VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY VYUŽITÍ KAPALINY VE TVÁŘENÍ USING OF LIQUIDS IN FORMING TECHNOLOGIES BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MICHAL VRAŠTIAK Ing. KAMIL PODANÝ, Ph.D. BRNO 2011
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Akademický rok: 2010/2011 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Michal Vraštiak který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojní inženýrství (2301R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: v anglickém jazyce: Využití kapaliny ve tváření Using of liquids in forming technologies Stručná charakteristika problematiky úkolu: Jedná se o zpracování literární studie možných způsobů využití kapaliny při výrobě dílců ve tváření. Rešerše bude obsahovat základní rozdělení a principy. Cíle bakalářské práce: Aktuální literární studie se zaměřením na výrobu součástí prostřednictvím kapaliny ve tváření se zhodnocením jejich vhodnosti či nevhodnosti a s ukázkami použití.
Seznam odborné literatury: 1. HELLWIG, W., SEMLINGER, E. Spanlose Fertigung: Stanzen. 5th ed. Braunschweig/Wiesbaden, Friedr Vieweg and Sohn Verlagsgesellschaft mbh. 1994. 289 p. ISBN 3-528-44042-2. 2. LIDMILA, Zdeněk. Teorie a technologie tváření. Brno: RVO VA, 1994. 214 s. 3. ŽÁK, Jan, SAMEK, Radko, BUMBÁLEK, Bohumil. Speciální letecké technologie I. 1. vyd. Ediční středisko VUT Brno. Brno : Rektorát Vysokého učení technického v Brně, 1990. ISBN 80-214-0128-1. s. 220. 4. DVOŘÁK, Milan, GAJDOŠ, František, NOVOTNÝ, Karel. Technologie tváření: plošné a objemové tváření. 2. vyd. Brno: CERM, 2007. 169 s. ISBN 978-80-214-3425-7. 5. FOREJT, M. Teorie tváření a nástroje. 1. vyd. Brno, Rekrorát Vysokého učení technického v Brně, 1991. 187 s. Edit. Nakladatelství VUT v Brně. ISBN 80-214-0294-6. 6. TIŠNOVSKÝ, M., MÁDLE, L. Hluboké tažení plechu na lisech. 1. vyd. Praha, SNTL, 1990. 200 s. ISBN 80-03-00221-4. 7. HOSFORD, William F.; CADDEL, Robert M. Metal Forming : Mechanics and Metalurgy. 3th ed. New York : Cambridge University Press, 2007. 365 s. ISBN 978-0-521-88121-0. 8. MIELNIK, E.M. Metal Working Science and Engineering. 1.ed. N.Y. : McGraw-Hill,Inc., 1991. 890 s. ISBN 0-07-041904-3. 9. PETRUŽELKA, Jiří. Tvařitelnost a nekonvenční metody ve tváření. 1. vyd. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2000. 156 s. ISBN 80-7078-635-3. Vedoucí bakalářské práce: Ing. Kamil Podaný, Ph.D. Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2010/2011. V Brně, dne 16.11.2010 L.S. prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. Ředitel ústavu prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty
ABSTRAKT VRAŠTIAK Michal: Využití kapaliny ve tváření. Práce předkládá aktuální literární studii o technologiích využívající kapalinu jako tvářecí médium. Zde jsou uvedeny základní principy metod: hydroform, hydromechanické tažení, Wheelon, Asea, vysokorychlostní tváření, tažení dutých součástí kapalinou, Pillow forming, Flexform. Součástí práce je jejich zhodnocení, ukázky využití v praxi a rozbor výhod a nevýhod. Klíčová slova: Hydroform, hydromechanické tažení, Wheelon, Asea, vysokorychlostní tváření, tažení dutých součástí kapalinou, Pillow forming, Flexform. ABSTRACT VRAŠTIAK Michal: Using of liquids in forming technologies. This work submits actual literary work about technologies, which use a liquid such as forming media. Here are listed their basic principles of methods: hydroform, hydromechanical drawing, Wheelon, Asea, high speed forming, tube hydroforming, Pillow forming, Flexform. Work includes their evaluation, examples of practical use and analysis of advantages and disadvantages. Keywords: Hydroform, hydromechanical drawing, Wheelon, Asea, high speed forming, tube hydroforming, Pillow forming, Flexform.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VRAŠTIAK, M. Využití kapaliny ve tváření. Brno, 2011. 31 s., CD. FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie, Odbor technologie tváření kovů a plastů. Vedoucí bakalářské práce Ing. Kamil Podaný, Ph.D.
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Tímto prohlašuji, že předkládanou bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně, s využitím uvedené literatury a podkladů, na základě konzultací a pod vedením vedoucího bakalářské práce. V dne Podpis
PODĚKOVÁNÍ Tímto děkuji panu Ing. Kamilovi Podanému, Ph.D. za cenné připomínky a rady týkající se zpracování bakalářské práce.
OBSAH Zadání Abstrakt Bibliografická citace Čestné prohlášení Poděkování Obsah Str. 1 ÚVOD..... 10 2 METODA HYDROFORM... 11 3 HYDROMECHANICKÉ TAŽENÍ (HMT)... 13 4 METODA WHEELON.. 17 5 METODA ASEA... 18 6 VYSOKORYCHLOSTNÍ TVÁŘENÍ. 19 7 TAŽENÍ DUTÝCH SOUČÁSTÍ KAPALINOU... 21 7.1 Nízkotlaký hydroforming.... 21 7.2 Vysokotlaký hydroforming... 22 7.3 Postupový hydroforming... 25 8 PILLOW FORMING.... 26 9 FLEXFORM.. 27 10 ZÁVĚRY.. 28 Seznam použitých zdrojů
1 ÚVOD [1], [2] Plošné nebo objemové tváření je možné obecně rozdělit na dvě velké skupiny, a to konvenční a nekonvenční metody tváření. Konvenční metody jsou metody známé a hojně používané ve výrobě. Stroje těchto metod jsou často ekonomicky dostupnější než stroje nekonvenčních metod. Nekonvenční metody jsou metody nové, které vznikly z modifikace konvenčních metod nebo použitím nové technologie. Tyto metody přinášejí řadu výhod, které se nevyskytují u konvenčních metod. Tváření kapalinou patří mezi nekonvenční metody tváření, kde se využívá kapaliny jako nepevného tvářecího nástroje, který tvoří tvářecí prostředí. Kapalina nahrazuje tažnici nebo tažník, případně jiný nástroj, jejichž výroba bývá často nákladná. Zařízení pro tváření kapalinou jsou samostatné stroje nebo mohou tvořit přídavná zařízení hydraulických lisů. Pořizovací náklady těchto zařízení jsou vysoké, a proto se tyto metody využívají ve tváření v sériové výrobě. Těmito metodami jsou vyráběny komplikované a přesné dílce. Kapalina má své využití také při tváření a ohybu trubek, kdy ji s výhodou využíváme ke stabilizaci ohybu. Ukázky použití tváření kapalinou jsou zobrazeny na obrázcích níže. Obr. 1 Ukázky produktů tvářených kapalinou [18], [19], [20] 10
2 METODA HYDROFORM [2], [3], [4] U metody je tažnice nahrazena kapalinou, která zároveň tvoří tvářecí prostředí. Kapalina je uzavřena v tlakové komoře (kontejneru) a je utěsněna pryžovou membránou. Polotovar je umístěn na přidržovači. Při samotném tváření se kontejner pohybuje dolů, až se dotkne přidržovače a vytvoří se tak vhodný přidržovací tlak. Nástroj (tažník), který má tvar budoucího výtažku, se pohybuje nahoru a vtlačuje polotovar do membrány. Tímto pohybem vyvolává protitlak kapaliny, který je regulovatelný přepouštěcím ventilem. Ten je nastavený tak, aby se polotovar při tváření nezvlnil. Polotovar je tedy tvářený tlakem kapaliny, který působí proti tažníku. Polotovar je zároveň membránou přidržován po celé jeho ploše. Metoda hydroform je vhodná pro tažení. U metody hydroform je dosahováno součinitele tažení m = 0,4. Životnost membrány je asi 5000 až 10000 tažení. Životnost membrány lze zvýšit použitím povlaků. Na obr. 2 a obr. 3 je zobrazen princip metody. 1 tlaková komora (kontejner) 2 kapalina (tvářecí médium) 3 pryžová membrána 4 polotovar 5 tažník s pístem 6 tlakový válec 7 pracovní hydraulický válec 8 přepouštěcí ventil Obr. 2 Metoda hydroform [2] Obr. 3 Detail principu metody hydroform [upraveno podle 21] Obr. 4 Ukázka výrobků [22] 11
Výhody: - Metoda hydroform je vhodná pro hlubší tahy a složité tvary (kužel, půlkulové plochy, stupňovité tvary), protože kapalina tvaruje a zároveň přidržuje polotovar okolo tažníku. - Jedná se o univerzální metodu, přestavení pro výrobu jiného výtažku lze docílit výměnou tažníku a přidržovače. - Tlak lze regulovat nastavením přepouštěcího ventilu. - Nízký součinitel tažení. - Používá se pro větší série. - Tloušťka tažených plechů od 0,2 mm do 10 mm. Nevýhody: - Náročné zařízení z hlediska těsností v hydraulickém systému. - Vysoká pořizovací cena. Metodou hydroform se vyrábí součásti např. pro automobilový průmysl. Jsou to výrobky většinou zahraničních firem. Mezi zařízení, které pracují na základě metody hydroform patří např. výrobek firmy AP&T. Jedná se o hydraulický lis, který obsahuje modul pracující na principu metody hydroform. Je schopný vyvolat sílu až 200 000 kn. Obr. 5 Zařízení firmy AP&T [4] 12
3 HYDROMECHANICKÉ TAŽENÍ (HMT) [1], [2], [3], [5] Tažnici u této metody představuje tažná komora. Její vnitřní prostor, tažná dutina, je plněna z hydraulického obvodu nástroje sodnou vodní emulzí. V blízkosti tažné hrany je umístěna drážka s kvalitním těsněním. Tlaková kapalina zastává funkci tažnice včetně tažné hrany. Přístřih plechu (rondel, kruhovka) je založen na zakládací rovinu, přičemž jeho spodní strana je ve styku s hladinou kapaliny v tažné komoře (polotovar není oddělený od kapaliny pryžovou membránou, ale samotný polotovar tvoří membránu). Po dosednutí přidržovače, upnutého na vnějším beranu lisu, dojde k uzavření a utěsnění soustavy přístřih plechu tažná komora. Dosednutím tažníku na plech a jeho vniknutím do objemu kapaliny, dojde v tažné komoře k prudkému nárůstu tlaku a tím k vlastnímu tvarování plechu jeho nabalováním na celou plochu tažníku, až je dosažen konečný tvar duté válcové součásti. Přebytečná kapalina se z tažné komory vypouští pod nastaveným tlakem přes řídící a regulační systém nástroje. Velikost tlaku se v průběhu tažení mění při použití programovatelného hydraulického obvodu. Nutnost citlivé regulace tlaku vynikne zvláště při tažení tenkých plechů do tloušťky stěny výtažku 1 mm, ale i např. tvarů kuželových, parabolických apod. Hydromechanické tažení (HMT) představuje technicky a ekonomicky nejzajímavější technologii hlubokého tažení s pracovní kapalinou a patří mezi nekonvenční technologie tažení plechu. Uvedenou technologií je možné zhotovovat hlubší duté nádoby z plechu, rotačního i nerotačního tvaru, výtažky s přírubou, protože příruba zamezuje únik kapaliny z tažné komory. 1 tažná komora 2 tažník 3 přidržovač 4 tažná dutina 5 těsnění 6 - polotovar Obr. 6 Metoda HMT [1] 1 - tažník 2 - tlaková kapalina 3 - přidržovač 4 těsnění Obr. 7 Princip nahrazení tažné hrany [2] 13
V současné době existuje více odvozených aplikací metody HMT. Z konstrukčního hlediska se jedná zejména o tyto varianty: tažení s dvojitým tažníkem, tažení s otočným tažníkem, tažení s protipístem, tažení s pohyblivou komorou, tažení s nátlačným kroužkem, zpětné tažení, tažení druhého tahu, tažení do komory s převodníkem a nakonec tažení prvního a druhého tahu. Např. u tažení s dvojitým tažníkem je jednoduchý válcový tažník nahrazen válcovým tažníkem s osazením. To umožňuje provést po dobu jednoho tahu tahy dva. Obr. 8a Tažení s dvojitým tažníkem [1] Obr. 8b Tažení s otočným tažníkem [1] Obr. 8c Tažení s protipístem [1] Obr. 8d Tažení s pohyblivou komorou [1] 14
Obr. 8e Tažení s nátlačným kroužkem [1] Obr. 8f Zpětné tažení [1] Obr. 8g Tažení druhého tahu [1] Obr. 8h Tažení do komory s převodníkem [1] Obr. 8i Tažení prvního a druhého tahu [1] 15
Variací hydromechanického tažení je systém AQUADRAW. Funkce tažné klasické hrany je zachována a tažná hrana je mazána průnikem tlakové kapaliny. Tato výhoda poskytuje lepší kvalitu povrchu, rozložení napětí a zmenšení zpětného odpružení materiálu. Výhody: - Snížení počtu tažných operací. - Snížení počtu mezioperačních žíhání. - Kvalitní povrch výtažků. - Dosažení velké přesnosti výtažků. - Minimální ztenčení výtažků v ohybu u dna (2-3 %). - Možnost táhnout povrchově upravené plechy (nedochází k poškození). Nevýhody: - Použití speciálních nástrojů a speciálních lisů. - Jen výtažky s přírubou. - Vysoký přidržovací tlak (kvůli těsnění). - Nižší produktivita. Materiály vhodné pro tváření metodou HMT jsou: - uhlíkové oceli třídy 11 (R m 280 až 500 MPa) : ČSN 11 300, 11301, 11 302, 11 304, 11 305, 11 320, 11 321, 11 342 a 11 402. - nerezavějící oceli třídy 17 (R m 500 až 700 MPa) : 17 240, 17 241, 17 242 a 17 246. - měď a slitiny mědi (R m 206 až 390 MPa) : ČSN 42 3003.11, 42 3004.11, 42 3005.11, 42 3016.11, 42 3201.11, 42 3202.11, 42 3210.12 a 42 3215.13. - hliník (R m 70 až 100 MPa) a jeho slitiny : ČSN 42 4003.11, 42 4004.11, 42 4005.11 a 42 4006.11. Výtažky zhotovené touto technologií se vyznačují větší tvarovou přesností a lepším povrchem. Při tváření složitých dílců lze dosáhnout snížení jejich hmotnosti při zachování tuhosti, proto je tato metoda používána např. v automobilovém průmyslu a v průmyslu vyžadující výhody této technologie. Obr. 9 Tlaková nádoba z nerezu [23] 16
4 METODA WHEELON [6], [7] Metoda Wheelon využívá tlaku kapaliny, který působí přes pryžovou membránu na polotovar. Ten je umístěn na nepohyblivém tažníku. Na obrázku je znázorněn stroj pracující na principu metody Wheelon (obr. 10). Polotovar a tažník jsou umístěny v rámu stroje. Polotovar je tvářen tlakem pryžového vaku, který je plněn a roztahován tlakem kapaliny. Tlak dosahuje hodnot asi 42 až 69 MPa a je vyvozován hydraulickým válcem. Nedochází prakticky k žádnému zvlnění materiálu. Mezi další výhody této metody patří možnost lisování více polotovarů najednou. Metoda Wheelon je určena pro tváření mělkých výlisků, lemování nebo žebrování. Firma Verson Corporation vyvinula hydraulické lisy pracující na principu metody Wheelon, která je vhodná pro splnění specifických potřeb letadel a leteckého průmyslu. Pomocí metody Wheelon lze tvářet složité díly na jednu operaci, které byly dříve tvářeny konvenčními metodami na více operací. Tato metoda umožňuje tvářet polotovary z hliníku, titanu, nerezu a dalších slitin používaných v leteckém průmyslu. Obr. 10 Metoda Wheelon [2] Obr. 11 Výtažek s mělkými výlisky [3] 17
5 METODA ASEA Jedná se o speciální technologii, která je obdobou metody Hydroform. Tato metoda se používá pro dílce značně velkých rozměrů. Vyvozovaný tlak : 150 200 MPa. Postup tváření u této metody je následující. Polotovar se položí na rám. Horní díl sjede dolů a sevře polotovar. Tím vznikne prostor pro kapalinu, která se do tohoto prostoru přepustí. Tažník vtáhne plech do kapaliny. Plunžr zvýší tlak v kapalině a dotvaruje polotovar. Touto metodou se vyrábí např. pláště letadel. Výhody: - Výroba rozměrných výrobků - Přesné výtažky - Výroba komplikovaných dílců s žebry a lemy - Měrný tlak je rovnoměrně rozložen po povrchu dílce - Možnost regulace tlaku Nevýhody: - Nákladná metoda - Utěsnění kapaliny Obr. 12 Výrobky metodou ASEA [24] 18
6 VYSOKORYCHLOSTNÍ TVÁŘENÍ [8], [9] Podstatou metody je nahrazení síly a rychlosti lisu (pro normální tváření je kolem 10 m.s -1 až 30 m.s -1 ) na materiál účinkem tlakové vlny od exploze. Rychlost tváření je potom nad 250 m.s -1. Tlaková vlna může působit buď přímo (výbušnina je položená přímo na materiálu) nebo nepřímo přes prostředí. Účinek bude tím větší, čím větší bude množství výbušniny a čím větší hustotu bude mít prostředí, kterým je účinek talkové vlny přenášen. Nejčastěji se používá voda, vzduch, písek nebo hlína. Rychlosti zatěžování jsou kolem 1000 m.s -1, tlaky kolem 10000 MPa a teploty kolem 1000 K. Tvar výlisku je přesný, zpětné odpružení není téměř žádné. Velikost výlisků není teoreticky omezena a je možné i použití materiálů, které se tvářejí velmi obtížně. Nejvíce technologických aplikací se uplatnilo při plošném tváření. Princip tváření výbuchem je patrný z obr. 10. Obr. 13 Princip tváření výbuchem [8] automobilů, letadel a dalších rozměrnějších výlisků. Plech je položen na dutinu formy (nástroje). Forma je často z oceli. Z prostoru pod tvářeným plechem je nutné odsávat vzduch. Na plech je položen polyetylenový vak, naplněný vodou nebo jiným médiem. Do tohoto média se umístí trhavina s rozbuškou. Zapnutím elektrického proudu dojde k výbuchu a vytvarování plechu podle dutiny formy. Velkou výhodou je pouze nutnost výroby nástroje a teoretická rozměrová neomezenost výrobků. Touto technologií se vyrábí části Obr. 14 Tváření výbuchem [25] 19
Nejzajímavější část na celé této metodě jsou prostory, kde dochází k výbuchu, tedy výbuchové komory. Moderní výbuchové komory jsou automatická strojní zařízení. Jejich masivní ocelové součásti jsou schopny absorbovat a rozptýlit detonační a rázovou vlnu, výbuchové teplo, urychlené střepiny a postupně vypustit upravené výbuchové zplodiny. Vyrábějí se ve třech konstrukčních provedeních - vertikální a horizontální. Vertikální komory jsou odolné vůči opakovaným výbuchům náloží nepřevyšujících v tritolovém ekvivalentu 0,2; 2 nebo 5 kg TNT na 1 odpal. Konstrukce tohoto typu komor je totožná. Liší se v kapacitě, hmotnosti a rozměrech. Vertikální výbuchové komory se skládají ze dvou hlavních částí: statické základny s dolní polokoulí komory a odklápěcí kopule. Spojení obou částí je zajištěno kruhovým bajonetovým zámkem. Ventilace výbuchových zplodin z výbuchové komory a její profukování je zajištěno dvojicí hydraulických klapek v dolní polokouli a kopuli komory. Pohyby kruhového bajonetového zámku, odklápění kopule a zavírání klapek jsou zajištěny hydraulickými válci napájenými z hydraulické stanice. Krajní polohy těchto pohyblivých prvků jsou detekovány bezdotykovými koncovými spínači. Těsnost spojení kopule se základnou je zajištěna stykem zubů bajonetového zámku stlačujících gumové těsnění. Obr. 15 Vertikální komora [9] Obr. 16 Horizontální komora [9] Horizontální komory byly vyvinuty pro táhlé nálože o délce až 4 m ( TNT ekvivalent 8kg) nebo 8 m (TNT ekvivalent 16kg). Využívají se pro tváření dlouhých plechů nebo kolejnic. Jsou postaveny na podobném principu jako komory vertikální, avšak místo odklápění kopule se horizontální komory uzavírají vrchlíkem, který se pohybuje po kolejích. Také ve vertikálních komorách jsou rázová vlna a detonační teplo rychle absorbovány ocelovým tělem komory vážícím několik desítek tun. Díky tomu jsou do odvodu zplodin vypouštěny pouze stabilizované plyny o teplotě do 100 C a tlaku pod 1 MPa. Hluk a vibrace vyvolané explozí jsou tělem komory rovněž zeslabeny na úroveň normálního pracovního prostředí, pokud je odpal řízen z oddělené místnosti. 20
7 TAŽENÍ DUTÝCH SOUČÁSTÍ KAPALINOU [1], [11] Duté tenkostěnné součásti lze vyrábět z plechů nebo trubek klasickým tažením nebo nekonvenčními metodami tváření. Mezi nekonvenční metody patří tato metoda, anglicky tube hydroforming. Například v automobilovém průmyslu se snažíme o vývoj lehkých automobilů a to z důvodu racionálního využití materiálu, snížení hmotnosti a šetření životního prostředí. Pro dosažení požadovaného tvaru součástí využívá hydroforming vnitřní tlak kapaliny. Umožňuje plastickou deformaci materiálu za studena i pro velmi tvarově komplikované dutiny trubek. Touto technologii se vyrábí i rámy horských kol. Tváření trubek kapalinou má následující výhody: - nižší náklady na nástroje - rovnoměrné rozložení tlaku na polotovar a tedy rovnoměrnější tloušťky stěny - možnost vyrábět tvarově složité dílce - bezproblémové odstranění výlisku z nástroje - vysoká efektivita Hydroforming můžeme rozdělit na nízkotlaký, vysokotlaký a postupový. 7.1 Nízkotlaký hydroforming [12] Nízkotlaký hydroforming (z anglického spojení low pressure hydroforming - LPH) je metoda, která využívá nižší vnitřní tlak kapaliny pro tváření trubky v průběhu zavírání formy. Forma je dvoudílná a má téměř stejný obvod jako výchozí polotovar - trubka. Tímto způsobem nemůžeme výrazně měnit průřez trubky. Výsledný profil trubky nesmí obsahovat malé poloměry zaoblení. Jak lze vidět na obr. 18, z počátku se poloviny formy dotýkají obvodu trubky (a). Forma se začne zavírat a přesně kruhový průřez trubky se začne deformovat podle tvaru dutiny formy (b). Trubka je naplněna vodou a za působení nízkého tlaku uvnitř trubky pokračujeme v uzavírání formy (c). Tváření je téměř dokončeno, jakmile je forma uzavřena (d). Zavřením formy vzrostl tlak na vyšší hodnotu (<60 MPa). Vyšší tlak způsobuje také vyhlazení rovinných ploch, ale nezpůsobuje dokončení tváření v oblastech rohů formy. Kombinace hydraulické a mechanické síly použité při tvářecím cyklu usnadňuje celkové postupné tváření. Užitím nízkého tlaku kapaliny, když se forma zavírá, umožňuje materiálu lehce sklouznout na povrch dutiny formy a dostat se na místo pomocí síly lisu. Dále tlak udržuje v kontaktu povrch dutiny formy a trubky. Použitím kapaliny se předchází nechtěným deformacím uvnitř trubky, jako jsou například malé zvlnění. Obr. 17 Změna profilu trubky [26] Obr. 18 LPH [12] 21
7.2 Vysokotlaký hydroforming [1], [13], [14] Anglicky high pressure hydroforming - HPH. Používá se pro úplnou změnu tvaru trubky, přičemž poměr obvodu je rozdílný až o 50 %. Tento způsob je používanější než nízkotlaký hydroforming. Profil je tvářen vysokým vnitřním tlakem kapaliny. Vysoké hodnoty tlaku nám dovolují vyrobit profil obsahující i malé poloměry. Tato metoda se používá pro výrobu tvarovek T. Dále touto metodou lze axiálně vtlačovat materiál do formy (vyboulování trubek), tím dosáhneme odstranění nežádoucího zeslabení stěny. Tradiční vysokotlaký hydroforming po uzavření formy využívá vysokého vnitřního tlaku kapaliny a materiál je rozpínán do rohů formy. Přitlačovaný materiál proti dutině formy není schopný skluzu a to způsobuje zeslabení části stěny trubky v rozích formy. Výsledkem je průměrný místní rozdíl rozpínavosti 7%. Zeslabení stěny můžeme částečně zabránit na určitou vzdálenost od konce součásti přísunem materiálu do formy. Celá trubka je plasticky deformována rozpínáním, které redukuje zpětné odpružení. Jestliže jsou tvářeny rohy, zeslabení stěny trubky může dosáhnout 20 %. Zpevnění zvyšuje mez kluzu v přímé úměře se zeslabením. Při klesání tloušťky materiálu klesá i vnitřní tlak potřebný k tváření v rozích formy. Tlak dosahuje hodnot až 240 MPa. Vnitřní tlak kapaliny musí být dostatečně vysoký, aby byl schopný správně roztahovat materiál po celou dobu tváření. Tření spolu s vlastní tvařitelností materiálu trubky znesnadňují tuto nutnou podmínku. Přídavné operace jako je např. žíhání, mazání, čištění, sušení a použití materiálů ideálních pro tuto metodu jsou často nezbytnou součástí pro dosažení správného výsledku. Tato protiopatření zvyšují náklady a část z nich by měla být minimalizována. Určení materiálu tak, aby vyhovoval této Obr. 19 Postup HPH [13] metodě, může snížit jeho funkční požadavky. Na počátku má trubka menší obvod, než konečná požadovaná součást, proto se trubka musí rozšířit na tuto hodnotu. Ztenčení materiálu v rozích může vyžadovat silnější výchozí materiál pro splnění minimálního rozměru stěny. 22
Při axiálním vtlačování trubky do formy (obr. 20) se trubka umístí mezi horní a spodní část formy (a). Upínací zařízení pevně upne trubku a ta se začne plnit kapalinou. Axiální písty jsou použity pro zabránění tlakové ztráty (b). Tlak kapaliny uvnitř trubky roste po uzavření formy a působení tlaku pístů na strany trubky a tlačí materiál do pásma deformace (c). Cílem kombinací působení axiální síly a vnitřního tlaku trubky je zkvalitnění této metody. Jakmile se trubka dotkne stěn formy, tak začíná kalibrační fáze. Působení axiální síly v průběhu kalibrace není nutné. Stěna trubky je vystavena obrovským tlakům, za účelem vytvarování poloměrů zaoblení. Na závěr se vyboulená trubka vyjme z formy (d). 1 - vrchní část formy 2 - axiální píst 3 - trubka 4 - spodní část formy 5 - vyboulená trubka Obr. 20 Princip vyboulování trubek [14] Na obrázcích 21 je patrný postup při výrobě tvarovek typu T. Polotovarem je trubka a je vložena do spodního dílu nástroje (1). Jeho dutina má tvar T, tudíž výsledný tvar. Horní díl sevře trubku a dále je trubka plněna kapalinou (2). Obr. 21a Princip výroby tvarovek typu T [27] 23
Kapalina je stlačována dvěma proti sobě působícími lisovníky. Tlakem kapaliny při současném osovém stlačování dochází k tečení materiálu do dutiny nástroje a vytvoření výsledného tvaru T (3). Osové stlačování může být doplněno bržděním odbočky, aby nedošlo k protržení dna. Pak se forma otevře a vyhazovacím trnem se vyjme hotová tvarovka. (4). Obr. 21b Princip výroby tvarovek typu T [27] Obr. 22 Tvarovky typu T [28] 24
7.3 Postupový hydroforming [15] Anglicky Pressure-Sequence Hydroforming - PSH. Jedná se o patentovanou metodu firmy Vari-Form. Tato metoda umožňuje tváření dílců složitější tvarů za působení nižšího vnitřního tlaku během zavírání formy a vyššího tlaku po uzavření formy. Touto metodou lze tvářet většinu materiálu, jako např. oceli s malým obsahem uhlíku, vysokolegované oceli, nerezy, oceli s vysokou pevností a nízkou tažností nebo hliník. Na rozdíl od klasického vysokotlakého hydroformingu probíhá tváření při nižších tlacích a lze dosáhnout kratších výrobních časů. Běžný finální tlak kapaliny je u této metody 34 až 69 MPa. Při tváření materiálů s vysokou pevností hodnota tlaku může vzrůst na 170 MPa. Průměry trubek tvářených touto technologii se pohybují v rozmezí 25 mm až 150 mm. Je možné používat trubky s tloušťkou stěny 0,5 mm až 6 mm, v praxi se nejvíce zpracovávají tloušťky 1 mm až 3 mm. Trubka je vložena ve dvoudílné formě, v dalším kroku je naplněna vodou a zavíráním formy se zvyšuje tlak v trubce. Jakmile je forma uzavřena, tak tlak prudce vzroste a vytvaruje trubku. Zaoblení a poloměry v rozích jsou během této fáze tvářeny, za stálého udržování konstantní tloušťky stěny po celém povrchu trubky. U této metody není potřeba používat nákladné mazací prostředky nebo zapojení procesu žíhání do technologického postupu. Dílce vyjmuté z formy jsou proto hned připraveny pro další procesy, jako např. lakování nebo svařování. Touto metodou lze dílce zhotovit mnohem jednodušeji a rychleji než u použití konvenčních metod, např. lisování. Vari Form má největší uplatnění v automobilovém průmyslu. Obr. 23 Závěs nárazníku [31] Firma Vari-Form má také patentovanou technologii pro zhotovování děr, které jsou dokončeny přímo ve formě. Přístupové a propojovací otvory mohou být jakéhokoliv tvaru, velikosti a v jakémkoli množství. Mohou mít hladké stěny nebo se závitem. Postupový hydroforming je přední světovou technologií pro zhotovování děr přímo ve formě. Díra může mít rozměry od přibližně dvojnásobku tloušťky materiálu až po 50 mm x 200 mm. Otvory můžou být prakticky jakéhokoli tvaru, kulaté, čtvercové, šestiúhelníkové, nebo obdélníkové. Obr. 24 Závěs motoru [29] 25
8 PILLOW FORMING [16] Metoda Pillow forming pracuje na základě dělené formy, která je složena z vrchní a spodní části. Tyto části jsou přitisknuty k sobě a svírají polotovar. Polotovar se skládá ze dvou plochých částí (plechů). Obě části polotovaru musí být tvářeny stejný tlakem kapaliny, a proto musí mít stejné rozměry. Ty jsou svařeny k sobě po celém obvodu - obvykle laserem. Svařením vznikne něco jako prázdný polštář (z anglického pillow = polštář). Trubky, pro přívod a odvod tlakové kapaliny jsou umístěny do dutiny svařence. Tlaková kapalina proudí do dutiny, tak dlouho dokud polotovar nevyplní dutinu formy. Po ukončení plnění kapalinu vypustíme. Kdyby byla součást svařena po vytvarování obou částí polotovaru, tak by výsledná součást mohla být deformována upínacím tlakem při svařování a zbytkovým pnutím tepelně ovlivněných zón. Jednodušší a přesnější je proto tváření až po svaření polotovaru. Mezi další výhody tváření dutiny polotovaru kapalinou patří rovnoměrné rozložení tahových napětí po celé součásti a snížení zpětného odpružení materiálu. Obr. 25 Metoda Pillow forming [upraveno podle 16] Obr. 26 Nádoba z nerezu [30] 26
9 FLEXFORM [17] Flexform je moderní metoda tváření plechových polotovarů určená jak pro výrobu prototypů, tak pro malosériovou výrobu součástí. Lisy metody Flexform využívají měkké pryžové membrány naplněné vysokotlakovou kapalinou (olejem). Přes tuto membránu působí na polotovar a lisují ho okolo nebo dovnitř spodní poloviny nástroje. Ten může tvořit tažnici nebo tažník. Jsou schopny tvářet širokou škálu nejrůznějších tvarů. Koncepci principu tvoří polotovar (plech) umístěný na polorovině nástroje. Nástroje a polotovary jsou nachystány ve velkých zásobnících na stole, který se pohybuje dovnitř a ven z lisu. Součásti jsou umístěny v zásobnících bez nutnosti přesného ustavení a upevnění. Horní polovinu nástroje tvoří membrána, která je pod tlakem. Zvýšením tlaku membrána tvaruje polotovary rovnoměrně okolo nebo dovnitř spodní poloviny nástroje. Jakmile je dosaženo přednastavené hodnoty tlaku, tak se sníží tlak oleje a membrána se vrátí do své původní polohy. Hotové výlisky se odstraní a nově přichystané polotovary mohou zažít nový cyklus stroje. Flexform dosahuje tlaků až 138 MPa, které odpovídají lisovací síle 150000 tun. Tato síla zajišťuje vysokou přesnost výlisků. Jeden cyklus trvá 1 min až 3 min. Firma Avure Technologies navrhla, zkonstruovala a naistalovala více než 150 kusů Flexform hydraulických lisů pro významné firmy značek jako Airbus, Ford, Boeing, Bombardier, BMW, Volvo a další. Z uvedeného výčtu firem je patrné, že tato metoda má uplatnění zejména v průmyslu dopravy. Obr.27 Princip metody Flexform [17] Obr. 28 Produkty metody Flexform [17] 27
10 ZÁVĚRY Tváření kapalinou, jakožto nekonvenční metoda, má velký potenciál a využití k praxi. Je potřeba si uvědomit, že se jedná o metody poměrně mladé. A i přesto je na nich možno najít velké výhody oproti metodám konvenčním, jako například rovnoměrné rozložení napětí, menší nebo téměř žádné zpětné odpružení materiálu, s výhodou tvářet dílce složitějších tvarů, dosažení finálního produktu na menší počet operací, kvalitnější povrch součástí a vyšší přesnost. Jelikož se jedná o tváření kapalinou, tak mezi nevýhody patří utěsnění kapaliny a vyšší pořizovací cena zařízení. Kapalina má své nepostradatelné využití při tváření a ohybu trubek, kde působí jako stabilizátor při jejich vlastním tváření, a tím výrazně zkvalitňuje celý proces. Dále má své využití jako nositelka tvářecí síly při metodách vysokorychlostního tváření, mezi které patří např. tváření výbuchem. Mezi jedny z nejnovějších metod patří např. metoda Flexform, která již svoje uplatnění našla v leteckém a automobilové průmyslu. Nové nekonvenční metody tváření kapalinou mnoho firem v České republice nepoužívá, možná právě z důvodů finančních problémů při pořizování těchto technologií. Což je vážně škoda, protože mají toho hodně co nabídnout. 28
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. DVOŘÁK, Milan, František GAJDOŠ a Karel NOVOTNÝ. Technologie tváření : plošné a objemové tváření. 2. vyd. Brno : CERM, 2007. 169 s. ISBN 978-80-214-3425-7. 2. PETRUŢELKA, Jiří; BŘEZINA, Richard. Úvod do tváření II [online]. Ostrava : VŠB- TU, 2001 [cit. 2011-04-16]. Dostupné z WWW: <http://www.345.vsb.cz/jiripetruzelka/texty/uvod_tv2.pdf>. 3. Technologie II : Speciální způsoby tažení [online]. [s.l.] : [s.n.], 2005 [cit. 2011-05-25]. Dostupné z WWW: <http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/09.htm#095>. 4. Hydro-forming machine - max. 200 000 kn HF series - AP&T [online]. 2011 [cit. 2011-05-15]. DirectIndustry. Dostupné z WWW: <http://www.directindustry.com/prod/apt/hydro-forming-machines-27151-173090.html>. 5. COST 526 [online]. [cit. 2011-05-20]. COST 526. Dostupné z WWW: <http://www.cost526.de/proposals/faure_proposal(web).pdf>. 6. Enprotech Verson Wheelon hydraulic fluid cell presses [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Enpromech. Dostupné z WWW: <http://www.enpromech.com/wheelon.htm>. 7. Fundamentals of pressworking - Knihy [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Fundamentals of pressworking. Dostupné z WWW: <http://books.google.cz/books?id=_s3y3ztxx9qc&dq=wheelon+forming&source=gbs _navlinks_s>. 8. Katedra tváření kovů a plastů - Skripta [online]. 2005 [cit. 2011-05-25]. 11.TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ KOVŮ NEKONVENČNÍ METODY. Dostupné z WWW: <http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/11.htm#111#111>. 9. Výbuchové komory [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Výbuchové komory. Dostupné z WWW: <http://www.ozm.cz/cs/vybuchove-komory/>. 10. TECHNOLOGIE TVÁŘENÍ KOVŮ [online]. [cit. 2011-05-23]. TVÁŘENÍ VÝBUCHEM. Dostupné z WWW: <http://home.zcu.cz/~mkuzel/public2/pnt2.pdf>. 11. Katedra tváření kovů a plastů - Skript [online]. 2005 [cit. 2011-05-22]. Technologické způsoby výroby dutých těles. Dostupné z WWW: <http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/10.htm>. 12. Excella Technologies [online]. [cit. 2011-05-25]. Excella Technologies. Dostupné z WWW: <http://hydroformguru.com/processlph.html> 29
13. Pressure-sequence and high-pressure hydroforming: Knowing the processes can mean boosting profits [online]. 2001 [cit. 2011-04-11]. Pressure-sequence and high-pressure hydroforming: Knowing the processes can mean boosting profits. Dostupné z WWW: <http://www.thefabricator.com/article/hydroforming/pressure-sequence-and-highpressure-hydroforming--knowing-the-processes-can-mean-boosting-profits>. 14. The Proceedings of ModTech 2010 [online]. 2010 [cit. 2011-05-24]. Welcome to ModTech 2011!. Dostupné z WWW: <http://www.modtech.ro/vol2no12010/viorel_paunoiu.pdf>. 15. Vari-Form [online]. 2007 [cit. 2011-05-25]. Dostupné z WWW: <http://www.variform.com/t5.asp?area_3=0&area_2=pages/faqs/d5>. 16. Welcome To Metalforming Xtra [online]. 2000 [cit. 2011-05-20]. Metalforming Xtra. Dostupné z WWW: <http://archive.metalformingmagazine.com/2000/07/science.pdf>. 17. Flexform presses [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Flexform presses. Dostupné z WWW: <http://www.chiefup.com.tw/data/high_pressure/flexform.htm>. 18. TLO BikeShop - Motorradersatzteile Motorradzubehör Motorradteile [online]. [cit. 2011-05-25]. TLO BikeShop - Motorradersatzteile Motorradzubehör Motorradteile. Dostupné z WWW: <http://www.tlobikeshop.de/shop_content.php/coid/21/product/uebersicht-akrapovicauspuffanlagen.html>. 19. AP&T: Hydroforming Press HF [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Hydroforming Press HF. Dostupné z WWW: <http://www.aptgroup.com/images/3273/3311/hf_products1_w248h267.jpg>. 20. Ctl00_Head [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Akrapovic Hydroforming. Dostupné z WWW: <http://www.europeancarweb.com/news/epcp_1009_akrapovic_titanium_exhaust_manuf acturer/photo_13.html>. 21. Hydroforming Info and Frequently Asked Hydroform Questions [online]. 2010 [cit. 2011-05-25]. Pryertechgroup. Dostupné z WWW: <http://www.pryertechgroup.com/images/deep_draw_with%20punch.jpg>. 22. HydroProcess [online]. 2010 [cit. 2011-05-25]. HydroProcess. Dostupné z WWW: <http://www.hydroprocess.fr/equipment-hydroforming.php>. 23. F&B MFG. CO. [online]. 2001 [cit. 2011-05-22]. F&B MFG. CO. HYDROFORMING. Dostupné z WWW: <http://www.fbmfg.com/images/hydro-1.jpg>. 24. Avure Technologies ASEA ABB Flow Quintus Fluid Cell Bladder Presses [online]. 2008 [cit. 2011-05-22]. Aerospace. Dostupné z WWW: <http://www.avure.com/archive/images/se930799.jpg>. 30
25. Historické fotografie ZVVZ a.s. - dodavatel zařízení pro ekologii [online]. 2011 [cit. 2011-05-25]. Historické fotografie. Dostupné z WWW: <http://www.zvvz.cz/data/imgs/1357b.jpg>. 26. HYDROFORMING AND COLD FORGING [online]. 2010 [cit. 2011-05-24]. HYDROFORMING AND COLD FORGING. Dostupné z WWW: <http://www.ratedesi.com/i/pic/and9gctochoi6x2oqbchz3h0tt5aghkqy6vulf1zhhcsl35rn_fvmwljucar6c5/hydroforming-and-cold-forging>. 27. Nieuwe pagina 4 [online]. [cit. 2011-05-25]. Nieuwe pagina 4. Dostupné z WWW: <http://www.expansor.nl/images/figuur001.jpg>. 28. Electropneumatics [online]. 2010 [cit. 2011-05-25]. Electropneumatics. Dostupné z WWW: <http://www.electropneumatics.com/images/brugges2006/cmd-overview/large- 14.jpg>. 29. Vari-Form [online]. 2007 [cit. 2011-05-25]. Engine cradle. Dostupné z WWW: <http://www.vari-form.com/bins/site/content/images/rightnav/e1.jpg>. 30. Nickelinstitute [online]. 2007 [cit. 2011-05-25]. Megazine. Dostupné z WWW: <http://www.nickelinstitute.org/multimedia/nickel_and_its_uses/nickel_magazine/archiv es/2001/dec_2001/page8/5b-1.jpe>. 31. Vari-Form [online]. 2007 [cit. 2011-05-25]. Vari-Form. Dostupné z WWW: <http://www.vari-form.com/bins/site/content/images/rightnav/e2.jpg>. 31