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. 2.7: Příklady zvláštních postupů formování na model.

2.5.2. 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.

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

a) Rovinné šablonování (obr. 2.8a-c)

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 - tmavočervená

800°C - třešňová

850 °C - světle červená

950°C - žlutočervená

1100 °C - žlutá

1200 °C - 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 materiál 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

Holý drát nebo plněná

trubička

zrnité tavidlo APT - automatické, pod tavidlem

ochranný plyn:

- inertní (Ar/

MIG - (metal-inert-gas/

- aktivní (Ar + O2/ MAG - (metal-aktiv-gas/

- co2 C02 - svařování v CO2

Wolframová netavící

se

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 CaC2 působením vody (po

uvolnění acetylenu zbývá vápenný kal) nebo vysokoteplotním krakováním

zemního plynu. Pro svařování je acetylen výhodný tím, že kyslíko-

acetylenový 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 H2, 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 C02 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.