Témata
Reklama

Obrábění zasucha - ano, či ne? (2. část)

Úsilí o snižování výrobních nákladů ve strojírenských výrobních procesech vede k jejich postupnému zrychlování a zjednodušování. Týká se to samozřejmě i obrábění kovů jako jednoho z velice náročných a nákladných výrobních procesů.

Významného zjednodušení procesu a snížení nákladů se docílí zavedením obrábění zasucha, tj. vyloučením nákladného technologického vybavení, jakými jsou procesní média, nejčastěji kapaliny, včetně příslušného technologického vybavení a nutného zázemí.
Pozn. redakce: V první části tohoto příspěvku byla mimo jiné popsána negativa používání procesních médií a náklady spojené s jejich aplikací, dále pak podmínky, které musí proces obrábění splňovat pro minimalizaci množství tepla při absenci chladicí kapaliny, způsob odvádění třísek a metoda minimálního množství procesní kapaliny pro případy, kde není možné obrábět zcela zasucha.
Reklama
Reklama
Reklama

Řezné materiály

Teplota řezání je při obrábění zasucha samozřejmě vyšší než při obrábění s procesní kapalinou, a proto má správná volba druhu řezného materiálu rozhodující význam. Příčinou vyšší teploty je nejen snížený odvod již vzniklého tepla, ale i nárůst množství tepla ze tření mezi obrobkem a břitem. Schopnost řezného materiálu zachovat si tvrdost a otěruvzdornost i při této vyšší teplotě řezání je proto velmi důležitá..
Závislosti tvrdosti a ohybové pevnosti na teplotě jsou pro některé použitelné řezné materiály znázorněny v grafech. Tvrdost za tepla se u rychlořezné oceli snižuje již od teploty 400 °C a velmi rychlý pokles nastává nad 500 °C. Při obrábění zasucha ji proto lze použít jen v těch výjimečných případech, kdy je od břitu vyžadována vysoká houževnatost a pevnost v ohybu. Určité zvýšení odolnosti rychlořezné oceli proti teplotě i otěru za vyšší teploty a tím trvanlivosti břitu se docílí nanesením tvrdé ochranné povrchové vrstvy. Vyšší tvrdost za tepla než RO mají slinutý karbid, cermet, řezná keramika, kubický nitrid boru (CBN), polykrystalický diamant (PCD) a řada ochranných vrstev. Tyto řezné materiály se již hodí i pro obrábění zasucha některých materiálů obrobku.
V diagramech je možné si rovněž všimnout, že např. řezná keramika z Si3N4 má při nízké teplotě sice stejnou tvrdost jako cermet, ale udržuje si ji ještě při vysokých teplotách, zatímco cermet ji už ztrácí. Na druhé straně však nejsou tyto materiály tak houževnaté jako slinuté karbidy, proto je ostří velmi citlivé na vydrolování a vyštipování. Z diagramu pevnosti v ohybu jednotlivých řezných materiálů vyplývá, pro které způsoby obrábění budou tyto nejvhodnější. Při soustružení (většinou se jedná o nepřerušovaný řez) jsou nároky na houževnatost poměrně malé, proto zde může být úspěšně použita i směsná nebo oxidická řezná keramika. Cermet, díky své vysoké stabilitě řezné hrany, chemické a tepelné odolnosti za vyšších teplot a z toho vyplývající možnosti použití vysoké řezné rychlosti, je rovněž vhodný pro dokončovací soustružení zasucha. Pro frézování, které je však charakterizováno přerušovaným řezem, se křehké směsné nebo oxidické řezné keramiky i přes svoji vysokou tepelnou odolnost nehodí. Řezná keramika z Si3N4 jako nejhouževnatější druh keramiky však již může být použita, hodí se rovněž nové druhy (jemnozrnné) houževnatějších cermetů a slinutých karbidů. Při vrtání nepřerušovaným řezem se může uplatnit jak řezná keramika z Si3N4, tak i slinutý karbid.

Odolné vrstvy nanášené na břit

Významnou roli v moderních řezných materiálech hrají vysoce otěruvzdorné a teplotě odolné tvrdé vrstvy nanesené na břit. Tyto vrstvy nejen že snižují tření mezi břitem a obrobkem (třískou) coby druh "pevného maziva", ale mění i tepelný režim v oblasti vzniku třísky a břitu. Svými izolačními účinky snižují tepelné zatížení substrátu břitu a zároveň zvyšují podíl tepla odváděného třískou. Požadavky na řezné materiály včetně ochranných vrstev jsou při obrábění zasucha samozřejmě velmi závislé na druhu materiálu obrobku a způsobu obrábění. Kromě toho záleží i na požadovaných parametrech řezného procesu, tj. velikosti úběru, řezné rychlosti, přesnosti obrábění a dalších faktorech.

Obrábění ocelí - soustružení

Při soustružení oceli zasucha je v důsledku plynulého řezu hlavním problémem zvýšené tepelné zatížení břitu. Řezný materiál musí proto odolávat především zvýšené teplotě řezání, požadavky na pevnost v ohybu jsou při plynulém řezu obvykle druhořadé. Pro dokončovací soustružení se doporučuje používat cermety s ochrannou vrstvou z TiCN nebo z polykrystalického kubického nitridu boru (PCBN), popř. z neoxidické řezné keramiky. Pro hrubovací operace jsou vhodnější houževnatější slinuté karbidy s ochrannou vrstvou z Al2O3 nanesenou metodou CVD. Poloměr zaoblení ostří by měl být do 30 µm, proto je vhodnější metoda MT CVD pro nanesení vrstvy. Zvýšené náklady na řezný materiál jsou obvykle vyváženy zvýšením velikosti úběru materiálu, zjednodušením technologického procesu a snížením nákladů na něj (úspora procesních kapalin a souvisejících nákladů), jak dokládá příklad uvedený v obr. 4. Použitím cermetu s ochrannou vrstvou z TiN se zvýšila trvanlivost břitu a tím jeho řezivost, umožňující zvýšit úběr materiálu obrobku a přesto odstranit používání procesní kapaliny. Celkové náklady na obrábění tím klesly o 10 %. Při posuzování ekonomické výhodnosti obrábění zasucha je proto nutné posuzovat celý případ vždy komplexně.

Obrábění ocelí - frézování

Při frézování oceli slinutým karbidem zasucha se dosahuje obvykle delší trvanlivosti břitu frézy než při frézování zamokra. Příčinou je snížení změn teploty břitů, neboť jinak je horký břit po výběhu ze řezu rychle ochlazen procesní kapalinou. Tento jev se projevuje jak u slinutého karbidu s ochrannou vrstvou, tak i bez ní. Z tohoto důvodu se i s jinými velmi tvrdými řeznými materiály, jako jsou cermet a kubický nitrid boru, obrábí většinou zasucha. Ochranné vrstvy se na břity fréz nanášejí nejlépe metodou PVD nebo ještě lépe MT CVD, které výrazně nezvětšují poloměr zaoblení ostří. Vrstvy přinášejí prodloužení trvanlivosti břitu nejen u slinutého karbidu, ale i u cermetu jako substrátu. Největší zlepšení dává vrstva TiAlN díky své vysoké tvrdosti i za vyšších teplot, zatímco TiCN je lepší při frézování zamokra.

Obrábění ocelí - vrtání

Velmi rozšířeným způsobem obrábění ocelí je i vrtání. Nejedná se jen o běžné případy vrtání a vrtání velkých obrobků, kdy mj. vznikají potíže s usměrňováním zpětného toku procesní kapaliny do obráběcího stroje, ale i o vrtání v uzavřených obráběcích centrech. Možnost vrtání zasucha je proto velmi aktuální. Hlavním problémem při vrtání oceli zasucha je spolehlivé odvádění třísky z vrtaného otvoru. Nebezpečí napěchování třísky ve drážce vrtáku totiž narůstá s hloubkou vrtaného otvoru, tzn. když se zvětšuje tření mezi třískou a stěnami otvoru. U vrtáků pro vrtání zasucha je proto důležitá optimalizace tvaru průřezu drážky, hlavně její zvětšení, které poskytuje třísce více prostoru a snižuje tření o stěny otvoru. V této souvislosti se musí rovněž věnovat velká pozornost tvaru vznikající třísky a z tohoto hlediska navrhovat tvar břitu, především čela. Tření třísek o boky drážky samotného vrtáku se zmenšuje vhodným druhem ochranné vrstvy, např. z TiN. Důsledkem nárůstu adhezních sil mezi třískou a vrstvou však rostou nároky na kvalitu zakotvení vrstvy. Při přebroušení opotřebeného břitu, např. u vrtáku z SK, dochází k roztírání kobaltového pojiva po broušeném povrchu a nově nanesená ochranná vrstva pak nemá dostatečnou adhezi k substrátu. K odstranění takové kobaltové vrstvy před nanesením nové TiN vrstvy se proto provádí jeho mikrootryskání. Taková technologická úprava rovněž podstatně sníží rozptyl hodnot trvanlivosti břitů, tzn. zlepší spolehlivost břitu nástroje. Ve srovnání se standardními nástroji se trvanlivost několikanásobně zvýší. Uvedená opatření mají rovněž příznivý vliv na průběh vrtání a na zvýšení kvality otvoru, tj. tvarové přesnosti a drsnosti povrchu. Dalším závažným problémem při vrtání zasucha je zvýšené tepelné zatížení vrtáku způsobené zhoršeným odvodem vznikajícího tepla. Vyšší teplota řezání nejenže způsobuje snížení odolnosti řezného materiálu proti opotřebení a tím i trvanlivosti břitů, ale z důvodu tepelné roztažnosti nástroje může zapříčinit zadření vrtáku ve vrtaném otvoru. Proto je nutné používat při vrtání zasucha nástroje s výraznějším zmenšováním průměru (kuželovitostí) směrem ke stopce vrtáku. Vyšší teplota způsobuje rovněž problém s měnící se délkou vrtáku, popř. celé nástrojové sestavy (vrták, pouzdra, upínač), a tím se ovlivňuje přesnost délky otvoru.

Obrábění litin

Šedé litiny se zasucha soustruží i frézují většinou dobře, konec konců se to tak vždy provádělo. Je to dáno tím, že teploty řezání jsou zde podstatně nižší než při obrábění ocelí, protože grafit uvolňovaný ze šedé litiny příznivě snižuje koeficient tření. Vhodnými řeznými materiály pro obrábění litin jsou řezná keramika Al2O3 nebo Si3N4, nejvhodnější je však kubický nitrid boru (CBN). CBN má relativně vysokou tepelnou vodivost, a proto je schopen účinně odvádět teplo z místa řezu. Příznivě to působí na snížení teploty obrobku, na druhé straně to však může znamenat silné zahřívání nástroje a tím jeho tepelné prodlužování. Tento jev hraje důležitou roli při přesném dokončovacím obrábění rozměrů ve velmi úzkých tolerančních polích. U obrobků z litin se však takové přesnosti obvykle nepožadují.
V literatuře byl publikován zajímavý praktický příklad frézování dosedací plochy výfukového potrubí spalovacích motorů vyrobeného ze šedé litiny dvěma druhy řezných materiálů v různém procesním prostředí. Z diagramu je patrné podstatné prodloužení trvanlivosti břitu a tím umožnění zvýšení řezných podmínek a výkonu nástroje (snížení času obrábění). Další předností je snazší dosažení přesnosti obrobeného rozměru a vyloučení procesních kapalin.

Obrábění hliníkových slitin

Hliník a jeho slitiny patří při obrábění zasucha mezi velmi problémové materiály i přes svoje poměrně nízké mechanické vlastnosti. Je to způsobeno jejich vysokou tepelnou vodivostí a dále výrazným sklonem k adhezi na břit z většiny řezných materiálů. Vlivem první vlastnosti se odvádí značné množství tepla z místa řezu do obrobku a ve spojení s vysokou tepelnou roztažností hliníku vznikají tepelné deformace obrobku. Vzhledem k nízké teplotě měknutí a tavení hliníku se k tomu připojují problémy s utvářením třísky. Především ve smyslu jejího odchodu a tvorby nárůstku. Vlivem druhé vlastnosti se vznikající třísky často "nalepují" na břit a dochází k zahlcování prostoru zubových mezer a drážek u vrtáků třískami. Proto, aby mohly být úspěšně prováděny takové operace, jako je vrtání, vystružování, řezání závitů nebo čelní frézování zasucha, je nezbytné používat nástroje s vhodnou ochrannou vrstvou snižující adhezi, popř. používat mazání mlhou (MQL). Pozitivní vliv MQL metody se kromě zamezení tvorby nárůstku projeví i ve zlepšení drsnosti a přesnosti obrobené plochy.

Aplikace vyměnitelných břitových destiček

Pro obrábění hliníku a jeho slitin zasucha je proto nejvhodnější aplikace vyměnitelných břitových destiček s ochrannou vrstvou z polykrystalického diamantu (PCD) naneseného CVD metodou. Zvláště to platí pro obrábění slitin, které obsahují křemík, neboť tvrdý PCD dobře odolává abrazivnímu účinku i tvrdých silicidů. Vrstva PCD omezuje rovněž adhezi hliníku na břit, tím se snižuje sklon ke vzniku nárůstku. Diamant vykazuje nízký koeficient tření, což vede ke snížení řezných sil. Výsledkem je menší silové zatížení soustavy - obráběcí stroj-nástroj-obrobek (S-N-O) - a tím zvýšení rozměrové přesnosti obrobku.
DLC vrstvy
Obdobný účinek mají vrstvy podobné diamantu, tzv. DLC vrstvy (Diamond-Like Carbon) a vrstvy z karbidů kovů (Metal Carbon Coating). DLC vrstva -C:H se skládá z uhlíku v grafitické, amorfní a krystalické formě a vodíku. Vrstva z karbidů kovů (WC/C), tedy s určitým obsahem wolframu, má sice větší houževnatost, ale také nižší tvrdost než vrstva -C:H. Tvrdost vrstvy -C:H je 3000 - 5000 HV, u WC/C je jen 1000 HV. Oba povlaky však mají nízký koeficient tření = 0,1 - 0,2 a oproti oceli vykazují lepší antiadhezivní účinek než mnohé jiné řezné materiály. Při aplikaci tzv. měkkých karbidických vrstev (karbid wolframu/karbid/uhlík - WC/C, karbid chromu/uhlík - CrC/C) byla sice tvorba nárůstku omezena, avšak intenzita opotřebení byla při obrábění zasucha větší než při použití běžně užívaných slinutých karbidů a procesních kapalin.

Tendence při frézování zasucha

V aplikaci ochranných vrstev při frézování zasucha tedy existují v podstatě dvě základní tendence. Na jedné straně jsou to relativně měkké vrstvy úspěšně omezující tvorbu nárůstku, avšak takové vrstvy nedocilují otěruvzdornosti dosahované u konvenčních slinutých karbidů za použití procesních kapalin, na druhé straně jsou to tvrdé ochranné vrstvy vykazující lepší trvanlivost břitu v porovnání s nepovlakovanými břity za plného použití procesních kapalin. Příznivého stavu může být dosaženo kombinací tvrdé vrstvy (např. z TiN) a měkké povrchové vrstvy (např. ze sulfidu molybdenu - MoS2). Charakteristiky opotřebení dosahované tímto multivrstvým povlakem zvyšuje při obrábění zasucha trvanlivost břitu až o 10 % v porovnání s konvenční technologií a použitím procesních kapalin. Břity povlakované diamantem jsou zřetelně nejvhodnější pro obrábění hliníku zasucha. Takové vrstvy nanášené CVD metodou zabraňují vzniku nárůstku z důvodu malé afinity a adheze uhlíku a hliníku. Hodnoty trvanlivosti břitu dosahované s tímto povlakem proto zvyšují trvanlivost břitu při obrábění zasucha asi o 30 %. Z porovnání účinků různých ochranných vrstev vyplývá, že v oblasti technologie ochranných vrstev existuje ještě široké pole působnosti.
Při obrábění některých měkkých slitin hliníku však nezabrání tvorbě nežádoucích nárůstků na břitu ani uvedené ochranné vrstvy. V těchto případech je proto nezbytné použít metodu MQL, která přinese téměř 100% zlepšení, zvláště při frézování (přerušovaný řez). Optimální množství rozprašované procesní emulze je do 10 ml/hod, vyšší množství již nepřinesla žádné výrazné zlepšení.
Reklama
Vydání #12
Kód článku: 11212
Datum: 12. 12. 2001
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Pro větší efektivitu ve výrobě

Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

Novinka z varnsdorfské líhně

Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

Související články
Československá stopa u nového rekordu

Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

Optimalizace obrábění zvyšuje trvanlivost

Tři miliony malých součástí pro systémy ABS jsou spolehlivě vyráběny na soustruzích speciálním nástrojem. Řešení vyvinuté společně s výrobcem a uživatelem minimalizuje vedlejší časy a zvyšuje trvanlivost nástroje až o 300 %.

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.

Technologie pro úlohy rovinného broušení

Klíčová odvětví průmyslu jsou odkázána na součásti broušené s extrémní tvarovou a rozměrovou přesností, i pokud jsou zhotovené z obtížně opracovatelných materiálů. K těmto účelům – od nejmenších (S) až po největší (XXL) součásti pro broušení malých i velkých sérií – nabízí pokrokovou technologii výrobce brusek Okamoto.

Malosériová výroba ozubených kol

Rostoucí nároky na rychlost a flexibilitu si žádají nová řešení pro výrobu ozubení. Pětiosé frézky a nejnovější funkce nabízené metodou InvoMilling otevírají nové možnosti pro výrobu malých dávek. V následujícím rozhovoru prof. Dr. Ing. Tillmann Körner z Aalen University hovoří o současných trendech v oblasti frézování ozubení.

S novým katalogem k dlouhotočným automatům

Společnost WNT rozšířila své nástrojové portfolio zaměřené na dlouhotočné automaty. Každý zasvěcený ví, že tento obor je svým způsobem specifický, a proto vyžaduje zvláštní přístup. S tímto vědomím WNT připravila nový samostatný katalog, který je zaměřen výhradně na danou technologii obrábění.

Větší řádkování při obrábění načisto

Při použití fréz s optimálně zakřiveným břitem pro frézování vnějších povrchů je možné časy na dokončovací obrábění značně snížit. Docílit toho lze vzájemnou souhrou stroje, nástroje a softwaru, jak ukazuje následující příklad.

Frézy s kulovým čelem pro plochy v kvalitě leštění

Optika vyráběná z plastů klade vysoké nároky na kvalitu povrchu nástrojů, respektive forem. Nově vyvinutá strategie obrábění umožňuje frézovat i velmi malé a náročné tvary hospodárně až na konečný rozměr s vysokou jakostí povrchu.

Simulací ke zlepšení efektu mazání a chlazení

Optimalizace třískového obrábění moderní metodou simulace strategie mazání a chlazení je dnes podrobena systematickému výzkumu. Použitím simulace procesu třískového obrábění a simulace proudění chladicího média se značně sníží náklady na výzkum a vývoj.

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