TVAŘITELNOST OCELI NA ŠROUBY A LOŽISKA ZA STUDENA COLD FORMABILITY OF STEEL TO SCREWS AND BEARINGS Ladislav Jílek a Pavel Horečka b a ForSTEEL,s.r.o., VTP Ostrava, 708 00 Ostrava - Pustkovec, ČR, ladislav.jilek@forsteel.cz b ForSTEEL,s.r.o., VTP Ostrava, 708 00 Ostrava - Pustkovec, ČR, pavel.horecka@forsteel.cz Abstrakt Výchozím polotovarem je drát válcovaný za tepla a tažený za studena, povrchově upravený. Při výrobě se využívá především operace protlačování a pěchování, případně místní pěchování. Tvařitelnost se nejdříve zkoušela pomocí základních laboratorních zkoušek a to pomocí tahové zkoušky a pomocí krouticí zkoušky. Zkoumal se vliv různého stupně deformace dosažené při tažení v průvlaku na zbytkovou tvařitelnost. Dále se prováděly v laboratoři technologické zkoušky a to protlačováním a pěchováním v několika variantách. Ukázalo se, že např. při protlačování při použití vhodných nástrojů a maziva zkoumané materiály bezpečně snesou čtyřnásobnou redukci průměru. Nakonec následovaly zkoušky provozní, kdy se vyráběla součástka s velkými rozdíly průměrů. Ukázalo se, že pro dobrý průběh tvářecího procesu za studena je třeba, aby byly dodrženy všechny předepsané podmínky počínaje výrobou oceli, odléváním, válcováním za tepla a tažením za studena včetně úpravy povrchu odokujením a mořením. Abstract The initial semi product is a hot rolled and cold drawn wire surface finished. The extrusion and up-setting operation, possibly local up-setting, are primarily used during the production. The formability was first tested by means of basic laboratory tests namely tensile test and torsion test. The influence of different extent of deformation achieved by a girger drawing on a residual formability was examined. Next, laboratory technological tests were made with an extrusion and up-setting in several variations. It turned out that e.g. during the extrusion with the usage of appropriate tools and lubricants the tested materials can bear fourfold reduction of the diameter. Finally field tests were made during which a component with huge difference of diameters was produced. It turned out that for a good course of a cold forming process it is important to keep all the specified conditions starting with the steel producing, casting, hot rolling and cold drawing including surface finishing with descaling and pickling. 1. ÚVOD Objemovým tvářením za studena se vyrábějí především šrouby a další spojovací součásti. Na běžném automobilu je minimálně 3000 šroubových spojů různé velikosti, různých tvarů a různých stupňů pevnosti. Dnes jsou na něm i další součásti vyrobené objemovým tvářením za studena. Výroba automobilů je tak hlavním motorem, které tlačí na rozvoj této oblasti tváření. 2. VÝZNAM OBJEMOVÉHO TVÁŘENÍ ZA STUDENA Výroba součástek tvářením za studena se stále rozšiřuje, poněvadž tento postup má několik výhod [1]. Lze je shrnout do následujících bodů: - vysoká produktivita, moderní automaty jsou schopné vyrobit více než sto kusů za minutu;
- vysoká přesnost, součástky po tváření zpravidla nevyžadují další úpravy, jsou přímo použitelné pro montáž; - kvalitní lesklý povrch; - dobré mechanické vlastnosti, při tváření za studena dochází ke zpevnění. Tváření za studena má samozřejmě i řadu omezení. Především vyžaduje velké síly, což ve svém důsledku omezuje velikost vyráběných součástí. Je třeba podotknout, že maximální velikost součástí vyráběných za studena se stále zvyšuje. Další omezení je dáno sníženou tvařitelností za studena. Přijatelnou tvařitelnost za studena vykazují jen některé materiály [2]. Rovněž tvarový sortiment je omezen tím, že při tváření za studena lze využít pouze operace, u nichž převažují tlaková napětí. 3. POUŽÍVANÉ POSTUPY Při objemovém tváření za studena se prakticky využívá pouze pěchování a protlačování. Ostatní operace se využívají velmi omezeně. Například ohýbání, které se běžně využívá při plošném tváření za studena, se při objemovém tváření za studena využívá jen při zpracování tenčích drátů, např. při výrobě pružin. Ohýbání s malým poloměrem by bylo riskantní. Z hlediska tvařitelnosti je možné i tažení v průvlaku, to se však při výrobě součástí nedá využít. Příklad výroby šroubu protlačováním je na obr. 1. Protlačuje se zpravidla několikrát v závislosti na poměru průměru hlavy a dříku. Příklad výroby šroubu napěchováním hlavy je na obr. 2. Pěchování se provádí zpravidla na více operací. Při prvé operaci má razník vybrání, díky tomu nehrozí ztráta stability tvářeného materiálu. V uvedeném příkladu je obvod hlavy po pěchování válcový, šestihranný tvar se získá ostřižením. Tento postup vyžaduje při pěchování menší sílu. Pokud je k dispozici stroj dostatečné síly, může se vytvořit šestihranná hlava již při pěchování. Tvářená oblast je zpevněná. Při výrobě šroubu protlačováním je zpevněný dřík, při použití postupu místního pěchování je zpevněná hlava. Pokud se při výrobě šroubu použije kombinace pěchování a protlačování, může být zpevnění hlavy i dříku přibližně stejné. V praxi se kombinované postupy požívají převážně v případě, že poměr průměru hlavy a dříku je velký. Obr. 1 Postup výroby šroubu protlačováním a rozložení tvrdosti
Fig. 1 Forming of a screw using an extrusion method and hardness distribution Obr. 2 Postup výroby šroubu napěchováním a rozložení tvrdosti Fig. 2 Forming of a screw using an up-setting method and hardness distribution 4. ZKOUŠENÍ TVAŘITELNOSTI Zkoušení tvařitelnosti lze obecně rozdělit do tří skupin. Do prvé skupiny lze zařadit základní zkoušky tvařitelnosti tahem, tlakem a krutem, tedy základní zkoušky používané při zkoušení za tepla i za studena [3]. Do druhé skupiny patří zkoušky, které napodobují technologické postupy a do třetí přímo zkoušky v provozních podmínkách. Základní zkoušky tvařitelnosti se provádějí při definovaném stavu napjatosti a jsou vhodné při porovnávání více materiálů, při hledání optimálních parametrů tváření apod., ovšem není jednoznačné podle nich určovat, zda materiál snese určitou tvářecí operaci. U provozních zkoušek to zjistíme, nezjistíme však již nic dalšího. Pro zkoušení tvařitelnosti byly použity tažené dráty jakosti 19MnB4 o chemickém složení uvedeném v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení drátů jakosti 19MnB4 C Mn Si P S Cu Cr Ni Al Mo Ti N B 0,17 0,98 0,08 0,007 0,008 0,04 0,04 0,03 0,03 0,01 0,02 0,0057 0,0015 Table 1. Chemical composition of wire of 19MnB4 Grade Z tohoto materiálu byly postupně taženy z válcovaného drátu průměru 16,1 mm, dráty o průměrech: 15,5; 14,6; 13,3; 12,2; 11,1; 10,3; 8,9 a 8,5 mm. 4.1 Zkouška tahem U drátů větších průměrů lze zkoušku tahem provádět dvěma způsoby: z drátu se vyřízne klasická zkouška s tělem a dvěma hlavami nebo se drát zkouší v celém průřezu. Druhý postup je náročný na upínání zkoušky a nelze ho provádět na každém stroji pro zkoušku tahem, zkouší se však drát v celém průřezu, což by mohlo mít význam v případě, že materiál na povrchu a v ose má rozdílné vlastnosti. Provedli jsme zkoušky obou typů. Jejich výsledky byly velmi podobné. Na obr. 3 a 4 jsou uvedeny výsledky získané na klasických
zkušebních tyčích. Je zde závislost kontrakce a tažnosti zjištěná při tahové zkoušce drátů vyrobených postupným tažením, jak je uvedeno výše. Obr. 3 Závislost kontrakce na deformaci při tažení a na průměru drátu Fig. 3 The relation of the contraction vs. drawing strain and diameter of wire Obr. 4 Závislost tažnosti na deformaci při tažení a na průměru drátu Fig. 4 The relation of the ductility vs. drawing strain and diameter of wire Za povšimnutí stojí, že výchozí drát válcovaný za tepla vykazoval tažnost mezi 40 až 50 %, při následném tažení za studena však bylo možné dosáhnout podstatně vyšší prodloužení. Lze to charakterizovat diagramem obr. 5. Je třeba podotknout, že prodloužení při tažení v průvlaku se vždy počítalo k průměru, který měl drát před průchodem, což je obvyklé. Při tomto způsobu vyjádření se může stát, že celkové prodloužení (nebo kontrakce) je větší než 100 %.
Obr. 5 Změna tažnosti drátu v průběhu tažení Fig. 5 The development of the ductility during of wire drawing V diagramu je u každého průměru drátu sloupeček, v dolní části je prodloužení dosažené při tažení v průvlaku, v horní části je tažnost zjištěná při tahové zkoušce. Při tahové zkoušce po vzniku krčku působí třístranné tahové napětí, při tažení v průvlaku působí napětí smíšené, jak je zřejmé z obr. 6. To vysvětluje vyšší stupeň deformace dosažitelný při tažení v průvlaku. Nepříjemným zjištěním je však to, že součet obou deformací je u prvého a druhého průchodu menší než tažnost výchozího drátu, což nelze jednoduše zdůvodnit. Na obr. 7 je obdobně vynesena kontrakce zjištěná na sadě vzorků odebraných během tažení. Je vidět, že i zde je skutečně dosažená deformace větší, než by se zdálo podle zkoušky na výchozím drátu. Součet obou deformací však průchod od průchodu rovnoměrně vzrůstá a lze konstatovat, že kontrakce je vhodnějším ukazatelem tvařitelnost drátu při tažení. Obr. 6 Napětí v ohnisku deformace při zkoušce tahem (vlevo) a při tažení v průvlaku (vpravo) Fig. 6 The stress in a forming focus by the tensile test (left) and drawing (right)
Obr. 7 Změna kontrakce drátu v průběhu tažení Fig. 7 The development of the area reduction during of wire drawing 4.2 Zkouška krutem Krutová zkouška se běžně používá k hodnocení tvařitelnosti za tepla. Principielně je však možné ji využívat i za studena. Byly zkoušeny vzorky odebrané ze stejné řady při tažení. Ovšem nejmenší průměry nebylo možné zkoušet kvůli problémům při upínání. Postupující redukce průměru se projevila tím, že se zmenšil počet otáček do lomu a současně se změnil sklon ustáleného průběhu zkoušky, jak je zřejmé z obr. 8 a 9. Obr. 8 Průběh krouticího momentu při zkoušení drátu Ø 15,5 mm Fig. 8 The development of the torsion moment by the testing of wire diameter of 15.5 mm I u krutové zkoušky jsme vynesli závislost intenzity deformace v okamžiku lomu a deformace při tažení v závislosti na průměru drátu, viz obr. 10. Je tam sice určitý rozptyl výsledků, ale zdá se, že krutová zkouška nejlépe předikuje deformaci dosažitelnou při tažení. Vysvětlení je celkem jednoduché: při zkoušce krutem je materiál namáhán smykem, což v hlavních osách představuje jeden tah a jeden tlak. Tento stav napjatosti se nejvíce blíží napjatosti při tažení v průvlaku, kdy působí jeden tah a dva tlaky.
Obr. 9 Průběh krouticího momentu při zkoušení drátu Ø 10,3 mm Fig. 9 The development of the torsion moment by the testing of wire diameter of 10.3 mm Obr. 10 Závislost deformace při tažení a deformace do lomu při zkoušce krutem na průměru drátu Fig. 10 The development of the drawing strain and rapture strain by torsion test during of wire drawing 4.3 Zkouška napodobující technologický postup Jak již bylo řečeno výše, při objemovém tváření se převážně využívá pěchování, místní pěchování (označované jako napěchování nebo hlavičkování) a protlačování. Různé pěchovací zkoušky hladkými a tvarovými nástroji vždy daly stejný výsledek: materiál snesl deformaci bez porušení. Je známou skutečností, že většina ocelí pro tváření za studena snese velký stupeň deformace při pěchování a v praxi se to často využívá [4]. Přistoupili jsme tedy k protlačování podle obr. 11. Pro dopředné protlačování oceli za studena se uvádí jako mezní deformace čtyřnásobná redukce průřezu [5]. Materiál tuto deformaci snesl bez porušení, jak je zřejmé z obr. 12. V praxi se však takto velká deformace používá jen zřídka, poněvadž vyžaduje velké síly, nástroje jsou značně namáhány, vyžadují tedy patřičné dimenzování a rychle se opotřebovávají.
METAL 2008 Obr. 11 Foto výchozího polotovaru a průtlačku se čtyřnásobnou redukcí průřezu Fig.11 The drawing of semi-product and product of 4-times rduction Obr. 12 Foto šroubů vyrobených na čtyři operace (prvá operace srovnání čel není zobrazena) Fig. 12 The bolt production sequence (the first step alignment isn t shown) 4.4 Provozní zkoušky Po úspěšných laboratorních zkouškách jsme přistoupili k provozním zkouškám. Ze svitku drátu průměru 9,78 mm byly vyrobeny ve šroubárně na automatu šrouby, které patří mezi nejobtížnější výrobky, poněvadž mají hlavu spojenou s podložkou, která je poměrně tenká a mají velký rozdíl mezi průměrem hlavy a průměrem dříku. Vyrobené šrouby (bez vyválcovaného závitu) jsou na obr. 12. Při výrobě se na žádném šroubu neobjevila vada. Pro úplnost je třeba uvést, že podmínkou úspěšné výroby šroubů na automatu je jednak dobrá tvařitelnost materiálu za studena a jednak dobrý povrch drátů, který musí být upraven tak, aby na něm drželo mazivo, a nesmí na něm být zbytky okují, které by mohly vést k zadírání a k poškození nástrojů. 5. ZÁVĚR Při objemovém tváření za studena přichází v úvahu jen omezený počet operací a to pěchování a protlačování. Pro výrobu tyčí (i profilovaných) a drátů je vhodné použít tažení. Při zkoumání vhodnosti materiálu pro tváření za studena se nám jeví jako nejvhodnější laboratorní zkoušky napodobující technologické procesy, tedy protlačování nebo pěchování. Pro zkoumání tvařitelnosti při tažení se ukázalo, že nejlepší vypovídací schopnost má krutová zkouška. Tento závěr by však bylo třeba potvrdit ještě pokusy na dalších materiálech. LITERATURA 1. RAABE, J.: Verfahrenskombinationen in der Kaltmassivumformung. In: MEFORM, TU Bergakademie Freiberg 1999. 2. BROWNRIGG, A. aj.: Děformirujemosť stali v cholodnom sostojaniji. Ekspress inform. TOKŠP, 1983, č. 24, s. 11 až 24. 3. MULLER, N., SECORDEL, P.: Predictive Modelling of Cold Extrusion and Forging of Engineering Steels. In: 15 ème Kongres Intern. de l Estampage et de la Forge. červen 1996, Příž. 4. NAPALKOV, A. V. Technologija proizvodstva ploskich šajb s uveličennoj výsotou metodom cholodnoj objomnoj štampovki. Kuzněčno-štampovočnoje proizvodstvo 2006. č. 10, s. 27 až 29. 5. ČADA, R.: Technologie I. skripta, VŠB TU Ostrava 2005.