TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI DIPLOMOVÁ PRÁCE 2010 Jan Jeník
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Studijní program M2301 Strojní inženýrství Strojírenská technologie zaměření obrábění a montáž Katedra obrábění a montáže výrobě bloku motorů ve firmě ŠKODA - Auto a. s. Optimizing the production process turns in large production engine block in the firm ŠKODA - Auto a. s. Jan Jeník KOM 1140 Vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Alexey Popov, DrSc. Rozsah práce a příloh: Počet stran 58 Počet tabulek 8 Počet příloh 1 Počet obrázků 37
Poděkování: Chtěl bych poděkovat svému vedoucímu diplomové práce Prof. Ing. Alexeyovi Popovovi, DrSc. za odborné vedení diplomové práce. Ing. Petru Vodičkovi, PhD., Ing. Miloslavu Karglovi a jejich spolupracovníkům za poskytování konzultací a odborných podkladů. Dále děkuji Ing. Lucii Vrkoslavové a paní Bohdaně Jeníkové za rady týkající se vypracování diplomové práce. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat svým rodičům, Mgr. Jitce Jeníkové a panu Miroslavu Jeníkovi, za trpělivost a poskytnutí zázemí k vypracování diplomové práce.
Anotace Tato diplomová práce se zabývá problematikou tvářených závitů, konkrétně výrobou tvářených závitů bloku motoru ve velkosériové výrobě ve firmě ŠKODA Auto a. s. Na úvod bylo zmíněno několik základních informací týkajících se závitů obecně a způsobů jejich výroby. Detailněji byla rozebrána výroba závitů tvářením, a to jak v obecné rovině, tak z pohledu výroby v závodě ŠKODA Auto a. s. Další kapitoly byly věnovány vadám na závitech (zejména pak problematice chlupatých závitů ) a poté popisu výrobních faktorů ovlivňujících kvalitu závitu. Byl vyhodnocen vliv jednotlivých faktorů a v závěru byly uvedeny možnosti jejich ovlivnění v podmínkách velkosériové výroby. Abstract This diploma work deals with the formed coil, specifically, the production of formed threads in the engine block large production in firm ŠKODA Auto a. s. At the outset it was mentioned some basic information about threads in general and their methods of production. Production was analyzed in detail by forming coils, both in general and from the point of production at ŠKODA Auto a. s. Other chapters are devoted to the defects on the threads (especially on "hairy turns") and then describe the factors affecting the quality of the thread. There was evaluated the influence of individual factors and the findings were given their possible effects in terms of volume production.
Obsah 1. Literární rešerše problematiky výroby závitů... 8 1.1. Závitové a šroubové spoje...8 1.1.1. Normalizace závitů, spojovacích šroubů a matic... 8 1.1.2. Podstata šroubového spoje... 9 1.2. Výroba vnitřních závitů...9 1.2.1. Řezání závitů... 9 1.2.2. Soustružení závitů... 12 1.2.3. Frézování vnitřních závitů... 13 1.2.4. Moderní způsoby výroby vnitřních závitů... 13 1.3. Výroba vnitřních závitů tvářením... 13 1.3.1. Popis procesu tváření vnitřních závitů... 13 1.3.2. Historie tvářených závitů... 15 1.3.3. Provedení tvářecích nástrojů... 16 1.3.4. Periferie tvářených závitů... 19 1.3.5. Kvalita a zatížitelnost tvářených závitů... 25 1.3.6. Shrnutí literární rešerše problematiky výroby závitů... 27 2. Seznámení s problematikou výroby závitů v podmínkách velkosériově výroby ŠKODA Auto a. s.... 29 2.1. Výroba bloku motoru v závodě ŠKODA Auto a. s.... 29 2.1.1. Obráběcí linka... 30 2.1.2. Montážní linka RUMPF... 33 2.2. Další pracoviště související s výrobou bloku motoru Technický servis 36 2.2.1. Oddělení sériového plánování... 36 2.2.2. Chemická laboratoř... 36 2.2.3. Oddělení technické kontroly... 37 2.2.4. Oddělení hospodaření s nářadím... 37 6
3. Specifikace druhů vad na závitech při výrobě bloku motoru ve firmě ŠKODA Auto a. s.... 39 3.1. Problematika chlupatých závitů obecně... 39 3.2. Způsoby kontroly závitů... 39 3.3. Možnosti oprav závitů... 40 3.4. Problematika šroubů... 41 3.5. Závěr kapitoly... 42 4. Vyhodnocení vlivu výrobních faktorů na kvalitu vyráběných závitů... 43 4.1. Vlastnosti řezné kapaliny... 43 4.1.1. Mazivost kapalin... 43 4.1.2. Koncentrace kapalin... 45 4.2. Materiál obrobku... 46 4.2.1. Vliv chemické složení materiálu... 46 4.2.2. Tepelné zpracování bloku motoru... 48 4.3. Nástroj... 50 4.3.1. Geometrie a povrchové úpravy... 50 4.3.2. Otupení nástroje... 51 4.3.3. Řezné podmínky... 52 4.4. Předvrtaný otvor... 52 4.5. Závěr kapitoly... 54 5. Závěr... 55 6. Literatura... 57 7. Seznam příloh... 58 7
Teoretická část 1. Literární rešerše problematiky výroby závitů 1.1. Závitové a šroubové spoje Závitové a především šroubové spoje patří v technické praxi mezi nejpoužívanější spojení strojních součástí. Jejich oblíbenost je dána jejich jednoduchostí, spolehlivostí a možností opakované montáže a demontáže. Tyto spoje jsou klasifikovány jako rozebíratelné. Jejich základním konstrukčním prvkem je závit. Obr. 1.1 Závitové a šroubové spoje [1] 1.1.1. Normalizace závitů, spojovacích šroubů a matic Závit je určen pohybem tvořícím plochy po šroubovici, tedy po křivce, která je dána dráhou bodu, jež se rovnoměrně ve směru této osy posouvá. Velikost osového posuvu tvořícího bodu během jednoho otočení se nazývá stoupání a označuje se p n. [1] Orientace tvořící plochy vůči ose šroubovice určuje, zda vznikne závit vnější, nebo vnitřní. Vnitřní i vnější závity mají shodný teoretický profil (myšlený rovinný obrazec ležící v rovině procházející osou šroubovice), ale odlišný jmenovitý profil, který vzniká úpravou teoretického profilu. Obr. 1.2 Základní rozměry metrického závitu [4] 8
Velký průměr závitu šroubu se značí d. Lze jej snadno měřit, a proto se používá v označení závitu. Malý průměr závitu d 3 je průměr jádra šroubu. Střední průměr závitu šroubu d 2 je roven střednímu průměru závitu matice D 2. Je dán průměr myšleného válce souosého se závitem, který dělí výšku teoretického profilu H na dvě poloviny. Střední průměr d 2 resp. D 3 určuje polohu střední šroubovice závitu a určuje zároveň vzdálenosti profilu od osy. [1] Roztečí P závitu se rozumí vzdálenost dvou stejnolehlých boků sousedních profilů závitu měřená ve směru jeho osy. [1] U jednochodých závitů se rozteč P rovná stoupání p n. V technické praxi se používají různé druhy závitů. Jsou to například metrický závit M (jedná se o nejrozšířenější závit), lichoběžníkový závit (používaný většinou pro pohybové šrouby), Whitwortův závit W (používaný převážně ve Velké Británii a USA), trubkový závit G (používaný ke spojování trubek), a další. 1.1.2. Podstata šroubového spoje Podstatou šroubového spoje je sevření spojovacích součástí mezi hlavu šroubu a matici. Potřebná síla se vytvoří utahováním šroubu, resp. matice, příslušným utahovacím momentem. V některých případech může matici nahrazovat jedna ze spojovacích součástí, v níž je proveden otvor s vnitřním závitem. [1] Šroubové spoje převáží nejen síly působící ve směru osy šroubu, ale také síly na osu kolmé. To je možné kvůli třecí síle způsobené tlakem vyvolaným dotažením šroubového spoje a fyzikálním třením stykových ploch spojovaných materiálů. Tato síla musí být dostatečně velká, aby nedocházelo k prokluzování šroubového spoje. V takovémto případě je šroub do otvoru vkládán volně. V mimořádných případech je možné použít lícované šrouby, namáhané nejen na tah, ale také na smyk. Tyto spoje jsou ale podstatně náročnější na přesnost předvrtaných otvorů a tím pádem podstatně nákladnější. 1.2. Výroba vnitřních závitů Vnitřní závity lze vyrábět řezáním pomocí závitníku, soustružením, frézováním, broušením, nebo tvářením. [2] 1.2.1. Řezání závitů Řezání závitů se provádí pomocí závitníků. Jedná se v podstatě o šrouby, které jsou opatřeny břity a řezným kuželem. Břity jsou tvořeny drážkami, které mohou být buď 9
přímé (obr. 1.3 - a) nebo ve šroubovici (obr. 1.3-1, 2). Drážky ve šroubovici slouží k lepšímu odchodu třísky a jejich použití je výhodné zejména u delších děr. Geometrie závitníků je dána tvarem drážek a tvarem řezného kuželu. Ostření závitníků je možné provádět talířovými brusnými kotouči na čele (v drážce) nebo pomocí speciálního přípravku na hřbetě zubu na řezném kuželu. Obr. 1.3 Obráběcí závitníky [2] Ruční závitníky Obvykle se jedná o sadové nástroje, většinou jsou dva až tři nástroje v jedné sadě. Každý závitník ze sady odebírá jen část profilu závitu viz obr. 1.4. Tím je docíleno rozložení celkového tvářecího momentu, který by byl potřeba při výrobě jen jedním závitníkem. Řezný kužel je nejdelší u prvního a nejkratší u posledního závitníku ze sady. 10
Obr. 1.4 Rozdělení odebírané třísky pro sadové závitníky 1 - první závitník, 2 druhý závitník, 3 Třetí, dokončovací závitník, s stoupání závitu, D velký průměr závitu matice, l 1 = 2s, l 2 = 2,5 až 3s, l 3 = 1,25 až 2s, D 1 = D 0,75s, D 2 = D 0,35s [2] Vodící válcová část závitníku slouží k vedení závitníku v předvrtané díře a je mírně zúžená směrem ke stopce z důvodu zabránění nárůstu točivého momentu při řezání dalšími závitníky. Na konci stopky je čtyřhran sloužící k upnutí závitníku do vratidla. Strojní závitníky Strojní závitníky nejsou na rozdíl od ručních závitníků v sadách, protože díky použití stroje není potřeba snižovat točivý moment. Rozlišujeme několik druhů závitníků (viz obr. 1.5). Nejčastěji používané jsou závitníky s přímou drážkou. V případě řezání dlouhých závitníků se může hromadit tříska v drážce, proto se používají závitníky se šroubovitou drážkou, která lépe odvádí třísku. Na těžko obrobitelné materiály je třeba použít závitníky s větší pevností v krutu, jako jsou závitníky s neprůběžnou drážkou. Tyto závitníky mají většinou záporný úhel sklonu ostří, díky tomu je vznikající tříska tlačena dopředu ve směru posuvu. To je možné používat jen u krátkých průchozích děr. Nástrčné závitníky se používají pro řezání průměrů větších, než M40. 11
Obr. 1.5 Strojní závitníky [2] a) S přímou drážkou, b) se šroubovou drážkou, c) s neprůběžnou drážkou, d) nástrčný Maticové závitníky Používají se pro obrábění krátkých závitů 1,5 D, zejména matic při speciální strojní výrobě. Tyto závitníky mají dlouhý řezný kužel a stopku, na kterou se hotové matice navlékají. 1.2.2. Soustružení závitů Soustružení vnitřních závitů se provádí obdobně jako soustruženích vnějších závitů větších průměrů pomocí soustružnického nože. Možná délka soustružených závitů závisí na tuhosti nástroje a jeho délce od místa upnutí. Běžně se soustruží závity od průměru M20, ale je možné soustružit i menší závity. Obr. 1.6 Soustružnické nože na výrobu závitů a) jednobřitý nůž, b) kotoučový nůž s více profily, c) nůž s vyměnitelnou břitovou destičkou [2] 12
1.2.3. Frézování vnitřních závitů K frézování vnitřních závitů se používají tvarové kotoučové frézy, nebo závitové frézy se stopkou, stejně jako u vnějších závitů. Průměr frézy by se měl rovnat maximálně polovině frézovaného závitu. 1.2.4. Moderní způsoby výroby vnitřních závitů V současné době je trendem zejména v sériových a velkosériových výrobách použití výroby závitů pomocí tvářecích závitníků. Jedná se o novou progresivní metodu výroby kvalitních závitů, kterou se budu zabývat níže. [2,4] 1.3. Výroba vnitřních závitů tvářením 1.3.1. Popis procesu tváření vnitřních závitů Podle normy DIN 8583-5 se popisuje tváření vnitřních závitů jako vtlačování vnitřních závitníků se šroubovitou činnou plochou. Při tváření vnitřních závitů je materiál formován beztřískově dle principu lisování za studena. Využívá se tekutosti (schopnosti tečení) materiálu ke tváření závitu pomocí přetvářecího nástroje, jehož struktura odpovídá kontuře vyráběného závitu. Hlavními rozměry a tvarem pracovní části se tvářecí závitník podobá řezacím závitníkům. A stejně jako při řezání závitů je zde nutné použití předvrtaného otvoru. Pracovní část obsahuje náběhovou kuželovou část a vodící válcovou část. Náběhová kuželová část tvářecího závitníku, která postupně od čela nástroje zvětšuje svůj průměr, je určující částí pro proces tváření vnitřního závitu. Vnitřní závit je vytvářen vtlačováním spirálové části závitového profilu zubu v oblasti náběhu tvářecího závitníku do předem připraveného otvoru. Požadovaný profil a rozměr závitu potom vzniká plastickou deformací obráběného materiálu. Po překročení elastické deformace materiálu začíná materiál v kontaktní náběhové zóně téct po obou stranách závitového profilu zubu směrem k malému průměru závitu. Tímto je zajištěn velmi hladký povrch tvářeného závitu a typické drážky ve špičce malého průměru závitu. Válcová vodící část závitníku povrch vytvořeného závitu ještě dále vyhlazuje a pomáhá v axiálním vedení závitníku. 13
Po dosažení požadované hloubky závitu se obrátí chod nástrojového vřetene, tím závitník vytočíme z vytvořeného závitu ven a ten je dále připraven k novému tváření. Nejsou potřeba žádné speciální upínače nástroje ani upínací pouzdra. A zpravidla stačí standardní výkony obráběcích strojů. V závislosti na druhu obráběného materiálu přináší tváření závitů výhody výborné kvality povrchu závitů a zvýšení jejich statické a dynamické pevnosti. Dosahovaná hloubka závitu není limitována problémem s odvodem třísek z místa řezu, jako je tomu u řezání závitů závitníkem, což dále zvyšuje provozní bezpečnost této pracovní metody. Výborné samovodící schopnosti tvářecích závitníků odstraňují největší problémy při řezání závitů závitníky, a to axiální podřezání závitu. Neméně významná je také větší stabilita tvářecích závitníků, zejména menších průměrů. Dnešní tváření závitů je nesrovnatelné s počátky této technologie. Systematické pokusy a vylepšené výrobní procesy zdokonalily tuto metodu na takovou technickou úroveň, která umožňuje beztřískovou výrobu i velkých závitů. Proces tváření zůstává i nadále ohraničen velikostí a tvarem profilu. Stoupání jako takové je podřadné tzn., že se dají tvořit vícechodé závity jako například M10 x 6 P1. Od velikosti profilu a stoupání P3,5 je to kritické, protože síly potřebné k přetváření stoupají se vzrůstajícím přetvářecím objemem. Samotný tvar profilu ovlivňuje výrazně tvářecí proces. Ostré závity se dají vytvořit s nejnižším přetvářecím momentem. Lichoběžníkové profily vyžadují kvůli velké rozteči nejvyšší přetvářecí momenty, a proto se nedají tímto způsoben hospodárně vyrobit. a) ostrý závit b) seříznutý závit c) lichoběžníkový závit Obr. 1.7 Základní profily závitů [3] 14
1.3.2. Historie tvářených závitů Od 30. let 20. století bylo v USA známé tváření závitů. Koncem 50. a začátkem 60. let se problému ujal německý průmysl a došlo k velkému rozmachu této metody, ale poznatky o tváření byly na počátku. Možnosti výroby tvářecích nástrojů byly omezené. Oblast využití byla znesnadněna nutností předvrtaných otvorů s velmi malou tolerancí, aby byly zachovány dokonale zformované profily závitu. Obstarání šroubovitých vrtáků nebylo vždy jednoduché, protože předvrtané otvory ležely většinou mimo běžné rozměry šroubovitých vrtáků. K tomu se přidala problematika dodržení daných tolerancí, kterých často nebylo vrtákem dosaženo. Proto musel většinou po vrtání následovat další pracovní cyklus vystružování. Malé hloubky, kterých bylo možno dosáhnout těmito obráběcími nástroji, dražší výroba předvrtaných děr a obtížná opatření vhodných vrtacích nástrojů vedly často k nehospodárnosti nasazení této metody a tím se tváření rozvíjelo jen v úzké oblasti. Dalším hendikepem byla neúplně vytvořená oblast jádra závitu, obtížné mazání a veliké tvářecí momenty. Tento hendikep vedl většinou k odmítání převážně ze strany automobilového průmyslu. Obr. 1.8 Závit vytvořený tvářením s charakteristickou rýhou uprostřed závitu [3] Na začátku nového stupně vývoje bylo možné formovat závity jen u materiálů s dobrou tekutostí a nízkou mezí pevnosti. Jako je například nízkolegovaná konstrukční ocel. Tváření bylo také omezeno možností pohybu pouze v nízkých hodnotách rozměrů profilu a stoupání závitu (M16 bylo maximum). Dosahované tvářecí momenty často ležely v blízkosti kritického zatížení závitníků a často docházelo k jejich zlomení. Navržení vhodného rozměru a následná výroba předvrtaných otvorů byly obtížné, protože dosud nebyly žádné předpisy určující jejich průměr. Po provedení 15
mnoha pokusů a použitím aproximačních vzorců byly zpracovány dnes již známé tabulky předvrtaných průměrů. Mazání hrálo rozhodující roli v udržení smykového tření a tvářecího momentu tak nízko, jak jen to bylo možné, a kvůli zabránění svařování za studena. 1.3.3. Provedení tvářecích nástrojů Geometrická stavba Tvářecí závitník se skládá ve své základní formě ze tří hlavních částí: - Vstupní kužel - Válcová vodící část, která může, ale nemusí být opatřena mazacími drážkami - Tvarový dílec se čtyřhranem k uchycení a unášení nástroje Obr. 1.9 Základní části tvářecího závitníku [5] Náběhový kužel je v řezné části srovnatelný s obráběcím závitníkem. Je to hlavní část, se kterou se provádí přetvářecí práce. Je ho možno popsat jako spirálovitou linii šroubu. Nejmenší průměr profilu leží lehce pod průměrem předvrtané díry. Šroubovitá linie prochází ve vrcholovém úhlu kužele, jehož velikost je stanovena vstupní délkou, probíhá nahoru k průměru závitu. Aby se dosáhlo přetvoření materiálu, musí obsahovat především přetvářecí oblast závitníku tvářecí výběžky. Těch se dosáhne broušením části závitu závitníku do polygonálního tvaru. Počet úhlů závisí na průměru závitu, stoupání, délce náběhového kužele a na obráběném polotovaru (nejčastěji se používá troj, čtyř, pěti, nebo šestiúhelník). 16
Obr. 1.10 Polygonální (mnohoúhelníkové tvary) [5] Mnohoúhelníkovým tvarem, velikostí zdvihu a průběhem mnohoúhelníku jsou určeny zóny tření a dotyku. Tyto jsou v první řadě zodpovědné za chování tření a určují rychlost tečení a vlastnosti tečení přetvářeného materiálu. Další význam polygonálního tvaru je v umožnění pronikání řezné kapaliny k pracovní části závitníku. Některé závitníky mají krom toho ještě mělké drážky, které usnadňují přívod řezné kapaliny a umožňují odchod kapaliny a vzduchu z řezného otvoru a tím zabraňují vzniku pístového efektu. Jednotlivé kontaktní plochy na závitníku musí být konstruovány tak, aby byly třecí plochy co nejmenší. Tvar kontaktní zóny je určen velikostí rozteče, to znamená počtem tvářecích výběžků, velikostí posuvu a tvarem mnohoúhelníku. Součet dotykových ploch, které jsou právě v dotyku, určuje třecí moment, který nastává v průběhu tváření. Přetvářecí moment a moment tření dávají dohromady tvářecí moment. Protože je přetvářecí moment určen materiálem, který je nutno přetvořit, a velikostí profilu, může být celkový tvářecí moment ovlivněn jen momentem tření. Z toho je odvozena důležitost geometrického konstruování dotykových zón. Jakož i zvolení vhodných povrchových úprav. Nástrojový materiál 95% závitníků se vyrábí ze základních HSS ocelí. Používají se hlavně kvalitní nástroje v kvalitě Emo5Co5 a materiálovým číslem 1.3243, a nebo Emo5V3 s materiálovým číslem 1.3344. Dále se využívají rychlořezné oceli vyrobené práškovou metalurgií 1.3207, nebo 1.3344. 17
Závitníky z tvrdokovu, nebo s pájenými destičkami z tvrdokovu, se používají jen příležitostně. Příčina spočívá v hospodárnosti. Nespojité třecí vlastnosti materiálu z tvrdokovu (i přes nejlepší povrchovou úpravu tvrdými materiály) stejně jako vysoké výrobní náklady a zvýšené riziko lomu vedou k nedostatečné hospodárnosti HM nástrojů v porovnání se závitníky s optimální HSS kvalitou. Povrchové úpravy nástroje Všechny povrchové úpravy na nástrojích mají za cíl změnit adhezní chování na dotykových zónách tak, aby se předešlo svárům za studena a aby byl povrch nástroje chráněn proti oděru. U tváření, na rozdíl od řezání závitů, se mnohem více setkáváme se smykovým třením, nebo se třením na pevném tělese. To znamená, že jednotlivý vytlačený element klouže po materiálu a formuje díl do předem dané kontury, kterou udává nástroj. Podle adhezního chování formovacího materiálu se vyskytují v zónách záběru závitníku větší, či menší návarky materiálu. Aby se tomu zabránilo, je nutná dělící vrstva, kterou v dnešní době zpravidla obstarávají maziva. Tato vrstva se nachází mezi kontaktními zónami. Kvalita dělící vrstvy je hodně závislá na tvářeném materiálu. Tribologické chování oddělovacího prostředku hraje hlavní roli, kterou ovlivňuje: - pevnost a složení materiálu - rychlost tváření - tvar profilu závitu Již desítky let známe povrchové úpravy jako je nitridace, popouštění v páře a jim podobné. Vývoj povrchových úprav tvrdými materiály umožňoval ovlivnit kluzné vlastnosti a odolnost proti otěru. Používání vrstev tvrdého chromu v minulosti pozitivně ovlivňovalo smykové vlastnosti, adhezní chování a tepelný tok. Přilnavost chromové vrstvy na nástroji ale nebyla nijak dobrá, což způsobovalo problémy především při zpracování ocelových materiálů s větší pevností. Výhody nabízí známé tvrdé vrstvy jako TiN, TiCN, TiAlN. Tyto vrstvy mají velký vliv na tribologii, zároveň mají velkou tvrdost a jsou tak odolné proti oděru. Koeficient tření je 0,4 (vztaženo na ocel). Tepelná vodivost je malá, čímž je snížen přenos pracovního tepla na nástroji. 18
Cílem dalšího rozvoje povrchových úprav je uspořádat výrobní proces lépe, a to jak z ekonomického, tak z ekologického hlediska použitím co nejmenšího množství maziva, nebo pokud je to možné, suchým opracováním. Byly provedeny první pokusy s mazacími vrstvami z měkkých materiálů na bázi molybdendisulfidu. Tyto vrstvy jsou známé pod označením MOVIC, nebo MOST. Jejich nanášení může probíhat na neupravený (syrový) nástroj, nebo na nástroj s upravenou povrchovou vrstvou, stejně tak na nástroj již pokrytý tvrdým materiálem. Nanášení se provádí dle známé metody PVC. Jako další varianta mazacích vrstev z tvrdých materiálů se také zkoušejí uhlíkové vrstvy (WC, C). Tyto vrstvy přinášejí výhody u některých Al slitin a nerezavějících ocelí. Příslušné výzkumné programy, do nichž jsou zapojeny vysoké školy, specializované výzkumné pracoviště, uživatelé i výrobci řezných nástrojů, ještě nejsou ukončeny. 1.3.4. Periferie tvářených závitů Průměr a tolerance předvrtaného otvoru Při tváření je tolerance předvrtaného otvoru pozdějšího jádrového průměru, kuželovitost, jakož i kvalita povrchu vývrtu velmi důležitá. Pokud je předvrtaný průměr, nebo jeho tolerance moc veliká, materiál dostatečně nedoteče do oblasti jádra závitu. Vznikají nekalibrované závity s velkým průměrem jádra. V opačném případě musí nástroj vytlačovat příliš mnoho materiálu. Většinou dojde k ucpání materiálu v oblasti jádra. Výsledkem je přetvořený a moc malý jádrový profil. Díky tomu často dochází k vysokým tvářecím momentům, které později vede ke zlomení nástroje. Obr. 1.11 Nedotvořený závit s velikým jádrovým profilem [3] 19
Obr. 1.12 Přetvořený závit s malým jádrovým průměrem [3] Pro velikost předvrtaných průměrů dosud nejsou žádné směrnice, ale výrobci nástrojů získali empirickými výpočty klíčová data a na jejich základě vytvořili aproximační vzorce. Mimo to výrobci uvádějí tabulky předvrtaných průměrů a jejich tolerancí v katalogových podkladech. U tenkostěnných polotovarů jako jsou vany nebo odlité pánve se musí dávat pozor, aby se zabránilo viditelné deformaci. Také pro tento jev byly sestaveny empirické vzorce. Rozměry děr pro tváření metrických závitů jsou normovány dle DIN 13 50. Vliv předvrtaného průměru ukazuje obr. 1.13. Obr. 1.13 vliv předvrtané díry [3] A) Malý průměr předvrtaného otvoru B) Střední velikost průměru C) Velký průměr předvrtaného otvoru 20
Nedokonalosti ve stěně vývrtu, jakož i špatně tekuté materiály jako např. GG30 vedou k nepravidelnostem ve vytvořené oblasti jádra. Mimo to by měly být předvrtané průchozí díry upraveny z obou stran, aby nedocházelo k tlačení materiálu ve vstupní a výstupní oblasti. Obr. 1.14 Nedokonalé vytvoření profilu závitu díky malé tekutosti materiálu [3] Kalibrování závitu v průměru nosné plochy se provádí mezním válečkovým kalibrem závitu dle kvality závitu dané výkresem. Vytvořený jádrový průměr závitu se smí zkoušet dle pravidel stupně kvality o jeden stupeň vetší, než do jakého spadá. To znamená, že M 10 závit dle tolerance 6H může být v průměru jádra v toleranci 7H. Formovaný materiál obrobku Teoreticky se dají formovat všechny materiály. Dosažitelný stupeň přetvoření je rozhodující pro použití tváření a dosažitelnou kvalitu. Vtlačovací pokusy ukázaly, že i šedá litina GG18 připouští určitý stupeň přetvoření. Dosažené přetvoření ale nestačí na to, aby bylo možné vytvořit plnohodnotný závit ve formě a tvaru s dostatečnou pevností v tahu. Jednotlivé části materiálové mřížky se přitom oddělí a stlačují do tvaru podobnému závitu. Pokud ale strojní šedou litinu obohatíme malým množstvím chromu (do 0,8%), lze dosáhnout dostatečné tekutosti materiálu. Ta dovoluje vytvořit podřadný závit vhodný například k upevňování zakrývacích plechů a podobně. [3], [17] Litina s kuličkovým grafitem GGG50 a vermikulární litina se dá tvářet hospodárně a většinou s dostatečnou kvalitou závitu a dostatečnou pevností v tahu. Bez větších potíží se také dají tvářet druhy oceli s minimální tažností 6%. Nejmenší velkost závitu, kterou lze hospodárně tvářet je M 0,6. 21
Vysoce legované, nerezové, nebo také kyselinovzdorné a tepelně odolné materiály se dají často obrábět, ale málokdy se dají tvářet, a to hlavně z ekonomických důvodů. Kritické jsou vysoce legované materiály s mezí pevnosti větší, nebo rovnou 800 N/mm 2. S ohledem na pevnost materiálu leží vrchní hranice, do které se ještě vyplatí tvářet, na pevnosti Rm = 1000 N/mm 2. Při vyšší mezi pevnosti překračují nezřídka tvářecí momenty moment lomu materiálu nástroje. Také profil závitu na závitníku je silně deformován díky velkým přetvářecím silám. Proto nelze zajistit kvalitní tvářecí proces. U materiálů s vysokým koeficientem tepelné roztažnosti mohou nastat osové, nebo axiální chyby ve stoupání, pokud se tváří velké délky závitu. Opravit tyto chyby lze jedině přes větší rozměr profilu závitu, nebo upravením stoupání na nástroji. Neželezné kovy s dostatečnou tažností se dají všeobecně dobře beztřískově tvářet. K hliníkovým materiálům se zásadně přistupuje dle složení materiálu. Čistý a nízce legovaný hliník do AlSi8, nebo AlSi8Cu3 se dá bez větších obtíží přetvářet. Průběh materiálových vláken i jejich pevnost v tahu se hodnotí jako dobré. Namáhané závity z eutektických a nadeutektických hliníkových slitin (zejména bez příměsí Cu) se přezkušují hlavně tahovou zkouškou. U všech materiálů hraje významnou roli mazací film, nebo tzv. dělící vrstva při ekonomickém nasazení tvářecího nástroje. Jednou z dalších možností zajištění snížení tření je povrchová úprava materiálu nástroje. Ta by se měla v první řadě volit s ohledem na tvrdost obráběného materiálu. Krystaly křemíku leží ve vysoce legovaných hliníkových materiálech v úzké husté mřížce u sebe a působí svojí hranatostí a velikou tvrdostí jako řezivo na povrch nástroje. Místa staženin v hliníkové slitině vedou k vytvoření vadných závitů z důvotu chybějícího materiálu. V současné době se výzkumníci opět vrací k hořčíku jako k lehkému a konstruktivně zajímavému materiálu. Zkušenosti s přetvářením za studena jsou ještě malé. Od 30. do 60. let, kdy se hořčík v poměrně velké míře využíval, nejsou známy žádné zkušenosti s tvářením závitů. Tváření za studena hrálo v tomto časovém období podřadnou roli a bylo teprve v začátcích. V tomto oboru již běží výzkumné programy, aby byla v budoucnu vyvinuta co nejproduktivnější metoda výroby. 22
Řezné kapaliny (maziva) Požadavky na dělící vrstvu mezi materiálem obrobku a nástrojem, které významně ovlivňují adhezní chování, zatím současné povlaky z tvrdých materiálů nesplňují v požadovaném rozsahu. Jak již bylo zmíněno, vyskytují se při tváření závitů vysoké přetvářecí a třecí momenty. U citlivých materiálů, jako například slitiny hliníku, dochází ke změnám ve struktuře materiálu, což vede k velkému adheznímu účinku. Proto jsou kladeny velké požadavky na maziva: Film maziva, který působí jako dělící vrstva mezi třecími plochami, se nesmí během tvářecího procesu přerušit. Díky této vrstvě se posouvá tření pevných těles ve směru tření smíšeného. Stabilita filmu maziva je určena samotnými vlastnostmi maziva. Ty jsou odvislé především od základních olejů směsných prvků a od aditiv odolných proti tlaku. Při dobrém mazání se nemusí ani chladit. Dnešní trend přechází z ekonomických i ekologických důvodů od principu přetékání k cílenému mazání minimálním množstvím kapaliny. Při takovém postupu se prostřednictvím speciálního zařízení nanáší mazivo v minimálním množství přes vzduch jako nosič na účinné plochy nástroje a na materiál obrobku. Tento nový druh mazání se dá aplikovat i na nástroje s vnitřními chladícími kanály. Obr. 1.15 Možnosti přívodu mazací kapaliny [3] V dnešní době jsou na trhu nabízena různá mazací média, jako například minerální oleje, přírodní oleje, mastné alkoholy oleje. 23
Tvářecí rychlost a tvářecí moment Tvářecí rychlost může z pravidla odpovídat řezným rychlostem při řezání závitů. Zvýšení tvářecí rychlosti je závislé převážně na kvalitě maziva a tekutosti tvářeného materiálu. Ohraničení z důvodu nahromadění třísek jako při řezání závitů zde nenastane ani u hlubokých závitů, protože tváření probíhá beztřískově. Pro tvářecí rychlost platí následující pravidla: - Čím menší je mazací schopnost kapaliny, tím menší je tvářecí rychlost Vo = 8 15 m/min. - Čím vyšší je pevnost materiálu, tím nižší je rychlost Vo = 8 15 m/min. - Čím nižší je roztažnost a schopnost tečení, tím nižší je rychlost Vo = 8 10 m/min. Z toho lze vyvodit, že při použití emulzí záleží na tom, jak jsou odolná příměsná aditiva proti tlaku, jakou mají schopnost mazání a v jakém množství jsou k dispozici na účinné ploše přetvářecího procesu. Při velkých pevnostech materiálu Rm 700 N/mm 2 se mění rychlost tečení materiálu při současném zvýšení přetvářecích sil. Tomuto chování materiálu lze předejít upravením rychlosti tváření a lepší kvalitou maziva. Tvářecí momenty jsou závislé na následujících bodech: - geometrie závitníku a jeho povrchové úpravy tvrdým materiálem - schopnost tečení a pevnost materiálu přetvářených dílů - průměr předvrtaného otvoru - vlastnosti maziva Uživatel může výrazně ovlivnit poslední dva jmenované body. Tvářecí moment stoupá například při tváření nerezavějící oceli (materiál V4A 1.4571) při rozdílu předvrtaného průměrů o 60% z 16,7 Nm na 26,7 Nm. V porovnání s řezáním závitu se musí při zachování stejných podmínek počítat při tváření závitů s téměř dvojnásobnými točivými momenty. 24
Strojní předpoklady S ohledem na strojní předpoklady, vybavení, zařízení a upevnění nástroje se nemusí při tváření zavádět žádná opatření. Při strojní výrobě závitu do neprůchozí díry je vhodné použití momentové závitořezné hlavy, které slouží při vyrovnání tlaku, ale zároveň jsou nepoddajné, aby bylo zajištěno jisté zašroubování náběhového kužele závitníku. Při větších délkách závitu, především v horizontálních polohách, jsou doporučeny nástroje a stroje s vnitřním přívodem chladicí kapaliny ke zvýšení: - tvářecí rychlosti - délky stability nástroje - kvality závitu s ohledem na přesnost rozměru a povrchovou drsnost 1.3.5. Kvalita a zatížitelnost tvářených závitů Kvalita závitu Kvalita tvářených závitů bývá velmi dobrá. Přesnost profilu odpovídá přetvářecímu nástroji s nízkou mírou smrštění, řádově 0,5 1,5% dle stoupání závitu, průměr závitu, jakož i modulu elasticity přetvářeného materiálu. Tato míra smrštění je způsobena zpětným odpružením, které se vytváří z části vložené přetvářecí energie. Ta přetrvává v elastické oblasti tak dlouho, dokud není závitník vytočen zpátky. Tímto se potvrzuje skutečnost, že tvářecí závitník nelze nikdy zašroubovat do závitu, který dříve vytvořil, bez vynaložené síly. Chyby ve stoupání vycházejí ze schopnosti tečení přetvářeného materiálu a mohou dosahovat až faktoru 10, co se týče míry smrštění (0,5 1,5%). V důsledku sbíhavosti profilu v tvářeném dílu, který je ale nutný k udržení tření proti zpětnému odpružení na co nejnižší hranici, se může materiál axiálně roztahovat. Chyby ve stoupání, které jsou způsobené axiálními tokem materiálu, jsou jen zřídka zjištěny pomocí mezních válečkových kalibrů závitu, protože součet všech chyb při formování se vejde do hranice tolerance závitu. Kalibrace dle DIN ISO 1502 závitových kalibrů je i přesto dostačující. Takzvané kuželové rozšíření, které je nezřídka přítomné při řezání závitu, není při tváření závitu známé. Předpokladem je ale dodržení správných předvrtaných průměrů, tak aby byl profil závitu vytvořen v plné výšce a nebyl přetvořen nebo vytlačen málo. 25
Kvalita povrchu je z pravidla udána pomocí označení profilu N1, N2, N3 U tvářených závitů dosahujeme přesností N3 N5. U řezaných závitů se dá při optimálních podmínkách dosáhnout kvality N9 N10. Označení profilu N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 Drsnost povrchu Ra [μm] 0,025 0,05 0,1 0,125 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,3 12,5 Tabulka 1.1 Hodnoty drsnosti Ra odpovídající značení profilů Opticky nevýhodně se ukazuje profil jádra s přetvářecí rýhou, která příležitostně, ale bezdůvodně, vede k odmítnutí kontrolními orgány. Řezané závity mají z pravidla hranatý profil jádra, ze kterého lze rychle a povrchově zhodnotit kvalitu závitu. Zatížitelnost závitu Protože je závit vytvářen přetvářením, není průběh vlákna materiálu přerušen. Struktura materiálu zůstává nenarušena za předpokladu, že má přetvářený materiál minimální roztažnost 6%. Přetvářením za studena dochází na povrchu k malému zhuštění materiálu, které se zvyšuje ve směru vnějšího průměru, protože je zde přetvoření největší. Zhuštěný materiál odpovídá zpevnění materiálu. Vyšší zatížitelnost závitu nelze zcela konkrétně stanovit. Je ale jisté, že praskliny, které mohou vzniknout při řezaných profilech závitu ve vnějším průměru působením vrubu, se u tváření nevyskytují. Toto platí především pro neprůchodné závity, u kterých nejen vnější průměr závitu, ale i celá oblast náběhu vykazuje vroubkování. U závitníků, které jsou běžně k dostání, jsou poloměry v přechodu od profilu nosné plochy závitu k vnějšímu průměru. Hlavní výhoda je v neporušeném průběhu vláken materiálové mřížky, což má za následek vyšší zatížitelnost závitu. 26
Obr. 1.16 Průběh vláken v materiálu A) obráběných závitů, B) tvářených závitů [3] 1.3.6. Shrnutí literární rešerše problematiky výroby závitů a. Závitově spoje jsou jedním z nejčastěji užívaných způsobů spojování materiálů a součástí. V různých variantách se s ním setkáváme na každém kroku. Proto je logické, že jejich tvar a rozměr podléhá normám. b. Závit je možné vyrábět mnoha způsoby. Jedním z nich je i tváření závitů, které se v současnosti s úspěchem využívá ve velkosériových výrobách. c. Tváření vnitřních závitů je bezproblémový přetvářecí výrobní proces a je zajímavou alternativou běžného obrábění závitu především z hospodárného hlediska. Výhody tvářených závitů: - Během tvářecího procesu se nevytváří třísky. - rozměrově přesné profily závitu s vysokou kvalitou povrchu - Na rozdíl od řezaných závitů není třeba kuželovitého rozšíření. - Houževnaté a špatně obrobitelné materiály se dají lépe přetvářet, než obrábět řeznými nástroji. - K tváření není potřeba žádné náročné ovládání strojů, ani zvláštní zařízení. - velká zatížitelnost tvářených závitů 27
Nevýhody tvářených závitů: - průměr předvrtaných otvorů s velmi úzkou tolerancí - nutnost použití kvalitních mazacích kapalin - opticky viditelná přetvářená rýha v profilu jádra, která může vést k problémům při následujícím galvanickém procesu - Přetvářená rýha v oblasti jádra na začátku závitu může vést při automatické montáži k tomu, že se šroub začne špatně zašroubovávat do závitu. - otřep v první otáčce závitu, při nezarovnání začátku závitu [3], [5], [6] 28
2. Seznámení s problematikou výroby závitů v podmínkách velkosériově výroby ŠKODA Auto a. s. V závodě ŠKODA Auto a. s. Mladá Boleslav se valná většina vnitřních závitů vyrábí beztřískovou metodou, tedy s použitím tvářecích závitníků. Především je to z důvodů odstranění problémů s odvodem třísek, lepších zátěžových vlastností závitu a dalších výhod uvedených v předchozích kapitolách. Konkrétně na lince obrábění bloku motoru jsou použity tvářecí závitníky od firmy Gühring. Tyto závitníky jsou z rychlořezné oceli HSSE TiCN (jedná se o rychlořeznou ocel se třemi procenty vanadu a povlaky z titan-nitridů) a jsou opatřeny drážkami k lepšímu přívodu mazací kapaliny. Mazání probíhá vnějškem závitníku, i když vrtáky M10 mají kanály na vnitřní mazání, ale závitníky menších průměrů je nemají a ani upínací hlavy nejsou přizpůsobeny vnitřnímu mazání. Obr. 2.1 ukázka tvářecích závitníků Gühring 2.1. Výroba bloku motoru v závodě ŠKODA Auto a. s. Blok motoru Škoda 1.2 tříválec se skládá ze dvou základních dílů. Rozdělených ve vertikální rovině osy klikového hřídele. Oba díly jsou spojeny šroubovým spojem. Výroba bloku motoru začíná v oddělení hutí VAH (klasická hutní výroba AlSi polotovarů). Zde se z připravené vsázky odlévá tlakovým litím polotovar. Také zde probíhají první obráběcí operace, kdy se vrtají olejové díry, frézují se základní plochy a s přídavkem 1mm na další zpracování a další přípravy k dalšímu obrábění. Následně žíhá na teplotu 250 C. Před paletací a expedicí do haly výroby motorů je celý blok pískován do finální podoby. 29
2.1.1. Obráběcí linka Vlastní výroba bloku motoru probíhá v oddělení výroby VAM. Zde se nejprve obrábí horní i dolní díl zvlášť. V druhé fázi výroby se oba díly sešroubují a obrábějí společně. Před expedicí na montážní linku je blok motoru znovu rozebrán a zkontrolován. Oba díly jsou označeny stejným kódem, a aby se zamezilo případnému zaměnění jednotlivých dílů, je blok před vlastní paletací provizorně sešroubován jedním šroubem M8. Pohyb bloku motoru je znázorněn na layoutu obr. 2.2. Spojení bloku motoru přepravním šroubem a jeho expedice na montážní linku RUMPF Předobrobený dolní díl bloku motoru dovezený z hutí Předobrobený horní díl bloku motoru dovezený z hutí Op. 110 Op. 100 Op. 90 Op. 10 Op.86 Op. 28 Op. 220 Op. 27 Op. 210 Op. 26 Op. 25B Op. 200 Op. 20 Op. 30 Op. 40 Op. 80 Op. 70 Op. 65 Op. 60 Op. 25A Op. 50 Obr. 2.2 Layout obráběcí linky bloku motoru 1.2 Popis jednotlivých operací: Op. 200 - Obsahuje 39 stanic. První čtyři stanice jsou volné a slouží ke kontrole dílů před opracováním. Poté se díl uchytí ve třech rovinách. Na stanici 5 se soustruží otvory pro nové uchycení bloku motoru a frézuje se plocha s přídavkem 0,5 mm před výsledným rozměrem. V dalších stanicích probíhají další obráběcí operace, jako např. vrtání děr ve stanici 16, výroba závitů ve stanici 27, Mezi výrobními stanicemi jsou stanice, které slouží k otáčení obrobku, jeho kontrole, nebo k oplachování nově vzniklých otvorů. Nakonec operace 200 díly projdou suchým pracím strojem. 30
Obr. 2.3 Stanoviště 27 na Op. 200 výroba závitů Op. 210 kontrola a následné praní a sušení Op. 220 tlaková zkouška olejových prostorů (tlakového a beztlakého) a vodního prostoru Op. 25A vrtání otvorů a frézování ploch. Na třech plochách se frézuje s přídavkem, protože budou sloužit k uchycení na následující operaci. Op. 25B frézování ploch a vrtaní otvorů, které v předchozí poloze nebyly přístupné Op. 26 Díly na této operaci procházejí 13 centry. Na prvních dvou se kontroluje správnost rozměrů. Na stanicích 3 až 13 se na spodním díle bloku motoru frézují plochy, vrtají, soustruží a závitují otvory. Mezi nimi prochází blok kontrolou a proplachováním. Op. 27 cílený výplach neprůchozích otvorů Op. 28 tlaková zkouška 31
Op. 10 zalisování pouzdra horního dílu, nasazení spodního dílu na horní díl, namazání ploch pro šrouby motorovým olejem, nasazení šroubů pomocí pneumatického dopravníku a jejich dotažení momentovou hlavou Dotahování se provádí na utahovací moment, po jehož dosažení následuje přetažení o 90. Označení bloku motoru je dle dokumentace. Obr. 2.4 Dotahování šroubů na Op. 10 Op. 20 frézování ploch, vrtání otvorů a následná výroba závitů Op. 30 soustružení otvorů, oplach bloku motoru Op. 35 nástřik motorového oleje do ložisek pro vyvažovací hřídel, nalisování pouzder do bloku motoru Op. 40 a 50 frézování ploch pro převodovku a vanu motoru a výroba závitů pro jejich uchycení Op. 60 honování vložky klikového hřídele Op. 65 praní bloku motoru Op. 70 demontáž bloku motoru Op. 80 praní obou dílů bloku motoru Op. 86 vizuální kontrola pórovitosti a případných otřepů 32
Op. 90 praní bloku motoru Op. 100 lisování zátek a tlaková zkouška Op. 110 konečná kontrola Obr. 2.5 Op. 70 demontáž bloku motoru 2.1.2. Montážní linka RUMPF Je to montážní linka, která se v různých variantách objevuje i v jiných halách mladoboleslavské Škodovky. Po obrobení pokračuje blok motoru na montážní linku. Zde v automatickém taktu prochází operacemi, na kterých se k němu montují další součástky. Na konci linky vychází hotový polomotor 1.2 tříválec, a to jak ve dvouventilovém, tak ve čtyřventilovém provedení. Ke kompletaci se používají díly vyráběné přímo v hale M6 (blok motoru, hlava motoru, kliková a vačková hřídel ), ale také díly vyráběné v jiných halách nebo dovážené od externích dodavatelů. 33
Obr. 2.6 Layout montážní linky RUMPF Popis jednotlivých operací: Op. 2010 nasazení bloku motoru Op. 2070 kompletace ojnice s písty Op. 2150 založení klikové hřídele Op. 2190 založení axiální desky Op. 2240 dotažení ojnic 34
Op. 2260 nanesení tmelu na horní díl bloku motoru Op. 2300 dotažení šroubů spojujících blok motoru Op. 2410 dotažení šroubů připojující olejové čerpadlo Op. 2460 dotažení šroubů připojující hlavu motoru Op. 2480 hydroštos vahadel Op. 2510 nasazení víka hlavy motoru Op. 2570 nasazení rozvodného kola kliky Op. 2600 založení šroubů do víka rozvodů 1 Op. 2670 - založení šroubů do víka rozvodů 2 Op. 2700 připojení vodního čerpadla Op. 2750 nanesení tmelu na vanu motoru Op. 2810 založení palivové lišty Op. 2860 Lecktest, Kalttest Op. 2880 Lecktest, Kalttest Op. 2940 výstup motoru Obr. 2.7 Kontrolní stanoviště po op. 2300 35
S problematikou závitů se setkáváte hned v několika operacích. Nejnamáhanější (tedy i nejčastěji poruchové) jsou operace dotahující šroubové spoje v dělící rovině bloku motoru. Ostatní operace, kde se montují další součástky pomocí tvářených závitů, nejsou tak problematické. Tyto závity jsou používané jen jednou, a to při montáži, zatímco spojování částí bloku je prováděno na dvakrát (viz výše). Jedná se o operaci 2300. U této operace je přiřazena kontrola v podobě momentových klíčů v dotahovacích hlavách. Pokud je dotahovací moment mimo povolenou mez, je šroubový spoj nahlášen jako vadný. Oprava většinou probíhá přímo na lince, protože takt povoluje malou prodlevu. Šroub vadného spoje je vyřazen a nahrazen novým, který je dotažen ručním dotahovačem. Pokud ani po vložení nového šroubu neodpovídá dotahovací moment předpisům, je motor vyřazen z linky a přesunut do prostoru pro repasi. Odtud se po přezkoumání problému motor buď vrátí na montážní linku, nebo je převezen na technickou kontrolu spadající pod oddělení VAT (Výroba agregátu technický servis). Do prostoru repase je motor při vyšší rychlosti taktu (větším vytížení linky) odesílán přímo. 2.2. Další pracoviště související s výrobou bloku motoru Technický servis 2.2.1. Oddělení sériového plánování Mezi úkoly Oddělení sériového plánování patří: plánování nových technologií a linek pro výrobu nových dílů, tvorba výrobní a kontrolní technické dokumentace, organizace provozních zkoušek a přijímání opatření k odstraňování nekvalitní výroby. 2.2.2. Chemická laboratoř Zde se provádějí zkoušky řezných kapalin, které jsou velmi důležité nejen při tváření závitů, ale na všech operacích (suché obrábění je používáno jen výjimečně). Kromě řezných emulzí se zde kontrolují i ostatní provozní kapaliny jako jsou oleje, oplachové lázně a další. Na emulzích se kontroluje stav ph, koncentrace, přítomnost hub a bakterií, vodivost, obsah oleje, korozivost a tvrdost kapaliny. Pomocí těchto kontrol se určuje, zda je ještě emulze vhodná pro výrobu. Pokud je objeven nějaký problém, lze to ovlivnit přidáním různých činidel. V případě, že se problém nedá vyřešit přidáním činidel, nebo upravením koncentrace, je nutno kapalinu vyměnit. Kompletní výměna kapalin je velmi drahá, a to nejen z důvodu vysoké ceny vlastních kapalin, ale také z důvodu zastavení 36
provozu po celou dobu výměny a nutnosti provést čištění celého zařízení od staré kapaliny. Naštěstí se životnost řezných emulzí pohybuje v řádu let. Při každé výměně kapalin se objevuje problém s tzv. zaběhnutím kapaliny, tím je myšleno odzkoušení nejvhodnější koncentrace a přidaných aditiv pro bezproblémový chod výroby. Novou zkouškou řezných emulzí, která spadá pod chemickou laboratoř je zkouška mazivosti TAPPINKTOR TEST na přístroji firmy MICROTAP. Tou se budu podrobněji zabývat v dalších kapitolách. 2.2.3. Oddělení technické kontroly Zde se zabývají kontrolou konečného výrobku. Jeho odzkoušení a následné kompletní rozebrání a kontrolu každého dílu zvlášť. Jedná se o tzv. horký test, který probíhá u každého desátého vyrobeného motoru. Motor je připojen k měřicím přístrojům, nastartován a zatěžován momentovou brzdou. Hodnotí se správná funkce, úniky kapalin a opotřebení jednotlivých dílů. Kromě této kontroly je každý motor sledován po celý průběh montáže pomocí záznamových datových čipů v transportních vozících. Při nasazení bloku motoru na montážní linku jsou na datový čip nahrána data přečtená laserem z nasazeného bloku. Následně se na ni nahrávají údaje z celé linky, na jejímž konci se nahrají do databáze. Díky tomu lze, v případě problémů, vyhledat jednotlivé motory podle jejich výrobního čísla a dají se o nich zjistit podrobnosti, jako jsou dotahovací momenty jednotlivých šroubů, výsledky zkoušek těsnosti, případné opravy a jiné. 2.2.4. Oddělení hospodaření s nářadím Zabývá se problematikou nářadí, nástrojů, jejich seřizování, broušení, kontroly, určování řezných podmínek, Co se závitníků týče, spočívá jejich údržba pouze ve výměně nástrojů ve stroji. Tvářecí závitníky se nedají brousit a jejich řezné podmínky jsou předepsané výrobcem. Výrobce zároveň ručí za dodržení předepsaných rozměrů nástroje. Výměna probíhá přibližně jednou do měsíce, a to po sadách. Výměnu provádí obsluha stroje. V případě problémů je závitník vyměněn jednotlivě. V případě opakovaných poruch, nebo poruch na více pozicích je vyměněna celá sada. Dalším důležitým nástrojem pro výrobu závitů jsou vrtáky, kterými se obrábějí díry pro závity. Jejich výměna probíhá obdobně jako výměna závitníků. Při obrábění bloku 37
motoru se používají velmi produktivní dvoubřité kombinované dělové vrtáky, které jsou schopny vrtat dva na sebe navazující průměry na jeden zdvih. Na rozdíl od závitníků se dají vrtáky brousit. Broušení probíhá ubrušováním špičky vrtáku, čímž se vrták zkracuje. Takto je možné vrták postupným odbrušováním zkrátit až o 10 mm bez většího ovlivnění obráběných děr. Díky použití dělových vrtáků je nutné zajistit efektivní odchod třísek, a proto se u vrtání používá vnitřního chlazení. Obr. 2.8 Příklad vrtáků používaných při výrobě bloku motoru 38
Experimentální část 3. Specifikace druhů vad na závitech při výrobě bloku motoru ve firmě ŠKODA Auto a. s. 3.1. Problematika chlupatých závitů obecně Jedná se o vady vnitřních závitů v AlSi bloku motoru 1.2 tříválec. Tyto vady se vyskytují od roku 2001, a to v různých obdobích ve větší či menší míře. Problémem je tvorba otřepů na špatně vytvořené špičce závitu. (Dochází k odlamování, tzn. materiál se chová křehce a důvodem je pravděpodobně vyčerpání plasticity v této oblasti. Také zde dochází k nalepování materiálu obrobku na nástroj a jeho následnému vytrhávání.) Tyto otřepy, spolu s náhodnými vadami šroubů (vzniklými nejčastěji při manipulaci), způsobují vytrhávání závitů z bloku motoru a tím jeho znehodnocení. [10] Obr. 3.1 foto chlupatého závitu [12] Problém, vždy vzniká v časových úsecích, a to bez ohledu na roční období. Zvýšení zmetkovitosti většinou začíná na montážní lince RUMPF, a to především na operaci 2300 dotahování šroubů M8 a M10 spojujících horní a dolní díl bloku motoru. Následují problémy na lince obrábění motoru na operaci spojení obou dílů. Po krátké době se problémy s vytrháváním závitů rozšíří i na další závity 3.2. Způsoby kontroly závitů Závity jsou kontrolovány při dotahování, a to jak na lince výroby motorů, tak na montážní lince pomocí momentových hlav. Dále prochází hned po obrobení kontrolou pomocí kalibrů, a to jak kalibru závitu, tak válcového kalibru, kterým se zkoumá velikost jádrového průměru závitu. Zároveň jsou závity kontrolovány opticky pomocí 39
mikro kamery. Obě tyto kontroly probíhají jednou za 2,5 hodiny a vzorkový motor po kontrole zůstává do další kontroly na vyhrazeném místě. Další přímá kontrola závitů neprobíhá, a to ani před montáží. 3.3. Možnosti oprav závitů Některé poruchy závitů je možné opravovat hned na montážní lince. Ale pokud to není možné, je nutné motor rozebrat a případně odeslat na oddělení technické kontroly. Zde, pokud je to možné, jsou vadné závity opraveny. To se provádí převrtáním vadného závitu na větší průměr. Na něm je vyříznut nový závit, do kterého je vložena vložka pro zmenšení závitu na původní rozměr. Takto opravené závity mají lepší vlastnosti, díky přesným rozměrům vložek, ale z důvodů vysoké nákladnosti není možné tuto metodu použít v sériové výrobě. Opravit by bylo teoreticky možné všechny závity, ale u některých to není možné z důvodů nedostatku materiálu v okolí závitu, který nedovoluje tvorbu většího závitu. Obr. 3.2. Návodka oprav závitů 40
3.4. Problematika šroubů Jedním z důvodů vzniku zmetků ve výrobě motorů jsou také vady na závitech šroubů. Důležitost těchto vad na celkové závadovosti je sporný, ale určitě ne zanedbatelný. Ve firmě ŠKODA Auto a. s. jsou používány šrouby od firmy KAMAX se sídlem v Turnově. Jejich kvalita je garantována výrobcem a po přijetí je již nijak nekontrolují. Obr. 3.3. Příklad šroubů používaných ke spojení dvou dílů bloku motoru Šrouby jsou používány jak na lince výroby bloku motoru, tak na montážní lince RUMPF. Šrouby jednou použité na výrobní lince jsou následně po rozebrání bloku motoru posílány na montážní linku RUMPF k dalšímu zpracování. Kontrola šroubů před použitím na montážní lince RUMPF se provádí pouze vizuálně. Tato kontrola je, vzhledem k množství použitých šroubů nedostatečná. Není možné odhalit všechny vady na závitech šroubů. Tyto vady mohou vzniknout při transportu potlučením závitu. Další možnost poškození závitů šroubů je zanesení drážky závitu materiálem obrobku. Pro omezení těchto vad byla v minulosti provedena zkouška, kdy byly šrouby použité na výrobní lince po rozebrání vyzmetkovány, a na montáži byly používány jen nové šrouby. Počet vadných závitů v blocích motorů se snížil. Úspora ale zdaleka nenahradila ztráty způsobené vyzmetkováním použitých šroubů. Proto bylo od tohoto záměru upuštěno. Pokud je závit šroubu porušen až po několika dobrých závitech (ve větší vzdálenosti od začátku závitu), není to tak velký problém. Šroub je v závitu bloku motoru zajetý a dá se bez větších problémů dotáhnout. Pokud je závit šroubu poškozen na začátku, 41