JAK OVLIVNÍ VÝROBCE ŽIVOTNOST TVÁŘECÍCH NÁSTROJŮ? HOW PRODUCER INFLUENCE THE LIFE TIME OF FORMING TOOLS? Josef Fajt

Transkript

1 JAK OVLIVNÍ VÝROBCE ŽIVOTNOST TVÁŘECÍCH NÁSTROJŮ? HOW PRODUCER INFLUENCE THE LIFE TIME OF FORMING TOOLS? Josef Fajt PILSEN TOOLS s.r.o., Tylova 57, Plzeň, ČR, Abstrakt Efektivitu výroby a výrobní náklady na tvářecí nástroje ovlivňuje rozhodujícím způsobem jejich životnost. Zejména v oblasti velkosériové výroby výkovků je nutno používat nástroje s vyšší životností, protože náklady spojené s častou výměnnou nástrojů zhoršují efektivitu výroby. Firma PILSEN TOOLS s.r.o., jako jeden z výrobců tvářecích nástrojů zápustek a současně uživatelů ocelových výkovků polotovarů pouzder pro svůj výrobní sortiment, má dostatek poznatků a dále řeší koncepčně danou problematiku. The lifetime of forging dies is a very important factor affecting the efficiency and production costs in the forging industry. The company PILSEN TOOLS from Pilsen develop of forging dies and other forming tools with enhanced lifetime. Its research work is directed especially to innovative tool materials (modern hot working steels), heat treatment and special surface treatment technologies. Some results of this development are presented in the present article. 1. ÚVOD Objemové tváření za tepla kováním je považované za progresivní výrobní technologii. Jedním z jeho zvlášt sledovaným parametrem je životnost hlavního kovacího nástroje, kterým je zápustka. V minulosti se tomuto parametru nevěnovala dostatečná pozornost a to hlavně z důvodu nízkých energetických a výrobních nákladů na výrobu zápustek. V současnosti však cena energie, materiálu a ostatní náklady na výrobu několikanásobně vzrostly a proto vystoupil do popředí požadavek na řešení životnosti nástrojů s cílem maximálního prodloužení času jejich využití ve výrobním procesu. Náklady spojené s častou výměnou nástrojů totiž bývají neúměrně vysoké. Z těchto důvodů mnoho kováren v posledních letech investuje nemalé částky do vývoje řešení pro zvýšení životnosti kovacích zápustek. Udržet si své postavení a konkurenceschopnost v trvale měnícím se ekonomickém prostředí, znamená neustálé hledání výrobních alternativ a hospodárnějších způsobů výroby za přispění moderních technologií. Tato cesta je nezbytná ale zároveň finančně velmi náročná. 2. OBLASTI ŘEŠENÍ Těžiště řešení optimalizace u výrobce nástrojů musí být zaměřeno zvl. na tyto oblasti: 2.1. optimalizace konstrukčního řešení 2.2. volba odolných materiálů zápustek 2.3. tepelné zpracování 2.4. uplatnění povrchových úprav 2.5. možnost renovace nástroje / posunutím profilu, navařením, ap./ 2.1. Optimalizace konstrukčního řešení Konstruktér před návrhem tvářecí zápustky musí do projektu zahrnout max. rozsah řešené oblasti výroby, tzn. počet kusů v dávce, případnou podobnost výkovků, rozsah velikosti dílu, ap. Pokud pevnostní, tvarové a rozměrové parametry umožní, volit provedení s výměnnými prvky, kdy dojde k úspoře nástrojového materiálu a je předpoklad snížení nákladů při náhradě opotřebovaného dílu. Velký vliv má rozvržení tvaru předkovacího, kovacího a dokončovacího nástroje, je-li to technologicky nutné. Při konstrukci se musí řešitel vyvarovat konstrukčních prvků, které mají vliv na vrubovou pevnost vlivem tepelného a mechanického zatížení nástroje při kování, malým přechodovým rádiusům mezi plochami kvůli tečení materiálu a teplotním vlivům. Také tuhost dílů zápustky musí být úměrná silovému namáhání. Vhodné segmentové uspořádání náchylných částí tvářecích nástrojů odstraní slabá místa a zvýší efektivitu. Přitom je možno kombinovat materiály výměnných prvků, nebo volit odolnější materiály, 1

2 které jsou mnohdy dražší, ale segment bývá menší. Rozhodující je většinou místo a forma spoje, aby nedocházelo k zatékání kovu Volba odolných materiálů zápustek Volbou materiálu nástroje po optimalizaci konstrukce lze v určitém rozsahu zvyšovat životnost. Kovací zápustky jsou při provozu vystaveny především cyklickému působení vysokých teplot. V některých případech může teplota povrchu nástroje přesáhnout 500 C. Kromě toho dochází ke značnému mechanickému namáhání ve formě vysokého měrného tlaku, který navíc působí ve formě rázu. Nejdůležitější vlastnosti materiálu pro kovací zápustky proto jsou tvrdost a pevnost zejména v oblasti vyšších teplot a dále houževnatost a odolnost proti mechanické a tepelné únavě. Chemické složení ocelí pro práci z tepla je založeno zejména na přísadách molybdenu nebo niklu, které zvyšují odolnost vůči vysokým teplotám, a dále na karbidotvorných prvcích, jako je např. chrom, vanad, wolfram atd., které zvyšují především tvrdost a prokalitelnost. Obsah karbidotvorných prvků však bývá u těchto ocelí nižší, než u ocelí pro práci za studena (např. pro řezné obráběcí nástroje), aby nedocházelo k nežádoucímu snížení houževnatosti. Praktická zkušenost ukazuje, že rozdíly mezi chemickým složením běžných a moderních nástrojových ocelí nejsou příliš výrazné, je však velký rozdíl mezi jejich vlastnostmi. Je to způsobeno zejména lepším metalurgickým zpracováním, kvalitnějším prokováním a lepší homogenitou mikrostruktury moderních ocelí. Kromě klasicky vyráběných ocelí je v současnosti možno využít i oceli vyráběné práškovou metalurgií Tepelné zpracování Správná hodnota zušlechtění zápustky z určitého nástrojového materiálu podstatně ovlivňuje její životnost. Při nižší hodnotě může docházet k předčasné degradaci tvaru, při příliš vysoké se snižuje houževnatost a hrozí destrukce. V současnosti jsou prověřovány možnosti uplatnění některých nových technologií tepelného zpracování, jako je např. kryogenní zpracování. Kryogenní zpracování nepředstavuje pouze povrchové zpracování. Jedná se o doplněk konvenčního tepelného zpracování ocelí. Jeho účelem je zejména stabilizovat martenzit a eliminovat zbytkový austenit ochlazením oceli na teplotu pod Mf. Tato teplota leží u nástrojových ocelí obvykle pod hodnotou minus 100 C. Moderní způsoby dlouhodobého kryogenního zpracování spočívají v pomalém ochlazení zpracovávaných součástí na teplotu až ca. minus 180 C, po kterém následuje výdrž na této teplotě, jejíž délka je závislá na velikosti zpracovávané součásti a na použitém materiálu. Poté se materiál pomalu zahřeje na teplotu okolí a nakonec se provede nízkoteplotní popuštění. Přesný režim kryogenního zpracování (podobně jako režim tepelného zpracování) závisí na zpracovávaném materiálu. Přesná metodika kryogenního zpracování ocelí je v současné době předmětem intenzivního vývoje i v naší společnosti. Kromě eliminace zbytkového austenitu a stabilizace martenzitu vede dlouhodobé kryogenní zpracování k uvolnění velmi jemných precipitátů, které způsobují další zpevnění materiálu Uplatnění povrchových úprav Přehled základních možností povrchového zpracování, které vedou ke zvýšení odolnosti proti opotřebení je znázorněn v Tabulce 1: Technologie Výhody Nevýhody Nitridace, karbonizace Poměrně dobrá tvrdost a odolnost a další technologie, proti opotřebení (závisí i na založené především na difúzi základním materiálu) Poměrně dobrá tepelná stabilita Povlaky PVD Keramické povlaky nebo jiné tepelné nástřiky Je možné dosáhnout velmi vysoké tvrdosti, odolnosti proti mechanickému opotřebení a tepelné stability Velmi vysoká tvrdost a odolnost proti mechanickému opotřebení, dobrá tepelná stabilita Trhliny (způsobené např. tepelnou únavou) se mohou snadno šířit do základního materiálu Nízká houževnatost, při dynamickém namáhání může docházet k prolamování a odlupování povlaku. Vysoká cena Nízká houževnatost vrstvy, při dynamickém namáhání může docházet k jejímu odlupování Tabulka 1. Přehled technologií povrchového zpracování kovacích zápustek Table 1. The overwiev of the surface treatment technologies forging dies 2

3 Nitridace přináší v oblasti zápustek vyšší odolnost povrchu proti otěru a tím i zvýšení životnosti nástrojů. Poměrně malé zvýšení nákladů na nitridaci přináší zefektivnění výroby a procesu. V tabulce uvedené nevýhody však mohou být pro některé typy zápustek degradační. Např. u nástrojů s hlubokými dutinami může od nitridovaného povrchu vzniknout vlivem pnutí trhlinka, která se následně lavinovitě šíří a je příčinou destrukce. Také velmi tenké PVD vrstvy o vysoké tvrdosti, nanesené na relativně měkkém substrátu tvářecím nástroji, se uplatní jen zřídka. V některých případech se naopak využije odolný návar na styčnou plochu zápustky s výkovkem, zvl. v místech intenzivního otěru nástroje Možnost renovace nástroje Velká hmotnost tělesa zápustky, která musí být dimenzována tak, aby odolávala cyklickému mechanickému a tepelnému namáhání, představuje většinou významné finanční náklady na nástrojový materiál. Proto, pokud to tvarové podmínky umožňují, je žádoucí konstruovat nástroj s přídavkem pro nejlépe vícenásobné posunutí profilu obrobením po jeho opotřebení. Pokud není nástroj tepelně degradován, bývá nový profil zhotoven přímo do tepelně zpracovaného materiálu. Tím dochází k úspoře energie na opakované tepelné zpracování zápustky. Namáhaný profil v místech největšího opotřebení je možné rovněž při vhodné volbě materiálů navařit, což je možno provést před použitím nástroje, nebo podle výsledků optimalizace v některých případech na opotřebeném dílu. Výše uvedené vstupní předpoklady pro zvýšení životnosti tvářecího nástroje je nutno ověřit případ od případu, nelze doporučit jednoznačný postup pro všechny typy zápustek. Záleží na tvaru výkovku, výrobním zařízení, použité technologii, ale např. i na používaném mazacím prostředku, apod.! 3. PŘÍKLADY PRAKTICKÝCH APLIKACÍ Ve společnosti PILSEN TOOLS s.r.o. byla navržena, vyrobena a používána na výrobu výkovků na pouzdra otočných hrotů dle obr. 1 a 2. zápustka s výměnnými prvky. Zápustka odpovídá požadavku na 3 velikosti pouzder systémem výměnných vložek (trny, spodní vložky, vyhazovače), jak vyplývá z přiloženého obr. 3. Obr.1. Otočné hroty Fig.1. The live centres Obr.2. Pouzdro otoč. hrotu a výkovek Fig.2. The bush of the live centre and the forging Polotovar pouzdra otočného hrotu se kove v zápustce, která je znázorněna na obr. 3. společně s příkladem vyvinutého vyhazovače, chráněného jako průmyslový vzor. Vyhazovač je nutný pro vyjmutí výkovku z hluboké dutiny zápustky. Současně slouží k vytvoření důlku pro opření výkovku při jeho obrábění na soustruhu. 3

4 Obr. 3. Segmentová zápustka na kování pouzder otočných hrotů Fig. 3. The segment forging die for the bushes Vyhazovač The ejector Vyhazovač Vyhazovače využívané pro vyjímání výkovků při tváření v tvářecích zápustkách jsou v současné době zpravidla vyrobeny z nástrojové oceli. Tento materiál je vhodný pro svoje vlastnosti tepelné odolnosti i relativně nízké ceny, v některých případech má však nedostatečnou životnost. V závislosti na velikosti a tvaru kontaktní plochy vyhazovače, teplotě materiálu vyjímaného výkovku se životnost vyhazovače pohybuje maximálně v několika málo desítkách, či stovkách použití. V zásadě rychlé opotřebení vyhazovače je způsobeno teplotním gradientem použité nástrojové oceli, který není příliš rozdílný od teplotního gradientu zpracovávaného materiálu, čímž dojde k degradaci vyhazovače jeho vyžíhání. Kvůli geometrii pouzdra a použité technologii kování je zapotřebí použít vyhazovač pro vyjmutí hotového výkovku ze zápustky. Tento vyhazovač je značně mechanicky i tepelně namáhán, což omezuje jeho životnost. Vyhazovače z oceli mají v tomto případě životnost pouze v řádu několika stovek kusů. Byly testovány vyhazovače z různých materiálů, na kterých bylo postupně aplikováno několik metod zpracování. Nejlepší výsledky byly dosaženy při použití vyhazovače ze slinutého karbidu. Technické řešení bylo přihlášeno jako užitný vzor č. PUV ,,Vyhazovač s vysokou životností pro tvářecí zápustky. Při tomto řešení dosahuje životnost vyhazovače cca kusů, což je více, než životnost celé zápustky (ta činí cca ks). V první etapě řešení zvýšení životnosti různých tvářecích nástrojů byla pozornost věnována výběru vhodných materiálů, prověření vlivu konstrukčních prvků, optimalizaci klasického tepelného zpracování, uplatnění otěruvzdorných povrchových metod, možnosti renovace nástrojů posunem profilu nebo navařováním vhodnými přídavnými materiály, ale i technologii výroby a uplatnění vhodných maziv. To vše bylo ověřováno v několika tuzemských kovárnách u výrobců zápustkových výkovků. V následné etapě je kladen důraz na možnost uplatnění technologie tepelného zpracování včetně kryogenního a to jak v oblasti tvářecích, ale i řezných a dalších nástrojů a součástí. 4

5 4. SHRNUTÍ PROVEDENÝCH OPTIMALIZAČNÍCH KROKŮ Č. Díl Popis ověřovaného nástroje Výsledek Životnost ks 1 Vložka 4 Nitridace 0,2 mm /19554/ Roztržení Vložka 5 Nitridace+ popuštení /19554/ Roztržení Vložka 5 Hluboké závity M12 na vyjímání Roztržení Trn 5 Slabé tělo pro kování na lisu 700t Trhliny Trn 5 R 2 v přechodu trnu do těla /19556/ Únavový lom Trn 5 Mat zušl. na HRC /R2/ Únavový lom Trn 4 Mat , zušl. na HRC Opotřeben Vložka 5 Mat , zušl. na HRC Opotřebeno Vložka 5 Mat , zušl. na HRC Opotřebeno Trn 5 Mat , zušl. na HRC /R5/ Opotřebeno Trn 5 Mat , zušl. na HRC /R5/ Opotřebeno Vložka 5 Mat , zušl. na HRC Opotřebeno Trn 4 Mat , zušl.na HRC Opotřebeno Vložka 4 Mat , zušl. na HRC Opotřebeno Trn 5 Složený, mat.19733, 48-52, Berulit906 Vytržení Trn 4 Monolit, mat.19554, HRC Opotřeben Vložka 4 Mat i , HRC Opotřebeno Vložka 5 Mat.19554, zušl. na 48-52, Berulit906 Opotřebeno Vložka 4 Mat , zušl. na 48-52, Berulit906 Opotřebeno Trn 4 Složený, mat.19663, 48-52, Berulit906 Opotřebeno Vložky Úpravou ze 4 na 5 - využití materiálu Opotřebeno Tabulka 2. Vlivy na životnost dílů zápustek na pouzdra Table 2. The influences on the lifetime of the forging dies V tabulce je uvedena dosažená životnost při nevhodné nitridaci, nevhodné konstrukci některých dílů, při zvoleném tepelném zpracování určitých materiálů, ale i při použití nového maziva v kombinaci s optimálním zpracováním dílů zápustky. Nejvyšší životnost prokazuje kombinace materiálů u složeného trnu a pro využití materiálu posunem profilu na následnou velikost výkovku, jak je i znázorněno graficky na obr. 4. 5

6 životnost Obr.4. Grafické znázornění dosažené životnosti Fig. 4. The graphic presentacion of the achieved lifetime 5. ZÁVĚR Uvedené výsledky ukazují, že je možné volbou vhodného materiálu dosáhnout výrazně vyšší životnosti kovací zápustky ve srovnání s běžně používanou nástrojovou ocelí ČSN Ukazuje se rovněž, že lze v určitých případech k výrobě zápustek s úspěchem použít i zcela nekonvenční materiály, jako jsou např. slinuté karbidy. Vyšší životnosti těchto moderních zápustek odpovídá i jejich vyšší pořizovací cena, ovšem při uvážení časových a dalších úspor, které vyplývají z použití zápustek s vyšší životností, je často vhodné volit dražší a kvalitnější nástroj. Zejména při kování větších sérií je proto třeba věnovat volbě materiálu zápustky a dalším technologickým podmínkám výroby odpovídající pozornost. Tento projekt byl částečně financován MŠMT v rámci projektu EUREKA!3030 FORMINGTOOLS a EURUSTARS E4261 TECTECH. LITERATURA 1. Fajt,J., Kesl, M., Nový, Z.:Technologie kombinovaného protlačování pouzder. Kovárenství, Červen 2002, s Fajt, J., Nový, Z., Šuchmann, P.: Moderní materiálová řešení pro zvýšení životnosti kovacích zápustek. Sborník přednášek 5. Kovárenská konference, Ostrava: Svaz kováren ČR, Květen 2005, s Šuchmann, P., aj.: TESTS OF MATERIALS AND SURFACE TREATMENT TECHNOLOGIES ENHANCING THE LIFETIME OF FORMING TOOLS. Sborník přednášek 1. Mezinárodní konference tepelného zpracování a povrchových úprav nástrojů, PULA 2005, s Fajt, J. -,,Zvyšování efektivity tvářecích nástrojů Sborník mezinárodní konference Nástroje 2006, Zlín, Univerzita T.Bati ve Zlíně. 6