SK14122003A3

SK14122003A3 - Kovové bloky vhodné na obrábanie

Info

Publication number: SK14122003A3
Application number: SK1412-2003A
Authority: SK
Inventors: Fr�D�Ric Catteau; David Godard
Original assignee: Pechiney Rhenalu
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2004-04-06
Also published as: CA2442769A1; US20030003281A1; CZ20033157A3; HUP0303318A2; EP1381506A1; KR20030090782A; RU2003133981A; FR2823767B1; PT1381506E; DE60203608D1; US6777106B2; IL157844A0; JP2004532143A; ES2236516T3; EP1381506B1; PL366915A1; RU2281861C2; BR0208671A; DE60203608T2; FR2823767A1

Description

Predložený vynález sa týka kovových blokov vhodných na obrábanie, určených na použitie napríklad pri výrobe nástrojov veľkých rozmerov alebo foriem, alebo konštrukčných komponentov veľkokapacitných lietadiel.

Doterajší stav techniky

Kovovými blokmi používanými na výrobu veľkorozmerových súčastí obrábaním sú obvykle hrubé valcované plechy alebo kované bloky. Pri spracovávaní takých hrubých polotovarov, a najmä hrubých plechov zo zliatin hliníka, bolo zistené, že statické mechanické vlastnosti v stredovej oblasti takých plechov sú obvykle nižšie než tie isté vlastnosti v stredovej oblasti tenších plechov alebo pásov. Presnejšie povedané, medza pevnosti v ťahu (R_m), medza klzu (R_po,2) (definovaná ako napätie, pri ktorom sa tyč trvalo predlžuje o 0,2 %) a predĺženia pri pretrhnutí (A) majú pri danom výrobnom postupe tendenciu klesať (často až na nevyhovujúce úrovne) so zvyšujúcou sa hrúbkou plechu alebo pásu. Napríklad Európska technická norma EN 485-2 z novembra 1994, ktorá špecifikuje pre valcované plechy zo zliatiny hliníka EN AW-6061 v metalurgickom stave T651, nasledujúce minimálne hodnoty: R_m min = 290 MPa pre plechy s hrúbkou 12,5 mm až 100 mm a R_m min = 265 MPa pre plechy s hrúbkou 150 mm až 175 mm. Čo sa týka predĺženia pri pretrhnutí (ťažnosť), je uvedený pokles dokonca ešte podstatnejší: garantovaná minimálna hodnota pre plechy s hrúbkou 12,5 mm až 40 mm je 8 %, a pre plechy s hrúbkou 150 mm až 175 mm 4 %. Okrem toho by podľa technickej normy EP 485-1 pozdĺžna os skúšobnej vzorky mala byť v prípade plechov s hrúbkou väčšou než 40 mm umiestnená vo vzdialenosti od jedného z valcovaných povrchov rovnajúcej sa štvrtine hrúbky, a v prípade plechov s hrúbkou menšou než 40 mm vo vzdialenosti rovnajúcej sa polovici hrúbky.

PP 1412-2003

32215/Th

Uvedený pokles statických mechanických vlastností je ešte podstatnejší alebo výraznejší pri analyzovaní týchto vlastností na rôznych úrovniach pod valcovaným povrchom. Napríklad u plechov s hrúbkou 200 mm bolo zo skúšobných vzoriek odobratých vo vzdialenosti 25 mm, 50 mm a 100 mm od povrchu zistené, že sa mechanické vlastnosti adekvátne zhoršujú. Tento jav je odborníkom oboznámeným sa stavom techniky dostatočne známy a je dôsledkom radu príčin. Hodnoty R_m a R_p0,2 sa môžu zvyšovať dôsledkom mechanického spevňovania plechu v procese valcovania, tento postup je však obmedzený konštrukciou valcovacej stolice na valcovanie za tepla. Na získanie plechu s konečnou hrúbkou 100 mm valcovaním, ktoré zahrňuje redukciu hrúbky na polovicu, musí valcovanie obvykle vychádzať z ingotu s hrúbkou aspoň 200 mm. Na získanie plechu s konečnou hrúbkou 400 mm, rovnakým spôsobom valcovania, sa musí vychádzať z ingotu s hrúbkou aspoň 800 mm. V súčasnej dobe však žiadna valcovacia stolica na valcovanie takých ingotov alebo hrubých plechov nie je k dispozícii. Ingoty alebo hrubé plechy je ďalej možné mechanicky spevňovať kovaním, na tento účel sú nevyhnutné vysoko výkonné kovacie lisy, ktoré sú k dispozícii iba na niekoľkých špeciálnych pracoviskách, a tieto postupy sú teda veľmi nákladné.

V prípade hrubých plechov z kaliteľných zliatin ovplyvňujú statické mechanické vlastnosti rýchlosť ochladzovania pri kalení. Lokálna rýchlosť ochladzovania pre daný objem plechu je určená tepelnou vodivosťou materiálu a závisí teda na hrúbke plechu, alebo, presnejšie povedané, na vzdialenosti konkrétneho dielčieho objemu materiálu od povrchu nachádzajúceho sa v styku s kaliacim médiom.

V prípade zakalených plechov spôsobuje proces kalenia vznik vnútorných pnutí, ktoré môžu v prípade spracovania obrábaním spôsobovať ich viditeľnú deformáciu. Tieto vnútorné napätia sú teda nežiadúce a mali by byť minimalizované, napríklad spracovávaním zakaleného plechu ťahaním. Avšak preťahovacie stroje, ktoré sú vo väčšine tovární k dispozícii, nie sú často schopné spracovávať plechy s hrúbkami väčšími než 100 až 200 mm, a vo väčšine prípadov je ohraničený i ich výkon. Odpovedajúci profil vnútorných pnutí u takých plechov je možné docieliť tiež ich stláčaním v kováčom lise.

PP 1412-2003

32215/Th

V tomto prípade môže byť spracovaná hrúbka plechu síce väčšia, ale obmedzujúcim faktorom je maximálny stláčací tlak, ktorý je kovací lis schopný dosahovať.

Lokálny pokles statických mechanických vlastností v závislosti na hrúbke je obvykle nežiadúci. Dôvodom je skutočnosť, že pri výrobe súčastí z hrubých plechov obrábaním, sú to práve lokálne mechanické vlastnosti v oblasti nového povrchu vytvoreného obrábaním, ktoré determinujú vlastnosti obrobených súčastí. Napríklad, pri výrobe vstrekovacej formy na lisovanie plastových súčastí obrábaním hrubého oceľového plechu alebo bloku zo zliatiny hliníka musí zobrať konštruktér formy do úvahy, v protiklade k celkovým mechanickým vlastnostiam bloku, gradient statických mechanických vlastností v závislosti na hrúbke kovového bloku. Vzhľadom na to, že sa blok bude spracovávať tvárnením a obrábaním, to znamená, že sa statické mechanické vlastnosti pod vonkajším povrchom stávajú podstatné a akýkoľvek pokles týchto vlastností v určitých hĺbkach pod povrchom sa musí pri konštrukcii súčastí brať do úvahy.

Ďalšia nevýhoda terajších produktov súvisí s vlastným postupom obrábania. Napríklad, pri obrábaní hrubých plechov zo zliatin hliníka na veľkú hĺbku bolo zistené, že obrobiteľnosť kovu sa s vnikaním do objemu plechu znižuje, pretože sa v porovnaní s oblasťou v blízkosti vonkajšieho povrchu plechu, so zvyšujúcou sa hĺbkou vniknutia zvyšuje mäkkosť kovu. Tiež drsnosť obrobených povrchov a chemické alebo elektrolytické spracovanie na veľkosť zrna sú horšej akosti v prípade povrchov obrobených vo väčších hĺbkach než v prípade povrchov získaných v oblastiach priľahlých k východiskovému vonkajšiemu hrubému plechu. K tomu dochádza preto, že tvorba precipitátu v stredovej oblasti hrubých hliníkových plechov sa nemusí nutne zhodovať s tvorbou precipitátu v oblastiach blízkych povrchu.

Až doposiaľ bolo na prekonanie týchto nevýhod odborníkmi oboznámenými sa stavom techniky preferovaný metalurgický prístup orientovaný buď na chemické zloženie použitej zliatiny, alebo na jej výrobný postup. To sa týka najmä zliatin hliníka. Napríklad podľa patentu US 6 077 363 (ktorý je začlenený do odkazov) sa vnútorné pnutie v plechu zo zliatiny ALCuMg minimalizuje voľbou optimalizovaného chemického zloženia, najmä čo sa týka

PP 1412-2003

32215/Th obsahu mangánu, železa a kremíka a voľbou výrobného postupu zahrňujúceho niekoľko krokov tepelno-mechanického spracovania.

V patente US 5 277 719 (Alumínium Company of America) (ktorý je začlenený do odkazov) sa opisuje spôsob výroby hrubého málo porézneho plechu zo zliatiny hliníka triedy 7xxx, spočívajúci v použití ako prvého predkovacieho kroku s redukciou aspoň 30 %, ktorý predchádza nasledujúcemu valcovaniu za tepla. V patentovej prihláške EP 723 033 A1 (Hoogovens Alumínium Walzprodukte) (ktorá je začlenená do odkazov) sa opisuje spôsob výroby hrubého plechu zo zliatiny hliníka, spočívajúci v uskutočnení jedného alebo niekoľkých kovacích krokov, nasledujúcich po predchádzajúcom kroku valcovania za tepla. Cieľom týchto spôsobov je zvýšiť predovšetkým únavovú pevnosť. Avšak, spôsob opísaný v EP 723 033 okrem toho v prípade plechov o hrúbke väčšej než 8 palcov (asi 205 mm) prináša miernu redukciu poklesu medze pevnosti v ťahu.

V patentovej prihláške EP 989 795 (Alusuisse Technology & Management AG) (ktorá je začlenená do odkazov) sa opisuje spôsob znižovania zvyškových vnútorných pnutí u plechov zo zliatiny AĽCuMg, ktorý je zameraný na docielenie homogénnej precipitácie veľmi jemných fáz Al_3Zr cez celú hrúbku plechu. Také plechy je možné získať valcovaním ingotov za tepla, alebo vyhotovením priamo z liatych polotovarov, bez použitia valcovania.

Jednotlivé prostriedky používané v terajšom stave techniky spôsobujú ohraničenie v rámci: (i) voľby zliatin, (ii) metalurgických podmienok, a (iii) postupu pri výrobe plechu ajeho hrúbky. Okrem toho nie sú ani tieto prostriedky dostatočne uspokojivé. Napríklad, neexistuje žiadny prijateľný spôsob výroby hrubého hliníkového plechu, najmä plechu s hrúbkou väčšou než 200 mm, vytvoreného spracovaním za tepla zošlachtiteľných zliatin, u ktorého pri postupovaní od povrchu plechu do polovice jeho hrúbky nedochádza k podstatnému poklesu lokálnych hodnôt R_m, R_po,2 a A. Dostupnosť takého materiálu by uľahčila výrobu v rade oblastí priemyslu. Pokiaľ by bolo možné taký materiál vyrábať, mal by byť k dispozícii vo väčších hrúbkach než plechy podľa terajšieho stavu techniky tak, aby bolo možné vyrábať komponenty väčších rozmerových veľkostí, napríklad formy alebo

PP 1412-2003

32215/Th nástroje, a súčasne by mala byť zlepšená jemnosť a veľkosť zrna v celom rozsahu jeho hrúbky.

Podstata vynálezu

Cieľom predloženého vynálezu je preto poskytnúť hrubý kovový produkt (tj. blok o hrúbke väčšej než 25 mm, napríklad o hrúbke väčšej než 200 mm, väčšej než 400 mm alebo dokonca väčšej než 600 mm), s vyhovujúcimi mechanickými vlastnosťami v rozsahu celej jeho hrúbky a s relatívne nízkou úrovňou vnútorných pnutí.

V súlade s týmito a ďalšími cieľmi predloženého vynálezu sa poskytuje kovový blok vhodný na použitie na obrábanie. Tento kovový blok zahrňuje aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň 12,5 mm a má východiskovú medzu klzu v určenom smere, meranú v jednej štvrtine hrúbky. Uvedené plechy môžu byť rovnaké alebo navzájom odlišné a sú typicky zvolené zo skupiny pozostávajúcej zo zliatin rovnakej triedy (napríklad zliatin hliníka triedy 5xxx, atď.). Medza klzu kovového bloku, meraná na skúšobnej vzorke odobratej z miesta bloku, ktorá nezahrňuje zónu spojenia plechov, je aspoň 75 % medze klzu plechu s najnižšou východiskovou medzou klzu v rovnakom určenom smere.

V súlade s ďalším cieľom predloženého vynálezu sa poskytuje kovový blok vhodný na použitie na obrábanie, kovový blok zahrňuje aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň 12,5 mm a má východiskovú medzu klzu v určenom smere, meranú v jednej štvrtine hrúbky. Uvedené plechy môžu byť rovnaké alebo navzájom odlišné, a sú zvolené zo skupiny zliatin rovnakej triedy s tým, že medza klzu v určenom smere je v ľubovoľnom bode bloku aspoň 75 % medze klzu plechu s najnižšou východiskovou medzou klzu v určenom smere.

V súlade s ešte ďalším cieľom predloženého vynálezu sa poskytuje kovový blok vhodný na použitie na obrábanie, kovový blok zahrňuje aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň 12,5 mm a ktoré môžu byť rovnaké alebo navzájom odlišné, tieto plechy sú zvolené zo skupiny

PP 1412-2003

32215/T h pozostávajúcej zo zliatin rovnakej triedy s tým, že medza klzu kovového bloku v určenom smere sa v ľubovoľnom bode nemení v rozsahu väčšom než plus/mínus 15 % jej priemernej hodnoty.

V súlade s ešte ďalším cieľom predloženého vynálezu sa poskytuje spôsob výroby kovových blokov, ktorý zahrňuje navrstvenie aspoň dvoch plechov v podstate rovnakej dĺžky a rovnakej šírky na seba, s konštantným rozostupom medzi nimi za vytvorenia zostavy; zaistenie rozhrania okolo bočných strán zostavy; pokrytie hornej strany najvyššie usporiadaného plechu výbušninou v celom rozsahu horného povrchu; a uskutočnenie explózie výbušniny za vytvorenia spojenia medzi dvomi alebo viacerými plechmi.

Ďalšie ciele, charakteristické znaky a výhody predloženého vynálezu budú uvedené v nasledujúcom opise jeho konkrétnych uskutočnení a stanú sa zrejmými buď z tohto opisu, alebo môžu byť zistené praktickým uskutočnením vynálezu. Tieto ciele, charakteristické znaky a výhody predloženého vynálezu je možné docieliť a realizovať na základe skutočností uvedených v pripojených patentových nárokoch.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Kovové bloky podľa predloženého vynálezu je možné vyhotovovať z plechov z rôznych kovov a zliatin používaných na výrobu veľkorozmerových komponentov obrábaním, najmä ocelí, zliatin medi a zliatin hliníka. Je výhodné použiť kaliteľné alebo vytvrditeľné zliatiny, ktoré v zakalenom alebo vytvrdenom stave poskytujú vysokú mechanickú pevnosť. Vzhľadom na to sa vytvrdené zliatiny hliníka triedy 2xxx, 6xxx a 7xxx výhodne používajú v stave T3 (po zakalení), po starnutí, alebo v stave T6 (po zakalení a popustení). Triedy zliatin hliníka a chemické zloženie tvárnených zliatin hliníka sú definované v registri Alumínium Association a v technickej norme EN 573, ich označenia v popustenom stave sú uvedené v technickej norme EN 515, ktorej dokumenty sú odborníkom oboznámeným so stavom techniky známe a sú začlenené do odvolávok v ich úplnosti.

PP 1412-2003

32215/Th

Bez ohľadu na spôsob spojovania by použité plechy mali byť tak ploché alebo rovinné, ako je to len možné a taktiež by mali mať relatívne nízku úroveň zvyškových vnútorných pnutí, tieto východiskové podmienky je možné docieliť ľubovoľným, zo stavu techniky známym postupom, napríklad ťahaním plechov medzi čeľusťami preťahovacieho stroja, alebo ich stláčaním v kováčom lise. Akosť povrchov týchto plechov sa môže, upravovať podľa spôsobu spojovania, pokiaľ je to z akýchkoľvek dôvodov žiadúce a ako bude objasnené ďalej. Hrúbka každého z na seba navrstvených plechov by vo väčšine prípadov mala byť aspoň 12,5 mm. Hrúbka jednotlivých plechov môže byť buď rovnaká alebo sa môže rôzniť. Je výhodné, ak celková hrúbka na seba navrstvených plechov je aspoň 25 mm a najlepšie aspoň 40 mm.

Spojovanie hrubých plechov do spoločného celku sa môže uskutočňovať za použitia akéhokoľvek zo stavu techniky známeho technologického postupu schopného zaistiť docielenie takej mechanickej pevnosti skompletizovaného bloku, ktoré postačuje na jeho myslené použitie. V súlade s predloženým vynálezom je také kovové bloky možné vyhotovovať navrstvením na seba aspoň dvoch plechov, z ktorých každý má hrúbku aspoň 12,5 mm a má východiskovú medzu klzu v určenom smere, meranú v jednej štvrtine hrúbky a ktoré môžu byť z rovnakých alebo navzájom odlišných materiálov. Uvedené plechy sú výhodne zvolené zo skupiny zliatin rovnakej triedy (tj. v prípade zliatin hliníka, zo zliatin triedy 2xxx, triedy 7xxx, atd.), a medza klzu bloku vytvoreného navrstvením plechov v určenom smere sa v jeho ľubovoľnom bode rovná aspoň 75 % a výhodne aspoň 85 % alebo ešte výhodnejšie aspoň 90 % medze klzu plechu, ktorý v uvedenom určenom smere mal najnižšiu východiskovú medzu klzu.

Vo výhodnom uskutočnení sa spôsob kompletizovania bloku volí tak, že sa mechanická pevnosť v celom bloku blíži mechanickej pevnosti východiskových plechov a to dokonca v oblasti zóny spojenia. Pojem zóna spojenia sa v tu uvádzaných súvislostiach týka tých zón skompletizovaného bloku, v ktorých sú jednotlivé plechy tvoriace blok v kontakte a sú navzájom spojené.

PP 1412-2003

32215/T h

Okrem toho by zóna spojenia medzi jednotlivými plechmi mala mať prijateľnú mechanickú a tepelnú stálosť, ako i ďalšie vlastnosti, napríklad tepelnú vodivosť alebo akosť povrchu, ktoré sú požadované pre zamýšľanú finálnu aplikáciu skompletizovaného bloku. Uvedené mechanické a tepelné vlastnosti, požadované pre rôzne konkrétne finálne použitia pri výrobe nástrojov a foriem, sú odborníkom oboznámeným so stavom techniky dobre známe.

V súlade s predloženým vynálezom je možné vyhotovovať hrubé kovové bloky (s hrúbkou aspoň 25 mm) s mechanickými vlastnosťami, ktoré nie sú merateľným spôsobom nepriaznivo ovplyvňované celkovou hrúbkou bloku. Presnejšie povedané medza klzu, medza pevnosti v ťahu a predĺžení pri pretrhnutí, alebo takzvané statické mechanické vlastnosti majú v rozsahu celej hrúbky bloku, v porovnaní s blokmi vyhotovenými za použitia technologických postupov podľa stavu techniky, podstatne nižšie odchýlky.

Podľa výhodného uskutočnenia je možné hrubý kovový blok získať skompletizovaním aspoň dvoch na seba navrstvených plechov zo zliatiny rovnakej triedy, z ktorých každý má hrúbku aspoň 12,5 mm. Medza klzu skompletizovaného kovového bloku v určenom smere, meraná na skúšobnej vzorke odobratím z oblasti zóny spojenia medzi plechmi, sa rovná aspoň 75 %, výhodne aspoň 80 % a najvýhodnejšie aspoň 90 % medze klzu plechu (plechov), ktorý v rovnakom určenom smere má najnižšiu východiskovú medzu klzu.

Podľa ďalšieho uskutočnenia vynálezu má zóna spojenia medzi plechmi navrstvenými na seba i dobrú mechanickú a tepelnú stálosť. Okrem toho sú z hľadiska požiadaviek pre zamýšľanú finálnu aplikáciu skompletizovaného bloku uspokojivé i ďalšie vlastnosti, napríklad tepelná vodivosť spoja medzi dvomi plechmi a/alebo vzhľad povrchu spoja alebo spojiva. To znamená, že rad aplikácií skompletizovaného bloku vyžaduje, aby spoj nebol v žiadnej miere viditeľný. Okrem toho niektoré aplikácie vyžadujú, s ohľadom na maximálne teploty a časy vystavenia pôsobeniu vysokých teplôt, istú žiaruvzdornosť. Takto je možné získať blok, ktorého lokálna medza klzu R_po,2, meraná v kratšom priečnom smere cez zónu spojenia, sa rovná aspoň 75 %, výhodne aspoň 80 %

PP 1412-2003

32215/T h a najvýhodnejšie aspoň 90 % medze klzu R_po,2 plechu (plechov), ktorý v rovnakom kratšom priečnom smere má najnižšiu východiskovú medzu klzu.

Kompletizovanie hrubých plechov je takto možné realizovať spojovaním za použitia ľubovoľných, zo stavu techniky známych prostriedkov, napríklad samolepiacich fólií, plastových vrstiev alebo tekutých lepidiel. Takto je napríklad možné použiť tenkú, samolepiacu, za tepla polymerizovateľnú fóliu a jej polymerizáciu uskutočňovať (napríklad vtedy, keď je použitou zliatinou vytvrdená zliatina) počas popúšťania plechov. Ďalej je možné na povrch jedného z dvoch alebo oboch plechov určených na spojenie naniesť jednozložkové alebo dvojzložkové tekuté lepidlo a následne toto lepidlo vytvrdiť buď ponechaním skompletizovaného bloku primeraný čas v kľudovom stave pri teplote miestnosti, alebo ohrevom na adekvátnu teplotu po určitý čas. Rovnako tak je možné použiť polymerizovateľnú plastovú vrstvu, ktorá sa vloží medzi dva hrubé plechy a následne vhodne ohreje za účelom jej spolymerizovania a tým vytvorenia požadovaného spojenia. Vo všetkých týchto prípadoch je možné spájať súčasne dva alebo viacero plechov, pričom sa lepidlo môže nechať polymerizovať alebo vytvrdzovať, zatiaľ čo sa skompletizovaná zostava ponecháva v kľudovom stave za pôsobenia tlaku na vytvorené väzobné spoje vyvíjaného buď vlastnou hmotnosťou plechov alebo mechanickými prostriedkami. Výhoda lepenia spočíva v jeho nízkych nákladoch a nevýhoda v tom, že vytvorený spoj môže byť skôr nevyhovujúci. V každom prípade je pred vlastnou aplikáciou lepidla často žiadúce alebo dokonca nevyhnutné uskutočniť vhodné predbežné spracovanie lepených povrchov (napríklad morenie chromitými soľami alebo pieskovanie).

Ďalší spôsob spájania, ktorý je pre kompletizovanie blokov možné použiť, predstavuje deformačné spracovanie dvoch alebo viac na seba navrstvených hrubých plechov, napríklad spracovanie valcovaním alebo kovaním. Jedná sa o ten istý typ metalurgického spájania, ktorý sa docieľuje pri postupe plátovania plechov známom zo stavu techniky. Tento postup je výhodne možné použiť na spájanie hrubých plechov alebo pásov zo zliatin hliníka, napríklad zo zliatin hliníka triedy 5xxx, bez akéhokoľvek tepelného spracovania. Postup je však menej vhodný v spojení s vytvrdenými zliatinami

PP 1412-2003

32215/T h vyžadujúcimi obvykle predohrev, ktorý by potenciálne mohol spôsobovať nežiadúcu zmenu metalurgického stavu plechov. Použitie tohto postupu môže byť ďalej ohraničené kapacitou valcovacích stolíc alebo kovacích lisov z hľadiska schopnosti spracovávať veľmi hrubé plechy, alebo z hľadiska maximálneho tlaku, ktorý sú schopné poskytovať použité valcovacie stolice alebo kovacie lisy.

Ďalej je možné kovové plechy do blokov spájať zváraním, najmä zváraním elektrónovým lúčom, čo je postup, ktorý nijako podstatne nezhoršuje mechanické vlastnosti plechov. Avšak zváranie elektrónovým lúčom nemusí byť dostatočne vhodné pre plechy veľkých rozmerov.

Ďalší výhodný spôsob spájania, ktorý sa výhodne používa v spojení s predloženým vynálezom, predstavuje zváranie výbuchom. Zváranie výbuchom je dlhodobo známe a väčšinou sa používa na plátovanie tenkých kovových pásov na hrubé plechy z odlišného kovu, najmä z dôvodu vytvorenia vrstvy z ušľachtilého kovu na hrubom plechu z bežnej uhlíkovej konštrukčnej ocele. Uvedená technológia je opísaná napríklad v patentoch FR 1381594, FR 1397963 a FR 1458506 (Asahi Kasei) (ktoré sú zahrnuté do odkazov v ich úplnosti). Väčšina z mnohých príkladov opísaných v týchto patentoch sa týka plátovania tenkého kovového pásu na oceľový plech, pričom v niektorých z týchto príkladov sa opisuje zostava dvoch tenkých kovových pásov s hrúbkou rádovo 1 mm, vyhotovených z rovnakého kovu (nehrdzavejúca oceľ alebo hliník). Rovnako tak v patente US 3 024 526 (Atlantic Richfield Corporation) [ďalej patent '526] (ktorého obsah je zahrnutý do odkazov) sa opisuje zváranie dvoch hliníkových pásov s hrúbkou 0,062 palca (tj. cca 1,6 mm) výbuchom. V spôsobe podľa patentu '526 sa však nikde neuvádza použitie zvárania výbuchom na vytváranie blokov veľkých hrúbok vyhotovených z dvoch alebo viacerých hrubých plechov z rovnakého materiálu, najmä zo zliatin hliníka.

Podľa predloženého vynálezu zahŕňa kovový blok aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň 12,5 mm, výhodne aspoň mm a najvýhodnejšie 40 mm. Tieto bloky však môžu v prípade, keď jednotlivé plechy majú veľké hrúbky, vykazovať gradient statických

PP 1412-2003

32215/Th mechanických vlastností, ktorý je funkciou vzdialenosti od valcovaného povrchu.

Vo výhodnom uskutočnení podľa vynálezu sú plechy určené na spájanie z rovnakého základného kovu, respektíve, na základe predstavy , podľa ktorej môže byť za ekvivalent daného základného kovu považovaná kovová zliatina, z kovových zliatin rovnakej triedy. Výrazom základný kov sa v tu uvedených súvislostiach myslí napríklad hliník, oceľ, meď, mosadz a podobne. Výrazy zliatina a trieda zliatiny zasa, v súlade s vyššie uvedenými, technickou normou EN 573 a registrom Alumínium Association, definujú zliatiny hliníka. Podľa týchto dokumentov sú zliatiny hliníka rozčlenené do tried podľa určujúcich legovacích prvkov: trieda 1xxx (minimálne 99.00 hliníka), trieda 2xxx (Al-Cu), trieda 3xxx (Al-Μη), trieda 4xxx (Al-Si), trieda 5xxx (Al-Mg), trieda 6xxx (Al-Mg-Si), trieda 7xxx (Al-Zn), trieda 8xxx (ďalšie legovacie prvky). Predložený vynález je obzvlášť zameraný na tie základné kovy, zliatiny a triedy zliatin, ktoré nie je možné v dôsledku technických obmedzení alebo z ekonomických dôvodov vyrábať vo veľkých hrúbkach, alebo ktoré vo forme hrubých plechov majú v rozsahu hrúbky výrazné kolísanie statických mechanických vlastností. To sa obzvlášť týka spracovania za tepla zošlachtiteľných zliatin hliníka tried 2xxx, 6xxx a 7xxx.

Podľa špecifického uskutočnenia vynálezu sú, z dôvodu docielenia homogénnych vlastností, hrubé plechy ( s hrúbkou aspoň 12,5 mm) určené na spájanie z rovnakej zliatiny a majú rovnaký metalurgický stav, tj. sú vyrobené použitím v podstate rovnakého výrobného postupu.

Spájané plechy môžu byť buď rovnakej alebo rôznej hrúbky a dva alebo viacero takých plechov sa môže spájať v jednej alebo v niekoľkých operáciách. Spájanie zváraním výbuchom sa môže uskutočňovať akýmkoľvek pre uvedený účel vhodným postupom, napríklad postupom, ktorý je opísaný vo vyššie spomínaných francúzskych patentoch a v patente US '526. Prijateľný a výhodný postup zvárania výbuchom podľa predloženého vynálezu zahŕňa: (i) úpravu povrchu plechu kartáčovaním alebo brúsením a jeho dôkladné očistenie v nevyhnutnom rozsahu; (ii) navrstvenie plechov v podstate rovnakej rozmerovej veľkosti (tj. rovnakej dĺžky a rovnakej šírky) na seba, s konštantným

PP 1412-2003

32215/Tb rozostupom medzi nimi, ktorý je zaistený prostredníctvom medzi nimi uloženej vložky (vkladanej vrstvy); (iii) uzavretie špáry (alebo špár) medzi plechmi, napríklad použitím lepiacej pásky; (iv) umiestnenie výbušniny, napríklad strelného prachu, na horný povrch najvyššie uloženého plechu; a nakoniec (v) uskutočnenie explózie tejto výbušniny za účelom docielenia zvarenia plechov v celom rozsahu ich povrchov.

Vo výhodnom uskutočnení, založenom na použití zvárania výbuchom, sú použité plechy s predĺžením pri pretrhnutí (A) v pozdĺžnom smere väčšom než 13 %, a výhodne väčšom než 15 %, a s rázovou energiou podľa Charpyho aspoň 30 Joulov.

Spôsob podľa predloženého vynálezu umožňuje vyrábať bloky, ktorých celková hrúbka nie je ohraničená kapacitou a výkonnosťou zariadení používaných na výrobu plechov (valcovacie stolice alebo kovacie lisy). Hrúbka blokov je výhodne aspoň 200 mm, výhodnejšie aspoň 400 mm a najvýhodnejšie aspoň 600 mm. Vďaka takým blokom je možné pohodlne vyrábať obrábané súčasti so značne veľkými rozmermi, napríklad súčasti z vytvrdených zliatin hliníka so zakalenou štruktúrou, ktoré sa používajú ako konštrukčné súčasti veľkokapacitných lietadiel, alebo nástroje a vstrekovacie formy na lisovanie plastov z ocele a/alebo z medi a zo zliatin hliníka.

Výroba týchto obrábaných súčastí môže zahŕňať jeden alebo niekoľko technologických postupov, napríklad sústruženie, frézovanie, vŕtanie, vyvŕtavanie, rezanie vnútorných závitov, elektroiskrové obrábanie, vyhladzovanie povrchu, leštenie a podobne, ktoré sa v stave techniky bežne používajú. V určitých prípadoch je okrem toho možné na aspoň časť takto vytvorených povrchov ukladať vrstvu tvrdého kovu (spekaného karbidu) za použitia ľubovolného, zo stavu techniky známeho postupu, napríklad postupu opísaného v patentovej prihláške EP 997 253 A1 (Werkzeugbau Leiss Gmbh) (ktorá je zahrnutá do odkazov), alebo ju použitím postupu známeho zo stavu techniky, napríklad fyzikálnym povliekaním zrážaním pár nanášaného materiálu, opatriť keramickou vrstvou. Prihlasovateľom bolo zistené, že taký kovový povlak je obzvlášť prospešný u blokov kompletizovaných spájaním lepením v prípadoch, keď hĺbka obrábania zasahuje oblasť lepených spojov.

PP 1412-2003

32215/Th

Takto môže byť, ak je to z akéhokoľvek dôvodu žiadúce, nanášaná vrstva hliníka alebo iného kovu.

Na výrobu blokov z vytvrdenej zliatiny hliníka bol prihlasovateľom nájdený spôsob výroby, ktorý poskytuje obzvlášť dobré výsledky. Podľa tohto spôsobu sú použité hrubé plechy v stave s odstráneným vnútorným pnutím, napríklad v stave T351 (definovanom technickou normou EN 515), a spájajú sa zváraním výbuchom. Ďalej sa kovový blok veľkej hrúbky podrobuje spracovávaniu popúšťaním. Použitím hrubých plechov (s hrúbkou aspoň 12,5 mm) spracovaných s odstránením vnútorného pnutia, je možné docieliť bloky s veľmi nízkou úrovňou vnútorných pnutí, ktoré sú obzvlášť vhodné na spracovanie obrábaním. Naviac bolo zistené, že plechy v stave T351 majú ťažnosť lepšiu ako ďalšie porovnateľné plechy alebo pásy, a toto zlepšenie ťažnosti minimalizuje alebo dokonca až eliminuje náhodné porušenie počas ich spájania alebo manipulácie s nimi.

Bloky z vytvrdených zliatin hliníka veľkej hrúbky podľa predloženého vynálezu je možné použiť na výrobu (obrábaním) vstrekovacích foriem na lisovanie plastových alebo gumových súčiastok. Tieto bloky je rovnako tak možné použiť na výrobu (najmä obrábaním) konštrukčných súčastí lietadiel, najmä veľkokapacitných lietadiel. Pre naposledy uvedenú aplikáciu sú obzvlášť vhodné zliatiny hliníka AA7040 alebo AA7075.

Príklady

Príklad 1 (stav techniky)

Hrubé plechy zo zliatiny hliníka AA7449 v stave T651 boli vyrobené použitím známych technologických postupov odborníkmi oboznámenými so stavom techniky. Hrúbka týchto plechov sa pohybovala v rozmedzí 50 mm až 150 mm. Medza klzu R_Po,2 sa merala v jednej štvrtine hrúbky v smere TL. Zistené výsledky sú zhrnuté v Tabuľke 1. Z uvedených výsledkov môže byť viditeľný veľmi výrazný pokles medze klzu so zväčšujúcou sa hrúbkou plechu.

PP 1412-2003

32215/T h

Tabuľka 1

e (mm)	50	75	100	150
R_Po,2 (MPa)	584	575	564	508

Príklad 2 (vynález)

Boli použité dva plechy zo zliatiny hliníka AA7075 s rovnakou rozmerovou veľkosťou (tj. rovnakou dĺžkou a šírkou) a s jednotlivými hrúbkami 25 mm a 70 mm. Zloženie zliatiny (v % hmotnostných) bolo nasledujúce: Si = 0,08, Fe = 0,15, Cu = 1,56, Mn = 0,03, Mg = 2,30, Cr = 0,19, Zn = 5,92, Ti = 0,03.

Plechy boli podrobené homogenizovaniu pri teplote 465°C, ďalej zakaleniu do studenej vody, prirodzenému starnutiu a ťahaniu na trvalú deformáciu 1,5 %, čo zodpovedá stavu T351. Ďalej boli plechy zostavené a spojené zváraním výbuchom na montážnom pracovisku NobelCIad Európe v Rivesaltes (Francúzsko). Zváraním výbuchom spojený blok bol za účelom jeho uvedenia do stavu T651 podrobený popúšťaniu počas 48 hodín pri teplote 120 °C. Následné preskúmanie zóny spojenia v nahrubo vyleštenom stave neukázalo žiadne viditeľné rozhranie. Po morení chromitými soľami bolo rozhranie medzi východiskovými plechmi viditeľné a malo na oboch stranách zvarového spoja zónu 0,3 mm širokú, zahrňujúcu šikmé sklzové čiary orientované v smere šírenia rázovej vlny, ktoré dokazujú podstatné mechanické spevnenie.

Skúšobné vzorky na skúšku ťahom valcového tvaru boli odobraté z oblasti jednej štvrtiny hrúbky plechu s hrúbkou 70 mm a zo zóny rozhrania medzi dvomi plechmi, a zisťovali sa nasledujúce statické mechanické vlastnosti: medza pevnosti v ťahu (R_m) (MPa), medza klzu (R_po,2) (MPa) a predĺženie pri pretrhnutí (A) (%) v smeroch L, TL a TC. Zistené výsledky sú uvedené v Tabuľke 2:

PP 1412-2003

32215/T h

Tabuľka 2

Skúšobná vzorka	Smer	Rpo,2 (MPa)	R_m (MPa)	A (%)
Plech	L	464	528	13,3
Rozhranie	L	501	553	11,6
Plech	TL	450	548	10,3
Rozhranie	TL	495	555	8,7
Plech	TC	456	532	5,5
Rozhranie	TC	478	540	4,5

Z uvedených výsledkov je zrejmé, že v zóne spojenia sú medza pevnosti v ťahu a medza klzu, v porovnaní s hodnotami východiskových plechov a bez ohľadu na smer merania, zvýšené, zatiaľ čo predĺženie pri pretrhnutí je mierne znížené.

Okrem toho bola na vyhladených, na R = 0,1 zaoblených skúšobných vzorkách v smere TC, s koeficientom koncentrácie napätia K_t = 1, v súlade s technickou normou ASTM E466, odobratých jedna z plechu s hrúbkou 70 mm a druhá zo zóny spojenia medzi dvomi plechmi, meraná cyklická únavová životnosť za pôsobenia napätia 200 MPa, pri frekvencii 50 Hz. Počet cyklov do porušenia bol, v uvedenom poradí, 206375 a 321271, čo dokazuje zlepšenie únavovej pevnosti v zóne spojenia.

Príklad 3

Bloky boli vyrobené zlepením dvoch plechov zo zliatiny hliníka AA7449, pričom spájané povrchy boli predbežne spracované buď pieskovaním alebo morením chromitými soľami. Na lepenie bolo použité tekuté epoxidové lepidlo (označené AV 119) alebo epoxidová fólia (s označením AF 163-2L.03). Skúška ťahom cez zónu spojenia bola uskutočnená na skúšobných vzorkách s rozmermi 200 mm x 29 mm x 17 mm (povrch spoja 493 mm²). Zistené výsledky sú uvedené v Tabuľke 3. Z uvedených výsledkov môže byť zrejmé, že väčšiu väzobnú silu poskytuje morenie chromitými soľami.

PP 1412-2003

32215/Th

Tabuľka 3

Lepidlo	Pevnosť spoja (morenie)	Pevnosť spoja (pieskovanie)
AV119	75,8 ±5,7 MPa (AR)	43,9 ±10,5 MPa (AR)
AF 163-2L.03	46,0 ±0,5 MPa (CR)	41,2 ±2,3 MPa (CR)
AR.porušenie priľnavosti CR.porušenie súdržnosti

Odborníci oboznámení so stavom techniky budú podľa uvedených skutočností schopní ľahko odvodiť ďalšie charakteristické znaky, výhody a modifikácie. Predložený vynález nie je teda, v jeho širších aspektoch, ohraničený iba na tu opísané a znázornené konkrétne detaily a prezentované prostriedky. Preto je možné, bez odchýlenia sa od podstaty alebo nárokového rozsahu, definovaného v pripojených patentových nárokoch a ich ekvivalentoch, vytvoriť jeho rôzne ďalšie modifikácie.

Prioritný dokument, francúzska prihláška vynálezu FR 0105500, podaná

24. apríla 2001 a s ňou korešpondujúca americká prihláška vynálezu, podaná 24. apríla 2002, sú zahrnuté do odkazov v ich úplnosti.

Čo do rozsahu ochrany a výkladu vyššie uvedeného a nasledujúcich nárokov je treba uviesť, že tu uvádzané jednotné číslo môže znamenať taktiež množné číslo.

Všetky dokumenty, na ktoré sa odkazuje, sú zahrnuté v ich úplnosti.

PP 1412-2003

32215/T h

Claims

1 .Kovový blok vhodný na obrábanie, zahrňujúci:

aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň

12,5 mm a má východiskovú medzu klzu v určenom smere, meranú v jednej štvrtine hrúbky, a ktoré môžu byť rovnaké alebo navzájom odlišné, a sú zvolené zo skupiny pozostávajúcej zo zliatin hliníka rovnakej triedy stým, že medza klzu v určenom smere sa v ľubovoľnom bode bloku rovná aspoň 75 % medze klzu plechu s najnižšou východiskovou medzou klzu v uvedenom určenom smere.

2.Kovový blok vhodný na obrábanie, zahrňujúci:

aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň

12,5 mm a má východiskovú medzu klzu v určenom smere, meranú v jednej štvrtine hrúbky, a ktoré môžu byť rovnaké alebo navzájom odlišné, a ktoré sú zvolené zo skupiny pozostávajúcej zo zliatin jednej triedy s tým, že medza klzu kovového bloku, meraná na skúšobnej vzorke, ktorá je odobratá z ľubovoľného miesta bloku s výnimkou zóny spojenia plechov, sa rovná aspoň 75 % medze klzu plechov s najnižšou východiskovou medzou klzu v uvedenom určenom smere.

3. Kovový blok vhodný na obrábanie, zahrňujúci:

aspoň dva na seba navrstvené plechy, z ktorých každý má hrúbku aspoň

12,5 mm, a ktoré môžu byť rovnaké alebo navzájom odlišné, a ktoré sú zvolené zo skupiny pozostávajúcej zo zliatin hliníka rovnakej triedy s tým, že medza klzu v určenom smere sa v ľubovoľnom danom bode nemení v rozsahu väčšom než plus/mínus 15 % priemernej hodnoty.

4. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že celková hrúbka bloku je aspoň 200 mm.

PP 1412-2003

32215/Th

5. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že celková hrúbka bloku je aspoň 400 mm.

6. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že celková hrúbka bloku je aspoň 600 mm.

7. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že hrúbka každého z plechov navrstvených na seba je aspoň 25 mm a výhodne aspoň 40 mm.

8. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že plechy sú vytvorené z rovnakej alebo rôznych zliatin hliníka.

9. Kovový blok podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že použitými zliatinami hliníka sú vytvrdené zliatiny hliníka.

10. Kovový blok podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že plechy sú v stave po zakalení.

11. Kovový blok podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že plechy sú v stave po zakalení a starnutí.

12. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 10 alebo 11, vyznačujúci sa tým, že plechy sú v stave po spracovaní na odstránení vnútorného pnutia ťahaním alebo stlačovaním.

13. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 11, vyznačujúci sa tým, že medza klzu v určenom smere sa v ľubovoľnom bode bloku rovná aspoň 85 % a výhodne aspoň 90 % medze klzu plechu s najnižšou východiskovou medzou klzu v uvedenom určenom smere.

PP 1412-2003

32215/Th

14. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 13, vyznačujúci sa tým, že plechy sú navzájom spojené lepením.

15. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 13, vyznačujúci sa tým, že plechy sú navzájom spojené zvalcovaním alebo skovaním.

16. Kovový blok podľa niektorého z nárokov a 1 až 13, vyznačujúci sa tým, že plechy sú navzájom spojené zváraním elektrónovým lúčom.

17. Kovový blok podľa niektorého z nárokov 1 až 13, vyznačujúci sa tým, že plechy sú navzájom spojené zváraním výbuchom.

18.Spôsob výroby kovového bloku podľa nároku 17, zahrňujúci: navrstvenie plechov v podstate rovnakej dĺžky a rovnakej šírky na seba, s konštantným rozostupom medzi nimi, za vytvorenia zostavy;

zaistenie rozhrania okolo všetkých bočných strán tejto zostavy; pokrytie povrchu vrchnej strany horného plechu výbušninou v celom jeho rozsahu; a uskutočnenie explózie tejto výbušniny.

19.Spôsob výroby konštrukčných súčastí lietadiel, zahrňujúci: poskytnutie bloku podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 17 a obrábanie tohto bloku na vytvorenie konštrukčného komponentu lietadla.

20.Spôsob výroby vstrekovacích foriem na lisovanie plastov alebo gumy, zahrňujúci:

poskytnutie bloku podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 17 a obrábanie tohto bloku na vytvorenie vstrekovacej formy.

21.Spôsob výroby obrábaných súčastí, zahrňujúci:

poskytnutie bloku podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 17 a obrábanie tohto bloku na vytvorenie obrobeného komponentu.