Témata
Reklama

Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem zvyšuje trvanlivost

Soustružení abrazivním vodním paprskem je technologie, která spojuje kinematiku konvenčního soustružení s abrazivním vodním paprskem jako nástrojem. Toto spojení je výhodné zejména při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, např. titanových slitin, kde nahrazuje hrubování konvenčním soustružením řezným nástrojem.

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.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem je vhodné zejména pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů na bázi titanu.

Dynamické zatížení nástrojů se stále zvyšuje

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.

Při obrábění titanových slitin je volba materiálu břitu nástroje omezená

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.

Obr. 2. Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem (WASD) kombinuje obrábění abrazivním kapalinovým paprskem a kinematiku konvenčního soustružení.Při vnějším podélném soustružení hrubého povrchu obrobku se řezné nástroje opotřebují během několika minut. Zde je žádoucí výzkum nástrojů i metod obrábění, včetně alternativních technologií, aby bylo možné obrábět ekonomicky a v požadované přesnosti tvaru.

Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem

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.

Téměř žádné tepelné ovlivnění

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.

Obr. 3. Důležité hodnoty nastavení abrazivního kapalinového paprsku při soustružení vzhledem k obrobku.

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

Výzkum možnosti použití technologie

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.

Obr. 4. Výsledek hospodárného použití soustružení abrazivním kapalinovým paprskem, Výsledek měření kvality obrobeného povrchu, Topografie profilu opotřebení fokusu (výstupní trysky)

Využitelnost získaných poznatků pro obrábění dalších těžkoobrobitelných materiálů

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.

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 140109
Datum: 12. 02. 2014
Rubrika: Výroba / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Komodita Machine Tool je japonskou jistotou. Jak dlouho?

Japonsko. U Evropana tato destinace stále vyvolává pocit neznáma a určitého tajemna. Je to země kruté historie ovlivněné přímo i nepřímo lidskými rozhodnutími, jenž zanechaly v celé řadě generací znatelný šrám projevující se uzavřeností a prvotní osobní nedůvěřivostí a i určité váhavosti projevující se například z obavy ze sdělení negativního názoru spoluřečníkovi, aby se případně necítil uražen. V komunitě Japonců jste pokaždé udivováni obrovskou vzájemnou úctou a respektem. Budiž jejich chování vzorem pro ostatní národy.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Vrtáky QTD s tvrdokovovými destičkami vyrobené aditivní technologií

Dny, kdy přesné nástroje a aditivní výrobní strategie spolu neměly nic společného, jsou minulostí. Vrták Mapal řady QTD s tvrdokovovým hrotem, nástroj vyrobený pomocí aditivní výroby s LaserCUSING systémem od Concept Laseru, to prokázal. Je to poprvé, kdy specialisté na přesné nástroje z Aalenu vyrábějí vrtáky aditivně a s velmi dobrými výsledky. Dr. Dirk Sellmer, vedoucí výzkumu a vývoje v Mapalu, vysvětlil důvody, které vedly k novému vývojovému úkolu a využití nové geometrické volnosti v konstrukci složitých dílů.

Související články
Bezdotykové orovnávání brousicích kotoučů

Exaktní orovnávání diamantových brousicích kotoučů musí zajistit jak vytvoření požadovaného tvaru, tak i optimální topografii povrchu. U mechanických technologií vznikají vždy síly mezi nástrojem a kotoučem. Bezkontaktní strategie nyní používá pro orovnávání kotoučů technologii elektroerozivního řezání drátovou elektrodou.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
EMO Hannover 2013: část 8 - upínání obrobků

V tomto vydání se již naposledy v ucelené monotematické retrospektivě poohlédneme po loňském veletrhu obráběcí techniky EMO Hannover. Autor tohoto příspěvku se zaměřil na problematiku upínání obrobků. A co nového v této oblasti firmy nabízejí? Čtěte dále.

Sedm celoživotních návyků

Ve věku, kdy se většina lidí spokojeně těší do důchodu, podnikatel z americké Indiany, Don Wood, založil firmu, která se ukázala být jeho největším celoživotním úspěchem. Růst firmy s názvem 80/20 je záviděníhodný a vznikl díky perfektním organizačním dovednostem a energii vložené zakladatelem firmy. Jeho recept na úspěch přesto není přísně střeženým tajemstvím.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

Obrábění s podporou ultrazvuku

Ultrazvuk nepomáhá pouze v chirurgii. Může být výhodně použit také v obrábění. Nákladný vývoj však většinou brzdí jeho zavedení a rozšíření. Ve výzkumném ústavu Fraunhofer - IPT proto zkoumali efektivní použití a optimalizaci ultrazvukových systémů při obrábění.

Horké komory pro práci s radioaktivním materiálem

V Řeži u Prahy bylo vybudováno nové výzkumné centrum, jehož součástí byla také výstavba kom-plexu horkých komor. Účelem výstavby bylo vytvořit pracoviště pro bezpečnou práci s vysoce radi-oaktivním materiálem. Po pěti letech budování se na začátku roku 2017 podařilo úspěšně zahájit aktivní provoz laboratoří, které jsou schopné zpracování, mechanického testování a mikrostrukturní analýzy radioaktivních materiálů (tlakové nádoby, vnitřní vestavby reaktorů, pokrytí paliva) s aktivi-tou až 300 TBq 60Co, materiálů pro reaktory III. a IV. generace a fúzní reaktory.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

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.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

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