Mazání při objemovém tváření druhy maziv, jejich možnosti snižování opotřebení nástrojů a zlepšení kvality výrobku. T. Votroubek Fakulta Strojního Inženýrství, Vysoké Učení Technické v Brně, Technická 2, 616 69 Brno, Česká republika Více než polovina celkové produkce kovů je použita pro výrobu tabulových plechů a následně tvářena jako např. karoserie osobních automobilů, pláště elektrických spotřebičů, plechovky, střešní krytiny a jejich příslušenství, potrubí klimatizace, roury kamen, podlahy, obklady fasád, plachtoviny, kryty, vodní žlaby, závlahová potrubí atd. Tyto kategorie pokrývají nesčetné množství produktů používaných v průmyslu včetně automobilového, výroby letadel, výroby a balení spotřebního zboží, stavebního a potravinářského průmyslu a balící techniky. Proto je zpracování tabulového plechu velice důležité v řadě průmyslových odvětví. Aby bylo dosaženo, co nejlepších tribologických podmínek při tváření je nutné věnovat vysokou pozornost mazání při objemovém tváření [1]. 1. ÚVOD Objemové tváření je technologie tváření při které se dosahuje změny tvaru součásti v celém objemu značným přemisťováním materiálu a podstatnou změnou průřezu tvářeného tělesa. Mezi objemové tváření patří: kování, protlačování, válcování, tažení tyčí a profilů, ražení a kalibrování. Kování je tváření za tepla, polotovar je tvářen na bucharu nebo na lise. Volným kováním se dosáhne pouze přibližnému tvaru hotové součásti. Používá se pro menší série výkovků větších rozměrů. Probíhá za tepla, po ohřátí kovu na kovací teplotu, u oceli tj. nad rekrystalizační teplotou kdy je materiál vhodně plastický. Některé materiály lze kovat za studena nebo za poloohřevu tj. v oblasti rekrystalizační teploty. [2] Protlačování je tváření materiálu za tepla nebo za studena, při kterém průtlačník uvádí polotovar do plastického stavu v uzavřené zápustce a je protlačován průtlačnicí. Pohybuje-li se materiál ve směru pohybu průtlačníku pak se jedná o protlačování dopředné, pokud se pohybuje proti směru jedná se zpětné v případě radiálního pohybu se jedná o radiální.[3] Válcování je tváření kovů při průchodu válcovací stolicí mezi otáčejícími se válci, které polotovar přetvářejí a současně posunují. Ve válcovnách se válcují polotovary - předvalky nebo hotové výrobky, tvarové profily, plechy, trubky, speciální vývalky ap. Válce mohou být hladké pro válcování plechů, rýhované pro válcování předvalků nebo kalibrované pro válcování profilů. Tažení, je způsob výroby tyčí, trubek a drátů, založený na postupné redukci průřezu materiálu v průvlaku. Maximální velikost redukce v jednom stupni - průvlaku je omezena velikostí vznikajícího osového napětí, které nesmí překročit mez pevnosti. Ražení je způsob objemového tváření, kdy polotovar vyplňuje dutinu mezi nástroji razníkem a raznicí při relativně malém plastickém přemísťování materiálu. Ražením se vytvářejí například reliéfy mincí, medailí, nebo se dokončují povrchové tvary zápustkových výkovků. Kalibrování je dokončovací operace v hutnictví. Jedná se o tváření výkovků nebo výlisků, jehož účelem je dosažení přesných rozměrů a hladkého povrchu. Kované součásti se kalibrují v zápustce za tepla i za studena, válcované součásti v kalibrovacích válcích. 2. VÝPOČET SÍLY A PRÁCE Na protlačování za studena jsou potřebné velké deformační síly, které závisí na chemickém složení materiálu, jeho přípravě a tepelném zpracování.
Dalšími ovlivňujícími parametry jsou: mazání, geometrie nástroje, velikost, tloušťka stěny a druh stroje. Potřebné síly a práce pro tváření se však vypočítají velmi obtížně. Přetvárný odpor při protlačování za studena vzrůstá se stupněm zpevnění materiálu. Tato závislost není lineární, ale jedná se o křivku. U protlačování za tepla je přetvárný odpor konstantní. 3. VLIV TŘENÍ PŘI TVÁŘENÍ Jedním z rozhodujících faktorů na proces protlačování má tření, které výrazně ovlivňuje vlastní proces, kvalitu výrobku a ekonomii výroby, zejména u ocelí. Proto je nutné provádět vhodné povrchové úpravy tvářených materiálů, jinak dochází k suchému tření a zadření nástroje. Povrchová úprava se skládá: - odstranění povrchových vad - z chemického a mechanického čištění - z fosfátování fosfátovaný povrch má vysokou přilnavost k výchozímu materiálu, kterým je nejčastěji kotouč nebo kotouč s otvorem, tzv. kalota, toto umožňuje mazání povrchu materiálu v důsledku pórovitosti fosfátované vrstvy při velkých tlacích, čehož bylo prvně použito už ve 30. letech dvacátého století, - nanesení vrstvy maziva Velikost třecích sil dále závisí na drsnosti povrchu průtlačníku a průtlačnice a na jejich opotřebení v kritických místech. Někdy se jako mazivo u hutnického protlačování za tepla používá sklo vhodného chemického složení, které se při protlačování roztaví. U neželezných kovů se používá tzv. košilka, tj. mezera mezi průtlačníkem a průtlačnicí o velikosti 2 až 4 mm, do tohoto prostoru zateče materiál, který zde působí jako mazivo. 4. STROJE A NÁSTROJE PRO PROTLAČOVÁNÍ Důležitým faktorem je mimo jiné konstrukce nástroje a geometrie průtlačníku a průtlačnice. Nelze volit libovolné úkosy, rádiusy, zaoblení, apod. tvarových částí nástroje. Nástroj, je namáhán vysokými měrnými tlaky, proto závisí na jeho materiálu, tepelném zpracování a drsnosti povrchu. Životnost tvarových částí nástrojů se pohybuje od 3000 do 50000 kusů. Proces protlačování ocelí za studena je omezen pevností materiálu průtlačnice, ale při zpětném protlačování je limitován pevností materiálu průtlačníku. K protlačování za studena se používá většinou mechanických klikových, kolenových vertikálních lisů, nebo hydraulických lisů. Lisovací síla je 300 až 120000 kn. Při protlačování za tepla se zpracovávají materiály, jejichž tvárnost za studena je omezená a jejich tváření by bylo příliš nákladné. Po protlačování jsou protlačky vysunuty z pracovního prostoru vyhazovačem nebo stlačeným vzduchem. Při kombinovaném protlačování se vyhazují protlačky buď vyhazovačem, nebo stěračem. Vnitřní stěny protlačků jsou mírně kuželové s úkosem 1 až 2 o. Konstrukce nástroje musí být opatřena otvory pro únik vzduchu a maziva. [4] 5. ROZDĚLENÍ MAZIV Nejen rostoucí poptávka po kvalitních tvářených součástech vede k optimalizaci konstrukce nástroje, ale také k vývoji nových efektivních technologických maziv a aplikaci povrchových úprav nástrojů. Výběr technologických maziv pro tváření plechu by měl brát ohled na materiál tvářených plechů, geometrii tvářených prvků, předpokládaný čas uskladnění, druh dokončovací operace, možnost využití zbytkových množství maziv. Technologická maziva používaná při tváření plechu mohou být rozdělena na čtyři hlavní skupiny: - maziva a olejové emulze na bázi minerálního oleje nebo živočišných tucích s nebo bez plniče - mýdlové emulze - úpravy povrchů (fosfátování, oxalátový povrch) Nejpoužívanější maziva jsou oleje a emulze olejvoda, které způsobují nejen snížení tření, ale mají také chladící vlastnosti. 5.1. Pevná maziva Grafit a sulfid molibdeničitý jsou používané jako dominantní tuhá maziva. Ve formě prášku jsou tyto materiály účinné přísady do maziv díky jejich lamelární struktuře. Lamely se orientují paralelně k povrchu ve směru pohybu. Mezi vysoce zatíženými povrchy může lamelární struktura předejít kontaktu. Hrubší prášek se používá pro povrchy s vyšší drsností povrchu při malých relativních rychlostech. Prášky s jemnějšími zrny se pro hladký povrch a pro vyšší relativní rychlosti. Další přísady tuhých maziv jsou nitrid boritý, Polytetrafluoretylen (PTFE), mastek, fluorid vápenatý, fluorid ceritý a sulfid wolframičitý. Typické použití Grafitu, sulfidu molibdeničitého, nitridu boritého, PTFE jsou aplikační metody v samomazných kompozitech. 5.1.1 Použití pevných maziv Pevná maziva se používají za podmínek kdy konvenční maziva selhávají. - vratný pohyb Typické použití je u posuvného nebo střídavého pohybu, které vyžaduje mazání, aby se minimalizovalo opotřebení např. v ozubených
kolech, nebo při mazání řetězů, kdy jsou kapalná maziva vytlačena, zatímco tuhá maziva zůstávají v kontaktních plochách a přechází korozi a zadírání. - keramika Pevná maziva se používají pro případy kdy ještě nebyly nalezeny maziva pro specifický povrch jako keramiku a polymery. - vysoké teploty Grafit a sulfid molibdeničitý odolávají vysokým teplotám a oxidační atmosféře, zatímco kapalná maziva toto zatížení nevydrží. - extrémní kontaktní tlaky Lamelární struktura maziva se orientuje rovnoběžně s vodící plochou, toto má za následek vysoké zatížení ložiska v kombinaci s nízkým smykovým napětím. Největší použití při tváření kovů, které zahrnuje plastické deformace využívá tuhá maziva. 5.2. Grafit Grafit je složený z rovin polycyklických atomů uhlíku, které jsou v šesterečné mřížce. Vzdálenost atomů uhlíku mezi rovinami je větší a proto vazby jsou slabší. Grafit je vhodný pro mazání v běžném prostředí. Vodní pára je nezbytná složka při mazání grafitem. Pohlcování vody redukuje vazebnou energii mezi šesterečnými rovinami grafitu, sníží soudržnost mezi tvářeným povrchem a grafitem. Protože podmínkou pro mazání je přítomnost vodní páry, je mazání grafitem neúčinné ve vakuu. V oxidační atmosféře je grafit účinný ve vysokých teplotách až do 450 C a může odolat mnohem vyšším teplotním špičkám. Tepelná vodivost je obecně nízká ~1.3 W/mK při 40 C. Grafit můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin : přírodní a syntetický. Syntetický grafit je slinován za vysoké teploty a vyznačuje se vysokou čistotou uhlíku (99,5 až 99,99 %). Kvalita syntetického grafitu může dosáhnout kluzných vlastností kvalitního přírodního grafitu. Přírodní grafit je těžen, jeho kvalita se mění podle kvality rudy a jejího následného zpracování. Konečný produkt je grafit s obsahem uhlíku (čistota uhlíku 96 až 98 %), síry, oxidu siřičitého a popela. Vyšší obsah uhlíku a vyšší stupeň grafitizace znamená lepší kluzné vlastnosti a vyšší odpor proti oxidaci. Pro aplikace kde není potřebná vysoká mazivost, ale požaduje se teplotně izolační povlak, potom se používá amorfní grafit. (80 % uhlíku). Obr. 1 Porovnání struktury sulfidu molybdeničitého a grafitu 5.3. Sulfid molybdeničitý Sulfid molybdeničitý je těžený materiál, který se nalézá v tenkých žílách uvnitř žuly. Musí mít vysokou čistotu, aby byl vhodný pro maziva. Má šesterečnou krystalovou strukturu stejně jako grafit, s jejími typickými vlastnosti snadného smyku. Výkon mazání sulfidu molybdeničitého často překračuje grafit a je účinný i ve vakuu. Teplotní omezení MoS 2 je 400 C oxidací. Velikost částic a tloušťka mazacího filmu jsou důležité parametry, které by měly být přizpůsobeny drsnosti povrchu tvářeného materiálu. Velké částice mohou mít za následek nadměrné opotřebení obrusem způsobeným nečistotami. Malé částice mohou mít za následek zrychlenou oxidaci. 5.4. Nitrid boritý Nitrid boritý je keramický prášek. Nejvýznamnější charakteristikou tohoto maziva je jeho vysoký teplotní odpor, lze dosahovat provozní teploty 1200 C v oxidační atmosféře. Další z jeho vlastností je vysoká tepelná vodivost. Nitrid boritý je dostupný ve dvou chemických strukturách, krychlové a šesterečné, která se používá pro mazání. Kubická struktura je velmi tvrdá a používá se jako složka brusných a řezných nástrojů. 5.5. PTFE Polytetrafluoretylen je široce používaný jako přísada v mazacích olejích a tucích. Kvůli jeho nízké povrchové energii je stabilní a nekoaguluje. Na rozdíl od ostatních tuhých maziv nemá vrstvenou chemickou strukturu. Makromolekuly se podél sebe navzájem stírají podobně jako u lamelárních struktur. PTFE má jeden z nejmenších součinitelů statického a dynamického tření 0,04. Pracovní telplota je omezená na 260 C.
5.6. Metody aplikace Nástřik, smáčení, glazování Nejpoužívanější je disperze tuhého maziva jako přísad oleje, vody nebo tuku. Pro součásti, které nejsou přístupné se používá rozprášení suchého maziva. Principem je odpařování rozpouštědla, čímž se mazací film vytvrzuje. Pasty jsou mazací tuky, které obsahují vysoké procento tuhých maziv používaných pro montáž a mazání vysoce zatížených, pomalu pohybujících se dílů. Pro vysoké teploty nad 500 C jsou pasty založené na základě kovových prášků, které chrání kovové části před oxidací ulehčující rozebrání a následnou montáž. Volné prášky Suchý prášek je efektivní metoda aplikace. Montáž může být usnadněna předchozím fosfátováním. Použití mazacích prášků má omezení v trvalém provozu má obvykle nedostatečnou životnost, ale zlepšuje podmínky záběhu, nebo při tváření kovů postačuje pro krátké zlepšení kluzných podmínek. Nízkofrekvenční nátěry. Jsou to»mazací barvy» skládající se z jemných složek mazných pigmentů, sulfidu molybdeničitého, PTFE nebo grafitu smíšených s pojivem. Po použití se tato maziva naváží na kovový povrch a vytvoří tmavě šedý pevný film. Filmy suchých maziv obsahují zvláštní inhibitory koroze, které mají výjimečnou ochranu proti korozi. AF nátěry se používají tam kde je tření a zadírání problém, kde provozní tlaky převyšují nosné kapacity běžných olejů a tuků a tam kde je požadovaný tichý chod, čistý provoz a tam kde součásti mohou být uskladněny po dlouhé časové období. 5.7. Kompozity Samomazné kompozity: tuhá maziva jako PTFE, grafit, sulfid molybdeničitý a některé další přísady proti tření a opotřebení jsou často smíchány v polymerech a slinutých materiálech. Sulfid molybdeničitý a je např. často přimíchán v materiálech kluzných ložisek, elastomerových O kroužcích, uhlíkových kartáčcích atd. Jako příměs v nylonu snižuje opotřebení, tření a stick-slip efekt. Mimoto také vstupuje jako činitel očkování a má za následek velmi jemnou krystalickou strukturu. Tuhá maziva přimíchaná v plastech tvoří «samomazné» nebo «vnitřně mazací» kompozitní termoplasty. Částice PTFE smíchané v plastech mají za následek snížení tření a opotřebení součástí. Použití grafitem mazaných termoplastů je v aplikacích ve vodním prostředí. [5] 6. EMULZE Emulze jsou kapalné disperze nemísitelných kapalin, které mají určitý odpor proti odloučení fází díky přítomnosti stabilizátoru, obvykle tenzidů v oblasti rozhraní fází. Tenzidy jsou amphiphilické molekuly (z řečtiny amphi znamená obě strany, philos znamená záliba). Přestože emulze mohou být tvořeny z několika různých přísad, mohou být popsány jako ternární soustavy detergent-olej-voda. Existují dva hlavní druhy emulzí vycházející z jejich morfologie v závislosti na fázi disperze a to: olej ve vodní emulzi, nebo voda v olejové emulzi. Základní oleje těchto emulzí jsou komplexní směsice několika molekul: lineárních, rozvětvených a cyklických. Z tohoto důvodu nemůže být používáno uhlíkové číslo alkanu (ACN) pro charakteristiku základních vzorků oleje. Proto se pro tyto oleje používá ekvivalent molekuly alkanu (EACN). Emulze byly vytvořeny použitím sodium lauryl sulfátu společně s n-pentanolem jako detergentem a dvěma různými minerálními oleji s podobnou viskozitou při 40 C, které byly použity jako nepolární fáze (naftenová a parafinová). Přičemž naftenový olej T22 má nižší EACN než nasycený olej. Parafinové emulze jsou více náchylné k dosažení nestabilních podmínek vícenásobných emulzí, které by mohly vznikat během procesu obrábění [6]. 7. ZKUŠEBNÍ METODA Tváření je určeno tribologickými podmínkami v tvářecí oblasti. Proto je kladen důraz na optimalizaci průběhu tření a opotřebení během tohoto procesu. Jsou vyvíjena nová maziva, povrchy nástrojů i tvářených plechů, čímž se významně zvyšuje počet kombinací tribologických složek. Pro optimalizaci tvářecího procesu je však znalost průběhu tření zásadní. Není však možné zkoumat tribologické procesy ve skutečném procesu. Průmysl se v tomto ohledu spoléhá na modelové zkoušky průběhu tření jednotlivých součástí. Avšak neexistuje žádná jednotná zkušební metoda pro všechny požadavky a aplikace. Z tohoto důvodu byla vyvinuta nová zkušební metoda ve spolupráci s automobilovým průmyslem. Při tváření komplexní části karoserie automobilu dochází ke značnému tváření polotovaru hlubokým tažením. Geometrie nástroje je navržena tak, aby tvářený materiál klouzal z pod přidržovače, který je tažen razníkem, do raznice. Přidržovač se používá pro zabránění tvorby vrásek na výlisku.
Tření vznikající za vysokých tlaků a špatného mazání má za následek opotřebení složitých tvarových povrchů nástrojů, což vyžaduje nákladné opravy. Proto je výzkum tření při tváření tak důležitý. Pro vývoj tvářecích nástrojů byla použita metoda konečných prvků, pomocí níž byla provedena analýza napětí v určitých sekcích nástroje. Následně se metoda konečných prvků ukázala jako vhodný nástroj pro urychlení vývoje geometrie tvářecích nástrojů. Při vývoji nové zkušební metody bylo navrženo na odstranění vlivů ohýbání tváření v plochém směru. Obr. 2 Konečnoprvkový model okraje raznice Materiál kovového pásu je charakterizován jako izotropní pružný plastický mechanicky zpevněný. Raznice jsou vymodelovány jako pružná tělesa. Relativní posuvy ovlivňujících se uzlů plechu a povrchu nástroje způsobují změny vypočtené kontaktní síly v různých přírůstcích. Nejpodstatnější je významné maximum na začátku hrany raznice. Následně byla provedena rozsáhlá analýza charakteristických parametrů, které ovlivňují rozložení a velikost kontaktního napětí. Při této studii se měnily různé parametry např. tření, normálová síla přidržovače, tloušťka plechu, mez pevnosti materiálu a poloměry raznice. Všechny varianty potvrdily nerovnoměrné rozložení kontaktního napětí s charakteristickými lokálními špičkami. Maximální hodnota napětí se vždy objevila v prvním místě ohybu na začátku hrany raznice. Kontaktní napětí zde dosahovalo téměř hodnoty meze pevnosti. Obr. 4 Zkušební stanice opotřebení Parametry zkoušky opotřebení působící na nástroj FFF70L ukazuje opotřebení ve formě různě vybroušených drážek napříč směru tváření. Chromová nástrojová ocel 1.2379 naproti tomu nejeví žádné známky opotřebení [7]. Obr. 5 Opotřebení nástroje z oceli 1.2379 po 3000 a 5000 cyklech 8. PRŮBĚH TŘENÍ NOVÝCH MAZIV PŘI TVÁŘENÍ PLECHŮ Při tváření plechů je úkolem produkovat komplexní funkční integrované součásti se speciálními vlastnostmi. Obr. 3 Teorie výsledného kontaktního napětí
Obr. 6 Tvářecí proces tabulového plechu Limity hlubokého tažení jsou určené třecími podmínkami v oblasti tváření. Parametry ovlivňující tření při tváření jsou: materiál plechu, jeho povrch a mazání. Tření se úměrně zvyšuje se stoupajícím poměrem tváření, maximální poměr přetvoření se snižuje s rostoucí složkou objemu. Součást tedy klouže po mazacích filmech molekulové velikosti. Při nedostatečném mazání, se mohou lokálně hraniční vrstvy rozbít a mohou se objevit svarové spoje. Se zvýšením kluzné rychlosti a množstvím maziva na rozhraní součásti je podporováno hydrodynamické mazání. Tloušťka mazacího filmu se zvyšuje, ale mazací mezera zůstává menší než drsnost obou povrchů lisovacího nástroje a polotovaru. S dalším zvýšením kluzné rychlosti a při dostatečném množství maziva může být dosaženo hydrodynamického tření, při kterém je mazací film tlustší než součet obou drsností povrchů razníku a raznice. Tato podmínka však nemůže být splněna v praxi tvářecích operací. Největší vliv v oblasti smíšeného tření má kluzná rychlost, normálové napětí, viskozita maziva. V tomto případě musí polotovar, pokud to je možné,obsahovat mazivo v kontaktní oblasti během tváření. Nízké tření mezi tvářeným plechem a nástrojem musí být dosažené k zaručení velkého přetváření bez vzniku trhlin. Při měření se zaznamenávají třecí síly a normálová síla. Obr. 7 Principy zkoušek tváření Obr. 8 Porovnání maziva na DC 04 Z Obr. 9 Porovnání maziva na DX 54 Z Při použití pracích olejů s nejnižší viskozitou, jsou největší třecí síly, následovány jsou nízko viskózními brodícími oleji (40 mm 2 /s při 40 C) Obyčejné prelube oleje mají troch vyšší viskozitu (60 mm 2 /s při 40 C) Tvářecí síly jsou přibližně o 10 až 15 % nižší než při použití brodících olejů. Vysoce viskózní oleje (160 mm 2 /s při 40 C) prokazují nejnižší tření. V poslední době vzrůstá zájem o nové rychleschnoucí produkty, které díky sofistikovaným přísadám pokrývají velkou oblast mazání při tváření. Pouze při nízkém povrchovém tlaku prokazují vyšší tření než prelube oleje. Avšak důležitější pro optimální výsledky tváření je průběh tření při vysokém výkonu. Z tohoto důvodu jsou rychleschnoucí maziva požadována při komplexních tvářecích operacích, navíc mají další výhody, např. zlepšená ochrana proti korozi, nebo větší spolehlivost procesu tváření. Pro hodnocení maziv je vliv teploty nástroje velmi důležitý. Zvláště při tváření vysoko pevnostních ocelí disipace vznikajícího tvářecího tepla vede k vyšším teplotám nástroje. Vyšší teplota snižuje viskozitu maziva v kontaktní oblasti, což má za následek zvýšení tření.
Obr. 10 Zvýšení tření prelube olejů Závislost schopností mazání na teplotě procesu (viskozitě maziva) a výsledné zvýšení tření je podstatné pro návrh tvářecích procesů vysoko pevnostních ocelí. Vhodná volba maziva závisí na výsledné teplotě procesu. Mazivo, které by bylo úplně nezávislé na teplotě by bylo pro tento účel ideální, ale to je obtížně realizovatelné. Nicméně nové vývojové trendy maziv míří tímto směrem [8]. Obr. 11 Výsledky tření polymerických suchých maziv 9. POUŽITÍ SUCHÝCH MAZIV PŘI TVÁŘENÍ PLECHŮ Stejně jako ochrana proti korozi prelube, konvenčních, nebo tixotropních olejů rychleschnoucí maziva musí být plně kompatibilní během celé výroby a montážního procesu. Výrobci automobilů dávají přednost suchým mazivům, které jsou stejné pro tváření oceli a hliníku z důvodu jejich ochrany proti korozi. Výrobci automobilů požadují snadno použitelné rychleschnoucí suché mazivo, zajišťující při dostatečně vysoké teplotě správné podmínky pro použití. Protože jeden z nejdůležitějších požadavků je ochrana proti korozi, to se však vylučuje s nanášením maziv vodou, jako vosku, nebo akrylátu na galvanizované ocelové plechy, nebo bez povrchové úpravy. Rychle schnoucí suchá maziva poskytují vynikající ochranu proti korozi a jsou rovnocenná tixotropním ochranným prostředkům proti korozi, nebo pelube olejům. Pro jejich optimální všestrannost by měly být vhodné pro všechny druhy tabulových plechů. Požadavky na maziva, měly by vytvářet stejnorodou vrstvu adekvátní síle v oblasti přetvoření, umožnit svařování a lepení i na místech, která nebyla předčištěna, spoje musí být odolné proti korozi, vážné poruchy se nesmí vyskytovat při tloušťce maziva přibližně 2 μm. Z výsledků zkoušek vyplývá, že svařování hliníku je neuspokojivé a maziva musí být ve většině případů předem očištěna před svařováním. Odstraňování rychleschnoucích maziv z čistících lázní se provádí sběrači, ultrafiltrací a odstřeďováním. Při tomto procesu jsou požadovány teploty nad bodem tání maziv. Existuje několik druhů suchých mazacích filmů, které se používají při tváření plechů. Jedná se o organické nátěry, rychleschnoucí maziva, vodné roztoky vosku nebo mýdla a tenké nátěry polymeru. Jako suchá maziva také mohou být považovány tenké anorganické nátěry jako fosfátové vrstvy. Na rozdíl od polymerů a fosfátů suchá maziva jsou dočasné vrstvy a jsou odstraňovány před nástřikem součástí. Mazivo musí mít pro snadnější použití nízkou viskozitu. Pro životní prostředí, ze zdravotních důvodů a kvůli nebezpečí ohně nejsou vhodná uhlíková rozpouštědla. Velmi tenké olejové vrstvy v řádech několika desetin drsnosti povrchu jsou vázány kovovým povrchem a nezávisí na jejich chemické nebo fyzické podstatě. Následkem toho velmi tenké vrstvy válcovacího oleje vhodně chrání jako tixotropní tekutiny, a kapaliny se chovají jako by byly pevná látka. Tixotropní maziva nejsou schopné vzdorovat gravitaci a pomalu stékají, zatímco rychleschnoucí suchá maziva jsou natolik konzistentní, aby tvořila stabilní filmy větší než 2-3 μm. Tuhá maziva jsou však obtížně aplikovatelná, z tohoto důvodu musí být suchá maziva ředěna před nátěrem. Rychleschnoucí maziva jsou nastříkána, nebo naválcována asi při teplotě o 20 C vyšší než je jejich bod tání. Po kontaktu s chladným kovovým povrchem se kapalina okamžitě ochlazuje a vytváří požadovaný voskový film. Mazivo je znovu zahříváno při lisování, tvářecí teplota může stoupnout nad bod tání pevného filmu, proto výrobci těchto maziv nedoporučují se výhradně spoléhat na konzistenci suchých maziv. Před případným nástřikem musí být výlisky odmaštěny. Čistící teplota je kolem 60 C.
Obr. 13 Příčný řez součásti při tváření závitu Obr. 12 Průběh tečení maziva jako funkce tloušťky vrstvy při 20 C Rychle schnoucí maziva nestékají a jejich vysoká viskozita přispívá ke konzervaci. Tribologické podmínky jsou nejhorší při rychlosti 1 mm/s, které namáhají mezní vrstvu maziva nejvíce. Při této nízké rychlosti je tváření blízko statického tření. Když je rychlost tažení zvýšena na 10 mm/s vznikne hydrodynamický stav a podmínky tváření se výrazně zlepší. Bylo shledáno pracovníky lisovny, že mazací schopnosti vybraných rychleschnoucích maziv převyšují parametry v současné době používaných prelube olejů. Výlisky mohly být tvářeny bez dodatečných maziv pro tváření. Počet zmetků byl zanedbatelný a jakost povrchu a rozměrové tolerance byly výborné. Rychle schnoucí suchá maziva nabízí vlastnosti nejlépe vyhovující současným požadavkům současného automobilového průmyslu a jejich použití vyžaduje nejmenší investice. Požadovaná rovnoměrná tloušťka povlaku může být získána stříkáním za horka. Hustota vosku odstraňuje stékání uvnitř rolí, během přepravy apod. Mazivost je lepší ve srovnání s v současné době používanými tixotropními prelube oleji, což dovoluje snížení tloušťky filmu. Rychle schnoucí maziva jsou vhodná pro ocel a hliník kvůli jejich vynikající ochraně proti korozi. Jsou to ideální maziva pro složité komplexně tažené výlisky. Ukázalo se, že nové technologie rychleschnoucích suchých maziv se dobře začlení do sériové výroby [9]. 10. POPIS TESTU PRO VYTVÁŘENÍ A VÝBĚR SLOŽEK OLEJŮ PRO TVÁŘENÍ ZÁVITŮ Tváření závitu je na rozdíl od tradičního řezání závitu beztřískový proces. Zuby tvořící závit proniknou součástí a přesunout materiál do volného prostoru nástrojového profilu. Zkoumané mazivo je rozděleno ručně pipetou na kontaktní ploše vzorků. Opotřebení povrchu je zkoumáno s konfokálním bílým světelným mikroskopem, který dává topografická data, na jejichž základě, mohou být vypočítány známky opotřebení. Tyto hodnoty vedou k třídění zkoumaných maziv. Zkoušky maziv se prováděly při tváření závitu do předem vyrobených děrovaných plechů. Obr. 14 Tváření závitu Během testů bylo použito deset olejů včetně v současné době používaného tvářecího oleje Blasoform A50. Při měření se zátěž zvyšovala postupně ze 100 N do maxima 1000 N v krocích po 100 N. Po vyhodnocení zkoušky byly označeny oblasti opotřebení. Pro potřeby testu byl vyroben nástroj s hřebeny podobnými zubům tvářeného závitu. Povrchová úprava materiálu byla stejná jako v průmyslovém provozu. (1.3243, pokrytý nitridem titanu) [10]. 11. TŘECÍ MECHANIZMY VE SMÍŠENÉM MAZACÍM REŽIMU PŘI TVÁŘENÍ PLECHU Tření ovlivňuje tok materiálu v nástroji a tím i počet zmetků a konečnou kvalitu produktů. Tření modelované v komerčním software je stále založené na Coulombově modelu tření, který je nedostatečný pro tváření plechu. Nevýhoda téměř všech ekologicky šetrných alternativ mazání je jejich průměrný výkon. Mechanismy tření ve smíšených mazacích režimech jsou vysvětleny buď hydrodynamickými nebo hydrostatickými účinky
vytvořenými drsností povrchu, nebo prázdnými kapsami na povrchu. Vysvětlení tření je založeno na teorii drážky vedení ložiska. Koeficient ve smíšeném mazacím režimu může souviset s koeficientem tření na hranici režimu čím větší zatížení mazacího oleje, tím je menší koeficient tření. Obr. 12 ukazuje změnu nosnosti v závislosti na sklonu ložiska. Silná směrovost anizotropních povrchů nerezové oceli lze obtížně vysvětlit teorií s mikroolejovými kapsami. Podmínky kontaktu pravděpodobně nebudou moc závislé na směru posuvu, protože počty aktivních olejových kapes v kontaktním pásmu byly stejné. Také byly očekávány třecí reakce při úniku oleje z těchto kapes v kontaktním pásmu [11]. 12. ZKUŠEBNÍ METODY MAZIVA Obr. 15 Kapacita cyklického zatěžování s poměrem konvergence v lineární podložce ložiska Před několika lety byly udělány důležité studie na vtisknutých dutinách na povrchu plechů. Tyto kapsy o velikosti 1 x 1 mm, byly naplněny olejem, poté proběhl tvářecí proces. Studie ukázaly, že mazivo by mohlo být vytlačeno a namaže hranice povrchu, aby byl minimalizován přímý kontakt kovových povrchů. Na podobných studiích byl vytvořený ukazatel charakterizující chování tření v kontaktu mezi tvářeným plechem a nástrojem. WC index je definován jako množství samostatných olejových kapes násobený délkou hranice plochy maziva v místě kontaktu a dělený plochou kontaktu. Pro měření koeficientu tření byla použita zkouška ohybem. Proužek ocelového plechu je ohýbán a tažen přes válcový nástroj. Tribologické podmínky mohou být řízeny měnící se posouvající se rychlostí, velikostí kontaktního tlaku, výběrem a množstvím maziva. Byla použita směs maziv Castrol CR 502 (45%) a Castrol SW 4015 (55%). Posuvná rychlost byla 100 mm/s. Síla vyvozující takovouto rychlost měla za následek napětí 80% meze kluzu. Materiál nástroje byla kalená a popuštěná ocel Calmax s poloměry 5 mm s drsností povrchu Ra = 0,1 μm. Zkušební výsledky mohly být vysvětleny teorií podložky ložiska. Závislost tření ukázala korelaci k povrchové topografii, například parametr rozkmitu a parametr průřezového poměru struktury. Závislost tření ve smíšeném mazacím režimu je závislé na velkém množství faktorů: původní povrchové topografii, viskozita oleje, rychlost pohybu a tlaku. Při tváření plechů jako lisování, hluboké tažení a děrování jsou často používány životnímu prostředí nebezpečná maziva jako chlórované parafínové oleje zvlášť když jsou použity tribologicky obtížné materiály jako nerezová ocel. Autoři navrhují sestavit provozní a simulační testy. Provozní testy jsou charakterizované jako testy použití typického kovu tvářecí operace bez změny pohybů těles. Zatímco simulační testy jsou modely tribologických podmínek při tvářecích operacích. Všechny testy jsou stanovené jako laboratorní zkoušky, aby se vyhnuli přímému testování ve výrobě znamenající zastavení výroby vyčištění nástrojů před použitím nového maziva, přeleštění nástrojů, kdykoli nastává zadírání. Laboratoře minimalizují počet testů maziv na výrobních linkách. Simulační testy Jako zástupci rozmanitých podmínek při tváření plechu byly vybrány tři různé simulační testy: - Ohýbání představující mírné tribologické podmínky se středním normálovým tlakem, malou posuvnou délkou a bez povrchové rozpínavosti - Tahová zkouška lemu představující střední tribologické podmínky se středním až vysokým normálovým tlakem, střední posuvnou délkou a bez povrchové rozpínavosti - Pásová zkouška představující zmenšené těžké tribologické podmínky s vysokým normálovým tlakem, malou posuvnou délkou povrchovou rozpínavostí. Provozní testy Jako provozní testy byly vyvinuty tři testy: zkouška hlubokého tažení, vystřihovací test a tažení s redukcí stěny. Prostřihovací test, při kterém je dynamickým měřením zpětné síly při každém zdvihu založené na měření pomocí piezoelektrických snímačů. Při testu byl porovnáván chlórovaný olej s vysoce viskózním minerálním olejem bez přísad při vystřihování nerezavějící oceli. Srovnání maximální síly zpětného zdvihu po 200 cyklech je přibližně sedmkrát menší u chlórovaného oleje při použití prostého minerálního oleje a maximální zatížení se zvyšuje postupně s počtem zdvihů. Systém testů byl vyvinutý pro laboratorní testování tření a mazání při ohýbání Tabulového
plechu zvláště soustřeďující se na vhodnou simulaci skutečných podmínek ve výrobě. Systém testování se osvědčil při hodnocení vhodného maziva. Laboratorní zkoušky se osvědčili při uspokojivé simulaci podmínek ve výrobě. Z toho vyplývá, že nákladné výrobní zkoušky mohou být minimalizovány při výzkumu nových maziv. Výsledkem zkoušek bylo nalezení více maziv, které by mohly nahradit životnímu prostředí nebezpečná maziva používaná při tváření [12]. 13. TRIBOLOGICKÉ PROBLÉMY PŘI TVÁŘENÍ PLECHOVÍCH SOUČÁSTÍ Technologická maziva používaná při tváření plechu mohou být rozdělena na čtyři hlavní skupiny: - maziva a olejové emulze na bázi minerálního oleje nebo živočišných tucích s nebo bez plniče - mýdlové emulze - maziva na bázi plastů - upravené povrchy (fosfátování, oxalátový povrch) Nejpoužívanější maziva jsou oleje a emulze olejvoda, které způsobí nejen snížení tření, ale také mají chladící účinek. Snížení odporu tření a následné snížení opotřebení nástrojů je zřejmé při použití technologického maziva během všech způsobů tváření plechu. Vrstva maziva mezi nástrojem a tvářeným materiálem by měla přiměřenou tloušťkou zajistit efektivní oddělení třecích povrchů, zvlášť u takových materiálů jako jsou pozinkované, titanové nebo hliníkové plechy. Tyto materiály jsou náchylné k vytváření nárůstků na povrchu nástrojů. Tomuto je však možné předejít, použitím správných maziv nebo antiadhezivních vrstev. Vrstva maziva ulehčí tečení materiálu, to má za následek stejnorodý a vysoce hladký povrch. Proto je důležité, aby mazivo bylo odolné proti vysokému tlaku. Pokud jde o ochranu životního prostředí, technologická maziva musí být fyziologicky neutrální, zvláště kvůli lidské pokožce a dýchacímu ústrojí. Maziva rozprášená jako olejová mlha by měla být eliminována kvůli nebezpečí inhalace. Maziva by měla být maximálně využita, protože jsou pouze jednorázově použitelná a při jejich uskladnění je zde nebezpečí znečištění půdy nebo vody. Vyloučení toxických součástí jako EP přísad, nebo inhibitorů koroze je nezbytné. Vhodně vybrané technologické mazivo efektivně sníží součinitel tření. Mazivo No P se při testech zdálo být nejlepší, ale jeho nevýhodou je jeho viskozita, z tohoto důvodu je těžké ho aplikovat na neobrobený povrch a potom ho odstranit z povrchu výlisku. Mazivo No 98 je velmi dobré pro hliníkové fólie, ale není vhodné pro elektrogalvanizované ocelové plechy. V tomto případě mazivo No 98 způsobuje stick-slip efekt. Testovaná vrstva TiN nevedla ke snížení koeficientu tření, z tohoto vyplývá, že technologická maziva a antiadhezivní vrstvy musí být vybírány individuálně v závislosti na druhu tvářeného materiálu. Vytváření nárůstků na nástrojích je důvodem k nezbytnosti maziva. Nárůstky jsou výsledkem vytváření a rozkladu přechodů adheze. Postupem času se nárůstky oddrolují a společně s nečistotami způsobují opotřebení nástrojů v makro i mikrogeometrických rozměrech. Tím dochází ke snižování kvality výrobku, což je nežádoucí. Nárůstky mohou být omezeny, nebo úplně eliminovány použitím technologických maziv a antiadhezivních povrchů nástrojů. Obrázek 14 ukazuje změny v rozložení tloušťky maziva podél stěny tvářené součásti získané během počítačové simulace. Obr. 16 Rozložení tloušťky maziva podél stěny tvářené součásti Správné mazání může ovlivnit možnost získání vyšších přetvoření v jedné operaci, tím může dojít ke snížení počtu tvářecích operací, nebo získání tažené součásti bez defektů. Nejen mazání ovlivní snížení třecího odporu, ale také chrání nástroj před vytvořením nárůsků. Použití vrstev proti opotřebení jako Cr nebo TiN je další metoda jak předejít opotřebení. Výběr technologického maziva a antiadhezivní vrstvy pro tváření plechu by měl brát ohled na druh tvářeného materiálu. Vrstva chromu má nejlepší antiadhezivní vlastnosti. TiN vrstva podstatně neovlivnila snížení hodnoty součinitelů tření pro testované plochy. Zřetelné zhoršení bylo pozorovatelné při tváření pásu hliníku.
Tření má rozhodující faktor na rozložení napětí v tvářené součásti. Ztenčování stěn rozhoduje budoucí mez pevnosti tvářené součásti. Optimalizace tvářecího procesu by měla být provedena podle minimálního ztenčení stěny [14]. 14. ZLEPŠENÍ TRIBOLOGICKÝCH VLASTNOSTÍ CRN FILMŮ CrN filmy byly hojně používané v aplikacích přesného tváření kvůli jejich vynikajícím tribologickým vlastnostem. Filmy nitridu chromu (CrN) jsou používané jako ozdobné, proti opotřebení, proti korozní aplikace kvůli jejich vynikajícím mechanickým vlastnostem. Výzkum tření se zabývá povrchovými úpravami tvářených plechů i nástrojů, mazivy, konstrukcí nástrojů, zkušebními metodami maziv a povrchových úprav. Z tohoto vyplývá, že tato oblast tribologie je velice rozsáhlá. Cílem tohoto přehledového článku nebylo popsat všechny oblasti, autor chtěl pouze shrnout nejdůležitější oblasti tribologie objemového tváření. Maziv pro snížení tření je několik druhů a to olejových emulzí, mýdlových emulzí, úpravy povrchů. V posledních několika letech je kladen důraz na maziva šetrná k životnímu prostředí, proto je nutné zabývat se výzkumem všech aspektů ovlivňujících tření při tváření. Jak již bylo v článku uvedeno maziva, která nejsou životnímu prostředí nebezpečná, mají pouze průměrné tribologické vlastnosti, což je pro průmysl nedostatečné. Nicméně vývoj jde neustále kupředu i v tomto oboru, a proto je možné že za několik let budou dostupná maziva, která nebudou mít viskozitu závislou na teplotě, nebo budou vyvinuty a odzkoušeny takové povrchové úpravy a vytvrzovací mazací filmy, že při tváření nebude nutné používat kapalných maziv a dalších technologických postupů, které jsou životnímu prostředí nebezpečné, přičemž budou vyhovovat náročným požadavkům zejména automobilového průmyslu. 16. REFERENCE: Obr. 17 XRD vzorky CrN/C+, CrN/V2+ CrN/V2+/C+ a CrN filmů. Obr. 17 ukazuje přímý důkaz o tvoření intermetalické sloučeniny upravených CrN filmů. Ve všech nanesených filmech je díky ozařování energetickými ionty pozorována vysoko teplotní stabilní fáze Cr 2 N. Pomocí bombardování hladkých povrchů dochází k vytváření nových rozptýlených fází. CrN/C+ filmy mají větší hustou vrstvy než CrN/V2+ a CrN/V2+/C+ filmy. Tato skutečnost souvisí s hlubším nanášením CrN jak, bylo odhaleno AES spektry, při tvoření nových fází. Největší zvýšení tvrdosti CrN/V2+/C+ je 1,3 krát u naneseného CrN filmu MEVVA proces v CrN/C++, CrN/V2+ a CrN/V2+/+, zlepšuje se mikrotvrdost nanesených CrN 3855 Hv, 4158 Hv a 4369 Hv, povrchů. Životnost opotřebovávaných povrchů CrN/V2+ a CrN/C+ se zvýšila 5 krát. [15]. 15. ZÁVĚR Tření má při tváření rozhodující vliv zejména na kvalitu výrobku a ekonomii výroby, proto je nutné věnovat se jeho výzkumu. [1] STREPPEL, A. H.:Advances in sheet metal forming applications Faculty of Engineering Technology, University of Twente, Enschede 2006, The Netherlands [2] internetový odkaz: Encyklopedie CoJeCo http://pes.cojeco.cz/index.php?detail=1&id_desc =66485&s_lang=2&title=objemov%E9%20tv% E1%F8en%ED Objemové tváření 3.2008 [3] PETRUŽELKA, J.: Nekonvenční metody tváření Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní, Ostrava 2007, 1. verze pro NS a DS [4] internetový odkaz: http://www.ksp.vslib.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skri pta_tkp/sekce/05.htm Technická univerzita Liberec, Fakulta strojní, Katedra strojírenské technologie, Oddělení tváření kovů a plastů, 3.2008 [5] internetový odkaz : Tribology - ABC http://www.tribology-abc.com/abc/solidlub.htm pevná maziva, 3.2008
[6] BASTARDO-ZAMBRANO, L.: Phase Behaviour of Metalworking Emulsions Nynas Naphthenics AB, Nynashamn 2006, Sweden [7] FILZEK, J.: New Test Method for Tool Wear in Sheet Metal Forming FILZEK TRIBOtech, Großwallstadt 2007, Germany [8] FILZEK, J.: Friction Behaviour of new Lubricants for Sheet MetalForming FILZEK TRIBOtech, Großwallstadt 2007, Germany [9] LOSCH, A.: Drylubes for sheet metal forming Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, Mannheim/Germany Conference 2006 [10] MONETTI, C. - NOVOTNY-FARKAS, F. HERING, G. BUCHNER, B. SCHIESTER, I. TONNERER, F. SCHEMMEL, I. - HAMROCK B.J. - DOWSON D.: Description of a test method of a testmehodology for the formulation and selection of components of tread-molding oils AC²T research GmbH, Viktor Kaplan-Straße 2, 2700 Wiener Neustadt, Austria, OMV Refining & Marketing GmbH, 2320 Schwechat, Austria, RheinChemie Rheinau GmbH, 68219 Mannheim, Germany, University of Leoben, Chair of Metal Forming, 8700 Leoben, Austria, MAGNA-Presstec AG, 8160 Weiz, Austria, BÖHLER-Edelstahl GmbH, 8605 Kapfenberg, Austria, [11] WIKLUND, D. ROSÉN, B.G. - GUNNARSSON, L.: Frictional mechanisms in mixed lubricated regime in steel sheet metal forming Chalmers University of Technology and Halmstad University, S-412 96 Göteborg, Swede, Halmstad University, Box 823, S-301 18 Halmstad, Sweden, KIMAB, Corrosion and Metals Research Institute AB, S-114 28 Stockholm, Sweden, Accepted 28 August 2006 [13] JANINA, A.:Some tribological problems occurring in sheet-metal forming processes Czestochowa University of Technology, Czestochowa 2007, Poland [14] WENG, K. W. LIN, T. N. WANG, D. Y. Tribological property enhancement of CrN films by metal vapor vacuum arc implantation of Vanadium and Carbon ions Department of Materials Science and Engineering, Mingdao University, ChangHua 523, Taiwan, ROC, Chemical Engineering Division, Institute of Nuclear Energy Research, Longtan, Taiwan, ROC, Available online 4 July 2007 [15] internetový odkaz: FUCHS OIL CORPORATION (CZ), spol. s r.o. http://www.fuchs-oil.cz Výrobce průmyslových olejů a maziv 3.2008 [16] internetový odkaz: McGraw-Hill s Access Science, Encyclopedia of Science & Technology Online http://www.accessscience.com/ 3.2008 [17] internetový odkaz: mitcalc http://cs.wikipedia.org/ Otevřená encyklopedie Wikipedie 4.2008 [18] DVOŘÁK, M. GAJDOŠ, F. NOVOTNÝ, K.: Technologie tváření Plošné a objemové tváření VUT Brno., 1996 [12] BAY, N. OLSON, D.D. ANDREASEN, J.L. Lubricant test methods for sheet metal forming Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Building 425, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark, F.L. Schmidt A/S, R&D Centre Dania, Daniavej 49, DK-9550 Mariager, Denmark, Novo Nordisk A/S, Brennum Park, 20BS.41, DK-3400 Hilleroed, Denmark, accepted 26 November 2007