Hlboké ťahanie

O ťahaní ako objemovom tvárnení pozri objemové ťahanie.

Hlboké ťahanie (podľa normy len ťahanie) je technologický proces plošného tvárnenia pri ktorom je z rovinného materiálu (napr. plechu) vytvorený trojrozmerný výrobok – duté teleso.

Voľné ťahanie, ťažnica so skosenou hranou

Nástrojom na hlboké ťahanie je ťahadlo, ktorého hlavné časti sú ťažník a ťažnica. Strojom pre hlboké ťahanie je lis. Výrobkom ťahania je výťažok (starší názov výlisok). Materiálom pre hlboké ťahanie je hlbokoťažný plech (oceľ, hliník, meď), alebo špeciálne plasty.

Operácie ťahania

• Obyčajné ťahanie

Voľné ťahanie (plytké / hlboké)

Ťahanie s pridržaním

je tvárnenie rovinného polotovaru (prístrihu) do priestorovej štruktúry bez zmeny hrúbky steny, bez pridržiavania materiálu pridržiavačom.

Ťahanie s pridržaním

Ťahanie s pridržaním

Pridržiavač zabezpečuje rovnomerné napnutie polotovaru a zabraňuje vzniku vlnenia na okraji polotovaru.

• Ťahanie so stenčením steny

Ťahanie so stenčením steny

Hrúbka steny je väčšinou (s toleranciou) konštantná. Je však možné i ťahanie so stenčením steny. Je náročnejšie na výpočet, aj na technické pomery ťahania. Dajú sa takto vytvoriť aj veľmi tenkostenné nádoby (napr. tuba na zubnú pastu).

• Spätné ťahanie

Spätné ťahanie

Polotovar sa vytiahne jedným smerom, obráti sa a ťahá sa opačne. Zahnutá štruktúra pôsobí ako pridržiavač. Používa sa, ak v druhom kroku potrebujeme ťahať hlboko.

• Žliabkovanie

Žliabkovanie

je vytláčanie plytkých reliéfov do výlisku s cieľom spevniť a zvýšiť jeho tuhosť.

• Rozširovanie

Rozširovanie

je proces, pri ktorom sa výlisok získaný ťahaním na konci rozšíri.

• Zužovanie

Zužovanie

je proces, pri ktorom sa výlisok získaný ťahaním na rozšírenom konci zúži.

Technológia

Polotovar na ťahanie valcovej nádoby

Ťahaním plechu vzniká výlisok v nerozvinutom tvare. Základným polotovarom je platňa plechu, alebo (pre drobné súčiastky) plechový pás, ktorý je možné automaticky podávať do lisu. Ťažník je tlakom lisu zatláčaný do ťažnice. Medzi nimi sa nachádza materiál, ktorý postupne na seba preberá tvar ťažníka a spolu s ním je vťahovaný do ťažnice. Tým vznikne priestorový útvar. Materiál postupuje cez ťažnú hranu, ktorá je najviac namáhanou časťou ťažnice. Materiál musí byť zvolený tak, aby nedošlo k jeho pretrhnutiu, ani ku vzniku prasklín a nerovnomerných stenčení. Je nutné tiež počítať s trením a zmenami pevnostných charakteristík materiálu vplyvom pretvárnenia.

Pri ťahaní sa z plechového výstrižku hrúbky n priemeru d1 vytvorí priestorový objekt priemeru d2 s výškou h. Ak predpokladáme, že nedochádza ku zmene objemu materiálu, ale len ku jeho preskupeniu do nového tvaru, bude výška h väčšia ako šírka medzikružia d1 – d2.

Pri hlbokom ťahaní dochádza nielen ku ťahovému namáhaniu výlisku, ale aj k tlakovému. Vonkajší okraj výstrižku sa stáva vonkajším okrajom výlisku. Dno je namáhané len veľmi málo. Driek výlisku je namáhaný hlavne na ťah. Na ohybe hrany ťažnice je materiál namáhaný na ťah, ohyb aj tlak, k čomu sa pridáva aj namáhanie trením. Ak sa nepoužije pridržiavač, horný okraj výlisku nie je namáhaný na tlak (od pridržiavača), ale ťažné sily spôsobia dvíhanie materiálu a vznik vĺn. Najväčšie sily vznikajú na hrane dna výlisku. Pri prílišnom tlaku, alebo nevhodnom materiáli sa ako prvé odtrhne dno výlisku na zlomovej hrane.

Mastenie

Pre zníženie trenia sa musí použivať mastenie ťažnice. Ako mastivá sa používajú suché (práškové), alebo emulzné mastivá. (fosfátové, draselné, vápenaté, bórax, mydlo atď.). Mastivá sú väčšinou bezvodé (max. 2,5% vody) a nesmú byť hygroskopické. Aby mastivo mohlo plniť svoju funkciu musí byť vtiahnuté do ťažnice v dostatočnom množstve ideálne v súvislej vrstve. Vhodné mazivo ovplyvňuje celý proces ťahania a povrchové vlastnosti výlisku. Na mastivá sú mimo základnej funkcie (mastenie) kladené aj ďalšie nároky (ekonomické, ekologické, zdravotné hľadiská a pod.). Dôležité je, aj to, aby sa dalo mastivo jednoducho odstrániť, resp. aby ho nebolo nutné odstraňovať vôbec napr. aby nevadilo pri ďalšom spracovaní materiálu.

Podobne je potrebné mastiť aj pridržiavač. Mastí sa hlavne ťažnica. U ťažníka sa využíva jeho drsnosť na lepšie vtiahnutie materiálu do ťažnice, preto sa mastí len ojedinele.

Vznik vĺn

Pri ťahaní sa presúva značný objem materiálu. Vonkajší obvod výlisku je rádovo menší, ako vonkajší priemer polotovaru. Keď materiál nie je pridržiavaný, má tendenciu sa dvíhať a vplyvom meniaceho sa priemeru a stúpajúceho tlaku má tendencie vytvárať vlny. Pri malej deformácii sa vlny zrovnajú o hranu ťažnice, pri väčších deformáciách sa tento jav musí kompenzovať pridržiavačom. Pri veľmi veľkom pretvárnení musí aj pridržiavať vytvárať značný tlak, aby sa vlny netvorili. Vlny môžu spôsobiť nerovnomernosť okraja výlisku.

Ťahanie ostrohrannej krabice

Ťahanie ostrohranných výliskov

Ostrohranné výlisky (krabice) sa ťahajú len plytko. Ostrý roh spôsobuje zvýšenú koncentráciu napätia. preto je toto miesto najslabšie. Pri ťahaní ostrohranného výlisku dochádza ku maximálnemu pretvoreniu práve v rohoch. Ak by sme ťahali krabicu z pravouhlého polotovaru, dostali by sme výlisok s vysokými vytiahnutými rohmi. Preto sa polotovar vyrába s oblo skosenými rohmi, ktoré vytvoria pravouhlý výlisok.

Ťahanie so zvláštnym postupom

• Ťahanie so stenčením steny. Pri ňom dochádza aj k stenčovaniu steny výlisku. Používa sa ako jeden z posledných krokov. Ťahá sa na požadovanú hrúbku steny.
• Spätné ťahanie sa používa pre zvláštny tvar výliskov, alebo ak nemôžeme (nechceme) používať pridržiavač. Opačne zahnutý lem pridržiava výlisok a eliminuje vlnenie polotovaru pri ťahaní. Pri takomto pridržiavaní je možné dosiahnuť vyššie ťahacie sily. Opačný prelis sa v poslednom kroku odstrihne.
• Ťahanie stupňovitých výliskov sa vykonáva niekoľkými krokmi, pričom sa používa aj zužovanie a rozťahovanie.

• Ťahanie kónických výliskov sa realizuje ak užšia strana je dnom výlisku. Musí sa ťahať postupne – stupňovito, a až ako posledný krok sa stupne vyrovnajú vhodnou ťažnicou a ťažnńikom. Podobne je možné ťahať aj guľovité tvary.
• Ťahanie s ohrevom sa používa pre plasty a zliatiny v studenom stave ťažko tvárniteľné (Al, Ti, Mg zliatiny)

Nástroje pre ťahanie

Nástroje pre ťahanie sa nazývajú ťahadlá.

Ťažnica

Ťažnica je základnou časťou ťahacieho nástroja. Obvykle je pevná, spojená so spodnou (pevnou) časťou ťahacieho lisu. Od jej parametrov závisí kvalita povrchu výlisku. Ťažnicu charakterizuje:

• tvar pracovnej plochy
• tvar tvárniacej hrany (zaoblenie)
• drsnosť (čo najhladšie, materiál sa kĺže po povrchu)
• upevnenie k lisu
• spôsob vyberania výlisku
• jednoťahová, viacťahová, poradie ťahu
• tvar a členitosť povrchu
• odolnosť voči oderu

Ťažník

Ťažník je nástroj, ktorý vykonáva prácu. Je spojený s pohyblivou časťou lisu. Postupne vtláča materiál do ťažnice.

• tvar tvárniaceho čela
• zaoblenia hrán
• drsnosť povrch (vhodne zvolená drsnosť umožní lepšie unášanie materiálu)
• odvzdušňovanie (aby sa vo výlisku nehromadil stlačený vzduch)
• tvar, členitosť
• jednoťahový, viacťahový, poradie ťahu
• odolnosť voči oderu

Pridržiavač

Pridržiavač nemusí byť súčasťou každého ťahadla. Ak je prítomný, má za úlohu pridržať materiál pri ťahaní, umožňuje rovnomerné vtiahnutie materiálu do ťažnice, zabraňuje vzniku vlnenia elimináciou tangenciálnych tlakov na okraji polotovaru, ak ide o ťahanie so stenčením steny, musí polotovar pevne pridržať na mieste, aby nebol vťahovaný do ťažnice. Tento typ pridržiavača nemá hladký tvar, ale pridržiavacie lišty a žliabky. Potrebu pridržiavača určuje materiálová konštanta a zložitosť (hĺbka) výlisku.

Rozdelenie ťahadiel

Základné rozdelene ťahadiel je rovnaké ako pre ostatné tvárniace nástroje:

• jednoduché - na jeden zdvih sa vykoná jedna operácia
• postupové - na jeden zdvih vykoná jeden nástroj viac pracovných úkonov za sebou
• zlúčené - na jeden zdvih sa vykoná viacero operácií ťahania
• združené - na jeden zdvih sa vykoná ťahanie a súčasne aj iná tvárniaca operácia.

Okrem toho sa ťahadlá rozdeľujú podľa počtu pracovných častí na:

• jednočinné - skladajú sa z ťažníka a ťažnice bez pridržiavača a sú určené pre jednočinné lisy
• dvojčinné - skladajú sa z ťažníka, ťažnice a pridržiavača a sú určené pre jednočinné alebo dvojčinné lisy
• trojčinné - skladajú sa z horného a spodného ťažníka, ťažnice a pridržiavača.

Sila a práca

Graf priebehu sily ťahania valcového výlisku

Pre určenie sily sa vychádza z faktu, že dovolené napätie v kritickom priereze musí byť menšie, ako je medza pevnosti materiálu. Inak povedané maximálna sila ťahania musí byť menšia, ako sila ktorá spôsobí odtrhnutie dna výlisku. Priebeh potrebnej ťažnej sily sa v priebehu ťahania mení. Potrebná sila sa počas ťahania mení, z počiatku stúpa po maximum (zhruba do polovice ťahania), potom začne klesať.

Veľkosť ťažnej sily pre rotačný výlisok bez pridržiavača:

F = S . Rp

S =plocha materiálu namáhaného ťahom (S = d.n) [mm2] R_p = medza pevnosti materiálu [MPa] d = priemer ťažníka [mm] n = hrúbka plechu [mm]

Veľkosť ťažnej sily pre rotačný výlisok s pridržiavačom:

F = F_T + F_P = S . n . R_p + S_p . p

F = celková sila F_T = sila ťažníka F_P = sila pridržiavača S = dĺžka obvodu polovýrobku [mm] n = hrúbka plechu [mm] R_p = medza pevnosti materiálu [MPa] S_p = plocha pridržiavača [mm2] p = tlak pridržiavača (0,5 – 3) [MPa]

Veľkosť práce sa potom vypočíta

A = F . h

Rozmery polotovaru

Celkový presun materiálu je značný, preto sa ťahanie na jedenkrát robí len zriedka. Väčšinou sa robí na niekoľko krokov. Prvé kroky sa robia s veľkým priemerom a malou hĺbkou, postupne ďalšími ťahmi sa výlisok zužuje a zároveň predlžuje. Počet ťahov záleží od priemeru a výšky výlisku. Ak sa vyčerpá plasticita, musí sa výlisok pred ďalším krokom vyžíhať.

Pre určenie maximálneho ťahu na jeden krok a počtu krokov sa používa súčiniteľ ťahania (stupeň ťahania) jedného kroku

m = d / D

m = súčiniteľ ťahania d = priemer výlisku [mm] D = priemer polotovaru [mm]

Hodnoty súčiniteľov sú tabuľkové (pre valcovité nádoby a daný materiál). Ak ide o zložitejšie tvary, počíta sa hodnota pre maximálne zakrivenie steny a maximálnu hĺbku. Pre ďalšie ťahy sa počíta podobne. Celkový koeficient výrobku dostaneme, ako súčin jednotlivých čiastkových koeficientov. Vo všeobecnosti je ťahanie závislé na druhu materiálu, predchádzajúcom spevnení, hrúbke steny, tvare hrán, rýchlosti ťahania, tlaku pridržiavača, mastení, tvare výlisku a ťažníka.

Polotovar na ťahanie sa obvykle vyrába s presahom (prídavkom). Veľkosti prídavku sa určujú tabuľkovo a graficky. Prídavok by mal byť čo najmenší. Uprednostňuje sa výlisok s oválnym dnom. Ak musí byť výlisok hranatý, volia sa čo najoblejšie rohy. Materiál musí mať vyhovujúce vlastnosti (hlbokoťažnosť).

Použitie

Ťahanie sa využíva hlavne pre výrobu dutých súčiastok napr. v obalovej technike (tuby na pasty, kovové fľaše – termosky), nádoby (hrnce, poháre), vane, rámy, podvozky karosérií (celá karoséria auta sa vyrába z tvarových dielcov vyrobených hlbokým ťahaním), kryty, nábojnice a pod.

Literatúra

• HLUCHÝ, Miroslav, a kol. Technológia. Bratislava : Alfa, vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry, n.p., 1977. 368 s.
• Hrivnak: Teória tvárnenia a nástroje
• Blascik: Teória tvárnenia
• Kovac: Tvárniace stroje
• Hysek: Tvářcí stroje

Pozri aj

• špeciálne spôsoby ťahania