Témata
Reklama

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.

Výsledky pak lze posoudit buď relativně vůči určitému etalonu nebo způsobu obrábění, či absolutně, tzn. dosažením určitého odebraného objemu materiálu či opracování plochy jedním břitem, délky obrobené šroubovice nebo celkové vrtané hloubky otvoru. Na tomto principu jsou stanoveny normy, normativy, případně jiná doporučení výrobců, provázená zpravidla jednoduchým parametrem míry hřbetního nebo čelního opotřebení.

Tato základní metodika se od časů F. W. Taylora prakticky nezměnila a jak obrobitelnost, tak řezivost nástrojů se zpravidla sleduje pomocí řezných zkoušek a časové analýzy průběhu opotřebení.

Nicméně dnes se výrazně změnily řezné materiály, jejich výroba a vlastnosti, které pomocí optických lup a logaritmického papíru jako před sto lety už hodnotit nelze. Základní příčinou je například využívání ochranných, tvrdých a otěruvzdorných materiálů, které představují téměř ideálně vytvořený a zakotvený materiál k materiálu podkladovému.

Povlak na řezném břitu má tři základní aplikace – čelo, hřbet a přechodovou oblast mezi čelem a hřbetem. Pokud pomineme účinky vysokých teplot při CVD technologiích vedoucích k zaoblování břitů, pak mezi základní účinky lze považovat vytvoření:

  • dostatečně tvrdého nástrojového materiálu pro proniknutí břitu do obráběného materiálu;
  • teplotního štítu pro izolaci břitu od vysokých teplot;
  • chemicky odolného (až inertního) řezného materiálu;
  • nových fázových rozhraní zpomalujících šíření trhlin (u tzv. multivrstev);
  • zlepšených tribologických vlastností rozhraní mezi třískou a nástrojem, resp. mezi nástrojem a obrobeným povrchem (snížením součinitele tření).

Určitou nevýhodou povlaků je převážné zachování drsnosti předchozích obráběcích operací (broušení, leštění, omílání), které mají za následek zachování materiálových podílů v Abbotově–Firestoneově křivce nosných podílů (mimo úzké oblasti vlastního ostří). Základním problémem hodnocení účinku povlaků podle ISO 3685 je však jejich velmi malá tloušťka, přestože lze nalézt řadu článků se sledováním např. hřbetních parametrů VB povlakovaných břitů až do hodnot několika desetin milimetrů i více. Problém vlastního sledování povlaků je často komplikován tvorbou nárůstků, protože každý zaoblený břit má tzv. bifurkační bod neboli bod stagnace, který odděluje tok materiálu směrem do třísky a do terciární oblasti deformace materiálu pod břitem nástroje – viz obr. 1, 2. Tento bod se stává zárodkem tvorby nárůstu, který může zpočátku mít příznivý vliv na ochranu nástroje a energeticky výhodnější obtékání materiálu v důsledku proudnicového tvaru břitu, ale další účinky jsou už jen záporné. Mimo změnu obráběného rozměru a zhoršení kvality obráběného povrchu může odlomení či utržení nárůstku způsobit odlomení povlaku či části břitu. Tato ztráta je nejprve ihned vyplněna obráběným materiálem, ale tento proces se dále cyklicky opakuje a může vést k destrukci nástroje i v několika sekundách.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Rozložení vektorů rychlostí v kořenu třísky (a) a silové působení se zahrnutím opotřebení břitu (b)
Obr. 2. Tvorba nárůstků na břitu pily

Dalším problémem obrábění jsou měkké i tvrdé vměstky, resp. uvolněné částice břitu. Měkké vměstky typu MnS usnadňují tvorbu třísky, chrání břit, ale porušují integritu povrchu – viz obr. 3.

Obr. 3. Poškození integrity povrchu v místě výskytu vměstku typu MnS

Tvrdé fáze jsou totiž zpravidla ostrohranné a asymetrické a při obtékání obráběného materiálu kolem břitu se zaoblením může dojít k rotaci těchto fází na břitu, trhání vláken proudícího materiálu a iniciaci trhlin v povrchových a podpovrchových vrstvách – viz obr. 4. Podobně se však mohou chovat i nestabilní části nárůstků či vylomené částice břitů a povlaků. Odolnost břitů, zlepšení rovnováhy nástroje i lepší integritu povrchů podporují nejrůznější zaoblení či fazety – viz obr. 5.

Obr. 4. Poškození integrity povrchu v místě výskytu tvrdého vměstku
Obr. 5. Příznivý účinek zaoblení břitu (a) či fazety (b) na silovou rovnováhu na břitu (bez vzniku tření na čele nástroje)

Analýza sil při obrábění

Jak tedy poznat okamžik, kdy přestane povlak účinně působit nebo se začne opotřebovávat či měnit břit? Na ÚST FSI VUT v Brně byla vypracována původní metodika využívající analýzu sil při obrábění. Síly vznikající při obrábění mají poměrně vysokou vypovídající schopnost o vlastním obráběcím procesu, jak z hlediska obráběného materiálu, zvolené technologie, geometrie nástroje i stavu opotřebení břitu. Definice sil při obrábění je dána normou ČSN ISO 3002 – viz obr. 1b.

Tyto síly se analyzují zejména statisticky z pohledu potřeb znalosti namáhaných pohonových soustav, ale dnešní výpočetní technika umožňuje celkem snadno jejich digitalizaci, numerické zpracování a další využití. Obvykle se hledají určité střední hodnoty, jejich rozptyl, pro každou složku samostatně. Nová metodika zachovává vždy současně trojice měřených sil v kartézském systému – Fx, Fy, Fz , jejich výslednici F – a tyto síly dále transformuje do ortogonálního technologického systému (Fc, FcN, Fp) a dalších významných směrů a pracuje s jejich dalšími charakteristikami.

Příkladem je obr. 6, který ukazuje například průběh silového zatížení při řezání kotoučovou pilou. Z prvního pohledu jsou patrné oscilace měřených hodnot, ale při sestupném uspořádání těchto trojic sil podle výslednice (při zachování původních komponent) lze zpracovat průběh uvedený na obr. 7 i jejich relativní podíly složek na výslednici – viz obr. 8. Obr. 9 pak ukazuje na poměrně vysoký přítlak na pilový kotouč, srovnatelný s velikostí řezné síly. Vyhodnocením podílu silových složek FcN a Fc (viz obr. 10) je pak zřetelný pík v pásmu vysokých silových složek jako pravděpodobná příčina vylomení částice břitu – viz obr. 11b.

Obr. 6. Časový průběh řezání kotoučovou pilou
Obr. 7. Distribuce sil v sestupné velikosti podle výslednice a v časové sekvenci
Obr. 8. Relativní podíly dílčích složek sil (sestupně podle velikosti výslednice) a v časové sekvenci
Obr. 9. Dílčí průběhy síly řezné a síly kolmé k řezné síle (sestupně podle velikosti výslednice sil) a v časové sekvenci
Obr. 10. Časový průběh poměrového silového součinitele při řezání kotoučovou pilou
Obr. 11. Časový průběh opotřebení zubu kotoučové pily: nový břit (a), indikace stavu vylomení břitu z obr. 10 (b), nadměrné opotřebení břitu (c)

Rozborem dalších časových fází řezání lze pozorovat nárůst sil, jejich rozptylu a vyššího počtu lokálních maxim potvrzující rozvoj opotřebení. V současnosti je tato metodika úspěšně rozpracována na další technologie, zejména pro břity s definovanou geometrií břitu.

Poděkování

Tento výzkum byl podpořen projektem NETME Centre Plus (LO1202) za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

FSI, VUT v Brně

Miroslav Píška

piska@fme.vutbr.cz

https://www.fme.vutbr.cz/index.html

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 170514
Datum: 10. 05. 2017
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Související články
Expert na mikroobrábění

V loňském roce na MSV v Brně uvedla společnost Kovosvit MAS nové pětiosé vertikální centrum MCU450. Symbolicky na stánku společnosti Siemens, která pro prototyp stroje dodala řídicí systém, pohony, motory a zároveň rozváděč osazený ze 100 % komponenty Siemens. Již na veletrhu bylo oznámeno, že prvním zákazníkem obráběcího centra MCU450 bude katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Vznikla intenzivní spolupráce mezi Kovosvitem MAS, Siemensem a vysokou školou, která již přináší první výsledky: aktuálně společnými silami zmíněné subjekty úspěšně řeší mikroobrábění. Předmětem jejich zájmu je těleso náramkových hodinek.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aktuální přístupy ke zvyšování produktivity třískového obrábění

V každé výrobní technologii neustále klademe nové požadavky na zvyšování produktivity, přesnosti, jakosti, efektivity, spolehlivosti apod. Produktivita je jedním z důležitých parametrů, na jejichž základě lze technologie mezi sebou srovnávat. Třískové obrábění si z pohledu produktivity neustále udržuje významné postavení, neboť je schopno zajistit všechny výše uvedené požadavky i pro velmi přesné dílce. Výše celkové produktivity a samozřejmě i ostatních parametrů je dána každým článkem z tohoto řetězce: zvolený nástroj – upnutí nástroje – řezné podmínky – upnutí dílce – zvolená strategie obrábění – NC kód (vazba na CAM a postprocesor) – možnosti stroje z pohledů parametrů pohonů a též jeho technologické konfigurace (multifunkčnost) – řídicí systém.

Komplexní obrábění rotačních dílů

Následující článek poskytuje reference rakouského výrobce obráběcích strojů Emco u svých klíčových zákazníků. V dnešním vydáním přineseme pohled z laakirchenského závodu na výrobu rotačních dílů Miba Gleitlager Austria GmbH a v příštím vydání reportáž ze salcburské firmy MTE Metalltechnik Elsenhuber specializující se od kusové až po sériovou výrobu dílů a sestav.

Silná geometrie s měkkým řezem

Existují prezentace produktů, které je potřeba přečíst si několikrát, než je člověk pochopí. Tato prezentace k nim ovšem nepatří. S-Cut SC-UNI je fréza, jejíž funkční princip lze přes její unikátní provedení, nebo právě proto, velmi snadno vysvětlit. Její břity ve tvaru S a extrémně nestejné dělení potlačující chvění vyvolané procesem obrábění vytvářejí z této frézy vysoce kvalitní nástroj, který v rámci veškerých srovnávacích testů poráží porovnávané frézy.

Upnutí obrobku ovlivňuje přesnost a produktivitu obrábění

Přesnost a produktivitu obrábění ovlivňuje mnoho faktorů. Svůj podíl na výsledku má typ a vlastnosti použitého obráběcího stroje, volba nástrojů a řezných podmínek, zvolená strategie obrábění a v neposlední řadě i způsob upnutí a vyrovnání dílce před obráběním. V některých specifických případech je volba upnutí klíčovým faktorem pro realizaci celé technologie v požadovaných parametrech.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Cesty k vyšší energetické účinnosti v třískovém obrábění

Energie je stále dražší. Z analýzy spotřeby energie u obráběcích strojů a z návazného procesu obrábění je možné odvodit konkrétní závěry pro zvýšení energetické účinnosti a stanovit, co je základem pro optimalizaci nástrojů a procesu obrábění.

Nesousledné frézování

K výrobě zákaznických nástrojů neodmyslitelně patří rozvaha o životnosti a údržbě navrhovaných nástrojů. Její součástí je doporučení strategie obrábění včetně jeho smyslu. A to je zase přizpůsobeno konstrukčním možnostem obráběcího stroje. Konvenční stroje, které zajišťují posuv pomocí prosté soustavy šroub-matice, umožňují pouze nesousledný způsob frézování. Důvodem je obtížně odstranitelná vůle mezi šroubem a maticí. Ta by při volbě sousledného obrábění vedla v mezích této vůle ke vtažení obrobku pod frézovací nástroj a jeho jistou destrukci.

Patrick De Vos

Patrick De Vos se narodil v roce 1959 v Belgii. Už při studiu se věnoval oboru výrobní technologie. Po jeho skončení na škole zůstal ještě dva roky jako učitel a vědecký pracovník a věnoval se optimalizaci obráběcího procesu a výrobních technologií. Od roku 1983 pracuje pro Seco, kde vystřídal několik různých pozic. Od roku 2006 zastává svoji současnou funkci manažera výuky, kde je zodpovědný za vzdělávání zaměstnanců i zákazníků.

Vyvrtávací tyče s tlumením zvyšují kvalitu obrábění

Pro některé operace obrábění jsou potřebné dlouhé vyvrtávací tyče a upínače. Ty jsou však náchylné k vibracím, což snižuje výkon obrábění a přesnost výroby. Vyvrtávací tyče s tlumením zlepšují značně kvalitu obrábění.

Rychlejší výměna nástrojových držáků

Výměna nástroje na stroji musí být provedena ve správný okamžik a rychle. Modulární rychlovýměnné systémy a technika polohování nástrojových držáků na stroji zjednodušují výměnu, čímž se zároveň zkracují vedlejší časy.

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