Témata
Reklama

Nekonvenční metody obrábění

Ve spolupráci s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii začínáme tímto číslem otiskovat seriál věnovaný méně rozšířeným metodám obrábění, které využívají různých fyzikálních principů a obvykle se označují souhrnným pojmem nekonvenční technologie obrábění. Čtenářům MM Průmyslového spektra se tak do ruky postupně dostane ojedinělá příručka, která je provede těmito technologiemi a seznámí je s jejich možnostmi. Autory seriálu jsou ing. Jaroslav Řasa, CSc. a ing. Zuzana Kerečaninová, PhD.

Úvod

1 Elektroerozivní obrábění

Základem úběru materiálu je elektroeroze, kdy vlivem vysoké koncentrace energie (105 až 107 W.mm-2) materiál taje a odpařuje se.

1.1 Princip metodyElektroerozivní obrábění je proces, u kterého se dosahuje úběru materiálu elektrickými výboji mezi anodou (nejčastěji ji tvoří nástrojová elektroda) a katodou (nejčastěji ji tvoří obrobek) ponořenými do tekutého dielektrika (obr. 1.1), což je většinou kapalina s vysokým elektrickým odporem. Pozor! Elektroerozivním obráběním lze opracovávat pouze elektricky vodivé materiály!Zákonitosti elektroeroze:podléhají jí všechny elektricky vodivé materiály;vhodným zapojením a volbou pracovních parametrů elektrického obvodu lze dosáhnout dvou druhů výbojů:oblouk, tj. stacionární výboj;jiskra, tj. nestacionární výboj;výboje probíhají mezi elektrodami ve vzdálenosti 5 až 100 ?m;intenzita působení výboje závisí na:elektrických parametrech výboje;vzdálenosti mezi elektrodami;znečištění a vodivosti dielektrika.Elektroerozivní obrábění se používá pro:hloubení dutin zápustek a forem;výrobu složitých tvarových povrchů;řezání drátovou elektrodou;leštění povrchů;výrobu malých otvorů (mikroděrování);elektrokontaktní obrábění.

Reklama
Reklama
Obr. 1.1. Princip zařízení pro elektroerozivní obrábění 1 – směr posuvu nástrojové elektrody, 2 – nástrojová elektroda, 3 – generátor, 4 – pracovní vana, 5 – tekuté dielektrikum, 6 – obrobek, 7 – elektrický výboj

1.2 Hloubení dutin zápustek a foremModerní stroje mají všechny činnosti řízeny CNC řídicím systémem. Konkrétně se jedná o řízení směru a rychlosti pohybů, polohy pracovního stolu, pracovních parametrů generátoru, přívodu dielektrika, automatické výměny elektrod v zásobníku (obr. 1.3b), rychlosti přísuvu elektrody a kontrolu probíhající elektroeroze. Řídicí systémy umožňují snadné naprogramování stroje. Postup úběru materiálu lze simulovat na obrazovce. Elektroerozivní stroje pro hloubení dutin se vyrábějí také v provedení, které umožňuje bezobslužný provoz až po dobu 48 hodin.Jednotlivé technologické aplikace vyžadují různé formy elektrických výbojů, které jsou na nástrojovou elektrodu a na obrobek přiváděny z generátoru ve formě pulzů o určité frekvenci. Každý pulz je charakterizován napětím, proudem a tvarem.

Obr. 1.2. Schéma elektroerozivního stroje 1 – pracovní hlava, 2 – filtrační zařízení, 3 – filtr, 4 – dielektrikum, 5 – čerpadlo, 6 – pracovní stůl, 7 – obrobek, 8 – nástrojová elektroda, 9 – generátor, 10 – CNC řídicí systém
Obr. 1.3. Pracovní prostor elektroerozivního stroje pro hloubení dutin.

1.2.1 DielektrikumJako dielektrika se používají strojní olej, transformátorový olej, petrolej, destilovaná voda, deionizovaná voda a speciální dielektrika dodávaná výrobci strojů. Přívod dielektrika mezi obrobek a nástrojovou elektrodu, tzv. vyplachování, je možné realizovat několika způsoby:vnější vyplachování: nejčastěji se používá při obrábění dutin o větší hloubce; je vhodné použít jej v kombinaci s pulzním vyplachováním (viz dále);vnitřní tlakové vyplachování: dielektrikum je přiváděno otvorem v nástrojové elektrodě přímo do pracovního prostoru. Nevýhodou je menší tvarová přesnost boků vyráběné dutiny;vyplachování odsáváním: realizuje se odsáváním dielektrika dutinou v nástrojové elektrodě nebo v obrobku. Vyznačuje se velmi dobrou tvarovou přesností obráběné dutiny;pulzní vyplachování: je charakterizováno přerušením procesu elektroeroze na 0,15 až 10 s za současného oddálení nástrojové elektrody od obrobku o 0,02 až 10 mm, čímž se zvětší pracovní mezera mezi obrobkem a elektrodou, a dosáhne se tak jejího dokonalého vypláchnutí. Tento způsob vyplachování je výhodný při výrobě hlubokých dutin, při použití tenkých elektrod nebo při obrábění načisto. Moderní CNC řídicí systémy umožňují pulzní způsoby vyplachování naprogramovat;kombinované vyplachování: jedná se o kombinaci vnitřního tlakového vyplachování a odsávání, čímž lze dosáhnout přesných tvarů obráběné dutiny; používá se zejména při hloubení tvarově složitých dutin.

Obr. 1.4. Přívod dielektrika mezi obrobek a nástrojovou elektrodu – vyplachování a) vnější, b) tlakové vnitřní, c), d) odsáváním, e) pulzní, f) kombinované 1 – nástrojová elektroda, 2 – pracovní vana, 3 – dielektrikum, 4 – obrobek, 5 – přívod dielektrika, 6 – odsávání dielektrika

1.2.2 Nástrojové elektrodyJako nástroje se u elektroerozivního obrábění používají nástrojové elektrody, které jsou důležité z hlediska technického (určují přesnost rozměrů, jakost obrobené plochy a výkon obrábění) i ekonomického. Nástrojová elektroda se navrhuje a konstruuje pro každý případ obrábění samostatně. Náklady na její zhotovení činí až 50 % z celkových výrobních nákladů. Důležité je volit velmi pečlivě materiál, způsob výroby a také způsob upínání ve vřetenu podle použitého stroje, u strojů s automatickou výměnou elektrod také uložení a identifikaci elektrody v zásobníku nástrojů.Materiály pro výrobu elektrod:kovové: elektrolytická měď, slitina wolframu a mědi, slitina wolframu a stříbra, ocel, slitina chromu a mědi, mosaz;nekovové: grafit;kombinované: kompozice grafitu a mědi.Materiál nástrojové elektrody se volí podle materiálu obrobku, použitého stroje a relativního objemového opotřebení nástrojové elektrody. Vybrané materiály podle účelného použití nástrojových elektrod v návaznosti na danou úlohu obrábění jsou uvedeny v tabulce 1.1.U moderních elektroerozivních strojů s automatickou výměnou nástrojových elektrod je výhodné rozdělit celkový tvar obráběné dutiny na jednodušší snadněji a přesněji vyrobitelné tvary: kruhy, obdélníky, čtverce, trojúhelníky apod. Další možnost zjednodušení tvaru nástrojové elektrody poskytuje CNC řídicí systém, který umožňuje vhodnou kombinací tvaru a pohybu elektrody vyrobit tvarově velmi složité dutinyPři stanovení rozměrů nástrojových elektrod se vychází:z požadovaného rozměru dutiny;z velikosti pracovní mezery, která je funkcí pracovních parametrů generátoru (volí se z podkladů dodávaných výrobcem strojů);z požadované drsnosti obrobeného povrchu, která je funkcí pracovních parametrů generátoru a tvarové chyby vzniklé např. při hrubování (dané způsobem vyplachování, tvarem dutiny apod.);z tloušťky narušení obrobeného povrchu - má význam pouze při velkých energiích výbojů (obvykle dosahuje hodnot 0,005 až 0,01 mm);z minimální hodnoty, o kterou musí být nástroj menší, aby se dosáhlo požadovaného rozměru dutiny.Při výrobě ostrých rohů je nutná korekce tvaru nástrojové elektrody.Příklad stanovení rozměru hrubovací elektrody na hloubení dutiny kruhového tvaru:d = D - 2(a + Rmax + z) = d - 2Mm,kde:d - průměr nástrojové elektrody,D - požadovaný rozměr dutiny,a - velikosti pracovní mezery,Rmax - požadovaná drsnost obrobeného povrchu,z - tloušťka narušeného povrchu,Mm - minimální hodnota, o kterou musí být nástroj menší pro dosažení požadovaného průměru dutiny.Stanovení rozměru dokončovací elektrody je dáno vztahem:d = D - 2a.

Obr. 1.5. Nástrojové elektrody a) elektroda s ostrými hranami vyrobená z grafitu
Obr. 1.6. Výroba dutiny kombinací tvaru a pohybu nástrojové elektrody a) kruhové, b), c) obdélníkové, d) osmihranné, e) kuželové, f) kulové 1 – obrobek, 2 – nástrojová elektroda, 3 – pracovní pohyby nástrojové elektrody
Obr. 1.7. Stanovení rozměru hrubovací nástrojové elektrody

1.2.3 Dosahované parametryKvalita povrchu opracované plochy je dána její drsností a také jejím stavem, tzn. složením. Dosahovaný úběr materiálu obrobku činí 8 až 10 mm3.min-1.1.3 Výroba složitých tvarových povrchůVýroba složitých tvarových povrchů se od hloubení dutin zápustek a forem technologicky liší v provedení nástrojové elektrody a ve tvaru obráběného povrchu. Obráběný povrch je tvořen vnějším tvarem, drážkou nebo průchozí dírou. Obrábění složitých tvarových povrchů je možné při použití stroje s CNC řídicím systémem s více řízenými souřadnými osami; např. tři přímočaré posuvné pohyby ve směru tří vzájemně kolmých os a dva otáčivé pohyby, jejichž složením lze získat planetový pohyb.

Obr. 1.8. Složení povrchu opracované plochy 1 – mikrovrstva tvořená chemickými sloučeninami vzniklými difuzí prvků dielektrika, 2 – vrstva obsahující prvky materiálu nástrojové elektrody, 3 – tzv. bílá vrstva (silně nauhličená znovu ztuhlá tavenina martenzitické struktury), 4 – pásmo tepelného ovlivnění (zakalený a popuštěný základní materiál obrobku), 5 – pásmo plastické deformace vyvolané rázy pulzů, 6 – základní materiál obrobku
Obr. 1.9. Výroba povrchů kombinací tvaru a pohybů nástrojové elektrody a) průchozí nekruhová díra, b) uzavřená drážka, c) drážka ve šroubovici, d) díra tvaru části kruhového oblouku, e) ozubený hřeben 1 – nástrojová elektroda
Obr. 1.9. Výroba povrchů kombinací tvaru a pohybů nástrojové elektrody 2 – obrobek

1.4 Řezání drátovou elektrodouPlatí zde stejné fyzikální zákonitosti elektrické eroze jako u hloubení. Metoda umožňuje vyrábět plochy mající přímku jako tvořící křivku.Stroj pro elektroerozivní řezání drátovou elektrodou tvoří obdobné hlavní skupiny jako stroje pro hloubení. Rozdíl je v nástrojových elektrodách a v systému podávání a vedení drátové elektrody. Nástrojovou elektrodu tvoří tenký drát. Aby se předešlo jeho nadměrnému opotřebení, odvíjí se pomocí speciálního napínacího mechanismu. Drát je většinou měděný, pro větší průměry se používá mosazný a na velmi jemné řezy molybdenový o průměru 0,03 až 0,07 mm. Mezi nástrojovou elektrodou a obrobkem vznikají elektrické výboje. Nástrojová elektroda tvořená drátem je nástroj, který může odebírat materiál v každém směru a ve spojení s vhodným řídicím systémem je možné přesně obrábět i velmi složité tvary. Systém umožňuje naklopení nástrojové elektrody vzhledem ke svislé ose v rozsahu ±30°.Pro zajištění automatizovaného procesu obrábění jsou moderní stroje vybaveny automatickým vrtáním díry pro zavedení drátu, automatickým zavedením drátu na počátku práce do vyvrtané díry a adaptivním řízením. Automatického provozu bez obsluhy se dosahuje po dobu až 80 hodin.

Obr. 1.10. Princip elektroerozivního řezání drátovou elektrodou 1 – drátová elektroda, 2 – CNC řídicí systém, 3 – generátor, 4 – směr posuvu elektrody, 5 – vyřezaná drážka, 6 – obrobek
Obr. 1.11. Stroj pro elektroerozivní řezání drátovou elektrodou a) celkový pohled
Obr. 1.11. Stroj pro elektroerozivní řezání drátovou elektrodou b) pracovní prostor stroje
Obr. 1.12. Příklady výrobků – řezání drátovou elektrodou
Obr. 1.12. Příklady výrobků – řezání drátovou elektrodou

1.4.1 Dosahované parametryPřesnost vyřezaných tvarů je dána vlastnostmi stroje, přesností vedení a napnutí drátu, přesností a spolehlivostí CNC řídicího systému, stabilitou nastavených pracovních parametrů generátoru a kvalitou přívodu a čistění dielektrika. Je důležité, aby nástrojová elektroda vstupovala do místa řezání dokonale napnutá a vyrovnaná.Při řezání drátovou elektrodou lze dosáhnout: maximálního úběru materiálu 35 až 200 mm2.min-1;rovnoběžnosti řezu do 2 ?m na 100 mm;jakosti obrobeného povrchu Ra = 0,15 až 0,3 ?m;přesnost rozměrů a tvaru obrobeného povrchu závisí na tepelné stabilizaci stroje:při kolísání teploty ±3 °C je přesnost 4 ?m;při kolísání teploty ±1 °C je odchylka 1 ?m;maximální tloušťka řezaného materiálu dosahuje 350 mm.

1.5 Leštění povrchůU forem, u kterých je požadována jakost obrobeného povrchu Ra = 0,2 ?m, byla vyvinuta speciální metoda elektroerozivního leštění. Používají se pulzy o nízké energii a velmi krátké době trvání (3 až 5 ?s). Nástrojové elektrody mají leštěný povrch a při práci konají orbitální pohyb. Pro dosažení lesklého povrchu lze hospodárně leštit plochu do 100 cm2.

1.6 Výroba mikrootvorůPři použití speciálních strojů s generátory pulzů o malé energii a krátké době trvání (3 až 5 ?s) je možné vrtat kruhové i nekruhové otvory malých rozměrů 0,02 až 5 mm do hloubky až 100 mm. Stroj (obr. 1.15) je vybaven přípravkem pro přesné vedení elektrody a optickým zařízením pro polohování nástroje. Nástrojové elektrody jsou z wolframového drátu. Nástrojová elektroda koná kmitavý pohyb, aby bylo zajištěno dobré vyplachování.Dosahované parametry:přesnost otvoru závisí na přesnosti nástrojové elektrody a na přesnosti stroje;jakost opracovaného povrchu Ra = 0,08 až 0,5 ?m.

Obr. 1.13. Schéma podávání a vedení drátové elektrody

1.7 Elektrokontaktní obráběníZvláštním případem elektroerozivního obrábění je obrábění elektrokontaktní, při kterém dochází k úběru materiálu elektrickými nestacionárními kontaktními obloukovými výboji. Doba trvání výboje je až 0,01 s. Elektrody (tj. nástroj a obrobek) jsou zapojeny do obvodu se zdrojem střídavého napětí (transformátor o výkonu 10 až 250 kW při frekvenci 50 až 500 Hz). Zde nástrojová elektroda vykonává otáčivý pohyb, čímž se dosahuje mechanického buzení kmitů a zabraňuje se svaření nástroje a obrobku. Na nástrojové elektrodě jsou vytvořeny drážky, které zlepšují vyplachování dielektrika.

Obr. 1.14. Schéma stroje pro výrobu mikrootvorů elektroerozivní technologií 1 – elektroerozivní stroj, 2 – ultrazvukový generátor, 3 – řídicí systém stroje, 4 – dielektrikum, 5 – obrobek, 6 – nástrojová elektroda, 7 – generátor pulzů, 8 – převodník elektrických kmitů na mechanické
Obr. 1.15. Princip stroje pro elektrokontaktní dělení materiálů 1 – napájecí zdroj, 2 – transformátor, 3 – obrobek, 4 – nástrojová elektroda

1.7.1 Dosahované parametryElektrokontaktní obrábění je charakterizováno:výkonem obrábění (tj. množstvím odebraného materiálu) až 106 mm3.min-1;tepelným ovlivněním obrobeného povrchu do hloubky 0,2 až 5 mm;velkou energetickou náročností řádově v kW.h-1.kg-1;vznikem ultrafialového záření;nízkou kvalitou obrobeného povrchu.Elektrokontaktní obrábění je vhodné pro řezání nálitků, vtoků, opracování svarů apod.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,Ing. Zuzana Kerečaninová, PhD070710ČVUT

 VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

z.Kerecaninova@rcmt.cvut.cz

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 70710
Datum: 19. 07. 2007
Rubrika: Inovace / Nekonvenční technologie
Autor:
Firmy
Související články
Odhrotování výbuchem

Odhrotování výbuchem se odborně nazývá termické odhrotování (TEM). Jde o vysoce výkonnou a maximálně produktivní metodu odhrotování menších, tvarově složitých, jednoduchých i velmi náročných výrobků, na které jsou kladeny ty nejvyšší požadavky z hlediska čistoty, kvality, a ekonomiky výroby. Tato nekonvenční metoda je schopna stoprocentně zajistit, že se později v zabudovaných součástkách nic neuvolní. Používá se zejména po třískovém obrábění železných i neželezných kovů nebo po středním či vysokotlakém lití menších neželezných odlitků.

Advanced manufacturing

Součástí portfolia společnosti GF Machining Solutions jsou pokročilá výrobní řešení, která zahrnují aditivní výrobu, laserové texturování a laserové mikroobrábění.

Automatizované pracoviště elektroerozivního obrábění

Společnost Mesit foundry má za sebou šedesátiletou zkušenost z výroby odlitků metodou vytavitelného voskového modelu a více jak padesátiletou historii výroby vstřikovacích forem. V současnosti je dodavatelem kvalitních vstřikovacích forem pro plasty a forem pro přesné lití kovů, které využívají zákazníci, například při dodávkách největším světovým automobilkám.

Související články
Nové dimenze tváření a obrábění

Věcí, bez kterých si většina z nás už neumí život vůbec představit, neustále přibývá. Počítače, telefony, televize, auta – a tak bychom mohli pokračovat téměř do nekonečna. Kdybychom se ovšem většiny laické veřejnosti dotázali, jak tyto věci vlastně vznikají, asi bychom se setkali s nechápavým pohledem.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inovace? Inovace ano! Ale jak?

Na příkladu rozvoje originálního plazmochemického systému příspěvek popisuje potenciál a bariéry zbytků možností a perspektiv hospodaření v naší republice po tom, co jsme zavedli tržní ekonomiku, urychleně privatizovali, sehnali investory, drželi nízké mzdy a kurz koruny k euru atd., s cílem dohnat nejen vyspělé sousedy, ale i Německo. Není tématem tohoto článku rozebírat uvedené jednotlivosti, záměrem autora bylo v praxi pomoci ekonomice této země.

Popis světlem je trvanlivý

Brzdový kryt, boty, coca-cola nebo identifikační značky skotu – průběžné značení údajů laserem je dnes ve výrobě neodmyslitelné. Vlastnosti, které skýtá značení laserem, umožňují trvalé, spolehlivé, flexibilní a automatizovatelné značení předmětů.

Elektroerozivní technologie jemných pulzů

S technologií Fine Pulse Technology představuje společnost Walter svou novou koncepci elektroerozivního obrábění, která nastavuje nové standardy ve smyslu dosažené kvality povrchu a řezné hrany a tím i procesní spolehlivosti PKD nástrojů.

Rozvoj a současná úloha aditivní výroby

Není pochyb o tom, že v nadcházejících letech aditivní výroba (AM) kovů (běžně známá jako 3D tisk kovů) změní způsob, jakým budou výrobci přistupovat k průmyslové výrobě, která byla v tradičním pojetí založena na ‚subtraktivních‘ procesech. Ve skutečnosti již OEM (Original Equipment Manufacturer) výrobci z různých oblastí, počínaje prototypovou automobilovou a leteckou výrobou až po výrobu zdravotnické techniky a energetických zařízení, AM metody na svých výrobních linkách využívají. A navíc si lze snadno představit, že výhody těchto technologií budou prakticky využitelné pro vytvoření reálných nástrojů používaných pro výrobu, pokud se stanou součástí výrobního procesu jako takového.

Nekonvenční technologie v českém pojetí

Modré logo tvaru vyhloubené korunky společně s nápisem První housle v elektroerozi, to vše orámováno tóny filharmonika Karla Šelmeczi ‒ taková je na první pohled firma Penta Trading. Úsudek si však nedělejme jen z grafického vizuálu a vjemu, ale podívejme se, co za tímto marketingovým tvrzením stojí.

Efektivní aplikace laseru

Technické strojírenské veřejnosti není příliš známo, že v současné době existují technologické aplikace, které doslova drží srovnatelný krok s inovacemi v oblasti informačních technologií. Jednou takovou je aplikace laseru. Naší snahou bude vám tyto technologie představit.

Ekonomické elektroerozivní stroje

Přesné a rychlé obrábění, dlouholetá provozní spolehlivost, minimální rozměry i pořizovací náklady. To je stručná charakteristika nové řady drátových řezaček VZ z produkce japonské firmy Sodick.

Drátové řezačky s lineárními pohony

Stroje, jejichž společným charakteristickým znakem jsou lineární pohony vlastní konstrukce i výroby, uvedl Sodick na trh již v roce 1999. Nekonvenční koncepce společně s patentovými řešeními Sodick je úzce spojena s nejvyššími nároky na kvalitu výroby. Výsledkem je obráběcí stroj s extrémní dynamikou, rychlými posuvy, vysokou přesností a nadstandardní kvalitou.

Přesné a rychlé elektroerozivní obrábění

Švýcarská společnost GF Machining Solutions v reakci na zvýšené požadavky trhu představila novou výkonnou řadu elektroerozivních CNC děrovacích strojů s označením Drill 300 a Drill 300B.

Využití tenkých uhlíkových vrstev v medicíně

Titanová slitina Ti6Al4V je v současné době stále nejrozšířenější titanovou slitinou využívanou v medicíně, a to především v ortopedii, kde slouží pro výrobu různých kloubních náhrad. Její přednosti plynou zejména z výhodného poměru pevnosti k hustotě, korozní odolnosti a biokompatibility. Jejímu většímu rozmachu však brání její tribologické vlastnosti, které jsou obecně špatné.

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