Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Tvorba třísky při vysokorychlostním obrábění
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Tvorba třísky při vysokorychlostním obrábění

Důkladné prozkoumání všech parametrů procesu HSC obrábění ocelí o vysoké tvrdosti a pevnosti umožní nejen nasazení této technologie do průmyslové praxe, ale zejména optimalizaci celého procesu

Technologie HSC nalézá v současné době již široké uplatnění především při opracování materiálů s poměrně nízkou teplotou tavení. Dobrým příkladem je vysokorychlostní obrábění hliníku a jeho slitin. Nasazení HSC technologií na obrábění strojírenských materiálů vyšších mechanických vlastností, jako jsou nástrojové oceli v zušlechtěném stavu, však ještě není jednoduchou záležitostí. Vyžaduje vysoké nároky na vhodnou volbu jak obráběcího stroje, nástroje a řezných podmínek, tak i mnoha dalších faktorů, které komplikují nasazení HSC do průmyslové praxe [2]. Proto se očekává, že objasnění jevů vznikajících v této oblasti tvoření třísky napomůže rozšíření technologie HSC.

Definice HSC z hlediska procesu tvorby třísky

Pojem HSC je velmi relativní. Je například mnohem snazší obrábět hliníkovou slitinu při řezné rychlosti 1800 m.min-1 než slitinu titanu při řezné rychlosti 180 m.min-1. Nelze totiž říci, že konvenční obrábění přechází do oblasti vysokorychlostního obrábění od určité hodnoty řezné rychlosti, aniž bychom brali ohled na ostatní podmínky vytvářející proces. Těmito podmínkami je myšlen jednak způsob obrábění a především druh obráběného materiálu, který je zejména tím rozhodujícím faktorem určujícím příslušnou velikost řezné rychlosti. Řezné rychlosti, při nichž lze dané materiály obrábět tak, aby bylo dosaženo přijatelné trvanlivosti břitu, jsou velmi rozdílné.
Někteří odborníci se přiklánějí k definici, že o HSC jde tehdy, když střední teplota řezání dosahuje hodnot blízkých teplotě tavení obráběného materiálu. V praxi se ujal názor, že obrábění vysokými řeznými rychlostmi probíhá v oblasti od 600 do 1800 m.min-1, obrábění superřeznými rychlostmi od 1800 do 18 000 m.min-1 a obrábění ultrařeznými rychlostmi nad 18 000 m.min-1. V případě těžkoobrobitelných materiálů, jako jsou slitiny niklu či titanu, se dává spíše přednost výrazu výkonové obrábění. A z hlediska procesu tvoření třísky by třetí definice mohla znít asi tak, že vysoká řezná rychlost je taková rychlost, od které se v celé oblasti primární plastické deformace vytvářejí pouze lokalizované smyky bez intenzivní plastické deformace [1].

Mechanika tvorby třísky v režimu HSC

Z hlediska tvorby třísky je znám vznik především dvou druhů třísek, a to třísky soudržné a elementární. Podle rozložení plastické deformace je soudržná tříska plynulá nebo článkovitá. Plynulá tříska se vytváří u kovů a slitin s krychlovou, prostorově nebo plošně středěnou krystalovou mřížkou s vysokou tepelnou vodivostí a malou tvrdostí (jsou to např. slitiny hliníku nebo oceli s nízkým obsahem uhlíku). Naopak tvorba článkovité souvislé třísky je pozorována u obrábění kovů s hexagonální těsnou krystalovou mřížkou, které se vyznačují nízkou tepelnou vodivostí a vysokou tvrdostí. Do této skupiny patří převážně materiály, jakými jsou titanové a niklové slitiny [3].
Druh vzniklé třísky pro určitý obráběný materiál závisí také na velikosti řezné rychlosti. Proto je u vysokorychlostního obrábění pozorován vznik soudržné plynulé třísky, soudržné článkovité třísky i třísky elementární. Při nízkých řezných rychlostech se může pro jeden obráběný materiál vytvářet plynulá soudržná tříska a od určité řezné rychlosti se začne vytvářet soudržná článkovitá tříska. S dalším nárůstem řezné rychlosti se změní soudržná článkovitá tříska na třísku elementární.

Článkovitá tříska při HSC

Mechanismus vzniku článkovité třísky při HSC lze u ocelí popsat čtyřmi stadii. Popis tvorby článku je proveden při ortogonálním volném řezání s negativním úhlem čela [4].
1. stadium vzniku článku třísky
Maximální tlakové napětí se vyskytuje v oblasti zaoblení ostří a směrem k povrchu obrobku se podél roviny smyku zmenšuje. Nízká hodnota tlakového napětí na povrchu a kritická hodnota smykového napětí iniciují vznik trhliny (obr. 1). Trhlina vznikne na povrchu v bodě a šíří se směrem k ostří, kde je zastavena plastickým stavem (na obrázku je trhlina ohraničena body a ). Vznik trhliny je počátkem tvorby nového článku třísky. Délka trhliny je porovnatelná s nedeformovanou tloušťkou třísky hc. Existenci vzniku trhliny dokazuje obr. 2. Tento obrázek byl získán pomocí přerušovače řezu při ortogonálním volném řezání [4].
2. stadium vzniku článku třísky
Následkem výskytu trhliny je budoucí článek třísky umístěn mezi trhlinu a čelo břitu. Na obrázcích 3 a 4 je znázorněn odchod nedeformované části článku třísky z místa řezu. Poté dochází vlivem pohybu břitu ke zkracování úsečky AA´ a dochází k deformaci části článku třísky. Rychlost pohybu třísky po čele a zužování článku třísky vytváří velké množství tepla a teplota třísky dosahuje hodnoty kolem Ac3. Za určitých podmínek může vznikat vlivem této teploty martenzit. Bílé pásy zobrazené na obr. 4 představují plasticky deformovanou oblast třísky.
3. stadium vzniku článku třísky
V tomto stadiu je vzdálenost AA´ tak malá, že dochází k velké deformaci zbylé části článku třísky. Na obr. 6 je zobrazena vysoce deformovaná část článku třísky. Tloušťka třísky je v tomto stadiu malá a ochlazování zde probíhá extrémně rychle. Transformace v této části probíhá adiabaticky.
4. stadium vzniku článku třísky
Tříska je v tomto stadiu vytvořena a začíná vzrůstat tlakové napětí. Cyklus její tvorby se začíná opakovat.

Konfrontace s experimentálním měřením

Jak již bylo řečeno, druh vznikající třísky je ovlivněn všemi parametry procesu. Patří mezi ně druh obráběného materiálu, geometrie nástroje a především řezné podmínky. Právě vhodnou volbou řezných podmínek (zejména řezné rychlosti) lze docílit příznivých efektů HSC obrábění. Vzniká-li totiž tříska s výraznou článkovitostí, případně elementární tříska, dochází k přechodu od tzv. konvenčního k vysokorychlostnímu obrábění.
Výše popsaná mechanika tvorby třísky byla doposud experimentálně potvrzena pro obrábění slitin hliníku a ocelí třídy 12 050. Nyní byl stejný efekt HSC obrábění potvrzen i pro vysokorychlostní frézování materiálu o vysoké pevnosti a tvrdosti (ocel ČSN 19 556.4 tepelně zpracovaná na tvrdost 56 HRC). Do řezné rychlosti 50 m.min-1 probíhala plastická deformace v celém průřezu třísky a vznikala soudržná plynulá tříska. Při rychlosti 100 m.min-1 již docházelo ke vzniku článků třísky. Od řezné rychlosti 150 m.min-1 se plastická deformace koncentrovala pouze v lokalizovaných pásech v okolí smykové roviny. Se zvyšující se řeznou rychlostí se pásy plastické deformace dále zužovaly. Při řezné rychlosti 450 m.min-1 bylo již patrné natavení materiálu v oblasti smykové roviny. Jednalo se o přechod do oblasti HSC z hlediska morfologie třísky. Při řezné rychlosti 850 m.min-1 docházelo k oddělování jednotlivých článků třísky a vznikala tříska elementární.
Ing. Jiří Svoboda, Ph. D. student
Ing. Tomáš Skopeček, Ph. D. student
Ing. Jan Řehoř, Ph. D. student
Doc. Ing. Petr Hofmann, CSc. (školitel)
katedra technologie obrábění
Fakulta strojní
Západočeská univerzita v Plzni

Další články

Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: