CZ308308B6

CZ308308B6 - Způsob výroby nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů a nástroj vyrobený tímto způsobem

Info

Publication number: CZ308308B6
Application number: CZ2019-38A
Authority: CZ
Inventors: Soňa Benešová; Antonín Kříž; Miloslav Kesl; Jan Schweitzer
Original assignee: Pilsen Tools S.R.O.; Západočeská Univerzita V Plzni; Zero systems s.r.o.
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-04-29
Also published as: CZ201938A3

Abstract

Nástroj (1) pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů je vyroben z polotovaru (2) z rychlořezné nástrojářské oceli. Tento polotovar (2) se ková volně nebo v zápustce, a to alespoň dvakrát po sobě následujícími cykly reverzního kování při teplotě 850 až 1200 °C s mezioperační prodlevou na teplotě 710 až 750 °C. Při každém cyklu reverzního kování hlavní tok materiálu probíhá postupně v jednotlivých směrech všech tří os ortogonálního souřadnicového systému, a následně hlavní tok materiálu probíhá v opačném směru alespoň v jedné ose ortogonálního souřadnicového systému. Výsledný tvar polotovaru (2) je co do poměru výšky a průřezu stejný nebo se změní nejvýše o 30 % oproti původnímu tvaru polotovaru (2). Konečný tvar polotovaru (2) se upraví kováním v kalibrovaných kovadlech, polotovar (2) se chladí v peci po dobu několika hodin až desítek hodin, a nakonec se obrobí do konečného tvaru nástroje (1). Výsledná materiálová struktura nástroje má hodnotu efektivní deformace ε≥4, stupeň prokování Pk>10, modul pružnosti v tahu mezi 270 až 290 GPa, rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje (1) v rozmezí 5600 až 6200 m/s, a velikost kovových karbidů (3) v materiálové struktuře nástroje (1) do 5 µm.

Description

Způsob výroby nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů a nástroj vyrobený tímto způsobem

Oblast techniky

Vynález se týká strojírenské výroby nástrojů, v tomto případě nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů neboli sonotrody, sloužící k ultrazvukovému svařování a technologie pro získání požadovaných vlastností použitého výrobního materiálu nástroje.

Dosavadní stav techniky

Ultrazvukové svařování je spojovací proces používaný přibližně od 70-tých let minulého století, při kterém dochází např. ke spojování plastů za pomoci mechanických vibrací při frekvencích nad prahem slyšitelnosti. Rozsah vibrací se pohybuje tedy přibližně mezi 20 kHz až 1 GHz (dříve i výrazně nižší). Vibrace jsou často generovány pomocí piezoelektrických měničů elektrické energie nebo i jiných zdrojů měnících elektrickou energii na vibrace. Energie vibrací je následně aplikována na materiál pomocí sonotrody s hrotem, který se často nazývá těsnicí plocha, která je v přímém kontaktu se svařovaným materiálem. Svařovaný materiál prochází pod tlakem mezi sonotrodou a pevným dílcem zvaným mini kovadlinka, přičemž sonotroda vibruje. Vibrace způsobují tření a přeměnu vibrační energie na třecí. To způsobuje ohřev materiálu a jeho plastifikaci na bázi molekulárního tření.

Sonotroda slouží k přenášení a zesilování amplitudy kmitů ultrazvuku. Aby ultrazvukové svařování bylo optimální, musí generátor vibrací a sonotroda tzv. ladit, tzn. že sonotroda musí mít obvykle celou délku nebo polovinu vlnové délky ultrazvukové vlny nebo jejich násobku. To způsobí stojaté vlnění v sonotrodě, kdy na hrotu nástroje je kmitná této vlny.

Vibrace kombinované s třením způsobují nechtěnou abrazi, tedy otěr sonotrody a úbytek její velikosti během provozu. Proto je nutné, aby sonotroda byla vyrobena z pevného, otěruvzdomého a zároveň houževnatého materiálu dobře přenášejícího vibrace a odolávajícího abrazi. Není ani neobvyklé materiály kombinovat, kdy vlastní sonotroda je z jiného materiálu, než její hrot nebo má sonotroda jiné vnitřní jádro apod. Sonotrodu nebo její hrot lze obecně vytvořit z jakéhokoli materiálu s vhodnými akustickými a mechanickými vlastnostmi. Prakticky ale nej vhodnějšími jsou kovy jako hliník, slitiny Invar, monel, titan a některé legované oceli. Pokud je to žádoucí, může být hrot potažen nebo pokoven jiným kovem, aby se snížilo opotřebení. Pro aplikace vyžadující vysokou amplitudu a vyšší stres je preferován titan. Více např. v dokumentech EP 2456591, EP 2442964, EP 2090187, EP 2591864, EP 2459268 ad.

Materiály jako hliník a titan mají vysokou rychlost šíření vln, vysokou tahovou pružnost a nízkou hustotu. To je sice ideální pro přenos vibrační energie, ale naopak je u těchto slitin malá odolnost na vibrační otěr a hrot těchto nástrojů je tedy málo odolný. Mnohem výhodnější se jeví použití vysocelegovaných ocelí. Tyto oceli vyrobené klasickou metalurgickou metodou obsahují velké ostrohranné karbidy různých typů, jako M3C, M23C6, M₍,C. M7C3, M2C, MC, z nichž některé jsou vysocestabilní i za vysokých teplot a při tepelném zpracování kalením a popouštěním nedochází k jejich zjemnění a k odstranění jejich shluků nebo efektu tvorby řádků. Tyto velké ostrohranné karbidy velikosti nad 10 pm sice zvyšují pevnost oceli, ale tato je zároveň mnohem křehčí, tedy naopak značně snižují houževnatost. Proto je vhodnější jemnější struktura karbidů, které budou rovnoměrně dispergované ve struktuře kovu. Proto se v současnosti především uplatňuje ocel vyrobená pomocí práškové metalurgie, která umožňuje obejít vznik velkých ostrých karbidových struktur (viz dokument CZ 297201 B6). Tyto materiály však mají horší přenos zvukové vlny a hůře drží její stabilitu (horší reakce na výkyvy vln, kdy může dojít až k poškození generátoru vln).

- 1 CZ 308308 B6

Rychlořezná ocel, jako vysoce pevný, i když málo houževnatý materiál, je známa z výroby již před druhou světovou válkou. Příklad složení tohoto materiálu najdeme v mnoha patentových dokumentech, např. v CS 73424 a CS 75727 s původem datovaným již v roce 1939. V dalších letech postupoval technologický vývoj směrem k odlévání takových ocelí, které by splňovali požadavek vysoké tvrdosti a přijatelné houževnatosti nebo u nichž by se dala houževnatost vylepšit dalším tepelným nebo mechanickým zpracováním, viz dokument CZ 30833 Ul. Jak již bylo uvedeno, hlavní vliv na pevnost, tvrdost, houževnatost a obrobitelnost rychlořezných ocelí má mimo jiné velikosti austenitických zrn před kalením. Běžně se velikost zrna pohybuje do G10, za velmi jemné zrno lze považovat hodnoty Gll a vyšší. Velikost zrna se stanovuje Lineární průsečíkovou metodou podle ČSN EN ISO 643 „Ocel - mikrografické stanovení velikosti zrn“ vycházející z metody podle Snydera-Graffa.

Stejně tak použití této oceli k odlévání nástrojů lze nalézt v mnoha dokumentech, jako např. v dokumentu CZ 86104. Dokument popisuje metodu odlévání rychlořezné oceli metodou, při níž dochází k zjemnění tvrdých karbidových struktur.

Je známo i mnoho aplikací, jak zlepšit vlastnosti rychlořezné oceli a to, jak v procesu vlastního tavení úpravou tavící směsi, přidáváním některých prvků v rámci licích technologií, tak následnými tvářecími nebo jinými technologiemi, jako např. tepelným zpracováním zušlechťováním. Příkladem jsou dokumenty CZ 306020 B6, CZ 30833 Ul, CZ 297762 B6, 1992-3294 A3, CZ 30932 UL

Použití ultrazvukové energie pro spojování a / nebo řezání termoplastických materiálů na kontinuálním základě je dobře známé, přičemž jeden z prvních odkazů je v dokumentu GB 1018971 vydaný v roce 1966. Aplikace zahrnují kontinuální spojování nebo bodovou vazbu válcovaného zboží podle dokumentu CA 1092052, ultrazvukové lepení materiálů pro vytvoření vzorku ve vícevrstvém pásu, který je následně vyříznut z rouna podle dokumentu US 3562041, utěsnění konců jednotlivých absorpčních výrobků podle dokumentu US 3677861, vzorované laminování pásů z netkané textilie, vláknité tkaniny a textilie z tkaného pláště pro výrobu matracových podložek a přehozů podle dokumentu US 3733238 a současné spojování a rozřezání dvou pásů pro vytvoření rukavic podle dokumentu US 3939033.

Mnoho aplikací ultrazvukové energie pro lepení a / nebo řezání termoplastických materiálů zahrnuje ultrazvukové sonotrody nebo nástroje, které jsou stacionární (netočivé), ve kterých směr nasazení pracovní plochy hrotu je shodný se směrem aplikovaných mechanických vibrací. Takovými hroty jsou nejčastěji stupňovité válce nebo stupňovité lopatky. Pracovní plocha hrotu se tedy pohybuje axiálně proti pevné mini kovadlince vhodného provedení, přičemž materiály, které mají být spojeny nebo řezány, jsou umístěny mezi hrot a kovadlinu.

Úkolem vynálezu je odstranit nevýhody výše popsaných řešení známých z dosavadního stavu techniky a nalézt materiál a způsob výroby nástroje pro ultrazvukové svařování, který by umožňoval u odlitého polotovaru z rychlořezné oceli zvýšit výslednou pevnost a houževnatost materiálu a zároveň zlepšit schopnosti tohoto materiálu přenášet a udržovat stabilní vibrační vlnění s dlouhou životností nástroje.

Podstata vynálezu

Nedostatky známých řešení výroby nástrojů pro ultrazvukové svařování a používaných materiálů odstraňuje vícenásobně reverzně kovaný nástroj pro ultrazvukové svařování z rychlořezné oceli a specifický způsob jeho výroby.

Polotovar pro výrobu nástroje pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů je z rychlořezné oceli. Tento polotovar se ková volně nebo v zápustce, a to alespoň

-2 CZ 308308 B6 dvakrát po sobě následujícími cykly reverzního kování při teplotě 850 °C až 1200 °C s mezioperační prodlevou na teplotě 710až750 °C. Při každém reverzním kování hlavní tok materiálu probíhá postupně v jednotlivých směrech všech tří os ortogonálního souřadnicového systému, a následně hlavní tok materiálu probíhá v opačném směru alespoň v jedné ose ortogonálního souřadnicového systému. Výsledný tvar polotovaru je co do poměru výšky a průřezu stejný nebo se změní nejvýše o 30 % oproti původnímu tvaru polotovaru. Konečný tvar polotovaru se upraví kováním v kalibrovaných kovadlech a následně se chladí v peci po dobu několika hodin až desítek hodin. Konečný tvar nástroje je získán obráběním kovaného polotovaru.

Ve výhodném provedení se polotovar na výrobu nástroje pro ultrazvukové svařování ková třikrát až čtyřikrát po sobě následujícími cykly reverzního kování.

Předmětem vynálezu je nástroj pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů, jehož podstata spočívá v tom, že je vyroben z reverzně překované rychlořezné nástrojové oceli a jeho výsledná materiálová struktura má hodnotu efektivní deformace sef > 4. Stupeň překování materiálu nástroje je Pk > 10. Modul pružnosti v tahu nástroje je mezi 270 až 290 GPa a rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje je v rozmezí 5600 až 6200 m/s. Velikost kovových karbidů v materiálové struktuře nástroje je do 5 pm.

V dalším výhodném provedení je velikost kovových karbidů v materiálové struktuře nástroje do 3 pm.

Navrhovaný použitý materiál a metoda jeho zpracování na nástroj pro ultrazvukové svařování má hlavní výhodu vtom, že reverzním kováním dochází k drcení a rozlamování karbidů na menší. Dále dochází ke kovářskému svaření poruch krystalové mřížky, ke zvýšení kovové vazby mezi matricí a ostatními fázemi, tzn. dojde ke zvýšení entropie soustavy. Karbidy zvyšují vždy tvrdost a pevnost materiálu, avšak velké ostrohranné karbidy snižují houževnatost materiálu, protože díky nim je materiál křehký. Jemné karbidy naopak houževnatost zvyšují, a tím zvyšují i životnost nástroje vyrobeného z tohoto kovaného materiálu. Reverzním kováním také dochází k přemísťování karbidů ve směru toku materiálu, což vede k potlačení lineární vláknitosti, která je typická pro běžné způsoby tváření, a vede k rozdílným anizotropním mechanickým vlastnostem v různých směrech takto vyrobeného nástroje. Potlačení vláknitosti a eliminace shluků karbidů zajišťuje homogenitu mechanických vlastností, takže nástroj z tohoto materiálu má ve všech směrech stejné vlastnosti. Přítomnost nerozpuštěných karbidů v austenitu během kování zabraňuje růstu austenitického zma, které se opakovaným kováním s rostoucím stupněm deformace stále zjemňuje. Při ochlazení z kovacích teplot vzniká ultra jemná komplexní struktura s vysoce homogenními vlastnostmi a vysokou odolností proti opotřebení, která umožňuje navíc lepší přenos zvukových vln a jejich stálost.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů, které znázorňují:

Obr. 1 tvar polotovaru před započetím cyklu reverzního kování,

Obr. 2 polotovar napěchovaný ve směru druhé osy ortogonálního souřadnicového systému,

Obr. 3 polotovar napěchovaný a prodloužený ve směru první osy ortogonálního souřadnicového systému,

Obr. 4 polotovar napěchovaný a prodloužený ve směru třetí osy ortogonálního souřadnicového systému,

-3 CZ 308308 B6

Obr. 5 tvar výsledného nástroje,

Obr. 6 strukturu materiálu polotovaru s velkými nedostatečně rozptýlenými kovovými karbidy s vláknitou texturou

Obr. 7 strukturu materiálu nástroje s malými rovnoměrně rozptýlenými kovovými karbidy bez vláknité textury

Příklady uskutečnění vynálezu

Polotovar 2 pro výrobu nástroje 1 pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů podle obr. 1 je z rychlořezné oceli ČSN EN 41 9830. Ve válcované struktuře materiálu polotovaru 2 jsou shluky 4 velkých karbidů 3, které způsobují vysokou tvrdost celého kovového materiálu, ale zároveň způsobují i jeho malou houževnatost projevující se špatným udržováním stability pracovní frekvence. Vláknitost textury 5 struktury způsobuje rozdílnost vlastností materiálu polotovaru 2 napříč a ve směru válcování. Všechny tyto vlastnosti výrazně snižují životnost nástroje 1 vyrobeného z tohoto materiálu a použitelnost této rychlořezné oceli pro výrobu nástrojů 1 pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů.

Podle obr. 2, 3 a 4 se pro zlepšení materiálových vlastností vyrobený polotovar 2 ková volně nebo v zápustce, a to alespoň dvakrát po sobě následujícími cykly reverzního kování při teplotě 850 °C až 1200 °C. Prodleva mezi kovacími operacemi probíhá za udržování teploty polotovaru 2 v rozmezí teplot 710 až 750 °C. Při každém reverzním kování podle obr. 2, 3 a 4 hlavní tok materiálu probíhá postupně v jednotlivých směrech všech tří os ortogonálního souřadnicového systému, a následně v opačném směru alespoň v jedné ose ortogonálního souřadnicového systému. Výsledný tvar polotovaru 2 je co do poměru výšky a průřezu stejný nebo se změní nejvýše o 30 % oproti původnímu tvaru polotovaru 2. Konečný tvar polotovaru 2 se upraví kováním v kalibrovaných kovadlech a následně se chladí v peci po dobu několika hodin až desítek hodin. Konečný tvar nástroje 1 podle obr. 5 je získán obráběním vykovaného polotovaru

2.

Každý proces kování sebou přináší drcení a rozlamování větších kovových karbidů 3 a jejich shluků 4 a dlouhých vláknitých textur 5 kovu tvořících hlavní překážku houževnatosti použitého materiálu a kvalitního přenosu a udržení stability vibračního signálu. Proto je polotovar 2 na výrobu nástroje 1 pro ultrazvukové svařování kován formou reverzního kování třemi až čtyřmi po sobě následujícími cykly, čímž je dosaženo výsledné jemné a homogenní struktury materiálu nástroje.

Nástroj J. pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů vyrobený z polotovaru 2 z rychlořezné nástrojové oceli, která byla podrobena procesu reverzního kování má výslednou materiálovou strukturu jemnější a homogenní. Výsledná materiálová struktura má hodnotu efektivní deformace sef > 4, stupeň překování materiálu nástroje 1 je Pk > 10, modul pružnosti v tahu v jednom zmožných provedení nástroje 1 je 281 GPa a rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje 1 je v axiálním směru 5922 m/s a v radiálním směru 6194 m/s. Textura 5 materiálu nástroje 1 je méně vláknitá a velikost kovových karbidů 3 je většinou do 3 pm, kdy kovové karbidy 3 o velikosti nad 5 pm se téměř nevyskytují.

Mezi jednotlivými procesy reverzního kování je polotovar 2 zformován zpět do původního tvaru polotovaru 2, kterým může být např. válec podle obr. 1, n-stěn apod.

-4 CZ 308308 B6

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít v průmyslové výrobě při zhotovování nástrojů pro ultrazvukové svařování, na něž je kladen požadavek na vysokou pevnost a houževnatost a / nebo v kombinaci s požadavkem na vysokou stabilitu a stálost vedení vibračních vln.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby nástroje (1) pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů, vyznačující se tím, že polotovar (2) z materiálu z rychlořezné nástrojářské oceli se ková volně nebo v zápustce, a to alespoň dvěma po sobě následujícími cykly reverzního kování při teplotě 850 °C až 1200 °C s mezioperační prodlevou na teplotě 710 až 750 °C, kde při každém cyklu reverzního kování hlavní tok materiálu probíhá postupně v jednotlivých směrech všech tří os ortogonálního souřadnicového systému, a následně hlavní tok materiálu probíhá v opačném směru alespoň v jedné ose ortogonálního souřadnicového systému, přičemž výsledný tvar polotovaru (2) je co do poměru výšky a průřezu stejný nebo se změní nejvýše o 30 % oproti původnímu tvaru polotovaru (2), následně se konečný tvar polotovaru (2) upraví kováním v kalibrovaných kovadlech, polotovar (2) se ochladí v peci po dobu několika hodin až desítek hodin, a nakonec se obrobí do konečného tvaru nástroje (1).
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že polotovar (2) se ková reverzním kováním třikrát až čtyřikrát po sobě.
3. Nástroj (1) pro ultrazvukové svařování elektricky vodivých i nevodivých materiálů, vyrobený způsobem podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že je vyroben z reverzně překované rychlořezné nástrojářské oceli, přičemž jeho výsledná materiálová struktura má hodnotu efektivní deformace s_ef> 4, stupeň překování Pk > 10, modul pružnosti v tahu mezi 270 až 290 GPa, rychlost šíření zvuku v materiálu nástroje (1) v rozmezí 5600 až 6200 m/s, a velikost kovových karbidů (3) v materiálové struktuře nástroje (1) je do 5 pm.
4. Nástroj podle nároku 3, vyznačující se tím, že velikost kovových karbidů (3) v materiálové struktuře nástroje (1) je do 3 pm.