Úvahy o stanovení obrobitelnosti materiálu - II. část

Dnes se podrobněji podívejme na krystalovou mřížkou materiálu, jeho mikrostrukturu, tj. uspořádání, velikost a soudržnost zrn materiálu. V literatuře [3] byl uveřejněn článek „Kvantová gravitace, kvantový prostor“, u něhož mě po přečtení napadla následující myšlenka: Obrobitelnost materiálů je ovlivněna počtem a uspořádáním dislokací v rovině, kde má být odebrána tříska. Není tedy dána opotřebením břitu nástroje, to je pouze druhotný jev. Pokud bychom uměli stanovit dislokace v materiálu (nebo jinak popsat stav materiálu) před břitem nástroje bez jeho porušení, např. akusticky, pak by bylo možné stanovit obrobitelnost materiálu kontinuálně těsně před břitem nástroje a výrazně zlepšit rychlost a ekonomiku obrábění při okamžitých optimálních řezných podmínkách. Jednalo by se o adaptivní řízení obráběcího stroje.
Dalším hlediskem je krystalová struktura, tj. typ krystalové mřížky, chemické složení materiálu a poloha atomů jednotlivých prvků v mřížce. Při výzkumu obrobitelnosti materiálu laserem jsme prováděli experimenty s Nd:YAG laserem o výstupním výkonu 50 W. Cílem bylo stanovit veličinu, která by charakterizovala obrobitelnost materiálů laserem. Byly obráběny následující technicky čisté prvky (v závorce je uveden typ mřížky): Fe (bcc), C (hcp), Ti (bcc), Zn (hcp), Cu (ccp), Al (ccp), Si (ccp), Cr (bcc), Ni (ccp). Prvky jsme seřadili podle naměřeného objemu odebraného materiálu. Výsledkem bylo konstatování, že obrobitelnost závisí především na typu krystalové mřížky, jejích parametrech a hmotnosti atomů. Dále nás z hlediska praktického zajímal vliv uhlíku na obrobitelnost železných materiálů. Experimenty probíhaly jednak na nelegovaných ocelích třídy 10 a 11 (10 505, 11 300, 11 320, 11 343), které obsahují co nejméně přídavných prvků, dále pak na legovaných ocelích (14 220, 19 436) a litině (42 2420). Z provedeného výzkumu byly zjištěny následující hlavní závěry: Na velikost úběru materiálu má kromě pracovních parametrů laseru vliv především množství uhlíku ve slitině. Čím větší je obsah uhlíku ve slitině (tedy laserem dobře obrobitelného prvku), tím je lepší obrobitelnost. Uhlík se laserem obrábí podstatně lépe než železo.

V literatuře [8] se uvádí, že na obrobitelnost materiálu řeznými nástroji mají negativní vliv Ni (ccp) a Cr (bcc), naopak pozitivní Pb (ccp). Toto souhlasí s výsledky ze zkoušek obrobitelnosti laserem.

V literatuře [5, 7] jsou uvedeny krystalové mřížky některých druhů slitin. Podívejme se blíže na rovnovážný diagram Fe – C (viz obr. 1). Při porovnání poznatků získaných studiem tohoto diagramu s výsledky hodnocení obrobitelnosti materiálů při obrábění laserem vidíme, že v obou případech je typ krystalové mřížky a její osazení atomy prvků rozhodující pro obrobitelnost materiálu. Krystalové mřížky austenitu, ferritu, martenzitu, železa gama a uhlíku najdete například v literatuře [5, 7]. Podle typu krystalové mřížky je nejhůře obrobitelný austenit a martenzit, což odpovídá také zkušenosti z praxe. Je zde tedy určitý souhlas s výsledky z experimentů provedených laserem. Naskýtá se otázka: Nebylo by možné stanovit obrobitelnost materiálů podle jejich krystalové mřížky, chemického složení, osazení krystalové mřížky atomy a jejich hmotností? Tuto úvahu je nutné ověřit experimentálně. Experimenty doporučuji provést nejprve při obrábění čistých kovů a poté na slitinách, tj. materiálech konkrétně používaných v průmyslu.

Obr. 1: Rovnovážný diagram Fe – C
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Jak ukazuje dříve provedený rozbor, tak se z  položek uvedených v definicích obrobitelnosti některé vůbec netýkají obráběného materiálu, ale souvisejí s dosažením požadovaných technických a ekonomických parametrů vyráběného obrobku – metoda obrábění, pracovní prostředí a jiné souvisejí s typem a provedením nástroje – geometrie břitu, materiál břitu, povlak. V moderních definicích se dokonce uvádí jako pojem určující obrobitelnost materiálu ekonomika procesu obrábění – to už je úplně postavené na hlavu.

Další způsob hodnocení obrobitelnosti materiálů by bylo možné postavit na teorii vzniku třísky, protože procesy probíhající v kořeni třísky závisejí na vlastnostech obráběného materiálu, metodě obrábění a na pracovních podmínkách. Existuje celá řada teorií snažících se tento jev popsat. Žádné teorii se to dosud zcela nepodařilo, což svědčí o složitosti celého problému. Podrobný přehled teorií tvoření třísky zpracoval doc. Ing. Jaromír Gazda, CSc., a je uveden v literatuře [2].

Uveďme několik poznámek z této literatury. Princip kluzových čar: na začátku styku břitu řezného nástroje s obrobkem se v části materiálu vyvolá napěťový stav, při dalším pohybu nástroje se vyvolají smykové síly (viz obr. 2), které při překročení meze kluzu oddělí posunem elementárních částic ve směru křivek kluzu třísku od obráběného materiálu. Hypotézy teorie plasticity určují, že k porušení materiálu dojde účinkem maximálního smykového napětí, které dosáhne kluzové hodnoty. U některých materiálů dojde k porušení pevnosti materiálu tahem nebo tlakem. Podle teorie kluzových čar je tvar pole kluzových čar jednoznačně určen tloušťkou odřezávané vrstvy, řeznou rychlostí, úhlem čela, úhlem sklonu ostří a úhlem tření.

Další metodou je lomová mechanika – lom tělesa je nespojitostí deformace v procesu deformování tělesa. Vznik lomu lze řešit na úrovni: atomistické – lom se chápe jako oblast, která je větší než jádro atomu (řádově 10-7 mm); mikroskopické – oblast velikosti zrn struktury daného materiálu; makroskopické – lom je nespojitost ve tvaru trhlin nebo vrubů v materiálu tělesa (viz obr. 3), v literatuře [22] je uveden podrobnější popis. U některých materiálů by tato metoda byla použitelná, obecně ne. Při výzkumu je možné využit fotoelasticimetrii nebo holografii.

Obr. 3: Aplikace lomové mechaniky šíření trhliny (nahoře); vznik třísky (dole).

Co se děje v oblasti tvoření třísky, může popisovat součinitel pěchování třísky. Bylo by proto vhodné provést experimenty s cílem ověření vzorce:
kp = f. ap /(vc.γ.λ.Rm),
kde f je posuv, ap je hloubka řezu, vc je řezná rychlost, γ je úhel čela, λ je úhel sklonu ostří, Rm je pevnost materiálu v tahu

Pro hodnocení obrobitelnosti materiálů pak použijme takto stanovenou hodnotu součinitele pěchování pro daný materiál a technologii. Předpokládá to ovšem provedení zkoušek vybraných materiálů, jejich roztřídění do skupin a sestavení příslušné tabulky. V podstatě jde o podobné hodnocení, jako je uvedeno v literatuře [17], pouze s tím rozdílem, že se vychází z poměrů panujících v oblasti vzniku třísky. Na obr. 4 je diagram závislosti součinitele pěchování třísky na úhlech čela a sklonu ostří.

Další možností využití poznatků z pružnosti a pevnosti je aplikace pracovního diagramu pro vznik článkové třísky. Z tohoto pohledu lze princip úběru materiálu popsat následovně: Nástroj tlačí na obrobek, ve kterém vznikají tlaková napětí, která přecházejí v napětí smyková. Nástroj i obrobek (odebíraná vrstva) při vzájemném styku odpruží, v pracovním diagramu to odpovídá oblasti pružné deformace, tj. napětí 0 až mez úměrnosti. Napětí dále roste (nůž se stále pohybuje) až dojde k překonání napětí na mezi kluzu a k oddělení vrstvy materiálu v podobě článku třísky. Vzniklá deformace proběhne na břitu nástroje po velmi krátké dráze, a proto je tam vysoká deformační rychlost i teplota. Plastická deformace materiálu vyvolá určitou orientaci krystalových zrn. Při stejné hloubce řezu a při malé rychlosti obrábění mají články tvořící třísku větší tloušťku než při velké rychlosti obrábění, kdy je jich na jednotku délky více. Při velké řezné rychlosti nemá deformace čas šířit se v materiálu, a proto má tříska menší tloušťku článků a větší poloměr stáčení. Pravděpodobně je to dáno tím, že při větší rychlosti obrábění je také větší deformační rychlost i teplota v místě řezu. Velikost článku třísky závisí na úhlu čela, úhlu sklonu ostří, mezi úměrnosti, mezi pevnosti, řezné rychlosti, posuvu a hloubce řezu. Z této úvahy by bylo možné stanovit experimentálně závislost tloušťky článků třísky na rychlosti a posuvu a vyjádřit ji matematicky.

Pro hodnocení velikosti úběru materiálu při obrábění laserem jsem se svým týmem ověřoval také možnost použít změnu vnitřní energie krystalové mřížky po předání energie dopadajících fotonů. Model je založen na předpokladu, že atomy jsou oscilátory, které nekmitají nezávisle, ale tvoří se sousedními atomy soustavu spřažených oscilátorů (obr. 5). Diskrétní řešení je obtížné, proto autor této teorie Debye předpokládal spojité prostředí, ve kterém se šíří vlna a počítá s energií této vlny. Podstata Debyeova modelu spočívá v následujícím:

a) krystal nekmitá na jediné frekvenci, chová se spíše jako kvazikontinuum s téměř spojitým spektrem frekvencí;
b) počet frekvencí je omezen – vlnová délka stojatých vln nemůže být kratší než meziatomová vzdálenost, pokud nemá dojít k odtržení atomu.

Tuto teorii jsme aplikovali pro působení paprsku laseru na povrch materiálu obrobku [11]. Protože toto kritérium vychází z vlastností krystalové mřížky a počtu kmitajících atomů, je možné řešit úběr materiálů na základě předávání a absorpce energie. Jedná se vlastně o kinetickou energii kmitajících atomů v krystalové mřížce.

V rámci typu krystalové mřížky platí, že čím je menší hodnota vnitřní energie krystalu, tím je úběr materiálu paprskem laseru intenzivnější. Toto zjištění odpovídá i výsledkům z provedených experimentů. Literatura [11, 15, 18].

Proč vznikly úvahy o pojmu „obrobitelnost“ uvedené v tomto článku? Teorie obrábění je založena především na experimentech. V období masivního používání počítačů pro matematické modelování a možností provedení rozsáhlých a podrobných experimentů by bylo pro technologii užitečné využívat matematický aparát pro stanovení optimálních pracovních podmínek. S využitím poznatků o fyzikální podstatě technologie obrábění by bylo možné využít schopností počítačů a obrábět ekonomičtěji.

Bylo by vhodné užívat odděleně termíny „obrobitelnost“ a „schopnost být obráběn“. Obrobitelnost charakterizuje odpor materiálu proti porušení, tedy uspořádání krystalové mřížky. Jednalo by se o teoretické řešení. Schopnost být obráběn udává možnost obrábět materiál při dodržení určitých předem stanovených podmínek, tedy o praktické obrábění. Zde by bylo možné uplatnit hledisko výkonu obrábění, požadované přesnosti výroby, požadované jakosti obrobeného povrch, ekonomiky výroby atd.

Problém je to velmi zajímavý, ale jeho řešení není jednoduché, o to víc je to výzva pro současnou mladou generaci, která má k dispozici moderní experimentální i výpočetní techniku, potřebné senzory a možnost sestavení vhodných zkušebních standů.

Ing. Jaroslav Rasa, 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,