OPTIMALIZACE TECHNOLOGIÍ TAŽENÍ PLECHOVÝCH DÍLŮ Jan Šanovec Petr Kábrt ČVUT FS Praha, Ústav strojírenské technologie Abstrakt Snahou při optimalizaci technologie tažení je snížení deformací na výtažku a zejména potom odstranění špiček deformací. V těchto místech je nebezpečí porušení tj. vzniku trhliny. Změny v průběhu deformací lze docílit změnou tvaru a rozměru přístřihu, jakosti tvářeného materiálu, dále změnou počtu tažných operací - mezioperačních tvarů, tlaku přidržovače, rychlosti tažení, množstvím a kvalitou maziva, ovlivňováním toku materiálu pomocí brzdících list. Při simulaci nebo seřizovaní nástroje je potřeba znát velikosti brzdících sil v závislosti na jejich tvaru a rozměrech, či umístění. Přednáška pojednává o zjišťování brzdících sil od jednotlivých brzdících list dle VDI a tvaru používaného ve Škoda Auto, a.s. 1. OKRAJOVÉ PODMÍNKY PŘI TAŽENÍ PLECHU Mezi závady, které se vyskytují na výtažcích patří lokální ztenčení tloušťky stěny s možným porušením, špatná kvalita povrchu výtažku, nedodržení rozměrů - jejich veliké tolerance a odpružení. Odstraňování těchto závad, bývá často značný problém. Technologie je v podstatě ověřena, nástroje jsou hotové a vyrábí se. Najednou příjdou zmetky a dodatečně se hledá proč. Tato problematika se týká jak maloseriové, tak velkoseriové výroby. Větším problémem to je v hromadné výrobě, kde je nutné co nejrychleji najít optimální ekonomické řešení v rozumném snížení zmetkovitosti. Nejčastější závadou bývá nadměrné ztenčení tloušťky plechu, s možností porušení výtažku v těchto místech. Jedná se v podstatě o tváření s nadkritickou velikostí deformace. Lokální deformace jsou větší než dovoluje FLD diagram. Problémem bývá to, že polohu FLD může ovlivňovat několik okrajových podmínek za jakých byl zjišťován. Akceptování všech těchto polohu ovlivňujících podmínek je vzhledem k pracnosti pro zjišťování FLD prakticky jen obtížně proveditelné. Při tváření tažením lze v podstatě měnit tyto okrajové podmínky: a) počet tažných operací a mezioperační tvary - dodatečné změny v geometrii nástroje b) jakost tvářeného materiálu c) tvar a rozměr přístřihu d) tlak přidržovače e) technologické plochy f) rychlost tažení g) poloha, velikost a tvar brzdících lišt či brzd mezi přidržovačem a tažníkem h) tření mezi taženým materiálem a nástrojem - změnou kvality a kvantity maziva - vědomým zdrsňováním činných částí nástroje, či technologických ploch i) orientace nástřihových plánů s ohledem na směr válcování výchozího plechu V dalším bude proveden rozbor těchto okrajových podmínek: 1.1 Počet tažných operací lze měnit jenom při maloseriové výrobě, kdy můžeme vložit další tažnou operaci. Ta podobně jako ostatní probíhá v samostatném nástroji na odpovídajícím lisu. Při hromadné
výrobě je počet tvářecích operací dán počtem lisů a tím i operací ve tvářecí lince. Zvýšit počet tažných operací jde velice obtížně. Naopak je běžné, že tažení probíhá v podstatě v jedné operaci. Ostatní operace a tím i nástroje bývají sloučené. Slouží i pro operace stříhání, děrování, ohýbání a kalibrace. Mezioperační tvary - zásah do geometrie nástroje je možný bez problémů dodatečnou úpravou činné nebo technologické části nástroje. V hromadné výrobě jsou tyto změny jen obtížně realizovatelné. Ve tvářecí lince se jedná s vyjímkou samostatné tažné operace o sloučené operace a zásah do geometrie nástroje je citlivý problém, který po realizaci je nevratný. Na ověřování a dlouhé zkoušení navíc není čas. 1.2 Jakost taženého materiálu je dána rozhodnutím konstruktéra taženého dílu. Používají se pro nenáročné díly (které nejsou pohledové) oceli neuklidněné. Tento materiál podléhá stárnutí, jehož výsledkem je zvýraznění meze kluzu. Důsledkem potom může být nekvalitní povrch výtažku, jako Lüdersovy čáry, pomerančová kůra. Ty u nepohledových dílů nemusí vždy vadit. Zamezit tomu lze jedině zpracováním plechů tažením do určité doby, řádově do 10 dnů, nebo potlačením meze kluzu renovací. Zde je opět časové omezení. Výhodou je to, že plechy z neuklidněných ocelí jsou levnější. Naopak plechy z uklidněných ocelí nepodléhají stárnutí, ale jsou dražší. Dále jdou použít plechy z ocelí o vyšší pevnosti, či specielní oceli HB, nebo izotropní oceli. Pro hodnocení jakostí plechů vedle běžných pevnostních hodnot, lze používat exponent deformačního zpevnění n a hodnotu normálové anizotropie r. Tyto hodnoty nejsou u plechů běžně zajišťovány, nejsou ani v normě. Jsou vyráběny specielní technologií - řízeným válcováním. Cena těchto plechů je ovšem vyšší než u běžných z uklidněných ocelí. 1.3 Tvar a rozměr přístřihu musí technolog určit jako jednu z výchozích hodnot pro stanovení technologického postupu. Existují výpočetní metody k určení tvaru přístřihu. Nejčastěji vycházejí z rovnosti povrchu výtažku a přístřihu. Na základě zkušeností, lze korigovat tvar přístřihu dle tvaru výtažku. Problémem ovšem zůstává jak ovlivní plošná anizotropie tečení materiálu. Toto se řeší většinou přídavkem na ostřižení. V poslední době lze k určení tvaru a velikosti přístřihu používat simulační softwary. Velikost a rozdělení deformací na výlisku lze rovněž ovlivnit použitím odlehčovacích otvorů na přístřihu, pokud to tvar výtažku umožní. V této souvislosti je nutné se zmínit sešívaných přístřizích - tailored blanks. Je to přístřih svařovaný laserem z více jakostí nebo tloušťěk plechů. Použití je ekonomické v hromadné výrobě. 1.4 Tlak přidržovače je dán v jednodužším případě konstrukcí nástroje (tuhostí pružin mezi přidržovačem a kotevní deskou) nebo nastavením síly na přidržovač. U tažných lisů lze měnit plynule sílu na přidržovač a tím i jeho měrný tlak. U některých technologií, na příklad při hydromechanickém tažení HMT, je možné tlak přidržovače řídit počítačem. Tažením přístřihu u nestacionárních tažných procesů se mění dosedací plocha přidržovače a tím i měrný tlak. To komplikuje řešení a optimalizaci celého tažného procesu. O tvaru dosedací plochy přidržovače rozhoduje konstruktér nástroje společně s technologem při navrhování technologických ploch v tažném nástroji. 1.5 Technologické plochy jsou plochy v tažném nástroji, které tváří přídavný materiál nutný k zajištění vlastní tažné operace. Po tváření se tyto plochy na výtažku musí odstřihnout. Zvětšují nám spotřebu materiálu. Naopak s jejich pomocí, při jejich vhodném tvaru a rozměrech můžeme příznivě
ovlivnit tok matariálu v nástroji. Minimalizovat nebo zcela odstranit vady, které by se vyskytly na stejném výtažku taženém bez těchto technologických ploch, případně vůbec umožnit tažení. Velice záleží na zkušenostech konstruktéra tažného nástroje.. Součástí technologických ploch jsou i brzdící lišty nebo hrany. Při simulacích musí být tyto přídavné plochy součástí celého simulovaného výtažku. 1.6 Rychlost tažení je omezena citlivostí taženého materiálu k ní. Je to v podstatě vlastnost materiálu. Zvýšená citlivost znamená, že nejde tvářet rychle. Musí se tvářet pomalu na hydraulických lisech. To je na příklad u superplastických materiálů, které se více zpevňují s rostoucí rychlostí tváření. 1.7 Poloha, velikost a tvar brzdících lišt či brzd mezi přidržovačem a tažníkem mají výrazný vliv na průběh deformací. O jejich konstrukci rozhoduje konstruktér tažného nástroje. Konečné řešení bývá ovšem na seřizovači tažného nástroje. Brzdící lišty lze ubrušovat, zkracovat, vynechat či je navařovat t.j. zvětšovat. Lze je dávat i ve více řadách. Brzdící síla byla doposud vypočítávána při simulacích tažení. Prakticky naměřené hodnoty nebyly doposud k dispozici. na obr. 1 jsou tvary brzdících lišt dle VDI a dle tvar používaný v Škoda VW. Tyto brzdící síly vztažené na 1 cm délky lišty, byly naměřeny ve spolupráci s TU Dresden, IfP, Lehrstuhl Ur/Umformtechnik. Z práce [1] vyplývají naměřené brzdící síly. my jsme dělali tu část, která odpovídá geometrii brzdící lišty dle Šakoda VW. Brzdící síly byly zjišťovány pro určité okrajové podmínky. Těmi byly tvar lišty, použité mazivo a jeho množství, jakost a tloušťka zkoušeného plechu, rychlost tažení a síla přidržovače. 1.8 Tření mezi taženým materiálem a nástrojem - Změnou kvality a kvantity maziva lze docílit změn v tribologické dvojici nástroj a tažený materiál. Tato problematika nabývá stále více na aktuálnosti. Důvody jsou dva. Prvním je ekologie maziv s cílem používat ekologicky citlivá maziva. Druhým důvodem je používat takové mazivo, které se nemusí odstraňovat před dalšími operacemi na př. před svařováním. Takové vhodné mazivo může omezeně působit jako konzervační prostředek. Povrchové úpravy naopak požadují odtranění maziv z předchozích operací. Neméně důležitá je kvantita maziva. S jejím zvětšováním se naopak prohlubují v předchozím uvedené problémy. - Změnou drsnosti nástroje. K té dochází s narůstajícím opotřebením tažného nástroje. Dále je zde možnost vědomého zdrsňování nástroje, na př. čel tažníků, s cílem zmenšit ztenšení plechu a tím i možnosti jeho porušování. 1.9 Orientace nástřihových plánů s ohledem na směr válcování výchozího plechu Zpravidla při hlubokých tazích se může tento vliv projevit. Orientace přístřihu v rovině tabule nebo svitku plechu je dána co nejvyšším využitím materiálu. Jedná se o běžný nástřihový plán. Při extrémně hlubokých tazích se ukazuje jako vhodné, aby hlavní největší deformace na výtažku souhlasily se směrem nejlepších materiálových vlastností. Jedná se tedy o respektování plošné anizotropie plechu. Zpravidla největší hodnota anizotropie je ve směru válcování. V tomto směru musí být také hlavní největší deformace. Díky tomuto opatření se sníží využití materiálu, ale lze přispět k menšímu ztenšování plechu a jeho případnému praskání. Není nutné dělat jiná opatření, na př. zvýšit počet operací, či použít kvalitnější plech. 2. ZÁVĚR Plastický tok materiálu při hlubokém tažení plechů ovlivňuje celá řada výše uvedených faktorů. Při simulacích lze jejich vliv blíže specifikovat pomocí okrajových podmínek. Tyto
podmínky lze definovat matematicky, nebo použít databáze vstupních hodnot. První varianta je snadnější, je to jenom otázka správného matematického definování a vhodného zařazení do simulace. Otázkou je ovšem, nakolik tato simulace odpovídá skutečnosti. Druhá varianta databáze vstupních hodnot, znamená při správném použití Obr. 1. Typy používaných brzdících lišt zpřesnění simulace. Problémem ovšem je a to velice vážným, že je potřeba tyto databáze vytvořit. To je velice časově náročné, pracné. Pomocí simulací můžeme získat rychle přehled o tom, jak jednotlivé okrajové podmínky mají vliv na rozvoj deformace. I to je ovšem přínos zkrácení technologické přípravy výroby a konstrukci nástrojů. Nástroj před nasazením do výroby se zkouší a případně konstrukčně upravuje a mění okrajové podmínky tažení s výše uvedenými možnostmi. Běžným je zásah do geometrie a tvaru brzdících lišt. Převážně záleží na zkušenostech konstruktéra tažného nástroje, seřizovače a na tradici lisovny. Vodítkem pro použití brzdících lišt mohou být hodnoty získané experimentálním měřením brzdících účinků. Tyto hodnoty mohou být rovněž použity do databáze, používané při simulacích. Rozměry brzdících lišt jsou na obr. 1. Na obr. 2,3,4 jsou uvedeny naměřené brzdící síly při různých hodnotách tlaku přidržovače, pro různé ocelové plechy. Z obrázků vyplývá, že vlastní brzdící síla od lišty nezávisí na tlaku přidržovače. Obr. 2. Brzdící síly pro kruhovou brzdíci lištu R7 mm.
Obr. 3. Brzdící síly pro různé druhy lišt. Obr. 4. Naměřené brzdící síly pro různé tloušťky materiálu.
Tento příspěvek zahrnuje dílčí výsledky výzkumného záměru J04/98:212200008 a grantu GAČR 101/98/P271. LITERATURA [1] Voelkner,W.,Soergel,H.,Šanovec,J.,Kábrt,P.: Anwendungsrichtlinien zur Erhöhung der Processsicherheit unregelmässiger Tiefziehteile unter spezieller Betrachtung des Einsatzes von Ziehstäben, Schlussbericht, EFB Feinbleche, TU, Dresden, 20.1.1998 [2] Kábrt,P., Šanovec,J.: Silové poměry při tažení pásku plechu přes brzdící lištu, Strojírenská výroba, 7-8 1998, str. 27-30. [3] Kábrt,P., Šanovec,J., Voelkner,W., Sörgel,H.: Brzdící síly, jejich závislost na geometrii lišt a síle přidržovače, Strojné inžinierstvo 98, STU FS, Bratislava, 17.9.1998, str. 571-574. [4] Kábrt,P., Šanovec,J.: Boundary Conditions of Deep Drawing, Workshop 99, ČVUT, Praha, duben 1999, str. 261. [5] Kábrt,P., Šanovec,J.: Measuring of drawbead restraining forces, ICIT 99, Rogaška Slatina, 18.-22.4.1999, str. 438-440.