Przemysł motoryzacyjny - automatyzacja i robotyzacja

CZĘŚĆ 1: ZAUTOMATYZOWANE TŁOCZENIE BLACH

Produkcja samochodów jest procesem wieloetapowym. Rozpoczyna się od uformowania z metalu elementów karoserii. Części takie, jak drzwi, błotniki, dach i pokrywy: silnika i bagażnika, są ważnymi elementami pojazdu, które mają wpływ na jego wygląd, wagę oraz bezpieczeństwo pasażerów. Wykonuje się je w procesie tłoczenia - jest to najpopularniejsza technika produkcji części w przemyśle motoryzacyjnym.

TECHNOLOGIA TŁOCZENIA

Rys. 1. Główne części prasy to suwak i matryca

Do zalet tłoczenia, w porównaniu z innymi metodami produkcji, zalicza się: dużą wydajność, mały koszt i możliwość uzyskania kształtów o różnym stopniu skomplikowania, od prostych po złożone.

Tłoczenie to metoda obróbki plastycznej, w której na materiał (metal, niemetal) wywierany jest nacisk tak silny, że powoduje on jego nieodwracalne odkształcenie się, nie niszcząc go przy tym. Realizuje się to za pomocą pary elementów tworzących prasę: ruchomego suwaka (stempla), który dociska materiał do nieruchomej matrycy.

Tłoczenie umożliwia łączenie materiałów, ich cięcie oraz nadawanie im określonych kształtów. Uzyskuje się to m.in. przez: ich zaginanie, skręcanie, zaprasowywanie, zawijanie ich brzegów, dziurkowanie, wybijanie, przetłaczanie, zgniatanie albo wyciskanie.

Na rysunku 1 przedstawiono przykład zestawu suwak - matryca prasy, która służy do wybijania. Jak widać, przekrój otworu w matrycy w początkowym odcinku biegnie prosto, natomiast dalej się rozszerza.

Taka konstrukcja zapobiega blokowaniu się w matrycy wybijanych elementów, co groziłoby awarią prasy. Prosty odcinek powinien mieć długość 3 mm w przypadku blach o grubości poniżej tej wartości. Dla pozostałych najlepiej, jeżeli jest on równy grubości pojedynczego arkusza.

KLASYFIKACJA PRAS

Wyróżnić można trzy typy pras wykorzystywanych do tłoczenia metalowych części: mechaniczne, hydrauliczne i serwomechaniczne. W przypadku pierwszych stempel jest wprawiany w ruch przez silnik za pośrednictwem sprzęgła oraz koła zamachowego.

W prasach hydraulicznych energia do elementu wykonawczego jest przekazywana przez czynnik hydrauliczny. Z kolei w urządzeniach trzeciego typu serwomechanizm zastępuje najważniejsze podzespoły pras mechanicznych (silnik, koło zamachowe, sprzęgło, hamulec).

Prasy mechaniczne na tle pozostałych wyróżnia największa szybkość działania, szczególnie jeżeli nie jest wymagane wykonanie zbyt głębokich wgłębień, jak w przypadku elementów tłoczonych z metalowych taśm, które są rozwijane ze szpuli.

Do tej grupy zalicza się m.in. części karoserii i obudów urządzeń gospodarstwa domowego. Inne ważne zalety pras mechanicznych to: duża dokładność i powtarzalność, stosunkowo niski koszt początkowy, łatwość uruchomienia oraz obsługi.

JAKA PRASA BĘDZIE NAJLEPSZA?

Prasy hydrauliczne nie działają tak szybko, jak prasy mechaniczne. Warto się jednak zdecydować na ten typ maszyn w przypadku, gdy wymagane jest wykonanie głębokich wgłębień, o złożonych kształtach, na przykład zaokrąglonych na dnie.

Dlatego w prasach hydraulicznych przeważnie wytłaczane są m.in. zbiorniki i cylindry. Generalnie jednak ten rodzaj maszyn pod względem dokładności oraz powtarzalności ustępuje zarówno prasom mechanicznym, jak i serwomechanicznym.

Jeżeli chodzi o te ostatnie, to zasadniczo, w porównaniu z prasami mechanicznymi, zapewniają lepszą jakość obróbki, większą wydajność pracy i dłuższą żywotność elementu wykonawczego. Cechuje je również większa precyzja, możliwość głębszego tłoczenia oraz większa elastyczność, pozwalająca na dopasowanie cyklu pracy do konkretnego zastosowania. Są jednak droższe.

Ważnym elementem wszystkich typów pras jest wyposażenie dodatkowe. Przykładem są czujniki.

Projektowanie tłoczonych części

W zakresie projektowania przestrzega się wielu zasad, w tym m.in. tych opisanych poniżej.

Jeżeli chodzi o grubość ścianek, najlepiej, jeśli jest taka sama na całej powierzchni elementu. Warunek ten łatwo spełnić, gdy części tłoczne są wykonywane z pojedynczego arkusza blachy. Zagięcia w tej samej płaszczyźnie powinny być skierowane w tę samą stronę. Nie trzeba wtedy obracać arkusza, aby je wykonać. Oszczędza to czas i koszty. Aby uniknąć złamania się wyrobu, jego wewnętrzne zagięcia muszą mieć promień co najmniej równy grubości arkusza.
Zewnętrzna średnica zrolowanego brzegu blachy powinna być dwukrotnie większa niż jej grubość. Otwory od zrolowanego brzegu musi dzielić odległość większa od sumy średnicy zawinięcia i grubości blachy. Nawierty powinny znajdować się w odległości równej: od siebie - co najmniej ośmiokrotności grubości arkusza, od krawędzi blachy - jej czterokrotności, zaś od zagięć - jej trzykrotności. Ich maksymalna głębokość musi być przynajmniej 3,5 razy większa niż grubość blachy.
Jeżeli otwory umieścimy zbyt blisko zagięć blachy albo jej krawędzi, to mogą ulec deformacji. Minimalna ich odległość od zagięć powinna w związku z tym być 2,5 razy większa niż suma grubości materiału i średnicy zagięcia. Od krawędzi powinna je natomiast dzielić odległość co najmniej dwukrotnie większa od grubości blachy. Jej sześciokrotną wielokrotność musi mieć dystans między otworami. Jeżeli z kolei chodzi o ich średnicę, to powinna być co najmniej tak duża, jak grubość materiału.

WYPOSAŻENIE DODATKOWE PRAS - CZUJNIKI

Jedną z częstszych przyczyn przestojów pras i różnej jakości tłoczonych wyrobów jest uszkodzenie matrycy, o co nietrudno z powodu szybkości, z jaką stempel w nią uderza. Typowo wynosi ona od kilkudziesięciu uderzeń na minutę w produkcji części karoserii samochodów, do ponad tysiąca uderzeń na minutę w przypadku mniejszych elementów. Aby matryca się nie zniszczyła podczas tłoczenia, części prasy ani arkusz metalu nie powinny się przesuwać względem ustalonej pozycji.

Dlatego prasę wyposażą się w różnego typu czujniki oraz enkodery. Potrzebny jest także sterownik, który właściwie zinterpretuje sygnały z tych sensorów i wygeneruje odpowiednie sygnały sterujące.

W pierwszej kolejności trzeba zdecydować, jaki typ czujników i gdzie należy zamontować. Sensory mogą być m.in. używane do sprawdzania, czy prasa została załadowana, czy usunięto z niej gotowy wyrób, a krzywki znajdują się we właściwej pozycji. Najczęściej instaluje się czujniki kontaktowe i bezkontaktowe, na przykład indukcyjne zbliżeniowe i fotoelektryczne. Pierwsze są tanie, ale mają krótszą żywotność niż drugie, które są z kolei droższe.

PODAWANIE I SMAROWANIE

Na szybkość i wydajność procesu tłoczenia ma też wpływ sposób, w jaki do prasy doprowadzany jest materiał poddawany obróbce. W przypadku części karoserii wytłaczanych z arkuszy blach o bardzo dużych rozmiarach przez prasy o nacisku kilkuset ton i większym, płaty te są przeważnie przenoszone, a następnie układane na matrycy ręcznie, nawet przez kilka osób obsługujących maszynę.

Części o mniejszych gabarytach wytłacza się z kolei z arkuszy blach pobieranych samoczynnie przez prasę albo metalowych taśm, które rozwijane są ze szpul i doprowadzane do maszyny za pośrednictwem podajnika. W drugim przypadku taśma po odwinięciu jest przeciskana między rolkami. Ma to na celu spłaszczenie zafalowań powstałych podczas jej nawijania na szpulę.

Opór, jaki stawia metalowy arkusz naciskowi wywieranemu przez suwak prasy, powoduje tarcie. Aby je zmniejszyć, konieczne jest użycie smaru. Dzięki niemu żywotność suwaka jest dłuższa, a jakość wyrobu lepsza. W tym celu stosuje się środki różnego rodzaju, od lekkich olei mineralnych, po związki o dużej lepkości, na bazie oleju, rozpuszczalne w wodzie lub syntetyczne. Nanosi się je ręcznie albo prasa smaruje blachy samoczynnie.

Na koniec tej części warto dodać, że odpowiednio dobrany sprzęt i jego właściwa eksploatacja to tylko połowa sukcesu. Czy wytłoczone części będą wytrzymałe, spełnią swoje zadanie, zaś ich produkcja będzie opłacalna, czasowo i kosztowo, zależy także od ich projektu. Temat ten opisujemy w ramce.