Jet jako pila

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.