Témata
Reklama

Ekologické a technologické aspekty HSC obrábění

06. 06. 2001

Cílem průmyslové výroby je v souladu s výrobními postupy a za pomoci technologických prostředků a práce transformovat výchozí polotovary do finálních výrobků.

Základním prostředkem k hodnocení technologických procesů z hlediska jejich vlivu na životní prostředí jsou faktory, kterými se vyjadřuje působení výroby na prostředí. Jsou stanoveny na základě analýzy procesu jako technologického systému a zpravidla se dělí do čtyř základních skupin.
Technologické faktory - technické, fyzikální a chemické faktory, které slouží k popisu technologického postupu (úroveň výroby, efektivnost a složitost výrobního procesu, zlepšení struktury výroby, úroveň řezných parametrů, vyšší přesnost a přizpůsobivost výroby, spotřeba materiálu a energie, úroveň automatizace, množství škodlivin a odpadů).
Ekonomické faktory - zahrnují podstatné investiční a provozní náklady hlavních a pomocných procesů a další ekonomická a organizační hlediska (produktivita, využitelnost materiálu, výnosy hlavního procesu, použitelnost druhotných surovin, zisk z procesů ochrany životního prostředí).
Ekologické faktory - obsahují vybrané vlivy hodnocených environmentálních technologií (prevence vzniku exhalací a toxických odpadů, podíl využitelných odpadů, emise hluku a jeho vliv na životní prostředí, vliv na flóru a faunu, likvidace odpadů atp.).
Sociální faktory - sociální účinky technologického procesu (personální skladba pracovníků, zvýšení úrovně řídicí činnosti, kultura pracovních podmínek, zvýšení technologické kázně, poškození zdraví pracovníků, kvalifikace a vzdělání).
Současný stav strojírenské výroby je charakterizován neustále rostoucími požadavky na složitost výrobků, tvarovou a rozměrovou přesnost a integritu povrchu, zejména funkčních ploch obráběného dílce, zaváděním nových druhů konstrukčních materiálů, zejména materiálů s nižší měrnou hmotností a vysokou pevností, titanových slitin, intermetalických slitin, speciálních vrstvených hmot, polotovarů vyráběných práškovou metalurgií a metodou stereolitografie.
Základním směrem rozvoje technologie obrábění je hledání a aplikace nových směrů a postupů, směřujících ke zvyšování jakosti výrobků, zkracování výrobních cyklů, jejich mechanizaci, automatizaci a k zavádění a aplikaci vysoce přesných technologií.
Rozvoj průmyslu značně zvýšil a diverzifikoval technologická rizika. Je zřejmé, že průmyslové činnosti jsou neoddělitelné od ekologických dopadů a ekonomického rozvoje. Částečně lze eliminovat vliv technologických faktorů zaváděním HSC obrábění, obrábění bez chlazení a jejich kombinací.
Reklama
Reklama

Aplikace HSC obrábění

Jednou z možností, jak realizovat uvedené cíle, je aplikace HSC obrábění, které zahrnuje mimo podstatné zvýšení relativní rychlosti nástroje vzhledem k obrobku i možnost obrábění bez chlazení a obrábění tepelně zpracovaných ocelí a dalších velmi tvrdých materiálů, které bylo možné obrábět pouze broušením. Rychlostní obrábění a především obrábění bez chlazení je třeba posuzovat kromě jeho vztahu k obráběnému materiálu také z hlediska ekologického.
Současné řezné materiály zabezpečují aplikaci HSC obrábění zejména při obrábění oceli povlakovanými slinutými karbidy a cermety, neželezných kovů s nižší tavnou teplotou a nekovových materiálů polykrystalickým diamantem, litiny keramikou, kalených ocelí a litin polykrystalickým kubickým nitridem bóru.
Oblasti HSC obrábění pro různé metody obrábění

Teoretické aspekty HSC obrábění

Rozdíly mezi rychlostním a konvenčním obráběním se výrazně projevují v mechanismu tvorby třísky. Oddělování třísky je velmi složitým procesem, jehož průběh závisí na mnoha činitelích, zejména na fyzikálních vlastnostech obráběného materiálu a jejich závislosti na podmínkách plastické deformace. Obecně platí, že při zvyšující se řezné rychlosti se oblast plastické deformace v zóně tvorby třísky zužuje a ke vzniku třísky dochází plastickým skluzem v jediné rovině, tzv. rovině střihu.
Velikost úhlu roviny střihu F lze získat z podmínky minimálně vynaložené práce.
Cílem řešení je nalezení úhlu Φ, pro který bude síla F, kterou nástroj působí na odřezávanou vrstvu, minimální. Úhel střižné roviny ? závisí především na úhlu řezu da úhlu tření f :
Protože úhel f vyjadřuje tzv. střední součinitel tření, který obsahuje jednak vnitřní tření v materiálu třísky, jednak vnější tření mezi třískou a čelem nástroje, bude úhel fovlivněn všemi řeznými podmínkami, které mají vliv na velikost úhlu f. Hned po fyzikálních vlastnostech obráběného materiálu má největší vliv řezná rychlost vc, a to na deformační rychlost a množství vyvinutého tepla a tím i na teplotu povrchových vrstev třísky. Dále je ovlivněn úhel f mazacím médiem, který snižuje součinitel smykového tření na čele nástroje.
V podmínkách HSC obrábění znamená rostoucí řezná rychlost i vyšší množství práce potřebné k řezání, která se přemění v teplo. Převážná část vzniklého tepla se odvádí třískou, její teplota se blíží tavicí teplotě obráběného materiálu. Při určité řezné rychlosti se náhle změní fyzikální a chemické vlastnosti třísky a transformace obráběného materiálu v třísku probíhá v rovině střihu za vysoké teploty, která způsobí její podstatné změknutí a střední součinitel tření f = tg f se výrazně zmenší. Tím je značně eliminován vliv normálové složky řezné síly FN na čele nástroje, poklesne celkový řezný odpor, a tedy i třecí složka řezné síly Ft , důsledkem toho se zmenší intenzita opotřebení čela nástroje a úhel střižné roviny fse zvětší při značně zmenšeném úhlu tření fpodle předchozí rovnice na hodnotu:
Je-li téměř veškeré vzniklé teplo při obrábění odvedeno třískou, je minimalizován vliv energetického působení na vlastnosti povrchové vrstvy a vznik nežádoucích reziduálních pnutí po obrábění. Tato pnutí, často spojená s fázovými přeměnami, jsou vyvolána plastickou deformací povrchové vrstvy za působení teploty řezání.

Tepelná bilance HSC technologií

Ke vzniku tepla při HSC obrábění dochází transformací vynaložené práce. V teplo se přeměňuje veškerá práce vynaložená na řezání s výjimkou práce potřebné na pružné deformace a práce spotřebované na deformaci mřížky kovu a vytvoření nových povrchů. Pro HSC obrábění je možné předpokládat, že cca 98 % práce řezání se přemění v teplo.
Po matematických úpravách lze získat vztah, který vyjadřuje teplotu odvedené třísky:
(6*Pc*q*qt)/(Gt* cs)
kde Pc ... je pracovní výkon [kW];
q........ je podíl přeměněné práce v teplo (cca 98%) [%];
qt............. je podíl tepla přecházejícího do třísky [%];
Gt........... hmotnost třísek [kg.min-1];
cs............ měrná tepelná kapacita [J.kg-1.K-1].

Náhrada broušení HSC obráběním

Náhrada broušení nástrojem s definovanou geometrií břitu, zejména frézováním, je umožněna aplikací supertvrdých řezných materiálů, a to především polykrystalického kubického nitridu bóru. Tento řezný materiál si udržuje svou stabilní tvrdost až do 2000 °C, má výbornou odolnost proti teplotním šokům a vysokou odolnost proti mechanickému opotřebení. Uvedené vlastnosti způsobují, že si udržuje výrazně vyšší tvrdost oproti obráběnému materiálu při dané teplotě řezání a proces obrábění může probíhat efektivně.
Jeho další předností je vysoká řezivost, dovolující řeznou rychlost např. při frézování kalené oceli a litiny 200 - 400 m.min-1 a šedé litiny kolem 2000 m.min-1 při posuvech 1000 - 2000 mm/min. Při frézování kalených vodicích ploch obráběcích strojů se dosahuje rovinnosti 0,01/1000 mm a drsnosti povrchu R= 0,6 - 0,8 (m. Vyšší řezivost znamená i vyšší trvanlivost podle kritéria rozměrové a tvarové přesnosti a drsnosti obráběného povrchu. Tato skutečnost je zvláště významná u CNC strojů, kde náklady na jednu hodinu práce stroje jsou vysoké. Nevýhodou aplikace PKNB při frézování jsou vyšší požadavky na tuhost a dynamickou přesnost frézovacích hlav. Požadavek na axiální a radiální házení je podle velikosti frézovací hlavy 2 - 5 (m.
Z ekonomického hlediska je frézování kubickým nitridem bóru velice efektivní a lze jim nahradit v řadě případů operace broušení. Lze přitom očekávat i značné energetické úspory, protože spotřeba výkonu na odebrání stejného množství materiálu broušením je průměrně čtyřikrát větší než frézováním.

Obrábění bez chlazení

HSC obrábění je možné a v některých případech žádoucí kombinovat s obráběním bez chlazení. Při tomto procesu musí být splněna podmínka, že čas obrábění, trvanlivost nástroje a jakost obrobené plochy budou minimálně stejné jako při chlazení. To lze snadno splnit při obrábění šedé litiny. Tento materiál tvoří při obrábění krátkou třísku, vyvíjí se poměrně malé množství tepla a řezné síly jsou v důsledku přítomnosti grafitu jako mazacího média nízké.
Při obrábění bez chlazení je minimalizována nebo zcela vyloučena aplikace řezných kapalin. Je nutné ale zdůraznit, že ne všechny metody obrábění (např. vrtání) a také ne všechny obráběné materiály (např. hořčík) jsou k obrábění za sucha vhodné. Obrábění bez chlazení má i efekty ekonomické. Podle statistických údajů se do ceny výrobku promítá cena řezné kapaliny 7 - 17 %, zatímco cena nástrojů představuje pouze 2 - 4 %. Úroveň těchto nákladů závisí na výrobních operacích, na výrobku a jeho jakosti, na typech výrobních strojů a způsobu aplikace řezných kapalin apod.

Přednosti HSC obrábění

Hlavní výhody aplikace HSC obrábění:
  • dosažení vysoké kvality obráběného povrchu, zpravidla bez nebezpečí vzniku nežádoucích reziduálních pnutí na obrobeném povrchu;
  • zvýšení objemu odebraného materiálu při hrubování [cm3.min-1], resp. při dokončování zvětšení obrobené plochy [cm2.min-1] (zvýšení řezné rychlosti, zvýšení posuvové rychlosti);
  • vlivem menšího pěchování třísky se sníží řezné síly cca o 1/3;
  • z důvodů vysoké řezné rychlosti je vzniklé teplo převážně odváděno třískami a výrazně se sníží tepelné zatížení nástroje a obrobku;
  • zpravidla se sníží i pravděpodobnost vzniku chvění, protože vysoká budicí frekvence otáčení vřetena je mimo oblast samobuzeného kmitání;
  • je možné výhodně aplikovat obrábění bez chlazení, které kromě ekonomických výhod (odpadají náklady na chladicí kapaliny a jejich likvidaci) má i výrazné ekologické dopady.
  • Kromě uvedených výhod je třeba zvažovat i vybavení provozů pro obrábění vysokými řeznými rychlostmi. Toto vybavení mohou tvořit obráběcí stroje jak konvenční, tak i číslicově řízené s otáčkami frézovacích vřeten 10 000 - 80 000 min-1, otáčkami vřeten soustruhu 5000 - 15 000 min-1, s výkony od 15 kW až po 60 kW, s maximální rychlostí pracovních posuvů 10 - 40 m.min-1, rychloposuvů 90 - 120 m.min-1 a zrychlením až 2 g.
    Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc.
    Doc. Ing. Jaroslav Prokop, CSc.
    Ing. Alena Kocmanová
    Vysoké učení technické v Brně
    Reklama
    Vydání #6
    Kód článku: 10695
    Datum: 06. 06. 2001
    Rubrika: Trendy / Obrábění
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Na konstrukci záleží - maximalizace výkonu výrobní linky

    V současné době moderních výrobních technologií požadují různá průmyslová odvětví rychlá a efektivní řešení pro hromadnou výrobu. Pro tento účel byly navrženy výrobní linky. Ty se skládají z několika zpravidla jednoúčelových strojů vybavených různými typy nástrojů pro různé obráběcí operace, jako jsou soustružení, vrtání, frézování anebo vyvrtávání. Každý jednotlivý stroj může být vybaven několika vřeteny s řeznými nástroji pro obrábění různých povrchů obrobku, což znamená, že současně může pracovat i několik desítek nástrojů.

    Inovace a zvýšení produktivity obrábění v leteckém průmyslu

    Svět se pod tlakem pandemie mění a s ním se mění i pohled na letecký průmysl. Kvůli těmto změnám je třeba pomáhat zákazníkům jejich výrobu nejen znovu rozbíhat, ale i optimalizovat. O to důležitější je pro firmu Gühring dívat se do budoucnosti a nepodléhat krizovým tendencím. Gühring je tradičním dodavatelem pro letecký průmysl, a to nejen u nás v České republice, ale i celosvětově.

    Japonské brousicí stroje

    Japonská společnost Okamoto působí na trhu již necelých sto let. Za dobu své existence vyprodukovala mnoho typů strojů, všechny však brousicí. Následující článek představuje historii tohoto tradičního japonského výrobce a průřez portfoliem brousících strojů.

    Související články
    900 000 nástrojových datových záznamů navíc

    Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Pohodlné upínání magnetem

    Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

    Manipulační systém HS flex heavy

    Firma Hermle se již téměř dvacet let zabývá automatizací svých obráběcích center a jako pokračování tohoto vývoje nyní uvádí na trh výkonný, kompaktní a rovněž cenově mimořádně atraktivní automatizační nástroj - manipulační systém HS flex heavy.

    Řídicí systém z vlastní dílny, 3. díl: Pokročilé technologické aplikace

    Třetí díl našeho seriálu o řídicím systému OSP - P300A firmy Okuma navazuje na dvě předchozí kapitoly, ve kterých jsme stručně představili architekturu systému a inteligentní funkce, které podstatně navyšují přesnost stroje, kvalitu obráběného povrchu i hospodárnost a bezpečnost stroje. Tato část série bude o technologických aplikacích implementovaných do OSP k jednoduchému použití operátorem.

    Čištění upínacích kuželů nástrojů

    Při obrábění je zpravidla věnována značná pozornost kvalitě řezných nástrojů a také způsobu jejich upnutí. Již menší pozornost ale bývá věnována rozhraní upínací kužel - vřeteno stroje. Přitom právě upnutí nástrojové sestavy ve vřetenu obráběcího stroje výrazným způsobem ovlivňuje jak celý proces obrábění, tak i trvanlivost ostří, bezpečnost a v neposlední řadě také životnost upínačů i drahých vřeten strojů.

    Na cestě stát se globálním jazykem produkce

    V loňském roce na veletrhu EMO se uskutečnila první "live" prezentace univerzálního rozhraní obráběcích strojů umati (universal machine tool interface), do které se na výstavě zapojilo na sedmdesát firem z deseti zemí se 110 stroji a 28 softwary. Tato inciativa vytvořit standardizované rozhraní, které uživatelům umožní snadnou a bezpečnou integraci nových strojů, softwarů a dalších zařízení do vlastních IT ekosystémů na principu plug and play, vznikla v roce 2017 pod záštitou VDW (Německá asociace výrobců obráběcích strojů). VDW nyní spojuje své síly s VDMA (Svaz německých strojírenských podniků), aby společně podporovaly šíření a používání standardů OPC UA v celém strojírenském sektoru pod značkou umati.

    Strojírenské podniky v době pandemie

    Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

    Nástroje ve znamení podnikové mantry

    Tento článek si klade za cíl představit zajímavé nástroje, z nichž některé se dokážou sami ohlásit k údržbě, některé se dokážou třeba i samostatně nastavit. Vše je inspirováno dnešní podnikovou mantrou jednoduché obsluhy, procesní spolehlivosti a úspory vedlejších časů a tím i nákladů.

    Vysoce výkonné vrtání kovaných dílů

    Kované ocelové díly se často používají v aplikacích s vysokými požadavky na pevnost a spolehlivost, jako jsou např. oka ojí pro zemědělské stroje. U těchto dílů jsou kladeny požadavky na vysokou pevnost a tvrdost, což kovaná ocel splňuje. A pro obrábění těchto materiálů jsou samozřejmě třeba vysokovýkonné stroje.

    Doplňkový katalog nástrojů

    Specialista na třískové obrábění, společnost Ceratizit, vydává svůj nový doplňkový katalog Up2date, v němž opět představuje inovované nástroje, produktové doplňky i zcela nová nástrojová řešení - mezi nimi i čtyřbřitý vrták WTX HFDS.

    Bezobslužná výroba forem rychle a přesně

    Požadavky na výrobce nástrojů pro vstřikování plastových dílců rostou kontinuálně, současně se zvyšuje tlak na ceny ze zemí s nízkými mzdami. Pro výrobu těchto nástrojů jsou proto vyžadovány obráběcí stroje, které jsou vysoce produktivní i velmi přesné, aby bylo možné snížit náklady na opravu zmetků a rychle splnit přání zákazníků. Kromě toho musí "ladit" podpora ze strany výrobce stroje.

    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