Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Nekonvenční metody obrábění
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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

Fyzikální technologie obrábění jsou založeny na využití fyzikálního nebo chemického principu úběru materiálu. Jedná se většinou o bezsilové působení na obráběný materiál, bez vzniku klasických třísek, které známe z obrábění řeznými nástroji. Podle principu úběru materiálu se fyzikální technologie obrábění dělí do následujících skupin:obrábění elektrickým výbojem: elektroerozivní obrábění elektrickou jiskrou a elektrickým obloukem;obrábění chemické: elektrochemické a chemické obrábění;obrábění paprskem koncentrované energie: obrábění laserem, plazmou, elektronovým a iontovým paprskem;mechanické procesy obrábění: obrábění ultrazvukem, kapalinovým paprskem a proudem brusiva.U prvních tří skupin je obrobitelnost materiálu dána jeho:tepelnou vodivostí;teplotou tání;elektrickou vodivostí;odolností proti elektrické erozi;odolností proti chemické erozi;vzájemnou vazbou atomů a molekul.U těchto metod obrábění nezávisí obrobitelnost materiálu na jeho mechanických vlastnostech (tj. na pevnosti, tvrdosti apod.), jako je tomu u klasického třískového obrábění a u čtvrté skupiny, tj. u uvedených mechanických procesů obrábění.V našem seriálu je u každé metody uvedena definice, podstata metody, oblasti použití, používané nástroje, obráběcí stroje a dosahované parametry, tj. jakost obrobeného povrchu, přesnost rozměrů a tvaru.Obecně je použití fyzikálních technologií opodstatněné tam, kde z hlediska technického nebo ekonomického nelze použít obrábění klasickými řeznými nástroji.

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.

Anotace
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.

Anotace
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
Anotace
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.

Anotace
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.

Anotace
Obr. 1.5. Nástrojové elektrody
a) elektroda s ostrými hranami
vyrobená z grafitu
Anotace
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
Anotace
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.

Anotace
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
Anotace
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
Anotace
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.

Anotace
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
Anotace
Obr. 1.11. Stroj pro elektroerozivní řezání drátovou
elektrodou
a) celkový pohled
Anotace
Obr. 1.11. Stroj pro elektroerozivní řezání drátovou
elektrodou
b) pracovní prostor stroje
Anotace
Obr. 1.12. Příklady výrobků – řezání drátovou elektrodouAnotace
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.

Anotace
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.

Anotace
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
Anotace
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

Další články

Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: