Optimalizace nářadí pro transférové kování talířových kol na kovárenském lise Šmeral 4000 t

Transkript

1 Optimalizace nářadí pro transférové kování talířových kol na kovárenském lise Šmeral 4000 t Bakalářská práce Studijní program: B2301 Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 Strojní inženýrství Autor práce: Vedoucí práce: Jan Hrnčíř doc. Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. Liberec 2016

2

3

4 Prohlášení Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména 60 školní dílo. Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL. Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše. Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem. Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG. Datum: Podpis:

5 Anotace Bakalářská práce se zabývá optimalizací nářadí pro transferové kování talířových kol na kovárenském lise Šmeral LZK 4000 ve firmě ŠKODA AUTO a.s.. Cílem práce je vytvoření a realizace návrhů, které povedou ke zvýšení životnosti kovacího nářadí. Tento problém byl řešen na hnaném rozvodovém kole automatické převodovky DQ 200 číslo dílu talířového kola s označením 0AM AF, které se montuje do vozů značky ŠKODA AUTO. Klíčová slova Kování, tváření, lis, zápustka, chlazení, takt, teplota kování Annotation Bachelor thesis deals with optimization of tools for transfer forging of gear wheels at the forging press Šmeral LZK 4000 in the Škoda auto company. The aim of the thesis is creation and implementation of designs aimed at increasing the life-time of the forging tools. This problem was solved on the driven timing wheel of the automatic gearbox DQ Part Number crown wheel labelled as 0AM AF which is mounted into the ŠKODA AUTO cars. Key words Forging, Forming, Press, Die, Cooling, Machine Cycle, Forging Temperature

6 Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Pavlovi Solfronkovi, Ph.D. za odborné vedení a řadu cenných rad při tvorbě mé bakalářské práce. Další poděkování patří též firmě ŠKODA AUTO a.s. za spolupráci při získávání údajů pro praktickou část bakalářské práce.

7 OBSAH SEZNAM ZNAČENÍ ÚVOD TEORETICKÁ ČÁST TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ KOVÁNÍ STUPEŇ DEFORMACE A PROKOVÁNÍ VÝPOČET SÍLY PŘI KOVÁNÍ POLOTOVARY VHODNÉ PRO TVÁŘENÍ ROZDĚLENÍ KOVÁNÍ VOLNÉ KOVÁNÍ ZÁPUSTKOVÉ KOVÁNÍ ZÁPUSTKY ROZDĚLENÍ ZÁPUSTEK KOVÁNÍ V POSTUPOVÝCH ZÁPUSTKÁCH MATERIÁL PRO VÝROBU ZÁPUSTEK Z OCELI MAZÁNÍ ZÁPUSTEK DOKONČOVACÍ OPERACE VÝKOVKŮ VADY VÝKOVKŮ PRAKTICKÁ ČÁST ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU RUČNÍ KOVÁNÍ TRANSFEROVÉ KOVÁNÍ NA SVISLÉM KOVACÍM LISE ŠMERAL LZK 4000 VE FIRMĚ ŠKODA AUTO METODIKA ŘEŠENÍ EXPERIMENTU ZMĚNA MATERIÁLU ZÁPUSTEK ZMĚNA TVARU ZÁPUSTEK MEZI KOVACÍMI OPERACEMI CHLAZENÍ A MAZÁNÍ ZÁPUSTEK ZMĚNA TAKTU VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ ZÁVĚR

8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM GRAFŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH

9 SEZNAM ZNAČENÍ t teplota [ C] A cm segregační čára [ ] A 3 čára rekrystalizace [ ] A 1 eutektoidní teplota [ C] α ferit [ ] γ austenit [ ] ε stupeň přetvoření [%] S 0 plocha počátečního průřezu [m 2 ] S k plocha konečného průřezu po tváření [m 2 ] p stupeň prokování [ ] l 0 počáteční výška [m] l k konečná výška [m] F tvářecí síla [N] k o přetvárný odpor (odpor proti tváření) [MPa] S plocha kovadel [mm 2 ] k p přetvárná pevnost [MPa] m koeficient závislý na způsobu tváření [ ] ČSN Česká Státní Norma (technická norma) [ ] s, b šířka můstku [mm] R, r velký poloměr, malý poloměr [mm] n, n 1 hloubka zásobníku [mm] h výška můstku [mm] b 1 šířka zásobníku [mm] H vzdálenost spodní dutiny zápustky od osy můstku [mm] L délka [mm] m hmotnost [kg] R e mez kluzu [MPa] R m mez pevnosti v tahu [MPa] 8

10 A 5 tažnost [%] Z kontrakce [%] H s sevření [mm] B průchod [mm] l s délka upínacího stolu [mm] b s šířka upínacího stolu [mm] l b délka upínacího beranu [mm] b b šířka upínacího beranu [mm] E hydraulické přestavění beranu [mm] z zdvih [mm] P výkon [W] v s výška stroje [mm] š s šířka stroje [mm] h s hloubka stroje [mm] 9

11 1 ÚVOD V současné době se kladou vysoké nároky na kvalitu a stabilitu výroby. Výrobci se snaží vyrobit co nejvíce kusů za co nejkratší dobu a zároveň je snaha použít pro výrobu strojních součástí co nejméně operací. Cílem technologií tváření kovu je vyrobit polotovar, který se bude nejvíce blížit svým tvarem a rozměrem hotovému výrobku. V dnešní průmyslové době se spotřebuje 60 % válcované oceli ve strojírenství. Z tohoto množství takřka jedna pětina připadá na odpad ve formě třísek, který jde zpět do hutí. Proto je potřebný vývoj technologií s menší spotřebou materiálu a s menší energetickou náročností. Firma ŠKODA AUTO byla založena v Mladé Boleslavi roku 1895 podnikateli Václavem Laurinem a Václavem Klementem. Od roku 1991 patří do automobilového koncernu Volkswagen Group. Svým obratem, tržbami a počtem zaměstnanců patří k nejdůležitějším článkům českého hospodářství, je rovněž největším českým exportérem posledních let. Auta se z dílů vyrobených v České republice montují i v zahraničí. Produkují je závody v Sarajevu, v Zakarpatské oblasti, ruském městě Kaluga, indickém Aurangabadu a čínské Šanghaji. V současnosti je firma ŠKODA AUTO a.s. největším výrobcem automobilů v České republice a řadí se mezi celosvětové automobilové výrobce s nejdelší tradicí. Bakalářská práce se zabývá optimalizací nářadí pro transferové kování talířových kol na kovárenském lise Šmeral LZK 4000 ve firmě ŠKODA AUTO a.s.. Cílem mé práce je analýza současného stavu kování talířových kol a realizace navržených úprav, které povedou ke zvýšení životnosti kovacího nářadí. Tento problém byl řešen na hnaném rozvodovém kole automatické převodovky DQ 200 číslo dílu talířového kola s označením 0AM AF, které se montuje do vozů značky ŠKODA AUTO. 10

12 2 TEORETICKÁ ČÁST S ohledem na praktickou část předložené bakalářská práce se teoretická část zabývá především popsáním technologie kování. V následujících podkapitolách jsou tedy posléze popsány základy technologie volného a zápustkového kování spolu s přehledem strojů, které se využívají zejména v kovacích operacích. Širší část je také věnována zápustkám obecně. 2.1 TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ Lidé se setkávají s kovovými materiály již od pravěku. Mezi základní způsoby zpracování kovů patří jejich tváření, které se vyvíjí od doby bronzové [1]. Základním pochodem technologie tváření jsou velké plastické deformace, při kterých se trvale mění nejen tvary a rozměry tělesa, ale i vlastnosti výchozího polotvaru. Této skutečnosti je vyvozen vnějším silovým nebo energetickým účinkem. V deformovaném objemu mohou probíhat kromě tvarových změn i různé fyzikální a chemické děje. Technologie tváření je založena na vlastnostech kovů snášet velké plastické deformace bez porušení soudržnosti, které vyplývají z jejich krystalického uspořádání. Změnu tvaru tělesa umožňují dislokace a jejich pohyb ve výhodně orientovaných skluzových systémech krystalové mřížky tvářeného kovu. Při tváření materiálu se nesmí překročit stav napjatosti, který by jinak vedl k porušení soudržnosti [2]. K hlavním výhodám technologie tváření patří vysoká produktivita práce, dobrá rozměrová přesnost tvářených výrobků a vysoké využití materiálu. Naopak nevýhodami jsou vysoké ceny strojů a nástrojů. Tváření kovů lze rozdělit z hlediska tvářecích procesů podle působení vnějších sil na tváření plošné a tváření objemové. Objemové tváření způsobuje deformaci, která působí ve směru všech tří os souřadného systému. Patří sem tažení drátů, válcování, kování a protlačování [3]. Technologie lisování, tažení plechů, ohýbání, stříhání apod. spadají do plošného tváření. Zde převládají deformace šířící se do dvou směrů. 11

13 2.2 KOVÁNÍ Kování je jedno z nejstarších technologií, poprvé bylo použito v době měděné. Ruční kování pomocí kladiva a kovadliny je známo již několik tisíc let. V současné době vyspělé techniky má kování velký význam při rozvoji všech oblastí a oborů lidské společnosti. Technologie kování spadá pod objemové tváření, které se může provádět za tepla (obr. 1) i za studena, úderem nebo klidně působící silou. Jedná se o způsob výroby výkovků, které mají požadovaný tvar. Hlavní výhodou je příznivá makrostruktura, výhodná mikrostruktura, zvýšené mechanické a fyzikální vlastnosti. Touto technologií se dají zpracovávat takřka všechny kovy [4, 5]. Obr. 1: Pás kovacích teplot v diagramu Fe Fe3C [6] Kováním se zproduktivňuje výroba malých a středně velkých výkovků. Klade se důraz především na minimální spotřebu materiálu, přesnost výkovku, jakost tvářeného kovu, příznivý průběh vláken a na ekonomii provozu [4]. Kování zlepšuje původní mechanické vlastnosti (stupeň prokování) a strukturu. Prokování je prováděno za účelem odstranění nestejnorodé hrubé licí struktury a metalurgických vad u ingotů. 12

14 2.2.1 STUPEŇ DEFORMACE A PROKOVÁNÍ Tvářením za tepla se mění tvar primárních krystalů dendritů a vytvářejí se nová vlákna. Při tomto procesu však nastává dynamická rekrystalizace, při které se deformovaná zrna změní v nová, jemnější a textura zmizí. Vláknitá textura vzniká vlivem nečistot v povrchových vrstvách krystalů, které nepodléhají rekrystalizaci. Nelze ji žádným tvářením a ani tepelným zpracováním odstranit. Vláknitost působí na anizotropii vlastností ve směru příčném a ve směru vláken. Velký vliv má také na stupeň prokování a deformace (obr. 2). Při tváření za tepla musíme vždy dbát na správný směr a shodnost vláken s obrysem součásti. Směr největšího normálového napětí má mít souhlasný směr s vlákny [4]. Tečná a normálová napětí jsou na sebe kolmá. Obr. 2: Stupeň přetvoření a prokování pro základní operace kování [6] Výpočet stupně přetvoření a stupně prokování: (1) (2) (3) (4) kde: ε stupeň přetvoření [%] S 0 plocha počátečního průřezu [mm 2 ] S k plocha konečného průřezu po tváření [mm 2 ] p stupeň prokování [ ] l 0 l k počáteční výška [mm] konečná výška [mm] 13

15 2.2.2 VÝPOČET SÍLY PŘI KOVÁNÍ Výpočet velikosti deformační síly: (4) (5) kde: F velikost deformační síly [N] k o přetvárný odpor (odpor proti tváření) [MPa] S plocha kovadel [mm 2 ] k p přetvárná pevnost [MPa] m koeficient závislý na způsobu tváření, tvaru a rozměrech a na tření [4] POLOTOVARY VHODNÉ PRO TVÁŘENÍ Ke tváření je nejčastěji používaným materiálem ocel. Používá se v širokém rozmezí od nízkouhlíkových až po nástrojové. Při výrobě polotovarů jsou výchozím materiálem ocelové ingoty. Ty se prohřejí na teplotu přibližně 1100 C, následuje válcování na předvalky, ze kterých se pak vyrábějí vývalky (plechy, tyče, trubky atd.). Polotovarem vhodným pro kování je špalík ustřižený z tyče. Ohřev polotvaru pro kování se provede tak, aby byl zaručen stejnoměrný ohřev v celém průřezu (tab. 1). Mezi nejčastěji používané pece pro ohřev materiálu patří pece indukční [7]. Tab. 1: Kovací teploty ocelí a slitin Ocel (ČSN) Kovací teplota [ C] Kovací teplota [ C] Slitina (ČSN) horní dolní horní dolní (bronz) (Al slitina) Ti 5Al (Ti slitina) Ms 90 (mosaz)

16 2.3 ROZDĚLENÍ KOVÁNÍ Kování probíhá buď ručním kováním, nebo strojně (transferově). Kování dělíme podle způsobu práce na: volné, zápustkové VOLNÉ KOVÁNÍ Volné kování za tepla je pracovní postup výroby výkovků, při kterých se díky kombinacím základních kovářských operací dosáhne přibližného tvaru hotové součásti. Při volném kování se materiál tvářený tlakem, nebo údery téct volně ve směru kolmém k působení síly. Volné kování se rozděluje na kování ruční a strojní. Ručním kovářským nástrojem se kove na kovadlině, kde se materiál ohřívá v menších ohřívacích pecích, nebo v kovářských výhních. Toto kování se v dnešní době používá především pro menší opravy, neboť princip práce je stejný, jako je tomu u volného kování strojního [9, 10]. Volné strojní kování je způsob kování, kdy se používají jednoduché kovářské nástroje, stroje a přípravky. Úchylky rozměrů výkovků jsou velké a povrch je hrubý, nerovný. Nejvhodnějším výchozím materiálem jsou předvalky, u těžkých výkovků surové ingoty [10]. Kování je spjato s vlivem tření mezi tvářecími částmi nástroje a materiálem. Tření způsobuje u vysokých těles tzv. soudečkovitost výkovku, či vyboulení. Dále způsobuje rozdílné stupně prokování v jednotlivých oblastech výkovku [4]. Horní a spodní kovadla se řadí mezi nejpoužívanější základní nástroje. Jejich rybinovité části slouží k upevnění na lisu či bucharu. Díry, které jsou v čelní stěně kovadla, využíváme při manipulaci s nástrojem. Aby bylo možno tvářet materiál v podélném i příčném směru, jsou kalené pracovní dráhy kovadel od vertikální roviny bucharu pootočeny v úhlu 35 až 45. Dále se používají kleště, sekáče, osazovací příložky a další kovářské nářadí [10]. 15

17 Základní operace a principy při volném kování Mezi základní práce a principy při volném kování patří například pěchování, prodlužování, osazování, prosazování, přesazování a děrování. Pěchování Jedná se o kovářskou výrobní operaci, při které se průřez pěchovaného materiálu zvětšuje a délka zmenšuje. Tato operce může probíhat v celé délce pěchovaného kusu, nebo jen v jeho části [5]. Prodlužování Jde o nejpoužívanější operaci při volném kování, někdy se nazývá též vytahováním. Podstatou je provedení většího množství pěchovacích operací vedle sebe. Prodlužováním se délka polotvaru prodlužuje za současného zmenšování plochy příčného průřezu [4, 11]. Osazování, prosazování a přesazování Jsou to základní kovářské operace, při kterých se zmenšuje příčný průřez výkovku na vymezených místech, prokování jednostranného vybrání, posunu jedné části výkovku vůči druhé, a to tak, že osa posunuté části si zachová rovnoběžnost s původní osou. Vymezení místa, kde se bude průřez měnit nebo přemisťovat, se označí příložkou a udělá zářez [9]. Děrování Tato operce se využívá pro děrování polotvarů. Nízké desky a malé otvory lze děrovat přímo na podložné desce s otvorem. Děrovacím trnem se děrují vyšší polotovary a otvory menšího průměru. Otvory většího průměru se děrují dutým trnem [9]. Tvar děrovacího trnu je mírně kuželový a vtlačujeme jej pomocí nástavných příložek do dvou třetin výšky děrovaného materiálu. 16

18 2.3.2 ZÁPUSTKOVÉ KOVÁNÍ Zápustkové kování je objemové tváření polotovaru při potřebné kovací teplotě v dutině zápustky, která může být otevřená, nebo uzavřená (obr. 3). Dutina zápustky má tvar shodný s tvarem výkovku a je zvětšena o hodnotu smrštění vychladlého výkovku. Zápustky jsou dále opatřeny výronkovými drážkami, které slouží k pojmutí přebytečného materiálu. Používají se na bucharech a lisech. Otevřená výronková drážka je vhodná u lisů, uzavřená při kování na bucharech [4, 12]. Obr. 3: a) otevřená výronková drážka, b) uzavřená výronková drážka [6] Zápustkové kování slouží k výrobě velkého počtu tvarově stejných součástí z ocelí nebo jiných tvárných slitin. Zápustka je většinou dvoudílný nástroj. Mezi její hlavní přednosti patří velká výkonnost, snadná obsluha a hospodaření s materiálem [4, 13]. Při porovnání s volným kováním se dosahuje přesnějších tvarů výkovků vysokého stupně prokování a příznivého průběhu vláken sledujících obrys výkovku. Přesnost a jakost se dají výrazně zlepšit následným kalibrováním. Při zápustkovém kování se polotovar ohřeje na potřebnou kovací teplotu a vloží do dutin zápustky, na kterou se působí tlakem nebo údery tvářecího stroje. Buchary vyplňují dutinu zápustky postupně několika údery beranu (obr. 4). Naopak lisy působí klidným tlakem a zápustka je vyplněna během jednoho zdvihu [4]. Samotnou dutinu zápustky můžeme plnit buď vtlačováním, anebo lépe pěchováním. 17

19 Obr. 4: Postup kování v jednodutinové zápustce na bucharu [6] Základní stroje pro zápustkové kování Kovací stroje lze rozdělit do dvou základních skupin. V první skupině se nástroj pohybuje vertikálně a ve druhé je pohyb horizontální, rotační nebo kombinovaný. Nejrozšířenější je první skupina, do které patří: buchary, lisy. Porovnání vhodnosti použití bucharů a lisů Buchary a lisy se liší ve způsobu zatékání kovu do dutiny zápustky. Tento faktor ovlivňuje jak volbu druhu tvářecího stroje, tak i kování výchozího polotvaru. Při kování na bucharech způsobuje větší rychlost tečení a snadnější zaplňování hlubší dutiny ve směru rázu. Další výhodou bucharů je lepší zaplňování horní zápustky než spodní. Lisy působí klidnou silou a tím způsobují lepší tečení ve směru kolmém k působící síle. Opotřebení zápustek na lisech je mnohem menší, protože se rozžhavený kov stýká se zápustkou pouze po dobu jednoho stlačení. Velký význam mají také okuje, které při kování na lisech hůře opadávají, zakovávají se do výkovku a tím znehodnocují jak povrch zápustky, tak i povrch výkovku [7]. Vzhledem k tématu této bakalářské práce je detailně popsáno zápustkovému kování na lisech. 18

20 Lisy Představují základní vybavení kováren, kde se výkovky vyrábějí ve velkých sériích a silově náročných, přesných zápustkových výkovků. Kovací lisy lze snadno automatizovat a zařadit do výrobních linek. Svislé kovací lisy působí na materiál spojitě vzrůstající silou a zdvih beranu je stále stejný. Svislé kovací lisy (obr. 5) se používají pro výrobu přesných zápustkových výkovků s využitím v automobilovém, leteckém a zemědělském průmyslu. Může se kovat za tepla, studena i za poloohřevu s tvářecími silami až 65 MN. Materiál je prokován v celém svém průřezu. Na těchto strojích je vždy na jeden zdvih provedena v zápustkové dutině jedna operace [7, 13, 14]. Výhody lisu: rovnoměrné prokování v celém výkovku, neboť přetváření probíhá v několika zápustkových dutinách, možnost kování i mimo střed lisu, plynulost průběhu lisovací síly. Obr. 5: Kovací lis [15] 19

21 2.4 ZÁPUSTKY Zápustky jsou nástroje pro kování přesnějších výkovků ve vhodných sériích. Jsou to dvoudílné ocelové formy, v níž ohřátý kov dutinu zápustky působením rázu nebo tlaku úplně vyplní. Zápustka je rozdělena dělící rovinou tak, aby se výkovek mohl snadno vyjmout. Horní díl zápustky je upevněn na beranu bucharu nebo lisu [7]. Při kování se částice kovu přemisťují a dutina zápustky je vyplňována úderem nebo tlakem ohřátým kovem. Zápustka obsahuje dělící rovinu, která slouží ke snadnému vyjmutí výkovku. Zápustka je rozdělena na horní a spodní díl, přičemž horní díl je upevněn k beranu lisu, dolní ke stolu lisu. Kování složitějších výkovků se děje postupně v jednotlivých dutinách. Při kování je důležitá teplota polotvaru, který musí být ohřátý na kovací teplotu. V případě nedostatečného ohřátí polotvaru dochází k nedostatečnému prokování. Lisy prokovou i výkovky větších průřezů, což vede ke zlepšení mechanických vlastností materiálu. Přímé vykování otvorů ve výkovcích není možné, ale lze je předkovat a zbývající materiál odstranit. Výkovky mají na svislých stěnách úkosy, zaoblené hrany a rohy. Úkosy slouží k vyjmutí výkovku ze zápustky [16]. Vyjmutí probíhá buď: ručně kleštěmi, tím pádem musí být úkosy větší, nuceným způsobem vyhazovačem. Výkovky z hliníkových slitin mohou mít až poloviční úkosy než výkovky z oceli. Přemisťování částic kovu v zápustkové dutině usnadňují zaoblené hrany a rohy výkovků, které snižují zmetkovitost, usnadňují odstraňování a zmenšují nebezpečí praskání zápustek v rozích. Naopak zaoblení a úkosy na výkovcích zvyšují jejich hmotnost, která se následně odstraní při obrábění, tím se zvyšuje odpad a náklady na obrábění. K zápustkám se přidávají různé druhy vedení. Vedení beranu na lisu zajišťuje vedení horní části zápustky vůči dolní. Pro větší přesnost vedení nebo zachycení posouvajících sil se použije vhodný druh vedení zápustek (obr. 6). Vedením mohou být: lišty, zámky, vodící kolíky, kruhové vedení. 20

22 Obr. 6: Vedení zápustek a) podélné, b) příčné, c) křížové, d) zámek proti posouvajícím silám, e) kolíkové vedení, f) kruhové vedení ROZDĚLENÍ ZÁPUSTEK Zápustky se rozdělují podle různých kritérií. Podle kovacího stroje: pro buchary, pro lisy. Podle dutiny: s otevřenou dutinou, s uzavřenou dutinou. Podle operace zápustky: předkovací, tvarovací, dokončovací, kalibrovací, ostřihovací. 21

23 Zápustky pro lisy (obr. 7) slouží i pro výkovky větších průřezů a hmotností. Hlubší místa dutiny zápustky se umisťují ve směru osy působení beranu [16]. Upnutí zápustek se většinou provádí pomocí stopek, příložek a šroubů. Obr. 7: Postupová zápustka pro kovací lis [17] Zápustky s otevřenou dutinou slouží ke kování polotovarů, které mají větší hmotnost než výkovek. Nejdříve se kovem vyplní zápustková dutina a přebytečný kov vyplní výronkovou drážku a ta se následně další technologickou operací oddělí. Zápustky s uzavřenou dutinou neobsahují výronkovou drážku, proto musí být kov odměřen tak, aby přesně zaplnil dutinu. Tento způsob je náročnější a hodí se pro přesnější výkovky ve větších sériích. Předkovací zápustky mohou být jak samostatné, tak i ve společném bloku s dokončovací dutinou. Společně vytvářejí postupovou zápustku, ve které se polotovar přemisťuje mezi jednotlivými dutinami. Často lze vykovat i složitější výkovky na jeden ohřev, díky tomu jsou lepší a trvanlivost zápustek se zvětšuje.výronková drážka je obsažena pouze v dokončovací dutině. Při tomto náročném kovaní je důležitá manuální zručnost obsluhy. 22

24 Kalibrovací zápustky slouží pro výkovky s většími nároky na přesnost [16]. Té se docílí po ostřižení výronku (obr. 8). Pro oddělení výronku od výkovku se používají ostřihovací zápustky. Obr. 8: Ostřihovací zápustka [16] Pro výronkové drážky je důležité správně stanovit jejich tvar a rozměr (rozhoduje složitost výkovku, množství přebytečného kovu, vzdálenost dutiny od okraje atd.), jelikož ovlivňují vyplňování dutiny kovem. Jejich hlavním úkolem je přejímání přebytečného kovu. Výronková drážka se skládá z můstku a ze zásobníku. Můstek je hlavním regulátorem tlaku v dutině [16]. Zásobník se může vyskytovat buď jen v jedné části, nebo v obou částech zápustky KOVÁNÍ V POSTUPOVÝCH ZÁPUSTKÁCH Při zápustkovém kování určuje počet kovacích dutin tvar výkovku a také tvar výchozího materiálu. K vykování výkovku se málokdy používá pouze jedna dutina, většinou je jich potřeba více. Často se jednotlivé dutiny umisťují do společného bloku. Výhodou tohoto procesu je, že při přenášení výkovku z jedné dutiny do druhé výkovek nechladne tak rychle, neboť přenášení netrvá příliš dlouho. Pro vykování složitějších tvarů je nutné kovat ve více dutinách, které zajistí tečení materiálu v dutině zápustky. Mezi nejobvyklejší rozdělení operací zápustkového kování patří například rozdělování, předkování, kování a ostřižení výronku, avšak toto rozdělení není jediné [18]. 23

25 Konstrukce postupové zápustky Postupová zápustka (obr. 9) může být někdy konstruována pomocí výměnných tvarových vložek. Tvarové vložky mohou být kruhového nebo obdélníkového tvaru, což vede k výrazné úspoře materiálu zápustky. V těchto zápustkách se dutiny neumisťují dle technologického postupu. Příkladem může být dokončovací (kovací) dutina, která by měla být poslední. Dutina je umístěna uprostřed tak, aby těžiště celého bloku se nalézalo uprostřed. S ohledem na skutečnost, že síla na kování výkovku je větší, než na kování předkovků. Dále proto, že výkovek chladne, a tedy roste jeho přetvárná pevnost. Obr. 9: Postupová zápustka (1b prodlužovaní, 2c rozdělovací, 3d předkovací, 4e kovací, 5f dokončovací dutina, a polotovar [6] Dokončovací dutina je navíc opatřena výronkovou drážkou, která je okolo obrysu tvaru výkovku [18] MATERIÁL PRO VÝROBU ZÁPUSTEK Z OCELI Nástroje pracující za tepla musí mít dostatečnou pevnost a tvrdost. Časté změny teplot mají nepříznivý vliv na vlastnosti a rozměry nástrojů, což je nežádoucí. Uhlíkové oceli se používají pro menší počet výkovků, které jsou méně tepelně namáhané. Naopak pro velmi tepelně namáhané zápustky jsou vhodné tvrdé a houževnaté oceli obsahující 0,3 0,5 % uhlíku, legované Cr, V, W, Mo, případně i Si nebo Ni (tab. 2). Nejvíce tepelně namáhané zápustky se vyrábějí ze zušlechtěných ocelí, které obsahují až 10 % W. Vyznačují se 24

26 vysokou odolností proti popouštění. Díky předehřívání zápustek se zvýší jejich životnost [19]. Ideální předehřívací teploty se pohybují mezi 200 C a 300 C. Nejčastěji používané oceli pro výrobu zápustek jsou zobrazeny v příloze č. 1. Tab. 2: Vliv legujících prvků na vlastnosti ocelí pro zápustky [20] Legující prvky podle klesajícího účinku Vlastnost V, W, Mo, Cr, Mn odolnost proti otěru Mn, Mo, Cr, Si, Ni, V prokalitelnost W, Mo, Co, V, Cr, Mn tvrdost za tepla Ni, V, W, Mo, Mn, Cr Mo, Cr, Mn Cr, Si, Mo houževnatost rozměrová stabilita odolnost proti tepelným trhlinám Tabulka vlivu legujících prvků na vlastnosti ocelí pro zápustky uvádí výčet důležitých vlastností a legury, které tyto vlastnosti ovlivňují [20] MAZÁNÍ ZÁPUSTEK Velmi důležitou metodou v objemovém tváření je zápustkové kování. Horní zápustka klesá velkou rychlostí na polotovar s teplotou až 1200 C. Materiál přitom může téci do dutiny v zápustce. Zápustky mohou dosahovat teploty až 300 C a mazivo v meziprostorech dosahuje až 700 C. Mezi výkovkem a zápustkou vzniká velmi vysoké tření, které může vést k vysokému abrazivnímu opotřebení na nástroji, zvláště u vysokých relativních pohybů mezi výkovkem a dutinou v zápustce. Mazání zápustek zde má za úkol: zvýšit životnost zápustek, zajistit dobrou jakost výkovků, zabezpečit bezporuchový pracovní průběh [21]. 25

27 Velmi důležité je zvolení vhodného maziva pro zápustky, správná technika nanášení a mísící poměry. V opačném případě se na výrobním procesu projeví negativně např.: přídavnou výměnou nástrojů z důvodu opotřebení, přerušením práce z důvodů "lepení", nižší jakostí výkovků [21]. Aby byl zaručen bezpečný, spolehlivý a hospodárný proces kování, musí použitá maziva vykazovat některé z následujících vlastností (tab. 3): Tab. 3: Vlastnosti maziva a důvod jejich použití [21] Důvod snížení přetvárné síly zvýšení životnosti nástrojů uvolnění obrobku z dutiny v zápustky neuplívání okují v zápustkách zvýšení bezpečnost na pracovišti Vlastnosti maziva dobré mazací vlastnosti, nejlépe vytvořením oddělovací vrstvy, která je schopná mazat chladící vlastnost oddělovací vlastnost dobrý unášecí účinek málo odpařivé a netoxické U výše zmíněných teplot zápustek se jako nejlepší mazivo osvědčil grafit a voda jako chladící prostředek, proto se při kování používají převážně roztoky grafitu ve vodě. Nejčastěji používané jsou vodnaté grafitové suspenze, olejnaté grafitové suspenze a mazací pasty s grafitem [21]. 26

28 2.4.5 DOKONČOVACÍ OPERACE VÝKOVKŮ K dosažení hladkých ploch a přesných tvarů výkovku používáme dokončovací operace, mezi které patří ostřihování výronku, děrování a kalibrování (obr. 10). U výkovku, který projde tepelným zpracováním (normalizačním žíháním), následuje odstranění okují. Odstranění okují se provádí mořením nebo otryskáváním [10, 23]. Obr. 10: Ostřihování, děrování, kalibrování [6] VADY VÝKOVKŮ Výkovky prochází kontrolou povrchu, při které se vyřadí vadné kusy. Mezi nejčastěji vyskytující se vady výkovků patří: zakované okuje vnitřní dutiny, vlasové trhliny, zákovek, podélné a příčné praskliny, nedokovaný výkovek. 27

29 3 PRAKTICKÁ ČÁST Praktická část se zabývá optimalizací kovacího nářadí na svislém kovárenském lise Šmeral LZK 4000 (obr. 11). Cílem bylo navržení nejvhodnějších konstrukčně technologických parametrů lisu. Úpravy se týkaly změn materiálu, geometrie zápustek, výrobního taktu lisu a s tím spojeného chlazení. Předmětem bylo navržení a odzkoušení navrhovaných změn, které by vedly k prodloužení životnosti, dodržení předepsané přesnosti taktu a stability kovacího procesu. V současné době je hlavní problém přehřívání nářadí v oblastech největšího přetváření a toku materiálu. Pro eliminaci je důležité tyto oblasti dostatečně chránit chlazením a mazáním. Při tváření dochází k opotřebení zápustek, které může vést k poničení a výměně. U tvářecích nástrojů se především jedná o opotřebení mechanické a tepelné únavy. Testování transferového kování bylo provedeno na talířových kolech s interním označením 0AM AF, které se montují do převodovek vozů Škoda Auto. Tento díl se ve firmě vyrábí jak ručním, tak transferovým kováním. Obr. 11: Pohled na pracoviště svislého kovacího lisu Šmeral LZK

30 3.1 ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU Polotovarem talířového kola je tyčový materiál kruhového průřezu o průměru 70 mm a délky 5 6 m. Základní materiálové informace talířového kola 0AM AF (obr. 12) jsou uvedené v podnikové normě TL Tyto informace jsou shrnuty v následujících tabulkách č. 4 a 5. Obr. 12: Talířové kolo 0AM AF po obrábění [15] Tab. 4: Chemické složení materiálu TL 4521 [15] Hodnoty jsou uvedeny v hmotnostních procentech [hm.%] C Si Mn P S Cr Mo O 2 Ni Ti Al N 0,15 0,23 0,12 0,50 0,80 0,035 0,025 0,035 0,65 0,85 0,28 0,38 0,0025 1,5 1,9 0,0050 0,015 0,040 0,015 Tab. 5: Mechanické vlastnosti materiálu [15] R e [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Z [%] min. 637 min. 883 min. 11 min. 40 Materiál TL 4521 je velmi vhodný pro strojní součásti s cementovaným povrchem, s vyšší pevností a houževnatostí v jádře. Vyrábějí se z něj například talířová kola, 29

31 ozubená kola, drážkované a předlohové hřídele, pístní čepy, hřídele hnacích kol vozidel, kladky a zvony pro naftový průmysl. Kruhové tyče uložené v regálech následně putují na nářez (obr. 13), kde se pro transferové kování nařežou na polotovary (též nazývané špalky). U ručního kování se špalky mohou řezat i stříhat. Špalky dosahují délky L = 184,5 mm o hmotnosti m = 5,55 kg (. Obr. 13: Nářez tyčí [15] Z nářezu špalíky dále putují v kovových kontejnerech do vibračního zásobníku ke kovacím strojům. Výroba talířových kol se provádí ručním nebo transferovým kováním. V dalším textu jsou popsány tyto jednotlivé druhy výroby. 30

32 3.2 RUČNÍ KOVÁNÍ Při ručním kování talířových kol se využívá dvou kovacích buněk, které jsou propojeny řetězovým dopravníkem (obr. 14). Nařezané špalky postupně putují z vibračního zásobníku do indukční pece, kde se postupně předehřívají na kovací teplotu C. Špalek rozžhavený na kovací teplotu se pomocí skluzu dostává k první kovací buňce. Obr. 14: Svislý kovací lis Šmeral LZK 3150 propojený řetězovým dopravníkem s ostřihovacím lisem LDO 800 A [15] První kovací buňku tvoří svislý kovací lis Šmeral LZK 3150, na kterém je upevněn upínač se třemi kovacími zápustkami (obr. 15). Každá zápustka má za úkol provést jednu kovací operaci: 1. zápustka pěchovací operace, 2. zápustka předkovací operace, 3. zápustka dokončovací operce. 31

33 Obr. 15: Zápustky na svislém kovacím lise Šmeral LZK 3150 [15] Přenášení výkovku mezi jednotlivými operacemi provádí obsluha pomocí kovárenských kleští. Po dokončovací operaci je výkovek obsluhou založen na řetězový dopravník a přiveden ke druhé kovací buňce. Druhou kovací buňku tvoří ostřihovací lis LDO 800 A, na kterém je upevněna kazeta se dvěmi zápustkami (obr. 16). Obsluha pomocí kleští přesune výkovek z dopravníku do první zápustky. První zápustka ostřihovacího lisu provádí dvě operace najednou děrování vnitřního otvoru a ostřih vnějšího výronku. Na výkovku nastávají různé deformace. Pro eliminaci deformací obsluha umístí výkovek do poslední zápustky, kde se z důvodu možného prohnutí v předešlé operaci provede kalibrování výkovku. Obr. 16: Zápustky na ostřihovacím lise LDO 800 A [15] 32

34 Popis strojů a zařízení První kovací buňku tvoří svislý kovací lis LZK 3150 B. Dodavatelem tohoto lisu byla firma Šmeral Brno a.s. Svislé kovací lisy dokážou vyvodit sílu až 120 MN, proto jsou vhodné zejména na objemové tváření. Vzhledem k tak velkým silám musejí být kvůli deformaci dostatečně tuhé, aby byla zaručena přesnost výrobku. Z toho plyne, že mají velkou hmotnost a k usazení musejí mít dostatečně velké základy. Svislý kovací lis řady LZK 3150 B (obr. 14) je určen pro přesné zápustkové kování a kalibrování výkovků za tepla. Je zvláště vhodný pro zpracování složitých, objemově i mechanicky náročných zápustkových výkovků pro automobily, traktory, letecký průmysl a zemědělské stroje. Charakteristickým znakem tohoto lisu je příčně uložená výstředníková hřídel, která je z legované tepelně zpracované oceli. Její povrch je zpevněn válečkováním. Beran je z lité oceli skříňovitého tvaru. Stojany lisu tvoří uzavřená konstrukce do tvaru,,o z lité oceli. Ovládání třecích lamelových spojek a brzd je elektropneumatické. Ovládací prvky a diagnostika poruch jsou soustředěny na dotykovém ovládacím panelu. Technické údaje svislého kovacího lisu jsou uvedeny v tabulce č. 6 [14, 15, 23]. Tab. 6: Technické údaje svislého kovacího lisu LZK 3150 B [14] Tvářecí síla F 31,5 MN Sevření H s 1000 mm Průchod B 1580 mm Upínací plocha stolu l s x b s 1520 x 1520 mm Upínací plocha beranu l b x b b 1450 x 1450 mm Hydraulické přestavení beranu E 20 mm Zdvih / počet zdvihů z 360 / 65 mm / min -1 Celkový instalovaný výkon P 175 kw Rozměry stroje v s x š s x h s 6500 x 4600 x 4300 mm Druhou kovací buňku tvoří ostřihovací lis LDO 800 (obr. 14), který je určen pro ostřihování výronků zápustkových výkovků za tepla i za studena. Dále se používá ke kalibračním operacím a ke zpracování plechu za studena (střižné operace, děrovací operace, mělké tažné operace za využití pneumatického spodního přidržovače). Ostřihovací lis nalézá využití v kovárnách i lisovnách a lze ho zařadit do tvářecích linek. 33

35 Mezi technologické a provozní přednosti patří rozměrné upínací plochy stolu a beranu, použití sloučených, sdružených i postupových nástrojů. Základní součástí lisu je odlévaný stojan. Klikový mechanismus tvoří beran, dvě ojnice, ozubená kola s výstředníky, které se otáčejí na krátkých masivních čepech. Dále předlohová hřídel s ozubeným pastorkem, setrvačník a motorový pohon s řemenicí, které jsou taktéž umístěny v horní části stojanu. Třecí lamelová spojka a brzda jsou uloženy na protilehlých koncích předlohového hřídele. Beran vyrobený z lité tepelně zpracované oceli je vybaven zařízením pro jeho přestavování. Technické údaje jsou zobrazeny v tabulce č. 7 [15, 23, 24]. Tab. 7: Technické údaje ostřihovacího lisu LDO 800 A [24] Tvářecí síla F 8 MN Sevření H s 1020 mm Průchod B 1900 mm Upínací plocha stolu l s x b s 1870 x 1300 mm Upínací plocha beranu l b x b b 1860 x 1300 mm Hydraulické přestavení beranu E 180 mm Zdvih / počet zdvihů z 320 / 32 mm / min -1 Celkový instalovaný výkon P 62 kw Rozměry stroje v s x š s x h s 6500 x 3500 x 3300 mm Nevýhody ručního kování Ruční kování má řadu nevýhod, kvůli kterým se přechází na transferové kování. Mezi hlavní nevýhody patří hlavně délka trvání taktu (cca 26 sekund), která je nevyhovující vzhledem ke zvyšování nároků na počet odkovaných talířových kol za měsíc. Délku trvání taktu ovlivňuje především obsluha (např. manipulace s výkovky mezi jednotlivými operacemi). Na každý lis připadá jedna obsluha. Další nevýhodou je chlazení a mazání zápustek, které probíhá ručně, kdy obsluha chladí zápustky pomocí ruční trysky. Příliš prudké nebo nerovnoměrné chlazení může vést k vzniku pnutí a trhlin. 34

36 3.3 TRANSFEROVÉ KOVÁNÍ NA SVISLÉM KOVACÍM LISE ŠMERAL LZK 4000 VE FIRMĚ ŠKODA AUTO Svislý kovací lis Šmeral LZK 4000 (obr. 17) je určen zejména pro přesné zápustkové kování a kalibrování výkovků za tepla v hromadné a sériové výrobě strojích součástí rozličných tvarů. Uplatňuje se především ve výrobě osobních a nákladních automobilů. Charakteristickým konstrukčním znakem lisu je příčně uložená výstředníková hřídel a ústrojí pro výškové přestavování beranu při seřizování zápustek, které lze v případě potřeby použít též k uvolňování beranu při jeho zaseknutí v dolní úvrati. Oproti dřívějšímu provedení lisů se zvýšil počet zdvihů beranu. Vysoký výkon motoru umožňuje zkrácení doby styku žhavého výkovku se zápustkou, což se pozitivně projevilo na životnosti zápustek. Dalším zlepšením je zvýšení zásoby kinetické energie, jež při stejném odběru kinetické energie pro tvářecí operaci znamená také menší pokles otáček setrvačníku a tím klidnější a rovnoměrnější chod stroje. Obr. 17: Svislý kovací lis LZK 4000 [15] Mezi všeobecné technologické a provozní přednosti lisu patří: přesné rozměry výkovku, malé úkosy a přídavky na opracování daného výkovku, shodné mechanické vlastnosti výkovků celé série, možnost postupného a mimostředného kování ve vícedutinových zápustkách, velká výkonnost, vysoká produktivita práce, snadná práce obsluhy, 35

37 spolehlivé automatické uvolňování a vyhazování výkovků, velká životnost zápustek, velmi rychlá výměna a snadné seřizování zápustek bez porušení jejich souososti, spolehlivý a bezpečný provoz lisu [15]. Konstrukční provedení lisu Stojan lisu má uzavřenou konstrukci tvaru,,o, je z lité oceli a tvoří nosnou část všech mechanismů. Velké rozměry pracovního prostoru, čelního průchodu a bočních průchodů umožňují použití tohoto lisu pro mechanizaci a automatizaci pracovního cyklu. Příčné uložení výstředníkového hřídele zmenšuje vzdálenost hlavních ložisek, zkracuje výstředníkový hřídel, snižuje jeho průhyb a zvyšuje tuhost celého klikového mechanismu. Výstředníková hřídel je přesně opracovaný masivní výkovek z legované tepelně zpracované oceli, jehož povrch je navíc zpevněn válečkováním. Beran lisu je z lité oceli, skříňovitého tvaru. Je opatřen vyměnitelnou stolní upínací deskou a zařízením pro přestavování beranu. Dlouhé vedení beranu zajišťuje stálou souosost horních a dolních částí zápustek. Vyhazovače výkovků jsou tvarovou součástí lisu, umožňující spolehlivé automatické uvolňování a vyhazování výkovků a zvyšují tak produktivitu technologickou využitelnost lisu. K pohonu lisu se používají asynchronní trojfázové elektromotory, které přes klínové řemeny pohánějí setrvačník. Mazání lisu je ústřední, tukové, plně automatické a je vybaveno ochranným systémem. Porucha mazání je signalizována na panelu soustavy. Spolehlivost a bezpečnost provozu zajišťuje celá řada automatických a zabezpečovacích prvků a zařízení, které snižují nároky na obsluhu a údržbu lisu. Technické údaje lisu nalezneme v tabulce č. 8 [15]. Tab. 8: Technické údaje svislého kovacího lisu Šmeral LZK 4000 [15] Tvářecí síla F 40 MN Sevření H s 1000 mm Průchod B 1580 mm Upínací plocha stolu l s x b s 1520 x 1600 mm Upínací plocha beranu l b x b b 1470 x 1500 mm Hydraulické přestavení beranu E 20 mm Zdvih / počet zdvihů z 300 / 60 mm / min -1 Celkový instalovaný výkon P 220 kw Rozměry stroje v s x š s x h s 7600 x 4700 x 4600 mm 36

38 Transferové kování na svislém kovacím lise Šmeral LZK 4000 Na rozdíl od ručního kování talířových kol se při transferovém kování využívá pouze jedné kovací buňky, která je plně automatizovaná. K obsluze je zapotřebí pouze jeden pracovník, který sleduje údaje o kovacím procesu. Veškeré údaje jsou zobrazeny na ovládacím panelu (obr. 18). Obr. 18: Ovládací panel svislého kovacího lisu Šmeral LZK 4000 [15] Tok materiálu Celý tento proces je plně automatizován. Polotovary putují ze zásobníku do indukční pece, kde se ohřejí na kovací teplotu ( C). Součástí indukční pece je na konci umístěný senzor, který kontroluje ohřátí špalku. Mohou nastat tři případy. V prvním případě špalek nedosahuje požadované kovací teploty. Pro dokonalé prokování by byly zapotřebí větší kovací síly, než jsou na stroji nastaveny. Špalek je vyřazen a je odveden do kovové bedny. Po opískování okují může být znovu dán do zásobníku. V druhém případě má špalek teplotu vyšší, než je požadovaná teplota, tím pádem ztrácí odpovídající vlastnosti. Nastane-li tento případ, špalek je díky senzoru vyřazen do šrotu. 37

39 Má-li špalek požadovanou kovací teplotu, je přiveden pomocí skluzu ke stroji, kde je připraven transfer. Tento postup je znázorněn na obrázku č. 19. Obr. 19: Tok materiálu [15] Lis má v sobě upínač s vyměnitelnou kazetou. Kazetu tvoří čtyři zápustky (obr. 20), které jsou umístěny vedle sebe. Transfer uchopí špalek ze zakladače a přemístí ho na první operaci. 1. zápustka pěchovací operace, 2. zápustka předkovací operace, 3. zápustka dokončovací operace, 4. zápustka řezná a děrovací operace. Obr. 20: Zápustky na svislém kovacím lise LZK 4000 [15] 38

40 Transfer přesouvá výkovek mezi zápustkami. Při přendávání výkovku mezi jednotlivými operacemi se transfer s výkovkem vždy zastaví mezi zápustkami na poloviční vzdálenosti. Tento mezikrok se využívá ke chlazení zápustek za účelem: zvýšení životnosti zápustek, zajištění dobré jakosti výkovků, zabezpečení bezporuchového pracovního průběhu. Nevhodné zvolení maziv pro zápustky, nesprávné mísící poměry, nebo nesprávná technika nanášení se mohou negativně projevit na výrobním procesu. Chladící hlavice (obr. 21) obsahující roztok černého grafitu ve vodě, vyjedou zpoza stroje a ochladí zápustky. Optimální teplota zápustky je C. Obr. 21: Ochlazování zápustek chladícími hlavicemi [15] Po poslední operaci výkovek putuje pomocí řetězového dopravníku do kovové bedny, kde se nechá vychladnout. Poté je výkovek převezen k opískování. Zároveň se provede kontrola tvaru, rozměru a jakosti povrchu. V tomto stavu se výkovek expeduje do oddělení třískového obrábění ŠKODA AUTO, kde dochází v automatické lince k obrábění ploch a dále i ozubení (obr. 12). 39

41 Popis jednotlivých operací Špalek je pomocí transferu založen na první operaci, což je pěchování, které slouží zejména k odstranění okují po indukčním ohřevu a zároveň k přetvoření tvaru špalku vhodného pro předkovací operaci. Při této operaci na polotovar působí síly 1,4 1,8 MN. Následuje předkovací operace, u které dochází k hrubému přetvoření tvaru finálního výkovku. Na výkovek v zápustce působí síla 25,0 ± 0,7 MN. Transfer vyjme výkovek a přesune ho do další dutiny zápustky, kde se provede dokončovací operace, při níž na výkovek působí síla o velikosti 23,0 ± 0,6 MN. Tato operace slouží především k úplnému dotvoření na požadovaný tvar. Výkovek je pomocí transferu vyjmut a přesunut do další zápustky. Na poslední zápustce se provede řezná a děrovací operace, kde pro její vykonání stačí síla o velikosti 2 MN. Dochází jak k oddělení výronku (řezná operace), tak k děrování kompenzačního prostoru. Po provedení poslední kovací operace putují po řetězovém dopravníku otřepy po děrování a ostřihování do kovové bedny na šrot (obr. 22). Obr. 22: Postup výroby výkovku [15] 40

42 Postup kování výkovku v jednotlivých zápustkách je zobrazen na obrázku č Obr. 23: 1. polotovar, 2. pěchovací operace, 3. předkovací operace, 4. dokončovací operace, 5. odpad po děrování a ostřihování, 6. hotový výkovek [15] Výhody transferového kování Mezi hlavní výhody transferového kování patří rychlost a stabilita výroby. Rovnoměrnou a tvarovou stálost zajišťuje identické zakládání jednotlivých operací díky přenášení výkovku v čelistech transferu. Čas taktu při transferovém kování výkovku 155 AF činil 20 sekund, tedy 3 výkovky za minutu. Tento takt je docílen díky plně automatizované výrobě. Stabilita se také zajišťuje pomocí strojního mazání, které lze měnit za provozu kování. Mazání je důležité zejména pro rovnoměrné nebo potřebné chlazení a mazání v nejvíce namáhavých oblastech zápustky. Další výhodou je, že daný stroj obsluhuje pouze jeden pracovník. 41

43 3.4 METODIKA ŘEŠENÍ EXPERIMENTU Bylo snahou vylepšit popsaný stávající stav z hlediska několika aspektů. Mezi hlavní sledované parametry, které by mohly vést ke zvýšení životnosti kovacího nářadí, byly navrženy následující možnosti: 1. změna materiálu zápustek, 2. změna tvaru zápustek mezi operacemi, 3. chlazení a mazání zápustek, 4. změna taktu ZMĚNA MATERIÁLU ZÁPUSTEK U běžného kovacího nářadí se používá jako materiál zápustek nástrojová legovaná ocel pro práci za tepla s označením (ČSN ), která se kalí na tvrdost 48 ± 2 HRC. Tato ocel se používá především pro tlakové lití lehkých kovů, válce a písty pro lisy se studenou komorou, nástroje na protlačování a další. Chemické složení a materiálové vlastnosti tohoto materiálu jsou zobrazeny v tabulkách č. 9. Z tohoto materiálu se podařilo nakovat v rozmezí kusů talířových kol, ale kvůli častému praskání zápustek byl navržen jiný materiál, kterým by se docílilo zvýšení životnosti zápustek. Navrhla se tedy jiná ocel s označením (ČSN ), která se používá zejména pro vysoce výkonné zápustky, zápustkové vložky a např. také pro vysokonamáhané nástroje. Chemické složení této oceli je zobrazeno v tabulce č. 10. Povrch této zápustky se upravil nitridací do hlouby 0,1 0,15 mm. Tento návrh byl vyzkoušen s následujícími výsledky. Životnost zápustek se zvýšila na vykovaných kusů, nicméně změna materiálu nebyla tak efektivní, jak se očekávalo. Velkou nevýhodou se stala cena materiálu a problémy s renovacemi nitridovaného povrchu zápustek. Při renovacích docházelo k vylamování SK plátků na obráběcích strojích, proto bylo nutné odebírat větší objem materiálu a snížil se tak počet možných renovací. Z tohoto důvodu se od tohoto návrhu ustoupilo a materiál zápustky se opět vrátil k původnímu s drobnou úpravou. Materiál se nyní kalí na vyšší tvrdost HRC. Při této úpravě se podařilo nakovat v rozmezí kusů. Porovnání je znázorněno v grafu č

44 Průmerný počet vykovaných kusů Tab. 9: Cemické složení materiálu s označením [15] Hodnoty jsou uvedeny v hmotnostních procentech [hm.%] C Si Mn P S Cr Mo V 0,36 0,42 0,90 1,20 0,30 0,50 max 0,030 max 0,030 4,80 5,50 1,10 1,40 0,25 0,50 Tab. 10: Chemické složení materiálu s označením [15] Hodnoty jsou uvedeny v hmotnostních procentech [hm.%] C Si Mn P S Cr Mo V 0,35 0,40 0,30 0,50 0,30 0,60 max 0,035 max 0,035 4,70 5,20 2,70 3,30 0,40 0, Materiál (48 ± 2 HRC) Materiál Materiál (50 52 HRC) Graf 1: Počty vykovaných kusů při změně materiálu 43

45 3.4.2 ZMĚNA TVARU ZÁPUSTEK MEZI KOVACÍMI OPERACEMI Při nadměrné kovací síle docházelo k praskání zápustek a bylo jej potřeba eliminovat. Na zvýšení životnosti zápustek má vliv jejich tvar při jednotlivých operacích. Zprvu se uvažovalo o zesílení stěn, které však z hlediska zástavbového prostoru kazety nešlo provést. Bylo tedy nutné se zaměřit na otázku, jak zmenšit kovací síly. Velkým podílem na životnost zápustek přispěla především změna tvaru výkovku. Měla velký dopad na potřebnou kovací sílu a následně na opotřebení zápustek. Tento požadavek byl docílen pomocí zvětšení kompenzačního prostoru uvnitř zápustky pro dokončovací operace (obr. 24) a díky zvětšení výšky výronku, tedy mezery mezi spodní a vrchní zápustkou. Zvětšení kompenzačního prostoru a uvolnění výronkové drážky nesmí být však nadměrné, neboť může dojít k nedokování výkovku v určitých partiích. Na původní zápustce o výšce 154,5 mm docházelo k postupnému ubírání materiálu, které se uskutečnilo v oblasti výronku a kompenzačního prostoru. Úběr materiálu probíhal po 0,1 mm. Každá změna úběru materiálu zápustky byla následně odzkoušena. Výsledky jsou znázorněny v tabulce č. 11. Tab. 11: Ubírání materiálu v oblasti výronku a kompenzačního prostoru Hloubka odebrání materiálu původní zápustky [mm] Změna síly [kn] Dokování tvaru 0, , , , , , , , , X Pomocí těchto konstrukčních úprav byla změněna velikost původní kovací síly. Původní hodnota 30 MN byla snížena o 6 MN. Výsledná kovací sila tedy měla hodnotu 24 MN. Původní výška zápustky se díky úpravám zmenšila na 153,6 mm (o 0,9 mm). 44

46 Pro zvýšení tuhosti zápustky byl také zvětšen rádius hlavového průměru talířového kola z 1,5 mm na 2,5 mm. Tím bylo potlačeno nebezpečí prasknutí obvodu zápustky v kritickém místě (rádiusu). Obr. 24: Provedené konstrukční úpravy [15] CHLAZENÍ A MAZÁNÍ ZÁPUSTEK Po předešlých úpravách bylo dalším faktorem pro zvýšení životnosti zápustek zvolení vhodného chlazení a mazání (obr. 25) v nejvíce zatížených oblastech, což je střed zápustky. Zde teploty dosahovaly až 332,5 C; na vnějším obvodu však pouze 146,7 C (obr. 26). Tímto velkým rozdílem teplot docházelo k velkému pnutí v materiálu zápustek. Další nežádoucí vlastnosti, které vznikaly díky pnutí, byly změny mechanických a technologických vlastností vyráběného dílu. Chladící kapalina je složena z 88 % vody a zbývajících 12 % tvoří grafitové mazadlo s pojivem na bázi fosfátu. Obr. 25: Chlazení zápustek 45

47 Pomocí termokamery se tyto oblasti analyzovaly a byl přizpůsoben směr trysek jednotlivých okruhů mazací hlavy. Po změně směru trysek se naměřilo, že teploty uprostřed zápustky dosahovaly teploty 290,3 C a na vnějším obvodu 152,8 C (obr. 27). Obr. 26: Rozdíly teplot po odkování výkovku v předkovací zápustce bez provedených úprav (takt 15 sekund) [15] Obr. 27: Rozdíly teplot po odkování výkovku v předkovací zápustce po upravení směru trysek (takt 15 sekund) [15] 46

48 3.4.4 ZMĚNA TAKTU Poslední problematikou bylo správné navržení výrobního taktu. Musí se docílit vhodného načasování celé výrobní linky a jejích jednotlivých částí. Mezi nejdůležitější části patří zejména potřebná chlazení s mazání, doba ohřevu materiálu, změna chladnutí výkovku mezi operacemi a také doba přenášení výkovku čelistmi transferu mezi jednotlivými operacemi. Do hlediska taktu zasahují všechny předchozí popsané faktory. Pro navržení optimálního výrobního taktu se musí brát ohledy na kovací nářadí a na počet vyrobených výkovků. Při navržení rychlého taktu dochází k přehřívání zápustek a jejich nedostatečnému chlazení. To vede k rychlému opotřebení, případně prasknutí zápustky. Na začátku byl zvolen prvotní výrobní takt, který byl dostatečný pro odladění a schopnost vizuální kontroly. Počáteční výrobní takt výkovku talířového kola byl přibližně 20 sekund. Následovalo odzkoušení výrobního taktu, který činil 15 sekund, na kterém byly provedeny předchozí úpravy. Při tomto taktu byly naměřeny teploty a to jak bez provedených úprav (obr. 28), tak s provedenými úpravami (obr. 29). Tyto úpravy umožnily v současné době docílit výrobního taktu 12,5 sekundy (obr. 30). Obr. 28: Rozdíly teplot po odkování výkovku předkovací zápustky při taktu 15 sekund bez výše zmíněných úprav [15] 47

49 Obr. 29: Rozdíly teplot po odkování výkovku předkovací zápustky při taktu 15 sekund po provedení úprav [15] Obr. 30: Rozdíly teplot po odkování výkovku předkovací zápustky při taktu 12,5 sekund po provedení úprav [15] 48

50 Teplota zápustky [ C] ,5 290,3 301, ,8 137,5 146,7 146,7 152,8 155,2 Maximální teplota zápustky Rozdíl teplot Minimální teplota zápustky Teplota předkovací zápustky při taktu 15 sekund bez úprav (obr. 28) 2. Teplota předkovací zápustky při taktu 15 sekund s úpravami (obr. 29) 3. Teplota předkovací zápustky při taktu 12,5 sekund s úpravami (obr. 30) Graf 2: Měření teplot v předkovací zápustce Při taktu 15 sekund bez provedených úprav docházelo v zápustkách k pnutí, které vznikalo díky velkému rozdílu teplot. V nejvíce namáhané oblasti byla naměřena teplota 332,5 C a na okraji zápustky 146,7 C (obr. 28). Rozdíl teplot tedy byl 185,8 C. Po provedení předchozích úprav bylo naměřeno na stejných místech zápustky teplot 290,3 C a 152,8 C (obr. 29), čímž se zmenšilo pnutí v zápustkách (rozdíl teplot 137,5 C). Díky potlačení velkého rozdílu teplot se mohlo přistoupit na rychlejší výrobní takt, který činil 12,5 sekund. U tohoto taktu teploty v nejvíce namáhaném místě stouply na 301,9 C a na okraji zápustky na 155,2 C (obr. 30). Rozdíl teplot při tomto taktu byl 146,7 C. Díky tomuto menšímu rozdílu teplot se podařilo potlačit nebezpečí praskání zápustek a zvýšení životnosti nářadí. 49

51 4 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Byly hodnoceny čtyři aspekty možného vlivu na životnost kovacího nářadí. V první řadě se uvažovalo o změně materiálu zápustek. Materiál byl nahrazen z důvodu nízké životnosti kovacího nářadí. Životnost nářadí činila vykovaných výkovků. Byl navržen materiál , který se používá pro vysoce výkonné zápustky a zápustkové vložky. Povrch zápustkek se upravil pomocí nitridace do hloubky 0,1 0,15 mm. Počet vykovaných kusů se zvýšil na Nicméně tato změna nepřinesla očekávající navýšení životnosti kovacího nářadí. Přibyly i další nevýhody. Jednou z nevýhod byla cena materiálu a problémy s renovacemi zápustek nitridovaného povrchu. Při renovacích docházelo na obráběcích strojích k vylamování SK plátků, proto bylo nutné odebírat větší množství materiálu, čímž se snížil počet možných renovací. Tyto nevýhody vedly k navrácení materiálu , kde se materiál kalil s vyšší tvrdostí HRC z původních 48 2 HRC. Úpravou se dosáhlo vykovaných kusů. Tab. 12: Průměrný počet vykovaných kusů Materiál Průměrný počet vykovaných kusů (48 2 HRC) (50 52 HRC) 1275 Po vyřešení materiálu zápustek byl navržen druhý návrh, který se týkal změny tvaru zápustek mezi jednotlivými operacemi. Uvažovalo se o zesílení stěn, které však z hlediska zástavbového prostoru kazety nešlo provést. Z tohoto důvodu bylo snahou se zaměřit na kovací síly. Hlavní roli zde hrála změna tvaru výkovku v dokončovací zápustce a zvětšení rádiusu hlavového průměru talířového kola. Díky změně kompenzačního prostoru o 0,9 mm a zvětšení výšky výronku, se podařilo zmenšit kovací sílu z půdních 30 MN na 24 MN. Zmenšením kovací síly a zvýšením tuhosti zápustky se v oblasti rádiusu hlavového průměru talířového kola podařilo snížit praskání zápustek (obr. 31). 50

52 Obr. 31: Úprava konstrukce zápustky Dalším faktorem pro zvýšení životnosti bylo zvolení vhodného chlazení a mazání zápustek, a to v nejvíce zatěžovaných oblastech. Nejvíce zatěžované oblasti byly analyzovány termokamerou. Vysoce teplotně namáhanou oblastí byl střed zápustek, kde teplota dosahovala až 332,5 C. Naopak na okrajích zápustky teploty dosahovaly 146,7 C. Kvůli velkému rozdílu teplot vznikalo v zápustce teplotní pnutí, které vedlo k jejich praskání. Změnou směru trysek a jednotlivých okruhů chladící hlavy bylo naměřeno, že nejvíce namáhaný střed zápustky dosahoval teploty 290,3 C a vnější okraj 152,8 C. Tato změna vedla ke snížení pnutí v zápustkách. Jako poslední aspekt byl zohledněn výrobní takt, kde se při navržení optimálního výrobního taktu musí dbát na kovací nářadí a na počet vyrobených výkovků. Při navržení rychlého výrobního taktu dochází k přehřívání zápustek (vzniku pnutí) a jejich nedostatečnému chlazení. Zápustky se rychleji opotřebovávají a v některých případech dochází i k jejich prasknutí. Pro počáteční odzkoušení byl zvolen výrobní takt 20 sekund. Následoval výrobní takt 15 sekund a 12,5 sekund, do kterých zasahovaly předešlé návrhy. Výsledky jsou zobrazeny v tabulce č. 13. Tab. 13: Navržení výrobního taktu Výrobní takt Max. teplota / Min. teplota Rozdíl teplot 15 sekund bez provedených úprav 332,5 C / 146,7 C 185,8 C 15 sekund s provedenými úpravami 290,3 C / 152,8 C 137,5 C 12,5 sekund s provedenými úpravami 301,9 C / 155,2 C 146,7 C 51