Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem zvyšuje trvanlivost

Skupina materiálů titanových slitin má stále rostoucí významný potenciál použití ve výrobě energeticky efektivních dopravních a mobilních systémů. Vzhledem k politicky motivovanému zadání snižování CO₂ emisí doznaly titanové slitiny širokého uplatnění v konstrukci motorových vozidel o menší hmotnosti. Z důvodu vynikajících vlastností titanových slitin, jako je příznivý poměr pevnosti a hmotnosti, poměrně vyšší tepelná stálost a dobrá až velmi dobrá korozivzdornost, skýtají tyto materiály, které byly původně používány především v letectví a kosmonautice, možnost rozšíření také do jiných oblastí, např. automobilového průmyslu.

Při konvenčním třískovém obrábění, především vlivem tzv. γ-struktury ve slitině, vzniká zvýšený odvod tepla do nástroje. Vyšší pevnost těchto titanových slitin vede navíc k podstatně vyššímu dynamickému zatížení nástroje vzhledem k obrábění standardních materiálů. Pro cenově příznivé obrábění titanhliníkových slitin nebyla dosud vyvinuta technologie zajišťující zvýšení objemu úběru materiálu za jednotku času. Byly zkoumány různé metody chlazení s cílem zmenšit množství tepla jdoucího do nástroje, od minimálního množství přiváděného chladiva až po kryogenní obrábění.

Vzhledem k reaktivitě a silnému abrazivnímu účinku titanových slitin je volba jinak rozmanitých druhů řezných materiálů, povlaků a chladicích kapalin při obrábění titanových slitin omezená. Dosahovaný objem odebraného materiálu za jednotku času a trvanlivost břitu konvenčního řezného nástroje jsou při obrábění titanových slitin značně menší než při obrábění konstrukčních ocelí.

Jako možná náhrada za konvenční obrábění titanové slitiny Ti6Al4V (obr. 1 a 2) bylo zkoušeno soustružení abrazivním kapalinovým paprskem (WASD). Zde se projevila podstatná výhoda v trvanlivosti nástroje a objemu odebraného materiálu. Výzkum zahrnoval také obrábění TNB slitiny, kde byl naměřen objem odebraného materiálu 700 cm³ při trvanlivosti 200 min. Trvanlivost u WASD nezávisí na vlastnostech obráběného materiálu, ale je mimo jiné závislá na použitém abrazivu.

Při řezání abrazivním kapalinovým paprskem (WASS) se používá výstupní tlak kapaliny až 6 000 bar. Řezací paprsek má v závislosti na technologii řezání průměr 0,1 až 1,2 mm. Přidáním abrazivních částic do paprsku kapaliny je výkon řezání oproti čistému kapalinovému paprsku značné větší. Při řezání kovových materiálů o tloušťce větší než 5 mm je WASS schopné konkurovat ostatním technologiím, jako je řezání laserem nebo plazmou.

Plochy řezu vykazují malé, téměř žádné tepelné ovlivnění a mají typický povrch. V závislosti na použitých pracovních podmínkách mají plochy různou drsnost. Spektrum obráběných materiálů zahrnuje materiály vysoce tvrdé – křehké – i materiály měkké – tažné – a téměř jakoukoliv kombinaci spojených materiálů (např. pryž a kov, kompozitní materiály). Jako abrazivní materiály se používají přírodní křemičitany (granát) nebo synteticky vyrobené kysličníky kovů (korund).
Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem je kombinací abrazivního kapalinového paprsku a kinematiky konvenčního soustružení (obr. 2). Tak je možné obrábět rotačně symetrické součásti. Vzhledem k malému zatížení obrobku řeznou silou lze upnout obrobek pouze do sklíčidla, tj. bez opěrného hrotu, a obrábět součásti o poměru délky k průměru až třikrát větším než při soustružení řezným nástrojem. Obrábění kolmo ke směru působení kapalinového paprsku je nezávislé na směru, čímž odpadají neefektivní časy obrábění. Programování a strategie technologie používané u konvenčního soustružení musejí být pro WASD upraveny.

Uspořádání důležitých základních parametrů pro WASD je zobrazeno na obr. 3.

Na Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin byl proveden rozsáhlý výzkum možnosti použití technologie WASD pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů. Experimenty byly provedeny na slitině hliníku a křemíku G-AlSi17Cu4Mg, jakož i na standardní slitině titanu Ti6Al4V. Byl sledován výkon obrábění a jakost obrobeného povrchu, získané výsledky byly porovnány s konvenčním soustružením.

Při použití metody Design of Experiments (DoE) bylo možné stanovit závislosti pěti parametrů (veličin) na dosaženém výkonu obrábění a kvalitě obrobené plochy. Statistické vyhodnocení výsledků experimentů umožnilo důkladné posouzení významu zkoumaných parametrů. Tak byla určena optimální rychlost posuvu, tlak a úhel dopadu (působení) paprsku, což jsou významné veličiny ovlivňující podstatně výkon obrábění. V souladu s údaji uváděnými v literatuře je dosahovaná kvalita povrchu soustružení WASD slitiny Ti6Al4V ovlivněna především tlakem kapaliny, rychlostí posuvu a velikostí zrn použitého abraziva.

V rámci výzkumu hospodárnosti využití WASD byly při obrábění Ti6Al4V vzájemně porovnávány úběr materiálu a jakost obrobené plochy (obr. 4a). Objem odebraného materiálu dosahovaný v této studii činil až 2,68 cm3.min-1, při kvalitě obrobeného povrchu Rz = 75 μm. Dále bylo zjišťováno opotřebení součástí ovlivňujících výkon obrábění u WASD, jako je výstupní tryska, při použití různých druhů abraziva. Obr. 4b ukazuje topografii povrchu výstupní trysky po 25 hodinách provozu se standardním abrazivem – granátový písek. Při použití tvrdšího abraziva, např. čistého korundu, dojde k podobné topografii již po 30 až 45 minutách.
Použitelnost dosud dosažených výsledků, tj. výkon obrábění a kvalita obrobeného povrchu u dalších těžkoobrobitelných materiálů, je nutné prokázat dalšími zkouškami. Výzkumy procesu obrábění WASD budou proto pokračovat u dalších materiálů.

Eckart Uhlmann a Karsten Flögel

MM Das Industriemagazin, č. 36/ 2013

Zpracoval: -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com

Poznámka zpracovatele

Ve Výzkumném ústavu obráběcích strojů a obrábění v Praze byla problematika využití kapalinového paprsku řešena v letech 1985 až 1987. Pro průmysl bylo doporučeno použít soustružení pouze pro hrubování, především tam, kde je potřeba odebrat velké množství materiálu, bez požadavku na přesnost obrábění a kvalitu obrobené plochy. Toto omezení je dáno principem úběru materiálu při obrábění kapalinovým paprskem. Problém se projeví především v kolmosti obráběných stěn, např. při výrobě drážek, která má při řezání konstrukční ocele o tloušťce 25 mm odchylku až 4°. Další omezení se projeví při řezání poloměrů, kdy dochází k tzv. „courání“ paprsku a na spodní straně řezaného materiálu zůstává výčnělek neodebraného materiálu. Při soustružení kapalinovým paprskem je nutné zvolit nejen výšku trysky nad obráběným materiálem, ale také polohu trysky vzhledem ke směru otáčení obrobku, tj. na nejvyšším bodě soustruženého obrobku, před nebo za nejvyšším bodem. Dalším velkým problémem je nutnost chránit části soustruhu (nebo jiného použitého stroje) před působením paprsku a současně zajistit odvod použitého brusiva. Pod obrobkem je nutné zachytit energii, kterou paprsek a s ním i brusivo má ještě po provedení řezu.