Témata
Reklama

Optimalizované obrábění tvrdokovů

Tvrdokovy se skládají z jemných zrn velmi tvrdých materiálů - zpravidla karbidu wolframu - s kovovým pojivem, jako je např. kobalt. Jsou vytvářeny metodou práškové metalurgie a po sintrování dosahují vysokých hodnot pevnosti a tvrdosti. Tvrdokovy se přednostně používají pro výrobu obráběcích nástrojů, přesto také u řezných a tvářecích nástrojů vede jejich vynikající životnost k rostoucí poptávce. Pro tento účel vyžadované třískové obrábění přináší vysoké náklady. V rámci semináře u jednoho výrobce obráběcích strojů prezentují odborníci z oblasti technologií, obráběcích strojů, nástrojů a softwaru CAD-CAM své zkušenosti i řešení využitelná v praxi.

U masové produkce tvářených a stříhaných dílců nebo výlisků má opotřebení použitých nástrojů podstatný vliv na kvalitu a náklady, takže se pro tuto výrobu stále častěji používají tvrdokovy, které vykazují vynikající životnost. Obrábění těchto velmi tvrdých materiálů je však složité a dosud působilo velké těžkosti právě kvůli jejich velké tvrdosti. Proto se při náročném řetězci procesů spoléhalo především na elektroerozivní obrábění a broušení, příp. leštění. Značný pokrok ve vývoji v oblasti obráběcích strojů, nástrojů a softwaru vedl mezitím k tomu, že místo elektroerozivního obrábění lze použít běžné obráběcí procesy, jako frézování, vrtání, soustružení nebo souřadnicové broušení. Tato skutečnost umožňuje podstatné zkrácení řetězce procesů a znatelné výhody v oblasti času a nákladů. Z toho mimo jiné plynou další pozitivní aspekty v otázce kvality, jakosti povrchu, přesnosti a životnosti nástrojů.

Reklama
Reklama
Obrobek z tvrdokovu, vyrobený na stroji RXP501 metodou frézování, vrtání a broušení. Celková doba obrábění: 5 h 54 min 51 s, drsnost povrchu Ra 0,015–0,024 µm, kruhovitost otvoru (Ø 4,5 mm) 0,6 µm. Obrábění bylo naprogramováno pomocí softwaru VISI, frézování probíhalo s nástroji od firmy Six Sigma Tools (nejmenší průměr nástroje: 0,7 mm). Vnější strany byly vyrobeny pomocí souřadnicového broušení. (Foto: Klaus Vollrath)

Rozhoduje harmonický řetězec procesů

Obrábění tvrdokovů zůstává navzdory veškerému pokroku technickou výzvou. Kvůli jejich vysoké tvrdosti jsou stroje a obráběcí nástroje vystaveny extrémně vysokému zatížení, přičemž se již malé nedostatky mohou velmi negativně projevit na životnosti nástrojů a kvalitě obrábění, příp. zabránit jeho úspěšnému provedení. Obzvlášť kritické jsou i malé odchylky dráhy nástrojů, např. kvůli nedostatečné tuhosti nebo stabilitě nulového bodu stroje, což může rychle vyvolat problémy u zatížení břitů. V této souvislosti také podstatně záleží na klidném chodu, tuhosti a tlumení vibrací obráběcího stroje. U samotných nástrojů je nutné pečlivě vybírat, aby byly vhodné pro plánované obrábění a příslušný materiál. Zběžný pohled do katalogu nebo volba údajného univerzálního řešení mohou vést při nevhodné kombinaci materiálu a nástroje k výrazně snížené životnosti, příp. vadám výrobku.

Dalšími faktory jsou strategie frézování a NC programování, které je nutné optimalizovat podle příslušného zadání. V této souvislosti záleží na takových aspektech, jako je zamezení suboptimálních průběhů dráhy (což způsobuje např. příliš velká opásání nástroje) nebo optimalizace opotřebení kulových fréz pomocí rovnoměrného rozdělení bodů působení síly na celkové délce břitu.

Pouzdro hodinek, vyfrézované z masivního bloku tvrdokovu. (Foto: Klaus Vollrath)

Základy obrábění tvrdokovů

Tvrdokovy mají tvrdosti v rozsahu 1 500 až 2 000 HV a pevnost v ohybu až 4 500 MPa. Břit, který se zařezává do materiálu, musí vykazovat vyšší tvrdost. To platí pro materiály jako polykrystalický kubický nitrid boru (PCBN), polykrystalický diamant (PKD) či diamanty vyrobené metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD). Středem pozornosti vývojářů jsou dále nástroje z tvrdokovu s CVD diamantovým povlakem. Při vhodných podmínkách lze téměř kontinuálně odebírat tvárné třísky. Úroveň řezné síly je vysoká a silně roste vlivem opotřebení břitů, přičemž se CVD diamant chová lépe než PCBN. U třískového obrábění vznikají na povrchu obrobku tlaková zbytková napětí, která se pozitivně projevují na jeho chování při používání a mohou vést ke znatelně zvýšené životnosti. Jako mechanismus opotřebení působí u PKD nástrojů převážně opotřebení břitu nástroje nebo hřbetu v důsledku abraze, zatímco u tvrdokovových nástrojů s diamantovým povlakem je doba používání omezena funkčností povlaku.

Oblast tvorby třísky při téměř statickém obrábění tvrdokovu. (Grafika: TUHH, IPMT)


Oproti obrábění pomocí speciálních frézovacích nástrojů se jako alternativa pro obrábění tvrdokovu nabízí souřadnicové broušení pomocí diamantového zrna (s galvanickým nebo keramickým pojivem). Tyto nástroje lze pořídit relativně levně, mají dobrou životnost a umožňují dosažení vysoké kvality povrchu. Jejich použití je však podmíněno procesem broušení a omezeno na rovné plochy.

Během semináře bylo obrábění tvrdokovu demonstrováno na stroji RXP501DSC. (Foto: Klaus Vollrath)

Požadavky na obráběcí stroje

Frézky a brusky pro obrábění tvrdokovu musejí vykazovat zcela specifické vlastnosti. Na prvním místě uveďme obzvlášť vysokou přesnost, tuhost a tlumení. Předpokladem pro tyto vlastnosti je velmi tuhá konstrukce. Velmi důležitým aspektem je také frekvence řídicích modulů pohonů. Čím vyšší je tato frekvence, tím rychleji jsou rozpoznány a korigovány odchylky dráhy – např. kvůli obráběcím silám. Na základě tohoto poznatku vyvinul Röders 32kHz regulátor, přičemž byla nadále zlepšována dosažitelná kvalita povrchu. K přesnosti přispívají také lineární přímé pohony, které na rozdíl od kuličkových šroubů nemají mezi pohonem a pozicí osy žádné pružné mezičlánky. Velkou důležitost má také stabilita nulového bodu, tzn. že nulový bod nesmí vykazovat odchylku ani při delších obráběcích časech. Posledně jmenovaný aspekt je předpokladem pro rovnoměrně malé tloušťky třísky a vysokou přesnost rozměrů a kvalitu obrábění. Malé tloušťky třísky jsou v kombinaci s minimálními vibracemi rozhodujícím faktorem pro životnost nástrojů. Vysoká stabilita nulového bodu předpokládá obzvlášť promyšlený „teplotní management“ obráběcího stroje. V této souvislosti musíme uvést také kompenzace délkové roztažnosti vřetena při měnícím se zatížení nebo otáčkách. K teplotnímu managementu patří také chladicí a mazací prostředek. Chladicí a mazací emulze na bázi vody ovlivňují teplotu pracovního prostoru stroje i obrobku (ochlazování kvůli odpařující se kapalině), proto je chlazení olejem vhodnější. Protože stroje od firmy Röders splňují všechny předpoklady pro výkonné frézování tvrdokovů (a jsou vhodné také pro souřadnicové broušení), může si uživatel vybrat pro jakékoliv zadání nejvhodnější strategii obrábění.

Obrábění probíhá pod intenzivním proudem oleje. (Foto: Klaus Vollrath)

Nástroje pro obrábění tvrdokovu

Union Tool vyvinul tvrdokovové nástroje se speciálním diamantovým povlakem, které jsou obzvlášť vhodné pro obrábění tvrdokovu. Matrice a razníky z tvrdokovu, které byly vyráběny frézováním, mají často mnohem delší životnost než dílce, které byly obráběny elektroerozivně. Důvodem je absence koroze a minimální prohřátí materiálu,, protože při obrábění dochází k přenosu tepla společně s třískami. Dalšími výhodami jsou vyšší přesnost, lepší stálost tvaru a lepší kvalita povrchu.

Frézy UDC pro tvrdokov: nepovlakované (1), se zaoblenou hranou po povlakování diamantem (2) a s naostřeným břitem po speciální preparaci (3). (Foto: Six Sigma Tools)



Posledního aspektu je dosaženo hned při obrábění, aniž by bylo vyžadováno dodatečné leštění. Tvrdokovové nástroje řady UDC mají speciální, 20 µm silnou, vysoce výkonnou diamantovou vrstvu, která se nanáší metodou CVD. Následně se řezné hrany, zaoblené povlakováním, ostří speciální preparací. Tím se značně snižují řezné síly a významně se zvyšuje životnost. Vedle fréz byly vyvíjeny také vrtáky a závitníky. Výsledky hovoří samy za sebe: 20 mm hluboký otvor s průměrem 6,8 mm bylo možné vyrobit do tvrdokovového bloku za pouhé dvě minuty a výroba 16 otvorů se závitem M5, příp. M6 trvala celkem pouze tři hodiny, přičemž závity měly stálý tvar. Při prověření pevností v tahu se ukázalo, že byly vyšší o faktor pět než u závitů, jejichž otvor jádra byl vyroben erodováním.

Frézy UDC po čtyřhodinovém používání při hrubování – bez opotřebení. (Foto: Six Sigma Tools)

Vhodný CAD/CAM software pro obrábění tvrdokovu

VISI je speciálně koncipován pro použití ve výrobě nástrojů a forem a jeho základem je jádro Parasolid, které umožňuje obrábění drátových, plošných a objemových modelů. Funkce pro obrábění nabízejí rozsáhlé strategie frézování pro 2,5, 3+2 a pětiosé obrábění se speciálními HSC opcemi. Díky četným standardním rozhraním je systém zcela otevřený. Předpokladem pro dobré výsledky je ovšem dobrá kvalita dat z CADu: pouze v případě, že jsou použita vhodná data, je možné úspěšně realizovat obrábění tvrdokovu. Pro obrábění tvrdokovu nabízí VISI celou paletu CAD funkcí pro dosažení co nejvyšší přesnosti, například zlepšení přesnosti hrany. Další funkce CAM umožňují snížené posuvy při najetí, resp. vyjetí z kontury – tato redukce se rozdělí do různých oblastí posuvu, aby se zabránilo vylomení nástroje. Také při vrtání je možné všechny důležité fáze obrábění regulovat z hlediska posuvu. Při pětiosém simultánním obrábění bylo pomocí plynulého naklopení o 8°až 20° pamatováno na to, aby byl břit v záběru co nejvíce rovnoměrně po celé své délce. U broušení vnějších kontur je možné použít opci pro rychlé zdvihové broušení.

Toleranci hran u dat z CADu lze analyzovat a zlepšit stisknutím příslušného tlačítka. (Grafika: Mecadat)

Systémem optimalizované oblasti posuvu jsou znázorněny různými barvami, úprava posuvu ve vztahu k materiálu je při obrábění tvrdokovu velmi důležitá. (Grafika: Mecadat)

Předvedení v praxi

Teoretický výklad k požadavkům na obrábění tvrdokovu byl doplněn prezentací dvou využití v praxi na strojích RXP500 a RXP501DSC v prostorách pro předvádění praktických zkoušek (Technikum) firmy Röders. Účastníci semináře nahlédli do problematiky programů od firmy VISI a byly jim detailně vysvětleny strategie obrábění na výše uvedených strojích. Pro optimální hospodárnost při obrábění razníků bylo kombinováno frézování (s nástroji od Six Sigma: průměr 5 mm pro hrubování a až 0,7 mm pro šlichtování) se souřadnicovým broušením. Dosažená kvalita povrchu činila až Ra 0,015 µm. V rámci závěrečné diskuze shrnul J. Röders výsledky dne následovně: „Třískové obrábění tvrdokovů je ekonomicky možné, pokud jsou ve všech subsystémech realizována vhodná řešení. Pokud se však na některém místě v procesu provede něco špatně, obrábění neproběhne úspěšně.“

Stroje JMK

Vladimír Fridrich

machacek@strojejmk.cz

www.strojejmk.cz

Reklama
Související články
Zubní náhrady aneb strojírenství i v dentálním průmyslu

Zubní náhrady se vyrábějí již od dob egyptských faraonů téměř stejným způsobem. Pouze materiály a metody se za tu dobu vyvinuly na úroveň 21. století.

Zrod (a znovuzrození) břitové destičky

Prakticky veškeré výrobky z kovů se obrábějí pomocí břitových destiček – ať už se jedná o letecký průmysl, výrobu energetických zařízení, nebo oblast spotřebního zboží. Břitové destičky jsou využívány ve velkém měřítku a pro širokou škálu aplikací, od frézování masivních bloků motorů a tvarového obrábění forem využívaných výrobci sportovní obuvi až po obrábění číselníků. Seznam požadavků na břitové destičky je dlouhý: vysoká odolnost proti opotřebení a dlouhá životnost, vysoké rychlosti úběru kovu a maximální spolehlivost, a to i v náročných podmínkách, jako jsou složité dráhy nástrojů nebo hluboké dutiny, špičková výkonnost při obrábění za sucha i za mokra a vynikající kvalita obrobené plochy při dodržení přísných tolerancí.

Vzestup leteckého a vesmírného trhu

Pro sektor třískového obrábění je automobilový průmysl jedním z nejdůležitějších trhů. V trendu stále více se uplatňujícího elektrického pohonu automobilů se výrobci obráběcích strojů a nástrojů snaží objevit nové trhy. Zaměřují se na letecký a vesmírný průmysl.

Související články
EMO Hannover 2013: část 7 - Technologie, které mnohdy nejsou vidět

Význam a odborný dopad hannoverského veletrhu EMO je tak zásadní v oboru technologie obrábění, že se mu věnujeme na stránkách MM Průmyslového spektra i čtvrtý měsíc po zavření bran výstaviště. Tentokrát přinášíme ucelený pohled na materiály použité ve stavbě strojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

Technologie roku 2018

Další z řady odborných seminářů společnosti Misan v jejím sídle v Lysé nad Labem s názvem Technologie roku 2018 se uskutečnil v únoru ve spolupráci se společností Tungaloy. Hlavními tématy byly automatizace výrobních procesů, monitorování a propojování výrobních strojů a systémů a představení nových výrobních zařízení, nástrojů a technologií, které pak byly následně předvedeny v praktické části semináře při ukázkách obrábění. Bonusem na semináři byla přítomnost chairmana a CEO Okuma Europe a Okuma America Corporation Takeshiho Yamamota a senior manažera z oddělení obchodu Okuma Europe Ralfa Baumanna, kteří poskytli MM Průmyslovému spektru exkluzivní rozhovor.

Veletrh EMO opět v Hannoveru

Mezinárodní kovozpracující veletrh EMO se po čtyřech letech opět vrací do Hannoveru. Konat se bude od 18. do 23. září a podle našich informací je určitě na co se těšit. Letošním heslem veletrhu je „Connecting systems for intelligent production“, volně přeloženo „Propojováním systémů k inteligentní výrobě“. Cílem tohoto článku je představit trendy letošního veletrhu a několik novinek společností, které v průběhu předveletržní tiskové konference prozradily, jaké inovace budou na svých stáncích v Hannoveru prezentovat.

Alternativa k aditivním technologiím

Kdo rychle potřebuje nějaký prototyp, tomu doporučuje výrobce strojů Röders z německého Soltau místo výroby s následným leštěním vyfrézovat model z celého bloku hliníku. "To jde mnohem rychleji," říká vedoucí prodeje Dr.-Ing. Oliver Gossel. Jak lze tímto způsobem vyrobit držák na mobil za 30 minut - a to dokonce s vysoce lesklým povrchem - demonstruje Röders na svém stroji RXP601 s použitím 6 mm diamantové frézy od firmy Horn.

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.

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.

Rozhodující krok

PrimeTurning, nová metoda soustružení vyvinutá společností Sandvik Coromant, pomohla indickému výrobci leteckých součástí, který musel čelit problémům s velkým objemem zakázek a obtížně obrobitelnými třídami ocelí, zvýšit produktivitu a zkrátit časy cyklů.

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.

Dokonalé povrchy řezných nástrojů

Leštění řezných hran nástrojů je čím dál žádanějším procesem v oblasti strojírenství. Stalo se již zřejmým faktem, že stav řezných hran má obrovský vliv na životnost nástroje a řeznou charakteristiku. Existuje dnes zajímavá alternativa dobře známým procesům, jako je broušení nebo tryskání. Je to úprava řezných hran pomocí vlečného omílání.

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