Hradec nad Moravicí TECHNOLOGIE OBJEMOVÉHO TVÁRENÍ PRESNÝCH SOUCÁSTÍ COLD FORMING TECHNOLOGY OF PRECISE MACHINE COMPONENTS

Transkript

1 TECHNOLOGIE OBJEMOVÉHO TVÁRENÍ PRESNÝCH SOUCÁSTÍ COLD FORMING TECHNOLOGY OF PRECISE MACHINE COMPONENTS Milan Forejt a, Dalibor Krásny b Jirí Pokorný c a,b, Brno University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Technická 2896/2, Brno, CR, . a forejt@ust.fme.vutbr.cz C, Form Brno a.s. Cechynská 16, Brno. Abstrakt Na produkci strojních a spojovacích soucástí z kovu a jejich slitin v celém svete se významne podílí technologie tvárení. Tato technologie splnuje požadavky na velmi presné soucásti stroju, prístroju v letecké, automobilní a ostatní dopravní technice, ve vojenské technice, v energetice a také ve spotrební technice. Tvárené soucásti splnují i nejnárocnejší technická kriteria na geometrii tvaru, na presnost a požadavky na mechanické vlastnosti. Clánek uvádí príklad takové technologie pri výrobe vodícího cepu z uhlíkové oceli. Abstract The metal forming technologies have a significant share in the global production of machine components and joining elements made of metals and their alloys. These technologies meet the requirements for very precise machine and instrument components for air, road and other transport, for military purposes, power engineering and also for consumer goods. Components produced by metal forming satisfy even the most demanding technical criteria and demands made on mechanical properties. The paper presents the example this technology in manufacturing of pilot pin from carburizing steel. 1. ÚVODEM Soucasné strojírenství požaduje výrobu dílcu, které se blíží presným a cistým tvarum s minimálním odberem trísky a s potrebnými mechanickými vlastnostmi. Mechanické vlastnosti kovu a slitin se mj. ovlivnují cestou strukturních zmen pri tvárení vysokými rychlostmi a energiemi. Pri uplatnení takových technologií v sériové a hromadné výrobe kovových dílcu dochází k výrazným ekonomickým i ekologickým prínosum. V rámci dosavadního výzkumu byly metalograficky vyhodnocovány výbrusy z osových rezu vzorku po kompresních Taylorových testech TAT (Taylor Anvil Test). Pokracovala pracná merení a vyhodnocování polí mikrotvrdostí na osových rezech s posouzením vztahu k modelum plastického pretvorení. Dokumentace a vyhodnocení strukturních zmen na testovaných vzorcích z predmetné oceli byly uskutecneny dle metodiky, která byla popsána a zduvodnena již dríve, napr. v [1] a [2]. Provedené potrebné simulace kompresních experimentu pri zvolených rychlostech rázu vedly k získáni možných shod tvaru a ke stanovení parametru konstitutivních rovnic (1) dle Johnson-Cooka [3]. Tyto práce doprovázela i experimentální overení zatížení zkušebních vzorku pro TAT rázovými silami [4]. Sestavené dynamické materiálové modely byly postupne zahrnuty i do databáze na webových stránkách v rámci grantových aktivit [5]. Soubežne, dle aktuálních potreb, pokracovaly implantace vytvorených dynamických materiálových modelu s vlivem rychlosti deformace do užívaných výpoctových programu [6], [7]. Poznatky z aplikací na výrobních technologiích objemového tvárení za studena lze ukázat na príkladech jejichž soucástí je i hodnocení strukturních zmen [8]. 1

2 2. TECHNOLOGIE VÝROBY VODÍCÍHO CEPU Príklad presného výlisku Vodícího cepu z oceli R, který byl vyroben na víceoperacním automatu TPZK 25 je na obr.1. Jako polotovar byla použita tažená loupaná kruhová ocel ø 12,7H7 jakosti 1R (morená, tažená v mýdlovém prášku s úberem 10%) dodávané ve svitcích o vnitrním ø 600 až 700 mm a hmotnosti do 200 kg. Povrch kruhové oceli má být bez povrchových vad hlubších než 0,2 mm, je fosfátován a nasycen mazivem. Chemické složení dle Tabulky.1 odpovídá jakosti oceli a bylo overováno na Spektrometru LECO GDS 750 *. Kvalita drsnosti povrchu dríku vykazuje strední hodnoty Ra = 0,15 až 0,23. Strední tvrdost predmetné oceli ve výchozím stavu byla 220 až 230 HV 10. Obr.1 Zjednodušený postup výroby vodícího cepu Fig.1. Simplified process of manufacturing a pilot pin. Obr.2 Osový rez vodícím cepem s místy metalografického sledování Fig.2. Axial section through the pilot pin. Tabulka 1 Porovnání chemického složení oceli R Table 1 Comparison of chemical composition of grade R steel C % Mn% Si % P % S % Cr % Mo % V % Cu % Ni % Atest dle CSN EN CSN Spektrometr LECO GDS 750 * 0,20 0,91 0,10 0,018 0,004 0,13 0,20 0,60 0,90 0,15-0,40 0,040 0,040 max. 0,25 max. 0,30 0,31 0,90 0,15 0,021 0,007 0,04 0,05 0,03 0,11 max. 0,30 Tabulka 2 Table 2 Zahranicní ekvivalenty Foreign equivalent steels Norma Materiál Císelné oznacení. CSN Ocel DIN C DIN Ck EN C15E EN C GOST SU 15 Uhlíková ocel R odpovídá chemickému složení oceli dle CSN Z Tabulky 1 je patrný rozdíl ve výjimecné cistote, tj. s malým obsahem P a S a s vyšším obsahem uhlíku 2

3 Ocel je urcena pro méne namáhané strojní soucásti silnicních motorových vozidel urcené k cementování, se strední pevností v jádre po kalení, napr. méne namáhaná ozubená kola, vackové hrídele, vložky, vetší retezová kola, pouzdra, vodítka apod. Dále se používá na soucásti k cementování lisované z plechu. Ocel není vhodná ke galvanickému pokovování. Tabulka 3 Table 3 Mechanické vlastnosti polotovaru oceli R Mechanical properties of a blank of grade R steel. Rm Rp0,2 A5 Z n MPa MPa % % exponent zpevnení Dle atestu , Prumer hodnocení ze 6ti tahových zkoušek ,5 56,4 0, METALOGRAFICKÁ HODNOCENÍ Na osovém rezu vodícího cepu na obr.2 jsou na vyznacena místa metalografického sledování. Snímání struktur bylo provedeno na svetelném mikroskopu Olympus s digitálním zpracováním snímku. Vedle zkoumání charakteristických struktur predmetné oceli bylo provedeno sledování možných vad presného výlisku. Na složeném obr. 3 z místa A a B pri zvetšení ~50 x je videt charakteristická preložka v míste A, na spodní cásti prechodu príruby hlavy do dríku. V prechodech na levé strane z hlavy do príruby a na pravé strane do dríku jsou plynulé s výraznou plastickou deformací zrn. Predmetný obrázek obsahuje mj. i radu artefaktu, které vznikly necistotami a poškozením metalografického výbrusu. Obr. 3 Fig.3 Místo A a B na prírube hlavy, zvetšení ~ 30 x Places A and B on the head flange, magn. ~ 30x 3

4 Obr.4 Fig.4 Místo E a F koncové fazety, zvetšení ~50 x Places E and F on shank end, magn. 50x Na obr.4 pri zvetšení ~50 x je zretelná vláknitá struktura zobrazující vhodný radiální tok oceli pri rozpechování konce dríku s osazením. Z uvedeného obrázku vpravo je zrejmé i zbrzdení radiálního toku pechovníkem. Obr.5 Povrchová vrstva dríku- C, zvetšení ~130x Fig.5 Surface layer of the shank C, magn.~130x Nejvetší deformace je po dopredném protlacování u okraje dríku v míste C a v míste D asi 2 mm pod povrchem, viz obr.5, 6 a 7. Ocel má feriticko perlitickou strukturu s globulárním tvarem karbidu. Struktura je ponekud nehomogenní a protažená feritická zrna dosahují délky až 100 m. Na obr.5 z místa C je pri zvetšení asi 160 x pozorovatelná svetlá povrchová vrstva do hloubky asi 0,1 mm. Detailní zobrazení je na obr.6 pri zvetšení ~350 x. Obr. 6 Feritická struktura na povrchu-c, zv. ~330 x Fig.6 Ferritic structure on the surface area C magn. ~ 330x Obr.7 Feriticko perlitická struktura -C ~ 330 x Fig.7 Ferritic-pearlitic structure C, magn.~330x 4

5 Pod povrchem je struktura rovnomernejší a plastickou deformaci ve smeru dríku dokládá usporádání protáhlých tvaru feritických zrn délky 40 až 80 m, ale také až 100 m, jak je zrejmé z obr.7 pri zvetšení ~350 x.. Asi v hloubce 0,3 mm se struktura projevuje vetšími shluky polí globulárního cementitu, jak je zrejmé z obr.8 pri zvetšení ~350 x. Obr. 8 Struktura v hloubce 0,3 mm-c, zv.~330 x Fig.8 Structure at a depth of 0.3 mm C magn. ~ 330x Strukturní nehomogenita je pozorovatelná i ve vetší hloubce pod povrchem, napr. místo D na obr.9. Délka feritických zrn ve smeru deformace se pohybuje v rozmezí od 50 do 100 m. Obr.9 Feriticko-perlitická struktura uvnitr dríku zv.~130 x Fig.9 Ferritic-pearlitic structure inside the shank D magn. ~ 130x 4. SHRNUTÍ-DISKUSE Ocel v provedení 1R (morení tažení v mýdlovém prášku s úberem 10%) má vyšší pevnostní charakteristiky než mekce žíhaná ocel , jejíž krivka zpevnení pro deformacní odpor dle Johnson-Cooka (1) byla získána cestou kompresních testu TAT a jejich simulacemi, [3, 7]. Vetší priblížení mechanických vlastností by bylo zrejme dosaženo u oceli , tedy po normalizacním žíhání. 0, 7 0, 35 * d , 05 ln 1 T (1) t Zdánlive kvalitní povrch výlisku po dokonceném kombinovaném objemovém tvárení za studena, který je zrejmý napr. z obr.1, obsahuje již pri malých makro-zvetšeních radu nerovností a dokonce vady typu preložky, jak dokládá obr.3. Kalibrace v posledních operacích skryté vady i typu preložky zahladí a záleží na charakteru namáhání soucásti a na poloze vady, zda povede k nežádoucím poruchám za provozu. U životne duležitých soucástí mechanismu a systému jsou takové vady neprípustné. Odhalení a predpovídání techto vad lze posoudit kvalitními simulacemi plastického toku. Práve pri vývoji technologií podobných tvaru soucástí je vhodné posoudit vývoj chování predmetných materiálu pri zmenách tvaru v jednotlivých operacích cestou simulací plastického toku. Na základe techto informací pak upravit konstrukci nástroju. 5

6 Znacne hrubozrnná struktura s velikostí feritických zrn ve smeru hlavní deformace se pohybovala v rozmezí 40 až 100 m. Znalost výchozí struktury oceli a jejich zmen behem plastických deformací je predpokladem pro posouzení mezních podmínek deformace. Rozlicnost a clenitost tvaru soucástí objemove tvárených za studena vede ke stále vetším úsporám materiálu pri dokoncovacích operacích. Proces zpevnování behem tvárecích operací zvyšuje pevnostní charakteristiky a tedy i užitné vlastnosti soucástí. Výsledky techto výzkumných prací jsou postupne zahrnovány i do rešení technologií objemového tvárení soucástí v rámci projektování studentu, v rámci rešení témat doktorských disertací a pokud je to možné i na konkrétních výrobních technologiích vsoucasné tvárecí praxi. Podekování: Tato práce je podporována výzkumným zámerem MŠMT, MSM Acknowledgement: The present work has been supported by the Ministry of Education research plan MSM LITERATURA [1] FOREJT,M., aj. Plastic deformation at real compression rates. In METAL FORMING 2000: 8 th International Conference: 3-7 September Hgf TU Krakow, Poland. Ed. Pietrzyk at al. Balkema, Rotterdam, p ISBN [2] FOREJT,M., aj. Effect of Deformation Changes on Microstructure of Forming Steels. In METAL 2001: 10 th International Metallurgical Conference, Symposium B: May 2000 Ostrava, Czech republic [CD ROM]. TANGER Ostrava: May 2000, p 21/1-21/6. ISBN [3] FOREJT, M., JOPEK,M. Modelling of Taylor anvil test. In CO-MAT-TECH 2003: 11 th International Conference: October Trnava, Slovak University of Technology in Bratislava Faculty of Material Science and Technology in Trnava. [CD ROM]. MtF Trnava: October 2003, p ISBN [4] FOREJT, M. aj. Zjištování rázových sil a napetí pri Taylorove testu. (Measurement of deformation forces and stresses during the Taylor Anvil Test). In. TECHNOLOGY 2003: 8 th International Conference: 9-10 September Slovak University of Technology in Bratislava. [CD ROM]. STU Bratislava: September Vol.1. p ISBN [5] FOREJT, M. aj. Využití dynamických modelu ocelí v simulacním software pro tvárení. Application of dynamic models of steels in simulation software for metal forming. In METAL 2003: 12 th International Metallurgical & Materials Conference: May Hradec nad Moravicí, Czech republik.[cd ROM ] Ostrava, TANGER: May Vol.1. p 92/1-92/5. ISBN [6] FOREJT, M., Využití dynamických modelu ocelí v programech pro objemové tvárení.. Kovárenství. 2003, roc c. 22, s ISSN [7] FOREJT, M. aj. Tvorba databáze materiálových modelu k predikci chování materiálu v tvárecím procesu, cást A. Výzkumný zámer MSM : Rozvoj progresivních vysocepresných strojírenských technologií. Výzkumná zpráva. FSI VUT v Brne, Prosinec 2003, s 23 [8] FOREJT, M., POKORNÝ, J. Poznatky z technologie objemového tvárení chromové oceli na víceoperacním automatu. In Metody oceny struktury oraz wlasnosti materialów i wyrobów: Mechanika - Zeszyty naukove Politechniky Opolskiej Nr.290, zesyt 76, s ISSN