Vibrační metoda uvolňování vnitřních pnutí
Ještě v dobách Bodycote jsem na přednáškách uváděl alternativní metodu pro uvolňování vnitřních pnutí na formy pro tlakové lití. Na první pohled je to metoda neuvěřitelná, protože zcela nahrazuje tepelné procesy, jako je především žíhání na odstranění pnutí. A protože při aplikaci této metody není potřeba formy rozebírat na jednotlivé vložky, odvážet je to do kalírny a zpátky, opět formu montovat dohromady, pak kdyby to opravdu fungovalo, nemá to chybu. Časové úspory i s tím spojené náklady jsou pro tlakové slévárny významné. Bohužel, nenašel jsem nikoho, kdo by dané zařízení u nás měl a měl s ním i nějaké zkušenosti. Dnes mi ale přistála v emailu zpráva o tom, že firma Bonal Technologies, jeden z mála světových výrobců zařízení pro vibrační uvolnění pnutí, byla oceněna jako firma roku. Je tedy něco pozitivního na této metodě?
První otázkou je, jak to funguje? Historii to má více než zajímavou.
Již v roce 1943 během druhé světové války byly objeveny výhody s vibracemi. Svařované konstrukce, které byly ze svařovny dopravovány po železnici nebo kamionem, vykazovaly při opracování menší deformace. Jak válka postupovala, Němci zavedli „přepravu po svařování“ velkých přesných součástí. Manažeři závodu a inženýři nevěděli, proč k tomuto jevu došlo, ale domnívali se, že je to důsledek pohybů v obrobku. Začali experimentovat a vyvinuli metody, jak generovat pohyby více kontrolovaným způsobem [3].
Technologie vibračního efektu je založena na využití nízkofrekvenčních vibrací generovaných speciálním zařízením – elektrickým vibrátorem, a vyznačuje se naprostou ekologickou čistotou, nízkými náklady na energii a vysokou účinností [2].
Atomová struktura v obrobku, která je ovlivněna zbytkovým napětím, nepociťuje žádný rozdíl v energii indukované teplem nebo energii indukované vibracemi. Dodaná energie přeskupuje krystalovou strukturu, tj. atomy mění jejich polohu. Zbytková napětí jsou tak redukována bez jakýchkoliv deformací [1].
V nízkofrekvenčních vibračních systémech je nejracionálnější použít excentrický aktuátor. Tento typ aktuátoru je schopen vytvářet vibrace s velkou amplitudou při nízkých frekvencích. Nízkofrekvenční stroje mají také menší dynamické zatížení aktuátoru, což umožňuje práci s určitým odladěním od vlastní frekvence vibračního systému, což poskytuje větší stabilitu. Při použití motorů s proměnnými otáčkami, jako jsou stejnosměrné motory nebo třífázové komutátorové motory, lze získat akční člen s širokým rozsahem řízení frekvence. Pomocí rotačních excentrů je také možné nastavit amplitudu vibrací [1].
Tedy i když to primárně bylo vyvinuto pro uvolnění napětí velkých svařenců, mělo by to fungovat i formy pro tlakové lití.
Pokud je obrobek dostatečně velký, může být vibrátor připevněn přímo na něj. Obrobek musí být od podlahy izolován pryžovými podložkami, které zabraňují šíření vibrací do okolí. Dalším způsobem je připevnění vibrátoru ke stolu, kde je připevněn obrobek. Stůl je také izolován pryžovými podložkami, což umožňuje uvolnění napětí pro mnoho obrobků současně. Malé části nelze bez stolu relaxovat, protože harmonická frekvence je mimo rozsah vibrátoru. Frekvence vibrací závisí na materiálu, velikosti a tvaru obrobku. Obvykle se frekvence vibrací pohybuje v rozmezí 0-100Hz. Doba ošetření vibracemi je často kratší než 30 minut [3].
A jaké jsou výhody:
- Až o 95 % menší deformace při obrábění
- Až o 98 % menší deformace v průběhu času
- Nižší náchylnost k praskání
- Možnost detekovat stav kdy je napětí uvolněno
- Je možno relaxovat kompletní montážní celky, tedy i formy
- Není nutno brát ohledy na předchozí sekvenci popouštěcích teplot
- Významná úspora času, proces uvolnění napětí vibracemi trvá do 1 hodiny, tepelný proces minimálně 6 hodin [2]
Tolik tedy teorie. Bohužel, praktické ověření tlakové slévárny teprve čeká. Protože ale právě tlakové slévárny tento problém musí řešit opakovaným, periodickým relaxačním žíháním na pnutí z tepelné únavy, v případě úspěšné aplikace této metody budou největší přínosy právě zde.
Pokud se týká výsledků působení vibrací na změnu napjatosti v materiálu, vibrační metoda tuto změnu ukazuje na rozdílu mezi snímaný křivkami na začátku a na konci procesu relaxace. Výsledný efekt lze ale ověřit i rentgenograficky, na základě měření posunu difrakčních čar, např. dle ASTM E2860-12 [4].
Firma Bonal Technologie dodává zařízení pod názvem Meta-Lax.
A ceny? Od USD 20k do 30k.
Kontaktní osoba:
Daniel Kazmierski, DKaz@bonal.com
[1] Study on the Effect of Vibratory Stress Relief on the Quality of Gravity Die Casting – Theory and Justifications, Nazal Sallem, Zarqa University, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 473
[2] Conditioning of Metals, A. George Hebel III, Bonal Technologies, Royal Oak, Mich, 2004
[3] Alternative Method for Heat Treat Relief, Stefan Linqvist, Jonas Holmgren, Lulea University of Technology, 2007
[4] ASTM E2860-12, Standard Test Method for Residual Stress Measurement by X-Ray Diffraction for Bearing SteelsMTI Article 9 2022
7. října 2022
Jiří Stanislav
