Témata
Reklama

Vrtání děr se zvýšenou přesností

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů, v našem případě niklové slitiny Inconel 718, přináší zvláště při výrobě přesných děr celou řadu problémů, které je nutné překonat.

Základem navrhovaného řešení musí být komplexní přístup s cílem detailního rozpracování všech dílčích faktorů. Mezi ně patří volba správného řezného nástroje, analýza vlastností obráběného materiálu v souvislosti s jeho chováním v řezném procesu a v neposlední řadě i konkrétní řezné podmínky splňující parametry hospodárnosti výrobního procesu. O jednotlivých faktorech i jejich vazbách pojednává následující článek, jehož výsledky byly řešeny ve firmě Hofmeister, s. r. o.

Inconel 718

Jde o vysokopevnostní, korozivzdornou, precipitačně vytvrditelnou slitinu, která může být použita v rozmezí teplot od -252 °C do +700 °C. Díky svému širokému teplotnímu rozsahu použitelnosti se  Inconel 718 využívá pro mnohé aplikace, např. pro výrobu nádrží raket na tuhá paliva, pro komponenty plynových spalovacích turbín (leteckých, stacionárních) a v neposlední řadě se tohoto materiálu používá i pro kryogenní aplikace. Její typické chemické složení je uvedeno v tabulce.  Podrobné zkoumání tohoto materiálu bylo prováděno na katedře materiálu a strojírenské metalurgie (KMM).

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Model monolitního vrtacího nástroje do materiálu Inconel 718

Mikrostruktura Inconelu 718 zahrnuje austenitickou matrici (nazývanou γ), ve které jsou rozpuštěny další sekundární fáze. Podstatou zpevnění je precipitace fáze γ``. Tato fáze vytváří lamely, které jsou koherentní s austenitickou matricí. Intermetalická fáze γ`` (Ni3Nb) má tetragonální strukturu. Fáze γ´´ (to je schválně obráceně, ty čárky???) se vytváří procesem precipitačního vytvrzování. Tento proces zahrnuje rozpouštěcí žíhání při teplotě 970-1 175 °C, po kterém následuje jeden nebo více precipitačních ohřevů při teplotách 600-815 °C. Tento proces má za následek vznik mikrostruktury ve formě velkých zrn obsahujících precipitační fáze Ni3Nb a dále četný výskyt karbidů na hranicích zrn.

Měřítko obrobitelnosti

Obtížnost pohybu dislokací skrz mikrostrukturu γ``/γ, což lze říci, že je také měřítkem obrobitelnosti, je zodpovědná za vysoké pevnostní charakteristiky (mez pevnosti přibližně 1 300 MPa a mez kluzu 1 100 MPa při teplotě 650 °C) materiálu Inconel 718. Pouze při teplotách vyšších, než je teplota vytvrzování, dochází po delším čase k destrukci materiálu Inconel 718.

Materiál se při obrábění velmi rychle zpevňuje a dosahuje dosti vysokých hodnot, a to již při poměrně malých plastických deformacích. Tažnost materiálu se s rostoucí teplotou zvyšuje, tj. např. při 800 °C dosahuje tažnosti již 28 %, což mimo jiné přispívá k vyššímu zatížení břitu nástroje při řezání.

Vrtání

Oblast vrtání jako jedna z nejnáročnějších průmyslových aplikací však zůstává značně na okraji zájmu vědeckých prací, zejména proto, že vrtání oproti jiným způsobům obrábění má některá specifika, z nichž nejzávažnější je proměnlivá řezná rychlost podél hlavního ostří nástroje, špatný odvod třísek z místa řezu a zhoršený přístup procesní kapaliny k místu řezu. Konkrétně při obrábění této slitiny je také velkým problémem její nízká teplotní vodivost (11,4 W.m-1.K-1), takže při obrábění např. slinutým karbidem může teplota v místě řezu lokálně vzrůst až na 1 200 °C (takto vysoká teplota je problémem pro všechny komerčně používané řezné materiály i tenké vrstvy, protože vysoká teplota podporuje difuzi některých prvků z nástroje do obráběného materiálu). Tudíž základní podmínkou pro úspěšnou aplikaci přesného vrtání této slitiny nástrojem ze slinutého karbidu je zaručení intenzivního chlazení místa řezu procesní kapalinou.

Vrtací nástroj

Při návrhu monolitního vrtacího nástroje - viz obr. 1 - se postupovalo v zásadě komplexně, včetně návrhu základního řezného materiálu, technologie výroby geometrie a mikrogeometrie břitu nástroje a tenké vrstvy. Výsledkem vývoje byl nástroj - prototyp, umožňující vrtat díry do plného materiálu ve zvýšeném stupni přesnosti IT7-IT8 do vzdálenosti  3x D (tři průměry nástroje) jak u děr průchozích, tak i neprůchozích. Nástroj byl vybaven vnitřními kanálky pro tlakový přívod procesní kapaliny k místu řezu.

Technologické zkoušky

Funkcionalita nástroje byla testována na katedře technologie obrábění (KTO) prostřednictvím technologických zkoušek na válečcích o průměru 20 mm a délky 36 mm při výrobě průchozích děr o průměru 12 H8. Ke zkouškám bylo použito frézovací centrum MCV 750A. Při těchto testech byla sledována v prvé řadě tvorba třísky, poté složky řezných sil a momentu, opotřebení řezného nástroje a jakost a přesnost obrobené plochy.

Po několika úvodních testech se volba řezných podmínek ustavila na vc = 25 m.min-1 a f = 0,18 mm.ot.-1. Bylo použito vnitřní chlazení procesní kapalinou CimTec 501 o koncentraci 6,8 % při tlaku 2 MPa. Vrtání bylo realizováno bez výplachu, tj. na jeden zdvih nástroje. Nástroj byl upnut v redukčním pouzdře a hydraulickém držáku, zato obrobek byl upnut v tříčelisťovém sklíčidle a vícesložkovém dynamometru.

Výsledky zkoušek

Výsledky testů potvrdily nejen příznivou tvorbu třísky po celé hloubce vrtání díry, ale i přijatelné, dynamicky ustálené velikosti složek řezných sil a krouticího momentu - viz obr. 2 a obr. 3. Po vyvrtání pěti děr nebyla na nástroji zaznamenána žádná podstatná forma opotřebení břitu, což v porovnání s některými konkurenčními nástroji představovalo zlepšení v řádu několika stovek procent. Přesnost obrobené plochy odpovídala stupni přesnosti IT8. Jakost obrobené plochy byla rovněž vyhovující. 

Obr. 2. Průběh krouticího momentu při vrtání celé díry o průměru 12H8 v materiálu Inconel 718 (rozsah 12 Nm až 18 Nm)
Obr. 3. Průběh posuvové síly při vrtání celé díry o průměru 12H8 v materiálu Inconel 718 (rozsah 2 900 N až 3 300 N)

Závěr celého projektu

Na konkrétní aplikaci byl představen monolitní vrtací nástroj pro vrtání Inconelu 718, který byl na základě získaných zkušeností a v porovnání s konkurenčními nástroji a jejich řeznými parametry minimálně kvalitativně srovnatelný.

Při vývoji a aplikování nástrojů není zárukou jejich funkčnosti pouze konstrukční návrh spojený s technologickými zkouškami, ale také technologická vyspělost umožňující jejich reprodukci při využívání nejnovějších poznatků a technologií nejen ve výrobní oblasti, ale i v oblasti měření, na což je ve firmě Hofmeister kladen velký důraz.

Poděkování při vývoji tohoto nástroje, ale i při řešení projektu s ev. č. FI-IM4/226 tímto patří všem spolupracujícím aktérům na Západočeské univerzitě v Plzni, zvláště pak na katedře technologie obrábění (KTO) a na katedře materiálu a strojírenské metalurgie (KMM).

Ing. Pavel Kožmín, Ph.D.

kozmin@hofmeister.cz

Doc. Dr. Ing. Antonín Kříž

Ing. Pavel Roud

Hofmeister

Západočeská univerzita v Plznit

Tabulky a grafy naleznete v tištěné verzi časopisu MM Průmyslové spektrum.

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit na digitální trafice PUBLERO.

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 110513
Datum: 11. 05. 2011
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Související články
Horké komory pro práci s radioaktivním materiálem

V Řeži u Prahy bylo vybudováno nové výzkumné centrum, jehož součástí byla také výstavba kom-plexu horkých komor. Účelem výstavby bylo vytvořit pracoviště pro bezpečnou práci s vysoce radi-oaktivním materiálem. Po pěti letech budování se na začátku roku 2017 podařilo úspěšně zahájit aktivní provoz laboratoří, které jsou schopné zpracování, mechanického testování a mikrostrukturní analýzy radioaktivních materiálů (tlakové nádoby, vnitřní vestavby reaktorů, pokrytí paliva) s aktivi-tou až 300 TBq 60Co, materiálů pro reaktory III. a IV. generace a fúzní reaktory.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Dokonalé povrchy řezných nástrojů

Leštění řezných hran nástrojů je čím dál žádanějším procesem v oblasti strojírenství. Stalo se již zřejmým faktem, že stav řezných hran má obrovský vliv na životnost nástroje a řeznou charakteristiku. Existuje dnes zajímavá alternativa dobře známým procesům, jako je broušení nebo tryskání. Je to úprava řezných hran pomocí vlečného omílání.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Nový utvařeč třísek

Neustále probíhající vývoj nové technologie povlakování, známé pod obchodním označením Dragonskin, pokračuje ve společnosti WNT vytvořením nové řady vyměnitelných břitových destiček pro soustružení s inovativní geometrií utvařeče třísky -XU. Zaměřením na tvarové a všeobecné soustružení řeší tento utvařeč mnoho problémů zejména v operacích, kde je vyžadováno dokonalé utváření třísky.

Cesty k vyšší energetické účinnosti v třískovém obrábění

Energie je stále dražší. Z analýzy spotřeby energie u obráběcích strojů a z návazného procesu obrábění je možné odvodit konkrétní závěry pro zvýšení energetické účinnosti a stanovit, co je základem pro optimalizaci nástrojů a procesu obrábění.

Patrick De Vos

Patrick De Vos se narodil v roce 1959 v Belgii. Už při studiu se věnoval oboru výrobní technologie. Po jeho skončení na škole zůstal ještě dva roky jako učitel a vědecký pracovník a věnoval se optimalizaci obráběcího procesu a výrobních technologií. Od roku 1983 pracuje pro Seco, kde vystřídal několik různých pozic. Od roku 2006 zastává svoji současnou funkci manažera výuky, kde je zodpovědný za vzdělávání zaměstnanců i zákazníků.

Nesousledné frézování

K výrobě zákaznických nástrojů neodmyslitelně patří rozvaha o životnosti a údržbě navrhovaných nástrojů. Její součástí je doporučení strategie obrábění včetně jeho smyslu. A to je zase přizpůsobeno konstrukčním možnostem obráběcího stroje. Konvenční stroje, které zajišťují posuv pomocí prosté soustavy šroub-matice, umožňují pouze nesousledný způsob frézování. Důvodem je obtížně odstranitelná vůle mezi šroubem a maticí. Ta by při volbě sousledného obrábění vedla v mezích této vůle ke vtažení obrobku pod frézovací nástroj a jeho jistou destrukci.

Rychlejší výměna nástrojových držáků

Výměna nástroje na stroji musí být provedena ve správný okamžik a rychle. Modulární rychlovýměnné systémy a technika polohování nástrojových držáků na stroji zjednodušují výměnu, čímž se zároveň zkracují vedlejší časy.

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