Použití numerického a fyzikálního modelování při návrhu tvářecích technologií

Společnost COMTES FHT byla založena na konci roku 2000 a již od počátku své činnosti se úspěšně profiluje jako vývojově poradenská firma pro oblast materiálového inženýrství a technologií tváření a tepelného zpracování kovových materiálů. V současné době se řadí v evropském měřítku mezi špičková pracoviště v tomto oboru a úspěšně spolupracuje s řadou průmyslových podniků a výzkumných institucí v České republice i v zahraničí. V oblasti tváření kovů je třeba jmenovat především dlouhodobou exkluzivní spolupráci s firmou Benteler AG, pro kterou COMTES FHT vyvíjí nové materiály a technologie výroby ocelových trubek. Z českých podniků pak COMTES FHT pravidelně spolupracuje v oblasti tváření kovů např. se společnostmi ŽĎAS, Škoda Auto, Bonatrans a řadou dalších. Při vývoji tvářecích technologií společnost využívá kombinaci počítačové simulace pomocí metody konečných prvků v programu DEFORM a fyzikálního modelování na unikátním zařízení vlastní konstrukce. Tento tzv. fyzikální simulátor je založen na principu servohydraulického zkušebního stroje pro zkoušky tahem a tlakem a navíc umožňuje rychlý odporový ohřev a plynové chlazení zkušebních vzorků o průměru do 12 mm. Díky tomu je možné na vzorcích nasimulovat libovolný teplotně- deformační průběh odpovídající skutečnému zatížení materiálu při nejrůznějších tvářecích operacích od běžného kování až po velmi rychlé procesy, jako je například redukování trubek na válcovacích stolicích. Na takto zpracovaných vzorcích je možné provádět např. metalografické analýzy nebo mechanické zkoušky pro získání podrobných informací o vlastnostech materiálu po simulovaném průchodu danou tvářecí operací. Kombinace počítačové simulace a fyzikálního modelování tak představuje velice silný nástroj pro podrobnou analýzu a cílenou optimalizaci nejrůznějších tvářecích procesů, jak je demonstrováno v následujících odstavcích. ZÁPUSTKOVÉ KOVÁNÍ Zápustkové kování patří k nejčastěji využívaným technologiím výroby strojních součástí malé a střední velikosti. Oproti (zpravidla cenově výhodnějším) odlitkům jsou rozhodující výhodou výkovků především jejich lepší mechanické vlastnosti (vyšší pevnost, houževnatost apod.). U výkovku jeřábového háku (viz obr. 1) byla navržena technologie kování ze speciální mikrolegované oceli, která umožňuje dosáhnout požadovaných vlastností výkovku přímo během kování a následného dochlazení z kovací teploty. Není tedy nutné provádět finální zušlechtění výkovků, čímž je dosaženo výrazných úspor na výrobních nákladech. Podmínkou dosažení optimálních vlastností výkovku je však aplikace dostatečného stupně deformace v celém objemu háku. Na obr. 1 je zvýrazněna oblast, kde dochází během kování k nejmenší deformaci výchozího polotovaru. Pomocí fyzikální simulace byly ověřeny vlastnosti materiálu dosahované po aplikaci tohoto stupně deformace a následně došlo k úpravě kovací technologie tak, aby byly požadované vlastnosti dosaženy v celém objemu háku. STŘIHÁNÍ DRÁTU Strojní střihání drátů je poměrně jednoduchou technologií používanou především na komplexních výrobních linkách, kde se současně provádí i další operace, např. ohýbání, svařování aj. Typickým příkladem je výroba řetězů pro závěsy a nosné prvky k upevnění břemen. Společnost COMTES FHT se zabývala optimalizací technologie střihání ocelového drátu, při kterém docházelo k předčasnému tupení střižných nástrojů a k nedefinovanému dolamování drátů, což mělo negativní vliv na průběh dalšího zpracování drátu na výrobní lince (zejména na svařování). Bylo navrženo několik modifikací tvaru střižných nástrojů a pomocí numerické simulace byl analyzován vliv geometrie břitu na průběh střihu. Bylo zjištěno, že pro dosažení nejvyšší přesnosti střihu není vhodné používat břity broušené do špičky, mnohem vhodnější je použití břitů se sraženým ostřím podle obr. 2. Přesná volba geometrie břitu pak záleží na průměru drátu a na jeho mechanických vlastnostech. KOSÉ VÁLCOVÁNÍ TRUBEK Ocelové bezešvé trubky vyrobené přesným válcováním mají ve srovnání s levnějšími svařovanými trubkami výrazně lepší mechanické vlastnosti, díky kterým jsou často využívány v náročných aplikacích, jako jsou např. boční výztuhy automobilových karoserií, nosné prvky konstrukcí vystavených extrémním teplotám apod. Výroba bezešvých trubek válcováním se skládá z několika tvářecích operací. První operace je kosé válcování na válcovací stolici se dvěma šikmými válci a děrovacím trnem, kde dochází k proměně válcového polotovaru na tlustostěnnou trubku. Tento způsob výroby trubek se také nazývá Mannesmannův proces. Na základě napjatostí v materiálu dochází k porušení ve středu profilu, tzv. Friemelův efekt. Takto vzniklou dutinu pak rozevírá a kalibruje trn. Počítačový model kosého válcování vyvinutý firmou COMTES FHT umožňuje reálné simulace výroby trubek na válcovací stolici ve firmě Benteler a je ověřen porovnáním s experimentem. Model slouží technologům firmy Benteler k testování různých vlivů (např. nastavení stolice, změna tvaru trnu) na přesnost vyrobené trubky především na její excentricitu. V součinnosti s fyzikální simulací je dále možné ověřovat vliv změn některých parametrů válcování na mechanické vlastnosti výsledné trubky. Uvedené příklady demonstrují způsob, jak je možné provádět účinnou optimalizaci tvářecích technologií pomocí počítačového a fyzikálního modelování. Tento způsob vývoje technologií je výrazně levnější a efektivnější, než ověřování pomocí technologických zkoušek. I přes neustálý nárůst výpočetního výkonu počítačů a přesnosti fyzikálních modelů použitých pro simulaci však stále hraje při návrhu technologie nezastupitelnou roli zkušenost a odborné schopnosti vývojových pracovníků, kteří model sestavují a kalibrují tak, aby co nejlépe odpovídal skutečným podmínkám při tváření. Ing. Pavel Šuchmann, Ing. Michal Zemko, Ph.D.