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
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.

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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
MKU_Maziva pro obrábění ozubených kol

Ještě před několika lety se musela k dosažení optimálního obrobení ozubených kol použít velká paleta různých obráběcích kapalin, situaci navíc komplikovaly různorodé povrchy a tepelné zatížení. Dnes je situace přehlednější. Vhodným výběrem pokročilých obráběcích kapalin lze výrobu ozubených kol významně zefektivnit.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Pořádná špona je dnes věda

S obráběním, vrtáním pomocí nástroje začali pravděpodobně jako první už staří Egypťané cca 4 000 let před naším letopočtem, přičemž využívali tětivu luku – základ smyčcového soustruhu. Potom přišel středověk, dále Leonardo da Vinci a návrh prvního soustruhu… Technologie třískového obrábění ale v porovnání s dnešní dynamikou vývoje postupovala jen pomalu.

Průmysl 4.0 v praxi

Reflexe současného poznání s aplikací prvků Průmyslu 4.0 do praxe byla předmětem odborné konference, kterou společnost Ceratizit společně se svými partnery připravila pro téměř stovku účastníků z řad výrobních společností ve svém Technickém centru. Od původního teoretizování o aspektech Průmyslu 4.0 jsme se nyní dostali již k praktických zkušenostem.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

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.

Úspěch webových aplikací

Průmyslové organizace potřebují silnou digitální strategii, která bude splňovat online očekávání technicky erudovaných zákazníků.

MSV představí svět budoucnosti

Mezinárodní strojírenský veletrh vstupuje do svého již 61. ročníku. Během let se z něj stal nejrenomovanější oborový veletrh. Je tedy jasné, že řídit jej tak, aby renomé neztratil, není nic snadného a vyžaduje to člověka nejen schopného, ale i zkušeného. Současný ředitel, Ing. Michalis Busios, bezesporu splňuje obojí. Dokladem je skutečnost, že pro veletrh úspěšně pracuje již od roku 2008.

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.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

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