Témata
Reklama

Deformace stopkových frézovacích nástrojů při obrábění

Neustálý tlak na snižování cen výrobků, a tudíž snižování výrobních nákladů, vede ke hledání progresivnějšího frézování. Patrný je především vývoj nových řezných nástrojů, jejich povlaků, optimalizovány jsou strategie třískového obrábění a zpřesňovány jsou matematické modely predikující jednotlivé detaily řezného procesu.

Progresivní neboli moderní, pokrokové, postupující či vyvíjející se frézování je velmi aktuální a jedna z  cest směřující k efektivněji vyrobené součástce je naznačena na obrázku 1.

Reklama
Reklama
Reklama


Obr. 1. Schéma modelu progresivního frézování.
Pro zvětšení klikněte na obrázek

Mezi nejvíce rozvinutá průmyslová odvětví, která kladou vysoké nároky na technologie třískového obrábění, patří bezesporu letecký, automobilový a energetický průmysl. Zde lze narazit na problematiku frézování tenkých stěn součástí, která je schematicky naznačena na obrázku 2a. V ideálním případě jsou síly působící na řezný nástroj nebo na obrobek natolik malé, že nezpůsobí jejich technologicky významný průhyb v průběhu frézování (obr. 2b). Tohoto stavu je zapotřebí dosáhnout především při dokončovacím obrábění. Neustálá snaha frézovat vyššími řeznými i posuvovými rychlostmi však většinou vede k technologicky významným pružným deformacím jednotlivých prvků soustavy nástroj-obrobek (obr. 2).

Obr. 2. Obrábění tenkých stěn součástí stopkovým frézovacím nástrojem: (a) model obrábění bokem frézy, (b) ideální stav – deformace nástroje i obrobku jsou zanedbatelné, (c) reálný stav – deformace nástroje i obrobku zhoršují kvalitu obrobeného povrchu.

Analytické řešení

Materiál obrobku technolog zpravidla neovlivní, ale materiál řezného nástroje, počet břitů v záběru nebo tvar dráhy, po které se fréza pohybuje, ovlivnit lze. Na souvisle řízených pětiosých frézovacích CNC centrech tedy již mohou být používány plynulé křivkové dráhy řezného nástroje, do kterých je integrována predikovatelná velikost průhybu frézy nebo stěny obrobku.

Průhyb reálného frézovacího nástroje obsahuje energie napjatosti W složeného namáhání zahrnující zejména ohyb My, smyk Tz a krut Mk a jejich derivace podle působící síly F. Toto obecné matematické vyjádření je ve tvaru rovnice:


Pro zvetšení klikněte na obrázek

Deformaci čelní stopkové frézy však lze zjednodušit na pouhý vetknutý válcový nosník (obr. 3), a pak ji lze vyjádřit rovnicemi pro průhyb:

úhel pootočení průřezu:
kde L je délka vetknutého válcového nosníku (délka frézy vysunuté z upínače), x je vzdálenost od radiálně působící síly, I je kvadratický moment průřezu frézy a E je Youngův modul pružnosti.

Průhyb frézy

Velikost průhybu frézy w je tedy závislá nejen na velikosti sil působících při obrábění, ale také na materiálu řezného nástroje, velikosti jeho průřezu a délce vyložení. Např. fréza z RO se prohne cca třikrát více než tvarově shodná fréza ze SK nebo cermetu a zmenšení průměru frézy z 16 mm na 8 mm může způsobit dokonce osminásobné zvětšení průhybu w.

Tab. 1. Parametr ►ap‘ obrobeného povrchu (frézování bez kompenzace; 2D analýza)

Čím přesnější je matematický model charakterizující průhyb reálných čelních stopkových frézovacích nástrojů, tím přesnější budou podklady pro kompenzování odchylky w. Významného zpřesnění při programování polohy špičky frézy s kompenzací jejího průhybu je tedy možné dosáhnout zpřesněním výpočtu kvadratického momentu průřezu. Průřez čtyřbřitou frézou (obr. 4a) lze vyjádřit pomocí čtyř tvarově shodných regionů (obr. 4b).

Návod na výpočet kvadratického momentu:


Pro zvětšení klikněte na obrázek

Obr. 3. Zjednodušený model frézovacího nástroje ve formě vetknutého válcového nosníku
Obr. 4. Model průřezu stopkové frézy s rovným čelem: (a) průřez řezné části frézy, (b) popis prvního regionu

Experimentální měření

Srovnání jednotlivých modelů predikujících velikost průhybu frézovacího nástroje a jeho vliv na kvalitu obrobeného povrchu lze realizovat různými experimentálními měřeními. Nejjednodušeji se může prokázat technologicky významný průhyb řezného nástroje obrobením rovinné plochy (obr. 5 a tab. 1). Průhyb frézy se při experimentu projevil na obrobené ploše ve formě vlnitosti, která byla ve 2D měřitelná přístrojem Talysurf Intra 50 a přístrojem Alicona Infinite Focus bylo navíc provedeno i kontrolní měření parametrů struktury obrobeného povrchu ve 3D.

Obr. 5. Model frézování rovinného povrchu bez kompenzace průhybu frézy

Seznam klíčových parametrů praktického laboratorního měření:

frézovací stroj: MCV1210,
frézovací nástroj: typ 06E4S50-16A06 SUMA, výrobce Pramet Tools, s. r. o.,
průměr řezného nástroje: d = 6 mm (ekvivalentní průměr řezné části 4 mm),
délka řezné části nástroje: 16 mm (délka drážek L1 = 19 mm),
délka vyložení frézy z upínače: L = 25 mm,
počet zubů řezného nástroje: z = 4,
materiál řezného nástroje: SK (E = 520 GPa),
procesní kapalina: Cimstar 597 s koncentrací 12 %,
axiální hloubka řezu: ap = 3 mm,
směr obrábění: sousledné frézování,
posuvová rychlost: vf = 2 389 mm.min-1 (posuv na zub fz = 0,18 mm),
otáčky řezného nástroje: n = 13 270 min-1,
materiál obrobku: Silumin (12 % Si).

Závěry

Technologicky významný průhyb frézy a jím způsobená nerovnost obrobeného povrchu při čelním frézování je tedy predikovatelná různými matematickými modely. Tabulka 1 uvádí jejich srovnání s prakticky naměřenými hodnotami. Nejvíce se výsledkům praktického měření blíží hodnoty predikované matematickým modelem válcového nosníku se dvěma průřezy a s kvadratickým momentem, který zjednodušeným způsobem zohledňuje velikost drážek řezné části frézy.

Dále zrealizované navazující praktické experimenty prokázaly, že predikováním průhybu frézy a implementováním zde prezentovaných hodnot do programů pro CNC frézovací stroje, došlo k redukci technologicky významného vlivu průhybu frézy až o 45 ± 5 %.

Tento článek byl zpracován v rámci řešení specifického výzkumu FSI VUT v Brně (v letech 2013‒2015) na téma: Výzkum pokročilých technologií obrábění pro konkurenceschopné strojírenství (FSI-S-13-2138).

polzer@fme.vutbr.cz

Ing. Aleš Polzer, Ph.D.
FSI VUT v Brně

Ústav strojírenské technologie

Reklama
Související články
Nová metodika hodnocení řezných vlastností nástrojů

Řezivost nástrojů je termín obdobný základním technologickým vlastnostem zpracovávaných technických materiálů, jako jsou například svařitelnost, slévatelnost či tvařitelnost. Podobně jako u jiných technologií je nutno vztáhnout tuto charakteristiku k požadovanému kritériu, to je k hlavnímu sledovanému cíli a základním podmínkám zkoušek. To znamená, jakou požadovanou práci či dosaženou kvalitu produkce od řezného nástroje očekáváme a s jakou spolehlivostí či rizikem tyto výkony chceme opakovat a používat.

HiPIMS – technologie pro tvorbu odolných povlaků

V dentální chirurgii používaný amalgám vynalezli kolem roku 1370 Arabové a po staletí ovládli umění účinně vyspravovat zubní dutiny. Smíchaná pasta stříbra a rtuti dobře vyplňovala zub a ztuhla do potřebného tvaru, během tuhnutí nabývala na objemu, a bránila tak průniku bakterií. Podobné principy vyplnění různých materiálových vrubů jsou vysoce ceněny i dnes, protože tyto ostré vruby bývají nukleačním místem řady trhlin a koroze, a v případě tahové napjatosti vedou k rozevření boků trhlin a lomovému porušení namáhaných dílců.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Související články
Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Nový utvařeč třísek

Neustále probíhající vývoj nové technologie povlakování, známé pod obchodním označením Dragonskin, pokračuje ve společnosti WNT vytvořením nové řady vyměnitelných břitových destiček pro soustružení s inovativní geometrií utvařeče třísky -XU. Zaměřením na tvarové a všeobecné soustružení řeší tento utvařeč mnoho problémů zejména v operacích, kde je vyžadováno dokonalé utváření třísky.

Cesty k vyšší energetické účinnosti v třískovém obrábění

Energie je stále dražší. Z analýzy spotřeby energie u obráběcích strojů a z návazného procesu obrábění je možné odvodit konkrétní závěry pro zvýšení energetické účinnosti a stanovit, co je základem pro optimalizaci nástrojů a procesu obrábění.

Nesousledné frézování

K výrobě zákaznických nástrojů neodmyslitelně patří rozvaha o životnosti a údržbě navrhovaných nástrojů. Její součástí je doporučení strategie obrábění včetně jeho smyslu. A to je zase přizpůsobeno konstrukčním možnostem obráběcího stroje. Konvenční stroje, které zajišťují posuv pomocí prosté soustavy šroub-matice, umožňují pouze nesousledný způsob frézování. Důvodem je obtížně odstranitelná vůle mezi šroubem a maticí. Ta by při volbě sousledného obrábění vedla v mezích této vůle ke vtažení obrobku pod frézovací nástroj a jeho jistou destrukci.

Patrick De Vos

Patrick De Vos se narodil v roce 1959 v Belgii. Už při studiu se věnoval oboru výrobní technologie. Po jeho skončení na škole zůstal ještě dva roky jako učitel a vědecký pracovník a věnoval se optimalizaci obráběcího procesu a výrobních technologií. Od roku 1983 pracuje pro Seco, kde vystřídal několik různých pozic. Od roku 2006 zastává svoji současnou funkci manažera výuky, kde je zodpovědný za vzdělávání zaměstnanců i zákazníků.

Sputtering v oblasti moderního PVD povlakování

V současné době jsou vysoce výkonné povlaky vyráběny celou škálou metod. Proces magnetronového naprašování (sputtering) umožňuje kombinovat různé povlakovací materiály a přitom poskytuje optimální pružnost a tvrdost povlaku. Ukázal se tak velmi efektivním pro mnoho aplikací.

PKD a CBN nástroje

Nástroje s řeznými hranami z PKD (polykrystalického diamantu) a CBN (kubického nitridu boru) jsou obzvlášť vhodné pro opracování hůře obrobitelných a vysoce abrazivních materiálů. V těchto případech dosahují vysokých kvalitativních parametrů zároveň při velké efektivnosti, tj. enormních trvanlivostí spolu s vynikající kvalitou obrobených povrchů při extrémní procesní spolehlivosti.

Produktivní a hospodárné obrábění vláknových kompozitů

S potřebou snižovat hmotnost výrobků při zachování jejich mechanických a dalších vlastností roste počet konkrétních aplikací pro použití specifických konstrukčních materiálů. Jedním z příkladů materiálů s rozšiřujícím se využitím jsou vláknové kompozitní materiály s polymerní matricí. Tyto materiály dnes již nejsou využívány výhradně v leteckém průmyslu, ale rozšiřují se dále například v oblasti automobilového průmyslu, energetice, stavebnictví nebo pro spotřební a sportovní zboží.

Výběr správného závitníku

Nejdůležitějším faktorem při jakémkoliv moderním obrábění je výběr nejvhodnějšího obráběcího nástroje pro danou aplikaci. Vzhledem k tomu, že nabídka závitníků umožňujících vytvoření závitu v obráběné díře je obrovská, může se nalezení správné volby jevit jako obtížné.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit