Úvahy o stanovení obrobitelnosti materiálu - I. část

Obrobitelnost materiálu je jedním ze základních pojmů v teorii obrábění. Rozeberme si současné definice tohoto pojmu uváděné v odborné literatuře.

V literatuře [4] je obrobitelnost definována jako „souhrnný vliv fyzikálních vlastností a chemického složení kovu na průběh obrábění a na ekonomické, příp. kvalitativní výsledky procesu řezání“. Definice je neadresná, zahrnuje jak strukturu a složení materiálu, tak i technické a ekonomické výsledky obrábění. V podstatě to je definice nic neříkající.

2b. Tříska získaná přerušovačem řezu

Literatura [6] uvádí definici: Obrobitelnost je míra schopnosti daného, konkrétního materiálu být zpracováván některou z metod obrábění. Obrobitelností se rozumí souhrn faktorů charakterizujících daný materiál, které mají vliv na výkon a náklady při obrábění. Obrobitelnost závisí na způsobu výroby, tepelném zpracování, mikrostruktuře materiálu, chemickém složení, fyzikálních a mechanických vlastnostech, metodě obrábění, pracovním prostředí, geometrii nástroje a materiálu břitu nástroje. Zde jsou zahrnuty všechny možné vlastnosti materiálu, včetně technických a ekonomických parametrů obrábění. Jak ale třídit materiály podle této definice?

V publikaci [8] jsou uvedeny následující nejdůležitější vlastnosti ovlivňující obrobitelnost: tvrdost, pevnost, tvárnost, tepelná vodivost, zpevňování za studena, vměsky, přísady pro zlepšení obrobitelnosti, stav obrobku (válcovaný za tepla, válcovaný za studena, odlévaný, normalizačně žíhaný, žíhaný na měkko, tažený za studena, zušlechtěný), legující prvky, stav povrchové vrstvy a struktura materiálu. Toto je výčet vlastností, ale není uvedeno, jak hodnotit obrobitelnost materiálu.

V současné době se obrobitelnost materiálu definuje takto [17]: Obrobitelnost materiálu je souhrn vlastností obráběného materiálu z hlediska jeho vhodnosti pro výrobu součásti konkrétním způsobem obrábění. Materiály jsou rozděleny do tříd obrobitelnosti.

- Třídy obrobitelnosti. Součinitel Kv vyjadřuje rozdíl mezi jednotlivými třídami obrobitelnosti, Kv = 1,26 (desátá odmocnina z 10)
- Index obrobitelnosti io (stanoví se na základě zkoušek) io = vzk/vet, kde vzk je řezná rychlost obrábění zkoušeného materiálu pro danou trvanlivost břitu (m.min-1) a  vet řezná rychlost (m.min-1) obrábění etalonového materiálu pro danou trvanlivost břitu.

Dosud nejsou kategorizované plasty, přírodní nerostné hmoty, vrstvené hmoty a pryže. Počet podskupin ve třídách obrobitelnosti je dvacet u třískového obrábění a deset u broušení. Hodnocení je založeno na velikosti opotřebení břitu nástroje v závislosti na řezné rychlosti. Toto hodnocení se již více blíží praktickému využití.

Z uvedeného je zřejmé, že do pojmu „obrobitelnost“ se zahrnují všechny faktory ovlivňující a hodnotící proces obrábění. Můžeme tedy hodnotit obrobitelnost např. podle schopnosti vytvořit rovinnou plochu s velmi malou drsností. Toho lze dosáhnout např. broušením, lapováním, honováním, protahováním, ale také frézováním, když má vyměnitelná břitová destička ostří tvořené obloukem o velkém poloměru (1 000 mm). Další případ: pro vrtání děr do „manganových“ ocelí, které jsou obecně velmi špatně obrobitelné, byla úspěšná metoda vrtání vrtákem s břitem ze slinutého karbidu velkým posuvem při chlazení stlačeným vzduchem, kdy se na břitu dosáhlo takové teploty, že materiál obrobku změkl, a tím jej bylo možné obrábět. Tady došlo ke změně vlastností materiálu při vlastním obrábění. Na stejném principu je založeno také obrábění s předehřevem plazmatem nebo laserem. Oba tyto příklady ukazují, že současné definice „obrobitelnosti“ hodnotí možnost dosažení potřebného výsledku, ať již z hlediska technického nebo ekonomického. To však není „obrobitelnost“, ale schopnost daný materiál obrábět. Takovéto hodnocení nám ukazuje možnost materiál obrobit a posoudit, která metoda obrábění je ekonomičtější (honování, nebo frézování), ale těžko řekneme, který materiál má jakou obrobitelnost.

Způsob výroby polotovaru – znamená, zda se jedná o výkovek, odlitek, svařenec nebo válcovaný materiál. Rozdíl je v chemickém složení, ve struktuře materiálu (výkovek/odlitek), která určuje mechanické vlastnosti materiálu, a ve struktuře povrchové vrstvy.

Tepelné zpracování – jinou obrobitelnost má obrobek kalený, normalizačně žíhaný nebo žíhaný na měkko. Opět jde o chemické složení a strukturu materiálu.
Fyzikální a mechanické vlastnosti – tvrdost, pevnost, houževnatost, tepelná vodivost, teplotní vodivost, tvárnost, náchylnost ke zpevňování. Uvedené vlastnosti jsou opět dány chemickým složením a strukturou materiálu.

Metoda obrábění – je dána obráběnou součástí, ve většině případů je možné použít více metod. Pak je pro výsledek důležité hledisko požadované přesnosti výroby, jakosti obrobeného povrchu a celkových nákladů na výrobu. Toto kritérium necharakterizuje materiál obrobku! Například lze ortogonálním řezáním obrábět ocel nebo tuk (viz obr. 1), v obou případech se tvoří „tříska“.

Pracovní prostředí – ovlivňuje především trvanlivost břitu nástroje, přesnost rozměrů, jakost obrobené plochy, utváření a odvod třísky z místa řezu, včetně ekologie pracovního prostředí. Necharakterizuje materiál obrobku. Např. je možné chlazení provádět kapalinou pod tlakem, vzduchem, zmrazeným médiem (kryogenní chlazení) apod. Způsob – záplavové, s minimálním množstvím chladiva a s cíleným přívodem kapaliny do místa řezu.

Geometrie břitu nástroje – ovlivňuje velikost řezných sil, trvanlivost břitu, utváření a odvod třísky z místa řezu, směr odchodu třísky a její tvar. Necharakterizuje materiál obrobku! Při provedených zkouškách utváření třísky u závitníků (viz obr. 2) jsme ve společnosti Narex Praha sledovali kromě tvaru a směru odchodu třísky také její mikrostrukturu. Bylo zajímavé, že při třísce tvořící plynulou šroubovici s úhlem 35° byla jednotlivá zrna deformována ve směru šroubovice (viz obr. 3a) a napříč průřezem k deformaci nedošlo (viz obr. 3b). Zjišťování optimálních hodnot geometrie břitu se provádí experimentálně, např. pomocí nástroje podle vynálezu [16]. Z výsledků zkoušek vlivu geometrie břitu na utváření a odchod třísky u frézovacích hlav (obr. 4a), provedených v Narexu Praha, byl sestaven diagram (viz obr. 4b) závislosti průměru odcházející třísky na úhlech čela a sklonu ostří.

Obr. 3a. Řez třískou ve směru směru šroubovice

Materiál břitu nástroje – jeho vliv se projevuje především na odolnosti proti opotřebení. Závisí tedy na odolnosti materiálu proti otěru, na tepelné a teplotní vodivosti. V současné době se používají především nástroje ze slinutého karbidu s vhodným povlakem, který opět komplikuje hodnocení obrobitelnosti podle uvedeného kritéria. Toto kritérium opět necharakterizuje materiál obrobku! Na trhu jsou nyní vyměnitelné břitové destičky, u kterých je povlak tvořen řízenou orientovanou krystalizací. Povlak má těsně uspořádané pakety (technologie INVECO) vytvořených krystalů s usměrněnou krystalografickou orientací, což tvoří dobrou pevnost, tepelnou bariéru, vysokou odolnost proti otěru a dlouhou trvanlivost břitu (obr. 5).

Chemické složení – tento pojem velmi úzce souvisí s materiálem obrobku a s krystalovou mřížkou, tj. s umístěním atomů jednotlivých prvků v krystalové mřížce.
Mikrostruktura materiálu – na tento pojem se musíme podívat podrobněji, a to hned ze dvou hledisek: atomární krystalová mřížka a mikrostruktura uspořádání a velikosti zrn materiálu.

Příště se v našich úvahách zaměříme na krystalovou strukturu materiálu a teorii vzniku třísky.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.

Jar.rasa@seznam.cz

Seznam použité literatury :

[1] Čapková, P.: Materiály šité na míru, Vesmír, 78,1999, č.4
[2] Gazda, J,: Teorie obrábění, Průvodce tvorbou třísky, Technická univerzita v Liberci, 2004
[3] Hinterleitner, F.: Kvantová gravitace, kvantový prostor, Vesmír, 1998, č.10
[4] homel.vsb.cz
[5] Hutní projekt Diagram Fe – Fe3 C, Fe - C , číslo výkresu 01 – 08002 a
[6] Petřík, J.: Obrobitelnost a vlastnosti obráběných materiálů, MM Průmyslové spektrum, 2015, č.7/8,
[7] Pluhař, J., Koritta, J.: Strojírenské materiály, SNTL/ALFA, 1977, Praha
[8] Příručka obrábění, SANDVIK Coromant, 1997, Scientia
[9] Řasa, J.: Aplikace prostorového utváření a směr odchodu třísky – frézovací nástroje, I. a II. Etapa, výzkumná zpráva Z – 43/77, Nářadí Praha, 1977
[10] Řasa, J.: Aplikace prostorového utváření a směr odchodu třísky – frézovací nástroje, III. Etapa, výzkumná zpráva Z – 46/78, Nářadí Praha, 1978
[11] Řasa, J.: Interakce paprsku laseru s materiálem, výzkumná zpráva V – 11 – 043, Praha, ČVUT v raze, fakulta strojní, 2011
[12] Řasa, J., Kerečaninová, Z.: Chování kovových železných materiálů během obrábění laserem, výzkumná zpráva V – 06 – 035, Praha, ČVUT v raze, fakulta strojní, 2006
[13] Řasa, J., Kerečaninová, Z.: Chování kovových neželezných materiálů během obrábění laserem, výzkumná zpráva V – 07 – 037, Praha, ČVUT v raze, fakulta strojní, 2007
[14] Řasa, J.: Nové typy závitníků – zkoušky, výzkumná zpráva Z – 45/78, Nářadí Praha, 1978
[15] Řasa, J.: Obrobitelnost kovových materiálů paprskem laseru, výzkumná zpráva V – 10 – 036, Praha, ČVUT v raze, fakulta strojní, 2010
[16] Řasa, J., Polák, M.: Řezný nástroj s přestavitelnou geometrií břitu, AO 149 162
[17] Řasa, J., Švercl, J.: Strojnické tabulky, 2.díl, Scientia, 2007, Praha
[18] Řasa, J.: Vliv prvků na obrobitelnost kovových materiálů laserem, výzkumná zpráva V – 09 – 046, Praha, ČVUT v Praze, fakulta strojní, 2009
[19] Řasa, J. a kol.: Výpočetní metody v konstrukci řezných nástrojů, SNTL Praha, 1986
[20] Řasa, J.: Zkoušky závitníků s drážkou ve šroubovici, výzkumná zpráva Z – 14/69, Nářadí Praha, 1969
[21] SANDVIK Coromant, prospektový materiál, 2015
[22] Stříž, B. a kol.: Dynamika lomu, výzkumná zpráva, dílčí zpráva státního úkolu III – 6 – 1/3 – 1, Technická univerzita v Liberci, 1976,