Témata
Reklama

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.

V oblasti opracování kovů je použití chladicí a mazací tekutiny klasickou metodou pro zvýšení kvality a výkonu obrábění. Tím je na jedné straně dosaženo efektu chlazení a mazání, na straně druhé zlepšení odvodu třísek z místa řezu.

V posledních letech se však objevuje pokles obrábění s chlazením tekutinou. Abychom získali infor-mace pro efektivní optimalizaci použití chladicího a mazacího média, byly vedle běžně prováděných experimentů použity dvě moderní metody z techniky simulace: simulace třískového obrábění meto-dou konečných prvků a simulace proudění (CFD).

S ohledem na kvalitu obrábění a opotřebení břitu nástroje byly vyvinuty strategie efektivního použití chladicího a mazacího média v podmínkách specifických pro proces obrábění. Kdy se vyplatí obrábění s mazacím médiem, závisí na pracovních podmínkách a na dvojici řezný a obráběný materiál.

Reklama
Reklama
Určení mazacího a chladicího efektu při obrábění metodou simulace

Proces třískového obrábění pomocí simulace

Teorie obrábění kovů ukazuje, že vysoké termomechanické a dynamické zatížení vznikající při třískovém obrábění podstatně ovlivňuje obráběný materiál. Experimentální i analytické výzkumy procesu třískového obrábění ukazují na velmi vysoké lokální přetvoření (stupeň deformace) materiálu obrobku v místě řezu a podle technologie obrábění, také na materiálu břitu nástroje a na materiálu obrobku při teplotách v oblasti tření značně nad 200 °C. Použití chladicího a mazacího média při třískovém obrábění vede ke snížení vzniklého tepla. Mazací média snižují poměry tření mezi třískou a břitem nástroje a také v oblasti řezání. Při větším množství přiváděného mazacího a chladicího média do místa řezu dochází ke snížení tepla vyvíjeného v místech vzniku třísky, na nástroji i na obrobku. Snížení teploty řezání zvyšuje odolnost břitu nástroje proti opotřebení a nástrojem je možné obrábět déle. Toto znamená vyšší trvanlivost břitu a zachování kvality obrábění.

Strategie mazání a chlazení však ovlivňuje teplotu procesu obrábění jen částečně. Základní podmínky charakterizující proces řezání a polohu zdrojů tepla jsou pracovní parametry, tj. řezná rychlost, rychlost posuvu, jakož i varianty geometrie břitu (například poloměr špičky břitu, úhel čela a úhel břitu). Kromě toho mají na rozdělení tepla vliv také vlastnosti obráběného a řezného materiálu, jako je tepelná vodivost, tažnost, tvrdost, tepelná kapacita a další fyzikální a chemické vlastnosti.


Vývin teploty při vrtání je možné určit simulací metodou konečných prvků (obrázek vlevo). Příklad získaných výsledků z CFD simulace přenosu tepla mezi chladicím a mazacím médiem a procesem obrábění (obr. vpravo). Hodnoty o nástroji dodala firma Jakob Schmidt.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Simulace proudění kvantifikuje efekt mazání a chlazení

Pomocí simulace řezného procesu je mimo jiné možné sledovat vliv změny pracovních podmínek, geometrie břitu a vlastností materiálu na změnu teplotních poměrů. Přitom je možné hodnotit po-mocí diagramů a barevných obrázků také tvoření a tvar třísky, údaje o teplotě řezání a řezné síly. Z nich je možné pomocí iterace rychle a při malých nákladech upřesnit a optimalizovat nástroj a proces obrábění. Pro kvantifikaci efektu mazání a chlazení v závislosti na objemu (mohutnosti) proudu a fyzikálních vlastnostech chladicího a mazacího média byla na Fraunhoferově institutu IPA použita simulace proudění (CFD). Pro simulaci obrábění kovů jsou potřebné zvláštní modely materiálu. Tyto obsahují vzájemné závislosti mezi tažností obráběného materiálu při vysokých teplotách a zbytkových prodloužení. Pro tento účel dosud existují různé fyzikální a poloanalytické modely materiálů. Existují četné teoretické studie a modely pro známé kovové materiály, jako např. C45, Al6061, Ti6Al-4V nebo X5CrNiMo17, které tvoří základ pro simulaci obrábění kovů. Tyto jsou orientovány především na předpověď tepelných a mechanických zatížení nástroje a na tvoření a tvar třísky v závislosti na pracovních podmínkách. Pro výpočet se jako numerická metoda většinou používá metoda konečných prvků.

Potom je možné určit při simulaci obrábění metodou konečných prvků velikost a polohu zdrojů tepla, např. při simulaci vrtání lze vypočítat následně metodou CFD také efekty chlazení. Zjištěné zdroje tepla metodou konečných prvků jsou použity jako okrajové podmínky pro simulaci CFD. Simulace CFD určí (vypočítá) výměnu tepla mezi chladicím médiem a procesem obrábění. Příklad výsledků takové simulace byl zpracován pro vrták o průměru 8 mm se dvěma chladicími kanálky o průměru 1,25 mm firmy Jakob Schmidt. Přitom se ukázalo, jak výměna tepla ovlivňuje teplotu v oblasti řezání a tím také průtok chladicí kapaliny v procesu obrábění. V metodě konečných prvků je nutné brát v úvahu mazací efekt, tj. snížení teploty a zmenšení řezných sil vzhledem ke tření v hraničních oblastech mezi nástrojem a obrobkem. Nejdříve bylo simulací testováno optimální množství chladicího média pro potřeby procesu vrtání, pak byly teprve provedeny praktické zkoušky.

Při použití techniky simulací odpadají vysoké náklady na potřebné praktické pokusy a vývoj, např. náklady na nástroje, materiál, časy a náklady na výrobu prototypů a na mzdy pracovníků. Kromě toho se podstatně zkrátí časy vývoje a nedojde k přerušení vlastní výroby. Simulace třískového obrábění kovů dnes představuje excelentní nástroj. Přispívá k pochopení procesu třískového obrábění a k vybrání co možná nejlepšího optimálního řešení.

Klasické použití chladicího a mazacího média může být optimalizováno pomocí simulace.

Rychlejší stanovení procesů vývoje obrábění

Pohled do procesu obrábění umožňuje provést současně systematickou analýzu mnoha variant a zjistit vzájemné souvislosti pro další vývoj. Abychom mohli provést simulaci procesu třískového obrábění kovů s velkou přesností, jsou potřebné geometrické údaje o nástroji (CAD – data ve formátu: *.step, *.igs nebo *.stl). Tyto údaje jsou příslušně upraveny a vloženy do modelu simulace. Jsou nastaveny podmínky procesu obrábění a simulovány. Tím je možné zkoumat různé varianty procesu: pracovní podmínky, geometrii nástroje a mazací médium.

Výsledky řešení jsou zpracovány ve formě diagramu nebo barevných obrázků a umožňují udělat si představu o tvoření třísky, teplotě procesu obrábění a řezných silách. Získané poznatky je možné ihned podrobit konstruktivní diskuzi. Tímto způsobem lze specifikovat další kroky ve vývoji nových nástrojů a optimalizovat proces obrábění.

Das Industriemagazin č. 44, 2016, str. 25–27

Hector Vazquez Martinez, zpracoval: J. Řasa

jar.rasa@seznam.cz

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 170537
Datum: 17. 05. 2017
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Novinky značky IMAO pro upínání obrobků

V dnešní době je velká poptávka po efektivní produkci různorodých výrobků v malém objemu a klíčem k vyšší produktivitě je použití přípravků, které lze flexibilně přizpůsobit mnoha různým obrobkům. Upínací prvky ONE-TOUCH se vyrábějí v mnoha různých provedeních, snadno z nich lze vybrat prvky vhodné pro upnutí požadované součásti. Upnutí a odepnutí součásti je jednoduché, bez použití dalšího nářadí a rychlé, zkracuje se čas potřebný pro manipulaci s obrobkem a tím i celkové náklady na výrobu.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Toolmanagement do moderní výroby

Každá firma, která realizuje technologii obrábění, spravuje svůj nástrojový park a příslušná data. Disponuje určitým nástrojovým managementem např. v podobě výdajových karet či vytvořený v běžně dostupných počítačových programech, např. MS Excel. Otázkou pak je, zda mu tento stávající systém plně vyhovuje nebo ho hodlá změnit a nalézt profesionálnější řešení.

Dřevěné kůlny a rámy Featherbeds

Enzo Ferrari v 50. letech minulého století hovořil o mladých britských týmech formule 1 jako o garážistech a povýšeně navrhoval, že by tyto týmy, jako skromní obyvatelé garáží, neměly být brány tak seriózně jako stáj z Maranella, která se ráda pasovala do role aristokracie v automobilových soutěžích, modré krve ve sportu zbohatlíků s utěrkami od oleje. Bylo by však přesnější, kdyby tento "starý muž" nazval své závodní soupeře jako kůlnaře.

Nástroje v rámci čtvrté průmyslové revoluce

Abychom mohli vyrábět součásti hospodárně, je potřebné rozšířit proces o výměnu informací. Důležitou roli při tom hraje management nástrojů, neboť pokud chybí nástroj, výroba stojí.

Léčivá mračna

Oftalmologie je lékařský obor, který se zabývá anatomií, fyziologií a nemocemi očí. V Indii je šedý zákal nejčastější příčinou slepoty, jíž by šlo zabránit, a jistá firma vyrábí potřebné zařízení, které oční lékaři potřebují a používají k léčbě postižených.

EMO 2011 Hannover, Část 7 - Soustružnické stroje

Veletrh EMO konaný v září 2011 v Hannoveru přinesl v oblasti soustružnických strojů širokou prezentaci mnoha různých řešení. Představila se kompletní světová špička i mnoho menších výrobců. Hlavními tématy v konstrukci soustružnických strojů jsou produktivita a přesnost. Především požadavek na vyšší produktivitu vede na integraci automatizace do všech typů soustružnických strojů a růst možností frézování poháněnými nástroji v revolverových hlavách.

EMO Hannover 2011 - Part 2. MM Award - ocenění pro nejlepší exponáty

MM Award, udělovaná časopisem MM MaschinenMarkt, je již mnoho let doprovodnou akcí řady veletrhů pořádaných na území Německa. Protože MM je značka s celosvětovou působností, jsou obdobná ocenění udělována na veletrzích i v dalších zemích, kde si časopis vydávaný s tímto logem vydobil renomé. V domovském Německu, mezi místními strojírenství znalými lidmi, MM Award udělovaná na EMO má rozhodně velkou prestiž, stejně jako EMO samotné.

Vícecestné rotační přívody médií

Do rotačních částí obráběcích strojů je při obrábění nutné stále častěji přivádět, odvádět nebo v nich vést více než jedno médium. Nutností je to při soustružení i frézování a také při kombinaci obou technologií, kdy je potřeba přivádět média ke všem nástrojům obráběcích operací. Společnost Deublin, výrobce rotačních přívodů, představila novou generaci vícecestných rotačních přívodů – hybridní řadu.

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