CZ307213B6 - Způsob výroby dutých těles a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynálezem je způsob výroby tvarovaných dutých těles z kovu zatepla a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Dutá tělesa mají značný potenciál pro využití v lehkých konstrukcích. Při jejich technických aplikacích je lépe využito hmotnosti materiálu pro zabezpečení jejich funkce. Kromě dutých těles, kde je dutina nutnou funkční podmínkou kupříkladu při konstrukci potrubí, tlakových nádob, kotlů, výměníků či pružin, v současné době vzrůstá počet aplikací, v kterých je dutina především prvkem úspory hmotnosti i s ohledem na moment setrvačnosti. Příkladem jsou duté rotující hřídele, které mají podstatně nižší hmotnost než stejné hřídele z masivního materiálu. Přesto mohou duté hřídele při stejných vnějších rozměrech přenášet porovnatelný kroutící moment. Navíc se pro jejich roztáčení a brzdění spotřebuje, díky nižšímu momentu setrvačnosti, podstatně méně energie. Čím lepší má materiál mechanické vlastnosti, tím může být tenčí stěna a tím vyšší je efektivita použité hmotnosti v konstrukčním prvku.

Dutá tělesa vyráběná z ocelí je nutno nejprve zpracovat do požadovaného tvaru a poté, pro dosažení vynikajících vlastností, je nutno je tepelně zpracovat tak, aby dosáhly vysoké pevnosti a dostatečné houževnatosti. Tvar takového polotovaru může být vyroben různými způsoby, například obráběním, tvářením nebo svařováním.

Nevýhodou dosavadního způsobu výroby dutých těles, resp. jejich polotovarů, je problematické, technicky a materiálově náročné, stejně jako finančně nákladné dosažení jejich tvaru a optimálních vlastností. Navíc u postupů konvenčního obrábění vzniká velké množství odpadu v podobě třísek. Při konvenční kombinaci tváření, nebo i jiných metod, s následným zpracováním je potřeba více ohřevů, a tím je vyšší celková energetická bilance výroby. U některých komplikovaných tvarů, například nerotačních a s nepřímou osou, je výroba konvenčními technologiemi dokonce nemožná. Ze stavu techniky je znám kupříkladu spis 302917, kde je popsán způsob výroby vysokopevných těles z vícefázových martenzitických ocelí. Výroba dutého tělesa sestává z procesu ohřevu, procesu tváření a procesu chlazení. Výchozí polotovar je ohřát na teplotu austenitu materiálu, ze kterého je polotovar vyroben, v tvářecím zařízení je polotovar přepracován v procesu tváření na finální tvar dutého tělesa a bezprostředně poté je toto těleso ochlazeno na teplotu, při které dojde k neúplné transformaci austenitu na martenzit. Bezprostředně poté je v temperovacím zařízení provedena stabilizace zbytkového austenitu difuzním přerozdělením uhlíku v materiálu, ze kterého je duté těleso vyrobeno. Po ukončení stabilizace je pomocí vychlazovacího zařízení duté těleso vychlazeno na teplotu okolí.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je způsob výroby tvarovaných dutých těles z kovu zatepla a zařízení k provádění tohoto způsobu. Způsob výroby tvarovaných dutých těles z kovu zatepla je charakteristický tím, že se dutý kovový polotovar opatřený alespoň jedním otvorem ohřeje na tvářecí teplotu, která odpovídá teplotě austenitu materiálu, ze kterého je polotovar vyroben. Ve výhodném provedení je zařízení pro ohřev tvořeno zařízením s indukčním ohřevem, polotovar lze rovněž ohřát v peci.

Polotovar se umístí do dutiny, jejíž tvar odpovídá požadovanému konečnému vnějšímu tvaru dutého tělesa. Následně se dutina uzavře a do dutiny se vpraví médium v podobě vody, páry nebo

- 1 CZ 307213 B6 směs vody a páry. Dutina je tvořena formou, jejíž vstupní hrana otvoru je opatřena rozšířením, proti kterému směřuje uzávěr, jehož vnější plocha je uzpůsobena k přilehnutí k tomuto rozšíření, přičemž uzávěr je opatřen přívodem média. Tento uzávěr je opatřen trubicí, jíž přívod média prochází. Trubice zasahuje do vnitřního prostoru polotovaru. Po dosažení finálního tvaru polotovaru se dutina rozevře, polotovar se vyjme a dochladí se.

V důsledku kontaktu média s polotovarem dojde k postupnému ochlazení materiálu, přičemž do okamžiku dokončení tvářecího procesu nedojde k transformaci. Tím veškeré tváření proběhne ve stavu podchlazeného austenitu. Po dosažení kontaktu polotovaru se stěnou formy dojde k dalšímu ochlazování materiálu. Tento proces lze aplikovat několikrát, až do úplného vyplnění kontury formy. Přitom může být forma temperována a tím lze dosáhnout toho, že se ochlazování vytvářeného dutého tělesa zastaví na požadované teplotě. Tím lze řídit vývoj struktury tak, že se austenit přemění na martenzit, nebo bainit, nebo ferit, nebo perlit. Přitom může část austenitu vlivem přerušeného ochlazování zůstat netransformována. Při této teplotě je duté těleso vyjmuto z formy a podle požadavku na typ vznikající struktury se buď provede řízené dochlazení na teplotu okolí, nebo se variantně při definované teplotě provede výdrž, vedoucí k přerozdělení prvků, zejména uhlíku, ve struktuře. To vede ke stabilizaci zbytkového austenitu i ke snížení pnutí v zákalných strukturách, a to jak bainitu, tak především martenzitu. Tím dojde ke zlepšení tažnosti a houževnatosti. Po této výdrži následuje vychlazení na teplotu okolí. Podle zvoleného profilu zpracování vznikne mikrostruktura, která může obsahovat zákalné fáze martenzitu a bainitu s metastabilním austenitem, přičemž se podle potřeby ve struktuře může vyskytovat i ferit.

Vhodně lze proces tváření v dutém tělese nastavit pomocí přetlaku páry. Ta vzniká odpařením vody, která je přivedena do prostoru tvářeného polotovaru uvnitř dutiny pomocí trubky. Ta může být výhodně po svém obvodu opatřena tryskami z důvodu rovnoměrnějšího rozložení tlaku páry. Pro podporu intenzivního vývoje páry a dosažení potřebného tlaku, může být trubka předehřátá na vyšší teplotu přibližně 200 °C. Vodní mlha či pára z trysek dopadá na ohřátou vnitřní stěnu dutého polotovaru, čímž dojde k vývinu a dalšímu zvyšování tlaku páry.

Uzávěr opatřený trubkou kromě toho, že zabezpečuje polohu polotovaru, vytváří rovněž zátku formy tak, aby přetlak páry v dutině vzrostl na úroveň, která umožní rozpínání polotovaru uvnitř formy. Vnitřním přetlakem dojde k bezchybnému tvarování polotovaru zatepla nebo polotepla, a to až do stavu, než se dostane polotovar do kontaktu se stěnou formy. Uzávěr může být výhodně k uzavření zápustek přitlačen přes pružinu, která při překročení maximálního tlaku oddálí jeho vnější plochu uzpůsobenou k přilehnutí k rozšíření vstupní hrany otvoru zápustky od tohoto rozšíření a vzniklou štěrbinou se část natlakované páry odvede do okolního prostoru. Pružina působí jako přetlakový ventil. Po dosažení požadované teploty a tlaku se forma otevře, díly formy se od sebe oddálí a vzniklé duté těleso se vyjme z tvářecího zařízení.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 a 2 je schematicky znázorněno tvářecí zařízení k provádění výroby dutých těles s polotovarem ve výchozím a finálním tvaru.

Příklady uskutečnění vynálezu

Dutý kovový polotovar P opatřený jedním otvorem je vyroben z materiálu 25SiCrB (Tab. 1). Tento polotovar P je ohřát přibližně na svou teplotu austenitu 950 °C v elektrické peci. Polotovar P je poté neprodleně přesunut do tvářecího zařízení manipulátorem. Tvářecí zařízení je tvořeno dělenou formou F a uzávěrem B. Dutina D je vytvořena přiblížením obou částí formy F, kde je jejich vstupní hrana otvoru opatřena rozšířením Z], proti kterému směřuje uzávěr U, jehož vnější plocha Bije uzpůsobena k přilehnutí k tomuto rozšíření Z}. Těsným přisunutím uzávěru U vůči

-2CZ 307213 B6 rozšíření Z’ se tedy dutina D utěsní. Část polotovaru P se v prostoru mezi rozšířením Z' a vnější plochou B' uzávěru U zachytí a prostor dutiny D dokonale utěsní. Uzávěr U je opatřen trubicí T a přívodem vody, prostřednictvím které zasahuje do vnitřního prostoru dutiny D formy i polotovaru P. Trubice T je po svém obvodu opatřena tryskami T. Proces tváření v tvářecím zařízení v tomto případě probíhá pomocí páry, která vytváří vnitřní přetlak. Pára se vyvíjí přivedením vody z trysek Τ' v trubici T v důsledku kontaktu vody s ohřátým polotovarem. Polotovar P je vnitřním přetlakem deformován na finální tvar dutého tělesa při teplotách v rozmezí přibližně 920 až 500 °C. Finálního tvaruje dosaženo vyplněním vnitřní kontury dutiny D v tvářecím zařízení. Uzávěr U je k formě F přitlačen přes pružinu A, opírající se o vnější plochu uzávěru ET. která při překročení maximálního tlaku oddálí jeho vnější plochu B', uzpůsobenou k přilehnutí k rozšíření Z' vstupní hrany otvoru formy F, od tohoto rozšíření Z' a vzniklou štěrbinou se část natlakované páry odvádí do okolního prostoru. Pružina A tedy působí jako přetlakový ventil. Po dosažení požadované teploty a tlaku se dutina D otevře, obě části formy F se od sebe oddálí a vzniklé duté těleso D se vyjme z tvářecího zařízení a následně je dochlazeno na teplotu okolí. Následně po procesu tváření, když teplota dutého tělesa D dosáhne teploty formy F, která je temperována přibližně na 250 °C, je duté těleso D o finálním tvaru vyjmuto z formy F a přesunuto do temperovacího zařízení. Temperovací zařízení je v tomto případě tvořeno průběžnou pecí o teplotě 250 °C. Tato teplota zajišťuje redistribuci uhlíku, stabilizaci austenitu a snížení pnutí ve struktuře. Při teplotě 250 °C je duté těleso ponecháno v peci po dobu 6 minut. V posledním kroku je duté těleso D vyjmuto z temperovacího zařízení a pomocí vychlazovacího zařízení volně vychlazeno na vzduchu na teplotu okolí, resp. pokojovou teplotu, v tomto případě 20 °C. Vychlazovací zařízení je v tomto případě ve formě vychlazovacího dopravníku.

c	Si	Mn	Cr	Mo	Al	Nb	P	s	Ni	Cu	B
0,25	2,0	0,5	0,8	0,03	0,008	0,03	0,01	0,01	0,08	0,07	0,005

Tab. 1: Chemické složení materiálu 25SiCrB (hmotn. %)

Průmyslová využitelnost

Vynález lze uplatnit při výrobě kovových součástí, zejména v hutním průmyslu při výrobě polotovarů, zejména pro automobilový průmysl.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby tvarovaných dutých těles z kovu zatepla, vyznačující se tím, že dutý kovový polotovar (P) opatřený alespoň jedním otvorem se ohřeje na tvářecí teplotu, umístí se do dutiny (D), jejíž tvar odpovídá požadovanému konečnému vnějšímu tvaru dutého tělesa, načež se otvor polotovaru (P) uzavře a do dutiny (D) se vpraví voda a/nebo pára, po dosažení finálního tvaru polotovaru (P) se dutina (D) rozevře a polotovar (P) se vyjme, jakmile teplota polotovaru (P) dosáhne teploty formy (F), a poté je udržován na zvýšené teplotě po dobu nejméně 3 minuty a následně je chlazen na vzduchu na teplotu okolí.
2. 2. Zařízení k provádění tohoto způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že dutina (D) je tvořena dělenou formou (F), jejíž vstupní hrana otvoru je opatřena rozšířením (Z¹), proti kterému směřuje uzávěr (U), jehož vnější plocha (B') je uzpůsobena pro přilehnutí k tomuto rozšíření (Z'), přičemž mezi uzávěrem (U) a formou (F) je na vnější ploše uzávěru (U) umístěna pružina (A).
3. 3. Zařízení k provádění tohoto způsobu podle nároku 2, vyznačující se tím, že uzávěr (U) je opatřen trubicí (T) opatřenou přívodem (1) vody a/nebo páry, která zasahuje do vnitřního prostoru polotovaru (P), trubice (T) je opatřena tryskami (Τ').