Koncepce polotovarů 2. přednáška

Dělení polotovarů

Křivka hospodárnosti Nevýhodou normalizovaných polotovarů je určitá velikost v ČSN, z toho plynou větší přídavky na opracování, větší odpad, větší spotřeba energie při odstraňování přídavků, větší pracnost a vyšší náklady na výrobu. Při volbě polotovaru je nutno uvažovat způsob dalšího zpracování polotovaru (náklady na opracování polotovaru) Výpočtem nákladů na výrobu součásti pro různé počty kusů a různé výrobní metody dostaneme křivky, které se zakreslí do diagramu. Křivka hospodárnosti určuje při daném počtu kusů optimální způsob výroby a zpracování polotovarů

Charakteristiky polotovarů

Technologičnost konstrukce součástí vyráběných svařováním Svařování je jedna z metod nerozebiratelného spojování dílců a součástí Technologie svařování využívají tepla nebo tlaku a tepla, popř. jen tlaku a podle potřeby používají také přídavný materiál, který je schopen vytvořit metalurgické spojení se základním materiálem Nejpoužívanější metodou svařování je svařování elektrickým obloukem. Svařování pod tavidlem je elektrický obloukový proces, při němž elektrický oblouk hoří pod vrstvou tavidla mezi tavící se elektrodou a základním materiálem Při svařování nízkouhlíkových ocelí velkých tlouštěk se používá vícevrstvé svařování s regulací parametrů a rychlosti posuvu drátu a svařování. Vykazuje vysokou produktivitu v široké výkonové škále, pro materiály ve velkém rozsahu tlouštěk základních materiálů.

Výhody a nevýhody svařenců Výhody –levnější (výrobní zařízení.- svařovací agregát je dostupný, levný) –cesta od konstrukce po výrobek je velmi krátká –svarek vyrábíme z normalizovaných polotovarů (lehce dostupné, levné) Nevýhody –nevhodné pro dynamické namáhání –změna struktury a vlastností svaru a okolí –pnutí a deformace (praskání svarů) –omezený výběr svařovaných materiálů – nelze svařovat různé materiály Závěr: Svařování je vhodné pro kusovou výrobu a odlévání pro sériovou a hromadnou výrobu.

Zásady volby materiálu spojů pro svařované konstrukce Stupně svařitelnosti u materiálů –zaručená (zaručuje to výrobce): obsah C do 0,2 %, t < 25 mm –podmíněná (většinou je nutný předehřev): obsah C 0,2 ÷ 0,5 %, předehřev 100 ÷ 250 °C –dobrá (11 xx3) –obtížná – nedoporučuje se svařovat (C > 0,5 %) Materiál na svařované konstrukce volíme: –podle velikosti zatížení, počtu změn zatížení, rychlosti zatěžování –podle pracovního prostředí (agresivita) a podle teploty prostředí (pro extrémně nízké teploty -60°C se volí , ; pro vysoké teploty volíme oceli žáropevné a žáruvzdorné) Přednostně se volí vysokovýkonné automatizované svařovací metody, které podstatně zvyšují produktivitu a snižují výrobní náklady. Při podmíněné nebo dobré svařitelnosti bývá často nutné používat ruční metody svařování. Volíme materiál o nízké ceně (11 xx3, 12 xxx), která ovšem může být ovlivněna hutními přirážkami za záruku jakosti – např. svařitelnosti. U dynamicky namáhaných svařenců musí být zajištěn bezvrubý svarový spoj.

Svařitelnost materiálu a typy svarů Svařitelnost je způsobilost materiálu, která umožňuje vytvořit za určitých technologických podmínek svařování a konstrukčního řešení svarový spoj vyžadované jakosti. Svařitelnost je komplexní vlastnost zahrnující metalurgické, technologické a konstrukční faktory. Význam spojení a jeho název závisí na vzájemné poloze spojovaných polotovarů a druhu přídavných prvků. Druh svaru závisí na způsobu přípravy hran nebo ploch, které tvoří spáru svarového spoje. Při svařování se vyplňuje přídavným materiálem, který má v systému svarového spoje své názvosloví: svarový kov, tepelně ovlivněná zóna, povrch svaru, kořen svaru, přechod svaru, hloubka protavení.

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Umožnit vhodný přístup svařovací elektrodě Umístění svaru je vhodné vždy z vnější strany skupiny dílců zvětšení nutného prostoru pro manipulaci s elektrodou.

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Vyhýbat se hromadění spojů do jednoho místa Problém je v kumulaci velkého množství tepla v jednom místě Ovlivnění zejména deformačních a metalurgických procesů.

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Svařování elektrickým obloukem nahrazovat podle možnosti odporovým svařováním, které má nižší tepelný příkon Vyšší tepelný tok obloukového svařování je dán kladením svaru po vrstvách.

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Vyhýbat se svařování tlustých a tenkých průřezů V opačném případě je nutné upravovat hrany dílců v blízkosti spoje

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Zabezpečit žádanou polohu svařovaných částí kontaktem mezi nimi, nikoli svarem.

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Vyhýbat se zbytečné pracnosti související s přípravou hran Využít kombinaci jednoduchých tvarů polotovarů původní podobě

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Vyhýbat se uzavřených tvarům, jejichž obrysy je nutné upravovat (oblouky apod.).

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Vyhýbat se svařování tenkých a úzkých hran z hlediska nebezpečí jejich propálení Doporučuje se používat kompenzující přídavky, které pohltí napětí

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Při svařování součástek malé tloušťky se doporučuje co nejvíce využívat výlisky a profily z plechu

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Nezbytně umisťovat svarové spoje co nejdále od obráběných povrchů součásti

Principy technologičnosti konstrukcí svařenců Dílce, které se tepelně zpracovávají nebo povrchově upravují, se musí nejprve svařit Jinak by došlo ke ztrátě získaných vlastností

Ekonomická analýza svařování konstrukcí Produktivita různých technologií svařování se obvykle vyjadřuje množstvím naneseného svaru za časovou jednotku. Náklady na jedem metr svarového spoje tloušťky 5 mm při ručním a obloukovém svařování pod tavidlem s různým stupněm mechanizace (graf dole vlevo) - je zřejmé, že obloukové svařování začíná být rentabilní až od m za rok, tj. od 7 m svaru za hodinu. Porovnání nákladů na ruční svařování, svařování pod tavidlem a poloautomatické svařování v ochranné atmosféře CO2 (svar tloušťky 5 mm) (graf dole vpravo) Oproti ručnímu svařování jsou ostatní způsoby rentabilní při využití nad 50 ÷ 60 % ve výrobním cyklu.

Zásady TK pájených a lepených spojů Technologičnost konstrukce pájených spojů - vysoké náklady na přídavný materiál –poměrné dobrá možnost mechanizace –použití pro nesvařitelné materiály –lze použít i pro různé materiály Pájení - neměla by se přerušit plynulá vrstva pájky –dostatečně velké přesahy materiálu –mezera mezi pájenými materiály má být 0,05 ÷ 0,2 mm –nutnost očistění ploch před pájením Lepení - spojení libovolných materiálů –nevznikají žádné pnutí, přesnější než svařování –není vhodné pro cyklické namáhání –snáší hůře teploty pod 0 °C a vysoké teploty –špatně snáší jiné látky než vzduch (páry) –nutnost velkých styčných ploch –nutnost očistění ploch před lepením

Technologičnost konstrukce součástí vyráběných odléváním

Výhody odlitků Možnost výroby velmi složitých tvarů včetně dutin Možnost dimenzování dle zatížení (místo vyššího namáhání součásti lze kompenzovat vhodnou konstrukcí – přidání materiálu do místa namáhání) Možnost ovládání složení a struktury (lité oceli; litina šedá, bílá, tvárná, temperovaná, neželezné kovy) Možnost odlévání většiny kovů a slitin U jednodušších tvarů hospodárnost v kusové i sériové výrobě Vysoké využití kovu ( pouze propal, nálitky se zpracují) 100% recyklovatelnost Kratší cesta od surovin k výrobku Izotropnost vlastností a struktury (izotropie -ve všech směrech stejné vlastnosti)

Nevýhody odlitků závislost struktury a vlastností na tloušťce stěn odlitků Omezená dosažitelná přesnost výroby (IT 8 –16), drsnost nutnost respektování formovací techniky (stahování a smršťování) nutnost navrhování součásti s úkosy (vyjmutí z formy), nelze vyrobit ostré hrany (bez případných pomůcek)

Obecné zásady konstruování odlitků Materiál odlitku musí mít vhodné technologické vlastnosti vyplývající z technologie výroby součásti (slévatelnost) a mechanické vlastnosti vycházející z jeho funkce Konstrukce odlitku musí být podřízena zvolené technologii odlévání(do písku, kokilové atd.) Model odlitku má mít co nejméně dělících ploch, volných částí, výstupků, nesmí mít ostré kouty a rohy Dělící plochy odlitku i formy mají být pokud možno rovinné Odlitek má mít úkosy umožňující snadné vyjmutí modelu z formy Odlitek nemá mít velké rozdíly v tloušťce stěn –vznik staženin (odstraní se použitím nálitků nebo hladítek) Tloušťky stěn se mají směrem k nálitkům zvětšovat Pro zabránění vzniku trhlin ve spojích stěn je nutno v těchto místech využívat pozvolné přechody, zaoblení, případně výztužná žebra

Obecné zásady konstruování odlitků Velké tloušťky a místní nahromadění kovu zvyšují sklon ke vzniku vnitřních pnutí, staženin (odstranit použitím nálitků nebo chladítek), odmíšenina zhoří mechanické vlastnosti K zajištění tuhosti odlitků je vhodné užívat vhodné profily a žebrování –nejvhodnější profily - izoternické: ⊥, +, I … –Nepříliš vhodné profily -se sklonem k vnitřnímu pnutí:,, … –Nesymetrické profily – náchylné ke zborcení: ∩,, … –zcela nevhodné profily – excentrické kruhové průřezy, Nadměrně tuhé konstrukce zvyšují nebezpečí vzniku trhlin konstrukce odlitků musí umožnit snadné čištění odlitku (odstranění nálitků, vtokové soustavy, …)

Zásady konstrukce odlitků Žebrování - tloušťka žebra 0,7 ÷1 tloušťky stěn odlitku, funkce - výztužná, omezení deformací a zlepšení chlazení (např. válce spalovacích motorů) –vyztužení velkých ploch proti zborcení, okrajů odlitku, spojů stěn, sekcí s rozdílnou rychlostí chladnutí –zvyšování pevnosti a tuhosti –odlitek má být vyztužen, tam kde působí síla Předlévání otvorů pokud platí: –d > 0,4 ·L + 10(pro litou ocel) –d > 0,5 ·L + 10(litina) (je to závislé i na sériovosti) jinak nepředléváme d -rozměr otvoru, L -délka otvoru Volba tloušťky stěn

Zásady konstrukce odlitků Zásady konstrukce odlitků s ohledem na výrobu modelového zařízení, jader a forem: –všechny plochy kolmé k dělící rovině musí mít úkosy –snaha o minimální počet dílů a jader formy –konstrukce odlitku musí vycházet z předpokládaného způsobu lití –model odlitku má mít co nejméně volných částí, výstupků –Dělící plochy odlitku i formy mají být pokud možno rovinné Zásady konstrukce odlitků s ohledem na potlačení vzniku staženin a trhlin: –rovnoměrné rozložení materiálu –tloušťky stěn přibližně stejně tlusté a to dle vybrané technologie lití –tloušťky stěn se mají směrem k nálitkům zvětšovat –používat vhodná za oblení, pozvolné přechody, žebra, omezit teplené uzly –používat nálitky a chladítka –vjednom místě se má spojovat co nejméně stěn

Technologické přídavky Jednou z nejčastějších příčin únavových trhlin v odlitcích je nevhodné konstrukční zesílení pod svorníkem Na Obr. jsou různé způsoby tvarování a technologických přídavků Řešení a) je nevhodné, protože osa šroubu je mimo osu stěny Řešení b) nevyhovuje pro malé poloměry zaoblení Řešení c) je správné Rozestup mezi velkými otvory není vhodný d), vhodnější jsou menší otvory z menší roztečí - předejde se koncentraci napětí v místech šroubových spojů.

Slévárenské úkosy Slévárenské úkosy slouží především pro usnadnění práce při vyjímání modelu Na Obr. vlevo prvky odlitků konstruované chybně bez úkosů Vpravo správné konstrukce těchto ploch Konstruktér odlitků by měl znát principy formování odlitku, zejména polohu dělící roviny a směr vytahování modelu

Rozsah používání a uložení jader Jádra komplikují formu, zvyšují nebezpečí vzniku zmetků náklady na formování a čištění odlitků Pokud to konstrukce dovoluje, vyhýbat se nadměrné aplikace dutin v odlitku Náhradu klasického vyjímatelného modelu modelem vytavitelným Poměrně nejvíce těžkostí vzniká u tzv. zavěšených jader a je nutné při konstrukci na to brát zřetel Ulehčení práce formoven je v těchto případech vždy vykoupeno vyššími výrobními náklady.

Nerovnoměrnost struktury v různých částech odlitku. Významné je tvarování odlitků s ohledem na nerovnoměrnost struktury v různých částech odlitku Na Obr. je znázorněno značné zlepšení vlastností odlitku dosažené správným tvarováním ve vztahu k formování a odlévání Varianta úhelníku a) bez vnitřního zaoblení a s tlustými stěnami má velmi malou únosnost varianta b) má zaoblení a menší tloušťku stěn má jen nepatrně vyšší únosnost Varianta c) s nejvyšší únosností odlita za pomoci chladítka v místě zaoblení - bylo dosaženo jemnozrnné struktury a eliminace staženin a podobných jevů, vedoucích ke vzniku strukturních vrubů

Konstrukce přechodů stěn Často se lze setkat s uzlem při spojení dvou, tří a čtyř stěn. Při čelném spojení dvou stěn (Obr. 8 – 86/2.34) má být přechod z tlusté do tenké stěny plynulý a dokonalý v délce 4 až 5ti-násobku tloušťky stěny. Struktury odlitků nelze považovat za homogenní. Vzhledem k tomu je nutné tvarovat přechody a napojení stěn. Dalším problémem je vznik tepelných uzlů na styku několika stěn a jejich řešení z hlediska slévárenské technologie. Na Obr. je vlevo chybné a vpravo správné řešení napojení s ohledem na řešení tepelného uzlu.

Tloušťky stěn a staženiny Princip usměrněného tuhnutí odlitků je zabezpečen tehdy, když v každém tepelném uzlu stěn se rychlost tuhnutí zmenšuje směrem k nálitku, v němž se má nalézat staženina Postupným zvětšováním tloušťky tenkých částí odlitku přes silnější až k místům s největší tloušťkou, kde je nálitek (zásobník tepla a kovu) s takovými rozměry, aby v nich kov ztuhl naposledy Tak je zabezpečený přechod tekutého kovu z nálitku do odlitku a aby hmotnost kovu v nálitku postačovala k vyplnění dutin, vznikajících ochlazováním

Zásady konstrukce odlitků Zásady konstrukce odlitků s ohledem na čištění a úpravy odlitků: –zatekliny se odstraňují broušením a sekáním –konstrukce odlitků musí umožnit snadné odstranění vtokové soustavy a nálitků (u šedé litiny ulamováním, u lité oceli řezáním) –povrch a dutiny má být přístupný pro čištění(omílání, otryskávání) –nepředlévat malé otvory a drážky –tvar musí umožnit stékání barvy (na odlitky se nanáší základní barva namáčením do lázně)

Zásady návrhu odlitků - kokilové lití Kokila je kovová (trvalá) forma, pro vytváření dutin se používá kovových nebo pískových jader. Materiál forem bývá nejčastěji litina nebo ocel, v poslední době se rozšířilo použití kokil z hliníkových slitin. Pro zamezení přímého styku kokily s tekutým kovem a zvýšení životnosti se hliníkové kokily galvanicky pokovují –odlitky mají mít co nejjednodušší tvar a úkosy pro snadné uvolnění z formy –vzhledem k rychlejšímu tuhnutí slitin je třeba pro zajištění dobrého zaběhnutí užívat větší tloušťky stěn než při lití do pískových forem –minimalizace bočních výstupků, nálitky v dělící rovině formy –u litinových odlitků je třeba kompenzovat zvýšené nebezpečí zákalky vyšším obsahem prvků podporujících grafitizaci (C, Si,) –rychlé tuhnutí v kokilách dává odlitkům jemnější strukturu, ale také větší vnitřní pnutí a nestejnorodost vlastností v průřezu odlitku (odstraníme normalizačním žíháním –získáme tak stejnorodou strukturu)

Tlakové lití Umožňuje odlévat i velmi tenké tloušťky stěn (1 ÷3 mm) a žeber, složité detaily formy (např. závity, znaky, písmo, …) Odlitky jsou přesné, s dobrou jakostí povrchu, že nepotřebují většinou žádné další obrábění (s výjimkou funkčních ploch)-nevzniká porézita (mikro staženiny) –tuhnutí probíhá pod tlakem –tlakový odlitek nemá nálitky –volit tvar odlitku, tak aby se výroba mohla zautomatizovat –vhodné materiály pro tlakové lití jsou slitiny neželezných kovů-zinku, mědi, olova a hliníku (v různých poměrech, s doprovodnými prvky Si, Mg, Mn) Použití: –automobilový průmysl (tělesa karburátorů, převodovek, motorů) –zdravotnictví (náhražeky kloubů, zubní protézy ) –elektrotechnika, letectví, spotřební průmysl, … –pro malé a středně velké odlitky, jsou relativně drahé, využití zejména v sériové a hromadné Specifika konstrukce odlitků pro přesné lití –Přesné lití tlakového, odstředivého, skořepinového lití, lití metodou vytavitelného modelu –stromečkové lití. –dosažení přesnějšího rozměru, zmenšení úhlu úkosů a velikostí rádiusů, zmenšení tloušťky stěn, dosažení lepší drsnost povrchu –úspory materiálu, snížení přídavků na obrábění, konstrukce odlitků neomezené složitosti (metoda vytavitelného modelu –nedělená forma)

Technologičnost konstrukce součástí vyráběných kováním

Obecné zásady konstruování výkovků:

Faktory ovlivňující volbu přídavků Velikost přídavků je závislá na rozměrech (čím větší rozměr, tím větší přídavek) Typ použitého stroje – prokování materiálu –buchary prokovou materiál jen do určité hloubky –lisy prokovou materiál v celém průřezu Způsoby volného kování –ruční –strojní

Zásady TK pro volné kování Výkovky zhotovené technologií volného kování se používají zejména při stavbě strojních zařízení Vyznačují se dobrými mechanickými vlastnostmi, které získaly tepelným zpracováním Základním cílem oper. volného kování je rozbití dendritické struktury zrn ve výchozím materiálu a dosažení vláknité, jemnozrnné struktury U volného kování jsou nevyhnutelné větší technologické přídavky na obrábění a větší materiálové náklady.

Zásady TK pro volné kování Odstranit žebra ve směru pohybu beranu Odstranit veškeré výstupky

Zásady TK pro volné kování Kužele a klíny nahradit válci a hranoly Průniky válcových ploch nahradit válci a hranoly Velké rozdíly průřezů nahradit více díly

Zásady TK pro zápustkové kování Užitím technologie zápustkového kování konečný tvar výkovku obdržíme v jedné nebo několika dutinách zápustky. Nutnost předkovků vyplývá z nutnosti kontroly toku materiálu v zápustce, pro dodržení velikosti deformace pro rozvoj rekrystalizace a v neposlední řadě pro prvotní odkujení v nekalibračních dutinách. Základní principy technologičnosti konstrukce výkovků: –správná volba výchozího materiálu, –volba co největšího počtu ploch kovaných na hotovo, –pro dosažení přesných a hladkých ploch se zařazuje operace kalibrování, –vyhnout se tvarově podobným symetrickým výkovkům (boční síly), –omezit počet výstupků, použít kombinaci technologií kování a svařování, –přechody mezi tenkými a silnými průřezy musí být plynulé, poměr průřezů úkosů ve směru délky výkovku nesmí být větší než 3:1, –zohlednění tečení kovu do zápustkové dutiny (plynulé přechody), –snížit počet blízko u sebe umístěných žeber, –rozdíl ve smršťování delších a kratších částí výkovku, –technologické roviny: respektovat požadavek stability upnutí výkovku při operacích obrábění.

Zásady TK pro zápustkové kování Zápustky -otevřené(s výronkovou dutinou) –větší přídavky, menší přesnost -uzavřené(přesné, bez výronkové dutiny) –menší v přídavky, přesnější, nižší náklady na opracování Přídavky jsou definovány normou ČSN podle velikosti a stupně přesnosti výkovku Nelze předkovat dutiny (zůstane blána, kterou je nutno prostřihnout) Minimální tloušťky blan pro děrování: Minimální tloušťka stěny výkovku: Přídavek na obrábění: závisí na stupni přesnostiObecnézásady

Zásady TK pro zápustkové kování poloměry zaoblení, hrana nástroje: –(vnitřní poloměr), R min = 6 –vnější poloměr: R min = 2 úkosy: –vnější 3° (lisy s vyhazovačem 2-3°, vodorovné kovací stroje 0-5°) –vnitřní 7°(lisy s vyhazovačem 3-5°, vodorovné kovací stroje 0-5°) –materiál by neměl být v zápustce pěchován dělící rovina rovná vhodné pro sériovou výrobu

Technicko ekonomická analýza výkovků Náklady na výkovky: kde G - hrubá hmotnost výkovku (kg), C - jednotková cena materiálu (Kč/kg), Nz - náklady na mzdy (Kč/h), Nt - provozní náklady na tvářecí techniku (Kč/h), tc - čas technologického cyklu pro 1 ks (h), I - investiční náklady na tvářecí techniku, n - počet ks vyrobených na tvářecí technice. Z obr. vyplývá, že náklady na výkovky se mění velmi málo s růstem produkce Nejprudší pokles křivky způsobují náklady na tvářecí techniku Významný pokles nákladů se projevuje u technologií s výraznějším podílem nákladů na nástroje (kování na horizontálních strojích)

Zásady TK při stříhání a ohýbání Výhody - nízká hmotnost, nízká pracnost, vysoká produktivita, jakostní povrch Nevýhody - vysoké náklady na strojní zařízení a nástroje - dlouhá příprava výroby, omezená tuhost a přesnost, omezená tvarová složitost

Zásady TK a tvarová omezení při stříhání a ohýbání Stříhání - nižší kvalita drsnosti střižné plochy, šikmost (1–6°), maximální tloušťka stěny s = 10 mm a nerovnost střižné plochy –zeslabení tloušťky, prohnutí, otřep, odchylky rozměrů, zpevnění do hloubky 0,1-0,2 tloušťky stěny –- volit vhodné uspořádání výstřižků na pásu Ohýbání - minimalizovat velikost ohybu i na různé strany, nenavrhovat uzavřené tvary –problémem zjištění rozvinutého polotovaru –odpružení –jsou dány minimální rádius ohyby Tažení - optimalizovat velikost příruby (ani velké ani malé), nenqavrhovat ostré hrany dna (viz. tab.), tvary se zaoblenými hranami, nedělat šikmé dno (max. parabolu) –nedělat hluboké dna (bylo by to na mnoho tažení) –netvarovat dno ani příruby –nedělat vysoké výtažky, úkosy (1-3)°

Optimalizace nástřihového Podíl nákladů na materiál činí 80 až 90% celkových nákladů, proto klíčovým momentem je optimální nástřihový plán Cílem optimalizace nástřihového plánu je uspořádání, popř. změna konstrukce výstřižku vedoucí k minimálnímu odpadu