Témata
Reklama

Účinek řezného prostředí na trvanlivost břitu

Volba řezného prostředí výrazně ovlivňuje výsledky řezného procesu, jelikož účinky různých prostředí na řezný proces mohou být za stejných podmínek obrábění zcela odlišné. Zmíněný vliv lze přitom v první řadě sledovat z hlediska samotné podstaty řezného procesu, kam můžeme zařadit např. trvanlivost břitu nástroje, velikost sil při obrábění nebo teplotu řezání.

Pavel Zeman

Docent na Fakultě strojní ČVUT v Praze, kde získal inženýrský i doktorský titul. Od roku 2001 pracuje ve Výzkumném centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), kde zastává pozice garanta témat výzkumu a spolupráce s průmyslem v oblasti technologie obrábění a vedoucího skupiny Technologie. Jeho odbornou specializací jsou zejména problematika obrábění těžkoobrobitelných materiálů, nové způsoby chlazení při obrábění a aplikace laserových výrobních technologií.

Prokazatelný účinek řezného prostředí je ovšem možné zaznamenat také ve vztahu k funkčním vlastnostem obrobku, které jsou popisovány určitým souborem charakteristik. K těmto charakteristikám patří především drsnost obrobeného povrchu, zpevnění obrobené plochy a zbytková napětí v její povrchové vrstvě.
V současnosti jsou při obrábění kromě klasických způsobů chlazení řezného procesu aplikovány i některé moderní a ekologické technologie chlazení a mazání, k nimž patří zejména mazání minimálním množstvím kapaliny (MQL) a suché obrábění při ofuku místa řezu mraženým nebo chlazeným vzduchem.
Mazání minimálním množstvím kapaliny umožňuje speciální zařízení, které vytváří aerosol vzduchu a oleje. Pomocí tohoto zařízení je velmi malé množství oleje (v řádu ml za hodinu) dodáváno přímo na stykové plochy mezi nástroj a třísku, případně obrobený povrch, čímž se snižuje množství tepla vznikajícího vlivem tření. Naproti tomu při chlazení proudem chlazeného či mraženého vzduchu je množství generovaného tepla snižováno intenzivním chlazením řezného procesu. Proud vzduchu, který může na výstupu z trubice dosahovat teplot až -40 °C, je vytvářen zařízením nazvaným vírová trubice.
První částí problematiky, která byla a bude řešena ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT), ve spojitosti s aplikací různých řezných prostředí v okolí místa řezu, je účinek prostředí na trvanlivost, resp. opotřebení břitu nástroje.
Reklama
Reklama
Reklama

Možnosti chlazení a mazání řezného procesu na stoji LM-2

Pro zkoušky trvanlivosti břitu zvolený experimentální frézovací stroj LM-2 umožňuje volbu některého z celkem osmi základních typů chlazení a mazání řezného procesu, a to včetně těch nejmodernějších. Jedná se o obrábění v přirozeném řezném prostředí (bez chlazení), povodňové chlazení externími tryskami nebo tělesem nástroje, mazání minimálním množstvím kapaliny externími tryskami nebo tělesem nástroje, ofuk místa řezu tlakovým vzduchem o teplotě okolí externími tryskami nebo tělesem nástroje a chlazení proudem chlazeného, či dokonce mraženého vzduchu. Uvedený výčet navíc nezahrnuje možnosti vzájemně kombinovat většinu z vyjmenovaných způsobů.

Trvanlivost břitu nástroje

Zkoušky trvanlivosti břitu nástroje byly provedeny pro čtyři vybrané způsoby chlazení a mazání řezného procesu. Jednalo se o obrábění bez chlazení, externí povodňové chlazení, externí mazání olejovou mlhou (MQL) a ofuk místa řezu proudem chlazeného vzduchu.
Při povodňovém chlazení řezného procesu bylo dvěma externími tryskami dodáváno celkem 1800 l.h-1 emulze vody a koncentrátu na bázi ropného a esterového oleje (koncentrace emulze 5,5 %). Olejová mlha byla naopak do místa řezu dodávaná jen v minimálním množství doporučeném pro zvolené podmínky obrábění. Aerosol vzduchu a oleje, vznikající při tlaku vzduchu 0,4 MPa a s optimální velikostí olejových kapek 0,5 mm, byl do místa řezu dodáván rovněž dvěma externími tryskami, ovšem o výrazně menším vnitřním průměru než v případě povodňového chlazení. Řezné prostředí ve formě chlazeného vzduchu o teplotě +4 °C bylo, při tlaku 0,7 MPa, dodáváno do pracovního prostoru stroje jednou externí tryskou o vnitřním průměru 6,27 mm.
Řezné podmínky použité pro provedený výzkum byly následující. Obráběcí operaci je možné popsat jako čelní sousledné frézování materiálu s označením 12 050.9. Nástrojem byla stopková fréza o průměru 20 mm s vyměnitelnými břitovými destičkami typu APKX 11 z povlakovaného slinutého karbidu (karbid typu P, povlak multi TiN (TiAlSi)N). Velikost řezné rychlosti (vc) byla zvolena na základě doporučení výrobce nástroje a byla rovna 210 m.min-1, což znamenalo obrábění při otáčkách 3342 min-1. Na základě doporučení byl zvolen také posuv na zub o velikosti fz=0,15 mm. Pro nástroj se třemi břity to vedlo k rychlosti pracovního posuvu 1504 mm.min-1. Radiální hloubka řezu (ae) byla zvolena jako hodnota přesahující 3/4 průměru nástroje, tedy 16 mm. Hloubka řezu v axiálním směru (ap) byla 2 mm. Podmínky obrábění byly po celou dobu provádění zkoušek konstantní, změna nastávala pouze v použitém řezném prostředí. Zvolené řezné podmínky vedly k dosažení hodnoty úběru materiálu lehce přes 48 cm3.min-1.
Vyhodnocení trvanlivosti břitu nástroje bylo provedeno v souladu s normami ISO 3685, ČSN ISO 8688-1 a ČSN ISO 8688-2. Opotřebení bylo sledováno jednak na hlavním hřbetě břitu destičky, jednak na jeho čele. Sledovanými charakteristikami opotřebení tedy byly:
  • VBB - rozměr rovnoměrného opotřebení na hlavním hřbetě;
  • VBBmax - maximální rozměr nerovnoměrného opotřebení na hlavním hřbetě;
  • KB - rozměr vzdálenosti vzdálenější hrany žlábku na čele od ostří;
  • KF - rozměr vzdálenosti bližší hrany žlábku od ostří.
  • Zvolená kritéria opotřebení pro jednotlivé charakteristiky opotřebení byla 0,5 mm pro VBBmax, 0,3 mm pro VBB a 0,02 mm pro KF. Společným dodatečným kritériem opotřebení bylo dosažení doby obrábění minimálně 20 minut.
    Výsledky výzkumu účinků řezného prostředí na trvanlivost břitu nástroje ukázaly, že nejdelší trvanlivosti břitu bylo dosaženo shodně při použití obrábění bez chlazení, mazání olejovou mlhou a chlazení proudem studeného vzduchu. Doba obrábění byla pro tyto případy větší než 20 minut. V případě povodňového chlazení emulzí vznikaly vlivem kombinace mechanického a tepelného zatížení břitu trhliny, které vedly k destrukci břitu nástroje po přibližně 9,6 minuty obrábění. Iniciace a šíření trhlin na čele břitu byla zdokumentována. První trhlina vznikla v místě končící axiální hloubky řezu (zhruba 2 mm od špičky nástroje). Příznaky existence první trhliny byly přitom pozorovány již po několika desítkách sekund obrábění. Další trhliny se potom, při současném zvětšování dříve vzniklých trhlin, tvořily v části břitu, která je blíže ke špičce destičky. Po dosažení kritické velikosti a počtu trhlin nastala celková destrukce břitu.
    Sledováním průběhu opotřebení hlavního hřbetu břitu v závislosti na době obrábění byly, i přes tvorbu trhlin na čele břitu, zachyceny nejnižší hodnoty opotřebení pro povodňové chlazení. U zbylých způsobů chlazení a mazání řezného procesu byly průběhy opotřebení na hlavním hřbetě velmi podobné. Pro obrábění bez chlazení, mazání olejovou mlhou a chlazení proudem chlazeného vzduchu také platilo, že po více než dvaceti minutách obrábění se hodnoty VBB pohybovaly okolo 0,08 mm. K podobným závěrům vedlo i vyhodnocení VBBmax. Po více než dvaceti minutách obrábění zde jen byly hodnoty opotřebení mírně vyšší (0,1 mm).
    Opotřebení nástroje formou žlábku na čele břitu se projevovalo až po zhruba 10 minutách obrábění, kdy došlo k prokazatelnému porušení povlaku přes celou jeho tloušťku. Do této doby docházelo pouze k otěru povlaku. Porušení povlaku nastalo nejdříve u obrábění bez chlazení a s chlazením proudem studeného vzduchu. O více než dvě minuty delší odolnost povlaku proti porušení byla zaznamenána u mazání olejovou mlhou. Porušení povlaku u povodňového chlazení nebylo možné pozorovat vzhledem ke krátké době trvanlivosti nástroje při těchto podmínkách. Nejmenší velikost žlábku byla sledována pro řezný proces v prostředí olejové mlhy. Rozměr žlábku měřený od ostří zde byl o 25 % menší než v případě obrábění bez chlazení. Nejlepších výsledků při použití systému mazání MQL bylo dosaženo také z hlediska vzdálenosti bližší části žlábku opotřebení k ostří břitu. Přestože se po přibližně 20 minutách vyskytoval žlábek opotřebení nejblíže ostří při obrábění bez chlazení (KF = 0,05 mm), nebylo ani zde dosaženo kritéria pro tento typ opotřebení (0,02 mm). Reálná vzdálenost žlábku od ostří 0,05 mm však již stačila k tomu, aby při obrábění bez chlazení nastávalo vyštipování relativně větších částí břitu, které však ještě nebylo takového rozsahu, aby bránilo dalšímu použití břitu pro obrábění.
    Pozitivní účinek minimálního mazání olejovou mlhou na tvorbu žlábku dokumentují také snímky stavu čela břitu, pořízené po době obrábění cca 20 minut. Je evidentní, že účinek chlazení proudem studeného vzduchu byl horší než v případě MQL, byla ovšem zaznamenána menší intenzita opotřebení čela břitu než při obrábění bez chlazení.

    §§§

    Závěrem můžeme prohlásit, že pro zvolené podmínky obrábění se jako výhodná jeví aplikace nekonvenčních řezných prostředí, tj. mazání minimálním množstvím kapaliny ve formě olejové mlhy nebo chlazení ofukem místa řezu proudem chlazeného vzduchu. Ani v případě obrábění bez chlazení však nebylo dosaženo špatných výsledků. Naznačenými způsoby je možné při uvedených podmínkách obrábět déle než 20 minut. Jako nejméně vhodné se při těchto řezných podmínkách ukázalo použití intenzivního chlazení řezného procesu emulzí koncentrátu a vody, a sice s externím přívodem média do místa řezu. Opotřebení břitu nástroje formou plošky na jeho hřbetě sice probíhalo s menší intenzitou než v ostatních případech, tvorba a šíření trhlin na čele břitu však vedly k celkové destrukci břitu již po 9,6 minuty obrábění.
    Výzkum účinků chlazení a mazání řezného procesu bude v rámci řešení projektu ve VCSVTT pokračovat i v dalších letech. Další výzkum vlivu řezného prostředí bude zaměřen na integritu obrobeného povrchu, síly při obrábění a teploty řezání.
    Tyto výsledky byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M684077000.
    Ing. Pavel Zeman, Ph.D.
    VCSVTT
    Reklama
    Vydání #12
    Kód článku: 51224
    Datum: 20. 12. 2005
    Rubrika: Trendy / Obrábění
    Firmy
    Související články
    Pohodlné upínání magnetem

    Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

    Strojírenské podniky v době pandemie

    Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

    Kloubový robot uvnitř stroje

    V oboru obráběcích strojů není potřeba japonskou společnost Okuma podrobně představovat. Je známá svým širokým sortimentem soustružnických, frézovacích a brousicích číslicově řízených obráběcích strojů. Nyní na trh přináší vlastní automatizační řešení v podobě robota Armroid.

    Související články
    Prediktivní diagnostika přesnosti CNC strojů

    Jak přesný je náš stroj? Můžeme jeho parametry nějak zlepšit? Je stále ještě ve stavu, který předpokládáme? Často je obráběcí stroj pro uživatele černou skříňkou, která v optimálním případě produkuje shodné výrobky. Nemusí to tak zůstat a stav strojů lze i cíleně zlepšovat.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Přesnost zvyšující produktivitu

    Zakoupení obráběcího centra Pama umožnilo společnosti Tajmac-ZPS zvýšit nejen její celkovou produktivitu, ale také geometrickou přesnost při výrobě důležitých komponent pro její vícevřetenové automaty.

    Československá stopa u nového rekordu

    Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

    Pro větší efektivitu ve výrobě

    Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

    Vlajková loď pětiosého obrábění

    Český výrobce obráběcích strojů Kovosvit MAS v letošním roce slaví úspěch se svojí high-tech produkcí, zejména s pětiosými vertikálními obráběcími centry řady MCU. Tyto stroje se daří firmě umísťovat na náročné trhy Evropské unie i jinde ve světě, cenné reference sbírají především v leteckém průmyslu.

    Novinka z varnsdorfské líhně

    Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

    Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

    Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

    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.

    Plnění požadavků na čistotu ve výrobě

    Firma Rosler vyvinula pro výrobce systémů škrticích a výfukových klapek kompletní systém automatizovaného obrábění. Tento systém pokrývá operace od převzetí obrobku po třískovém obrábění přes proces surf finishingu a jemného čištění, nanesení kódu datové matice až po zabalení dílů do KLT obalů a jejich přesun do stohovacích kontejnerů.

    CNC řízení pro rychlostní a multifunkční obrábění

    Výsledek obráběcího procesu v parametrech přesnost/rychlost/povrch je dán mnoha faktory na straně stroje, nástrojů, způsobu programování a upínání, přičemž může existovat i více cest k jednomu stanovenému cíli. V tomto článku bychom se chtěli zaměřit na CNC řídicí systém, který je dnes bezpochyby podstatnou a nenahraditelnou složkou tohoto procesu. Řídicím systémem přitom většinou rozumíme jak vlastní řídicí počítač, tak i pohony os a vřeten a systémy odměřování polohy.

    Multifunkční obráběcí centra

    Tento typ obráběcích center patří do bouřlivě se rozvíjející skupiny CNC obráběcích strojů. Představuje typ obráběcího stroje, který reflektuje rostoucí požadavky uživatelů na obrobení součásti při jednom upnutí. Ve své podstatě jde o CNC stroje sdružující dvě základní operace třískového obrábění, a sice soustružení a frézování, do jednoho stroje. Kromě tohoto atributu mají tyto stroje i jiné vlastnosti, které budeme dále diskutovat.

    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