1 ÚVOD
Výrobní metody, které se uplatňují ve strojírenských závodech při zpracování
konstrukčních materiálů, se běžně označují jako "Strojírenská technologie". Přesný
význam tohoto názvu je však poněkud odlišný. Technologie je řecké slovo, které lze
přeložit jako "věda" nebo "nauka o praktické činnosti"; jakou činností se tato věda
zabývá, je pak ještě nutno blíže specifikovat, např. technologie stavebních hmot ap.
Proto název "strojírenská technologie" je možno přeložit jako "Nauka o zákonitostech
strojírenských výrobních procesů."
Základem každé nauky nebo vědy je přehledné a logické roztřídění (klasifikace)
jevů, které jsou předmětem bádání. Obdobně je tomu i v případě strojírenské
technologie, která zahrnuje nesmírný počet výrobních metod, mnohdy naprosto odlišných
svou podstatou i účelem. Jedním z hledisek umožňujících klasifikaci všech výrobních
procesů do základních tříd je míra ovlivnění struktury a vlastností materiálu danou
výrobní metodou; na základě toho lze je začlenit buď do "strojírenské metalurgie" nebo
k "obrábění a montáži."
a)
Strojírenská metalurgie
Společným znakem metod strojírenské metalurgie je změna struktury a vlastností
materiálu, ke které dochází úmyslně a neúmyslně v průběhu jeho zpracování. Protože se
jednotlivé metody mohou zásadně lišit svým principem, člení se strojírenská metalurgie
dále na tyto hlavní obory:

Slévárenství: Charakteristickým znakem slévárenství je zpracování materiálu v
tekutém nebo polotekutém stavu tak, že se vlévá nebo vtlačuje do dutiny formy, kde
ztuhne a získá se odlitek požadovaného tvaru.

Tváření: Trvalé změny tvaru plastického materiálu se dosahuje působením dostatečně
velkých vnějších sil prostřednictvím vhodných tvářecích nástrojů. Výchozí materiál
může být ve stavu litém (ingot) nebo tvářeném (tyč, plech), případně se tvářením
zpracovávají kovové prášky.

Svařováni, pájení, lepeni, tepelné dělení jsou metody, kterými se různé polotovary
nerozebíratelně spojují nebo naopak dělí (řežou) bez použití řezného nástroje.

Tepelným zpracováním se mění struktura a vlastnosti materiálu, aniž se mění jejich
tvar. Cílem je zvýšit např. pevnost, houževnatost, tvařitelnost, obrobitelnost,
povrchovou tvrdost, odolnost proti korozi nebo jinou důležitou vlastnost.

Povrchovou úpravou se mění vzhled nebo korozní vlastnosti povrchových vrstev
výrobku, aniž se tím ovlivnil jeho tvar nebo vlastnosti zpracovaného materiálu.
Sléváním a tvářením se z výchozího materiálu zhotovují tzv. strojírenské
polotovary , které se tvarem a rozměry blíží finálnímu dílci, na rozdíl od hutních
polotovarů, tj. tyčí, plechů, trub, drátů apod. Svařováním se polotovary spojují ve
větší a složitější celky, tepelným zpracováním a povrchovou úpravou se dosahuje
požadovaných vlastností nebo vzhledu. Nedílnou součástí strojírenské metalurgie je
kontrola vlastností a vnitřní celistvosti polotovarů.
Rostoucí podíl materiálů používaných na strojírenské výrobky tvoří plastické
hmoty a další nekovové materiály. Zpracují se rovněž odléváním, tvářením i svařováním
nebo tepelným dělením, tj. způsoby odvozenými od metod strojírenské metalurgie, které
se od obrábění liší tím, že nedochází k oddělování třísek. Proto se někdy tyto metody
zpracování kovových i nekovových materiálů zahrnují společným názvem "Beztřískové
zpracování."
b)
Obrábění a montáž
Do této skupiny patří metody umožňující dát konečnému výrobku přesný tvar,
rozměr a jakost povrchu funkčních ploch.

Obrábění zahrnuje klasické metody, pro které je charakteristické odebírání třísky
pomocí řezného nástroje, který musí být podstatně tvrdší než obráběný materiál.
Patří sem např. soustružení, frézování, vrtání, broušení a řada dalších. Nově
nastupují metody, které mají odlišně principy odběru materiálu s povrchu dílce,
např. elektrickým výbojem, elektrochemicky, pomocí paprsků o vysoké koncentraci
energie apod.

Montáž zahrnuje souhrn výrobních činností, kterými se jednotlivé díly spojují ve
finální výrobek (stroj, zařízení, investiční celek). Spojení mohou být pevná nebo
pohyblivá a montované díly musí mít proto předepsané tolerance, aby výrobek byl
schopen plnit danou funkci.
S obráběním a montáží proto úzce souvisí měření (kontrola tvarů a rozměrů -
metrologie) a lícování.
Postavení strojírenské technologie v národním hospodářství
Význam strojírenské technologie pro rozvoj národního hospodářství je nesporný a
tuto skutečnost zdůraznila řada základních stranických a vládních dokumentů. Toto do
jisté míry výjimečné postavení strojírenské technologie je dáno tím, že na její úrovni
zcela závisí rozvoj všech dalších výrobních odvětví (elektrotechniky, stavebnictví,
zemědělství, chemický průmysl atd.) i mnohá nevýrobní odvětví (např. doprava a spoje),
neboť nové technické myšlenky a konstrukce je možno realizovat jen za předpokladu, že
strojírenský závod dovede potřebné zařízení vyrobit.
V oblasti strojírenské výroby na sebe úzce navazuje činnost konstruktéra,
metalurga i technologa a každý z nich musí respektovat funkční požadavky výrobku,
vlastnosti zvoleného materiálu i zákonitosti použité technologie. Vyžaduje to nejen
hluboké znalosti vlastního oboru, ale také široké všeobecné znalosti a smysl pro
kolektivní práci všech pracovníků. Předpokladem pro to, aby výrobek byl funkčně
dokonalý a ekonomicky výhodný,je totiž konstrukce promyšlená z hlediska funkčního i
technologického a volba optimálního konstrukčního materiálu.
Cílem "Základů strojírenské technologie" je seznámit budoucí strojní inženýry v
přednáškách a v praktické dílenské výuce s principy hlavních výrobních metod a s
odborným názvoslovím. Prvá část předmětu je věnována základním metodám strojírenské
metalurgie; převládat bude popis principů klasických jednoduchých metod a zařízení,
neboť pro hlubší vysvětlení jevů zatím chybí potřebné fyzikální a metalurgické
základy, které studenti získají až v průběhu dalšího studia.
2
SLÉVÁRENSTVÍ
Ve slévárnách se vyrábějí strojírenské polotovary zvané odlitky; zhotovují se
odléváním roztaveného kovu do forem, které mají dutinu ve tvaru budoucího odlitku a v níž
tekutý kov ztuhne.
2.1. PRINCIP VÝROBY ODLITKŮ
Výroba odlitků je typická týmová práce a na jejím řízení se podílí řada pracovníků
odlišných profesí, např. technolog, metalurg i chemik, z nichž každý zodpovídá za určitý
svěřený úsek; cílem jejich společného snažení je ekonomická výroba odlitku požadovaného
tvaru a vlastností.
Podkladem pro výrobu odlitku je kótovaný výkres součástky, která se má zhotovit.
Tvar této součásti se po konzultaci s konstruktérem někdy upravuje tak, aby se usnadnila
výroba formy a snížilo nebezpečí vzniku vad (trhlin, povrchových i vnitřních defektů
apod.). Dále se zvětší některé rozměry o slévárenské technologické přídavky a přídavky na
obrábění apod. a zakreslí se případné nálitky, jádra a známky. Podle tohoto výkresu
odlitku se zhotoví výkresy modelového zařízení, a podle nich se příslušné modely a
jaderníky vyrobí v modelárně.
V úpravně formovaného materiálu se připravuje smísením ostřiva (např. křemičitého
písku) a pojiva (např. jílu) formovací směs, která musí mít předepsanou vlhkost a
fyzikální vlastnosti (vaznost, prodyšnost, žáruvzdornost atd.) a dopraví se do formovny.
Zde se s použitím modelu a jaderníků
zhotoví forma a případná jádra, po vyjmutí modelu a
vložení jader zůstává ve formě dutina, jejíž tvar a rozměry odpovídají budoucímu odlitku.
Aby tekutý kov mohl zaplnit tuto dutinu, musí se při formování vytvořit také vtoková
soustava, tj. systém kanálů, kterými se přivádí roztavený kov a také výfuky, které
odvádějí unikající plyny. Někdy jsou nutné také dutiny pro nálitky,
ve kterých se
shromáždí zásoba tekutého kovu, odkud si tuhnoucí a smršťující se odlitek doplňuje
chybějící kov.
Před odléváním se líc formy upravuje, případně natírá, aby povrch odlitku byl hladký
a čistý; někdy se forma suší nebo povrchově přisouší, pak se vkládají jádra; po složení
formy a pevném spojení obou polovin nebo zatížení proti působícímu vztlaku je forma
připravena k lití.
Tekutý kov o předepsaném chemickém složení, čistotě a licí teplotě se připravuje v
tavírně. Taví se v pecích různého typu a vsázky, která obsahuje určitý podíl kovů
dodaných z huti, dále vratný materiál, kovový odpad (šrot) a různé přísady. Tekutý kov se
dopraví v pánvi k formě připravené k lití a vlévá do vtokové jamky nebo nálevky. Přitom
nesmí do dutiny formy
vnikat struska a proud kovu nesmí strhávat s sebou vzduch a
poškodit formu.
Jakmile tekutý kov ve formě ztuhne a dostatečně vychladne, odlitek se z dutiny
formy vyjímá; u netrvalých forem se vytlouká, tj. písková forma se rozbije; u trvalých
kovových forem se odlitek vyjme z rozložené formy. Získá se tak surový odlitek se všemi
pomocnými částmi (vtokem, výfukem, nálitky), často ještě na povrchu znečištěný částicemi
ulpělé formovací směsi a uvnitř se zbytky jader, která vytvářela dutinu v odlitku.
V čistírně se odstraní vtoky, výfuky, nálitky a případné švy (tj. kov, který vnikl
mezi obě poloviny formy do dělící roviny). Otryskáním nebo jiným způsobem se odlitek
zbaví zbytků písku a jader, podle potřeby se také tepelně zpracuje. Odřezané vtoky,
výfuky, nálitky se dopravují zpět do tavírny jako vratný materiál spolu se zmetky, tj. s
těmi odlitky, které nevyhověly při kontrole rozměrů tvaru a jakosti.
Upravený, očištěný a zkontrolovaný odlitek se nazývá hrubým odlitkem,
který se
před expedicí někdy opatřuje základním protikorozním nátěrem.
Hrubý odlitek je konečným výrobkem slévárny a odesílá se k dalšímu zpracování do
obrobny. Postup technologických operací od výkresu součásti po složenou formu je
schematicky znázorněn na obr. 2.1. a nevyžaduje bližšího komentáře.
Obr. 2.1.: Schéma výroby dělené netrvalé (pískové) formy a) výkres dílce
b) výkres modelu c) modelové zařízení d) složená dvoudílná písková forma
K jednoduché ruční výrobě forem je zapotřebí modelové zařízení, formovací
materiál a pracovní nářadí. Ruční výroba forem je známa několik tisíc let, má
však plné oprávnění i v současné době rozvinuté průmyslové výroby. Klade sice
značné nároky na zručnost a odbornou kvalifikaci pracovníka, je pomalá a málo
produktivní, nevyžaduje však drahé modelové zařízení; v kusové a maloseriové
výrobě je proto nenahraditelná.
2.2. MODELOVÉ ZAŘÍZENÍ
K modelovému zařízení patří modely, šablony a jaderníky, dále všechny přípravky a
pomůcky, které slouží k zhotovení formy a jsou vyrobeny v modelárně.
Modely
Model je základní pomůckou pro výrobu forem a jeho tvar odpovídá vnějšímu obrysu
odlitku zvětšenému o známky pro jádra, případně o nálitky; může být dělený (obr. 2.1),
méně často nedělený, a to jen pokud tvar odlitku umožní vyjmutí modelu z formy bez
jejího poškození. Dělené modely muší být spojeny v dělicí rovině spojovacími čepy tak,
aby byla jednoznačně zajištěna vzájemná poloha obou polovin.
Při kusové výrobě, pro menší série a pro rozměrné odlitky se modely zhotovují ze
dřeva; trvanlivější a dražší modely kovové jsou vhodné pro velké série drobných a
středních odlitků.
Rozměr modelu vychází z rozměru dílce, je však větší o přídavky různého druhu.
Přídavek na obrábění, který zaručuje čistý povrch obrobených ploch, bývá stanoven
normou nebo interními předpisy. Úkosy mají usnadnit vyjímání modelu z formy; plochy
kolmé na dělicí rovinu se proto dělají se sklonem alespoň l:50 až 1:100. Všechny
rozměry modelu se zvětšují o míru na smrštění, neboť vychladlý odlitek v důsledku
teplotní roztažnosti má rozměr menší než byl rozměr dutiny. Hodnota smrštění závisí
hlavně na složení slitiny.
Šablony mají tvar obrysu odlitku; mohou nahradit mnohem dražší modely, pokud má
odlitek jednoduchý rotační nebo přímkový tvar. šablona je sice velmi levná, vlastní
výroba formy šablonováním je však zdlouhavá a nákladná.
Jaderníky jsou dřevěné nebo kovové formy, jejich dutina se zaplní formovací směsí
a tak se zhotoví jádro. Většinou jsou dělené, často velmi složité, sestávající z mnoha
dílů; řešeny musí být tak, aby se z nich dalo pískové jádro bez poškození vyjmout.
Příslušenství modelového zařízení tvoří modely vtokových systémů (model jamky,
vtokového kanálu, struskového případně rozváděcího kanálu, zářezů, dále modely výfuků,
nálitků apod.). Aby se usnadnilo a zpřesnilo formování, používají se různé pomocné
prostředky,
např. modelové desky, kontrolní šablony, zaváděcí kolíky apod.
Zvláštní skupinu tvoří modely netrvalé, např. vytavitelné (voskové) nebo
spalitelné (z pěnového polystyrenu apod.), které se pro každou formu musí vyrobit
znovu. V těchto případech se jedná o speciální metody výroby forem.
Modelové zařízení je značně nákladné a jeho cena se promítá plně do ceny odlitku.
Čím kvalitnější a dražší je modelové zařízení, tím nižší jsou pak další náklady na
formování a obrábění. Proto se musí souběžně s návrhem modelového zařízení zvážit
ekonomický dopad a volit optimální varianta. Cena modelového zařízení závisí na
velikosti odlitku, složitosti jeho tvaru a na požadované trvanlivosti, tj. na počtu
odlitků, které se mají vyrobit. V kusové a maloseriové výrobě se proto používají
modely co nejjednodušší a nejlevnější a řada dokončovacích prací na tvaru odlitku se
ponechá na formíři, který např. ručně zhotoví zaoblení koutů a provede menší úpravy
tvaru.
Při výrobě odlitků, které mají sloužit jako náhrada za poškozený a
neopravitelný díl, se někdy použije původní díl jako tzv. přírodní model.
2.3. FORMOVACÍ SMĚSI PRO VÝROBU NETRVALÝCH FOREM
Většina odlitků se odlévá do netrvalých forem, které jsou určeny pouze pro jedno
použití. Obvyklým materiálem pro jejich výrobu bývá formovací směs, kterou obvykle
tvoří písková zrna (ostřivo) navzájem vázaná pojivem a vyžaduje se od ní dobrá
formovatelnost, tj. schopnost dokonale otisknout tvar modelu. Směs musí mít dále
potřebnou vaznost, aby forma byla dostatečně pevná a odolala tlaku vlévaného kovu,
prodyšnost, aby umožnila rychlé unikání uvolněných plynů a par, a žárovzdornost, aby se
na styku s tekutým kovem nezačala tavit.
Největší nároky jsou kladeny na formovací směs přicházející do bezprostředního
styku s tekutým kovem. Při formování se proto někdy model pokryje vrstvou jakostnější
modelové směsi,
zbytek rámu se dosype méně kvalitní výplňovou směsí.
Základem všech formovacích směsí je ostřivo a pojivo.

Ostřivo tvoří žárovzdorná zrna určitého chemického složení, velikosti a tvaru.
Nejběžnějším ostřivem je čistý křemenný písek, který je nejlevnější; méně častým
ostřivem je šamot, korund apod.

Pojivo obaluje a váže jednotlivá zrnka ostřiva. Jeho fyzikální vlastnosti, chemické
složení a množství rozhodujícím způsobem ovlivňují fyzikální i technologické
vlastnosti směsi. Jako pojiva se nejčastěji používají vazné jíly (např. bentonit),
vodní sklo nebo některé termosetické plastické hmoty (fenol-formeldehydové
pryskyřice apod.).
Přírodní směsi jsou písky, které obsahují ve vhodném poměru jak křemičitá zrna
potřebné zrnitosti, tak vazný jíl. Těží se v řadě lokalit, jsou levné, ale jejich
vlastnosti nejsou optimální a navíc nejsou stále stejné. Nejsou proto vhodné pro
mechanizovanou výrobu, kde se uplatní pouze syntetické směsi o stálých vlastnostech,
připravené smísením ostřiva a pojiva o definovaných vlastnostech v přesně stanoveném
množství.
Veškeré směsi obsahující vazný jíl musí být vhodně navlhčené, aby měly potřebnou
plasticitu a vaznost. Pokud není vlhkost nadměrná, je možno odlévat do syrových tj.
nesušených forem; jinak se musí sušit nebo přisoušet.
Aby se snížily náklady na formovací směsi, značná část se po použití regeneruje v
úpravně formovacího materiálu,
kde se rovněž připravují veškeré syntetické směsi.
2.4. PRACOVNÍ NÁŘADÍ A POMŮCKY
K ruční výrobě formy potřebuje slevač kromě modelového zařízení a formovací
směsi ještě pracovní nářadí a pomůcky.
Formovací rámy (viz obr. 2.2)
Většina odlitků má takový tvar, že se musí formovat do dělené, nejčastěji
dvoudílné formy. Protože obě poloviny musí navzájem přesně lícovat, aby nedošlo k
přesazení, používají se při výrobě forem obvykle dva rámy, horní a spodní. Rámy
zajišťují přesnou vzájemnou polohu jednotlivých částí formy, současně ji zpevňují a
usnadňují manipulaci. Dosedací plochy rámů musí být přesně rovinné; vzájemné středění
zajišťují kolíky procházející zaváděcími otvory v uchách rámů (obr.2.2a-c). Rámy
větších rozměrů se opatřují příčkami, na které se zavěšují podle potřeby výztužné
háčky, zabraňující vypadnutí zaformované směsi z rámu. Příčky také zachycují vztlak
kovu při lití a jejich počet proto roste s velikostí rámu (obr. 2.2d).
Většinou mají rámy obdélníkový tvar normalizovaných rozměrů, méně často
čtvercový. Pouze při velkosériové výrobě se přizpůsobuje rám tvaru odlitku, aby se
ušetřil formovací materiál a usnadnila manipulace s méně hmotnou formou. Velké rámy se
dopravují jeřábem,a proto musí mít čepy pro zavěšení na lano.
Od rámů se vyžaduje rozměrová přesnost, pevnost a tuhost, trvanlivost a nízká
hmotnost. Vnitřní tvar musí být upraven tak, aby formovací směs v rámu dobře držela.
Zhotovují se lité, svařované nebo montované. Ve speciálních případech, když vtokový
systém je v dělicí rovině, musí být čelo rámu opatřeno vhodným otvorem.
V praxi existuje řada metod výroby forem, kdy rámy nejsou vůbec nutné (např.
keramické formy, skořepinové formy apod.).
Nástroje a pomůcky
Model a rám se při ručním formování klade na podkladovou desku (zvanou půdnice),
která musí být rovná a tvrdá. Dřevěná půdnice bývá zesílena svlaky. Modelová směs se
přesívá přes síto, aby se na model nedostaly hrudky nebo nečistoty.
Ručně se směs pěchuje pěchovačkami různého tvaru a délky; klínovou částí se
pěchuje blízko modelu a v rozích rámu, kde je žádoucí vyšší upěchování, plochou částí
(knoflíkem) se pěchuje dále od modelu. Výkonnější je pěchování pneumatickými
pěchovačkami. Přebytečný písek se s povrchu formy shrnuje kovovým pravítkem; ke
zvýšení prodyšnosti se píchají průduchy kovovým bodcem. Při vyjímání modelů se vlhčí
okraje formy vlasovými štětci s dlouhým vlasem. Model se uvolňuje od formovacího
materiálu poklepem paličkou z tvrdého dřeva a vytlačuje z formy pomocí háčku s očkem.
Povrch formy se uhlazuje hladítkem, v hůře přístupných místech lancetkami různých
tvarů, kterými se rovněž zhotovují zářezy, spojující vtokový kanál s dutinou formy.
Dělicí rovina se zaprašuje dělicím práškem, který je v sáčku z řídkého plátna. Povrch
sušených forem se natírá barvivem pomocí velkých štětců nebo nastříkne pomocí rosenky
Ke zpevnění některých exponovaných částí formy se používají drátěné pískovačky s
kruhovou plochou hlavou. V místech, kde požadujeme rychlejší odvod tepla z odlitku, se
do formy vkládají kovová chladítka. Přesné ustavení polohy rozměrných jader ve formě
usnadňují podpěrky z pocínovaného plechu.
Nejběžnější z nástrojů a pomůcek jsou znázorněny na obr. 2.3.
Obr. 2.3: Nástroje a pomůcky používané při formování.
Řada pomůcek je normalizovaných; mnohé si slévači zhotovují nebo upravují sami tak,
aby si usnadnili formování některých odlitků složitého tvaru.
2.5. RUČNÍ VÝROBA FOREM
V kusové a malosériové výrobě převládá ruční výroba forem, neboť vyžaduje
nejmenší investiční náklady. Z ní se postupně vyvinuly metody strojního formování tak,
že některé namáhavé nebo náročné ruční práce byly mechanizovány, např. pěchování nebo
vyjímání modelu z formy. V rámci tohoto předmětu bude věnována pozornost pouze
základům ručního formování.
2.5.1. Formování na model
Formování na model je nejrozšířenější metodou ruční výroby forem. S výjimkou
nejtěžších odlitků, u nichž se spodní část formy zhotovuje do půdy slévárny a horní do
rámu, naprostá většina odlitků se formuje do dvou rámů. Model může být nedělený nebo
dělený.
a)
Formování na nedělený model (obr. 2.4)
Tento postup je vhodný jen pro některé jednoduché tvary odlitků. Na formovací
desku (půdnici) se položí model a spodní formovací rám. Model se popráší dělicím
práškem a pokryje prosátou modelovou směsí, která se kolem modelu mírně upěchuje. Celý
objem rámu se pak postupně vyplní výplňovou směsí, upěchuje pěchovačkou, přebytečný
písek se seřízne pravítkem a napíchají se průduchy (obr. 2.4a).
Rám s modelem se otočí, odstraní se
přebytečný písek, dělicí rovina se
uhladí a posype dělicím práškem. Nasadí
se vrchní rám a vzájemná poloha se
zajistí zaváděcími kolíky. Přiloží se
model vtokového a rozváděcího kanálu a
model výfuku a vše se zaformuje jako v
předchozím případě (obr. 2.4b).
Forma se rozebere, vyjme se model
vtoku a výfuku a ve spodku formy se
vyřízne zářez, kudy bude kov vtékat do
dutiny formy. Písek u modelu se mírně
navlhčí štětcem, aby se nedrobil při
vyjímání. Model se mírně poklepe
paličkou, aby se uvolnil od písku a
vyjme z formy pomocí háčku, který se do
modelu zarazí nebo zašroubuje. Při
vyjímání nutno dbát na to, aby se
vyjímal přesně kolmo na dělicí rovinu a
aby se okraje pískové formy nedrolily.
Poškozená místa se opraví, dutina formy
se vyfouká a líc formy zapráší nebo
natře, aby odlitek měl hladký povrch;
někdy se určitá místa formy ještě
zpevňují pomocí pískováčků.
Potom se upraví a vyhladí licí
jamka a po eventuálním sušení nebo
přisušení je možno formu skládat. Složená
forma se dopraví na licí pole a pokud
nebyly obě poloviny rámu spojeny zděří
nebo svorníkem, zatíží se forma úkladky a
tím je připravena k lití (obr. 2.4c).
b) Formování na dělený model (obr.2.5)
Princip
je
stejný,
jako
v
předchozím případě. Model musí být
dělený, neboť by se nedal z dutiny
formy vyjmout; otvor v odlitku se
zhotoví pomocí jádra s kuželovými
známkami (obr. 2.5a).
Nejprve se zhotoví dolní polovina
formy (obr. 2.5b), pak horní polovina s
vtokovým kanálem a výfuky. Po vyjmutí
modelu se zhotoví zářezy a forma se
zpevní pískováčky.
Při skládání se do formy vloží
jádro, které bylo zhotoveno v jaderníku,
dělicí rovina se utěsní, aby tudy nemohl
unikat kov a forma se zatíží. V případě
znázorněném na obr. 2.5c byla licí jamka
za formována zvlášť v malém
"vyhrazovacím"
rámečku, který se klade na povrch formy tak, aby otvory lícovaly.
Náročnou a vysoce kvalifikovanou prací je správné umístění a dimenzování vtokové
soustavy;
kov
musí
vyplnit
dutinu
formy
co
nejrychleji,
nesmí
ji
však
poškodit
(erodovat) ani nesmí strhávat strusku nebo plyny. U sériové výroby se proto používá
model vtokové soustavy jako součást modelového zařízení. Šedá litina se běžně vlévá
do licí jamky (obr. 2.6),ocel do nálevky. Průřezy všech kanálů bývají pak stanoveny
výpočtem a podle potřeby upraveny na základě ověřovacích odlitků.
U složitých nebo méně
vhodných tvarů odlitků se musí
technolog uchylovat k některým
zvláštním postupům, aby bylo možno
vyjmout model z formy a zbytečně
se nekomplikovalo modelové
zařízení. Například někdy je nutno
zhotovit komplikovanou dělicí
plochu, která je ve skutečnosti
prostorově členitou plochou (obr.
2.7b). Má-li odlitek výstupky,
které by bránily vyjmutí modelu z
formy, mohou se zhotovit jako
snímatelné (volné) části modelu,
které se po vyjmutí
modelu dodatečně vyjmou směrem do dutiny formy (obr. 2.7a). Některé části odlitku se
formují pomocí nepravých jader (obr. 2.7c), která netvarují dutinu v odlitku, ale jeho
povrch.
Obr.
2.5.2.
2.7:
Příklady zvláštních postupů formování na model.
Výroba forem šablonováním
Při kusové výrobě velkých odlitků tvoří náklady na výrobu modelu a
jaderníku rozhodující položku v ceně odlitku.
Proto u jednoduchých
rovinných a rotačních tvarů se s výhodou používá šablonování, které je
sice z hlediska formování mnohem pracnější než formování na model,
náklady na výrobu šablony však představují jen zlomek výrobní ceny
modelu.
a)
Rovinné šablonování (obr. 2.8a-c)
Obr. 2.8: Výroba forem šablonováním
a) Postup rovinného šablonování
b) Typické tvary odlitků
c) Podélné a příční rovinné šablonování
d) Postup rotačního šablonování
e) Pomůcky pro rotační šablonování
Takto se formují dlouhé odlitky, např. lité dopravní žlaby nebo trubky
nekruhového průřezu (obr. 2.8a-c). Slévárna musí být pro tuto techniku
formování vybavena tak, že v půdě slévárny jsou stabilně uloženy dvě vodorovné
rovnoběžné vodicí lišty; prostor mezi nimi musí být zaplněn kvalitní formovací
směsí a zespodu odvzdušněn, aby mohly unikat plyny tvořící se při lití.
Formovací směs mezi lištami se nejprve upěchuje a pomocí prvé šablony se
vytvoří tvar, který odpovídá horní straně odlitku; při tom se přebytečný písek
odřezává lžicí, šablonou se pouze přiměřuje. Zhotoví se takto v podstatě
pískový model, na který se posadí formovací rám, jehož poloha se vhodným
způsobem zajistí, např. kolíky. Písek se posype dělicím práškem, přiloží
modely vtokového kůlu a rozváděcího kanálu a běžným způsobem se zhotoví svršek
formy, který se jeřábem zvedne, otočí, opraví, natře a prozatímně uloží.
Poté se přiloží druhá šablona (obr. 2.8a) a stejným způsobem se odebere
písek v množství, které odpovídá tloušťce stěny odlitku a zhotoví se vtokové
zářezy. Tím je vyroben spodek formy, který se rovněž vyhladí, opraví a natře.
Po eventuálním sušení se obě poloviny formy složí, zatíží a tím je forma
připravena k odlévání.
U dutých odlitků, kam je nutno vkládat jádro, je vhodnější příčné šablonování
(obr. 2.8c), neboť se takto dá zhotovit i jaderná známka.
b)
Rotační šablonování (obr. 2.8d,e)
Formy pro rotační odlitky je možno formovat rovněž do půdy a rámů, nebo do
dvou rámů, jak je znázorněno na obr. 2.8d. Postup je stejný jako při rovinném
šablonování. Vyrobí se první šablonou pískové modelové zařízení, zhotoví
svršek formy a druhou šablonou se odebere písek v množství, které opět
odpovídá tloušťce stěny.
šablony se upevňují na rameno (obr. 2.8c), které se otáčí kolem vřetene;
vertikální poloha ramene se zajistí stavěcím kroužkem. Dolní konec vřetene,
které musí být přesně svislé, je zasunut do patky zakotvené v půdě slévárny.
Otvory, které zůstanou ve formě po vyjmutí vřetene, se zaplní pískem. Vtoková
soustava se zhotovuje běžným způsobem (obr. 2.8d).
2.6. STROJNÍ VÝROBA FOREM
Nedostatkem ruční výroby forem je značná pracnost, některé operace jsou
fyzicky namáhavé a pomalé (pěchování), jiné vyžadují velké zkušenosti a
zručnost, např. umístění zářezů, vyjímání modelu. Kvalitu formy a tím i
kvalitu odlitku značně ovlivňuje také lidský faktor. V moderní sériové výrobě
odlitků se proto uplatňuje ve velkém rozsahu především strojní výroba forem,
pro kterou je typická mechanizace některých operací.
Pěchování, ať již ruční nebo pneumatickou pěchovačkou, se nahradilo
lisováním, setřásáním nebo metáním písku (viz obr. 2.9d). Poloha vtoku, výfuku
rozváděcího kanálu, zářezů, je přesně stanovena technologem a slevač je nemůže
měnit, protože je součástí tzv. modelní desky, tj. jednoúčelové formovací
desky (půdnice) s pevně upevněnou polovinou modelu včetně modelů vtokové
soustavy a vodicích kolíků. Konečně se modely vyjímají z formy strojně, takže
se na nejmenší míru omezí nebezpečí jejího poškození. Jednotlivé mechanizované
činnosti se mohou různě kombinovat, a proto existuje řada různých zařízení pro
strojní formování. Některé z operací strojního formování jsou znázorněny na
obr. 2.9b až e.
Při lisování se předem stanovený objem písku vtlačí do rámu; při
setřásání modelní deska s rámem zaplněným pískem dopadá na pevnou podložku a
pěchovací tlak se vyvozuje účinkem setrvačné hmoty písku. U metacích strojů
rychle rotující raménko metá do formy hrudky písku. Jeden z nejstarších
principů strojního vyjímání modelu je na obr. 2.9e, kde pomocí přesně vedených
čípků se nadzvedne rám a tím forma oddělí od modelní desky.
Každá z metod strojního formování má určité výhody i nevýhody a
uplatní se při výrobě odlitků určitého tvaru nebo velikosti.
Poznámky:
V současné době se stále více uplatňuje řada dalších metod výroby forem, které
jsou např. vysoce produktivní, dají se do velké míry automatizovat, poskytují
vysoce kvalitní odlitky nebo velmi přesné odlitky apod. K nejrozšířenějším
patří lití do skořepinových nebo keramických forem, bezrámové formování apod.
Velké množství odlitků se dále odlévá do trvalých kovových forem (kokil) bud
pod vysokým tlakem nebo gravitačně bez tlaku. Odlitky mají velmi čistý a
hladký povrch a vysokou přesnost rozměrů. Podmínkou pro uplatnění těchto metod
je však dostatečná seriovost výroby.
Těmto a dalším metodám bude věnována patřičná pozornost až během dalšího
studia.
Obr. 2.9: Strojní výroba forem
2.7. PŘÍPRAVA TEKUTÉHO KOVU, ODLÉVÁNÍ A ČIŠTĚNÍ ODLITKU
Forma připravená k odlévání se plní tekutým kovem o předepsaném
chemickém složení a potřebné licí teplotě, který se taví ve vhodné tavicí
peci.
Vedení tavby je náročnou operací. Je nutno dodržet předepsané chemické
složení slitiny, neboť větší odchylky mohou mít za následek nevyhovující
vlastnosti a nevhodnou strukturu materiálu; tekutý kov nesmí být nasycen
plyny, aby nebyl odlitek bublinatý, nesmí obsahovat nežádoucí nečistoty ani
nepřípustné množství nekovových částic - vměstků. Důležitá je licí teplota;
při nedostatečné je nebezpečí, že kov ve formě předčasně ztuhne a nezaplní
celou dutinu; při nadměrná licí teplotě je nebezpečí, že tekutý kov vnikne
mezi písková zrna.
Obsah plynů v tavenině lze snížit před litím různými postupy, např.
vakuováním tekutého kovu, obsah nečistot působením vhodné strusky a strukturu
lze ovlivnit tzv. očkováním. Tato složitá problematika je doménou slevačů metalurgů.
Tavicí pece
Pece pro tavení kovů používané ve slévárnách jsou několika typů a liší se
způsobem ohřevu, velikostí, výkonem, účinností využití energie, dosažitelnou
teplotou i možnostmi ovlivnit chemické složení a čistotu roztaveného kovu.
Většina z nich byla původně vyvinuta pro tavení určitých slitin. Principy
nejčastěji používaných tavicích pecí jsou znázorněny na obr. 2.10.
Kuplovna (obr. 2.10a) je určena výhradně pro tavení litiny, tj. slitiny
železa obsahující větší množství uhlíku. Je to výkonná šachtová pec, do níž
se střídavě vsází kovová vsázka, struskotvorná přísada (vápenec) a koks jako
palivo. Do pece se dmychá vzduch a horké spaliny obsahující dusík a směs CO s
CO2 unikají horní částí kuplovny přes výměník tepla. Tekutý kov shromažďující
se mezi výplňovým koksem vytéká dolním odpichovým otvorem, o něco výše se
vypouští tekutá struska, která nesmí zahltit dmyšné otvory. Účinnost kuplovny
je dobrá, výkon tavení je vysoký, možnosti ovlivnění metalurgických reakcí
jsou však omezené a je proto obtížné udržet předepsané složení tekutého kovu,
neboť do tekutého kovu přecházejí jak nečistoty z kovové vsázky, tak uhlík a
síra z koksu.
Oblouková pec (obr. 2.10b) je určena hlavně pro tavení ocelí na odlitky.
Kovová vsázka se ohřívá teplem elektrického oblouku, který hoří mezi třemi
elektrodami zprostředkovaně přes kovovou vsázku. Tekutý kov je krytý aktivní
struskou, která umožní ve značném rozsahu provést jeho rafinaci, tj. snížení
obsahu nežádoucích nečistot, současně však dochází i k propalu řady
přísadových prvků. Oblouková pec je ve slévárnách oceli nezbytná proto, že
umožňuje zpracovat i méně čistou vsázku. V malé míře se v těchto pecích
začínají tavit také některé jakostní druhy litin, nahrazující ocel.
Indukční středofrekvenční pec (obr. 2.10c) je založena na principu
vířivých proudů. Taví velmi rychle, s vysokou účinností a minimálním propalem
přísad. Vsázka musí však mít vysokou čistotu. Používá se hlavně pro tavení
ocelí.
Kelímková pec (obr. 2.10d) vytápěná plynem nebo naftou se používá hlavně
pro tavení neželezných kovů (slitin mědi a slitin hliníku). Má poměrně levný
provoz, tekutý kov se však silně nasycuje vodíkem, který v atomárním stavu
může pronikat přes stěny keramického kelímku.
Elektrická odporová kelímková pec (obr. 2.10e) tento nedostatek nemá,
její provoz je však značně nákladný. Taví se v ní s výhodou slitiny lehkých
kovů.
Kromě uvedených existuje řada dalších pecí, které byly vyvinuty s cílem
odstranit některé nevýhody stávajících typů, např. pece s grafitovými odpory.
Odlévání
Roztavený kov se až na výjimky nejprve z pece vlévá do pánví a v nich se
dopravuje na licí pole, kde proběhne vlastní lití.
Licí pánve jsou kovové nádoby různé velikosti, tvaru a konstrukce,
opatřené keramickou žárovzdornou vyzdívkou. Před nalitím tekutého kovu musí
být řádně vysušeny a předehřáty. Menší pánve se přenášejí ručně; velké se
přepravují jeřábem a jsou určeny bud k odlévání horem (litina, bronz, hliník)
nebo spodem (ocel), viz obr. 2.11.
Obr. 2.11: Licí pánve:
a) pánev k odlévání horem
b) pánev k odlévání spodem
Způsoby lití
Nejčastěji se formy odlévají gravitačním litím, tj. tekutý kov se volným
proudem vlévá do licí jamky a jeho pohyb do vlastní dutiny je usměrňován
vtokovou soustavou; působí na něj pouze gravitační síla a k odlévání nejsou
zapotřebí žádná další zařízení.
U některých odlitků nelze takto zajistit řádné vyplnění formy nebo
potřebnou kvalitu odlitku a volí se pak např. odlévání pod tlakem (do
kovových forem), odstředivé lití, vakuové lití apod. Zvýšené náklady na
odlévání se pak vracejí formou snížené zmetkovitosti nebo lepší jakosti
odlitků (přesnost, kvalita povrchu apod.).
Čištění a úprava odlitků
Ztuhlé odlitky se nejprve vytloukají z netrvalých forem nebo vyjímají z
trvalých kovových forem a pak se musí zbavit nepatřičných kovových částí
(vtokové soustavy a nálitků), případně připečeného formovacího materiálu.
Vtoky se nejčastěji urážejí nebo odlamují, pracnější je odřezávání.
Nálitky, pokud jsou na odlitek napojeny plochou značného průřezu, se
odstraňují pilou nebo tepelným dělením. Zbytky formovacího materiálu se s
povrchu odlitku odstraňují např. omíláním v otočných bubnech nebo
odtryskáváním proudem zrnitého materiálu, např. ocelových nebo litinových
broků, případně křemičitým nebo korundovým pískem. Velké odlitky se mohou
otryskávat vodním paprskem (tlakovou vodou až 20 MPa) nebo menší vady
zasahující do odlitku se začistí broušením.
Očištěné odlitky se podrobují kontrole rozměrů a jakosti. Sleduje se
hlavně geometrie rozměrové tolerance, výskyt povrchových vad a trhlin.
Chemické složení se kontroluje u celé tavby a některých vybraných kusů,
obdobně mechanické vlastnosti a struktura. Vnitřní necelistvosti se dají
odhalit rentgenem nebo ultrazvukem, jsou to však zkoušky poměrně nákladné a
předepisují se jen u odlitků na zvlášť náročné díly.
Řízení slévárenského provozu
Výroba odlitků představuje složitý a organizačně náročný výrobní cyklus,
kde je nezbytné přesné časové sladění jednotlivých operaci. Například modelové
zařízení musí být vyrobeno s potřebným předstihem před zahájením vlastní
výroby odlitků, formíř musí mít vhodné rámy, připravenou směs o potřebném
složení a jádrovna musí včas vyrobit všechna potřebná jádra. Jakmile je forma
složena a připravena k odlévání,musí být co nejdříve k dispozici tekutý kov o
předepsaném složení a požadované teplotě, aby neodlité formy nezmenšovaly
plochu licího pole. Předčasně natavený tekutý kov je nutno udržovat na licí
teplotě, což způsobuje značné energetické ztráty a kromě toho se může
nasycovat plyny a tím se zhorší jeho kvalita a zvyšuje se pravděpodobnost
vzniku zmetků.
Nebezpečí zmetků je při výrobě odlitků mnohem vyšší než u jiných
technologií, protože se zde střetá řada faktorů, z nichž mnohé nemůže slévárna
ovlivnit, např. vlhkost ovzduší, jakost některých surovin, složitost tvaru
odlitku apod. Pokud se zmetkovitost pohybuje v obvyklých mezích, počítá se s
touto skutečností a zhotoví se potřebný počet odlitků navýš. Nepředvídané
zvýšení zmetkovitosti může výrobní cyklus vážně narušit, a to tím více, čím
později se defekty odhalí, zejména vnitřní skryté vady apod.
Z těchto důvodů má pro slévárnu velký význam odbor řízení jakosti, pod
který spadá technická kontrola. Jejím úkolem je nejen sledovat kvalitu
vyráběných odlitků, ale kontrolovat také dodržování technologie přípravy
formovacích směsí, technologii tavení, odlévání. Výsledky této systematické
kontroly se pečlivě analyzují s cílem odstranit příčiny opakovaných závad.
Mnohdy jsou příčiny závad jednoznačné, např. špatná kvalita směsi, chyba při
zaformování, nedostatečná příprava formy k odlévání, nízká teplota odlévaného
kovu apod; někdy se ujišťují velmi obtížně, zvlášť pokud se vyskytují
nepravidelně. Při řízení jakosti hraje významnou roli matematická statistika,
protože umožní posoudit, zda Četnost určitých vad nepřekračuje ekonomicky
únosnou mez. Určitému počtu zmetků se nelze vyhnout a snížit zmetkovitost pod
únosné procento by si vyžádalo neúměrně vysoké náklady.
3 ZPRACOVÁNÍ
KOVŮ
TVÁŘENÍM
Čisté kovy a slitiny vhodné pro tváření jsou charakteristické svojí
tvárností; vyvodí-li se proto v polotovaru dostatečně vysoké napětí, určitý objem
kovu se začne přemisťovat bez porušení celistvosti, tj. materiál se tváří. Potřebné
napětí se vyvodí v materiálu prostřednictvím nástrojů vhodného tvaru.
Tvářet je možno s ohřevem na dostatečně vysokou teplotu (tzv. tváření za
tepla); cílem ohřevu je snížit vazebné síly mezi atomy a tím také snížit přetvárnou
práci a spotřebu energie. Na druhé straně je tváření za vyšších teplot provázeno
nebezpečím oxidace; také dosažitelná přesnost rozměrů je menší.
Tváření bez ohřevu (tzv. za studena) tj. za teplot blízkých teplotě
místnosti, umožňuje získat tvářené výrobky o velmi přesných rozměrech a vysoké
čistotě povrchu, ovšem za cenu vyšší spotřeby energie.
Převažující množství kovů a slitin zpracovávaných ve strojírenství se
vyrábí v hutích klasickými metalurgickými procesy. Získá se tekutý kov, jehož
složení se upraví přísadou legujících prvků a který se odlévá do kovových forem
(kokil), ve kterých tuhne na tzv. ingot. Tyto ingoty mají nejčastěji průřez
čtvercový, vhodný pro válcování tyčí, nebo obdélníkový, určený pro válcování
plechů. Stále častěji se však dnes uplatňuje plynulé lití ingotů o nekonečné
délce, na které navazuje kontinuální nebo klasické válcování. Tento postup lépe
splňuje podmínky kladené na hromadnou výrobu v hutích.
Lité ingoty není možno bezprostředně použít, neboť mají hrubé zrno a často
obsahují vnitřní necelistvosti, např. bubliny apod. Účinkem dostatečně velkého
tváření za tepla se dá rozrušit licí struktura, zrno se zjemní, velká část
necelistvosti se odstraní a vlastnosti materiálu se zlepší. Tvářený materiál je
proto zřetelně pevnější a plastičtější, hlavně ve směru předchozího tváření (ve
směru "vláken").
Intenzívním tvářením za studena lze dosáhnout výrazného zvýšení pevnosti,
ovšem za cenu poklesu tvárnosti; příkladem mohou být tažené pružinové dráty
nebo ocelové struny dosahující pevnosti přes 3000 MPa.
Lité ingoty se v hutích dále zpracují na hutní polotovary, tj. sochory,
tyče, plechy a trubky, které jsou výchozím materiálem pro navazující strojírenskou
výrobu. Převážně se zpracují ve válcovnách, válcováním na stolicích různého typu, u
nichž tvar válců a jejich počet je určen tvarem vývalku (viz obr. 3.la-c). Vzájemně
navazující stolice tvoří tzv. válcovací trať. Při válcování bezešvých trubek se
zpracují duté polotovary.
Téměř všechny tyče a trubky z neželezných kovů (i některé ocelové) se
vyrábějí protlačováním za tepla (obr. 3. 1d. Na ohřátý materiál vložený do válcové
průtlačnice působí lisovník, který velkou silou protlačuje tvárný kov přes otvor v
průtlačnici. Takto je možno zhotovit jednoduché i velmi složité profily.
Tyče a trubky o vysoké rozměrové přesnosti se vyrábějí tažením za
studena (obr. 3.le) na tažných stolicích. Na obdobném principu je založeno
tažení drátů.
Válcované pásy vhodné šířky a téměř nekonečné délky se mohou v hutním
závodě dále zpracovávat ohýbáním mezi vhodně tvarovanými (kalibrovanými) válci na
ekonomicky velmi výhodné lehké nosné profily. Dále se mohou pásky svinovat a
svařit na trubky (obr. 3.1f), které jsou podstatně levnější než bezešvé a v řadě
případů je mohou úplně nahradit.
Obr. 3.1: Příklady výroby hutních polotovarů tvářením a) Válcování tyčí
b) Válcování plechu
c) Válcování bezešvých trub na "poutnické" stolici
d) Výroba tyčí protlačováním za tepla
e) Tažení tyčí za studena
f) Výroba odporově svařovaných trubek
Hutní polotovary se zpracují ve strojírenských závodech na výrobky konečného
tvaru a vlastností. Mezistupněm jsou "strojírenské polotovary," k nimž patří např.
výkovky, výlisky, výtažky, ohýbané díly, případně svařence. Jejich tvar se již
blíží tvaru konečného výrobku, vyžadují však ještě dodatečné obrábění. Zvláštním
případem jsou přesně tvářené díly, u nichž nutnost obrábění se snižuje na minimum,
případně vůbec odpadá.
Metody tváření ve strojírenském závodě je možno zásadně členit do dvou
skupin, na tzv. tváření "objemové", vycházející hlavně z tyčí jako polotovaru, a
tváření "plošné" vycházející z plechů a pásů, resp. svitků.
3.1.
ZÁKLADY OBJEMOVÉHO TVÁŘENÍ
Výchozím polotovarem objemového tváření jsou až na výjimky válcované sochory
nebo tyče čtvercového případně kruhového průřezu, které se dělí na potřebnou
délku, vyplývající z objemu budoucího výrobku. Pouze u těžkých výkovků se tvářením
zpracují lité ingoty; u přesně tvářených dílů jsou naopak výchozím polotovarem
tažené tyče nebo dráty přesných rozměrů. K hlavním metodám objemového tváření
patří kování volné a zápustkové, dále pěchování a protlačování.
3.1.1. Ruční kováni
Ruční volné kování je nejstarší, ale stále používanou metodou tváření kovů;
Materiál ohřátý na dostatečně vysokou teplotu (1000 - 1200 °C u ocelí) se uchopí do
kleští a tváří údery kladiva. Při tom kovář a pomocník používají vhodné nářadí a
nástroje, které volí podle druhu operace a podle požadované změny tvaru.
Základní nástroje a nářadí pro ruční kováni
V menších kovárnách se materiál ohřívá v kovářských výhních různé
konstrukce, které mohou být stabilní (viz obr. 3.2a) nebo přenosné (polní).
Obr. 3.2: Kovářská výheň a kovadlina.
Výheň má zděné nebo litinové ohniště; vzduch se vhání zespodu dmychadlem a jeho
množství se reguluje šoupátkem. Kouřové plyny se odvádějí do odtahu. Jako palivo se
používá drobné spékavé kamenné (kovářské) uhlí, které vytvoří kolem místa
největšího žáru krustu, která omezuje vyzařování tepla. Výjimečně se používá uhlí
dřevěné. Teplota ohřátého materiálu se vesměs určuje odhadem podle barvy, která se
mění od tmavě červené po bílou:
700°C
800°C
850 °C
950°C
1100 °C
1200 °C
-
tmavočervená
třešňová
světle červená
žlutočervená
žlutá
světle žlutá až bílá
Přesnost odhadu značně ovlivňuje vnější osvětlení; spolehlivě lze podle
barvy určit teplotu ohřátého materiálu jen v tmavší místnosti. Při překročení
teploty 1250°C do běla rozžhavená ocel na vzduchu silně jiskří (oxiduje) a je
nebezpečí jejího "spálení".
Pracovní základnou kováře je kovadlina (obr. 3.2b), která musí mít
dostatečnou hmotnost, l0x až 20x větší než hmotnost kladiva, obvykle 50 až 250 kg.
Kovadlina má pracovní plochu zvanou dráha, která je na příčném řezu mírně
vypouklá; na pravé straně přechází v kuželový roh, na levé v plochý roh se
čtyřhranným otvorem pro vkládání pomocných nástrojů. Přední šikmá plocha kovadliny
(vzdálenější od kovářského mistra) se označuje jako prsa. Kovadlina bývá usazena na
dřevěném špalku nebo na plechovém sudu vyplněném pískem, aby se nárazy méně
přenášely do půdy kovárny.
Aktivními nástroji při ručním kování jsou kladiva; jednoruční mají hmotnost
do 2 kg, dvouruční přitloukací mají hmotnost až 10 kg; pokud mají nos rovnoběžný s
násadou, označují se jako příčná (křížová). Perlík je přitloukací kladivo s ploskou
na obou stranách. S přitloukacími kladivy pracuje pomocník, mistr pracuje s
jednoručním kladivem a dále s těmi nástroji, na které pomocník přitlouká.
Obr. 3.3.
Kovářské nástroje pro ruční práce
Při kování je nezbytná řada pomocných nástrojů. Především materiál ohřátý ve výhni
se drží v kleštích, které mají tvar kleštin přizpůsobený tvaru kovaného materiálu
(obr. 3.3); rukojeti se mohou k sobě přitisknout sponou, aby je nemusel kovář
svírat. Při práci s přitloukáním se používají osazovací a hladicí kladiva (sedlíky)
různého tvaru, dále sekáče a průbojníky.
Do otvoru v dráze kovadliny se vsazují pomocné tvarové kovadlinky,
např. babka s rovnou plochou, útinka pro odsekávání materiálu, vlček ve tvaru
kužele pro ohýbání apod. Průbojníky se probíjejí kruhové anebo čtvercové
otvory. K pomocnému nářadí patří také jednoduché zápustky, kterými se může
kalibrovat průřez vykované tyče.
S dalším nářadím bude možno se seznámit v průběhu praktického cvičení
v dílně.
Základní kovářské práce (obr. 3.4)
Patří sem především pěchování, kterým se zvětšuje průřez polotovaru.
Materiál se v určitém místě nahřeje a pěchuje údery působícími ve směru osy
vykované tyče. Dále sem patří prodlužování, tj. kování do délky, kterého se
dosahuje přímými rázy oblého ostří kladiva nebo údery ploskou kladiva na
materiál položený napříč přes hranu kovadliny. Na tyči se přitom vytvářejí
příčné nerovnosti, které se pak dodatečně hladí, např. sedlíkem. Osazováním
se dosáhne buď jednostranného nebo oboustranného seškrcení polotovaru. Pokud
má být místo osazení zaobleno, používá se oblého osazovacího kladiva místo
ostrého. Sekáním se odděluje požadovaná délka materiálu. Seká se pomocí
útinky a sekáče. Obvykle se tyč položí na útinku, údery kladiva se zasekne s
jedné a druhé strany zásek a poté se ručním sekáčem materiál úplně přesekne.
Kovář při tom drží materiál a sekáč, pomocník přitlouká dvojručním kladivem.
Ohýbání materiálu je náročnou operací zvlášť tehdy, když se materiál
nesmí v místě ohybu zeslabit. Ohýbá se přes hranu nebo přes roh kovadliny,
případně přes čtyřhranný čep zasunutý do otvoru v dráze. Může se také použít
ohýbací zápustka."
Děrováním se prorážejí otvory. Průbojník se narazí nejprve s jedné
strany a pak se s opačné strany vyrazí blána. Kalibrováním tyčí v zápustkách
se současně hladí jejich povrch a zvyšuje rozměrová přesnost.
Možnosti ručního kování jsou omezeny hmotou a energií kladiva, která
není dostatečná k tomu, aby se materiál většího průřezu protvářel. Výsledek
je dále velmi závislý na zručnosti pracovníků a produktivita je poměrně malá.
Proto se již před několika staletími začalo kovat strojně pod buchary
("hamry"), princip práce se však nezměnil.
3.1.2. Volné strojní kování
Názvem "volné kování" se označuje tváření materiálů na bucharech (rázem)
nebo lisech (tlakem). Používá se při tom universálních nástrojů, jejichž tvar je
podobný činné části nástrojů používaných při ručním kování.
Kování na bucharech je nejstarší metodou strojního kování a
bezprostředně vzniklo z ručního kování tak, že kladivo je nahrazeno značně
hmotnějším beranem o mnohonásobně vyšší energii rázu; kovadlina byla
nahrazena šabotou. Původní "hamry" byly v podstatě jednočinné (padací)
buchary, kde se beran strojně zvedal a volně padal na šabotu. Dnešní buchary
pro volné kování jsou vesměs dvojčinné, tj. tlak pracovního media (vzduchu,
páry) u nich působí střídavě na obě strany pístu, se kterým je spojen beran.
Tím je beran jak zvedán, tak urychlován směrem k šabotě. Vhodně řešený rozvod
umožňuje u těchto bucharů citlivě ovládat rychlost dopadu a tím také energii
rázu. Běžně se používá pneumatický buchar, jehož schéma je znázorněno na obr.
3.5.
Do drážek beranu a šaboty se klíny upevňují kovadla, která mohou být
rovinná, oblá, kombinovaná nebo tvarová a v podstatě napodobují osvědčený
tvar činných ploch nástrojů pro ruční kování. Také pomocné nářadí má funkční
tvar odvozen od nářadí používaného pro ruční kování, je však přiměřeně
rozměrnější, hmotnější a zhotoveno z kvalitnějších materiálů, neboť je mnohem
více namáháno. Příklady kovadel a nářadí jsou rovněž znázorněny na obr. 3.5.
Princip kování na bucharu je obdobný jako při ručním kování. Buchary značně
zrychlily práci a hlavně umožnily tvářet i rozměrnější dílce. Nebylo však
technicky možné zvyšovat energii rázu nad určitou hranici a tím byl opět
limitován největší možný rozměr polotovaru, který lze na bucharech protvářet.
Také hlučnost kování působí podle nových poznatků dosti vážné zdravotní
potíže.
Tyto nedostatky byly odstraněny teprve zavedením hydraulických lisů
pro volné kování, které jsou však ve srovnání s buchary pomalejší, materiál'
v průběhu kování více chladne a nelze proto na nich kovat menší díly.
Volné kování na lisech
Těžké a supertěžké výkovky, které mohou mít hmotnost i přes 100 tun, nelze
kovat jinak než na hydraulických lisech. Z nich největší jsou dnes schopny vyvodit
maximální kovací síly řádově 100 MN. Tváří se takto díly jaderných reaktorů, těžká
kotlová tělesa pro chemickou výrobu, rotory turbin a podobné rozměrné a náročné
díly. Vlastní kování může trvat s přestávkami pro výměnu nástrojů i mnoho hodin.
Výchozím polotovarem jsou u těžkých výkovků vesměs lité kovářské ingoty. Větší
pozornost bude této problematice věnována až v průběhu dalšího studia.
Ob
r. 3.5: Obr. 3.5 Schéma bucharu a nástrojů pro strojní kování
Výkovky zhotovené volným kováním mají společný nedostatek; nedají se
až na výjimky zhotovit s vyšší přesností a kovou se proto se značnými
přídavky na obrábění. Z toho automaticky vyplývá větší spotřeba materiálu a
vyšší pracnost následního obrábění. Tyto nedostatky částečně odstranilo
zápustkové kování.
3.1.3. zápustkové kování
Při zápustkovém kování je materiál v plastickém stavu vtlačován do
dutiny v ocelovém bloku (zápustky). Nemůže se volně šířit, a proto vytvoří
otisk této dutiny. Kovací zápustka je vesměs dělená, aby bylo možno výkovek z
dutiny vyjmout; horní a dolní polovina musí proti sobě přesně dosednout, aby
výkovek nebyl přesazený. Do dělicí roviny mezi oběma polovinami zápustky se
umisťuje dutina pro výronek, kam vytéká přebytek kovu, který se v dalších
operacích ostřihne.
Přesné vyplnění dutiny zápustky tvářeným kovem je totiž možné jen po
splnění těchto podmínek:
 Výchozí polotovar (předkovek) musí mít větší objem než výkovek.
 Tvar předkovku musí být předem přizpůsoben tvaru dutiny (obr. 3.6c),
neboť materiál se šíří při pěchování stejnou rychlostí do všech stran
(viz obr. 3.6b); je to důležité hlavně u delších dílů složitého tvaru.
 Stroj (buchar, lis) musí být schopen vyvodit dostatečnou energii rázu
resp. dostatečně vysokou tvářecí sílu, mnohem vyšší než při volném
kování, protože pohybu materiálu v zápustce brání tření i složitý tvar
dutiny.
Pro zápustkové kování se používají především buchary, dále klikové a
vřetenové lisy (obr. 3.6). Buchary se hodí pro hlubší a členitější výkovky,
klikové lisy pro plošší výkovky. Vřetenové lisy mají velký pracovní zdvih a
jsou vhodné pro pěchovací operace, pro lisování menších výkovků, ohýbání,
případně i ostříhávání. Výronky se však obvykle ostříhají na klikových nebo
výstředníkových lisech.
Obr. 3.6: a) Stroje pro zápustkové kování
b) Schéma šíření materiálu
c) příklady zápustkového kování
Postup výroby zápustkového výkovku
je znázorněn na obr. 3.6c. Nejprve se oddělí požadovaná délka z
výchozího materiálu, tj. ze čtyřhranné nebo kulaté tyče. Materiál se ohřeje v
peci na tvářecí teplotu, zhotoví se předkovek a teprve ten se vkládá do
dutiny v zápustce. Přebytek materiálu po dokonalém zaplnění dutiny uniká do
dutiny pro výronek. Výronek se ostřihne v ostřihovací zápustce, případná
blána (která vzniká při kování dílců s otvorem) se prostřihne. Podle potřeby
se výkovek někdy znovu vkládá do dokončovací dutiny v zápustce, kde se rovná
a kalibruje.
Tvar zápustkového výkovku je blízký tvaru výrobku, takže náklady na
obrábění jsou nižší. Využití materiálu je obvykle lepší než u volných
výkovků,
zdaleka
ne
však
ideální.
Ztrátu
představují
nejen
různé
technologické přídavky (úkosy, přídavky ha obrábění apod.), ale zejména
výronek, jehož hmotnost může být u výkovku složitého nebo nepříznivého tvaru
přes 20% celková hmotnosti, obvykle kolem 10% hmotnosti polotovaru.
Náklady na výrobu zápustek jsou poměrně vysoké, a proto je zápustkové
kování ekonomicky výhodné až od určité velikosti série, neboť úspora
materiálu a snížení nákladů na obrábění přímo souvisí s počtem vyrobených
kusů.
3.1.4. Pěchování a protlačování
Do skupiny objemového tváření patří řada dalších metod, které nejsou
zcela běžné, mají však proti klasickému zápustkovému kování některé nesporné
přednosti, např. vysokou produktivitu nebo mimořádně přesné rozměry výrobku.
Jejich použití je však obvykle omezeno tvarem dílu a seriovostí. Z těchto
metod se zmíníme o pěchování a protlačování, které jsou nejrozšířenější a
patří k tzv. přesnému tváření, kdy výrobky vyžadují jen minimální dodatečné
obrábění, případně k tváření bezodpadovému, kde se materiál zužitkuje téměř
na 100%.
Pěchování
Výchozím polotovarem je tyč přesných rozměrů, která se po místním
ohřevu pěchuje a dále tváří. Drobné díly je možno pěchovat i za studena,
pokud byl zvolen dostatečně tvařitelný materiál (měkce žíhaná ocel, hliník).
Ukázka postupu výroby hnacího hřídele pěchováním je na obr. 3.6a.
Objem výchozího polotovaru musí být velmi přesně stanoven a dodržen,
aby nedošlo k roztržení zápustky nebo nedokonalému vyplnění dutiny. Také tvar
jednotlivých dutin musí být navržen tak, aby se nejmenším možným počtem
pěchovacích operací vytvořil požadovaný tvar a při tom nevyčerpala plasticita
materiálu, což by mělo za následek vznik trhlin. Objemové tváření pěchováním
je vhodné pro sériovou a hromadnou výrobu dílů, které mají v podstatě válcový
tvar a pouze místní nahromadění hmoty, obvykle na konci tyče, méně často
uprostřed délky
Protlačování za studena
Touto technologií se vyrábí velmi produktivně, s vysokou přesností
rozměrů a s minimálním odpadem řada dílů z ocelí i neželezných kovů. Většina
výrobků má obvykle průřez kruhový nebo kruhovému blízký a zpravidla se tváří
na více operací. Příkladem jsou postupy znázorněné na obr. 3.6b.
Pokud se materiál pohybuje při protlačování stejným směrem jako aktivní
nástroj (průtlačník), označuje se toto protlačování jako dopředně. Opačným
příkladem je protlačování zpětné; u kombinovaného protlačování se materiál
pohybuje oběma směry, což je nejběžnější případ ve strojírenské praxi.
Poznámka:
K metodám objemového tváření patří mimo jiné také ražení a prášková
metalurgie. Ražením se vyrábějí mince, odznaky, různé součástky i spotřební
zboží. Požadavkům na maximální úsporu materiálu a energie vyhovuje
technologie práškové metalurgie, kdy se lisují, spékají nebo slinují vhodné
směsi kovových i nekovových prášků a dají se takto zhotovit součástky o zcela
jedinečných vlastnostech. Této tématice bude věnována pozornost také až v
průběhu dalšího studia.
3.2.
PLOŠNÉ TVÁŘENÍ
Názvem "plošné tváření" se označuje řada metod tváření, kterými se u
výchozího polotovaru (obvykle plechu) dosáhne trvalé změny tvaru bez
podstatné změny tloušťky nebo průřezu. K základním metodám plošného tváření
patří stříhání, ohýbání a tažení.
3.2.1. Stříhání a vystřihování
Stříháním se výchozí polotovar dělí, vystřihuje, prostřihuje,
ostřihuje ap. mezi břity střižného nástroje (nůžek nebo střihadla), kde na
něj působí dostatečně vysoké napětí. Materiál se postupně plasticky
deformuje, nastřihne a v konečné fázi oddělí (viz obr. 3.7).
Tabule plechů, pásy nebo tyče se obvykle střihají na nůžkách
(ručních nebo strojních), které mají nože rovné, tvarové nebo kruhové.
Kruhové nože jsou určeny pro tvarované přístřihy velkých rozměrů, rovné pro
přímkové řezy.
Na střihadlech (tj. na střihacích nástrojích) se zhotovují z plechu
tvarové výstřižky o poměrně přesných rozměrech, které se obvykle dále
zpracují tvářením, ohýbáním, tažením; v řadě případů mohou být však finálním
produktem, např. plechy pro statory a rotory elektromotorů apod. Na
postupových tvářecích nástrojích se sdružuje řada různých operací, například
tažení, ohýbání, prostřihování apod.; práce se dá plně automatizovat.
Obr. 3.7: Stříhání plechů
3.2.2.
Ohýbání
Ohýbáním se materiál trvale deformuje o požadovaný úhel ohybu,
přičemž ohybová čára je přímá a ohýbaný tvar je rozvinutelný.
Pro kusovou výrobu a jednoduché ohýbané díly z tenkých plechů se
používá ruční ohýbačka (obr. 3.8), kde se materiál ohýbá přes hranu lišty
pomocí otočné ohýbací čelisti. Strojně se tlustší plechy ohýbají podél
přímé ohybové čáry na ohraňovacích lisech, a to až do délky několika
metrů. Úhel ohybu je pak zhruba určen tvarem dutiny mezi pevnou a
pohyblivou čelistí. Na ohraňovacích lisech se vyrábějí např. lehké nosné
profily, převážně otevřené, složitých tvarů (viz obr. 3.8b), kterými se
dají nahradit v maloseriové výrobě zbytečně těžké válcované profily.
V sériové výrobě se menší díly ohýbají na ohýbadlech mezi ohybníkem a
ohybnicí (obr. 3.8c), trubky a profily na speciálních ohýbacích strojích.
Mezi tvářecí operace, jejichž podstatou je ohýbání, patří dále
rovnání (plechů, pásů) a zakružování do válcových nebo kuželových ploch
(viz obr.3.9), stejně jako svinování (obr. 3.1f), které se provádí ručně
při kusové výrobě a tenčích plechů, u tlustších plechů na vhodných
strojích.
Poznámka:
Ohýbání jsou blízké metody lemování, obrubování, prosazování apod.,
vytvořená plocha však není rozvinutelná, neboť dochází k prostorovému
přetvoření obdobně jako při hlubokém tažení, viz obr. 3.9.
3.2.3. Tažení plechů
Při tažení plechů (obr. 3.10a) se vychází z rovinného polotovaru vhodných
rozměrů (zvaného přístřih), který se pomocí tažníku a tažnice přetvoří v
polouzavřený prostorový výtažek. Vlivem toho, že clech nemá ve všech
směrech stejné vlastnosti, se okraj výtažku nestejně prodlužuje a musí se
dodatečně ostřihnout nebo obrobit. Tloušťka stěny výtažku se většinou jen
málo liší od tloušťky výchozího plechu.
Obr. 3.9: Rovnání, zakružování, lemování, obrubování, prosazování
Velikost přetvoření je u hlubších výtažků značná, vlivem toho má kraj
plechu tendence se zvlnit a mohl by se vytvořit přehyb; tomuto nežádoucímu
zvlnění brání přidržovač. Nejsnadněji se táhnou kruhové výtažky, obtížněji
pravoúhlé a nepravidelného tvaru o nestejné hloubce.
Při klasickém tažení tvoří cena nástrojů značnou výrobní položku,
která při maloseriové výrobě podstatně ovlivňuje cenu výtažku; kromě toho
se některé tvary dají klasickým tažením zhotovit jen s potížemi. Pro tyto
případy se s výhodou používá např. tváření nepevnými nástroji, např. pryží
(obr. 3.l0b) nebo kapalinou, dále přetahování apod. Rotační díly se mohou
zhotovit rotačním tvářením (obr.3.10c), někdy označovaným jako kovotlačení
nebo kroužlení.
Tváření plechů má velkou budoucnost, neboť umožňuje vyrábět lehké,
prostorově členité díly, které nahrazují mnohem hmotnější výkovky nebo
odlitky. Při kompletaci a montáži se často uplatní svařování.
Obr. 3.10: Princip hlubokého tažení, tažení pryží a rotačního tváření
Tváření je vysoce progresivní technologií, kterou se vyrábějí
strojírenské polotovary dvojího typu. Objemovým tvářením (kováním,
pěchováním a protlačováním) se zhotovují především polotovary pro namáhané
strojní díly a součástky, nebol mají v důsledku tváření příznivý průběh
vláken. U větších sérií dílů vhodného tvaru se uplatní s výhodou metody
přesného objemového tváření, které umožňují vyrábět polotovary s minimálními
přídavky na obrábění, případně i v konečném rozměru; snižují se tím na
minimum náklady na obrábění a současně se dosahuje maximálního využití
vstupního materiálu. Z hlediska celospolečenského to znamená významnou
úsporu kovové substance, energie a lidské práce.
Plošným tvářením se většinou zhotovují méně namáhané díly jednoduchého
i složitého tvaru v přesných rozměrech, které jsou převážně tenkostěnné a
potřebnou tuhost získávají vhodným prostorovým členěním. Vyrobené díly jsou
lehké a tím přispívají ke snížení hmotnosti finálního výrobku. Při výrobě
drobných součástek ve sdružených tvářecích nástrojích se dosahuje mimořádně
vysoké produktivity práce. Využití materiálu je při plošném tváření obvykle
nižší, nebol výchozím materiálem je pás nebo plech, z něhož se musí zhotovit
přístřihy, jejichž tvar závisí na geometrii výrobku; optimalizací uspořádání
přístřihů lze technologický odpad snížit, ne však odstranit.
3.3
NÝTOVÁNÍ
Nýtování je technologie nerozebíratelného spojování kovových i
nekovových dílů, která je založena na trvalé (plastické) deformaci
spojovacího elementu, obvykle nýtu, který prochází otvory ve spojovaných
dílech (obr. 3.11a,b), případně čep vytvořený na jednom dílu prochází otvorem
v druhém dílu (obr. 3.11c). Působením vnější síly, tlakem nebo úderem, se
volný konec nýtu trvale deformuje a vytvoří se tak závěrná hlava, jejíž tvar
odpovídá tvaru nástroje, který se nazývá hlavičkář.
Nýty jsou v provozu většinou namáhány na střih, méně často na tah a
zhotovují se z dostatečně tvárného materiálu, např. z nízkouhlíkové oceli, mědi,
mosazi, hliníku a jeho slitin. Materiál nýtů se volí vždy s ohledem na spojované
materiály, tak, aby spoj měl požadovanou pevnost a aby se netvořily korozní
články; kombinace měď — hliník, měď — ocel jsou v tomto ohledu nevhodné.
Nejběžnější jsou nýty s válcovým dříkem, ukončené půlkulovou, čočkovitou
nebo zapuštěnou hlavou. Zápustné nýty zapadají do kuželového vybrání ve
spojovaném materiálu a méně narušují hladkost povrchu materiálu. Pro spojování
křehkých nekovových materiálů na kovový nosný díl se často používají nýty
trubkové, které se dají šetrněji roznýtovat.
Postup ručního nýtování za studena je znázorněn na obr. 3.11a. Do
průchozího přesně vrtaného otvoru se vloží nýt, který se podepře hlavičníkem,
přitažníkem se vymezí vůle mezi plechy a údery kladiva na hlavičkář se vytvoří
závěrná hlava. Běžně se používá k tomuto účelu pneumatické kladivo nebo nýtovací
stroj.
Obr. 3.11: Postup a příklady nýtování a) postup nýtování
b) nýtový spoj
se zapuštěnou hlavou
c) spojení 2 dílů roznýtováním
Pro nýtování tenkých plechů (potahů trupů letounu apod.) je vhodné tzv.
nepřímé nýtování, kdy údery kladiva působí na plochou hlavu nýtu s vnější strany
trupu a závěrná hlava se vytvoří nárazy dříku na dostatečně hmotnou opěrku (obr.
3.11b).
V mnoha případech nejsou nýty jako samostatný spojovací element vůbec
nutné, roznýtuje se např. kruhový nebo plochý čep jedné součástky zasunutý do
otvoru v druhé součástce (viz obr. 3.11c). Obdobně se zhotovují a spojují články
válečkových řetězů a řada dalších výrobků. Nýtový spoj může v řadě případů být
otočný, např. u kleští a podobných nástrojů.
Nýtování je možno mechanizovat a při použití moderních nýtovacích strojů
i plně automatizovat. Je možno takto spojovat i zcela rozdílné materiály.
Příkladem jsou kombinace keramiky nebo plastické hmoty s kovem; obdobně je
možno používat také nýty z plastických hmot, které jsou nevodivé. Protože
nýtové spoje se vyznačují velkou spolehlivostí a vlastní nýtování je velmi
produktivní, je tato metoda velmi rozšířená ve výrobě spotřebního zboží, ve
výrobě elektrotechnických součástek apod.
Naproti tomu se dnes nýtování vůbec nepoužívá u tlakových nádob, kde bylo zcela
nahrazeno svařováním, ani u mostních konstrukcí, kde montážní nýty jsou
nahrazeny vysokopevnostními svorníky.
4
SVAŘOVANÍ,
PÁJENI
A
TEPELNÉ
DĚLENÍ
Do oboru strojírenské metalurgie přísluší dále samostatná skupina
důležitých technologií, tj. svařování, pájení a tepelné dělení, které mají
řadu společných znaků a využívají obdobná zařízení. I když některé z těchto
technologií jsou známy již tisíce let (pájení, kovářské svařování), největší
rozmach zaznamenaly teprve v minulých padesáti letech. Teprve jejich rozvoj
umožnil realizaci řady významných projektů, mezi jiným i stavby kosmických
lodí a jaderných reaktorů. Stručná charakteristika zmíněných technologií je
tato:
Svařování je spojování kovových dílů v nerozebíratelný celek za působení
tepla, resp. tlaku a za případného použití přídavného materiálu obdobného
složení, jako má základní materiál. Svařováním se spojují hlavně tvářené
polotovary nebo dílce, např. plechy, trubky, tyče, výkovky a výlisky, v menší
míře také odlitky. Svařený výrobek se označuje jako svařenec nebo svarek
(obdoba výkovku, odlitku).
Nenahraditelné je svařování při výrobě a kompletaci velkých celků
(tlakových nádob, kotlů, ocelových konstrukcí, mostů, lodí a dopravních
prostředků), neboť umožňuje plně využívat pevnosti materiálu a tím podstatně
snížit hmotnost těchto zařízení. Při výrobě menších strojních dílů a dalších
výrobků se volí svařování proto, že složitý výrobek lze zhotovit z
jednoduchých dílů; výroba je snadnější, levnější a přináší rovněž úsporu
materiálu.
Existují desítky metod svařování a další jejich modifikací, z nichž
některé mají široké použití, jiné jsou naopak vhodné pro zcela specifické
účely.
Pájení je metoda nerozebíratelného spojování, která se od svařování liší
tím, že vlastní spojení zprostředkuje přídavný materiál (pájka) o tavící
teplotě zřetelně nižší, než má kterýkoliv ze základních materiálů. V řadě
případů je pájení nenahraditelné, neboť některé výrobky nelze zhotovit jinak,
než touto technologií.
Tepelné dělení zahrnuje několik metod, jejichž společným znakem je
místní ohřev děleného materiálu na tak vysokou teplotu, že se buď dá spálit v
proudu kyslíku (řezání kyslíkem) nebo roztavený odstranit proudem plynu
(řezání plasmovým paprskem), případně se odpaří (řezání svazkem elektronů). Ve
všech případech se jedná o metody, jejichž produktivita mnohonásobně předčí
klasické způsoby třískového řezání.
Tato úvodní část bude věnována jen několika základním, poměrně
jednoduchým metodám, které jsou nejvíce rozšířeny v běžné práci; s ostatními
se studenti seznámí až v průběhu dalšího studia. Práce technologa svařování je
velmi zodpovědná a klade vysoké nároky na jeho komplexní znalosti
technologické, metalurgické i ekonomické.
Při návrhu technologie je nutno posoudit základní materiál, jeho
složení, čistotu, vlastnosti a rozsah strukturních změn, které mohou nastat
vlivem svařování. Je nutno zvolit vhodnou technologii, přídavný mater iál a
podmínky svařování, navrhnout teplotní režim (předehřev, tepelné zpracování po
svaření). Při tom je nutno vzít v úvahu i geometrické faktory (tvar dílu,
tloušťka stěn), které mohou být příčinou vzniku trhlin. Nutno také navrhnout
způsob a rozsah kontroly svařených dílů, a to všechno s přihlédnutím k
výrobním nákladům.
4.1. SVAŘOVÁNÍ OBLOUKEM
Svařování obloukem patří mezi metody tzv. "tavného" svařování, kdy
spojované materiály se intenzívním zdrojem tepla roztaví v místě budoucího
spoje, tekutý kov se promísí a po ztuhnutí vytvoří svarový kov spoje. Zdrojem
tepla je v tomto případě elektrický oblouk, který hoří mezi elektrodou a
základním materiálem. Oblouk je sloupec vysoce ohřátého a ionizovaného plynu,
který je elektricky vodivý a prochází jím proud. Zapaluje se buď přerušením
zkratu nebo vysokonapěťovou jiskrou, která ionizuje plyn a tím ho vytvoří
vodivým.
K obloukovému svařování se řadí řada metod, které se vzájemně liší
jednak druhem elektrod, jednak prostředím, ve kterém oblouk hoří: pro
přehlednost jsou základní metody uspořádány do tab. 4.1.
Tab. 4.1:
Základní metody obloukového svařování
Elektroda
Prostředí
Zkratka Název metody svařování
Kovové jádro + obal
látky z obalu
ROE - ruční, obalenou
elektrodou
APT - automatické, pod tavidlem
zrnité tavidlo
ochranný plyn:
Holý drát nebo plněná - inertní (Ar/
trubička
- aktivní (Ar + O2/
Wolframová netavící
se
MIG - (metal-inert-gas/
MAG - (metal-aktiv-gas/
- co2
C02 - svařování v CO2
inertní plyn
WIG - (wolfram-inert-gas/
Ruční svařování obalenou elektrodou
je příkladem, na kterém se vysvětlí podstata i zvláštnosti obloukového
svařování (viz obr. 4.1).
Obr. 4.1: Schéma ručního svařování obalenou elektrodou
a) Zařízení pro svařování
b) Tavení elektrody a základního materiálu c) Volt-ampérová
charakteristika zdroje a oblouku
Svařovací proud, který se odebírá ze zdroje stejnosměrného nebo střídavého
proudu (usměrňovače, transformátoru apod.) o vhodné charakteristice a
citlivé regulaci, se vede jedním přívodním kabelem do držáku elektrody,
druhým do zemnící svorky připevněné na základní materiál.
Škrtnutím elektrody o základní materiál vznikne zkrat a jeho
přerušením se zapálí oblouk. Teplota oblouku přesahuje 4OOO °C a teplem
oblouku se současně taví kovové jádro elektrody, obal i základní materiál;
vytváří se tavná lázeň pokrytá struskou. Struska chrání svarový kov před
účinkem vnější atmosféry, krom toho příznivě ovlivňuje chemické složení
svarového kovu spoje a tvaruje povrch housenky (obr. 4.1b).
Oblouk může stabilně hořet za předpokladu, že zdroj proudu má vhodnou
volt-ampérovou charakteristiku (závislost mezi napětím a proudem - obr.
4.1c), která je dána elektrickou konstrukcí zdroje a jeho seřízením.
Oblouk má rovněž vlastní charakteristiku, která závisí na prostředí,
ve kterém oblouk hoří, v tomto případě na složení obalu elektrody. Obě
charakteristiky se protínají v pracovním bodu a jejich průsečík udává
skutečné hodnoty proudu a napětí za daných podmínek svařování, a tím i
tepelný výkon zdroje UxI.
Obalené elektrody mají odstupňované průměry kovového jádra ( 2 mm,
 2,5mm,  3,15 mm,  4 mm,  5 mm atd) a těm musí odpovídat nastavený
svařovací proud. Při překročení nejvyššího přípustného proudu se elektroda
rozžhaví, poškodí se obal a svar má nevyhovující jakost.
Obal obsahuje řadu látek, které mají funkci hlavně struskotvornou,
desoxidační a legující, dále stabilizují hoření oblouku a usnadňují
ionizaci, uvolňují plyny a páry, chránící tekutý kov před účinkem okolního
vzduchu a konečně dávají obalu vhodné technologické vlastnosti (musí se dát
dobře lisovat, musí být pevný, nesmí se poškodit pádem elektrody atd.).
Vlivem legujících přísad dodaných z obalu se může chemické složení
svarového kovu elektrody mnohdy podstatně lišit od složení jádra elektrody;
s výhodou se toho využívá u elektrod určených např. pro tvrdé návary,
obsahující vysoké procento přísadových prvků (chrom, wolfram apod.).
Chování elektrody i vlastnosti svarového kovu silně ovlivňují
struskotvorné přísady a podle nich se rozlišují elektrody s obalem:
a) zásaditým (nutno svařovat s elektrodou na + pólu)
b) kyselým
(možno svařovat střídavým proudem)
c) rutilovým a rutil - organickým (vhodné pro montážní svary).
Kromě těchto základních typů obalů existuje řada méně běžných a jejich
kombinací (oxidační, rutil-bazické apod.).
Svarový kov musí mít předepsané chemické složení, vysokou čistotu a
vyhovující mechanické vlastnosti, zejména pevnost, tvárnost a vrubovou
houževnatost; dále musí být odolný proti vzniku trhlin v průběhu tuhnutí a
následného chladnutí, podle potřeby musí být odolný proti korozi nebo
odolný proti opotřebení atd. Volbu elektrod o vhodných vlastnostech
usnadňují katalogy elektrod, v nichž výrobce krom údajů o vlastnostech
svarového kovu uvádí také doporučení, pro jaké účely jsou vhodné.
Svarové spoje zhotovené obalenou elektrodou mohou mít různou
geometrii; nejčastěji se volí tupé a označují se podle úpravy úkosů
svarových ploch písmeny, která tomuto úkosu odpovídají, například I-svary
mají svarové plochy rovnoběžné, pro větší tloušťky se používají úkosy tvaru
V, X, U, K apod. Velmi časté jsou svary koutové, kde je příprava svarových
ploch zvlášť jednoduchá; jsou však z pevnostního hlediska méně výhodné.
Velkou předností svařování obalenou elektrodou je bohatý výběr
přídavných materiálů, možnost použití této metody jak v dílnách tak na
montáži, a veliká universálnost co do složení a tlouštěk svařovaných
materiálů, tvaru a umístění spoje (nad hlavou, na svislé stěně apod.).
Nedostatkem je hlavně nízká produktivita práce a silná závislost jakosti
svaru na zručnosti a svědomitosti svářeče. Toto bylo podnětem k vývoji řady
dalších metod, které tyto nedostatky více nebo méně odstraňují. Běžně se
proto používá automatické svařování pod tavidlem a hlavně svařování v
ochranných atmosférách, které do značné míry může nahradit svařování
obalenou elektrodou. Svařování netavící se wolframovou elektrodou v
ochranné atmosféře argonu je vhodné pro některé speciální slitiny.
4.2.
SVAŘOVANÍ PLAMENEM
Tato metoda byla vynalezena koncem minulého století a poměrně brzo
dosáhla takového stupně dokonalosti, že do začátku třicátých let byla hlavní
a nejrozšířenější metodou tavného svařování v dílenské i v průmyslové
praxi. Zdrojem tepla je (až na výjimky) kyslíko-acetylenový plamen.
Kyslík (O2) se vyrábí buď destilací kapalného vzduchu nebo
elektrolytickým rozkladem vody a dodává se většinou v ocelových lahvích pod
tlakem 15 MPa (dnes 20 MPa), nověji také kapalný, přepravovaný ve zvlášť
upravených cisternách. Stlačený kyslík je nebezpečný, protože při styku s
mastnotou dochází k prudké explosi.
Acetylen (C2H2) se vyrábí z karbidu vápníku CaC 2 působením vody (po
uvolnění acetylenu zbývá vápenný kal) nebo vysokoteplotním krakováním
zemního plynu. Pro svařování je acetylen výhodný tím, že kyslíkoacetylenový plamen dosahuje zvláště vysoké teploty (přes 3100°C) a krom
toho správný poměr acetylenu a kyslíku se dá snadno nastavit podle vzhledu
plamene (obr. 4.3b) a v průběhu svařování se může zrakem kontrolovat.
Acetylen je však velmi nebezpečným plynem, neboť může explodovat v širokém
rozmezí koncentrací se vzduchem i kyslíkem a má sklon k samovolnému
explosivnímu rozkladu; z těchto důvodů platí pro práci a acetylenem přísné
bezpečnostní předpisy. Dodává se v lahvích, naplněných průlinčitou hmotou
nasycenou acetonem, ve kterém je acetylen pod tlakem rozpuštěn. Láhev o
vodním objemu 40 1 obsahuje asi 5 až 6 kg acetylenu, což je množství, které
přibližně odpovídá spotřebě kyslíku ze stejně velké láhve. Protože láhev má
hmotnost asi 70 kg a z toho plyn necelou desetinu, je přeprava plynů v
láhvích značně neekonomická. Velké podniky mají proto většinou centrální
vyvíječ a acetylen rozvádí potrubím na jednotlivá pracoviště.
Zařízení pro svařování plamenem je schematicky znázorněno na obr. 4.2
a toto uspořádání je běžné na malém stabilním pracovišti, např. v opravářské
dílně anod.
Ocelové lahve se stlačenými plyny musí být spolehlivě chráněny proti
pádu a dostatečně vzdáleny od pracovního stolu. Na lahvových ventilech jsou
připevněny redukční ventily, kterými se tlak plynu v láhvi snižuje na
předepsaný pracovní tlak (u kyslíku obvykle na 300 kPa, u acetylenu asi 50
kPa) a udržuje přibližně konstantní i za podmínek kolísavého odběru. Oba
plyny se vedou tlakovými hadicemi do hořáku, který má rukojeť s regulačními
ventilky a výměnným svařovacím nástavcem s injektorem (nebo mísící komorou)
a svařovací hubicí.
Tepelný výkon hořáku závisí na velikosti plamene, tj. na množství směsi
acetylenu a kyslíku, která prochází otvorem hubice. Protože výstupní
rychlost této směsi nelze příliš měnit, závisí výkon hořáku především na
průměru otvoru hubice. U většiny souprav se však vyměňuje nejen hubice, ale
současně celý svařovací nástavec, který je z praktických důvodů označen
číslem vyjadřujícím tloušťku ocelového plechu v milimetrech, pro kterou je
určen, např. 1-2, 4-6 apod.
Obr. 4.3: Kyslíko-acetylenový svařovací plamen a technika
svařování plamenem.
Svařovací plamen (obr. 4.3)
Ventilky na hořáku jsou určeny k tomu, aby se jimi regulovalo
složení směsi i její výstupní rychlost a tím charakter i velikost plamene.
Obojí se v průběhu svařování snadno kontroluje zrakem, podle vzhledu a
barvy plamene a podle délky vnitřního kužele. Rozeznávají se tyto druhy
plamene:
plamen neutrální: vzniká v případě, že se spaluje přibližně stejné
množství kyslíku i acetylenu. Vnitřní kužel plamene je ostře
ohraničen a nejvyšší teplota, měřená asi 1-2 mm před hrotem tohoto
kužele, přesahuje 3100 °C. Vlastní spalování probíhá ve dvou fázích;
v prvé se acetylén spaluje nedokonale na směs CO a H 2, která má
desoxidační charakter a chrání tekutý kov před vnější atmosférou.
Druhé fáze spalování se účastní vzduch, který do plamene postupně
proniká a konečným produktem je C0 2 a vodní pára;
plamen s přebytkem acetylenu se vyznačuje svítícím závojem kolem
vnitřního kužele, obsahujícím volné částice dosud nespáleného
uhlíku. Plamen má charakter silně desoxidační a krom toho nauhličuje
tekutou ocel. Používá se při svařování hliníku nebo při navařování
některých speciálních slitin. Přidáváním kyslíku se závoj zmenšuje a
neutrální plamen je seřízen v okamžiku, kdy tento závoj zmizí;
plamen s přebytkem kyslíku se získá dalším zvýšením podílu kyslíku
ve směsi; vnitřní kužel se zkrátí, je ostřejší a má namodralou
barvu. Plamen s přebytkem kyslíku má oxidační charakter, není vhodný
pro ocel, litinu a lehké kovy, dává však dobré výsledky při
svařování mosazí (slitin Cu-Zn).
Krom správného chemického složení směsi je nutno nastavit při
svařování také vhodnou výstupní rychlost plynů z ústí hubice, která musí
být vyšší než rychlost hoření směsi, aby plamen nepronikl dovnitř hořáku,
případně do hadic nebo láhve.Toto tzv. zpětné šlehnutí je vždy nepříjemné;
může být však také nebezpečné, mohou se roztrhnout hadice nebo se začne
rozkládat acetylen v láhvi. Hadice pro acetylen se proto běžně opatřuje
pojistkou proti zpětnému šlehnutí.
Podle výstupní rychlosti se rozlišují tyto druhy plamene (obr.
4.3a):

Ostrý plamen s vysokou výstupní rychlostí plynů má tendenci se
odtrhnout od ústí hořáku, případně zhasnout.

Normální plamen má optimální výstupní rychlost a používá se pro
většinu prací; hoří klidně a zaručuje nejlepší vzhled svaru.

Měkký plamen má malou výstupní rychlost a proto má značnou tendenci
ke zpětnému šlehnutí. Používá se pro tenké plechy z lehkých kovů.
Technika svařování plamenem
V praxi je nejběžnější technika "svařování dopředu", vhodná pro
plechy nad 3 mm tlusté (obr. 4.3c). Plamenem se roztaví základní materiál
a do tavné lázně se přerušovaně ponořuje přídavný materiál; svar musí mít
provařený kořen, dostatečné převýšení housenky a hladký povrch s jemnou
kresbou.
"Svařování dozadu", kdy hořák se pohybuje opačně než směřuje plamen,
umožnilo spolehlivě provařit i plechy větší tloušťky; dnes se již
nepoužívá a bylo nahrazeno svařováním obloukem, které je produktivnější a
dává kvalitnější svary.
I když význam svařování plamenem velmi poklesl, jedná se stále o
důležitou technologii spojování, používanou zejména při opravách, při
svařování trubek menších průměrů a tloušťek stěn apod. Je to metoda velmi
univerzální, neboť umožňuje svařovat ocel, litinu, hliník, měď i mosaz,
tj. nejběžnější kovy a slitiny. Plamen může být však i zdrojem tepla pro
další práce, například pro tvrdé pájení, pro ohýbání nebo rovnání trubek
apod. Výměnou svařovacího nástavce za řezací je možno s týmž zařízením i
tepelně dělit ocel. Nedostatkem je nízká produktivita, a proto se
svařování plamenem v průmyslové praxi již nepoužívá. Výjimkou jsou
upravené hořáky, kde současně s plyny prochází hubicí směs kovových prášků
a je možno takto nanášet tenké vrstvy o zvláštních vlastnostech. S výhodou
se navařením prášků opravují opotřebené kluzné plochy, čepy, hřídele a
podobné díly, kde návar větší tloušťky není žádoucí.
4.3.
BODOVÉ A ŠVOVÉ ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ
Řada průmyslových výrobků se zhotovuje z plechových výlisků, výtažků
nebo ohýbaných dílů, které se navzájem spojují bodovým nebo švovým svařováním,
nahrazujícím dřívější nýtování nebo pájení. Svarový spoj čočkovitého tvaru
vzniká při průchodu proudu mezi dvěma elektrodami (obr. 4.4a) roztavením
spojovaných materiálů odporovým teplem promísením a opětným ztuhnutím po
vypnutí proudu. Proto se obě metody řadí k tavnému svařování. Vynalezeny byly
koncem 19. století a od té doby se řadí k nejpoužívanějším dílenským i
průmyslovým metodám spojování.
Obr. 4.4: Princip bodového a švového odporového svařování.
Při bodovém i švovém odporovém svařování se plechy s řádně očištěnými
povrchy vloží mezi dobře vodivé elektrody, které se k sobě přitlačí
dostatečnou silou a zavede se do nich proudový impuls. Průchodem proudu přes
svařovaný materiál se vyvine teplo (Q = R.I2.t), kterým se materiál na styku
obou plechů roztaví; po následné krystalizaci se vytvoří svarová čočka, která
má licí strukturu.
Při bodovém svařování (obr. 4.4a) mají elektrody tvar válce s kuželovým
hrotem a kruhovou dosedací plochou. Po ztuhnutí svarového kovu se elektrody
rozevřou, plechy se posunou o předepsanou rozteč a zhotoví se další svar;
bodové svařování nahrazuje v tomto případě nýtování, je však levnější,
produktivnější a spoj má vyšší pevnost.
Švové svařování se používá v případech, kdy spoj musí být těsný, např. u
palivových nádržek, u plechových radiátorů apod. Dosáhne se toho tím, že se
jednotlivé svarové čočky překrývají. Použijí se v tomto případě kotoučové
elektrody (obr. 4.4b), které se otáčejí vhodnou rychlostí a proud se do nich
přivádí v pravidelných intervalech.
Svařovací proud je při odporovém svařování vysoký, pohybuje se většinou
mezi 5000 až 12000 A, zdrojem proudu bývá nejčastěji transformátor, který má
sekundární vinutí tvořené jediným závitem. Doba proudového impulsu bývá
krátká; u výkonných strojů jsou to setiny až desetina sekundy, u malých
dílenských bodovek několik desetin. Přesné spínání těchto krátkých proudových
impulsů a jejich synchronizaci s přítlačnou silou elektrody případně s
automatickým posuvem svařovaných dílců umožnila až moderní elektronika. Starší
stroje pracovaly vesměs s nižšími proudy a s delšími svařovacími časy.
Odporovým teplem se neohřívá jen svařovaný materiál, ale také elektrody.
Nadměrným ohřevem by se mohly vyžíhat, změknout a jejich hroty by se pak
deformovaly; tím by trpěla jakost svarů. Elektrody se proto vyrábějí většinou z
takových slitin, které jsou sice dobře vodivé, ale zachovávají si pevnost a
tvrdost i za vyšších teplot. Krom toho se elektrody intenzívně chladí vodou, a
tím se podstatně zvyšuje trvanlivost hrotů.
Bodové odporové svařování je běžnou metodou svařování v dílenské praxi,
kde nejsou tak přísné požadavky na produktivitu a jakost, se používají méně
výkonné stroje s jednoduchým ovládáním. V průmyslových závodech převládají
výkonná zařízení s programovatelným ovládáním a s možností připojení na řídící
počítač.
V automobilovém průmyslu se většina bodových svarů zhotovuje pomocí
pohyblivých "svařovacích kleští", tj. elektrod na krátkých pohyblivých ramenech
se silovou jednotkou a s případně vestavěným transformátorem. Kleště jsou
spojeny ohebným kabelem s ovládací a proudovou jednotkou a dají se podle
potřeby připevnit na pracovní rameno robota.
Na obdobném principu jako svařování bodové je ještě založeno svařování
výstupkové. Rozdíl je v tom, že se svařované díly upínají do měděných elektrod
tvarovaných podle výrobku a poloha svarů je určena výstupky nebo prolisy
(bradavkami) na jednom ze spojovaných dílů. Metoda výstupkového svařování je
výkonná, neboť jediným proudovým impulsem se současně zhotoví tolik svarů,
kolik bylo výstupků. Jejich počet je omezen maximálním proudem zdroje (který
bývá 100 - 250 kA); potřebná přítlačná síla je rovněž vysoká, a proto se tyto
stroje nazývají "svařovací lisy".
Všechny uvedené metody patří do skupiny metod "tavného" svařování, pro
které je charakteristické místní roztavení svařovaného materiálu, vzájemné
promísení a následující ztuhnutí tavné lázně. Tavný svar má proto licí
(dendritickou) strukturu a mohou se v něm vyskytovat podobné vady jako u
odlitků. Tavným svařováním se spojují převážně materiály stejného nebo
blízkého chemického složení.
4.4.
SVAŘOVANÍ TLAKEM
Pro svařování tlakem je charakteristické, že podmínkou pro vznik svaru
je dostatečně velká tlaková síla, jejímž účinkem se materiál v místě spoje
plasticky deformuje. Ohřátím svarových ploch se sníží mezní hodnota síly
potřebné pro vznik svaru. Pokud se však vyskytne v místě budoucího svaru tekutá
fáze, je nežádoucí a musí se odstranit v průběhu pěchování.
Některými metodami je možno zhotovit i přeplátované spoje, ve většině
případů se však svařováním tlakem zhotovují tzv. stykové svary, kdy vhodně
upravené konce polotovarů se svaří současně v celé styčné ploše.
Stykovým svařováním, které je velmi rozšířené, se svařují hlavně strojní
dílce, článkové řetězy a nástroje, dále tyče, kolejnice nebo plechy. Až na
výjimky vzniká v místě svaru otřep, do něhož se v průběhu svařování přemísťují
nečistoty a který se zpravidla u hotového výrobku odstraňuje.
Svařování tlakem za studena
Tato metoda je pro svařování tlakem nejtypičtější, neboť svar vzniká
výhradně působením tlaku, bez jakéhokoliv ohřevu. Princip je znázorněn na obr.
4.5a.
Materiál (hliník, měď) je pevně upnut do čelistí (1. fáze); účinkem
poměrně vysokého tlaku se deformuje (2. fáze) a materiál mezi čelistmi se
včetně nečistot postupně přemísťuje do otřepu. V konečné fázi (3.) se otřep
odstraní. Pokud proběhla dostatečně velká deformace a všechny nečistoty se
přemístily do otřepu, má svarový spoj pevnost stejnou jako základní materiál.
Svařování tlakem za studena se s úspěchem používá ke spojování hliníkových nebo
měděných vodičů, také trolejového vedení. Metoda není vhodná pro spojování
materiálů o vyšší pevnosti, neboť potřebné tlaky by byly neúměrně vysoké.
Svařováním tlakem za studena se mohou zhotovovat také přeplátované
spoje; musí se k tomu použít zvláštní tvarované nástroje. V místě svaru je
materiál velmi silně deformován.
Obr. 4.5:
Metody stykového svařování.
Stykové odporové svařování stlačením (obr. 4.5b)
bylo vynalezeno koncem 19. století. Svařovaný materiál, nejčastěji dráty a
tyče menších průřezů, se upne do měděných čelistí, vyvodí se potřebná osová
síla a sepne proud. Průchodem proudu se materiál ohřívá (nejvíce na styčné
ploše), snižuje se jeho pevnost a začne se plasticky deformovat tak, že
nejteplejší a nejméně pevný kov v blízkosti stykových ploch se přemísťuje do
otřepu a odnáší s sebou nečistoty. Princip je tedy stejný jako u předchozí
metody, díky odporovému ohřevu oblasti svaru se však usnadní plastická
deformace.
Touto metodou se mohou svařovat i profilové tyče nebo řetězové články.
Pro svařování velkých průřezů (kolejnic apod.) se dnes používá výhradně metoda
odporového svařování s odtavením, kde se dosáhne rovnoměrnějšího ohřevu celé
stykové plochy; zařízení je značně složitější, protože posuv pohyblivé čelisti
neprobíhá volně, ale podle předem nastaveného programu.
Stykové svařování třením
bylo vyvinuto začátkem padesátých let 20. století v SSSR a rychle se rozšířilo
ve všech průmyslově vyspělých státech. Součásti jsou upnuty do čelistí, z nichž
jedna je pevná, druhá rotující je přitlačována vhodnou osovou silou (obr.
4.5c). Třením se ohřívá plocha styku a materiál včetně nečistot se vytlačuje do
otřepu. Jakmile se materiál v místě spoje dostatečně předehřál, rotující čelist
se rychle zastaví a zvýšenou pěchovací silou přitiskne k čelisti pevné. Svar má
charakteristický tvar otřepu a jeho pevnost je srovnatelná s pevností
základního materiálu.
Touto metodou je možno svařovat jen takové výrobky, kde alespoň jedna součást
má rotační tvar (kruhová tyč nebo trubka). Spotřeba energie je podstatně nižší než
při svařování odporovém a celý proces je plně mechanizován.
Popsané metody stykového svařování jsou v praxi nejrozšířenější; kromě nich
však existuje řada dalších metod lišících se od předešlých hlavně způsobem ohřevu
stykových ploch. Používá se např. ohřev magneticky ovládaným obloukem, plamenem,
aluminotermickou reakcí apod.; každá z těchto metod má své přednosti i nedostatky a
tím je jejich použitelnost omezena.
4.6.
VADY SVAROVÝCH SPOJŮ, KONTROLA A TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ
Rozvoj svařování umožnil ekonomicky vyrábět složitá a náročná zařízení, na
druhé straně však přinesl řadu nových problémů, které se u jiných metod svařování
nevyskytovaly. Jsou to hlavně značná vnitřní pnutí v okolí svaru, deformace výrobku,
nebezpečí trhlin ve svarovém spoji, strukturní změny a s nimi související zkřehnutí
atd. Proto v řadě případů je nevyhovující svařitelnost materiálu faktorem, který
omezuje jeho použitelnost. Příčinou potíží je místní ohřev a ochlazení svaru
(teplotní cyklus), neboť okolní relativně chladný materiál nedovolí svarovému spoji,
aby se volně rozpínal (dilatoval) nebo smršťoval. Za těchto podmínek jsou kladeny
vysoké požadavky na plasticitu jak svarového kovu, tak přilehlé vrstvy základního
materiálu. Svarový kov, který vznikl krystalizací tavné lázně, má dále licí strukturu
a mohou se zde vyskytovat obdobné defekty jako u odlitků, např. plynové dutiny,
struskové vměstky nebo trhliny (obr. 4.6a). Základní materiál v blízkosti svarového
Obr. 4.6: Vady svarového spoje
kovu je ohřát na teplotu blízkou tavicí a v zápětí prudce chladne, mění se jeho
struktura, může nadměrně zhrubnout zrno, může se zakalit nebo se zde mohou vytvořit
trhliny různého typu (obr. 4.6b). Podle míry nebezpečí vzniku těchto defektů se
posuzuje svařitelnost. Některé defekty však nesouvisí se svařitelností, ale s chybnou
prací svářeče, například různé vruby, neprovařený kořen apod. (obr. 4.6c).
Řada potíží při svařování pramení z toho, že po konečném vychladnutí
dílu zůstávají ve spoji tzv. zbytková tepelná pnutí, která mohou být tím
vyšší, čím větší je pevnost svařovaného materiálu. Navenek se projevují
deformací výrobku a pokud s nimi technolog předem nepočítal, má značné
komplikace s dodržením tolerance svařence a se stabilitou rozměrů, zejména po
obrábění. Zbytková pnutí mohou být také příčinou snížené odolnosti proti
korozi.
Metalurgická problematika hraje při svařování stejně důležitou roli
jako technologická, protože pravděpodobnost vzniku trhlin, mikrotrhlin a
dalších defektů je vysoká. V praxi se proto ani nepředpokládá, že by bylo
možno zhotovit svar zcela bez jakýchkoliv vad; existující defekty však nesmí
ohrozit bezpečnost a funkční spolehlivost výrobku. V souvislosti s tím se
rozvinuly dvě samostatné discipliny; především je to defektoskopie, která
umožňuje bez porušení materiálu stanovit přítomnost a rozměr vad ve svarovém
spoji, např. technikou prozáření spoje RTG paprsky, ultrazvukovou metodou,
kapilárními metodami atd.; lomová mechanika je pak vědním oborem, který umožní
početně stanovit přípustnou velikost vad na základě experimentálně zjištěných
materiálových konstant.
Rozsah kontroly svarů musí být tím větší, čím větší je nebezpečí
vnitřních defektů, které souvisí nejen se svařitelností, ale také s
technologií výroby a s konstrukcí svařence. Pokud se jedná o zařízení, u
nichž se vyžaduje zvlášť vysoká provozní bezpečnost, mohou náklady na
kontrolu překročit i náklady na svařování. Rozsah nutných zkoušek se obvykle
stanovuje na základě matematicko—statistické analýzy. Problematikou zkoušení
kvality svarových spojů se komplexně zabývají ve strojírenských závodech
odbory řízení jakosti, pod které spadá technická kontrola, zkušebny a
laboratoře.
Vlastnosti svařovaných výrobků je možno zlepšit vhodným tepelným
zpracováním, které může být součástí technologického postupu svařování, např.
předehřev, řízené ochlazování apod. Takto lze zmenšit tepelná pnutí i
nebezpečí tvorby trhlin, případně zamezit zakalení svarového spoje apod.
Svařené díly se mohou dodatečně žíhat na snížení zbytkových pnutí nebo se
může žíháním příznivě ovlivnit struktura a zlepšit houževnatost spoje.
Výjimečně se svařené díly kalí a popouštějí, např. svařované nástroje.
4.7.
ZÁKLADY PÁJENÍ
Pájení je metoda nerozebíratelného spojování dvou nebo více dílů kovem
nebo slitinou o tavicí teplotě zřetelně nižší než mají pájené materiály.
Pevnost pájky bývá obvykle také nižší, při vhodném konstrukčním uspořádání
spoje a při správném provedení může být jeho pevnost srovnatelná se základním
materiálem. Pájet lze bez problémů materiály odlišného složení, nebezpečí
deformací je malé a postup lze automatizovat.
Pájky
Od pájky se vyžaduje, aby měla vhodnou tavicí teplotu, dobře smáčela
očištěný kovový povrch a nevytvářela se základním materiálem křehké
sloučeniny. Většina pájek jsou slitiny dvou a více kovů, výjimečně jsou to
čisté kovy, např. měď a cín. Podle tavicí teploty se dělí do dvou skupin:

měkké pájky mají tavicí teplotu nižší než 450 °C a současně i nižší
pevnost.Jsou to většinou slitiny Pb-Sn, méně často obsahují Zn, Cd, Bi, Ag
a další. Hlavní oblastí použití je elektrotechnika a výroba spotřebního
zboží;

tvrdé pájky mají tavicí teplotu vyšší než 450 °c a jsou pevnější než pájky
měkké. Nejpoužívanější ve strojírenské výrobě je pájka měděná, která má
malou viskozitu a dobře proniká i do velmi úzkých mezer. Tavicí teplotu má
1083 °C a je vhodná pro tzv. kapilární pájení ocelových součástek. Mosazné
pájky (Cu-Zn) mají nižší tavicí teplotu a vyšší viskozitu; jsou vhodné pro
pájení mědi i ocelí. Ještě nižší tavicí teplotu mají tzv. stříbrné pájky,
které obsahují 15 až 45% Ag a zbytek bývá Cu, Zn nebo Cd. Jsou velmi
kvalitní, širšímu použití však brání vysoká cena. Pro tvrdé pájení hliníku
a jeho slitin je určena pájka Al-Si 12, kterou lze pájet za teploty asi
580 °C.
Technologie pájení
Podmínkou dobré jakosti spoje je dokonalá čistota pájených ploch, na
kterých nesmí zůstat žádná mastnota ani oxidy. Po mechanickém očištění se
povrch odmastí a podle potřeby ještě čistí chemicky. Aby se zabránilo
dodatečné tvorbě oxidů během ohřevu na pájecí teplotu, pokrývá se povrch
tavidlem, které tyto oxidy nebo jejich zbytky redukuje nebo rozpouští. Při
pájení v peci může tavidlo nahradit redukční atmosféra.
Obr. 4.7: Zajištění polohy pájených dílů a dávkování pájky.
Očištěné díly se před pájením slícují a jejich poloha se musí zajistit
tak, aby se při další manipulaci a ohřevu nemohla změnit. Používá se
nalisování, lemování, pomocný nýt, pomocný svar (obr. 4.7) apod., v sériové
výrobě také vhodný přípravek. Pájka se musí nanášet jen v nezbytně nutném
množství, neboť její cena bývá značná: 1 kg stříbrné pájky stojí více než
8.000,- Kč. Buď se mezi pájené plochy vkládá tenký plíšek nebo přikládá
tvarovaný drát případně nanáší pasta (obr. 4.7). Tím je dílec připraven a
následuje ohřev na pájecí teplotu. Při pájení strojních dílů se v sériové
výrobě používá obvykle ohřev v peci, nejčastěji průběžné s redukční
atmosférou, méně často ohřev indukční. V dílenské praxi a při opravách se
používá ohřev plamenem (tvrdé pájení) nebo pájedlem (měkké pájení). Ohřívat
se může i jinými způsoby, např. ponořením do roztavené pájky (nebo tavidla),
infrazářičem apod. Vlastní ohřev má být rychlý a rovnoměrný, neboť. delší
prodleva na vyšší teplotě obvykle zhoršuje kvalitu spoje.
Pokud se použila velmi účinná, ale agresivní tavidla, je nezbytné
jejich zbytky pečlivě odstranit, protože působí korozivně; odstraňování
zbytků tavidla je pracné a nákladné.
4.7.
ZÁKLADY TEPELNÉHO DĚLENÍ
Řezání kyslíkem (obr. 4.8a)
Souběžně s vývojem zařízení pro svařování plamenem byl objeven princip řezání
kyslíkem. Zjistilo se, že nízkouhlíková ocel předehřátá na teplotu asi 1200 °C, tj.
nižší než tavicí teplotu, se spaluje v proudu kyslíku, který současně vyfukuje ze
vznikající mezery tekuté oxidy železa.
Obr. 4.8: Tepelné dělení
a) řezání kyslíkem
b) drážkování uhlíkovou elektrodou
c) protavování obalenou elektrodou
Původní řezací hořáky měly oddělenou předehřívací hubici, kterou proudila
směs kyslíku s acetylenem a za ní následovala řezací hubice, kterou proudil řezací
kyslík. Tyto hořáky jsou sice velmi spolehlivé, hodí se však jen na přímé řezy.
Pokud se mají kyslíkem řezat z plechu tvarové díly, musí mít předehřívací hubice
otvor ve tvaru mezikruží nebo několika menších otvorů rozmístěných kolem otvoru pro
kyslík (obr. 4.8a).
Řezání kyslíkem je proti řezání pilou nebo jiným metodám mechanického dělení
neobyčejně výkonné. Při strojním vedení řezacího hořáku se dosahuje velmi dobré
jakosti řezné plochy a dobré rozměrové přesnosti. Tvarové díly se řežou na strojích,
kde je pohyb hořáku řízen nejčastěji opticky (světelný paprsek snímá tvar z výkresu),
nověji numericky s řídícím počítačem.
Řezání kyslíkem nelze použít pro nerezavějící oceli ani pro hliník, kde se
dnes uplatňuje hlavně tepelné dělení plazmovým paprskem o nadzvukové výstupní
rychlosti.
Drážkování obloukem (obr. 4.8b)
U důležitých svarů je předepsáno dokonalé provaření kořene. Dosáhne se toho
tak, že se kořenová strana spoje vydrážkuje a znovu zavaří. Původně se drážkovalo
pneumatickým sekáčem, později kyslíkem a dnes většinou obloukem uhlíkovou elektrodou
a stlačeným vzduchem. Obloukem se roztaví kov a tekutý materiál se proudícím
vzduchem odstraní (vyfoukne). Metoda je mimořádně produktivní a začíná se uplatňovat
i při čištění povrchu odlitků apod.
Destrukční řezání (obr. 4.8c)
Pokud je nutno rozřezat nepotřebné (vyřazené) díly na menší kusy, aby
je bylo možno naložit na dopravní prostředek, postačí v krajním případě
řezání obloukem. Tlustě obalená elektroda (nejlépe s kyselým obalem) se
proudově přetíží a řídce tekutý roztavený kov se neudrží v mezeře a
odkapává na zem. Jakost řezu je velmi špatná, postup je však rychlejší než
řezání pilou nebo odvrtávání. Je také možno s výhodou použít dutou
elektrodu (trubičku), kterou se fouká kyslík; výkon je podstatně vyšší.
Pro všechny metody tepelného dělení je typická vysoká produktivita ve
srovnání s mechanickým řezáním, odvrtáváním nebo frézováním. Z těchto
důvodů se stávající metody zdokonalují a nové vyvíjejí. Tepelné dělení může
být prvou operací ve strojírenské výrobě, neboť se takto připravuje
materiál pro další zpracování, může být i poslední operací, když se
vyřazené zařízení takto likviduje do šrotu.
Použití tepelného dělení v praxi
Ve výrobní praxi převládají řezání kyslíkem, řezání plasmovým hořákem
a drážkování obloukem uhlíkovou elektrodou. Uvedené metody se s výhodou
uplatní v těch případech, kdy nelze materiál stříhat na nůžkách, neboť
výkonem převyšují strojní mechanické řezání nejméně desetinásobně. Bývají
nejčastěji zařazeny jako přípravné operace; oddělují se takto z plechů díly
určené k dalšímu tváření, zhotovují tvarové výpalky, které se budou dále
obrábět nebo svařovat; nahrazují frézování nebo hoblování při přípravě
svarových ploch, hlavně úkosů pro V-svary apod. Ve slévárnách oceli se
tepelným dělením odřezávají nálitky, neboť jejich strojní odřezávání by
bylo příliš zdlouhavé.
Drážkování uhlíkovou elektrodou se běžně používá při drážkování kořene
svaru, ale s výhodou také k odstraňování některých povrchových vad odlitků,
hlavně připečeného písku, zadrobenin apod., kde běžné metody čištění
selhávají a broušení je příliš nákladné.
Existují ještě další technologie tepelného dělení, např. pomocí
LASERu nebo svazku elektronů lze materiál obrábět, vrtat apod., nepatří
však prozatím k technologiím běžným; jsou však v některých případech
nenahraditelné. Dají se takto do obtížně obrobitelných materiálů "vyvrtat"
stovky malých otvorů během několika sekund, proříznout úzké drážky apod.,
Příslušná zařízení jsou však velmi složitá a nákladná.
4.8.
TYPY TAVNÝCH SVARU A JEJICH STRUKTURY
Tavné svařování je ve strojírenství a v řadě dalších odvětví
nejrozšířenější metodou spojování, neboť se takto mohou svařovat
tenkostěnné součástky i rozměrné tlustostěnné výrobky, existuje široký
výběr přídavných materiálů a svařovací zařízení jsou běžně dostupná i pro
malé výrobní podniky a dílny. Z tavných svarů se nejčastěji používají svary
tupé a koutové, znázorněné na obr. 4.9.
Správně zhotovený tupý svar (obr. 4.9a) musí mít řádně provařený kořen,
povrch krycí housenky (líc svaru) musí být hladký, mírně převýšený, s
bezvrubým přechodem do základního materiálu. Svarový kov spoje musí být bez
defektů a s odpovídající strukturou. Na obrázku jsou čárkovaně vyznačeny
původní svarové plochy, které se účinkem vneseného tepla roztavily;
vzdálenost mezi nimi a hranicí tavení odpovídá hloubce závaru. Současně s
tavením svarového kovu spoje se ohřívá přiléhající základní materiál a v
teplem ovlivněné oblasti se více nebo méně mění jeho struktura a vlastnosti,
např. hrubne zrno, materiál křehne, sníží se odolnost proti korozi apod.;
někdy je proto nutné svařený díl dodatečně tepelně zpracovat. Dobře provedené
tupé svary jsou příznivě namáhané a mají vlastnosti srovnatelné se základním
materiálem.
Obr. 4.10: Struktury tupých, koutových a přeplátovaných svarů.
Koutovými svary se spojují především díly vzájemně kolmé, například
žebra, pásnice se stojinou apod. Ve tvaru vyznačeném na obr. 4.10b vyžadují
tyto svary minimální přípravu a hojně se používají; méně příznivé jsou však
po stránce rozložení napětí; neprovařený kořen působí jako vrub a snižuje
pevnost spoje, zejména pokud je namáhán proměnným zatížením. Obtížné je také
zhotovit bezvrubý přechod svaru do základního materiálu. Hloubka závaru se u
koutových svarů může značně lišit podle toho, jaká se použila metoda a jaké
parametry svařování; vlivem toho se při stejném vnějším rozměru svaru může
podstatně lišit efektivní nosný průřez svaru.
Z těchto i jiných důvodů se svary často kontrolují metalograficky, tj.
svarový spoj se v příčném směru rozřízne, vybrousí a naleptáním se zviditelní
jeho struktura. Touto technikou se dá nejen zjistit hloubka závaru, ale také
řada dalších detailů, například počet a postup kladení jednotlivých vrstev,
průřez svarových housenek, šířka teplem ovlivněné oblasti, velikost zrna i
přítomnost některých defektů.
Řada dalších strukturních detailu je znázorněna na obr.4.10. V praxi se
používá mnohem více typů tavných svarů, než je znázorněno na obrázku 4.10; při
volbě záleží nejen na tloušťce stěn a rozměrech dílu, ale také na způsobu
namáhání a na řadě dalších okolností. Ve výkresové dokumentaci se jednotlivé
typy svarů běžně označují symboly (viz obr. 4.11), mnohdy je však nutno
detailně zakreslit přesný tvar svarových ploch, hlavně v případech, kdy se
podstatně liší od tvaru doporučeného normou. K těmto odchylkám dochází hlavně
proto, že se technologie svařování v posledních letech prudce rozvíjejí. Pro
tyto nové technologie se hledají tvary spojů optimální z hlediska pevnostního
i ekonomického.
Download

1 ÚVOD