Témata
Zdroj: VUT v Brně, FSI

Jet jako pila

Řezání materiálů pomocí pily patří k nejstarším technologiím dělení materiálů a je používáno napříč širokým spektrem odvětví průmyslu, bez ohledu na nárůst potřebnosti v řadě domácností v časech řádění kůrovce či přiškrcení energetických zdrojů. Ve strojírenství se tato technologie vyskytuje nejčastěji v přípravách výroby nebo výrobě polotovarů a již tady předznamenává výrobní náklady svou produktivitou a přídavky na obrobení.

Prof. Miroslav Píška

Univerzální obráběč kovů, 48 let praxe a výzkumu v technologii obrábění a materiálovém inženýrství. Zakladatel a spoluzakladatel konferencí Frézování/Milling (5 ročníků),  NewTech (7 ročníků) a zástupce ČR ve vědecké konferenci New Trends in Fatigue and Fracture (NT4F, 20 ročníků). Člen předsednictva Svazu nástrojáren české republiky. Je profesorem oboru Strojírenská technologie na FSI VUT v Brně. 

Scopus ID 650795955

ORCID iD 0000-0002-1873-3750

H-index (Scopus): 9 , 40 dokumentů, 307 citací  v 295 dokumentech
H-index (WOS): 8, 28 dokumentů, 209 citací v 205 dokumentech
Celkem: 316 publikací, 1 305 citaci v odborných pracích

Další publikace pro MM Průmyslové spektrum: 

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Materiály pro řezné nástroje, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.84-95, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie frézování, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.26-46, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie soustružení, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.6-22, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vrtání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.52-61, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vyvrtávání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.64-68, ISSN 1212-2572

PÍŠKA, M., HUMÁR, A.: Testování řezivosti nových nástrojových materiálů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.98-108, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Upínání rotačních nástrojů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.70-82, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M., PODRÁBSKÝ, T.:  Frézování kompozitů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2000, (2000), No.4, pp.14-15, ISSN 1212-2572

Reklama

Ve svém řezném principu soutěží průmyslové kotoučové pily s pilami pásovými. Pásové pily dnes zajišťují nižší prořez materiálu díky menší tloušťce pásů, většímu rozsahu řezaných polotovarů, možnosti adaptivního natáčení pásu (z vertikální roviny do roviny horizontální nebo podle zatížení pásu) a také díky široké paletě řezných geometrií a řezných materiálů. Kotoučové pily představují robustnější výkon, vyšší úběr materiálu, lepší rovinnost řezů a menší přídavky. Obě technologie však dnes doslova bojují o prvenství v tom, jak rychle dělit materiál s minimálními přídavky na další opracování při minimalizaci ztrát materiálu způsobených prořezem polotovarů.

Jak poznat kvalitní pilu

Pouhým okem se kvalitní pila určitě poznat nedá. Obvodové ostří klínovitého tvaru je vystaveno vysokým kontaktním tlakům, které musí vydržet zejména karbidové fáze, uložené v martenzitické matrici nebo spojené pomocí kobaltového pojiva ve formě slinutých karbidů. Tyto tenké, ale tvrdé karbidové destičky bývají s nosičem z pružného ocelového materiálu spojeny prostřednictvím vakuového pájení nebo vakuového svařování (zajištovaných elektronovým paprskem). Tím se vytvoří tvrdý, ale pružný břit, schopný pronikat do jiných materiálů. Řada kotoučových pil se vyrábí jako monolitní (z jednoho kusu materiálu, obvykle HSS). Úspěšné tepelné zpracování nástrojových ocelí a zejména odstranění tvarového zvlnění si žádají léta praktických zkušeností. Někdy pouhý úder rovnacím kladivem může pilu dostat do požadované tvarové přesnosti, nebo ji naopak zcela odsoudit k sešrotování. Ke spolehlivým analýzám vlastností pil patří řezné zkoušky, které prokážou řadu charakteristických vlastností pil.

Obr. 1. Silová analýza řezání zubu pilového kotouče: (a) s třením na čele břitu, (b) bez tření, (c) s výskytem opotřebení na hřbetě nástroje. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Řezné zkoušky – netlač na pilu

Vedle běžného měření základních geometrických parametrů pil a mechanických zkoušek tvrdosti jsou řezné zkoušky nejspolehlivější. Tyto zkoušky odrážejí nejen počáteční řezné vlastnosti ostrého nástroje, ale také rozvoj opotřebení a jeho dopad na další chování nástroje, kvalitu řezu a predikci jeho blízké či vzdálenější destrukce. Řezná geometrie předpokládá zpravidla pozitivní úhly čela a hřbetu, které jí umožňují snadné vniknutí do materiálu. Slinuté karbidy však obsahují nepatrnou fazetu s negativní geometrií čela za účelem zpevnění břitu a zvýšení odolnosti proti lomovému porušení. Pokud je nástroj ostrý a má pozitivní geometrii čela, pak je silové namáhání dominantní ve směru řezné rychlosti, s nízkým přítlakem ve směru přísuvu nástroje (obr. 1a). V případě povlakovaných a vhodně namazaných břitů, kdy se součinitel tření na čele břitu blíží k nule, může být nástroj dokonce do řezu i vtahován (obr. 1b), na pilu tudíž není nutno tlačit. Při opotřebení břitu na hřbetě, případně při zaoblení a jiné degradaci ostří vznikají nepříznivé tvary břitu. Ty pak zvyšují pěchování materiálu namísto jeho odřezání a výskyt pasivních sil, které mohu vyvodit dokonce vyšší silové zatížení, než je ve směru působení řezné rychlosti (obr. 1c). To je v praxi provázeno nevhodným utvářením třísek, uhýbáním nástroje z roviny řezu, případně nepříjemnými průvodními zvuky, které v řadě případů končí i vylomením zubů nebo lomem celého nástroje (obr. 2 a–d). Pro zhoršené podmínky řezu (zpevněné povrchy, přerušované řezy) jsou však tyto zpevňovací fazety (stejně jako děliče třísek) nutné a pak je, i přes nepříznivý poměr sil, důležitá stabilita poměru síly řezné a posuvové. Rovněž třetí ortogonální komponenta, působící axiálně ve směru osy nástroje, může signalizovat porušení symetrie zubu pily nebo jeho částečné vylomení. Analýza řezných sil není jednoduchá, je nutné snímat silové zatížení při pootočení zubů po 1°, ale pomocí tohoto měření a pokročilé statistické analýzy lze získat řadu užitečných průvodních veličin, rozhodujících o kvalitě a nákladovosti výroby.

Obr. 2. Přehled časového rozvoje břitu kotoučové pily: (a) nová pila, (b) abrazivní otěr, mikrovylomování břitů, (c) makrolom slinutého karbidu, (d) destrukce břitu, jeho zadření. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Reálné řezné zkoušky

Reálné zkoušky zahrnují vždy tříosé měření zatížení řezného nástroje (obr. 3), protože opotřebení nástrojů způsobuje vznik dalších sil, které mohou být u štíhlých nástrojů, jakými jsou pily, velmi významné. Tyto síly mohou vést k asymetrii zatížení pily, ztrátě rozvodů zubů, vyhřátí břitů nebo i zadření nástroje v řezu.

Obr. 3. Ukázka experimentálních zkoušek řezání, působení řezných sil. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Existuje celá řada parametrů, které definují řezivost nástroje: jsou to dosažitelný úběr materiálu [cm3.min−1], celková plocha řezu [m2], objem odebraného materiálu [cm3], dále poměrné veličiny – řezná dráha jednoho břitu [m], měrná energie řezání [J.cm−3] a měrná řezná síla [MPa] – ale i vznik vibrací. V praxi se zkoušky často omezují jen na řezné podmínky a řezný čas, jehož je možno dosáhnout (při sériové výrobě), nebo mnohdy na maximální počty řezaných kusů, dosažených při stejných řezných podmínkách.

Obr. 4. Ukázka časového silového zatížení kotoučových pil dvou výrobců (a, b) při stejných řezných podmínkách. Pila (b) je energeticky náročnější a méně stabilní. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)
Obr. 5. Časová analýza silového zatížení dvou různých pil (a, b) pomocí silových tripletů. Pila (b) vykazuje větší silové hodnoty i jejich rozptyl. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Sofistikovanější metody předpokládají využití kvalitních silových snímačů (dynamometrů) s vysokou hustotou načítání dat a modifikované řezné zkoušky, protože vyhodnotit například ideální PVD povlak pro pásové pily s délkou pásu několika metrů je finančně velmi náročné. Podobně proměnlivost zatížení nástrojů – od jednoho či žádného zubu až po řadu zubů v záběru, proměnné průřezy třísek, stav pohonných mechanismů, přesnost upínačů a napínacích přípravků garantujících stejné řezné podmínky – není jednoduché zaručit. I tato data mnohdy na první pohled nic neznamenají, protože na displeji počítače graficky téměř splynou (obr. 4 a 5).

Obr. 6. Časová analýza poměru síly řezné Fc k síle posuvové Fcn. Pila označená jako (a) vyžaduje asi o 20 % nižší přítlak do řezu než pila označená písmenem (b), má totiž vyšší pronikavost do řezaného materiálu. (Zdroj: VUT v Brně, FSI)

Avšak pokročilá analýza silových tripletů dokáže odhalit velmi zajímavé parametry, které monitorují chování břitu od prvního kontaktu s obrobkem a dokážou velmi úspěšně predikovat kontinuální nebo diskontinuální rozvoj opotřebení řezných břitů (obr. 6–7), který by mohl později způsobit i havárii nástroje. Rozsah měřených parametrů a jejich stabilita jsou citlivé signály, které při běžném provozu stroje téměř zaniknou, ale citlivé piezoelektrické snímače je dokážou odhalit již v době, kdy pila vykazuje téměř bezchybné řezání. Například prudké nárůsty v měrné řezné síle (obr. 6b) signalizují částečné vylomení břitů (obr. 2b), které se na krátkou dobu dokáže skrýt pod nárůstkem, ale brzy končí rozlomením nebo úplným vylomením břitu (obr. 2c), případně zničením jeho lůžka (obr. 2d) a ztrátou celé pily. V řadě případů může dojít i k poškození a vyřazení stroje z provozu a nákladné opravě. Pilové kotouče obsahují desítky až stovky břitů a v každém může být schován „ďábel“, což se předem vyloučit nedá, pokud jde o statisticky odlehlou veličinu, např. o vadu materiálu. Ale statisticky zpracované hodnocení všech břitů může uživatelům pomoci najít ideální řezný materiál, jeho geometrii i optimální řezné podmínky pro danou aplikaci.

Obr. 7. Analýza časového průběhu měrných řezných sil dvou kotoučových pil (a, b). Pro stejný materiál a stejné řezné podmínky by měla být shodná, ale není. U pily označené písmenem (b) došlo během několika sekund řezání k dvojnásobnému výraznému přepětí téměř o 100 % vůči pile označené jako (a). (Zdroj: VUT v Brně, FSI)
Reklama

Závěr

Touto metodikou se dá posoudit nejen úspěšnost volby pilového pásu či kotoučové pily pro danou aplikaci, ale i další vlivy na řezný proces, jako je např. chlazení, povlakování a upínání. U sériové výroby, kdy se určité materiály obrábějí ve větším objemu, se náklady spojené s analýzou řezných vlastností pil bezpečně vrátí. V řadě případů tak výrobci mohou posoudit kvalitu svých nástrojů vůči konkurenci, neboť se zde průvodní jevy číselně kvantifikují.


Poděkování
Tento příspěvek byl vytvořen s podporou projektu specifického výzkumu FSI VUT v Brně „Moderní technologie pro zpracování pokročilých materiálů využívaných pro interdisciplinární aplikace“, FSI-S-22-7957.

Související články
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.

EBM - průlomová technologie výroby exponovaných součástí

Tvarově složité součásti přímo z výchozích materiálů. Vysoká produktivita. Kvalitní struktura. Výborné mechanické vlastnosti. Redukovaná zbytková napjatost. Žádné opotřebené nástroje, upínací prvky. Různé materiály. Přímá tvorba montážních sestav. Sjednocení více součástek do jedné. Úspora energie, času, nákladů. Bez odpadu. Energeticky efektivní a ekologické. To je EBM!

Řezné materiály současnosti

Řezné materiály a nástroje odedávna určovaly produktivitu výroby a kvalitu obráběné produkce. Někdy je úchvatné pozorovat, jak malé množství řezného materiálu odolává nesmírnému mechanickému a teplotnímu zatížení při úběru materiálu, které dosahuje nejvyšších hodnot, pozorovatelných v technologické praxi. Často se nástroj musí včas vyměnit, i když na břitu mnohdy nejsou pouhým okem vidět stopy opotřebení, neboť nástroj není již chráněn tvrdými povlaky a nikdo nemůže riskovat havárii stroje a prostoje ve výrobě.

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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Konkurenceschopná výroba začíná kvalitním řezným nástrojem

Technologie obrábění tvoří společný základ pro řadu výrobních technologií. Touto zdánlivě jednoduchou technologií se vytvářejí různé tvary a rozměry rozmanitých součástí požadované kvality, další nástroje pro technologie tváření, vstřikování nebo lití pod tlakem. Dlouhodobým cílem je využívání zejména nástrojů s definovanou geometrií ostří, které má zásadní využití pro CNC a CAD/CAM technologie. Tato geometrie a její trvanlivost záleží na řezném materiálu a na podmínkách zatěžování v jednotlivých technologiích.

Povlaky, povlaky… bez nich to už prostě nepůjde!

V technologických procesech, které zahrnují zejména soustružení, frézování, frézování odvalováním, vrtání, řezání závitů, ale také operace dělení materiálů a stříhání, dochází k vysokým kontaktním tlakům, střižným napětím a působení vysokých teplot na rozhraní břit-obrobek-tříska. Moderní nástroje tyto podmínky dnes dokážou vydržet, dokonce i bez aplikací procesních kapalin a navíc i při vysokorychlostním obrábění zušlechtěných materiálů. Základní podmínkou je účinná ochrana funkčních ploch břitů pomocí tzv. povlaků.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Inovovaná fiber laserová centra

Dnešní výrobci plechových dílů vyžadují vysoce flexibilní, efektivní a inteligentní řešení. Nové inovace ve výrobě vláknového laseru Prima Power byly navrženy a vyvinuty tak, aby splňovaly tato očekávání. Platino Fiber Evo je nejnovější verzí platformy Platino s více než 2 000 instalací po celém světě, vylepšenou o důležité technologické inovace.

Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

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