Proč nám praskají tvarové díly při kalení?
Již někdy před více jak 20ti lety jsem se pokoušel nalézt nějaký příklad z praxe, který bych mohl ukázat zákazníkovi, a který by mohl přesně specifikovat, proč jím vyrobené tvarové díly při kalení praskají. A tak jsem si nechal vypracovat model kalení desky z legované oceli se střední hodnotou tepelné vodivosti 20 W/mK, o rozměru 600×400, kalené z austenitizační teploty 1050 C a ochlazované na teplotu 20 C. Simulovaná doba ochlazování byla 8000 s. Simulace byla provedena v programu Deform. Byly řešeny dva případy. První s vrubem ve středu spodní části desky a s rádiusem R0, druhý pak se stejným tvarem, ale s rádiusem R10. Cílem simulace bylo názorně ukázat 1) kde se nachází maximum tahových napětí a 2) jaký je vliv velikosti rádiusu na napětí.
Obr. č. 1 – Výpočetní síť pro rádius R0
Obr. č. 2 – Výpočetní síť pro rádius R10
Obr. č. 3 – Rozložení namáhání desky tah/tlak při ochlazování z kalící teploty
Obr. č. 4 – Praktický příklad, ukazující na shodu modelu na reálném díle z materiálu 1.2379
Z hlediska výsledku ale považuji za důležitější to, že model ukazuje zcela jasně, že kritickými místy pro kalení je obvod desky. V jejím středu, kam konstruktér umisťuje tvar dílu, a který pak bude výsledkem procesu vstřikování nebo tváření, jsou namáhání tlaková. Ta z hlediska kalení nejsou nebezpečná. Právě ale na tento střed tvarového dílu se konstruktér soustřeďuje, protože chce, aby jeho výrobek byl přesně takový, jaké bylo zadání. To se ale mnohdy nestačí. Právě obvod desky nebo tělesa je zdrojem nebezpečí a kritických trhlin, a je pouze na konstruktérovi, jak se s tím vypořádá.
Obr. č. 5 – Příklad vzniku trhliny z chybného uložení vtokové vložky
Obr. č. 6 – Příklad vzniku trhliny z upínací drážky nakreslené a vyrobené bez rádiusu
A jaký je vliv rádiusu? Na obrázku č. 7 je tahové namáhání v místě vrubu pro rádius R0, na obr.č.8 pak pro rádius R10. Ze zhruba 1150 MPa tahové napětí klesá na 780 MPa, tedy o pouhých 23%.
Obr. č. 7 – Tahové napětí ve směru y pro rádius R0
Obr. č. 8 – Tahové napětí ve směru y pro rádius R10
Platí tedy základní pravidlo. Aby nám díly nepraskaly, musíme vyloučit všechny vruby na obvodu desky nebo tělesa, a současně musíme uplatnit maximální možný rádius. To platí především pro vložky na tlakové lití podle Nadca 207, kde musíme ochlazovat minimálně 28 C/min, bez ohledu na napětí a deformace, protože potřebujeme docílit správnou vnitřní strukturu materiálu. Je pak jen na konstruktérovi, jak tato rizika ošetří. Řešením je i dvoupostupový výkres, jeden pro přípravu vložky na kalení a druhý pak pro finální tvar.
Samozřejmě, nesmíme zapomenout na jakost materiál, ale to už je jiná kapitola.
2. června 2021
Jiří Stanislav
