Témata
Reklama

Procesně spolehlivé nástroje pro vrtání s omezeným množstvím chladicí

V současné době lze vysledovat v oblasti obrábění trend k vysokorychlostnímu, popř. vysokovýkonnému obrábění a k obrábění bez použití řezných kapalin, popřípadě s minimálním množstvím chladicí kapaliny. To je v některých případech dokonce uživateli deklarováno jako cíl. Je třeba si však uvědomit, že skutečným cílem je snižování nákladů na obrábění.

Podíváme-li se na strukturu nákladů na obrábění (viz obr. 1), je zřejmé, že snižováním času obrábění, tedy zvyšováním produktivity, můžeme ovlivnit podstatnou část nákladů. Vysokorychlostní a vysokovýkonné obrábění není tedy cílem, ale jedním z prostředků, jak snižování nákladů dosáhnout. Dalšími faktory, které ovlivňují náklady, jsou řezné kapaliny a nástroje samotné, přičemž případné úspory v oblasti řezných kapalin ovlivní celkové náklady výrazněji než případné úspory v oblasti nástrojů. Z pohledu uživatele je tedy ideální takový obráběcí nástroj, který by pracoval v oblasti vysokovýkonného obrábění bez jakýchkoliv chladicích kapalin a měl by neomezenou životnost. K tomu je samozřejmě třeba brát v úvahu i hledisko spolehlivosti procesu a dosažení odpovídající kvality.
Reklama
Reklama
Reklama

Konstrukce nástrojů

Právě snaha o snižování výrobních nákladů, ale možná i snaha o zavedení "moderní" a pro životní prostředí šetrné technologie vedla v minulosti některé uživatele k tomu, že se pokoušeli obrábět konvenčními nástroji za podmínek vysokorychlostního či vysokovýkonného obrábění bez chladicích médií nebo jen s minimálním množstvím chladicího média. Neúspěch těchto pokusů pak vedl k tomu, že v současné době panuje mezi uživateli určitá skepse k obrábění suchému, respektive s minimálním množstvím chladicí kapaliny.
Cílem výzkumného a vývojového oddělení společnosti Gühring je vývoj nástrojů, které by shora uvedené podmínky splňovaly. Dále uvedené příklady z praxe ukazují, že za určitých podmínek je možné obrábět v oblasti vysokovýkonného obrábění s minimálním množstvím řezné kapaliny při zachování spolehlivosti procesu. Nástroje musí být však od samého počátku konstruovány pro tyto podmínky.
Při konstrukci nástroje je si třeba uvědomit, že jeho funkci ovlivňují společně základní materiál, povrchová vrstva a geometrie. Všechny tyto parametry musí být vzaty v úvahu a musí odpovídat podmínkám obrábění. V této souvislosti lze např. zmínit, že vývojové oddělení firmy Gühring je rozděleno na vývoj geometrie nástrojů, vývoj systémů povrchových vrstev a zařízení na jejich nanášení a na vývoj slinutých karbidů, čímž mohou být všechny uvedené parametry "vyrobeny na míru" v rámci koncernu. Kromě toho má toto oddělení k dispozici vlastní zkušebnu nástrojů, vybavenou moderními, vysoce výkonnými obráběcími centry, a techniku, umožňující použití moderních vědeckých metod při výzkumu a testování nástrojů, jako jsou například 3D CAD modelování v systému UG, kde může být modelován tvar nástroje a ověřovány případné kolizní situace, FEM - metoda konečných prvků - pro zkoumání podmínek napětí v nástrojích, CFD metoda modelování mechaniky proudění kapalin pro ověřování podmínek proudění řezných kapalin či médií během obrábění, termografická kamera umožňující snímání tepelných podmínek během procesu obrábění v reálném čase, vysokorychlostní kamera pro snímání a analýzu procesu obrábění či REM mikroskop.
Tyto metody jsou používány jednak pro zkoumání obecných závislostí v procesu obrábění, jednak pro vývoj konkrétních nástrojů pro konkrétní požadavky zákazníků.

Vliv způsobu chlazení na tepelné zatížení nástroje

Jak při vysokovýkonném, tak i při suchém obrábění, popř. obrábění za podmínek minimálního množství řezné kapaliny jsou nástroje vystaveny extrémnímu tepelnému zatížení. Pro správné a spolehlivé fungování nástrojů je nutné snížit toto zatížení na minimum. Jakým způsobem toho dosáhnout, to byl jeden z experimentálních úkolů vývojového oddělení firmy Gühring. V jednom případě byl zkoumán vliv chladicího média na tepelné zatížení nástroje. Porovnáváno bylo obrábění suché, obrábění s přívodem vzduchu jako chladicího média a obrábění s minimálním množstvím řezné kapaliny. Pro vyhodnocení bylo použito snímání procesu termokamerou.
Při tomto pokusu byly nasazeny geometricky identické vrtáky speciálně zkonstruované pro obrábění suché, resp. s minimální řeznou kapalinou. Vrtáno bylo do materiálu GGG 40 vrtákem o průměru 8,5 mm do hloubky 42 mm řeznou rychlostí vc = 130 m.min-1 a posuvem f = 0,26 mm.ot-1. Byla měřena teplota na špičce nástroje bezprostředně po vyjetí z vrtaného otvoru po dobu sedmi vrtacích cyklů, tedy až do ustálení teplotních podmínek. Vrtáno bylo třemi způsoby, a to bez jakéhokoli chlazení, s chlazením proudem vzduchu a s chlazením vzduchem s příměsí oleje (minimální množství chladicího média).
Při úplně suchém obrábění byla na špičce nástroje naměřena teplota 431 oC. To je teplota nižší, než byla naměřena pomocí termočlánků přímo v místě řezu na hlavním ostří - cca 900 oC. Je to však dostatečná srovnávací základna pro zkoumání vlivu způsobu chlazení.
Ani tyto teploty působící při suchém obrábění nepředstavují pro současné moderní materiály řezných nástrojů a moderní otěruvzdorné povlaky podstatný problém, ovšem při těchto teplotách působí mechanismy opotřebení břitu (hlavně difuze a adheze) mnohem rychleji, což vede ke snížení životnosti nástroje.
Při chlazení proudem vzduchu byla naměřena teplota 196 oC. Znamená to, že podstatná část vzniklého tepla byla odvedena proudem vzduchu. Rovněž se zlepšil odvod třísek z vrtaného otvoru, z čehož lze vyvodit, že zvláště v oblastech vysokovýkonného vrtání nestačí ke spolehlivému odvodu třísek pouze šroubovice vrtáku, ale je třeba podpořit odvod třísek i vhodným chladicím médiem.
Při vrtání s minimálním množstvím chladicího média byla na špičce vrtáku naměřena teplota 145 oC. To nelze připisovat chladicímu vlivu oleje, protože jde o množství přibližně jen 30 ml/h. Lze vyvozovat, že snížení teploty bylo dosaženo snížením tření vlivem mazacího účinku oleje. To lze doložit i snímky z vysokorychlostní kamery, které dokazují, že rychlost odvodu třísek při podmínkách vysokovýkonného vrtání byla podstatně vyšší než při pouhém chlazení vzduchem.
Z výsledků lze vyvodit, že nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím teplotu procesu je rychlost odvodu třísek z místa řezu a snížené tření odcházejících třísek o nástroj či o stěny obrobku.

Vliv stoupání šroubovice vrtáku na teplotu procesu vrtání

Další možností, jak snížit tepelné zatížení nástroje, je snížit množství tepla vzniklého při procesu řezání. Experimentálně byl zkoumán vliv úhlu čela (stoupání šroubovice) na teplotu procesu při vrtání otvoru o průměru 10 mm do hloubky 100 mm do materiálu AISi7. Byly provedeny pokusy s nástroji s přímými drážkami, s úhlem stoupání šroubovice 15° a s úhlem stoupání šroubovice 30°. Ostatní parametry nástrojů byly identické. Řezná rychlost vc = 300 mm.min-1 a posuv 0,35 mm.ot-1 V tomto případě bylo vrtáno do desek o tloušťce 14 mm, takže síla stěny desky byla 2 mm. To umožnilo snímání tepelných podmínek termokamerou a následnou analýzu procesu.

Návrh nástroje dle konkrétních požadavků

Příkladem z praxe je vývoj vysokovýkonného nástroje pro vrtání otvorů do materiálu GGG 40. Zákazník požadoval zkrácení času obrábění za podmínek minimálního množství řezné kapaliny. Za pomoci 3D CAD modelování byla navržena nová geometrie drážek pro odvod třísek, a to tak, že ve směru od špičky vrtáku ke stopce se drážka rozšiřuje, aby byl zajištěn co největší prostor pro odvod třísek. Přitom bylo nutno změnit systém přívodu chladicího média ze dvou kanálků ve šroubovici na centrální přívod s vyústěním do tvaru Y na špičce nástroje. Zvětšením drážek pro odvod třísek došlo samozřejmě k zeslabení jádra vrtáku. FEM metodou bylo ověřeno, že napětí v tělese nástroje během obrábění nepřekročí přípustné hodnoty. Pomocí CFD metody byl optimalizován tvar drážek pro odvod třísek a špička nástroje s cílem dosažení laminárního proudění chladicího média. Tím bylo dosaženo zvýšení objemového množství média o 40 % a zvýšení rychlosti proudění ze 177 m.s-1 na 354 m.s-1, tedy o 100 % oproti klasickému nástroji konstruovanému pro obrábění s použitím chladicí emulze (viz obr. 4). Výsledek testů je uveden v tabulce 1. Životnost vysokovýkonného nástroje při obrábění s minimálním množstvím chladicího média se přitom zvýšila v průměru o 15 až 20 % oproti konvenčnímu nástroji s emulzí. Nástroj je za uvedených podmínek nasazen v sériové výrobě u zákazníka.

Závěr

Zkušenosti firmy Gühring ukazují, že pokud se ke konstrukci nástrojů pro vysokovýkonné obrábění s minimálním množstvím chladicí kapaliny přistupuje systematicky a pokud se berou v úvahu všechny veličiny ovlivňující funkci nástroje, lze pro konkrétní případy vyvinout nástroje, které při zvýšeném výkonu a při snížené spotřebě řezných kapalin a zvýšené spolehlivosti procesu dosahují stejné nebo větší životnosti než konvenční nástroje používané za konvenčních podmínek.
Ing. Oldřich Bosman
Zpracováno na základě použití firemních materiálů a podkladů střediska výzkumu a vývoje společnosti Gühring v Albstadtu.
Reklama
Vydání #11
Kód článku: 41113
Datum: 16. 11. 2004
Rubrika: Automobilový průmysl / Automobilový průmysl
Autor:
Firmy
Související články
Skutečný pomocník

Na českém trhu je od září letošního roku k dostání nová generace vozů Opel Vivaro a to ve třech variantách: Van, Crew Van a Combi. První dvě verze jsou určeny především pro převoz nákladu a osob, Combi pak pro převoz větších skupin lidí či sportovních týmů. Všechny vozy pohání turbodieselové motory.

Vozový park pod kontrolou díky moderním technologiím

Mít na starost firemní flotilu není snadné, ale když se nebudete vyhýbat moderním technologiím, ušetříte spoustu peněz, času i stresu.

Stavme na pozitivním a fungujícím

Česko patřilo ke konci roku 2023 k zemím, jejichž ekonomika stále nedosáhla předcovidové úrovně. Hospodářský růst bude podle většiny ekonomů i v tomto roce velmi pomalý. Situaci komplikují nepříliš optimistické faktory, jako je nestabilita veřejných financí, výroba postavená na subdodávkách, nedostatečná infrastruktura a další. Když k tomu připočteme vnější geopolitické okolnosti, není situace příliš příznivá. A o tom, jak toto vše ovlivňuje automobilový průmysl a jak se zbavit stigmatu subdodavatelské země, jsme hovořili s Petrem Knapem, odborníkem společnosti EY pro automobilový průmysl.

Související články
Je nutné stanovit diagnózu a následně zvolit léčbu

Bohdan Wojnar vždy razil zásadu, že je třeba si všechno řádně odpracovat a každý den zkusit udělat něco navíc. Nikdy se nebránil novým věcem, trpělivě se je učil a s potřebnou dávkou štěstí se pak dostával k zajímavým pracovním příležitostem. Během čtyřiceti profesních let ušel cestu od chemického inženýra, přes dlouhou kariérou ve Volkswagenu Slovakia ve financích a controllingu až po člena představenstva za oblast HR ve Škoda Auto. Toto je dle jeho slov výhodou velkého koncernu, kdy nemusíte zůstat na jednom místě, u jednoho oboru a v jedné zemi. Tyto zkušenosti mu poskytly velký profesní přehled, ze kterého vycházejí témata aktuálního otevíracího rozhovoru MM Průmyslového spektra.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Krize jako cesta k žádoucí změně

Hlavním životním mottem Ing. Vlastislava Břízy, majitele a generálního ředitele společnosti Koh-i-noor, je tvrzení, že kdo je připraven, není zaskočen. Společný rozhovor probíhal v intencích této jeho celoživotní strategie.

MM Podcast: Glosa - Sedmnáctá země spolková na kolečkách

Problémy koncernové automobilky jsou vážnější, než si většina lidí umí představit. Kombinace emisního skandálu DieselGate, změny trhu a návyků spotřebitelů, inflace a neschopnosti na to všechno pružně reagovat je pro VW smrticí koktejl. Může jí dokonce hrozit osud finské Nokie či amerického Kodaku, které před lety nedokázaly zachytit nastupující disruptivní změny a se svým ikonickým byznysem skončily. Jak zásadní problém by podobný osud znamenal pro Německo, potažmo celou subdodavatelskou Evropu, se můžeme jen domýšlet.

Důraz na udržitelnost, digitalizaci a 3D tisk

Japonsko je zemí, kde se rodí nejmodernější technologie a kde se dbá na udržitelný způsob života. Je kolébkou průmyslu a domovem největších průmyslových firem. Každé dva roky mají návštěvníci z celého světa možnost nahlédnout prostřednictvím veletrhu Jimtof (Japan International Machine Tool Fair) pod pokličku nejnovějších inovací v oboru obráběcích strojů a jejich příslušenství. Díky pozvání Japonské asociace výrobců obráběcích strojů JMTBA jsme měli možnost zúčastnit se tohoto veletrhu osobně. V následující reportáži se vám pokusíme zprostředkovat alespoň pár nejzajímavějších témat, která zde zazněla.

Žijeme na dluh dalších generací

Petr Novák aktuálně zastává pozici Director of Automotive Operations ve společnosti JTEKT European Operations. Je zodpovědný za devět výrobních závodů ve Francii, Belgii, ČR, Anglii a Maroku. Obrat této divize čítající 4 000 zaměstnanců představuje 1, 2 miliardy eur.

MM Podcast: Glosa - Made in Germany: Richtig oder falsch?

Proč stále není slyšet o problémech průmyslových firem, do kterých se kvůli souběhu všech krizí dostaly? Obecně, ať se jedná o jedince, či instituci, vždy máme obavy přiznat určité potíže. V momentu, kdy majitel firmy či management pustí do éteru první negativní zprávu, přestane být podnik důvěryhodný pro zákazníky, banky a zaměstnance, jak současné, tak i potenciální. Proto to všichni zatím drží pod pokličkou a vyčkávají do doby, kdy situace již bude neudržitelná či na stav upozorní okolí.

Příklady táhnou: Umět řídit i motivovat

Ačkoli byla Ing. Andrea Urban - tehdy ještě Andrea Kovačiková ze Žiliny- již od střední školy orientována humanitním a ekonomickým směrem, vystudovala posléze v doktorandském programu obor Strojírenská technologie na ostravské VŠB-TUO. A také toto vzdělání ji katapultovalo do prestižních pozic ve špičkových technologických firmách, z nichž zatím poslední, od roku 2014, je Volvo stavební stroje v německém městě Hameln.

Chceme svítit

Povědomí o bývalém vojenském prostoru Stříbro v západní části naší republiky přinášejí buď vzpomínky osobního rázu, nebo přicházejí skrze narukované, kteří zde společně, převážně s romskými spoluobčany z tehdejšího východu Československa, v tankových praporech chránili naši republiku proti vpádu západních imperialistů. Doba se naštěstí změnila. Nyní je to rozvíjející se region jak díky blízkosti k Německu a hlavní dálniční tepně, tak i zásluhou generace techniků, kteří se zde kolem plzeňské Škody zrodili a po jejím rozpadu a rozmělnění se vydali na cestu soukromého podnikání ve strojírenském oboru. Do jedné z takových firem, nacházející se v Kladrubech u Stříbra, jsem se vypravil. Důvodem byla ukázka vzniku a růstu dalšího partnerství s dodavatelem technologií obrábění, společností Mazak.

Příklady táhnou:
Maximum aerodynamiky pro nejrychlejší vozy

Petra Palizu již od mládí zajímaly automobily a záhy se rozhodl, že se v dospělosti bude podílet na jejich vývoji. V průběhu prvních ročníků studia Wichterlova gymnázia v Ostravě si ujasnil, že jeho profesní dráha povede přes strojírenský obor na univerzitě. Že se za několik let bude podílet na vývoji nejrychlejších automobilů na světě, by jej nejspíš v té době ještě nenapadlo…

Stroje v pohybu:
Jak uhasit letadlo

Pozoruhodný stroj, který vám v tomto článku představíme, se pohybuje na šesti kolech a setkáte se s ním nejčastěji v prostoru letiště. Jde o speciální zásahové vozidlo hasičů. Kombinovaný hasicí automobil Rosenbauer Panther 6 x 6 je tři metry široký a téměř 12 metrů dlouhý, váží až 36 tun a ve výbavě má dlouhé teleskopické rameno. Dva tyto vozy slouží na letišti v Praze-Ruzyni.

Reformy nestačí. Je nutná transformace

Je současná ekonomická krize příležitostí k progresu národního hospodářství? Bude avizovaná 7% inflace v tomto roce velkou hrozbou? Proč by se čísla měření životní úrovně ČR neměla srovnávat s některými státy EU? Je iniciativa českých podnikatelů k druhé transformaci české ekonomiky oprávněným voláním po změnách? Na tyto a další otázky odpovídala v rozhovoru pro MM Průmyslové spektrum hlavní ekonomka Raiffeisenbank Helena Horská.

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