĚNÍ ŠROUBU + POVRCHOVÁ OCHRANA...26

2.5 VSTUPNÍ MATERIÁL ...26

2.5.1 DRUHY VSTUPNÍHO MATERIÁLU...27

2.6 FOSFÁTOVÁNÍ ...31

2.6.1 ÚPRAVY PODKLADOVÉHO MATERIÁLU PŘED FOSFÁTOVÁNÍM...32

2.6.2 FOSFATIZACE, TÉŽ FOSFÁTOVÁNÍ...32

2.6.3 FOSFÁTOVÁNÍ PŘED TVÁŘENÍM KOVŮ ZA STUDENA...34

2.6.4 KONTROLA JAKOSTI FOSFÁTOVÉHO POVLAKU...36

2.6.4.1 Kapková metoda (ČSN 03 8156) ...36

2.6.4.2 Zkouška magnetická ...37

2.6.5 ZKOUŠKY PÓROVITOSTI...38

2.6.5.1 Chemická zkouška (dle ČSN 03 8153, 03 8510) ...38

2.6.5.2 Elektrochemická zkouška ...39

2.6.6 DODATEČNÉ ÚPRAVY POVLAKU...39

2.7 TVÁŘECÍ NÁSTROJE ...40

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ...43

3.1 KONSTRUKČNÍ ROZBOR TVÁŘECÍHO NÁSTROJE S OZNAČENÍM 12TS24.05-20 PRO REDUKOVÁNÍ DŘÍKU ...43

3.2 TECHNOLOGICKÉ PODMÍNKY ...46

3.3 NÁVRH ÚPRAVY NÁSTROJE 12TS24.05-20 ...48

3.4 LABORATORNÍ ZKOUŠKY PRO ZJIŠŤOVÁNÍ SKUTEČNÝCH TVÁŘECÍCH SIL ...50

8

3.5 VLIV MAZADEL NA VELIKOST TVÁŘECÍCH SIL...54

3.6 KONTROLA VÝSLEDKŮ V SIMULAČNÍM PROGRAMU QFORM (VERZE 4.2) ...58

3.7 TESTOVÁNÍ NÁSTROJŮ NA STROJI NB 515...61

3.8 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ A NÁVRH OPATŘENÍ PRO SÉRIOVOU VÝROBU ...66

4. ZÁVĚR...68

5. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...69

6. SEZNAM PŘÍLOH...71

9 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ

Označení: Jednotka: Význam:

α [°] vrcholový úhel redukce

ε [%] úběr průřezu

φ [ - ] velikost přetvoření

R_{m max} [MPa] pevnost v tahu

Rp [MPa] mez kluzu

Zmin [%] kontrakce

k_p0 [MPa] přetvárná pevnost

k_pstr [MPa] střední přetvárná pevnost

n [ - ] počet kapek

[ - ] celkový počet čtverců měrné mřížky t [ - ] tloušťka neprotržené blanky

[s] čas leptání

Fz [N] tažná síla

f [ - ] velikost tření R [mm] označení rádiusu

N [ - ] počet čtverců měrné mřížky obsahující póry

P [%] podíl pórovitosti

k1 [ - ] převodní konstanta (závislá na teplotě) l1 [mm] délka ústižku

l₂ [mm] délka po přetváření S [ - ] pěchovací poměr S₀ [mm²] plocha ústřižku

h [mm] místní tloušťka φd [mm] průměr ústřižku φd1 [mm] průměr po redukování φd0 [mm] průměr před redukováním

φD [mm] průměr po přetváření

10

1. Úvod

Diplomová práce byla zadána firmou Kamax s. r. o. Turnov, která se zabývá výrobou normalizovaných a zakázkových šroubů. Šrouby ve firmě Kamax s. r. o. Turnov se vyrábí na klikových postupových lisech. Šrouby jsou lisovány z ústřižku na tři, čtyři nebo pět operací. Při výrobě šroubů jsou nejvíce namáhanými nástroji redukovací zápustky a střižné nástroje. Úkolem bylo navrhnout tvar redukovacích nástrojů tak, aby byla zvýšena jejich životnost.

Byly navrhnuty čtyři tvary redukovacích zápustek, na kterých byla sledována velikost tvářecí síly při redukování dříku. Měření bylo prováděno za použití různých druhů olejů. Cílem bylo vyhodnotit, jaký tvar redukovacího nástroje je nejoptimálnější z hlediska daného druhu přetváření.

Experimentální zkoušky byly prováděny v prostorách dílen Technické univerzity v Liberci. Praktické použití testovaných nástrojů bylo realizováno v prostorách lisovny firmy Kamax s. r. o. Turnov. Výměny nástrojů a seřizování stroje prováděla školená obsluha. Na obrázku 1 je vyobrazen díl KX 962.2 (v měřítku 1:1), na kterém byly nástroje testovány.

Obr. 1: Díl KX 962.2

11

2. Teoretická část

Teoretická část této diplomové práce se věnuje představení protlačovacího způsobu tváření za studena a seznámení s principem výroby šroubů ve firmě Kamax s. r. o. Turnov.

2.1 Tváření za studena – lisování

Tvářením se rozumí přetváření kovových materiálů v plastickém stavu.

Rozdílné je objemové tváření, při kterém objem hmoty tečením dostává zcela jinou podobu tvaru, a tváření plechu, při kterém se sice provádí změna podoby tvaru, ovšem tloušťka plechu zůstává v podstatě nezměněná.

Základním pravidlem lisování je objemová stálost, tzn. že objem tělesa u bezodpadového tváření je před a po přetváření stejný - konstantní. Sníží li se například výška válcové části ústřižku, zvětší se též adekvátně ke konstantnímu objemu jeho průměr. [1]

a) b)

Obr. 2: Schéma procesu přetváření. Na obrázku a) je stav před zatížením na obrázku b) je stav po zatížení (přetvoření).

K přetvoření (viz. obrázek 2 b) dojde při překročení meze kluzu Rp. Při přetváření dílu dochází k deformaci zrn ve směru zatěžující síly, což má za následek zahřívání a současně zpevnění výstupního materiálu.

Tlak

l1 Ød

ØD

l2

12 2.2 Způsoby tváření šroubů

Při tváření šroubů se zásadně používají tři metody. Jednou z variant je metoda, kdy se vychází z určitého průměru drátu a průměr dříku a hlava se napěchují. Další ze způsobů je použití drátu, jehož průměr prakticky odpovídá průměru hlavy. V tomto případě se dřík v odpovídající délce a průměru redukuje. Třetí metoda je kombinace obou. Při ní se průměr dříku tváří redukováním a hlava pěchováním. Volba metody je vázána na následující souvislosti. [1]

2.2.1 Pěchování

Pod pojmem pěchování se rozumí částečné tváření výchozích dílů. Při pěchování dochází ke změně délky respektive změně průřezu na libovolném výlisku nebo polotovaru. Mezního stavu je dosaženo, když jsou na povrchu tvářeného polotovaru trhliny nebo je pórovitý, případně posléze praskne.

Pěchování v jedné pracovní operaci je kvůli vybočení pěchovaného průměru možné jen do poměru 2,3. Prakticky se tento poměr omezuje na 1,8. Pro výrobu šroubů se s tímto ovšem zpravidla nevystačí a je nutné koncipovat více sledů (tvářecích stupňů). Rozdělením na předlisování a na pěchování dokončovací se dá dosáhnout celkem přetvářecího poměru až 4,5.

a) b) c)

Obr. 3: Na obrázku a) je zobrazen ústřižek drátu, obrázek b) znázorňuje předlisování hlavy šroubu a na obrázku c) je finální tvar.

l

Ød

13 Pravidlo pro pěchování v jedné operaci je [1] :

S = l / d [ - ] a platí l / d = 2,3 max.

Kde: l je délka pěchované části [mm]

d je průměr ústřižku [mm]

S je pěchovací poměr [ - ]

a) b)

Obr. 4: Obrázek a) znázorňuje rozměry pro výpočet pěchovacího poměru.

Obrázek b) zobrazuje přetvořený ústřižek.

Pěchovací poměry větší než 4,5 jsou možné docílit pouze se speciálně navrženými nástroji a proto je jejich použití omezeno pouze na zvláštní případy. Převážná část hlav šroubů je proto navržena tak, že objem hlavy je pěchován na dvě operace. [1]

2.2.2 Redukování

Pro zmenšení průřezu dříku u tvářených dílů se používá redukování. Mají-li se průměry dříků zmenšit nepatrně, pak se používá volné redukování. Volné redukování se používá až k meznímu poměru průřezových ploch (viz.

obrázek 5).

Úběr průřezu a stupeň přetváření je však omezen, jelikož poté dochází k napěchování materiálu před redukovacím nástrojem.

Jako mezní hodnota se dá pro úběr materiálu stanovit 30%, které odpovídá stupeň přetváření = 0,36.

l

Ød

14

a) b)

Kde: d0 je počáteční průměr [mm]

d1 je průměr po redukování [mm]

ε je úběr průřezu [%]

Obr. 5: Na obrázku a) je tvar redukce, obrázek b) znázorňuje způsob redukování

U redukování je nepřetvářený konec bez vedení (mimo nástroj), proto může u delších dříků dojít k vybočení. Často se také provádí průběh redukování a pěchování v jedné operaci (viz. obrázek 6). [1]

a) b) c)

Obr. 6: Obrázek a) znázorňuje ústřižek, na obrázku b) je zobrazeno předlisování hlavy a redukování dříku a na obrázku c) je finální tvar.

F

Razník

Matrice Ødo

Ød1

~15°

ε

ε

Úběr průřezu

15 2.2.3 Tažení

Podobný postup jako u redukování nebo zužování je tažení drátu.

Zde je materiál tažen skrz průvlak na určitý průměr.

Při tažení by měla být hranice úběru průřezu omezena na maximálně 20%.

V tomto případě je tato hranice o 10% nižší, než je tomu u redukování.

Důvodem ponížení této hranice je riziko utržení taženého drátu. [1]

kde: Fz je tažná síla [N]

Obr. 7: Princip tažení 2.2.4 Protlačování

U technologie protlačování se rozlišují dva základní způsoby, které se ve výrobě používají a to jsou:

2.2.4.1 Dopředné protlačování

2.2.4.2 Zpětné protlačování – Kalíškování

2.2.4.1 Dopředné protlačování

U dopředného protlačování se jedná o zvláštní formu zužování (zmenšení průměru dříku). Zatímco při redukování část ústřižku „drátu“ vyčnívá z nástroje, při dopředném protlačování je ústřižek drátu v zápustce uzavřen.

Tato metoda proto umožňuje podstatně větších úběrů průřezu, které mohou

Tažná síla

Průvlak

Fz

16 dosáhnout u přetváření ocelí až 75%. Velkou roli zde ovšem hraje pevnost materiálu.

kde: d0 je průměr ústřižku [mm]

d1 je redukovaný průměr [mm]

ε je úběr průřezu [%]

Obr. 8: Schéma pro výpočet úběru průřezu

Dopředného protlačování se řídí tečením materiálu, který se pohybuje ve směru lisovacího razníku a přetvářecí síly F.

Obr. 9: Schéma dopředného tečení

30 až 60°

Ød1 Ødo

ε

ε

Protlačovací matrice

F

Protlačovací trn

17 2.2.4.2 Zpětné protlačování

Zpětné protlačování znamená přetváření polotovaru protlačováním, kde směr tečení materiálu je proti pohybu beranu a zároveň proti přetvářecí síle F. [1]

a) b)

kde: F je působící síla [N]

Obr. 10: Na obrázku a) je výlisek při zpětném protlačování, na obrázku b) je znázorněn princip.

Kvůli zatížení protlačovacího trnu při zpětném protlačování (viz.

obrázek 10), je důležité volit co nejvhodněji úběr průřezu, který by měl být v oblasti 50%.

Obr. 11: Volba optimálního průřezu F

Průtlačník

Průtlačnice

nízké vysoké

Zatížení tlakem protlač. trnu

50

ε

Úběr

Ød

ØD

18 Typické zpětnému protlačování je výroba vnitřních rozměrů pro klíč, u šroubů s vnitřní šestihranem, vnitřním vícehranem a vnitřním karundem. Na tento tvářecí proces má velký vliv kvalita materiálu, úběr průřezu a rovněž i poměr tření při lisování, kde tyto parametry společně výrazně ovlivňují životnost protlačovacího razníku. [1]

Obr. 12: Výroba vnitřního rozměru pro klíč

Další technologií používanou při výrobě šroubů tvářením za studena je tzv.

„kupení“ v kupící stanici (viz. obrázek 13). Zde je kuželová kupa (sražení konce dříku) obrobena soustružením.

Toto „sražení“ se používá z následujících důvodů:

a) Závitový nástroj není zbytečně zatěžován (vylomení stoupání závitu kvůli nerovnosti vylisovaného dílu na konci dříku).

b) Nestěžuje montáž dílu u zákazníka (například nutný vyšší utahovací moment nebo se nedá vůbec našroubovat).

Karund – tvarový razník

Válcová hlava s vnitřním karundem Deska hlavy

Zápustka

19 Obr. 13: Schéma soustružení sražení konce dříku

Poznámka :

Často se sražení konce dříku (kupa) v nástroji pěchuje (zvláštní forma redukování) (viz. obrázek 14).

Obr. 14: Pěchování kupy

středící víčko řezný plátek držák plátku výlisek

20 2.2.5 Děrování

Děrováním se rozumí prostřihovaní – vyrážení jader otvorů při přetváření kalíškovaných dílů, kde je požadován průchozí otvor.

Jediná materiálová ztráta je ven vyražené jádro (viz. obrázek 15). [1]

Obr. 15: Schéma děrování

2.2.6 Odstřižení

Výrobní postupy s minimální materiálovou ztrátou :

V technologii tváření se tento postup uplatňuje především ve výrobě šroubů při odstřižení nebo odkupení, kde se vyskytuje hlavně při ostřihování výronků hlav šroubů s vnějším šestihranem. Odstřihnout se dají nejrůznější tvary, kde se nástroj označuje jako střižna a odpadní produkt jako odstřižek (viz.

obrázek 16). [1]

21 Obr. 16: Odstřihování šestihranných hlav šroubů

2.3. Teoretické přetvářecí síly

Do výpočtu se nezahrnují jen čisté přetvářecí síly, nutno vzít v úvahu v dostatečné míře také hodnoty tření mezi lisovaným materiálem a zúčastněnými nástrojovými prvky. Matematické zachycení těchto hodnot do výpočetního vzorce (viz. příklad 1) je obtížné, obsáhlé navíc nepřesné.

Z tohoto důvodu je vhodnější shrnout hodnoty získané na základě praktických zkušenosti do nomogramů, z nichž se pak mohou očekávané lisovací síly přibližně určit. Nepřesnost tak činí +/- 10%.

Nomogramy byly stanoveny pro tři hlavní případy použití pro uvedené druhy ocelí. (Příloha 1) .

Příklad výpočtu tvářecí síly pro dopředné protlačování [2] (redukování) po úpravách:

F= S0*kpstr*φ*{1+(f/2*sinα*cosα)+2/3*tgα/φ}+π*D0*l*f*kpo (1)

kde: S0 je plocha ústřižku [mm²]

kpstr je střední přetvárná pevnost [ - ] φ je velikost přetvoření [ - ]

f je velikost tření [ - ]

α je vrcholový úhel redukce [°]

D0 je průměr ústřižku [mm]

střižná zápustka Střižný razník

odstřižek

22 l je okamžitá výška předtvarku v zásobníku [mm]

kpo je přetvárná pevnost [ - ] 2.4 Výroba šroubů v Kamaxu Turnov

Díky vysokým nárokům zákazníků v oblasti automobilového průmyslu na tvar, pevnost a odolnost spojovaných součástí proti agresivnímu prostředí se výroba šroubů a s ní spojené další operace stále zdokonalují a modernizují. V současné době jsou výrobci schopni díky moderním technologiím vylisovat postupovým tvářením za studena téměř jakýkoli tvar s vysokou přesností rozměrů.

Jednou z moderních firem zabývajících se tvářením šroubů za studena pro speciální aplikace je firma Kamax s. r. o. Turnov, dceřiná společnost nadná- rodního uskupení Kamax. Tato firma umožnila autorovi této diplomové práce zpracovávat její experimentální část v jejich dílnách a laboratořích, a proto je zde uváděn její výrobní program.

S ohledem na vysoké nároky zákazníků byly klasické normalizované díly odsunuty do pozadí a výroba se specializuje především na výrobu zakázkovou. Sortiment vyráběných šroubů (spojovacích prvků) je v rozsahu průměrů od M6 až k M24 a délek od 10 mm do 500 mm v pevnostních třídách 8.8 až 12.9 [3].

Výchozí použitý materiál je tažený drát, který je přiváděn k nástroji přes soustavy rovnacích a tažných válců - rolen. Z drátu, který je posouván proti dorazu je pomocí dělícího nože při každém pracovním zdvihu stroje odstřižen ústřižek. Tento ústřižek je převzat příčným transportem a předáván dál k jednotlivým tvářecím stupňům. Hotový díl po poslední tvářecí operaci prochází dopravními cestami strojem k provedení dalších operací mezi něž patří například kupení a válcování závitu v rámci lisu, nebo je (bez kupení a válcování) vynesen z poslední tvářecí operace mimo stroj a slouží jako polotovar pro jiné zpracování (například třískové obrábění). Výroba je plně automatická a prakticky bez odpadu.

23 Šrouby jsou vyráběny dle následujících norem:

ČSN EN 24014 - šestihranné šrouby s dříkem

ČSN EN 24017 - šestihranné šrouby se závitem k hlavě

ČSN EN 28765 - šestihranné šrouby s dříkem a jemným stoupáním závitu ČSN EN 28675 - šestihranné šrouby se závitem k hlavě a jemným stoupáním

závitu

DIN EN 4762 - šrouby s vnitřním šestihranem obdobné normy DIN 931; 933; 960; 961; 912;

ČSN 02 1101; 02 1103; 02 1143; 02 1201; 01 1207

Výše popsané spojovací prvky (šrouby) mohou být také vyráběny v provedení s neztratitelnou podložkou (tzv. “KOMBI” šrouby podle DIN 6900). [3]

Dále jsou uvedeny konkrétní výrobky produkované firmou Kamax Turnov:

- Motorové šrouby - rýhované šrouby (s příčnými rýhami a nákružky)

- šrouby s roztažným dříkem

- šrouby s dlouhým závitem (se závitem těsně pod hlavu)

- Kolové šrouby - s různými vnějšími rozměry pro klíč - s neztratitelnou podložkou

- s vnitřními otvory pro klíče

- s nalisovanou kulovou nebo kuželovou dosedací plochou

- bezpečnostní šrouby se speciálním tva- rem pro klíč

- Čepy kola - rýhovaný čep

- točitý čep kola KAWEX

24

- broušený čep [3]

Firma Kamax s.r.o. Turnov používá pro výrobu spojovacích součástí technologii objemového tváření za studena a to pomocí klikových postupových lisů. Tyto stroje pracují na 4 nebo 5 tvářecích operací (u starších lisů jsou k dispozici pouze 3 tvářecí operace), kde požadavek na větší počet operací stoupá s rostoucími nároky na složitost tvaru šroubu.

Na obrázcích 17, 18 a 19 jsou zobrazeny příklady lisovacích postupů pro tři, čtyři a pět operací.

Obr. 17: Lisovací postup na tři operace

25 Obr.18: Lisovací postup na čtyři operace

Obr. 19: Lisovací postup na pět operací

26 2.4.1 Výroba závitu

Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.4, válcování bývá další operací při lisování přímo na lisovacím stroji.

V některých případech není možno závit naválcovat na lise a vyrábí se externě na válcovacích strojích. Kromě válcování závitů do nezušlechtěného materiálu se používá i možnost válcování závitu „do tvrda“ (do zušlechtěného materiálu). Jedná se o válcování závitu až po tepelném zpracování vylisovaného šroubu. Výsledkem je kvalitnější a pevnější závit a rovno- měrněji prokalený závit. Důvodem je také minimalizace tvarové deformace při tepelném zušlechťování, která hrozí u dlouhých dílů. Daní za vyšší kvalitu závitu je nižší životnost válcovacího nástroje. [4]

2.4.2 Zušlechtění šroubu + povrchová ochrana

Téměř všechny vyráběné šrouby pro automobilový průmysl se dále tepelně zušlechťují pro zlepšení mechanických vlastností. Toto tepelné zpracování firma Kamax s. r. o. realizuje v rámci vlastní výroby ve speciálních kalících linkách. Povrchové úpravy pro zajištění lepších korozních vlastností výrobků dodávají externí firmy.

2.5 Vstupní materiál

Vstupním materiálem pro výrobu šroubů ve firmě Kamax s. r. o. je tažený ocelový drát dodávaný od výrobce v kruzích, nebo „coilech“ (cívkách) s označením od dodavatele. Rozdíl mezi kruhy a coily je ve způsobu navíjení (viz. obrázek 20). Vstupní zkoušky pro kontrolu mechanických vlastností jsou prováděny ihned po převzetí od dopravce. Výsledky zkoušek jsou porovnávány s hodnotami uvedenými v objednávce a s materiálovým listem dodávaným výrobcem. Na základě výsledků je materiál uvolněn pro výrobu či pozastaven a reklamován. [5]

27

a) b)

Obr. 20: Na obrázku a) je kruh drátu, na obrázku b) je zobrazen coil

U ocelí doprovodné prvky jako uhlík nebo ostatní legované prvky objemové tváření materiálu za studena ztěžují. Tento vliv narůstá se stoupající složkou legovaných prvků v oceli.

Každá ocel je tím lépe tvářitelná, čím nižší je obsah uhlíku. Jako oceli pro lisování za studena jsou tedy upřednostněny oceli s nízkým obsahem uhlíku, kdy procentuální obsah je obecně větší než 0,2 % (kvůli zušlechťování) a maximální obsah uhlíku je 0,5 %.

Hlavní podíl používaných ocelí pro tváření za studena tvoří nízkolegované materiály (obsahují ne více než 5% legujících prvků).

Nelegované oceli vhodné pro výrobu bez následného tepelného zpracování jsou například QSt 38/2 (DIN 1.0234), C4C (DIN 1.0303), Cq 15 (DIN 1.1132). Často používaným materiálem, s použitým následným tepelným zpracováním, při výrobě šroubů je legovaná ocel Borem 23MnB3 (označení podle DIN 1.5507). Bor, jako legující prvek, výrazně zvyšuje pevnostní vlastnosti materiálu.

Při zušlechťování se vlastnosti ocelí jako mez kluzu a mez v pevnosti v tahu výrazně zvyšují. Legované oceli jsou vhodné pro tepelné zpracování velmi namáhaných spojovacích prvků v převodovkách, motorech a podvozcích. [1]

2.5.1 Druhy vstupního materiálu

Existují tři stavy dodání drátu:

1. K (U + C) – drát tažený za studena (dále jen tažený)

28 2. GKZ + K (AC + C) – drát žíhaný – tažený

3. K + GKZ + K (U + C + AC + LC) – drát tažený – žíhaný – tažený

Ad 1. K (U + C) – drát se dodává nežíhaný, fosfátovaný a tažený. [6]

Ad 2. GKZ + K (AC + C) – drát se dodává žíhaný, fosfátovaný a tažený. [7]

Ad 3. K + GKZ + K (U + C + AC + LC) – drát se dodává tažený, žíhaný, fosfátovaný a tažený. [8]

Procentuální vyjádření používaných typů drátů v rámci Kamaxu Turnov je zobrazeno v následujícím grafu 1. Nejčastěji používaným drátem je žíhaný - tažený (54%), dále drát tažený (32%) a nejméně používaným drátem je tažený – žíhaný - tažený (14%).

Graf 1: Procentuální vyjádření používaných tipů drátu ve firmě Kamax Turnov

Nejčastěji používanými materiály ve firmě Kamax jsou 23MnB3, 32CrB4 a 28B2. Označení dle norem DIN viz. tabulka 1.

Ostatní méně používané materiály: 12NiCr3, 35B2, C10C, C4C, C8C, CQ15.

29 Předepsané hodnoty pevnosti Rm max a kontrakce Zmin pro jednotlivé materiály drátů a provedení jsou uvedeny v následujících tabulkách 2, 3 a 4.

[6, 7, 8]

Tab. 1: Označení materiálu dle DIN

Tab.2: Hodnoty pevnosti a kontrakce pro typ materiálu K (U + C)

30 Tab. 3: Hodnoty pevnosti a kontrakce pro typ materiálu

GKZ + K (AC + C)

Tab. 4: Hodnoty pevnosti a kontrakce pro typ materiálu K + GKZ + K (U + C + AC + LC)

31 Používání drátu podle jakosti materiálu je zobrazeno v grafu 2.

Graf 2: Zobrazení četnosti používání drátu ve firmě Kamax Turnov podle jakosti materiálu

V tabulce 5 je zobrazeno požadované rozmezí hodnot chemického složení třech nejpoužívanějších materiálů ve firmě Kamax. [9]

Tab. 5: Hranice hodnot chemického složení materiálů

2.6 Fosfátování

Podstatou fosfátování je přeměna rozpustného dihydrogenfosforečnanu (který tvoří hlavní složku fosfatizačního prostředí) na nerozpustný hydrogen- fosforečnan a fosforečnan příslušného kovu, která probíhá vlivem reakce kovového povrchu s fosfatizačním roztokem. Fosfatizační roztok je v hydro-

32 lytické rovnováze a porušením této rovnováhy rozpouštějícím se kovem dochází k vytváření krycí vrstvy. [10]

2.6.1 Úpravy podkladového materiálu před fosfátováním

Povrch před samotným fosfátovým povlakem musí být kovově čistý a che- micky aktivní. Proto se musí zbavit všech nežádoucích nečistot (okují, mastnot, otisků prstů, rzi, zbytků nátěrů či anorganických vrstev apod.).

K odstranění mastnoty se využívají rozpouštědla, horká pára, alkalické nebo emulzní prostředky. Okuje a rzi se odstraňují abrazivními prostředky nebo chemickým čistěním.

Před fosfátováním lze provést aktivní oplach, aby se podpořil vznik jemné krystalické struktury následně vytvořeného fosfátového povlaku. Aktivace před fosfátováním se provádí manganem nebo speciální disperzí fosfátu titanu nebo pouze horkou vodou.

Určité postupy fosfátování kombinují přípravu povrchu s fosfátováním. Lázně pro tvorbu železného fosfátu například obvykle obsahují povrchově aktivní látky pro čištění povrchů nebo zamaštěné povrchy mohou být upravovány v jedné operaci (tzv. sdružené odmašťování – fosfátování). [11]

2.6.2 Fosfatizace, též fosfátování

Fosfatizace je chemický proces, při němž na čistém kovovém (obvykle ocel) podkladu vzniká vrstva fosforečnanu zinečnatého, manganatého, vápenato – zinečnatého nebo železnatého. Základem lázně je vodný roztok hydrogen- fosforečnanu příslušného kovu (Zn, Mn, Ca, Fe - v podstatě jde o primární fosforečnany - zinečnaté, manganaté, vápenato - zinečnaté) s přídavkem kyseliny fosforečné H3PO4 a dalších přísad urychlovače (oxidační látky, například dusičnany, dusitany, chlorečnany), které proces urychlují. Vznik fosfátové vrstvy je tedy podmíněn reakcí kovového povrchu s fosfatizačním roztokem. Při fosfátování probíhají následující reakce:

33 Fe + 2 H3PO4 —> Fe(H2PO4)2 + H2 (2)

3 Zn(H2PO4)2 —> Zn3(PO4)2 + 4 H3PO4 (3)

Proces se samovolně zastaví poté, co je povrch pokryt vrstvou fosforečnanu, která již zabrání průběhu reakce. V lázni dochází k uvolňování plynů - vzniká aerosol a dále dochází ke vzniku sraženiny fosforečnanu železitého, která se ukládá na dně fosfatizační vany.

Konečný oplach po fosfátování se provádí demineralizovanou vodou nebo pasivačním roztokem na bázi sloučenin trojmocného nebo šestimocného chrómu. Aktivaci lze provést také slabě alkalickým čistícím prostředkem určeným k postřiku. Potom není nutný samotný aktivační oplach.

Úprava povrchu kovů, zejména ocelí, fosfátováním je běžný technologický proces. Fosfátováním (fosfatizací) se na povrchu kovů vytvářejí antikorozní povlaky, které jsou elektricky nevodivé, a proto snižují velikost korozního proudu. Ve vodě ani v organických rozpouštědlech nejsou rozpustné a mají velmi dobrou soudržnost se základním kovem, což přispívá k ochranným vlastnostem fosfátových vrstev a jsou i dobrým podkladem pro nátěrové hmoty.

Krystalické fosfátové vrstvy, které vznikají při fosfatizaci na povrchu, mohou plnit několik důležitých funkcí:

- vytvářet dobrou antikorozní ochranu kovových součástí

- při tváření ocelových předmětů za studena, například před tažením trubek, drátů a před lisováním, zlepšovat přilnavost maziva k povrchu a snižovat tření

- před lakováním zlepšují přilnavost nátěrové hmoty k povrchu kovu a zabra- ňují podrezivění nátěrů

- usnadňují skluz, a proto se užívají k úpravě ocelových pohyblivých strojních součástí při jejich záběhu

- slouží jako elektrické izolátory

Fosfátování jako ochrana před korozí ve spojení s impregnací se využívá k ochraně hromadně vyráběných strojních součástí proti korozi. Krystalický charakter fosfatizační vrstvy umožňuje vázat na povrch mnohem více impregnačního prostředku. Vázané množství je tím větší, čím je fosfátová

34 vrstva tlustší. Do fosfatizačního postupu se vedle obvyklých předběžných úprav, jako je odmašťování a moření, zařazuje ještě chromátový oplach po fosfátování, který zajišťuje pasivaci pórů a zvyšuje odolnost fosfátové vrstvy proti korozi. Konečnou operací je impregnace fosfátové vrstvy olejem, vazelínou nebo vosky. Stejným postupem se aplikuje fosfátování, jehož cílem je vytvořit stejnoměrnou elektroizolační vrstvu. [11]

2.6.3 Fosfátování před tvářením kovů za studena

Při této aplikaci působí fosfátová vrstva ve spojení s vhodnými mazivy jako mezivrstva, která snižuje tření mezi nástrojem a tvářeným výrobkem. Aby došlo k přeměně fosfátové vrstvy na vrstvu s požadovanými mazacími vlastnostmi, musí se fosfátované předměty ponořit do horkého vodného roztoku mýdla. Fosfátová vrstva nejen mýdlo absorbuje, ale také s ním reaguje za vzniku nerozpustných zinečnatých mýdel. Při tváření se část mýdla odstraní, ale zbytek se změní ve sklovitou vrstvičku soudržného filmu, který pevně přilne ke kovu a podstatně tak snižuje tření. Používá se většinou zinečnatých fosfátových vrstev o hmotnosti 30 až 200 mg*dm², s vyšším stupněm tváření se volí větší tloušťky fosfátové vrstvy. [11]

Tab. 6: Doporučené plošné hmotnosti povlaku pro různá konečná použití

35 Obr. 21: Fosfátová vrstva na taženém drátu (100x zvětšeno)

Obr. 22: Tloušťka fosfátové vrstvy

36 2.6.4 Kontrola jakosti fosfátového povlaku

Fosfátové povlaky se dají hodnotit podle mnoha hledisek. Může být hodnocena tloušťka, přilnavost, drsnost, tvrdost, odolnost proti otěru, elektrické vlastnosti, nasáklivost, odolnost proti korozi, nebo pórovitost. [11]

Z hlediska tváření je nejdůležitější tloušťka vrstvy, pórovitost (s tím závislá nasáklivost) a odolnost proti otěru.

Zkoušky pro zjišťování tloušťky vrstvy jsou rozděleny na:

a) Destruktivní - chemické

- elektrochemické - mechanické b) Nedestruktivní - magnetické

- elektromagnetické vířivými proudy - izotopové

- termoelektrické - průrazného napětí - optické

Výběr zkoušky se řídí podle čtyř nejdůležitějších hledisek:

1) měřitelnost kombinace povlak – podklad 2) charakter kontroly

3) velikost a tvar výrobku 4) rozsah souboru

2.6.4.1 Kapková metoda (ČSN 03 8156)

Patří mezi nejjednodušší destruktivní zkoušky požívané na tažené dráty [11].

Je to dosti rozšířená metoda stanovení místní tloušťky pro tloušťky od 2 do 10 µm, (pro chrom od 0,06 do 1,2 µm).Počet kapek zkušebního roztoku (n) nutný k chemickému rozpouštění povlaku určuje místní tloušťku (h):

h = k1*(n-1) (4)

37 Pro tenké povlaky dekorativního chrómu se měří doba (t) nutná k proleptání povlaku jednou kapkou (od vzniku vývoje plynu do jeho ukončení):

h = k1´*t (5)

kde: k1 je převodní konstanta (závislá na teplotě) [ - ] n je počet kapek [ - ]

t je doba leptání [s]

Na odmaštěný povrch se nanese kapka kapátkem nebo kapilárou. Při měření tloušťky povlaků niklu, kadmia a cínu je doba reakce 30 sekund - u povlaků mědi, zinku a stříbra se kapka ponechává reagovat 60 sekund.

Po uplynutí reakční doby se kapka odsaje buničitou vatou a nanese další kapka.

Doporučené složení zkušebních roztoků jsou uvedeny v tabulce 7.

Tab. 7: Zkušební roztoky

2.6.4.2 Zkouška magnetická

Jedná se o zkoušku nedestruktivní. Je velmi rychlá, lze ji použít i pro automatizaci. Nevýhodou je nutnost kalibrace a výsledek je vždy pouze srovnávací. Na obrázku 23 je schéma odtahové varianty – je měřena síla potřebná k odtržení permanentního magnetu od zkoušeného povrchu. [11]

38 Obr. 23: Tužkový tloušťkoměr METRA.

2.6.5 Zkoušky pórovitosti

Důležitým parametrem fosfátové vrstvy je pórovitost. Lze ji hodnotit dle velikosti pórů na: - makroskopickou pórovitost (>100 µm)

- mikroskopickou pórovitost (1 až 100 µm)

- submikroskopickou pórovitost (0.001 až 0.1 µm)

Metody hodnocení mohou být jak kvalitativní, tak kvantitativní a to chemické, elektrochemické a fyzikální. [11]

2.6.5.1 Chemická zkouška (dle ČSN 03 8153, 03 8510)

Jde o chemickou reakci zkušebního prostředí s materiálem základu.

Kvantitativně se vyhodnocuje množství rozpuštěného podkladu v mg/m². [11]

P=n/N (6)

Kde: P - podíl pórovitosti [%]

n - celkový počet čtverců měrné mřížky [ - ] N - počer čtverců měrné mřížky obsahující póry [ - ]

39 2.6.5.2 Elektrochemická zkouška

Jde o kontrolované anodické rozpouštění základního materiálu. Používají se dvě provedení:

- elektrografické (jednostupňové, dvoustupňové) - potenciostatické

Při elektrografickém měření se používá měřící systém EP. Dle zkoumaných povlaků se volí i příslušný roztok (viz. tabulka 8) s příslušným chemickým složením (viz. tabulka 9). [11]

Tab. 8: Tabulka zkušebních roztoků pro různé povrchy

Tab. 9: Složení zkušebních roztoků

2.6.6 Dodatečné úpravy povlaku

Dodatečné úpravy fosfátového povlaku výrazně zvyšují korozní odolnost.

Fosfátové povlaky se obvykle dodatečně upravují závěrečným oplachem vodnými roztoky obsahujícími anorganické složky nebo chrom, popř. určité organické složky, vosky a konzervační oleje nebo impregnační laky.

40 Označování dodatečných úprav podle EN 12476 je uvedeno v následující tabulce 10. [11]

Tab. 10: Dodatečné úpravy fosfátových povlaků podle EN 12476

2.7 Tvářecí nástroje

Nástroje pro objemové tváření šroubů za studena na postupových lisech se člení do dvou základních skupin.

První skupinu tvoří nástroje pro matricovou část (pevná část). Do druhé skupiny patří nástroje pohyblivé části (razníková část).

V matricové části se tváří dřík a dosedací plochy hlavy šroubu. Používají se speciální tvarové vložky (zápustky), které bývají upnuty v jednotlivých stupních stroje. [1]

Konstrukční uspořádání lze rozdělit následovně:

a) zápustka s jednoduchým opláštěním

- s jádrem ze slinutých karbidů nebo s jádrem ocelovým b) zápustka s dvojitým opláštěním

- s jádrem ze slinutých karbidů nebo s jádrem ocelovým

41 Obr. 24: Zápustka s jednoduchým opláštěním a s jádrem ze slinutých karbidů

Slinovaná karbidová jádra, výjimečně vyrobené z rychlořezné oceli, se také používají samostatně. Způsob zapouzdření je znázorněn na obrázku 25.

Obr. 25: Zapouzdření jader ze slinutých karbidů.

Jádra ze slinutých karbidů jsou nalisovány s přesahem 5 – 6 ‰ průměru jádra. Extrémně namáhané nástroje jsou nalisovány se 7 ‰ s kónickým tvarem jádra ( 1°).

Matricové nástroje mohou být dále děleny podle tvaru a jejich funkce na:

- zaoblovací - redukovací

42 - protlačovací

- kupící (úhlové sražení konce dříku)

- rádlovací (vroubkování na vnějším tvaru šroubu)

- zápustky s tvarovou dosedací plochou (pro šrouby s dosedací plochou proti povolení)

Samostatnou skupinu tvoří zápustky používané pro kalíškování, děrování, či lisování vnitřního rozměru pro klíč do dříku šroubu. [1]

Razníkovou částí se lisuje tvar hlavy šroubu. Jedná se o lisování různých typů hlav například s vnitřním rozměrem pro klíč, se šestihrannou hlavou s integrovanou podložkou, s válcovou hlavou, nebo se jedná pouze o lisování identifikace výrobce nebo označení pevnosti.

Nástroje pro lisování hlavy šroubů dělíme na:

- protlačovací trny - předpěchové razníky

- pohyblivé předpěchovávací razníky (pro tváření hlav s vysokým stupněm přetváření)

- pěchovací razníky

- redukovací razníky (pro tváření šestihranné hlavy šroubu s integrovanou podložkou)

- speciální pohyblivé razníky (pro tváření hlav s integro- vanou podložkou a vnitřním rozměrem pro klíč) - odstřihovací razníky

- svírací razníky ( pro lisování kulových tvarů pro lisování bez přídavku)

Používané materiály na jednotlivé nástroje jsou uvedeny v příloze (2).

43

3. Experimentální část

Úkolem této diplomové práce bylo zvýšit životnost redukovacího nástroje 12Ts24.05-20 při výrobě šroubu s označením KX 962.2.

Obr. 26: Šroub s označením KX 962.2 (v měřítku 1:1)

Šroub KX 962.2 je vyráběn na pět tvářecích operací. Nejvíce namáhanými nástroji jsou redukovací zápustky, nástroje druhého stupně (viz. obrázek 27, pozice III., str. 44). Životnost těchto nástrojů se pohybuje v rozmezí 50 000 až 150 000 vylisovaných kusů a právě tato skutečnost byla impulsem pro zadání této diplomové práce.

3.1 Konstrukční rozbor tvářecího nástroje s označením 12Ts24.05-20 pro redukování dříku

Na obrázku 27 (str. 44) je Lisovací postup testovaného dílu, který názorně ukazuje typy tvářecích operací v jednotlivých lisovacích stupních vedoucích k nalisování konečného tvaru výrobku. [12]

První obrázek (I.) znázorňuje ústřižek drátu. Stříhá se střižnami přímo v lise a je chlazen chladícím olejem KFP 49.

Ústřižek je přenesen přenášecími prsty do prvního stupně, kde se pouze zaobluje hrana ústřižku (II.). Tento stupeň není nutný. Používá se pouze jako „výpomoc“ pro druhou operaci. S jeho pomocí se snižuje stupeň přetváření ve druhém stupni. U dílů s menším objemovým přetvořením se tato operace může vynechat.

44 Obr. 27: Lisovací postup dílů KX 00962.2, 1423.0

Na obrázku III. je operace redukování. Provádí se ve druhém tvářecím stupni, kde se zaoblený ústřižek protlačuje skrz redukovací zápustku.

Redukuje se průměr drátu na průměr pod závit snížený o 0,03 mm. Důvodem je snadné vložení předlisku do dalšího stupně.

Po redukování dříku následuje pěchování hlavy (IV.) a lisování kupy, kde je hlava pěchována tvarovým razníkem. Tento způsob přetváření je zvolen podle pěchovacího poměru (průměru dříku). Průměr dříku díky kupící (srážecí) zápustce a předlisování hlavy zvětší svůj rozměr na finální průměr pod závit.

Po čtvrtém stupni (V.) je nastřižen šestihran a v pátém stupni (VI.) se pouze odstřihuje integrovaná podložka na přesný průměr.

Úkolem této diplomové práce je zvýšení životnosti redukovací zápustky 12Ts24.05-20 ve druhém tvářecím stupni. Zda se jedná opravdu o technolo- gii redukování lze snadno zjistit pěchovacím poměrem vyjádřeným

v procentech.

((π*(d12

* d02))/ (π∗d02

))*100 (7)

45 kde: d0 je průměr ústřižku [mm]

d1 je redukovaný průměr [mm]

Konstrukční rozbor standardně používaného nástroje 12Ts24.05-20 (viz.

výrobní výkres příloha (3)) je popsán níže.

Nástroj 12Ts24.05-20 je vyroben z materiálu HM G40. Materiál obsahuje 20% kobaltu, zbytek obsahu tvoří karbid wolframu. Rozměry požadované výrobním výkresem ve srovnání s naměřenými hodnotami jsou uvedeny v tabulce 11.

Tab. 11: Srovnání výkresových a naměřených rozměrů Funkční

rozměry

Výkresové hodnoty [mm]

Naměřené hodnoty

[mm]

∅D 23,99 - 24 23,99

∅d 10,85 - 10,87 10,85

∅d₁ 10,8 – 10.82 10,81

∅d₂ 7,04 - 7,05 7,04

∅d₃ 7,10 - 7,12 7,117

L_a 25 25

L_b 29 - 29,2 29,133

L_c 2 – 2,5 2,231

R 1,9 - 2,1 2,231

R_a 0,4 - 0,5 0,487

R_b 1,4 - 1,6 1,467

Rc 0,2 max. 0,197

α 89,5° - 90,5° 89,568°

Nástroj byl vyroben dle tolerancí výrobního výkresu. Přechodový rádius R byl naměřen větší, než dovoluje tolerance. Jelikož pro výrobu jsou funkční rozměry pouze průměry předlisku, nebyl nepřesně vyrobený rádius důvodem k reklamaci nástroje.

46 3.2 Technologické podmínky

Mezi hlavní technologické podmínky ovlivňující proces objemového tváření za studena při výrobě spojovacích součástí patří způsob mazání, rychlost tváření a velikost tvářecích sil.

Na stroji NB 515, kde se vyrábí díl KX 00962.2, je mazání realizováno chladícím olejem KFP 49 (výrobce Bechem), který je přiváděn mazací soustavou na ústřižek a na výlisky vyhazované z jednotlivých zápustek (obrázek 28). Výměna olejové náplně je prováděna zhruba po třech měsících používání. Čistota oleje není předmětem diplomové práce, ale je prokázáno, že má velký vliv na velikost tvářecích sil.

Obr. 28: Způsob mazání výlisků

Rychlost tváření je jiný výraz pro takt postupového klikového lisu za minutu a vyjadřuje, kolik šroubů je stroj schopen vyrobit v průběhu jedné minuty.

Tabulkové hodnoty stroje Nedschroef NB 515 udávají maximální takt 210 výlisků za minutu. Pokud bude řeč o rychlosti tváření, je důležité se zmínit také o rychlosti toku materiálu v redukovací zápustce. Při změně průřezu nástroje se také změní rychlost tečení materiálu v jednotlivých vrstvách.

Materiál v ose výlisku a její těsné blízkosti teče téměř stále stejnou rychlostí.

Naopak tomu je u vnějších vláken, která při změně průřezu tečou mnohem rychleji, než středová část. Tento jev je na výliscích dobře patrný a projeví se jako malé „utopení“ středu dříku (viz. obrázek 29).

47 Obr. 29: Rozdílná rychlost tečení materiálu projevená vydutým koncem dříku

Při určování velikosti tvářecích sil je nutné počítat rovněž se zpevňováním materiálu, které při redukování dříku vzniká. Lisovací stroj NB 515 je opatřen zařízením pro kontrolu „tvářecích sil“ v jednotlivých tvářecích stupních.

Pomocí tohoto zařízení od firmy Brankamp, typ PROKOS PK 6000, byly zjištěny během lisování KX 962.2 síly v rozsahu 430 až 513 kN. Vzhledem k tomu, že firma Kamax Turnov s. r. o. používá toto zařízení pouze jako sledování horních a dolních mezí tvářecích sil a z tohoto důvodu není zařízení přesně zkalibrováno. Bohužel zjištěné tvářecí síly neodpovídají skutečným silám vznikajícím při procesu tváření a nelze je použít ke zjišťování přesných hodnot. Z tohoto důvodu je nutné brát zjištěné hodnoty pouze jako informativní.

Tvářecí síly při redukování se dají zjišťovat také experimentálně (zkouškami na statickém trhacím zařízení), nebo výpočtem. Výpočtovou sílu lze získat přibližným výpočtem pro konkrétní materiál s použitím konkrétních materiálových konstant. V tomto případě (pro materiál 23MnB3) síla činí 106 kN. Výsledek byl získán za pomoci nomogramů a výpočtů, které jsou know how firmy a proto nejsou součástí přílohy.

48 3.3 Návrh úpravy nástroje 12Ts24.05-20

Pro tvarové úpravy redukovacího slinovaného jádra 12Ts24.05-20 bylo hned několik důvodů. Díky velkému pěchovacímu poměru životnost nástroje není příliš vysoká a velké rozdíly mezi průměry d1 a d2 způsobují nadměrné namáhání přechodové křivky. Po nalisování několika tisíců kusů se vrcholový úhel (90°) a zaoblení hrany (R2) opotřebí a výsledkem jsou vady na finálním výlisku, mezi něž patří například vady na rádiusu pod dosedací plochou, či špony vmáčknuté do dosedací plochy šroubu.

Z výše uvedených důvodů byly navrhnuty čtyři varianty nového provedení nástroje 12Ts24.05-20 (viz. obrázek 30). Cílem bylo snížit tvářecí síly a zvýšit s tím související životnost tvářecího nástroje oproti redukovací zápustce (viz.

příloha 3), která byla nakreslena dle vnitropodnikových směrnic Kamaxu Turnov a je běžně používána při výrobě šroubu KX 00962.2.

49 Obr. 30: Srovnání konstrukce zkušebních nástrojů

Aby v rámci sériové výroby dílce KX 962.2 nedošlo k problémům s vyskladněním nástroje 12Ts24.05-20 bez použití přímo na výrobní zakázku, bylo pro testovaný nástroj zvoleno nové výkresové číslo 12TS24.05-78. Rozměry i materiál jsou identické s běžně používaným nástrojem. Výrobní výkres a náměrový protokol je obsažen v příloze (4) a (5).

Návrh tvaru s pořadovým číslem dvě se od standardně používané redukova- cí zápustky liší pouze v přechodovém rádiusu, který byl zvolen R 3,5 mm.

Vrcholový úhel zůstal nezměněn (90°). Výrobní výkres tohoto nástroje byl označen číslem 12Ts24.05-76, který je součástí přílohy (6). Příloha (7) obsahuje kontrolu rozměrů zaznamenanou v náměrovém protokolu firmy Kamax.

Při navrhování nástroje čísla 12Ts24.05-77 byl brán největší zřetel na co nejmenší odpor proti tečení materiálu v průběhu redukování. Vrcholový úhel byl volen 74° s přechodovým rádiusem R 3,5 mm. Přílohy (8) a (9) obsahují výrobní výkres nástroje a náměrový protokol.

50 Redukovací křivka nástroje, s číslem 12Ts24.05-79, s výrobním výkresem a náměrovým protokolem v příloze (10), (11), je složena pouze ze dvou tečně spojených rádiusů R 3,76 mm a R 0,5 mm.

3.4 Laboratorní zkoušky pro zjišťování skutečných tvářecích sil

Pro všechny typy nástrojů byly zjišťovány velikosti tvářecích sil. Zkoušky byly provedeny v dílnách Technické univerzity v Liberci na 160 tunovém klikovém lise LU 160 s tenzometrickou snímací hlavou, která je na obrázku 31. Klikový lis byl zvolen pro stejný mechanismus pohonu, jako je na lise NB 515 ve firmě Kamax s. r. o (stejný průběh síly na dráze klikové hřídele). Dalším důvodem byla nedostatečná tlaková síla na statickém trhacím zařízení. Na klikovém lise byly docíleny realističtější rychlosti, než by tomu bylo na statickém trhací zařízení.

Obr. 31: Tenzometrická měřící hlava na 160 tunovém lise

51 Obr. 32: Klikový lis LU 160 a měřící zařízení

Měření bylo prováděno vždy na 8 zkušebních vzorcích (ústřižcích), které byly odebrány přímo ze stroje při sériové výrobě. Díky tomu byla zajištěna nezměněná šarže materiálu a stejný fosfátový povlak. Materiálový list materiálu 23MnB3, šarže 42288 je součástí přílohy (12).

První část měření byla realizována s ústřižky, které byly mazány pouze chladícím olejem KFP 49, který chladil střižné nástroje v lise.

Na obrázku 33 je příklad průběhu síly při zkoušce tlakem na nástroji 12Ts24.05-79.

-20000 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2

Čas [s]

Síla [N]

Obr. 33: Průběh síly v závislosti na čase pro nástroj 12Ts24.05-79.

52 Maximální síly pro jednotlivé nástroje jsou zaznamenány v tabulce 12. Již v průběhu měření byly patrné rozdíly mezi jednotlivými redukovacími křivkami.

Tab.12: Velikost tvářecích sil na jednotlivých redukovacích nástrojích

Testovaný nástroj bylo zapotřebí vždy před zkouškou zalisovat do pouzdra s kónickým otvorem, aby nedošlo k roztržení. Princip již byl znázorněn na obrázku 25 (str. 41). Válcové pouzdro pěchovacího razníku zajišťovalo dosta -tečné vedení, aby nedošlo k nabourání nástrojů.

53 Obr. 34: Držák a zároveň vedení pěchovacího razníku

Po vložení ústřižku do zápustky bylo pouzdro nasunuto do válcového vedení pěchovacího razníku a celá tato sestava byla položena pod beran lisu.

Spuštění stroje na jedno otočení kliky znamenalo zredukování ústřižku a naměření průběhu sil, který byl zaznamenám tenzometrickou hlavou, signál zesílen zesilovačem a zapsán do počítače.

Obr. 35: Sestava nástrojů v pracovním prostoru lisu

54 Po skončení série měření na jednom nástroji bylo zapotřebí tento nástroj vylisovat a zalisovat nový. K tomuto úkonu postačil lis CMD 80.

Porovnáním výsledků bylo zjištěno, že tvářecí síly jsou opravdu rozdílné.

Pokud budou srovnávány hodnoty naměřené u nástroje 12Ts24.05-79 (síla 105 856 N) a hodnoty naměřené u nástroje 12Ts24.05-76 (síla104 367 N), rozdíl mezi nimi je téměř 1500 N. S přihlédnutím na výkon lisovacího stroje NB 515 je tento rozdíl téměř zanedbatelný. Pokud by byla srovnávána nejvyšší a nejnižší naměřená hodnota, jejich rozdíl by činil 9600 N.

Pro ověření výhodnosti testovaných nástrojů bylo měření opakováno pro různé druhy tvářecích olejů, které se ve firmě Kamax s. r. o. Turnov používají při lisování šroubů za studena. Tyto oleje jsou použity spíše ojediněle.

Používají se při lisování velmi složitých výlisků s vysokým stupněm přetvoření, nebo pokud je snaha zvýšit životnost extrémně namáhaných nástrojů, které podléhají opotřebení. Nevýhodou těchto speciálních olejů pro tváření za studena je jejich vysoká cena, která se pohybuje až ke stovkám EUR za jeden litr.

3.5 Vliv mazadel na velikost tvářecích sil

Další částí měření bylo zjištění vlivu použitých mazadel na velikost tvářecích sil. Měření bylo opět provedeno v dílnách Technické univerzity v Liberci.

Zkouška byla opět prováděna na lise LU 160. V tomto případě byly použity dva typy mazacích olejů, které se ve firmě Kamax Turnov využívají při lisování šroubů nejvíce. Na každém nástroji bylo testováno osm ústřižků mazaných olejem KFP 10 a osm ústřižků mazaných olejem KFP 2. Oba tyto oleje vyrábí firma Bechem GmbH. Každý olej má své specifické mazací vlastnosti, které jsou využívány pro lisování určitých dílů.

Cílem bylo zjistit, jak velký bude mít vliv použitého mazadla na velikost tvářecí síly.

55 Zkouška byla prováděna stejným postupem, jako tomu bylo u předchozího měření tvářecí síly. Ústřižky byly předem odmaštěny technickým benzínem a těsně před vložením do zkoušené zápustky byly namazány určitým typem oleje. Průběh tvářecí síly v závislosti na čase byl téměř stejný, jako v předchozím případě (viz. obrázek 33, str. 51).

Naměřené hodnoty tvářecích sil jsou uvedeny v následující tabulce 13.

Tab.13: Tabulka naměřených tvářecích sil s použitím přimazávání

Porovnání výsledků naměřených tvářecích sil s použitým přimazáváním u jednotlivých nástrojů je patrné, že ve všech případech variant nástroje vychází tvářecí síla menší u mazacího oleje KFP 10, než u oleje KFP 2.

Rozdíly se pohybují v rozmezí 100 – 500 N, což z hlediska tváření v praxi je zanedbatelné. Grafické znázornění (viz. graf 3, str. 57) zobrazuje velikost

56 tvářecích sil u jednotlivých nástrojů se zobrazením tvářecích sil pro všechny tři mazadla.

V tabulce 14 jsou nástroje srovnány podle zprůměrovaných velikostí naměřených tvářecích sil. Největší tvářecí síla byla naměřena u nástroje 12Ts24.05-78, druhé místo obsadil nástroj s redukovací křivkou tvořenou tečnými rádiusy s číslem 12Ts24.05-79. Třetí místo obsadil slinovaný nástroj 12Ts24.05-76. Nejmenší síly byly naměřeny na nástroji s vrcholovým úhlem 74° a číslem 12Ts24.05-77.

Tab. 14: Srovnání průměrných tvářecích sil v sestupném směru Druhy olejů a tvářecí síly [N]

Nástroj

KFP 49 KFP 2 KFP 10

12 Ts 24.05-78 108266 101455 101172

12 Ts 24.05-79 105856 99893 99722

12 Ts 24.05-76 104367 96682 96294

12 Ts 24.05-77 98706 93916 93353

57

1 2 T s 2 4 .0 5 -

7 8 1 2 T s 2 4 .0 5 -

7 9 1 2 T s 2 4 .0 5 -

7 6 1 2 T s 2 4 .0 5 - 7 7 0

2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 8 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0

Síla F [N]

K F P 4 9 - c h la d íc í o le j K F P 2 - tvářec í ole j K F P 1 0 - tvářec í ole j

Graf 3: Srovnání tvářecích sil pro různé tvary redukovacích křivek za použití třech typů mazadel

Při pohledu na graf 3 jsou viditelné odchylky velikostí sil na jednotlivých nástrojích. Z hlediska celkové síly potřebné na přetvoření jsou odchylky téměř minimální. Sloupce zkoušených olejů také vykazují odchylky při použití různých nástrojů. Mazadla ponížily tvářecí sílu ve všech případech téměř o stejný díl.

Za použití mazadla (tvářecí olej KFP 10) bylo dosaženo opět nejnižších tvářecích sil u redukovacího jádra s číslem 12TS24.05-77, jako tomu bylo u zkoušky redukování za použití pouze chladícího oleje. Nejnižší tvářecí síla je tedy rovna 93353 N. Nejvyšší síla na redukování ústřižku je zapotřebí u nástroje s číslem 12Ts 24.05-78 za použití chladícího oleje (KFP 49). Již při pohledu na vzorky tvářecích olejů bylo jasné, že nebudou mít stejné mazací schopnosti. Funkce oleje KFP 49 je hlavně chladící. Olej obsahuje i mazací složky, proto napomáhá ke snížení tvářecích sil. Oproti tomu jsou

58 oleje KFP 2 a KFP 10 určeny přímo k přimazávání při samotném tváření.

Výsledky rozborů olejů KFP 10 a KFP 49 jsou součástí přílohy (13) a (14).

Obr. 36: Použité mazací oleje při zkoušce tlakem

3.6 Kontrola výsledků v simulačním programu QForm (verze 4.2)

Díky zapůjčenému simulačnímu programu QForm firmě Kamax bylo možné provést ověření předpokládaných životností (na základě laboratorně zjištěných tvářecích sil) a to porovnáním výsledků získaných simulacemi redukování dříku na zkušebních nástrojích. Výstupem programu QForm jsou hodnoty napětí, které při tváření materiálu působí na nástroj. Tato metoda je vhodnější pro zjišťování životnosti nástroje, zejména díky možnosti zjištění kriticky namáhaných míst a ty dále podrobit úpravám.

Pro získání co nejpřesnějších výsledků bylo zapotřebí simulačnímu programu zadat charakteristiku tvářeného materiálu (23MnB3). Tyto hodnoty byly získány od distributora softwaru QForm. Průběh redukování dříku byl rozdělen do 30 kroků, v nichž byly sledovány maximální hodnoty napětí.

Na obrázcích 37 - 40 jsou zobrazeny maximální napětí působící na nástroj v průběhu redukování.

59 Obr. 37: Maximální napětí naměřené ve 20. kroku na nástroji 12Ts24.05-77

Obr. 38: Maximální napětí naměřené v 15. kroku na nástroji 12Ts24.05-78

60 Obr. 39: Maximální napětí naměřené v 18. kroku na nástroji 12Ts24.05-76

Obr. 40: Maximální napětí naměřené v 8. kroku na nástroji 12Ts24.05-79

61 Nejnižší napětí na nástroj bylo zjištěno u nástroje 12Ts24.05-77 (viz. obrázek 37). Druhým nejméně namáhaným nástrojem byl nástroj 12Ts24.05-78.

Napětí 1885,8 MPa bylo naměřeno u nástroje 12Ts24.05-76. Nejvíce namáhaným nástrojem byl zjištěn nástroj se dvěma tečně napojenými rádiusy 12Ts24.05-79.

Při laboratorních zkouškách byly měřeny velikosti tvářecích sil potřebných k přetvoření ústřižku. Program QForm umožnil měřit napětí vyvinuté v důs- ledku tváření ústřižku na nástroj. Při vyhodnocení životnosti zkoušených nástrojů bude mít vyvinuté napětí v nástroji větší význam ve srovnání s potřebnými tvářecími silami působícími na ústřižek.

Touto zkouškou byla potvrzena výhodnost návrhu nástroje s označením 12Ts24.05-77, jehož zatížení (1689,9 MPa) bylo ze všech nástrojů nejnižší.

V dalším pořadí již nebyla nalezena shoda.

3.7 Testování nástrojů na stroji NB 515

Poslední a tedy závěrečnou částí experimentu bylo nasazení zkušebních nástrojů do výroby, tedy na postupový lis Nedschroef NB 515.

Zkoušené jádro ze slinutých karbidů bylo zalisováno za pomoci pružného kónického pouzdra do pouzdra a upnut do druhého stupně v matricové části.

Výrobní zakázka dílu KX 962.2 byla najížděna a seřizována na nástroj 12TS24.05-76. Při vypadávání výlisku z kupící (srážecí) zápustky (3.stupeň) bylo zjištěno, že při nalisování do pouzdra jádro ze slinutých karbidů zmenšilo svůj vnitřní rozměr o 0,06 mm.

Pro tento materiál (HM G40) je typické zmenšení maximálně o 0,03 mm.

Výsledný průměr redukce tedy nebyl 7,04 mm (udávaný na výkrese), ale 6,98 mm. Tento rozdíl byl příčinou vypadávání předlisku z dalšího stupně.

Proto bylo nutné před spuštěním výroby na plný takt (plná výrobní rychlost) redukovací slinované jádro rozleštit o 0,02 – 0,03 mm. Všechny testované nástroje byly vyrobeny ve stejné nástrojárně a ze stejného materiálu, proto tento postup úpravy byl nutný provést na všech testovaných nástrojích.

Dalším problémem při najetí výroby šroubu KX 962.2 byla vmáčknutá šponka v dosedací ploše šroubu. Příčinou byla zaoblovací zápustka v prvním stupni.