Zvyšování životnosti lisovacích nástrojů

Pro realizaci této zakázky jsou přímo využity výsledky spojené s prototypem lisovacího nástroje, jenž vznikl v rámci projektu TAČR TA02011367 „Výzkum zvyšování životnosti materiálů nástrojů pro lisování žáruvzdorných, vysoce abrazivních materiálů“. Na projektu se jako hlavní účastník podílela společnost P-D Refractories CZ a jako výzkumný partner Fakulta strojní ČVUT, která do řešení projektu aktivně zapojila i studenty doktorského a magisterského studia.
Výsledkem celého projektu je prototyp lisovacího nástroje, který je složen ze dvou samostatných prototypů tvořících jeden celek. Prvním prototypem je optimální konstrukční uspořádání nového typu lisovací formy a druhým je optimální materiálové složení lisovací formy a ochranného povlaku. Jeden výsledek bez druhého je pro aplikaci lisovacích nástrojů nevyužitelný.
Díky systematickému a komplexnímu řešení dílčích úkolů bylo vyvinuto takové materiálové a konstrukční uspořádání lisovacího nástroje opatřeného odolnou vrstvou, které zajišťuje životnost 250 000 odlisovaných tvarovek. Lze tedy konstatovat, že životnost takto navrženého lisovacího nástroje se oproti běžnému lisovacímu nástroji zvýšila více než padesátinásobně. Tento výsledek projektu byl téměř okamžitě zaveden do výroby lisovacích nástrojů. Hlavním přínosem bylo pro společnost výrazné snížení výroby neshodných dílů až na hranici 1 % (dříve cca 10 %), možnost lisovat větší série tvarovek, snížení počtu vynucených odstávek lisu a možnost zachovat si vlastní know-how.

JAK VŠE ZAČALO...
Tým Ústavu technologie obrábění, projektování a metrologie Fakulty strojní ČVUT se řešením tohoto projektu zabýval v letech 2012 až 2014. Vývoj konstrukce inovovaného lisovacího nástroje a vývoj nového povrchového zpracování dílů lisovacího nástroje náročného na opotřebení při lisování žárovzdorných materiálů byl ve společnosti P-D Refractories CZ vývojovým úkolem s nejvyšší prioritou. Problematika životnosti lisovacích nástrojů hraje nejen pro společnost P-D Refractories CZ, ale i pro všechny světové výrobce působící na trhu s lisovanými žáromateriály klíčovou roli v uchování a zvyšování kvality a konkurenceschopnosti jejich výrobků. Výrobci těchto materiálů jsou za současné situace na světových trzích nuceni hledat úspory zejména z důvodů značné konkurence ze zemí s nižšími náklady na práci. Jednou z cest k udržení konkurenceschopnosti je zavádění inovací do výroby, které snižují její energetickou náročnost, omezují opravy a odstávky výrobních zařízení a ve svém efektu vedou ke snížení výrobních nákladů za současného zvýšení kvality výrobků. Problematika řešená v projektu představuje pro P-D Refractories CZ, a. s,. klíčovou oblast výroby se značnými možnostmi úspor. Díky přístupu firmy ke světovým trhům a schopnosti jej efektivně využít dochází ke značnému zlepšení exportních schopností podniku (firma exportuje cca 70 procent své výroby). Hlavním cílem výzkumu a vývoje nového typu forem používaných ve výrobě žárovzdorných a vysoce abrazivních kamenů bylo zvýšení abrazivní odolnosti forem vedoucí k až řádově vyšší životnosti. Projekt spočíval ve vývoji konstrukce formy a vývoji nového povrchového zpracování dílů formy náročných na opotřebení při lisování žárovzdorných materiálů.
Před začátkem realizace společného projektu se ve společnosti P-D Refractories CZ pro výrobu lisovacích nástrojů používaly vysokolegované nástrojové oceli odolné proti opotřebení, kalené ve vakuu. Kvůli relativně nízké životnosti dílců vyrobených z těchto materiálů na úrovni 5 000 odlisovaných tvarovek bylo nutné provádět renovaci velmi často. Hlavním problémem je opotřebení činné plochy lisovacích nástrojů, které je dané kombinací používaných abrazivních materiálů na bázi korundu a křemíku spolu s vysokými lisovacími tlaky u hranice 100 MPa. Toto opotřebení má velký vliv na rozměrovou a povrchovou kvalitu lisovaných výrobků. Při opotřebení funkční plochy až na přípustnou mez je nutná oprava nástroje, která vyžaduje nutnou renovaci nebo výrobu nového dílu, což je ekonomicky velice nákladné.

METODIKA TESTOVÁNÍ
Hlavními požadavky, které byly kladeny na ČVUT při vývoji nového zařízení, byla zejména možnost simulovat extrémní podmínky lisování při zachování ekonomické efektivity provozních zkoušek. Konstrukční řešení experimentálního zařízení bylo navrženo dle požadavků skutečného lisování žárovzdorných materiálů na hydraulických lisech společnosti P-D Refractories CZ, kde běžně lisování probíhá se jmenovitou silou 1 000 tun a lisovacím tlakem až 100 MPa ve vertikální poloze. Ve spolupráci s ČVUT bylo vyvinuto experimentální zařízení, které disponuje jmenovitým tlakem 100 MPa. Konstrukční řešení umožňuje rychlé a efektivní zkoušky odolnosti materiálů, kde v experimentálním zařízení je použit zmenšený
model lisovacího nástroje, opatřený funkční vrstvou. Jako abrazívum je používána běžná směs pro lisování vzdorných materiálů na bázi Al2O3 a SiO2. Celé experimentální zařízení je předmětem patentové ochrany ČVUT.

VYBRÁNA TVAROVĚ SLOŽITÁ CIHLA URČENÁ PRO OHŘÍVAČE VĚTRŮ
Souběžně s vývojem vlastní metody testování životnosti materiálů probíhal výzkum a vývoj funkčních vrstev, kde byla klíčovým sledovaným parametrem odolnost proti opotřebení na funkčních dílech experimentálního lisovacího zařízení. Při řešení tohoto projektu spolupracovalo s ČVUT více než padesát českých a zahraničních dodavatelských firem z oblasti práškové metalurgie, navařování odolných vrstev, tenkých CVD/PVD vrstev, žárových nástřiků, ale i speciálních chemicko-tepelných úprav povrchu ocelí. Do současné doby bylo podrobeno abrazivním testům více jak 150 různých materiálů s předpokladem vysoké odolnosti. Na základě zkušeností specialistů z ČVUT a možností aplikací odolných povrchů byla jako vhodný představitel vybrána tvarově složitá cihla určená pro ohřívače větrů. Na výsledném konstrukčním řešení formy se podílela řada konstruktérů jak ze strany společnosti P-D Refractories CZ, tak ze strany ČVUT v Praze.

TEXT JIŘÍ KYNCL, LIBOR BERÁNEK, ZDENĚK PITRMUC FOTO ARCHIV PRACOVIŠTĚ