Tváření kovů za studena

TL;DR: Rychlý přehled tváření kovů za studena

Tváření kovů za studena je proces, při kterém se kovové materiály deformují při nízkých teplotách. To znamená, že nedochází k tavení ani rekrystalizaci, a zrna v materiálu zůstávají trvale deformovaná. Po tváření je často nutné rekrystalizační žíhání k odstranění vnitřního pnutí, aby bylo možné materiál dále zpracovávat. Mezi hlavní operace patří stříhání, ohýbání, tažení, válcování a protlačování. Každá metoda má specifické nástroje a technologické postupy pro dosažení požadovaného tvaru.

Co je tváření kovů za studena a proč se používá?

Tváření kovů za studena je klíčová výrobní metoda, která umožňuje měnit tvar kovových materiálů bez zahřívání na vysoké teploty. Tato technika je populární díky svým specifickým vlastnostem a širokému využití. Díky nízké teplotě, při které proces probíhá, nenastává roztavení ani rekrystalizace.

Zrna v materiálu proto zůstávají trvale deformována a vnitřní napětí v kluzných rovinách zůstává zachováno. To je zásadní rozdíl oproti tváření za tepla. Po tváření za studena je často nezbytné rekrystalizačně žíhat, aby se odstranilo vnitřní pnutí. Teprve poté je možné materiál znovu tvářet bez rizika deformace či poškození.

Mezi hlavní operace, které řadíme do tváření za studena, patří:

• Stříhání
• Válcování
• Ohýbání
• Protlačování
• Tažení

Hlavní metody tváření kovů za studena: Podrobný rozbor

Pojďme se podrobněji podívat na nejčastější metody tváření kovů za studena, jejich principy a použití. Tyto procesy jsou základem pro výrobu mnoha kovových součástí, se kterými se setkáváme denně.

Ohýbání kovů za studena: Proces a techniky

Ohýbání je proces pružné plastické deformace, který se používá k tvarování výlisků. Cílem je dát materiálu požadovaný úhel nebo zakřivení. Složitější výlisky se obvykle ohýbají postupně, na více ohybů, aby se dosáhlo přesného tvaru.

Při ohýbání dochází k zajímavým změnám vnitřní struktury materiálu. Vnější vrstvy se prodlužují, zatímco vnitřní vrstvy se zkracují. Mezi těmito vrstvami se nachází takzvaná neutrální osa, ve které je nulové napětí a nedochází k žádným deformacím. Velikost nulové osy je ovlivněna poměrem vnitřního poloměru r k tloušťce materiálu t.

Mimo oblast neutrální osy mohou však vznikat praskliny a vlny materiálu. Aby se předešlo praskání, je důležité dodržet správný poměr v poloměru ohybu. Materiál bychom měli ohýbat vždy kolmo k vláknům, u více ohybů pak pod úhlem 45°. Tvorbě vln, které vznikají u tenkých stěn materiálu, se zabraňuje bočním přitlačováním materiálu k nástroji nebo použitím dodatečné tlakové síly při ohybu.

Nástrojem pro ohýbání jsou ohybadla, která se skládají z ohybníku (pohybová část) a ohybnice (pevná část). Ohýbání dělíme na:

• Jednoduchá: Jeden ohyb.
• Postupová: Více ohybů v sekvenci.
• Sdružená: Kombinace různých operací.

Při stanovení délky polotovaru je nutné brát v potaz takzvané odpružení materiálu. Materiál se totiž po uvolnění z nástroje má tendenci částečně narovnat. Z tohoto důvodu musíme materiál ohýbat o pár stupňů za požadovaný úhel. Tuto vzdálenost označujeme jako úhlovou odchylku γ. Velikost tohoto úhlu závisí na tvárnosti materiálu, poloměru ohybu a způsobu ohýbání.

Technologické postupy ohýbání se rozlišují na volné nebo pevné v nástroji. Dle stroje dělíme ohýbání na:

• Ruční (ohýbačky): Používají se pro speciální operace, které nelze provést na lisu.
• Strojní (ohýbadla): Pohyblivá čelist zde vykonává přímočaré vratné pohyby. Ohýbání se provádí pomocí lisu (s hydraulikou nebo mechanikou) nebo na speciálních strojích.
• Na válcích: Nástrojem jsou samotné válce vykonávající rotační pohyb.

Speciální operace ohýbání zahrnují:

• Ohraňování na lisech: Slouží k výrobě tenkostěnných profilů, ale i do tlouštěk 20 mm s malým zaoblením. Princip je stejný jako při ohýbání na stroji.
• Lemování: Operace pro vyztužení okraje výlisku nebo pro přípravu na vytvoření spoje. Používá se k výrobě žlábků nebo ke zvýšení tuhosti okraje výlisku.
• Navíjení: Proces, při kterém se materiál postupně navíjí na válce a dostává požadovaný tvar shodný s tvarem nástroje. Nejčastěji se využívá na plechy a dráty.
• Zakružování: Provádí se pomocí válců pro výrobu válcových nebo kuželových plášťů nádob a trubek (např. pro svary, švové trubky). Husté plechy se zakružují za tepla. Používají se k tomu zakružovací stroje, které jsou tří a více válcové. Tenké plechy se zakružují pomocí ocelového a pryžového válce.

Tažení kovů za studena: Od plechu k hotovému výtažku

Tažení je operace, při které je polotovar vtahován tažníkem do tažnice. Cílem je vytvořit duté nebo polouzavřené výtažky. Výtažek se zhotoví buď na jeden zdvih, nebo postupně na několik zdvihů. Při tažení vznikají v materiálu velmi velké deformace, což vyžaduje pečlivou kontrolu procesu.

Chování materiálu při tažení je klíčové. V místech hran a rohů se zmenšuje původní tloušťka polotovaru, a u hlubších výtažků se mohou stlačit i svislé stěny. Pokud bychom při tažení přesáhli povolené hodnoty, materiál se začne trhat. Je důležité si uvědomit, že na jedno tažení lze materiál vytáhnout jen do určité hloubky. Poté je nutné materiál žíhat pro snížení pnutí a teprve pak ho táhnout znovu. Proto pro hlubší nádoby musíme táhnout na více tahů.

Nástroji pro tažení jsou:

• Tažník: Pohyblivá část.
• Tažidlo: Pevná část.

Nástroje s přidržovačem se pak rozlišují dle prováděné operace, jako je tažení na jeden tah, tažení jednočinnými lisy nebo tažení dvojčinnými lisy. Při odvozování velikosti polotovaru musíme vycházet z porovnání dvou objemů – objemu polotovaru a objemu výtažku. Platí zde, že tyto objemy si musí být rovné.

Stříhání kovů za studena: Přesnost a efektivita

Stříhání je postup, při kterém se postupně nebo současně oddělují části materiálu dvěma břity. Ty se vtlačují do materiálu ze dvou protilehlých stran. Existuje několik druhů stříhání:

• Prosté střihání
• Děrování
• Vystřihování
• Prostřihování (podobné jako děrování)
• Ostřihování
• Přistřihování
• Nastřihování (pouze naznačení lehkým střihem)

Principem stříhání je vznik pružné deformace, která se zvyšuje se střižnou silou. Po překročení meze kluzu zde vzniká trvalá deformace materiálu. Jakmile dojde k překročení meze pevnosti, objeví se první nastřižení materiálu. To se dále zvětšuje díky působící síle až do úplného přestřižení.

Nástroje pro stříhání dělíme na:

• Nůžky: Ty oddělují materiál postupně po jednotlivých částech. Patří sem tabulové, okružní, křivkové nůžky, nůžky na pásy, nůžky na plech a kmitací nůžky.
• Střihadla: Oddělují materiál najednou. Hlavními částmi stroje jsou zde střižník (pohyblivý) a střižnice (pevná). Střižník i střihadlo bývají vyrobeny z nástrojové oceli.

Dělení střihadel:

• Jednoduchá: Jedním krokem je hotový výstřižek. Používají se pro jednoduché tvary.
• Postupová: Zhotovují výstřižek postupně. Nejprve se děruje a poté vystřihuje.
• Sloučená: Výstřižek je hotov na jeden zdvih nástroje. V jedné rovině je výstřižek děrován a vystřihován.
• Sdružená: Sdružují různé pracovní úkony, například děrování, střihání a ohýbání.

Nástřižný plán je návrh rozložení výstřižků na normovaný rozměr plechu. Cílem je, aby jeho využitelnost, uváděná v procentech, byla co nejvyšší. Při vytváření nástřižného plánu je nutné brát v potaz určité faktory ovlivňující toto rozložení. Jedním z nich jsou mezery mezi výstřižky a od kraje plechu:

• Mezera od kraje plechu (m₁) se počítá jako 1,2 × t (kde t je tloušťka materiálu).
• Mezera od okraje plechu (m) se počítá jako 1,5 × t.

Dle těchto rozměrů je třeba z tabulek určit šířku plechu tak, aby byl rozměr co nejvhodnější pro dobrou využitelnost. Dobrou využitelnost plechu uvažujeme, pokud je vyšší než 60 %.

Závěr

Tváření kovů za studena je efektivní a komplexní obor strojírenství, který umožňuje výrobu široké škály kovových komponent. Pochopení jednotlivých metod, jejich principů a specifických nástrojů je klíčové pro každého studenta i praktika. Ať už se jedná o ohýbání pro složité profily, tažení pro duté nádoby, nebo přesné stříhání, tváření za studena zůstává nezastupitelnou technologií.

Často kladené otázky (FAQ) o tváření kovů za studena

Proč je nutné rekrystalizační žíhání po tváření za studena?

Po tváření za studena zůstávají zrna materiálu deformována a vzniká vnitřní pnutí. Rekrystalizační žíhání pomáhá toto pnutí odstranit a obnovit původní strukturu zrn, čímž se materiál stává tvárnější a připravený k dalšímu tváření bez rizika praskání nebo poškození.

Jaké jsou hlavní rozdíly mezi ohýbáním a zakružováním?

Ohýbání je proces, při kterém se materiál deformuje do úhlu nebo křivky, často na lisu nebo ohýbačce, pro výrobu profilů. Zakružování je speciální druh ohýbání prováděný na válcích, který slouží k výrobě válcových nebo kuželových plášťů, jako jsou trubky nebo nádoby.

Co je to neutrální osa při ohýbání a proč je důležitá?

Neutrální osa je fiktivní rovina uvnitř ohýbaného materiálu, kde nedochází k žádnému prodloužení ani zkrácení vláken, a tedy ani k žádnému napětí nebo deformaci. Její poloha je důležitá pro správný návrh nástrojů a prevenci defektů, jako jsou praskliny nebo vlny, které vznikají mimo tuto osu.

Co znamená nástřižný plán a jak se počítají mezery?

Nástřižný plán je rozvržení výstřižků na plechu s cílem maximalizovat využití materiálu (ideálně nad 60 %). Mezery mezi výstřižky (m) se počítají jako 1,5násobek tloušťky materiálu (t), zatímco mezery od kraje plechu (m₁) se počítají jako 1,2násobek tloušťky materiálu.

Jak předcházet trhání materiálu při tažení?

Při tažení je klíčové nepřekročit povolené hodnoty deformace pro daný materiál. Pro hlubší výtažky je nutné provádět tažení na více tahů a mezi jednotlivými tahy materiál žíhat. Žíhání snižuje vnitřní pnutí a obnovuje tvárnost materiálu, což předchází jeho trhání.