TL;DR / Rychlé shrnutíTváření kovů za studena je klíčová technologie, při které se kovům dává požadovaný tvar bez zvýšení teploty nad rekrystalizační mez. Díky tomu zůstávají zrna deformována a materiál získává vyšší pevnost. Pro odstranění vnitřního pnutí je po tváření nutné rekrystalizační žíhání. Mezi hlavní operace patří ohýbání (tvarování výlisků), tažení (výroba dutých součástí) a stříhání (oddělování materiálu). Každá z těchto metod má svá specifika, nástroje a technologické postupy pro dosažení optimálních výsledků a minimalizaci vad.
Úvod do světa tváření kovů za studena
Vítejte ve světě, kde se kovům dává nový tvar, aniž by se musely tavit! Tváření kovů za studena: Ohýbání, tažení, stříhání je fascinující oblastí strojírenství, která hraje klíčovou roli ve výrobě nespočtu předmětů, které denně používáme.
Od karoserií automobilů přes nádobí až po drobné elektronické součástky – všude tam najdeme stopy této technologie. V tomto komplexním průvodci pro studenty si podrobně rozebereme, co znamená tváření za studena, jaké jsou jeho hlavní principy a jak probíhají tři základní operace: ohýbání, tažení a stříhání. Připravte se na cestu plnou technických detailů a praktických tipů!
Co je tváření kovů za studena a jeho principy?
Tváření kovů za studena je proces, při kterém se materiál deformuje při teplotách pod jeho rekrystalizační teplotou. To znamená, že během celého procesu nedochází k roztavení materiálu ani k obnovení původní krystalové struktury.
Základní charakteristika tváření za studena
Kvůli nízké teplotě zůstávají zrna v materiálu trvale deformována. Také napětí v kluzných rovinách zůstane zachováno, což vede ke zpevnění materiálu, ale zároveň i ke zvýšení vnitřního pnutí.
Proč tváření za studena?
Tento proces umožňuje dosáhnout vysoké přesnosti, hladkého povrchu a dobrých mechanických vlastností výsledných dílů. Nevýhodou je vyšší spotřeba energie a nutnost odstraňovat vnitřní pnutí.
Rekrystalizační žíhání pro odstranění pnutí
Po ukončení tvářecích operací je nezbytné provést rekrystalizační žíhání. Tím se odstraní nahromaděné vnitřní pnutí v materiálu. Teprve po žíhání je možné materiál znovu tvářet, aniž by hrozila jeho nechtěná deformace nebo prasknutí.
Přehled operací tváření za studena
Mezi hlavní operace, které řadíme do tváření za studena, patří:
- Stříhání
- Válcování
- Ohýbání
- Protlačování
- Tažení
V tomto článku se zaměříme detailně na ohýbání, tažení a stříhání.
Detailní pohled na operace tváření kovů za studena
Nyní se ponoříme hlouběji do specifik jednotlivých technologií.
Ohýbání: Přesnost a prevence deformací
Ohýbání kovů za studena je proces pružné plastické deformace, při které se z plochého polotovaru (často výlisku) vytvářejí prostorové tvary. Složitější výlisky se obvykle ohýbají postupně, v několika krocích.
Princip a neutrální osa při ohýbání
Při ohýbání se vnitřní struktury materiálu chovají odlišně:
- Vnější vrstvy se prodlužují.
- Vnitřní vrstvy se zkracují.
Mezi těmito vrstvami existuje neutrální osa, ve které je nulové napětí a nedochází k žádným deformacím. Velikost této nulové osy je ovlivněna poměrem vnitřního poloměru ohybu r k tloušťce materiálu t.
Prevence prasklin a vln při ohýbání
Mimo oblast neutrální osy mohou vznikat praskliny a vlny materiálu.
- Praskání lze zabránit dodržením správného poměru v poloměru ohybu a ohýbáním vždy kolmo k vláknům materiálu. U více ohybů je ideální úhel 45°.
- Tvoření vln, které vzniká u tenkých stěn materiálu, lze eliminovat bočním přitlačováním materiálu k nástroji nebo použitím dodatečné tlakové síly při ohybu.
Nástroje a dělení ohýbání
Hlavním nástrojem pro ohýbání jsou ohybadla. Skládají se z pohyblivé části, ohybníku, a pevné části, ohybnicí.
Ohýbání dělíme podle způsobu provedení na:
- Jednoduchá
- Postupová
- Sdružená
Odpružení materiálu a úhlová odchylka
Při stanovení délky polotovaru musíme brát v potaz takzvané odpružení materiálu. Díky pružnosti materiálu má tendenci se po ohnutí částečně narovnat. Proto je nutné materiál ohýbat o pár stupňů za požadovaný úhel.
Tato vzdálenost se označuje jako úhlová odchylka γ. Velikost úhlové odchylky závisí na tvárnosti materiálu, poloměru ohybu a zvoleném způsobu ohýbání.
Technologické postupy a stroje pro ohýbání
Ohýbání rozlišujeme na volné (materiál není pevně upnut) nebo pevné v nástroji. Dle typu stroje dělíme ohýbání na:
- Ruční: Provádí se na ohýbačkách pro speciální operace, které nelze provést na lisu.
- Strojní: Využívá ohýbadla, kde pohyblivá čelist vykonává přímočaré vratné pohyby. Často se používají lisy s hydraulickým nebo mechanickým pohonem.
- Na válcích: Nástrojem jsou samotné válce, které vykonávají rotační pohyb.
Specifické operace ohýbání
- Ohraňování na lisech: Slouží k výrobě tenkostěnných profilů, ale i profilů do tloušťky 20 mm s malým zaoblením. Princip je stejný jako při běžném ohýbání na stroji.
- Lemování: Operace pro vyztužení okraje výlisku nebo pro přípravu na vytvoření spoje. Používá se také pro výrobu žlábků nebo zvýšení tuhosti okraje výlisku.
- Navíjení: Proces, při kterém se materiál postupně navíjí na válce a získává požadovaný tvar shodný s tvarem nástroje. Nejčastěji se využívá pro plechy a dráty.
- Zakružování: Provádí se pomocí válců pro výrobu válcových nebo kuželových plášťů nádob a trubek (často pro tvorbu svarů nebo švových trubek). Husté plechy se zakružují za tepla. Používají se zakružovací stroje, které jsou tří a více válcové. Tenké plechy zakružujeme pomocí ocelového a pryžového válce.
Tažení: Tvorba dutých výtažků
Tažení kovů za studena je operace, při které je polotovar (plech) vtahován tažníkem do tažnice. Cílem je zhotovit duté, polouzavřené výtažky. Výtažek se může zhotovit na jeden zdvih nebo postupně na několik zdvihů.
Základy tažení a velké deformace
Při tažení vznikají v materiálu velmi velké deformace. V místech hran a rohů se zmenšuje původní tloušťka polotovaru, a u hlubších výtažků se mohou stlačit i svislé stěny.
Pokud by se při tažení překročily povolené hodnoty, materiál se začne trhat. Je důležité si uvědomit, že na jedno tažení lze materiál vytáhnout jen do určité hloubky.
Pro hlubší nádoby je nutné táhnout na více tahů. Mezi jednotlivými tahy je nutné materiál žíhat pro snížení pnutí a obnovení tvárnosti.
Nástroje pro tažení
Nástroje pro tažení se skládají ze dvou hlavních částí:
- Tažník: pohyblivá část, která vtahuje materiál.
- Tažidlo: pevná část, do které se materiál vtahuje.
Nástroje s přidržovačem se pak rozlišují dle prováděné operace: tažení na jeden tah, tažení jednočinnými lisy, tažení dvojčinnými lisy.
Výpočet velikosti polotovaru pro tažení
Při odvozování velikosti polotovaru pro tažení musíme vycházet z porovnání dvou objemů: objemu polotovaru a objemu výsledného výtažku. Platí zde princip zachování objemu, tedy tyto objemy si musí být rovné.
Stříhání: Precizní oddělování materiálu
Stříhání kovů za studena je postup, při kterém se postupně nebo současně oddělují části materiálu dvěma břity. Tyto břity se vtlačují do materiálu ze dvou protilehlých stran.
Typy stříhání
Rozlišujeme několik základních typů stříhání:
- Prosté střihání
- Děrování
- Vystřihování
- Prostřihování (podobné děrování)
- Ostřihování
- Přistřihování
- Nastřihování (pouze naznačení lehkým střihem)
Mechanismus stříhání materiálu
Principem stříhání je vznik pružné deformace, která se zvyšuje s rostoucí střižnou silou. Po překročení meze kluzu vzniká trvalá deformace materiálu. Jakmile dojde k překročení meze pevnosti, materiál se začne poprvé nastřihávat. Tato trhlina se pak dále zvětšuje působící silou, dokud nedojde k úplnému přestřižení materiálu.
Nástroje pro stříhání: Nůžky a Střihadla
- Nůžky: Tyto nástroje oddělují materiál postupně po jednotlivých částech. Patří sem tabulové, okružní, křivkové, nůžky na pásy, nůžky na plech a kmitací nůžky.
- Střihadla: Na rozdíl od nůžek oddělují materiál najednou. Hlavními částmi stroje je zde střižník (pohyblivý) a střižnice (pevná). Střižník i střihadlo bývají vyrobeny z nástrojové oceli pro zajištění potřebné tvrdosti a odolnosti.
Dělení střihadel podle operace
Střihadla dělíme na:
- Jednoduchá: Jedním krokem je hotový výstřižek. Používají se pro jednoduché tvary.
- Postupová: Zhotovují výstřižek postupně. Nejprve se provádí děrování a poté vystřihování.
- Sloučená: Výstřižek je hotov na jeden zdvih nástroje. V jedné rovině je zde výstřižek děrován a vystřihován současně.
- Sdružená: Sdružují různé pracovní úkony, například děrování, střihání a ohýbání v jednom nástroji.
Optimalizace využití materiálu: Nástřižný plán
Nástřižný plán je návrh rozložení výstřižků na normovaný rozměr plechu tak, aby jeho využitelnost (uváděná v procentech) byla co nejvyšší. Cílem je minimalizovat odpad a efektivně využít materiál.
Při tvorbě nástřižného plánu je nutné brát v potaz určité faktory, které ovlivňují rozložení výstřižků:
- Mezery mezi výstřižky: Označuje se jako m a počítá se jako 1,5násobek tloušťky materiálu (m = 1,5 x t).
- Mezera od kraje plechu: Označuje se jako m₁ a počítá se jako 1,2násobek tloušťky materiálu (m₁ = 1,2 x t).
Dle těchto rozměrů je potřeba určit z tabulek šířku plechu tak, aby byl rozměr co nejvhodnější pro dobrou využitelnost. Dobrou využitelnost plechu uvažujeme, pokud je vyšší než 60 %.
Často kladené dotazy studentů k tváření kovů za studena
Proč je po tváření za studena nutné žíhání?
Po tváření za studena dochází k deformaci zrn a akumulaci vnitřního pnutí v materiálu. Žíhání, konkrétně rekrystalizační žíhání, toto pnutí odstraňuje, obnovuje tvárnost materiálu a umožňuje další tváření bez rizika prasknutí nebo nežádoucích deformací.
Jaký je rozdíl mezi ohýbáním a zakružováním?
Ohýbání je obecný proces vytváření úhlů nebo křivek na materiálu, často na lisech nebo ohýbačkách, s cílem vytvořit profil nebo díl s ostrými ohyby. Zakružování je specifická operace ohýbání, při které se materiál (často plechy) postupně ohýbá pomocí válců do válcového nebo kuželového tvaru, například pro výrobu trubek nebo plášťů nádob.
Co je neutrální osa při ohýbání a proč je důležitá?
Neutrální osa je teoretická rovina v ohýbaném materiálu, ve které nedochází k žádnému prodloužení ani zkrácení vláken, a tedy ani k žádnému napětí. Je důležitá, protože její správná poloha a zohlednění poměru r/t pomáhá předcházet prasklinám a zajišťuje přesnost ohybu.
K čemu slouží nástřižný plán a jak se počítají mezery?
Nástřižný plán je grafický návrh rozložení výstřižků na plechu s cílem dosáhnout maximální využitelnosti materiálu a minimalizovat odpad. Mezera od kraje plechu (m₁) se počítá jako 1,2 násobek tloušťky materiálu (t), zatímco mezera mezi výstřižky (m) je 1,5 násobek tloušťky materiálu. Dobrá využitelnost plechu je obvykle nad 60 %.
Jaké jsou hlavní typy nástrojů pro stříhání?
Hlavními typy nástrojů pro stříhání jsou nůžky a střihadla. Nůžky oddělují materiál postupně (např. tabulové, okružní), zatímco střihadla (sestávající ze střižníku a střižnice) oddělují materiál najednou, typicky pro vytváření výstřižků nebo děrování.