Účinek procesní kapaliny na tváření závitů v plechu

Současné trendy zahrnují nové tvary tvářecích částí závitníků, aplikace nových nástrojových materiálů, zejména povlakovaných a účinné mazání v operaci tváření závitů. Kvalita této operace ovlivňuje funkční vlastnosti závitu, zejména jeho geometrické parametry, úchylky tvaru a polohy, ale i velikost zpevnění materiálu, jeho zbytkovou napjatost a další materiálové vlastnosti, jako např. korozivzdornost. Provozní zkoušky ukazují, že takto zhotovené závity lze úspěšně aplikovat mimo oceli například i na slévárenské lehké slitiny, lité pod tlakem, dynamicky namáhané, kde vykazují lepší životnostní ukazatele a odolnost proti vibracím (např. závity přírub těles čerpadel). 

Moderní procesní kapaliny na tváření závitů
V současné době existuje celá řada procesních kapalin, které lze využít k operaci tváření závitů – od organických látek a olejů až po plně syntetické produkty, obohacené o vysokotlaká aditiva. Z této řady byly vybrány k testování tyto nové produkty společnosti Cincinnati Milacron:  
• Milform 2128 - „odpařovací” mazivo, vyvinuté pro náročné operace lisování a tažení v odvětvích výroby klimatizačních zařízení a přenosu tepla. Milform 2128 je posílen přísadami snižujícími otěr a zvyšujícími mazivost za účelem dosažení maximální životnosti nástrojů a tvářitelnosti dílců (bez další specifikace). „Odpařovací” vlastnost tohoto maziva zaručuje vysokou mazivost na rozhraní nástroje a zpracovávaného materiálu a současně nezanechává nevzhledná rezidua, která mohou ovlivňovat následné montážní nebo výrobní procesy. Toto mazivo se doporučuje především pro lisování a tažení hliníkových žeber, ale i pro lisování a tažení ocelových, měděných, mosazných a hliníkových zastudena válcovaných plechů do tloušťky 1,5 mm v případech, kdy je nežádoucí dodatečné praní výrobků. Toto mazivo se může nanášet mechanicky postřikem, válečkem, kapáním nebo nanášením štětcem. Jde o bezolejnatý produkt, který po odpaření nezanechává skvrny na hliníku, mědi a mosazích a zaručuje slučitelnost s následnými procesy tepelného zpracování a pájení, neboť netvoří popelnaté fáze při ohřevu. Technicky se jedná o čirou kapalinu, s měrnou hustotou 800 kg/m³ při 15 °C (dle DIN51757/7 (1/1984)) a viskozitou 3,5 cSt při 40 °C.
• Cimtube FHC 250 - čirý, s vodou mísitelný koncentrát polosyntetické kapaliny pro tváření a řezání. Kapalina Cimtube FHC 250 je doporučena pro použití při výrobě trubek pro operace tváření, testování ultrazvukem, svařování a řezání. Cimtube FHC 250 je určena pro lehké až středně náročné použití a vykazuje vynikající ochranné vlastnosti proti korozi, přičemž poskytuje zejména výborné chladicí vlastnosti, vysokou stabilitu pod tlakem, vynikající usazovací vlastnosti, velmi dobré čisticí a protikorozní schopnosti. 

Experimentální část
Tvářený materiál - polotovar plech, ocel 11 343, pozinkovaný (2,5 µm Zn), 100 x 300 x 2,5 mm, přičemž výška předtvářeného hrdla nad původní tloušťku plechu činila 2,5 mm (tvářecí operací se zhotovovalo přibližně 4,5 závitu), vnitřní průměr díry Ø 5,56 mm.
Tvářecí nástroj - tvářecí závitník M6-6HX HSSE TiN 2960 (NAREX) - obr. 1. Závitník byl vybaven čtyřmi mazacími drážkami, které napomáhaly přívodu kapaliny do místa obrábění. Závitník byl chráněn povlakem nitridu titanu (3µm), který obecně snižuje tření a má dobrou adhezi k povrchu nástroje s příznivým tlakovým předpětím. Závitník byl dále vybaven náběhem pro slepé i průchozí díry a obecně je použitelný pro hloubku závitování 3,5 x D.
Upínání nástroje - bezpečnostní hlava závitová ZHB 2/MK.
Obráběcí stroj - vrtačka stolní VS20.
Měřicí soustava tvářecího momentu - piezoelektrická soustava Kistler umístěná pod ručním svěrákem s testovaných kusem.
Tvářecí podmínky - obvodová rychlost závitníku: 3,4 m/min, posuvová rychlost 180 mm/min (rotací nástroje nedocházelo k odstřeďování kapaliny z místa řezu, závitník byl vždy zaplaven).
Způsob mazání - zaplavení místa tváření střičkou pod tlakem po celou dobu tváření závitu.
Najetí do osy děr bylo provedeno s optickým zaměřením a osově kontrolováno kalibrickým válcem (pro zaručení kolinearity závitníku a díry). Obě kapaliny byly použity po dohodě s dodavatelem v koncentrovaném stavu. Každý pokus byl opakován 6x, aby bylo možno statisticky posoudit účinek procesní kapaliny, ale současně se zamezilo přídavnému účinku opotřebení nástroje na měřená data.

Dosažené výsledky
- Vyhodnocení tvářecích momentů a tvářecí práce
K měření krouticího momentu byl použit piezoelektrický dynamometr Kistler, mechanicky kalibrovaný, plně řízený PC (obr. 2) s frekvenci načítání dat 100 Hz a dolnopropustným filtrem 10 Hz.
Dílčí měřené průběhy vykazovaly obdobné průběhy s lokálními maximy (obr. 3), které se uvažovaly pro statistické zpracování. Z dílčích průběhů byl patrný lepší účinek kapaliny Cimtube FHC 250 - jak z hlediska stability tváření, tak i snadnějšího uvolnění závitníku při reverzních chodu vřetene (kapalina účinněji bránila sevření závitníku pasivními silami). Výsledky tvářecích momentů pro jednotlivé testy a jejich statistické porovnání jsou uvedeny v tab. 1. Výsledky prokazují rozdíl jak v průměrných hodnotách tvářecích momentů, tak i jejich standardních odchylkách.

Vypočtené hodnoty deformačních prací a jejich statistické porovnání jsou uvedeny v tab. 2.
- Vyhodnocení kvality závitů
Kvalita závitu byla vyhodnocena pomocí dílenského závitového kalibru (všechny vyrobené závity byly rozměrově vyhovující) a dále pomocí elektronového mikroskopu v celistvém i rozřezaném stavu (kolmý řez k ose závitu, broušený) viz obr. 4-7.
Elektronová studie morfologie potvrdila všeobecné známé vady tvářených závitů - zejména nedotvářený profil (nedotečení materiálu u volného povrchu vnitřního průměru závitu) a to u obou testovaných kapalin (obr. 4-7). Morfologie povrchu závitů tvářených s kapalinou Cimtube FHC 250 byla hladší, prosta nárůstků nebo stop zadírání materiálu (obr. 6,7). Závitník nevykázal po testech znaky opotřebení (kontrola přístrojem Zeiss Stemi 2000).
Obě kapaliny prokázaly schopnost efektivně chránit nástroj při tváření závitů. Obecně jsou tyto hodnoty tvářecích momentů o 30 - 50 % vyšší ve srovnání s obráběcí technologií (maticovým závitníkem), ale právě touto deformační prací se obvykle dosahuje výhodnějšího materiálového toku (uspořádání „vláken“ materiálu), vyšší pevnosti povrchových vrstev, jejich vyšší korozivzdornosti i vyšší únosnosti spoje.

Závěr
Z hlediska dosažení lepšího mazacího účinku je pro danou operaci výhodnější použití Cimtube FHC 250, neboť za stejných podmínek tváření se dosahuje jak nižší momentové zatížení nástroje, tak nižší energetické náročnosti výroby závitu (zvl. průměrného tvářecího momentu - o přibližně 30 %, množství průměrné celkové energie na jednu operaci - přibližně o 20 %,) tak vyšší kvality opracování. Měření při aplikaci procesní kapaliny Milform 2128 prokázala nejen vyšší mechanickou náročnost tváření, nižší kvalitu opracování, ale i jistou tendenci k pasivnímu svírání závitníku při reverzaci chodu, které by mohla dále přispívat k rychlejšímu opotřebení nástroje, resp. k vyššímu otěru povlaků a jejich delaminaci. Výsledky výzkumu jsou předběžné, pokračuje se na dalším testování kapalin (zejména v ředěném stavu), včetně studia vlivu zinku v kontaktních plochách plechů na tvářecí poměry a na změnu korozivzdornosti spoje.

Miroslav Píška, Petra Sliwková
FSI VUT v Brně, Ústav strojírenské technologie
 

Publikováno: 19. 11. 2014 | Počet zobrazení: 3916 635