Témata
Reklama

Vliv vybraných parametrů procesu na řezné síly při HSC

Pro hodnocení a optimalizaci řezného procesu z hlediska výkonnostního, kvalitativního a ekonomického je nezbytná znalost velikosti, směru a smyslu řezných sil a jejich změna se změnou parametrů procesu. Řezné síly jsou důležitým ukazatelem průběhu řezání, napomáhají porozumět obráběcím procesům a jednotlivým dějům při nich.

Pochopení a znalost zákonitostí řezného procesu z pohledu řezných sil umožňuje nejen úspěšně optimalizovat jednotlivé parametry procesu, ale také předcházet kritickým situacím z oblasti bezpečnosti práce. Pro některé specifické obrobky (součásti z křehkých materiálů nebo součásti s tenkými stěnami náchylnými ke vzniku trhlin atd.) jsou právě řezné síly omezujícím faktorem nasazení určitého druhu technologie. Dynamické namáhání soustavy stroj-nástroj-obrobek řeznými silami má rovněž zásadní vliv na stabilitu řezného procesu a tím na přesnost obrobku a kvalitu (integritu) obrobeného povrchu. Z energetického hlediska je řezná síla jedním z nejcitlivějších indikátorů výkonu obrábění a podává informaci i o celkovém množství vygenerovaného procesního tepla. Znalost velikosti řezné síly a jejího chování během řezného procesu umožňuje finální ekonomicko-optimalizační analýzy výrobních postupů, technologií a volby řezných nástrojů, obráběcích strojů a řezných podmínek. V oblasti HSC nám tyto znalosti umožní nejen ekonomicky rentabilní výrobu, ale i nasazení této metody při obrábění některých specifických druhů materiálů (o vysoké pevnosti a tvrdosti, křehkých apod.).
Reklama
Reklama
Reklama

Vliv řezné rychlosti

Vliv řezné rychlosti na velikost řezných sil při vysokorychlostním obrábění (frézování) má na rozdíl od konvenčních způsobů hlavní a zásadní charakter. Zvyšování řezné rychlosti přináší s sebou tepelně odpevňující děje v odřezávaném materiálu, které snižují jeho řezný odpor, a tím dochází k razantnímu poklesu řezných sil. Ale více než u konvenčních metod je u HSC pokles řezných sil vlivem řezné rychlosti ovlivňován obráběným materiálem. Uvažujeme-li dva principiální druhy materiálů - tvárné (plastické, soudržná tříska, např. ocel, slitiny Al) a křehké (elementární tříska, např. litina) -, dochází k poklesu řezných sil s rostoucí řeznou rychlostí jen u materiálů tvárných, v nichž se uplatní tepelně odpevňující děje, zatímco u materiálů křehkých je pokles pouze nepatrný, a to z důvodu rostoucího odporu proti přetváření, tj. dalšího poklesu plasticity.
Jak lze vyčíst z obr. 1, u plastických materiálů dochází s rostoucí řeznou rychlostí k podstatnému snížení řezných sil. Ale tato problematika není tak jednoduchá, jak by se mohlo na první pohled zdát. I u konvenčních způsobů obrábění je vliv řezné rychlosti na řezné síly v důsledku dočasně převládajícího vlivu tvorby nárůstku nemonotónní. V roce 1974 publikoval Liemert [1] svou teorii, že při výrazném zvyšování řezné rychlosti velikost složek řezné síly klesá a asymptoticky se přibližuje určité konstantní hodnotě. Ale experimentální měření provedená Schulzem [2, 3] (1990 - 2001) tento předpoklad vyvracejí a dokládají, že řezné síly po dosažení určitého minima opět podstatně rostou, a to postupně až nad hodnoty naměřené při konvenčních řezných rychlostech.
Důvody tohoto opětovného růstu řezné síly lze názorně popsat podle obr. 3. Výsledná řezná síla F při vysokorychlostním obrábění se podle [3] skládá z vlastní smykové síly Fs potřebné k odříznutí materiálu a dynamické síly (síly hybnosti) Fm potřebné k uvedení třísky o určité hmotnosti do rychlosti odchodu třísky vCH (dle rovnice (1)). Zatímco složka Fs z určité "konvenční" hodnoty mírně roste, neboť v této oblasti převládá vliv deformačního zpevňování, po dosažení řezné rychlosti v?t začne prudce klesat vlivem výrazného tepelného odpevňování z důvodu klesající intenzity plastické deformace, její lokalizace a rostoucí teploty řezání, takže se pak Fs asymptoticky blíží k nule. Naopak složka Fm roste nelineárně z nulové hodnoty podle rovnice o změně hybnosti:
[N] (1),
kde: HCH = hybnost třísky [kg.m.s-1]
t = čas [s]
mCH = hmotnost třísky [kg]
S rostoucí řeznou rychlostí roste rychlost vCH a zároveň také množství (hmotnost) třísek oddělených za jednotku času, a v důsledku toho roste složka Fm nelineárně.
Z obr. 3 je patrné, že do řezné rychlosti v?t převládá vliv složky Fs, v rozmezí rychlostí v?tvK začíná dominovat složka Fm a při řezných rychlostech větších než vK ovlivňuje výslednou sílu F již jen složka Fm. Z toho vyplývá, že v praxi by neměly řezné rychlosti (z hlediska řezných sil) přesáhnout hodnotu odpovídající vK , neboť při řezné rychlosti vK dosahuje řezná síla "konvenční" velikosti, a tím by HSC ztratilo svou výhodu spočívající ve snižování řezných sil a náklady vynaložené na dosažení takto vysokých řezných rychlostí (energie, speciální nástroje,...) by způsobily ekonomickou ztrátu.

Vliv materiálu obrobku

Tento teoretický předpoklad byl experimentálně ověřen v [3] na plastických materiálech (ocel ČSN 12 050, Al slitina ČSN 42 4222), ale také v [1] na materiálu o vysoké pevnosti a tvrdosti (ocel ČSN 19 556.4 tepelně zpracovaná na tvrdost 56 HRC). U oceli ČSN 12 050 bylo dosaženo u složky řezné síly Fc minima při vc = 2000 m.min-1 (minimum odpovídá 80 % konvenčních hodnot), u Al slitiny při vc = 3400 m.min-1 (70 %), u oceli ČSN 19 556.4 při vc = 1250 m.min-1 (dokonce 60 %).
U Al slitiny je minimum více zřetelné oproti oceli ČSN 12 050 a bylo ho dosaženo při výrazně vyšších hodnotách řezné rychlosti. Tyto významné rozdíly jsou způsobeny kladným úhlem čela, který se (oproti 0° pro oceli tříd 12) pro obrábění Al používá, a také tím, že pro hliník, který má výrazně menší hustotu a tím i hmotnost třísky, je síla hybnosti méně výrazná oproti oceli. U oceli ČSN 12 050 byla při vc = 6000 m.min-1 dosažena velikost složky řezné síly Fc stejná jako při (konvenční) vc = 250 m.min-1, u oceli ČSN 19 556.4 dokonce již při vc = 1850 m.min-1 a u Al slitiny do měřených vc = 6000 m.min-1 konvenční velikosti řezné síly dosaženo nebylo.

Vliv ostatních parametrů procesu

U vysokorychlostního obrábění je vliv posuvu a hloubky řezu podobný s jejich vlivem při konvenčním obrábění. Opět platí, že se zvětšujícím se posuvem a hloubkou řezu roste velikost jednotlivých složek řezné síly a že s poklesem hloubky řezu na velmi malé hodnoty výrazně roste měrný řezný odpor.
Z experimentálních měření [1, 2] ale vyplývá, že např. u vysokorychlostního frézování materiálů o větší tvrdosti a pevnosti převládá vliv posuvu, tedy hloubka řezu působí na zvětšení složek řezné síly méně (eventuálně rovnocenně) než posuv - u konvence je tomu opačně. Je to dáno také tím, že posuv má u HSC značný vliv na velikost a druh opotřebení břitu nástroje.
Při frézování je však přesnější a vhodnější než odděleně sledovat vlivy jednotlivých parametrů (ae, ap, fz ) zaměřit se na jejich souhrnný vliv. Tyto parametry (resp. jejich součin) totiž tvoří tzv. odebíraný objem materiálu jedním zubem frézy, kterým jsou složky řezné síly nejzřetelněji ovlivňovány. Dle [1] rostou složky řezné síly při vysokorychlostním frézování téměř přímo úměrně s rostoucím objemem materiálu odebíraným jedním zubem frézy.
Co se týká řezného nástroje, je možnost volby v oblasti geometrie i materiálu břitu velmi malá, neboť v oblasti HSC je většinou k určitému druhu obráběného materiálu přiřazen pouze jeden druh řezného materiálu a úzké výběrové pásmo pro velikosti jednotlivých úhlů určujících geometrii břitu. Procesní kapaliny se při HSC v podstatě nepoužívají a ani používat nemohou, protože jejich chladicí účinek zabraňuje dosažení vlastního vysokorychlostního režimu. Proto se o HSC hovoří jako o "suchém" obrábění, resp. "kvazisuchém", při němž se využívá jen mazacího účinku procesních kapalin (nepatrné "přimazání" ostří a čela břitu pro snížení tření), jehož důsledkem je určité snížení jednotlivých složek řezné síly.

Závěr

Vhodná optimalizace řezných podmínek z hlediska řezných sil může v oblasti HSC přinést nejen výrazné zlepšení kvantitativních i kvalitativních aspektů procesu obrábění, ale také v podstatě umožní progresivní aplikaci této technologie do přímé výroby i pro některé specifické druhy materiálů. Z experimentálně získaných údajů [1] vyplývá, že je možno u některých druhů materiálu docílit vlivem změny řezné rychlosti až 50% poklesu řezných sil, a to v mezích ekonomické rentability (zejména s ohledem na trvanlivost břitu použitého nástroje).
Ing. Tomáš Skopeček, Ph. D. student,
Reklama
Vydání #11
Kód článku: 21105
Datum: 13. 11. 2002
Rubrika: Inovace / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
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.

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.

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.

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
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.

Prestižní ocenění Zlatá medaile

Výjimečnost nástroje FreeTurn skupiny Ceratizit potvrdila na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu odborná porota prestižního ocenění Zlatá medaile. Ocenění za inovaci ve zpracovatelské technologii bylo společnosti uděleno za inovativní metodu technologie podélného a čelního soustružení, kdy je hrubování, dokončování a obrábění kontur realizováno pomocí jediného nástroje. Společně s progresivní obráběcí metodou High Dynamic Turning zvyšuje nástroj FreeTurn dynamičnost a efektivnost procesu soustružení.

Brousicí centrum pro hospodárnou výrobu

Brousicí centrum UW II F od firmy Saacke v mnoha detailech předčí očekávání svých zákazníků. Z hlediska výkonnosti, velikosti a hmotnosti se řadí mezi již zavedené typy brusek UW I F a UW I D a vytváří tak ideální podmínky pro maximální přidanou hodnotu.

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.

Československá stopa u nového rekordu

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

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.

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.

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.

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.

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