Tribotechnické listy

 

 

Možnosti zvýšení životnosti nástrojů pro plošné tváření

Tváření kovových materiálů za studena patří mezi moderní výrobní technologie.  K jejich výhodám patří hospodárné využívání materiálu, vysoká produktivita práce, výroba přesných polotovarů a dílů s minimálními požadavky na dokončovací operace. Efektivnost této technologie je ve velké míře určována kvalitou tvářecích nástrojů.

Výkon a trvanlivost tvářecího nástroje jsou závislé na celé řadě výrobních a provozních faktorů, přičemž k základním patří materiál nástroje a jeho tepelné zpracování. Rozhodující objem spotřeby tvářecích nástrojů představují nástrojové oceli, i když v řadě případů technická a ekonomická hlediska vedou k preferenci levnějších litých nebo tvářených konstrukčních ocelí či litin. Vysoce výkonné nástroje vyžadují vložkování slinutými karbidy nebo povlakování materiály s vysokou odolnosti proti opotřebení.

Druhy opotřebení
Opotřebení je nežádoucí změna povrchu nebo rozměrů součástí, způsobená vzájemným působením  funkčních povrchů nebo funkčního povrchu a opotřebovávajícího  media. Projevuje se jako odstraňování a přemísťování částic z opotřebovávaného povrchu mechanickými účinky, popř. doprovázenými i jinými vlivy (např. chemickými, elektrochemickými, elektrickými). V podmínkách práce tvářecích nástrojů dochází k jejich adhezívnímu nebo abrazívnímu opotřebení či kombinovanému působení obou druhů opotřebení. Adhezívní opotřebení vzniká v místech těsného přiblížení stykových povrchů během jejich relativního pohybu. V závislosti na podmínkách vzájemného působení povrchů působí různé mechanizmy porušování (adhezívní, únavový, oxidační apod.). Abrazívní opotřebení je charakterizováno oddělováním částic z opotřebovávaného povrchu rýhováním a řezáním tvrdými částicemi nebo rýhováním a řezáním tvrdým a drsným povrchem druhého tělesa. Tvrdé částice mohou být přítomny i mezi dvěma vzájemně se pohybujícími povrchy (nečistoty v mazivu).


Opotřebení nástrojů pro plošné tváření
Při stříhání se vytváří podmínky pro intenzívní opotřebení:
-    Hrany střižnice a střižníku  a funkční plochy nástroje jsou v kontaktu s čerstvými povrchy vytvořenými stříháním. Relativní prokluz mezi stykovými povrchy vytváří ideální podmínky pro adhezívní opotřebení hran a ploch střižníku.
-    Materiál výstřižku je silně deformačně zpevněn. Ačkoliv hloubka této silně deformované oblasti je malá (obvykle 30 až 50% tloušťky plechu), zvyšuje lokální tlak na nástroj a zajišťuje podporu  abrazívních částic, které zde mohou být přítomny a zvyšuje jejich rýhovací účinek.
-    Střižné síly, zvláště lokálně, mohou být vysoké. Tyto síly mohou být sníženy volbou odpovídající střižné vůle (typicky kolem 8%), ale jen mírném rozsahu. Vysoké výrobní rychlosti způsobují rázové zatěžování s vysokou frekvencí. Opakované zatěžování, zvláště v přítomnosti  adhezívních spojů, vede k vydrolování (únavě)  hran. Je také možná tvorba kráterového otěru (výmolu)  na čele střižníku.
-    Elastická deformace zpracovávaného materiálu způsobuje jeho relativní pohyb  podél čela střižníku, nejprve radiálně vně a pak po vytvoření trhliny dovnitř. To vede k abrazívnímu opotřebení čela střižníku. Omezením elastického průhybu pomocí přidržovače se redukuje tato formu opotřebení. V kombinaci s vysokými normálnými  zatíženími se objevuje výmol.
-    Elastické zpětné odpružení zpracovávaného materiálu zvyšuje tlak působící na střižník během vnikání a tak zvyšuje otěr střižníku, zvláště při vytváření otvorů.
-    Vysoká výrobní frekvence přispívá k růstu teploty. Při děrování korozivzdorné oceli růst teploty byl 80°C při práci bez maziva a 55°C v mazaných podmínkách. Zvýšené teploty jsou dostatečné pro zvýšení intenzity adhezívního a oxidačního opotřebení.
-    Termoelektrické proudy vytvářené při stříhání rovněž podporují otěr. Tento zdroj opotřebení však může být neutralizován kompenzačním vedením.


Při ohýbání, kovotlačení, přetahování, hlubokém tažení a rovnání je rozsah opotřebení úměrný dráze, kterou tvářený plech vykoná v kontaktu s nástrojem při daném tlaku. Rychlost opotřebení pro různé kombinace nástroje a tvářeného materiálu se mění ve značném rozsahu v závislosti na morfologii povrchu materiálu, tvářecí rychlosti a druhu mazání. Opotřebení nástroje také závisí na charakteristikách tvářecího procesu.

Místa opotřebení:
Opotřebení dříku střižníku - lze charakterizovat délkou nebo plochou. Je důležité, protože určuje délku, která musí být odstraněna přebroušením. Je způsobeno adhezívním a abrazívním opotřebením a roste postupně s počtem zdvihů. Růst otěru je vyšší v případech, kdy střižná vůle je příliš malá. Lineární opotřebení dříku roste asymptoticky k maximu danému hloubkou vniknutí střižníku. Při pohybu mezi střižníkem a zpracovávaným plechem jsou odřezávány malé mikrotřísky z povrchu nástroje, což vede k postupnému úbytku nástrojového materiálu. Na makroskopické úrovni tento typ opotřebení nástroje způsobuje zaoblení střižné hrany, i když střižník je ještě relativně hladký. Na povrchu jsou charakteristické rovnoběžné rýhy  na hraně a na dříku střižníku (viz obr.1).

 


Opotřebení hrany, které je obtížně odlišitelné od opotřebení dříku střižníku, určuje  výšku otřepu. Ten roste s počtem výstřižků a je minimální při určité optimální střižné vůli. Zvýšená střižná vůle  vede k velkému otřepu.
Opotřebení čela je způsobeno hlavně abrazívním mechanizmem. Lineárně roste s počtem výstřižků.
Životnost střižnice je obvykle definována maximální přípustnou výškou otřepu. Avšak otěr nemůže být určen  z absolutní výšky otřepu, protože  je  funkcí též vlastností materiálu. Výška otřepu roste s rostoucí tažností a je tak obecně menší u materiálů válcovaných za studena než u žíhaných materiálů. Podobně legování snižující tažnost  také zmenšuje  výšku otřepu. U křemíkových ocelí výška otřepu  rostla s klesajícím obsahem Si a klesající hodnotou r. Díky těmto vlivům otěr čela může být uvažován jako další indikátor. Životnost nástrojů obecně sleduje Weilbullovo rozdělení, tj.  normálné rozdělení, ale s konečnou dolní mezí. Nadměrný otěr čela způsobuje plastickou deformaci ve formě vyboulení výstřižků díky kontaktu před vznikem lomu. Deformovaný tvar výstřižku může pak být brán jako kriterium  pro  otěr nástroje.

Ovlivnění procesu opotřebení
Tření neovlivňuje proces stříhání a proto základním účelem mazání je snížit opotřebení nástroje. Adhezívní, abrazívní, únavový a chemický mechanizmus opotřebení přispívá k ztrátě profilu střižníku a střižnice. Zvyšuje se vůle a tvoří se otřep na obvodu výstřižku. Otěr lze zmenšit vhodným výběrem materiálu nástroje a maziva.  Materiál nástroje musí být tvrdý a mít odpovídající houževnatost a také nízkou adhezi k zpracovávanému materiálu. Povlaky na povrchu nástroje mají důležitou roli. Maziva minimalizují adhezívní a abrazívní otěr tvorbou mezných a  EP  vrstev. Avšak mazání neovlivňuje přímo proces stříhání, je třeba zvažovat různé faktory, které ovlivňují řízení otěru a životnost střižných nástrojů.

Obecně výběr materiálu nástroje a nebo odpovídajícího povrchového zpracování musí vzít do úvahy pravděpodobné mechanizmy porušování. V závislosti na použité tvářecí operaci (stříhání, vystřihování, ohýbání, tažení apod.) nástroje pro tváření za studena se mohou porušovat opotřebením, zadíráním, rýhováním, vyštipováním a lomy. Tyto procesy poškozování nástrojů lze charakterizovat:
-    Abrazívní nebo adhezívní otěr způsobuje kontinuální nebo diskontinuální úbytek materiálu v závislosti na zpracovávaném  materiálu, použité tvářecí operaci a podmínkách tvářecího procesu.
-    Zadírání vzniká fyzikální nebo chemickou adhezí materiálu plechu k materiálu nástroje. Rozsah zadírání závisí na drsnosti povrchu, na chemickém složení materiálu nástroje a plechu a na druhu, velikosti a rozložení tvrdých částic v materiálu nástroje. Obvykle se proces zadírání považuje za velmi intenzívní formu adhezívního opotřebení, kdy dochází k přenosu a zpětnému přenosu materiálu nástroje i zpracovávaného materiálu. Povlak na povrchu nástroje může snížit nebo odstranit zadírání.
-    Plastická deformace, jsou-li pracovní napětí vyšší než je mez kluzu v tlaku nástrojového materiálu.
-    Vyštipování účinkem pracovních napětí při tvářecím procesu, které úzce souvisí s odolností proti únavovému porušování nástrojového materiálu.
-    Lomy vyvolané provozními napětími v procesu tváření, které při dané délce a geometrické konfiguraci existujících povrchových mikrotrhlin způsobují, že intenzita napětí je vyšší než lomová houževnatost nástrojového materiálu.

Význam jednotlivých faktorů závisí na tvářecí operaci při práci za studena. Při vystřihování se mohou projevit prakticky všechny mechanizmy porušování, kdežto při lisování jsou obvyklé mechanizmy porušování zadírání, adhezívní opotřebení a plastická deformace.
Poškození tvářecích nástrojů způsobené plastickou deformací, vyštipováním a lomy je nezbytné eliminovat, protože často vzniká náhodně a nelze ho předvídat. Opotřebení, včetně zadírání, lze považovat za mechanizmy porušení, jejichž časový průběh lze předvídat a může být kontrolováno řádnou údržbou nářadí. Faktory, které ovlivňují procesy opotřebení a tedy i životnost nástrojů:
1.    Materiál nástroje - tvrdost; množství/ velikost/ tvrdost karbidů; houževnatost/tažnost; kalitelnost
2.    Výroba nástroje - obrábění; elektroerozívní obrábění; broušení; leštění; svařování; značení
3.    Tepelné zpracování - předehřev; doba a teplota austenitizace; kalící medium; teplota a doba popouštění; kryogenní zpracování; povrchové zpracování
4.    Zpracovávaný materiál - druh; tvrdost; tvrdé částice; tažnost; tloušťka; povlak; prášek (kov/kera-mika)
5.    Výrobní podmínky - vůle; tuhost stroje; tvářecí rychlost; mazání
6.    Údržba nástroje - přebroušení; čištění; leštění; svařování; popouštění na odstranění vnitřních pnutí
7.    Konstrukce nástroje - velikost; tloušťka; složitost; kouty/otvory/rohy

Materiály nástrojů
Jak chemické složení materiálu nástroje, tak jeho tvrdost jsou důležité faktory pro životnost nástroje. Příliš vysoká tvrdost však zvyšuje vydrolování na povrchu nástroje. Nebezpečí vydrolování, vyštipování a praskání nástroje vyžaduje proto určitou tažnost a houževnatost. Odolnost proti opotřebení také závisí na tvrdosti částic karbidické fáze (Hc), které jsou rozptýlené na funkčním povrchu nástroje. Jejich efektivní podíl z celkové plochy se značí (α). Odolnost proti opotřebení nástrojových ocelí totiž nemůže být závislá pouze na  tvrdosti matrice nástrojové oceli (Hm), ale spíše na efektivní tvrdosti (He): He = Hc + (1-α) Hm.
Obecně užívané nástrojové oceli pro zpracování plechu zahrnují  subledeburitické a ledeburitické chromové oceli. Typickými představiteli těchto ocelí jsou 5% Cr nástrojová ocel a 12% Cr nástrojovou ocel (19436 = X190Cr12). Avšak tyto materiály (lité nebo tvářené) nemusí být nejvýhodnější v případech zpracování ocelí se zvýšenou pevností nebo tlustších  vysocepevných materiálů. Tažnost a houževnatost těchto nástrojových ocelí může též limitovat životnost raznice, zvláště u operací, kde jsou vyšší požadavky na odolnost proti opotřebení, pevnost a tažnost v porovnání s obvyklými tvářecími operacemi.
Otěruvzdornost nástrojů na stříhání, vystřihování a děrování se dociluje s rozptýleným množstvím tvrdých částic, zvláště karbidů v různých typech materiálů.
-    Slinuté karbidy (karbidy W v Co matrici)
-    Ocelí vázané karbidy (TiC v ocelové matrici)
-    PM nástrojové oceli.
Karbidové nástroje se používají běžně pro nástroje s dlouhodobou životností. Karbidy s ocelovým pojivem mají střední úroveň odolnosti proti opotřebení mezi nástrojovými ocelemi a slinutými karbidy na bázi WC-Co. Skládají se z 25 - 45 % obj. TiC homogenně rozptýlených v ocelové matrici. Matrice mohou být nástrojové oceli, maraging oceli a martenzitické korozivzdorné oceli.  Karbidy s ocelovým pojivem lze tepelně zpracovat a jsou obrobitelné konvenčními metodami, když je matrice v žíhaném stavu. Kalený nástrojový materiál lze popouštět na různé teploty, kdy lze získat větší houževnatost než u WC-Co. Avšak tento zisk houževnatosti je spojen s určitým poklesem tvrdosti. Nedoporučují se pro řezné nástroje (pokles tvrdosti povrchových vrstev při vysokých teplotách vytvořených v oblasti řezného břitu). Jsou však užívány pro razníky a raznice při práci za studena.
PM nástrojové oceli se užívají při tváření za studena, kde se vyžaduje kombinace dobré odolnosti proti opotřebení a pevnosti v tlaku (vysoké tvrdosti). Prášková metalurgie dovoluje vyrábět nástrojové oceli s VC do podmínek velkého opotřebení. Vanadové PM nástrojové oceli se užívají pro střižníky a střižnice při stříhání za studena a pro razníky a raznice při lisování. Jsou považovány za cenově efektivní náhradu slinutých karbidů WC-Co a nástrojů z kompozitu karbidy - ocel v případech, kdy tyto materiály jsou citlivé na vylamování a porušení nebo kde cena těchto materiálů je nepřípustně vysoká. Vanadové PM nástrojové oceli jsou zvláště vhodné pro práci za studena, protože mají výbornou kombinaci otěruvzdornosti, houževnatosti a brusných charakteristik v širokém rozmezí tvrdostí.
Současné vanadové PM nástrojové oceli se vyvíjí tímto směrem:
-    Oceli obsahující 15 až 18 % V, které mají  až do 30 obj.% primárních karbidů typu MC pro zvýšení odolnosti proti opotřebení
-    Středně legované chrómovanadové ocelí s nízkým až středním objemem karbidů pro dosažení optimální houževnatosti a pro udržení dobré odolnosti proti opotřebení
-    Vysokovanadové, vysokochrómové oceli, které mají odolávat kombinovanému účinku  opotřebení a koroze.

Povrchové úpravy pro podmínky tření a opotřebení
Povrchové úpravy, které zlepšují tribologické charakteristiky kovových materiálů (koeficient tření a odolnosti proti různým druhům opotřebení) lze principielně rozdělit do 2 základních skupin:

Povrchové vrstvy a povlaky s vysokou tvrdostí
U tvrdých povrchů se výrazně sníží rozsah plastické mikrodeformace ve styku jednotlivých nerovností i hloubka vniknutí hrotů a řezných hran abrazívních částic. Sníží se koeficient tření v případech, kdy k interakci povrchů dochází při tření bez maziva, protože se zmenší rýhovací i adhezívní složky tření. Zmenší se tepelné i mechanické namáhání v oblasti kontaktu, což se projeví zmenšením intenzity degradačních procesů, případně změnou dominantního mechanizmu opotřebení. Na př. při adhezívním opotřebení při malé drsnosti třecích ploch a dobré adhezi povlaku k podkladu se mohou povrchy porušovat vysokocyklovým únavovým mechanizmem, který má velmi malou intenzitu.

Měkké a houževnaté povrchové vrstvy a povlaky
U těchto povrchových úprav jsou smyková deformace i porušování lokalizovány do tenké vrstvy s vysokou plasticitou. Vyšší pevnost materiálu pod povrchovou vrstvou modifikuje pole napětí a deformací a brání rozvoji plastické mikrodeformace a tím i porušování materiálu do větší hloubky. Prakticky se realizuje základní požadavek Kragelského molekulárně-mechanické teorie tření a opotřebení, t.j. kladný gradient fyzikálně-mechanických vlastností. Tyto povrchové úpravy se uplatňují především u strojních součástí v podmínkách adhezívního opotřebení. U tvářecí nástrojů lze použít měkké a houževnaté vrstvy při tváření bez maziva.

Povrchové úpravy lze rozdělit na 3 základní skupiny - povrchové vrstvy, povlaky a duplexní povlaky.  Při vytváření povrchových vrstev se modifikuje chemické složení, struktura nebo substruktura na povrchu a v podpovrchových vrstvách základního materiálu. Od povrchu do jádra materiálu se vytváří gradient fyzikálně-mechanických i chemických vlastností bez jejich náhlé změny. Proto zpravidla nevzniká výrazné rozhraní mezi povrchovou vrstvou a jádrem, které může být slabým místem při provozním zatěžování součásti či nástroje.

Povlaky se nanáší na původní povrch materiálu a obvykle mají odlišné chemické složení i strukturu než základní materiál. Přitom vzniká rozhraní s výraznou změnou fyzikálně-mechanických i chemických vlastností, což může vytvářet problémy jak při vytváření povlaků, tak při jejich aplikaci. Dochází k superpozici pole napětí vyvolaného zatěžováním součásti nebo nástroje při provozu a zbytkových pnutí v oblasti rozhraní povlaku a podkladu.

Duplexní povlaky kombinují modifikaci povrchových vrstev s nanesením povlaku. Zabrání se tím náhlé změně fyzikálně-mechanických i chemických vlastností směrem od povrchu do jádra a zároveň se docílí požadované vlastnosti povrchu. Duplexní procesy vyžadují kombinaci dvou i více technologických postupů, což komplikuje a zdražuje výrobu nástrojů.

Povlaky a povrchové vrstvy, které zlepšují výkonnost tvářecích nástrojů, zahrnují nitridaci, tvrdé povlaky na bázi slitin niklu, bórování, PVD, CVD a tvrdé chromování. Při použití těchto povrchových úprav lze předpokládat dvojnásobné až čtyřnásobné prodloužení životnosti nástroje. Efektivnost těchto povrchových úprav roste s rostoucí tloušťkou zpracovávaného materiálu a bylo zjištěno až stonásobné prodloužení životnost nástroje. Nástroje  povlakované karbidy či nitridy rovněž výrazně zlepšují drsnost  povrchu přesných výstřižků. Tvrdé PVD povlaky jsou vhodné pro dosažení přesnějších rozměrů, vyžadují nižší teplotu pochodu při vytvoření povlaku, ale mají poněkud menší odolnost proti abrazívnímu opotřebení než CVD povlaky. Nevýhodou CVD povlaků jsou vysoké teploty povlakovacího pochodu. Tyto teploty jsou značně vyšší než popouštěcí teploty nástrojových ocelí a proto je nezbytné po povlakování tepelné zpracování (kalení a popuštění). Je nezbytné tepelně zpracovávat v redukční atmosféře nebo ve vakuu, protože povlaky na bázi Ti oxidují při teplotách nad ~ 550°C. Toto tepelné zpracování způsobuje některá omezení u součástí povlakovaných metodami CVD. Procesy CVD dovolují vytvářet povlaky s tloušťkou v rozmezí 4 - 10 μm. Doba procesu je obvykle 5 až 8 hodin.

PVD povlaky (TiN, TiAlN a CrN) se používají nejčastěji. Povlak TiN je univerzálně použitelný a relativně snadno se nanáší v porovnání s ostatními povlaky. Povlak TiCN má často lepší odolnost proti opotřebení než TiN. Relativně vysoká tvrdost, vysoká tlaková pnutí a skutečnost, že povlak TiCN často má gradientní čí vrstevnatý charakter, zvyšuje odolnost proti opotřebení. Povlak TiAlN má na povrchu tenkou vrstvu Al2O3, která slouží jako tepelná bariera. Povlak TiAlN má lepší vlastnosti než povlaky TiN a TiCN při vysokých teplotách v oblasti kontaktu. Nejpříznivější vlastnost povlaku CrN je jeho velmi vysoká houževnatost v kombinaci s poměrně vysokou tvrdostí a nízkou adhezí k některým zpracovávaným materiálům.

V oblasti aplikací, kde je požadována odolnost proti opotřebení v kombinaci s nízkým třením, se uplatńují DLC povlaky. Tyto povlaky jsou dopovány kovy (např. Cr) nebo karbidy (WC). Nízký koeficient tření DLC povlaků lze využít u nástrojů pro tváření bez maziva neželezných kovů a slitin.

 


Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc.
ČVUT v Praze, FS, ÚST

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
8 + 2 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd