ZÁKLADY KONSTRUKCE ZÁPUSTEK 1. Úvod Při návrhu konstrukce zápustek vycházíme z tvaru a materiálu daného výkovku a z požadavků zákazníka na jeho výrobu. Nejprve je však nutné stanovit jakou technologii zápustkového kování zvolíme, na jakém stroji budeme kovat a vypracovat rámcový technologický postup. Lze zde rozlišit některá základní stádia, a to od převzetí zakázky až po konečné odsouhlasení a zahájení sériové výroby. 1.1 Technická specifikace Na začátku dostaneme od zákazníka tzv. technickou specifikaci. Ta by měla obsahovat požadavky, které musí splňovat jak výkovek, tak i jeho výroba: * jakost kovaného materiálu (chemické složení, vlastnosti) * výkres součásti nebo výkres výkovku podle normy (ČSN 01 3058) nebo podle dohody * makrostruktura a směr vláken * požadavky na velikost zrna * požadavky na zkoušky (mechanické) a kontrolu * kontrola řízení kvality dle ISO 9002 1.2 Konstrukce nástrojů V další fázi se provádí konstrukce kovacích a předkovacích (či pomocných) nástrojů pro navržený typ tvářecího stroje. Jeho velikost je třeba ověřit výpočtem energeticko-silových parametrů (u lisu síla, u bucharu deformační práce). Při tom je nutné zohlednit vlastnosti kovaného materiálu, minimalizovat počet předkovacích operací a maximalizovat počet výkovků před renovací dutiny. Dílčí stádia jsou následující: * na základě výkresu součásti od zákazníka navrhnout výkres ideálního tvaru výkovku, tj. stanovit přídavky na obrábění a případné technologické přídavky, určit tolerance. * provést návrh dokovací dutiny: určit dělicí plochy (vnější, vnitřní), přidat úkosy, stanovit či kontrolovat minimální poloměry zaoblení, určit rozměry výronkové drážky, navrhnout vnitřní blánu pokud je zapotřebí, provést kontrolu. * určit hmotnost, tvar a rozměry přístřihu, stanovit počet předkovacích operací, dokončit výkres výkovku * provést konstrukci předkovacích dutin, kdy počet operací je omezen využitelnou plochou stroje a maximálním taktem kování * provést konstrukci pomocných nástrojů: šablony, děrovací a ostřihovací zápustky apod. Nechat si odsouhlasit zakázku odběratelem. 2. Filosofie konstrukce zápustek Zápustka je definována tvarem výkovku, který se liší od součásti především přídavky na obrábění a přídavky technologickými. Velikost přídavků na obrábění a velikost tolerancí je především dána jakostí kovaného materiálu, požadovanou přesnosti kování, základním tvarem výkovku, tvarovou složitostí výkovku, hlavními rozměry výkovku, hmotností výkovku a typem tvářecího stroje - viz příslušné normy. Nepřímo se zde podílí i použitý typ nářadí, způsob ohřevu a dodržení kovacích teplot. Technologické přídavky jsou dány především technologií kování tj. použitým tvářecím strojem, teplotou kování, zvoleným postupem kování, počtem tvářecích operací a konstrukcí zápustek. Zde je důležitá volba polohy výkovku v dutině zápustky (vodorovná, skloněná a pod.), volba umístění dělicí roviny, a to jak vnější při ostřihování výronku, tak i vnitřní v případě předkování otvorů. 1
Z hlediska správného toku materiálu pro získání kvalitního výkovku při minimálním namáhání a z hlediska opotřebení (životnosti) zápustky je také nutné dodržet minimální tloušťky dna, žeber, stěn a minimální poloměry zaoblení hran a přechodů. V případě kování s výronkem je zaplňování dutiny v konečné fázi (kromě tvaru předkovku) ovlivňováno typem a rozměry výronkové drážky. Hlavní faktory, které mají vliv na návrh tvaru výkovku a tedy i na konstrukci zápustky jsou stručně uvedeny v následující tabulce: Parametr materiál stroj rozměry výkovku tvarová složitost požadovaná přesnost poloha dělicí roviny tvar, rozměry výronku Vliv na - velikost přídavků na obrábění - hodnoty minimálních rozměrů - úkosy (přítomnost vyhazovačů) - dosažitelné min. poloměry i tloušťky - vnější tvar zápustek (kruhové, hranolovité) - způsob upínání a vedení zápustek - počet dílů zápustek (držáky) - min. poloměry zaoblení hran a přechodů - min. tloušťky stěn, dna - volba druhu a počtu předkovků - rozměry výronkové drážky - velikost přídavků na obrábění - tolerance - velikost přebytku materiálu - způsob tečení materiálu - velikost síly, energie - zaplnění dutiny - typ tvářecího stroje Podle typu stroje rozeznáváme jednodutinové zápustky, postupové zápustky či zápustkové vložky. V případě kování na bucharech je možné volit postupovou zápustku, nebo jednodutinovou zápustku. Při kování na vřetenových lisech se volí obvykle jednodutinové zápustky. Při kování na svislých klikových lisech se volí zápustkové vložky, které se upínají do držáku zápustek, obvykle jsou 3 pozice. Při kování na vodorovných kovacích lisech se používá speciální konstrukce, kde se zápustka skládá ze dvou částí (pevné a pohyblivé) a z lisovníku, který se pohybuje kolmo na dělicí plochu zápustek a uzavírá vlastní dutinu. Dutiny se vytvářejí do bloků. Velikost a tvar bloku je dán typem stroje a tvarem výkovku. V zásadě platí, že pro rotační a pseudo-rotační výkovky se používají se kruhové zápustky s obvodovým vedením a pro podlouhlé výkovky se používají hranolovité zápustky s vedením na kolíky. V případě kování na svislých kovacích lisech, kde se používají držáky zápustek, mohou být bloky jak hranolovité, tak i kruhové. Zde záleží hlavně na praxi dané kovárny. Velikost bloků je následně ovlivněna velikostí držáku bloků vlastního stroje a počtem a půdorysnou polohou vyhazovačů. Vlastní tvar dutiny je rovněž možné vytvářet do zápustkových vložek nebo jako vkládané trny, čímž se ušetří materiál vlastního bloku. Při obrábění tvaru je nutné zachovat jistou minimální tloušťku stěny zápustky, či minimální dosedací plochu v případě, že zápustky na sebe dosedají (bucharové zápustky). Při návrhu konstrukce začínáme s dokončovací dutinou, která odpovídá konečnému tvaru výkovku zvětšenému o velikost objemového smrštění. Pak navrhujeme předkovací dutiny, jejichž počet a tvar je rozhodující pro celkovou úspěšnost kování. Na závěr navrhujeme počáteční dutinu, která v případě rotačních výkovků často odpovídá pouze pěchovací operaci. 2
Přitom je nutné si uvědomit, že počet tvářecích operací je omezen využitelnou upínací plochou stroje a maximálním taktem kování. Při konstrukci zápustek je nutné současně volit hlavní rozměry zápustek, řešit vyhazování výkovků (je-li to nutné), řešit vedení zápustek, možnost jejich vložkování, stanovit způsob výroby zápustek a jakost opracování, volit materiál zápustek a stanovit konečné tepelné zpracování zápustek. Pro volbu materiálu zápustek a jeho tepelného zpracování je rozhodující jejich velikost a fakt, zda jsou určeny pro práci na bucharech či na lisech - tedy jejich tepelné a mechanické namáhání. V dalším textu se zaměříme na význam jednotlivých prvků a na volbu jejich hodnot. Pro úplnost je však stručně zmíněn i vliv materiálu výkovku a postup při návrhu tvaru výkovku, pokud máme k dispozici pouze výkres součásti. 2.1 Vliv materiálu Vliv kovaného materiálu je dán především jeho fyzikálními vlastnostmi (tepelnou vodivostí, tepelnou kapacitou, teplotovou vodivostí atd.), dále vlivem teploty, stupně deformace a rychlosti deformace na jeho přetvárnou pevnost a na tvařitelnost. Materiál má tedy vliv především na velikost síly a práce, tedy na velikost daného tvářecího stroje. Volba typu stroje je ovlivněna rychlostí pohybu nástroje, tedy výslednou rychlostí deformace. Z hlediska konstrukce zápustky má důležitý vliv tvařitelnost daného materiálu. Obecně platí, že s klesající tvařitelností dochází ke zvětšování doporučených minimálních velikostí úkosů, minimálních poloměrů zaoblení či minimálních tloušťek. V případě návrhu předkovku se rovněž zvětšují příslušné poměrné hodnoty poloměrů zaoblení či tloušťek stěn. Obvyklé rámcové pořadí od nejnižších hodnot k nejvyšším je: hliník a jeho slitiny, uhlíkové a nízkolegované oceli, titanové slitiny, žáruvzdorné slitiny. 3. Postup návrhu tvaru výkovku Při návrhu tvaru výkovku podle výkresu součásti vycházíme z kovaného materiálu, požadované přesnosti výroby a z požadované sériovosti. Pokud při návrhu konstrukce zápustek vycházíme přímo z výkresu výkovku je třeba dále uvedené hodnoty kontrolovat, pokud není dohodou stanoveno jinak. Sled činností při návrhu tvaru výkovku je následující: * stanovit přídavky na obrábění * stanovit polohu dělicí roviny (dělicích rovin) * stanovit technologické přídavky * stanovit hodnoty úkosů * stanovit minimální hodnoty zaoblení hran a přechodů * stanovit minimální tloušťky stěn, dna a blány * stanovit tolerance (úchylky) rozměrů a tvarů výkovků 3.1 Určení přídavků na obrábění Přídavky na obrábění jsou nutné hlavně z hlediska požadované rozměrové a tvarové přesnosti a dosažení požadované kvality povrchu výkovku. Dle ČSN 42 9030 se stanoví jako přídavky na plochu, která se má obrábět. V případě, že se obrábí průměr, nebo jiná tvarová část po obvodě je nutno danou hodnotu zdvojnásobit. Přídavky na obrábění jsou obvykle stejné pro všechny rozměry výkovku. Jejich velikost se určuje podle * jakosti kovaného materiálu (určuje stupeň tvařitelnosti) * největších rozměrů hotového výrobku * požadované přesnosti provedení V našich kovárnách se kromě ČSN 42 9030 z roku 1986 s přihlédnutím k ČSN 42 0271 dříve používala norma ČSN 42 0277 a návrh ČSN 42 9030 z roku 1972. Dále se používají normy DIN 7526 a DIN 7523. 3
3.1.1 Určení přídavků na obrábění podle ČSN 42 9030 a) Vliv jakosti kovaného materiálů Pro kování ocelových zápustkových výkovků norma uvádí 5 stupňů tvařitelnosti ocelí (2 až 5). Čím je číslo vyšší, tím je tvařitelnost horší. Uvedené přídavky na obrábění a mezní úchylky rozměrů a tvarů (viz kap.3.7) platí pro stupně tvařitelnosti do 3 včetně. Pro stupeň tvařitelnosti 4 je nutné uvedené hodnoty zvýšit o 20%. Pro stupeň tvařitelnosti 5 (a vyšší) je uvedené hodnoty nutné zvýšit o 40%. V informační příloze normy ČSN 42 9030 je uveden přehled ocelí s vyššími stupni tvařitelnosti. V případě kování výkovků z neželezných kovů platí ČSN 42 9240. b) Vliv požadované přesnosti výroby Normy rozlišuje přesnost provedení na: obvyklé ČSN 42 9030.1, přesné.2, velmi přesné.3 a podle dohody.9. Přídavky pro obvyklé provedení jsou v tab.1, pro ostatní případy viz ČSN. Tab.1. PŘÍDAVKY NA OBRÁBĚNÍ PLOCH PRO OBVYKLÉ PROVEDENÍ Rozměry v mm Největší průměr, Největší výška hotového výrobku střední hodnota šířky a délky výrobku ve přes 25 40 63 100 160 směru kolmo k rázu do 25 40 63 100 160 250 přes do Přídavky na obrábění ploch 25 1,5 1,5 2,0 2,0 2,0 25 40 1,5 2,0 2,0 2,0 2,5 2,5 40 63 2,0 2,0 2,0 2,5 2,5 2,5 63 100 2,0 2,0 2,5 2,5 2,5 3,0 100 160 2,0 2,5 2,5 2,5 3,0 3,5 160 250 2,5 2,5 2,5 3,0 3,5 3,5 250 400 2,5 2,5 3,0 3,5 3,5 4,0 3.2 Volba polohy a tvaru dělicí roviny Dělicí rovinou se rozumí rovina, která rozděluje zápustku na jednotlivé díly tak, aby bylo možné výkovek vyjmout z dutiny zápustky. Poloha dělicí roviny vzhledem k výkovku může být buď ve směru hlavní osy výkovku, nebo kolmo na hlavní osu výkovku. Podle tvaru výkovku může být dělicí rovina přímá, lomená, zakřivená v jednom či ve více směrech. Dále rozeznáváme vnější a vnitřní dělicí rovinu. Vnější dělicí rovinou se obvykle rozumí rozhraní mezi horní a dolní polovinou zápustky. Do vnější dělicí roviny, v případě kování s výronkem, vytéká přebytečný materiál, který je bržděn můstkem výronkové drážky. V případě kování na energetických strojích je to obvykle rovina styku, při kování na zdvihových strojích to je polovina vzdálenosti mezi horní a dolní zápustkou v dolní úvrati. Vnitřní dělicí rovinu určujeme při kování tvarových výkovků, když se předkovávají otvory s následným děrováním. V této rovině (ploše) je umístěna vnitřní blána. Poloha blány se volí běžně uprostřed výšky otvoru. Nedoporučuje se volit polohu vnitřní blány ve stejné výškové úrovni jako rovinu vnějšího výronku. Obvykle je vnitřní dělicí rovina byla přesazena vůči vnější směrem dolů. Otvory se předkovávají pouze pokud je průměr otvoru větší než 10 mm. Vnitřní dělicí rovina je tedy dána polohou vnitřní blány. 4
Vnitřní blána může sloužit i jako výronková drážka pro případ kování s vnitřním výronkem. V případě bezvýronkového kování zde může být umístěna kompensační dutina. Tloušťka vnitřní blány má být větší než je nejmenší tloušťka dle ČSN 42 9030 viz. kap3.5. Volba polohy dělicí roviny (vzájemná poloha vnější a vnitřní dělicí roviny) ovlivňuje především tok materiálu v dutině zápustky a tím významně přispívá k průběhu vláken v konečném tvaru. Nejdůležitější zásadou je zde, aby směr vláken sledoval předpokládaný směr maximálního tahového napětí, zatím co maximální smyková napětí by měla být kolmo ke směru vláken. Vhodnou volbou polohy lze docílit tok kovu převážně vytlačováním než šířením, čím se ovlivní jak rozměry výronkové drážky, tak i spotřeba materiálu. Poloha dělicí roviny dále ovlivňuje velikost úkosů. Změnou polohy dělicí roviny lze dosáhnout i zvýšení korozní odolnosti v případě kování výkovků z Al slitin, neboť zde nedochází k přerušení vláken při děrování či ostřižení. 3.3 Určení technologických přídavků Do kategorie technologických přídavků spadá zaplnění jemných tvarů (drážky, ozubení, boční dutiny a pod.) součásti, které nelze zvolenou technologií kování vyrobit. Dále sem patří i úkosy, které jsou nutné pro vyhození výkovku z dutiny zápustky, poloměry zaoblení a pod. Tyto přídavky lze v případě vysoké sériovosti či požadované přesné výroby zmenšit, případně úplně odstranit, a to změnou technologie kování a/nebo speciální konstrukcí nástrojů. 3.4 Volba úkosů Úkosy se dělají na plochách ve směru rázu, obvykle svislých. Jejich funkcí je umožnit vyjmutí výkovku z dutiny, ale znamenají materiál navíc a ovlivní velikost bočních tlaků. Dají se eliminovat vhodným umístěním dělicí roviny, případně změnou polohy výkovku, tj. jeho nakloněním. Z hlediska velikosti je snaha udělat je co nejmenší, neboť znamenají vyšší spotřebu materiálu. Pokud má stroj vyhazovače, či dělenou zápustku (obvykle lisy), pak mají úkosy nižší hodnoty. U zápustek pro buchary, obvykle bez vyhazovačů, mají úkosy vyšší hodnoty. Rozlišujeme vnější a vnitřní úkosy. Vnější zápustkový úkos je ten, u kterého vzniká při chladnutí vůle mezi povrchem výkovku a stěnou dutiny zápustky. Vnitřními úkosy je výkovek přitlačován při chladnutí ke stěně zápustky. Obecně se doporučuje, aby vnitřní úkosy byly větší než vnější, neboť se tím usnadní vyjímání výkovku z dutiny. Výkovek při chladnutí se smršťuje a lépe se uvolní v případě většího vnitřního úkosu. Pro hluboké dutiny se volí nižší hodnoty úkosů, než pro mělké dutiny, pro předkovací dutinu se někdy volí vyšší hodnoty než pro dokončovací dutinu. S rostoucí přesností klesá hodnota úkosů. V některých případech lze použít i bezúkosové kování. To vyžaduje speciální konstrukci dělené zápustky a/nebo použití vyhazovačů (dle typu stroje) nebo stěračů (dle konstrukce zápustky). Současně často dochází ke zvýšení počtu předkovacích operací. Při volbě úkosů je nutno při konstrukci brát ohled i na následnou renovaci nářadí po opotřebení. V případě malých hodnot úkosů je třeba zápustku hodně snížit, což znamená nízké využití bloku. Toto je možné řešit vložkováním nebo navařováním. 3.4.1 Velikost úkosů Velikosti úkosů se běžně udávají v intervalech 0º, 1º, 3º, 5º, 7º a 10º. Horní hranice jsou obvykle navrhovány výrobcem, zatím co zákazníci požadují dolní hranice. Dle ČSN 42 9030 se pro lisy s vyhazovačem volí hodnoty vnějších úkosů 2 až 3 a vnitřních 3 až 5. Pro buchary se volí hodnoty 7 a 10. 3.5 Volba (kontrola) minimálních tloušťek Jedná se zde o tloušťky následujících elementů: žebra, výstupky, stěny, dna. Žebra a výstupky jsou konstrukčními prvky výkovku, které vystupují ze dna výkovku a jsou obvykle umístěny ve směru rovnoběžném s pohybem beranu. Žebra mohou být jen jako výztužná nebo 5
plně funkční. Žebro po obvodu výkovku se nazývá přírubou, středový výstupek u rotačních výkovků se nazývá náboj, část dna mezi nábojem a přírubou kola se nazývá diskem. Dnem výkovku se obvykle rozumí základní deskovitá část výkovku, která spojuje ostatní prvky a obvykle je umístěna v dělicí rovině výkovku kolmo ke směru pohybu beranu. Dno může být skloněné, lomené či jinak zakřivené. Požadavek minimální tloušťky žeber, výstupků či dna je dán hlavně velikostí vznikajících tlaků a/nebo možností jejich vyplnění (zatečení) materiálem. Velikost minimálních hodnot je ovlivňována druhem tvářeného materiálu, způsobem toku materiálu do žebra, faktem, zda tok materiálu je omezen blízkostí dalších žeber či neomezen, požadovanou přesností (s rostoucí přesností výkovků jsou minimální tloušťky nižší) a celkovou tvarovou složitostí výkovku. Obr.1 Tloušťka stěny s a dna H 1 Význam stanovení minimální tloušťky tedy spočívá především - v zabezpečení požadované tuhosti - v docílení co nejpřesnějšího tvaru - v docílení co největší životnosti zápustky - v docílení co nejnižší spotřeby materiálu Pro určení minimální tloušťky viz. obr.1 je možné využít tab.2 dle ČSN 42 9030, která slouží jako směrnice pro konstrukci výkovku a pro stanovení přesahu u výkovků. Rozměr D je maximální průměr výkovku (pro rotační výkovky), rozměr B je největší šířka výkovku (pro podlouhlý výkovek). Uvedené rozměr jsou v mm Tab.2 Nejmenší tloušťka dna, blány, disku H 1 a stěny s výkovku dle ČSN 42 9030 Největší rozměr výkovku ve směru kolmo k rázu (D, B) Největší výška výkovku H přes 10 20 40 63 100 do 10 25 40 63 100 160 přes do Nejmenší tloušťka dna, blány H 1 a stěny s 40 4 5 6 7 9 40 63 5 5 6 7 9 11 63 100 5 6 7 9 11 13 100 160 6 7 9 11 13 15 160 250 8 9 11 13 15 17 250 400 10 13 15 17 20 25 3.6 Volba (kontrola) poloměrů zaoblení Stýkající se povrchy u výkovků jsou prostorově spojeny obecně zakřivenými plochami, které jsou v příčném řezu definovány poloměrem zaoblení. Poloměry zaoblení se definují jako vnější (poloměr zaoblení hran, označení "r") pokud vnější úhel dvou stýkajících se ploch je větší než 180º, nebo jako vnitřní (poloměr zaoblení přechodů, označení "R") pokud vnější úhel mezi plochami je menší než 180º. Dále se dělí na vertikální nebo horizontální. Pokud spojují dno a vertikální žebro, pak jsou horizontální a vytváří se ve směru dělicí roviny. 6
Pokud spojují dvě protínající se žebra, pak jsou vertikální a vytváří se ve směru pohybu beranu. Poloměry zaoblení v dutině zápustky jsou opačného charakteru. Poloměry zaoblení zvyšují odolnost výkovků proti mechanickému namáhání, neboť redukují velikost úroveň napětí v oblasti koncentrace napětí, ke které dochází v oblasti ostrých přechodů. Obr.2 Vnější (r) a vnitřní (R) poloměry zaoblení Vliv vrubu klesá s rostoucím poloměrem zaoblení. Pro danou velikost zaoblení je vliv vrubu nižší, pokud je tvar na čisto vykovaný, než když je mechanicky obroben. Vykovaná zaoblení jsou odolnější proti korozi, vlákna materiálu jsou nepřerušena. Poloměry zaoblení mají dále vliv na způsob toku materiálu do dutiny a její zaplňování, kdy příliš malé poloměry přechodu R mohou mít za následek vznik přeložek. Na druhé straně ale znamenají větší opotřebení hran zápustek či trnů. Příliš malé poloměry hran na výkovku r vyžadují větší tlaky na zaplnění dutiny zápustky a tím zvyšují celkovou kovací sílu. Malé vnitřní poloměry zaoblení u zápustek zvyšují pak koncentraci napětí v místech přechodu a možnost vzniku únavových lomů. Malé poloměry zaoblení však snižují spotřebu materiálu. 3.6.1 Hodnoty poloměrů zaoblení Z uvedených důvodů se v normách a kovárenských příručkách uvádějí jako doporučené minimální hodnoty poloměrů zaoblení hran a přechodů. Jejich velikost se obvykle udává v závislosti na kovaném materiálu, na typu kovacího stroje, na hloubce dutiny a na poměru hloubky dutiny h (výšce výkovku) k šířce f v přilehlé části otvoru (vybrání) viz.obr.2. Další vlivy jsou použitá technologie kování a/nebo konstrukce zápustek. Důležité zde je především zajistit takové vyplňování dutiny, aby nedocházelo ke vzniku vad, obvykle typu přeložek. Omezujícím faktorem může být i povolené opotřebení dutin v přípravných či dokončovacích dutinách zápustky. Hodnoty poloměrů zaoblení jsou uvedeny v tab.3. Tab.3 Zaoblení hran r a přechodů R výkovků dle ČSN 42 9030 Výška (hloubka) Poloměry zaoblení hran a přechodů při poměru h h /f 2 2 < h /f 4 h / f > 4 Přes do r R r R r R 25 2 6 2 8 3 10 25 40 3 8 3 10 4 12 40 63 4 10 4 12 5 20 63 100 5 12 6 20 8 25 Hodnoty zaoblení hran r platí pro neobráběné hrany výkovku. Pro obráběné hrany výkovku se limitní hodnota r stanoví z podmínky zachování přídavku na obrábění v oblasti hrany. Hodnoty zaoblení přechodů R platí pro neobráběné přechody na výkovku a pro stanovení technologického přídavku pro obráběné přechody na výkovku. Z hlediska použité technologii kování ovlivní volbu poloměrů zaoblení rovněž povolené opotřebení dutiny, ať již u přípravných operací, nebo na hotovém výkovku. V případě přesného kování je snaha přenést opotřebení do přípravných dutin a v dokončovací dutině 7
počítat s řízeným nezaplněním dutiny (odpovídá poloměru zaoblení hrany výkovku), nebo s kalibrací poloměru zaoblení přechodu na výkovku. 3.7 Mezní úchylky a tolerance rozměrů a tvarů výkovků Pro stanovení mezních úchylek a tolerancí rozměrů a tvarů výkovků se používá norma ČSN 42 9030 s přihlédnutím k ČSN 42 0271 a ČSN 42 9002. Mezní úchylky a tolerance rozměrů výkovků se stanoví podle tvarové složitosti (ČSN 42 9002) a podle stupně přesnosti výkovku z největších rozměrů výkovku ve směru kolmo k rázu a ve směru rázu. U nerotačních tvarů je největší rozměr výkovku ve směru kolmo k rázu definován střední hodnotou součtu největší šířky a délky výkovku. Nově se rovněž používají normy ČSN EN 10243-1, 10243-2, které stanoví mezní úchylky rozměrů pro ocelové zápustkové výkovky. 1.část (10243-1) platí pro výkovky kované na bucharech a svislých kovacích lisech, 2.část platí pro výkovky pěchované na vodorovných kovacích lisech. Tyto normy vychází z normy DIN 7526 s přihlédnutím k DIN 7523. Pro stanovení mezních úchylek rozměrů a tvaru se vychází z následujících údajů * jakost kovaného materiálu (určuje obtížnost kování) * stupeň přesnosti kování * největší rozměry výkovku * tvarová složitost výkovku (členitost či složitost tvaru) V případě norem EU se bere v úvahu navíc * typ kovacího stroje (buchar a lisy, vodorovné kovací lisy) * hmotnost výkovku (pěchované a nepěchované části výkovku) * tvar dělicí plochy (rovná, symetricky a nesymetricky prohnutá) 3.7.1 Tolerance rozměrů a tvarů výkovků dle ČSN 42 9030 Při stanovení tolerancí rozměrů výkovků rozlišujeme mezní úchylky rozměrů a úchylky tvarů. Mezní úchylky rozměrů jsou úchylky rozměrů od jmenovitých rozměrů výkovků, kde tolerance je dána součtem absolutních hodnot dolní a horní úchylky. Úchylky tvaru výkovků zahrnují úchylky od požadovaného geometrického tvaru výkovku, a to: přesazení, otřep a prohnutí. Při stanovení mezních úchylek a tolerancí rozměrů výkovků se vychází ze stupně přesnosti výkovku a z největších rozměrů výkovku ve směru kolmo k rázu a ve směru rázu podle tab.t8 až 12 (ČSN 42 9030). U rotačních tvarů se jedná o největší průměr výkovku D a největší rozměr výkovku H ve směru rázu (výška výkovku). U nerotačních tvarů je největší rozměr výkovku ve směru kolmo k rázu definován střední hodnotou součtu největší šířky a délky výkovku. Stupně přesnosti výkovku (norma rozlišuje stupně přesnosti 3 až 7) se určují podle přesnosti provedení (obvyklé, přesné a velmi přesné) a podle složitosti tvaru výkovku, která je dána ČSN 42 9002 - viz tab.t7 (ČSN 42 9030), případně dohodou se zákazníkem. Hodnoty mezních úchylek udávané v tabulkách platí pro vnější rozměry. Z celkové tolerance jsou 2/3 mezní plusová úchylka a 1/3 mezní minusová úchylka. Pro vnitřní rozměry platí tytéž hodnoty ale s opačnými znaménky. Hodnoty mezních úchylek zaoblení přechodů R a hran r jsou dány tab.t13 (ČSN 42 9030). V případě stanovení úchylek tvaru výkovků se setkáváme s pojmy: přesazení: rozměr, o který jsou body po jedné straně dělicí plochy posunuty oproti odpovídajícím bodům na druhé straně dělicí plochy ve směru rovnoběžném s hlavní dělicí plochou otřep: zbytek výronku, který může zůstat na výkovku sestřižení: stopa na výkovku po ostřihovacím nástroji jehla: ostří, které může vzniknou na okraji střižné plochy dovolený průhyb: úchylka střední přímky výkovku od roviny úchylka rovinnosti: úchylka povrchové plochy výkovku od roviny 8
Další použité pojmy jsou: souosost kovaných otvorů, souosost děrovaných otvorů, stopy po vyhazovačích, netvářená část výkovku. Jejich definice je dána normou a je patrná z připojených obrázků. Hodnoty dovoleného přesazení (p), dovoleného otřepu a sestřižení (g) jsou rovny mínusové mezní úchylce stanovené pro daný výkovek a daný rozměr z úchylek kolmo k rázu. Hodnota dovolené jehly (a) je rovna plusové mezní úchylce rozměru daného výkovku ve směru rázu. Dovolený průhyb a mezní úchylka rovinnosti je rovna mínusové mezní úchylce stanovené pro daný výkovek tepelně nezpracovaný. U výkovků s netvářenou části je možné hodnotu průhybu zvětšit. Dovolený průhyb a mezní úchylka rovinnosti se připočítávají k ostatním mezním úchylkám. Platí, že součet všech úchylek pro daný rozměr nesmí přesáhnout minimální přídavek na opracování. Dovolená úchylka souososti kovaných otvorů je rovna hodnotám přesazení. Dovolená úchylka souososti děrovaných otvorů je rovna dvojnásobku hodnotě přesazení. 3.8 Výkres výkovku Výkres výkovku musí obsahovat všechny nezbytné rozměry a řezy nutné pro konstrukci dané dutiny zápustky. Rozměry na výkrese výkovku musí obsahovat všechny úchylky rozměrů a tvarů, pokud nejsou uvedeny samostatně jako hodnoty platné pro celý výkovek. Doporučený zápis hodnot platných pro celý výkovek je uveden v tab.14 (ČSN 42 9030) Hmotnost výkovku podle ČSN 42 9030 se stanoví výpočtem nebo vážením. Při výpočtu se vychází z měrné hmotnosti příslušného materiálu a z jmenovitých rozměrů výkovku. U vnějších rozměrů přičítáme polovinu horní mezní úchylky, u vnitřních rozměrů odečítáme polovinu dolní mezní úchylky. 4 Konstrukce dokončovací dutiny Tvar dokončovací dutiny odpovídá rozměrům výkovku, které jsou zvětšené o velikost smrštění. Velikost smrštění přitom nemusí být ve všech směrech stejná, zejména u výrazně podlouhlých výkovků se hodnota smrštění ve směru hlavní osy volí větší. Všechny rozměry dokončovací dutiny přesahující 10 mm se zvětší vůči jmenovitým rozměrům výkovku o hodnoty smrštění. Smrštění se nevztahuje na spojovací poloměry zaoblení. Doporučené hodnoty smrštění v % pro jednotlivé třídy materiálů jsou uvedeny v tab. 4. Tab.4 Hodnoty smrštění v % u jednotlivých tříd materiálů dle ČSN 22 8306. běžné oceli ložiskové oceli austenitické oceli mosaz slitiny Al Al bronzy 1,0 až 1,3 1,5 1,5 až 2,0 1,0 až 1,7 0,6 až 1,0 1,0 až 1,3 Při stanovení konečné hodnoty smrštění je nutné uvažovat i vliv teploty výkovku a tvaru výkovku. Při kování v oblasti minimálních kovacích teplot se hodnoty smrštění berou až o 1/3 nižší. U největších délkových rozměrů podélných výkovků (ojnice, páky) se hodnota smrštění zvětšuje až o 50%. U běžných ocelí je to maximálně 1,8%. V případě zařazení operace kalibrování se může návrh dokončovací dutiny lišit. Záleží zda se jedná o objemovou kalibraci, nebo pouze o zvýšení přesnosti vybraných rozměrů např. za účelem definování upínacích rozměrů. Tyto rozměry jsou pak v dokončovací dutině zvětšeny, aby zde mohla kalibrace proběhnout. Pro zvýšení životnosti zápustek se u vnějších rozměrů dokovací dutiny mohou využívat minusové mezní úchylky výkovku. U vnitřních rozměrů se mohou využívat plusové mezní úchylky výkovku. U rozměrů hloubek lze využívat plusové mezní úchylky. V současné době při využívání CAD programů se může použít i alternativní postup. Nejprve se vymodeluje (převezmou se data od zákazníka) tvar studeného výkovku a rozměry 9
dutiny zápustky se získají matematickým přepočtem pro zadaný koeficient smrštění, který je možné volit pro všechny 3 osy stejný nebo různý. Dále je tvar dutiny doplněn o výronkovou drážku, která může být dle okolností jen vnější, vnější a vnitřní, jen vnitřní, nebo může chybět úplně. Výronková drážka je umístěna v dělicí ploše. V případě, že výkovek má otvory, které se předkovávají, je nutné doplnit tvar dokončovací dutiny o vnitřní blánu. 5 Výronková drážka Výronková drážka je mezera, která vzniká v dělicí rovině mezi zápustkami. Při kování na energetických strojích navrhujeme drážku současně se zápustkou. Při kování na zdvihových strojích je výška můstku s dána dolní úvratí stroje. Výronková drážka má můstek a zásobník. Můstek plní funkci regulátoru tlaku v dutině zápustky. Čím je výkovek tvarově složitější, tím větší musí být odpor ve výronkové drážce proti vytékání materiálu. To znamená zvětšit šířku můstku b a/nebo zmenšit výšku můstku s. Vytváření výronku je dále ovlivňováno celkovým přebytkem materiálu a polohou vnější dělicí roviny vůči vnitřní, neboť se tím změní charakter tečení kovu v dutině. Do zásobníku odchází přebytečný materiál, daný technologií a nepřesnostmi při dělení materiálu. Rozměry se liší dle typu tvářecího stroje a způsobu provedení. Zásobník je charakterizován plochou příčného řezu a stupněm zaplnění. 5.1 Geometrie výronkové drážky Nejdůležitější je tvar a rozměry můstku výronkové drážky. Pro plochý tvaru se volí výška můstku s a šířka můstku b, případně poměr b/s. Pro tvarově nejnáročnější výkovky se volí tvar radiálně-axiální. V případě kování na zdvihových strojích, kde výška s je dána polohou horní zápustky v dolní úvrati, se doporučuje rozmezí s min až s max dané požadovanou přesností kování a jmenovitou silou kovacího lisu. Přesné určení je složitější, neboť se zde uplatňuje odpružení dané tuhostí nosné soustavy. Výškové rozměry výkovku při kování na kovacích lisech mohou kolísat během kování v závislosti na technologických podmínkách kování. Tvar a rozměry výronkové drážky se liší podle typu kovacího stroje, kovaného materiálu, tvarové složitosti výkovku, jeho rozměrů, hmotnosti a podle způsobu tečení materiálu v zápustce. Často rozhodují zvyklostí v jednotlivých kovárnách dané sortimentem kovaných výkovků. Základní údaje o tvaru a rozměrech výronkových drážek podle typu stroje jsou uvedeny v ČSN 22 8306 až 22 8309. 5.1.1 Kování na energetických strojích Pro kování ocelových výkovků na bucharech dle ČSN 22 8308 a na vřetenových lisech dle ČSN 22 8309 platí dále uvedené vztahy, kdy získané hodnoty je nutné vhodným způsobem zaokrouhlit s = (0,015 0,012). kde 0,015 platí pro malé a 0,012 platí pro velké výkovky (u vřetenových lisů 0,013) Hodnotu b/s volíme podle způsobu toku materiálu, a sice pro pěchování platí b/s = 0,58 + 131. D V -0,72 pro šíření platí b/s = 0,15 + 82. D V - 0,57 pro vytlačování platí b/s = 1,14 + 190. D V -0,74 kde S V D V průmět plochy výkovku průměr výkovku. S v 10
5.1.2 Kování na svislých kovacích lisech Dle normy ČSN 22 8306 jsou rozměry můstku pro svislé klikové lisy závislé na jmenovité síle lisu. Doplněné vztahy jsou v tab.5, kde menší hodnoty s, b platí pro přesné kování Tab. 5. Rozměry můstku výronkové drážky pro svislé kovací lisy F j [MN] s [mm] b [mm] 2,5 1 1,5 3 5 6,3 1 2 3 7 10 1,5 2,5 4 7,5 16 2 3 5 8 25 2,5 4 6 10 31,5 2,5 4,5 6 11 40 3,5 5,5 7 12 63 4,5 8 9 15 Katalog firmy ŠMERAL, výrobce tvářecích strojů, uvádí nomogram pro volbu s [mm] v závislosti na průměru výkovku D V [mm] a na hmotnosti polotovaru G 0 [kg]. Regresní analýzou byl z tohoto nomogramu odvozen vztah s = 0,1725. G 0 0,16. D V 0,5 Do vztahu je nutné dosazovat G 0 v [kg] a D v v [mm] abychom výšku s dostali v [mm]. Po vynásobení vypočtené či odečtené hodnoty výšky s zvoleným poměrem b/s dostáváme šířku můstku b. Tato metodika tedy již přihlíží ke skutečnosti, že pro dva výkovky o stejné ploše průmětu do dělicí roviny bude zapotřebí větší tvářecí síla pro výkovek o menší střední výšce (nižší hmotnosti), což znamená zvýšit odpor a tedy snížit s. Hodnotu výšky s vynásobíme zvoleným poměrem b/s a dostaneme šířku můstku b. V katalogu se doporučuje hodnota 3. 5.1.3 Kování na vodorovných kovacích lisech Dle ČSN 22 8307 je u těchto lisů nutné přebytek materiálu co nejvíce omezit, aby výronek byl minimální. Výronek volíme buď axiální (podélný), který se musí odstraňovat obráběním, nebo radiální (příčný), který se ostřihuje přímo v postupové zápustce na lisu. Výška můstku s se volí pro oba druhy výronku podle jmenovité síly vodorovného kovacího lisu, a to: Tab.6 Rozměry výšky můstku pro kování na vodorovných kovacích lisech F j [MN] 0,5 2 5 8 10 12 20 30 s [mm] 0,8 1 1 1,5 1,5 2 2 2,5 2,5 3 2,5 3 3 3,5 3,5 4 Rozměr šířky můstku se volí v závislosti na maximálním průměru výkovku podle vztahů (rozměry jsou v mm) b = 0,15. D v pro axiální výronek b = 0,04. D v + 3 pro radiální výronek Maximální šířka radiálního výronku, se kterou se počítá při výpočtu kovací síly, je pak dána vztahem b = 0,05. D v + 5 6 Konstrukce předkovací dutiny Návrh geometrie předkovací dutiny a předkovku je nejkritičtější fází konstrukce zápustek. Předkovací operace mají za účel odpovídajícím způsobem rozdělit materiál v předkovací dutině tak, aby bylo dosaženo následujících požadavků: 11
- vyplnění dokončovací dutiny bez vzniku kovářských vad (např. zákovků) - snížit spotřebu materiálu, který je ztracen jako výronek - snížit opotřebení zápustky tím, že se co nejvíce omezí tok materiálu v dokončovací dutině - zabezpečit stupeň deformace a směr vláken tak, aby výkovek měl požadované vlastnosti Při návrhu tvaru předkovku se vychází z konečného tvaru výkovku, kdy platí tyto zásady: 1) Plocha příčného řezu předkovkem se musí rovnat ploše příčného řezu výkovkem se zahrnutím přebytku materiálu, který přejde do výronkové drážky (pro rotační výkovek to bude osový řez, pro podlouhlý výkovek řez kolmo na hlavní osu). 2) Vnitřní a vnější poloměry zaoblení u předkovku musí být větší než odpovídající poloměry zaoblení na výkovku. 3) Pokud je to prakticky možné, pak všechny rozměry výkovku ve směru kování by měly být větší než odpovídající rozměry výkovku. Tím se dosáhne toho, že přetvoření se děje převážně pěchování nikoliv vytlačováním, což znamená menší opotřebení a nižší tvářecí síly. 4) Tloušťka žebra u předkovku se volí menší než u výkovku. 5) Úkosy na předkovku zhruba stejné jako na výkovku, v případě hlubokých dutin se dělají úkosy u předkovku větší. 6) Větší tloušťka dna (stěny) předkovu se volí v případě, že plocha dna (stěny) je relativně malá a výška sousedního žebra (stěny) je velká. 7) V případě kování na klikových lisech se doporučuje volit výškové rozměry předkovku s ohledem na kovací sílu, kde se uplatní vliv tzv. odpružení lisu. V tomto případě předkovací operace většinou potřebují nižší kovací sílu oproti dokovací, a tedy rozdílné rozevření nářadí způsobí objemové změny mezi jednotlivými operacemi. Pozn.: Někdy se v předkovací dutině vyžaduje mírný přebytek materiálu (1 až 2%) z hlediska bezpečného vyplnění např. při nedodržení teploty, špatného ustavení či nižší hmotnosti nástřihu. 6.1 Hodnoty změn rozměrů předkovku Dle praxe některých kováren platí, že na základě konečného tvaru výkovku se volí rozměry tvaru předkovku podle následujících doporučení: - průměry na vnitřních úkosech zvětšit o 1 mm - průměry na vnějších úkosech snížit o 1 mm - objem předkovku se pohybuje od 1.05 až po 1.15 násobek objemu hotového výkovku - při kování na bucharu poloměry zaoblení přechodů zvětšit o 3 mm, u hran o 1 mm - při kování na lisu poloměry zaoblení přechodů zvětšit o 3 mm, u hran beze změny Obr.3 Označení poloměrů zaoblení Tab.7 Hodnoty poloměrů zaoblení přechodů pro předkovek H < 10 R p = R f + 2 H = 20 až 50 R p = R f + 4 H = 10 až 25 R p = R f + 3,2 H > 50 R p = R f + 5 Při kování uhlíkových ocelí není u předkovku výronek. Poloměr zaoblení hrany předkovku při přechodu do dělicí roviny R p závisí na hloubce přilehlé dutiny H r a na poloměru zaoblení hrany R f zápustky v místě přechodu do můstku výronkové drážky. Rozměry poloměrů jsou v mm. 12
6.2 Konstrukce předkovací dutiny Mezní úchylky rozměrů předkovací dutiny jsou přibližně dvojnásobné vzhledem k mezním úchylkám dokončovací dutiny. 7. Rozměry a konstrukce zápustek Při stanovení rozměrů dutin v zápustce se vychází z hodnot smršťování materiálu výkovku, z tolerance výkovku a z mezních úchylek výkovku. Vliv smrštění byl popsán v kap.4. Na stanovení rozměrů zápustky má vliv: - rozměry výkovku včetně výronku - jakost materiálu výkovku - minimální vzdálenost dutiny od okraje zápustky - hloubka dutiny - minimální vzdálenosti mezi jednotlivými dutinami - předpokládaný počet obnov - upínací možnost tvářecího stroje (držáku zápustek) - velikosti dosedacích ploch (pro energetické stroje) - vedení zápustek Základní rozměry zápustek jsou dány typem stroje a jeho velikostí. Pro návrh konstrukce zápustek platí podle typu tvářecího stroje normy ČSN dále uvedené. V těchto normách jsou podrobné pokyny jak pro jednotlivé výpočty, tak i pro vedení, vložkování, volbu rozměrů a opracování. Dále jsou normy týkající se upínání zápustek (ČSN 21 1410 až ČSN 21 1414), norma ČSN 21 1416 pro dopravní kolíky a otvory. V těchto normách jsou rovněž uvedeny doporučené rozměry bloků zápustek, kruhové či hranolovité. Výběr z těchto norem je též obsažen v doporučené literatuře k tomuto tématu. 7.1 Kování na bucharech (ČSN 22 8308) Při kování na bucharech je třeba z hlediska velikosti zápustkových bloků a způsobu upínání zápustek.rozlišit kování na šabotových bucharech a na protiběžných bucharech. Běžná praxe u podélných tvarů je používání postupových zápustek, kde jsou jak předkovací dutiny, tak i dutina dokovací. Pokud nelze z nějakých důvodů, nejčastěji rozměrových, předkovací dutiny umístit do stejné zápustky, musí se zajistit předkování jiným způsobem: předkovací buchar pro volné kování, kovací válce, příčné klínové válcování. 7.2 Kování na vřetenových lisech (ČSN 22 8309) Jedná se rovněž o energetické stroje jako jsou buchary. Rozdíly v konstrukci zápustek vzhledem k bucharovým zápustkám jsou hlavně ve způsobu upínání a počtu dutin. Pro vřetenové lisy se zápustky zásadně konstruují jako jednodutinové a je snaha tvářet v jediném úderu, maximálně ve dvou úderech. 7.3 Kování na svislých kovacích lisech (ČSN 22 8306) Při kování na svislých kovacích lisech se jednotlivé dutiny zhotovují obvykle do vložek, které jsou nalisovány do hranolovitých zápustek a ty se upínají do zápustkového držáku (ON 21 1420). Obvyklý počet zápustek v držáku je 3. Rovněž je však možné používat kruhové zápustky záleží zde na typu používaného držáku zápustek. 7.4 Kování na vodorovných kovacích lisech (ČSN 22 8307) Základním rozdílem zde je, že existuje tzv. pěchovací zápustka, která se skládá ze dvou částí (horní-spodní, nebo levá-pravá podle typu vodorovného kovacího lisu) a několika lisovníků (předkovací, dokončovací, ostřihovací, děrovací, ohýbací), které se upínají do zvláštního držáku uchyceného v upínacím prostru beranu. 13