5.FYZIKÁLNÍ (NEKONVENČNÍ) TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ Fyzikální technologie obrábění jsou založeny na využití fyzikálního nebo chemického principu úběru materiálu. Jedná se převážně o bezsilové působení nástroje na obráběný materiál, bez tvoření klasických třísek, vznikajících při obrábění řeznými nástroji. Důvody stále rozšiřujícího zavádění fyzikálních technologií do průmyslu jsou: ♦ Rostoucí podíl těžkoobrobitelných materiálů v konstrukci strojů (tj. žáropevných a žárovzdorných ocelí, kalených ocelí a litin, keramických materiálů, slitinových kovů, titanových slitin, kompozitních slitin atd.), ♦ Možnost komplexního opracování i značně nepravidelných tvarů (vnějších i vnitřních), ♦ Nároky na tvarovou složitost a rozměrovou přesnost součástí (nástrojů, forem, zápustek), ♦ Miniaturizace tj. výroba přesných miniaturních součástí (vyšetřovací sondy v medicíně, v řídící a regulační technice), ♦ Vhodnost uplatnění v automatizovaných provozech, využití systémů CAD, CAM. Podle principu úběru materiálu je rozdělujeme na: Elektroerozivní obrábění Elektrochemické a chemické obrábění Obrábění laserem Obrábění vodním paprskem Obrábění ultrazvukem Obrábění plazmou Obrábění paprskem elektronů
ELEKTROEROZIVNÍ OBRÁBĚNÍ Elektrickou erozí nazýváme fyzikální jev, způsobující odebírání povrchových vrstev materiálů účinkem tepelného a tlakového působení, krátkodobého, ale velmi intenzivního elektrického výboje. Uvedený jev lze využít k elektrojiskrovému hloubení, děrování a řezání. Princip Obrábění probíhá na dvou elektrodách oddělených jiskrovou mezerou velikosti 0,01 až 0,5 mm. Obrobek napojený na anodu (+) a nástroj na katodu (-) jsou ponořeny v dielektrické kapalině. Tvar nástroje je negativem obráběné plochy. Je vyrobený z materiálu odolného vůči erozi, nejčastěji měď, mosaz i grafit, jejichž úbytek v porovnání z ocelí činí jen 5 - 15 %. Nástrojová katoda vykonává vertikální pohyb a současně vibruje. Připojením obou elektrod na zdroj nastává mezi nimi elektrický výboj ve formě jisker. Jejich tepelnou a tlakovou energií se materiál obrobku v místě napadení zahřívá na tavící teplotu a je vystřelen do mezery mezi elektrody. Každá jiskra zanechá na obráběném povrchu „kráter”. Zařízení na elektrojiskrové obrábění se vzájemně liší hlavně použitým generátorem proudu. Používají se dva základní typy generátorů: Kondenzátorové pracují na principu nabíjení a vybíjení kondenzátoru. Jsou jednoduché a levné a umožňující úběr oceli až 1000 mm3/min Impulzní – polovodičové, umožňují úběr 3000 - 5000 mm3/min.
1
0,5-6o
kapalina
Nástroj (katoda)
Dielektrická kapalina ⊕ ⊕
Obrobek (anoda)
Přesnost obrábění závisí na boční mezeře, která není stejná a způsobuje kuželovitost otvorů. Jako dielektrické kapaliny se používá petroleje, nebo transformátorového oleje. Elektrojiskrové obrábění se používá v nástrojárnách k výrobě dutin zápustek, průstřižnic, průvlaků, opracování slinutých karbidů a k výrobě děr trysek spalovacích motorů. Anodomechanické obrábění K úběru materiálu dochází kombinovaným účinkem elektrických výbojů, elektrolytického pochodu a mechanickým třením. Mezi nástroj a obrobek se přivádí silný proud elektrolytu, kterým bývá nejčastěji vodní sklo. Elektrolyt na povrchu obrobku vytváří nevodivou pasivační vrstvičku (vrstvička zabraňující anodickému rozpouštění). Rotující kotouč v místě styku pasivační vrstvu rozruší a setře. Zde dochází k jiskrovým výbojům, které materiál obrobku rozrušují svým tepelným a tlakovým účinkem. Metody se využívá především k dělení materiálu, pro broušení nástrojů s břit.destičkami ze SK a také pro řezání tenkostěnných profilů, které by se při konvenčním dělení deformovaly.
izolace vřeteno
nástroj (katoda)
přívod vody
−
obrobek (anoda)
stůl
+
Obr. Anodomechanické obrábění
ELEKTROCHEMICKÉ A CHEMICKÉ OBRÁBĚNÍ Princip Podstatou je řízené elektrolytické rozpouštění materiálu obrobku tvořícího anodu, která je společně s měděnou nebo ocelovou katodou ponořena do elektrolytu. Při zapojení obou elektrod 2
na zdroj stejnosměrného proudu směřují záporné anionty elektrolytu k anodě a kladné kationty k nástrojové katodě. Na elektrodách odevzdávají ionty svůj náboj a chemicky reagují s materiálem anody, čímž dochází k jejímu postupnému rozpouštění. Intenzita rozpouštění je závislá na hustotě proudu. Při použití nižší hustoty proudu můžeme provádět např.elektrochemické leštění. Při obrábění vysokou hustotou proudu se na obou elektrodách usazují soli a oxidy. Tvoří se tzv. pasivační vrstvička zabraňující anodickému rozpouštění. Její tvorbě zamezíme buď proudícím elektrolytem nebo rotující katodou. Elektrochemické obrábění otáčející se elektrodou Pasivní vrstvička z obrobku (anody) se soustavně odstraňuje otáčejícím se nástrojem (katodou), mezi něž se přivádí proud elektrolytu s rozptýleným brusivem. Použití: pro broušení nástrojů s břitovými destičkami ze SK, k výrobě drážek, tvarů i rozřezávání tvrdých materiálů.
Elektrochemické obrábění proudícím elektrolytem K obrábění je použito vysoké hustoty proudu, avšak k odstraňování pasivní vrstvičky se používá elektrolytu proudícího mezi elektrodami. Této metody se používá pro tvarové obrábění. Využívá se poznatku, že hustota proudu a tím i intenzita odběru materiálu je největší v místech, kde jsou elektrody nejblíže. Proto se tvar anody kopíruje podle tvaru katody.
3
OBRÁBĚNÍ LASEREM Laser (tj. zesílení světla vynuceným zářením) Princip: Kinetická energie se při dopadu na materiál obrobku mění na energii
tepelnou a v důsledku toho se materiál rozpouští, řeže atd…
Postupy laserového zpracování kovů lze rozdělit do tří základních skupin, které se liší režimem ohřevu: A) Postupy při nichž dochází k ohřátí materiálu bez jeho natavení: Příkladem je povrchová kalení. B) Postupy při nichž dochází k natavení materiálu do různé hloubky: tyto povrchové úpravy kovů laserem můžeme rozdělit do dvou skupin: a) povrchové povlakování a povrchové legování b) povrchové natavování a glazování C) Postupy při nichž dochází k natavování materiálu: a) řezání laserovým paprskem – výhody: ve své rachlesti, ostrosti a čistotě hran,přesnosti malé spoušťce tepelně ovlivněné vrstvě, takže nedochází k formacím okolního materiálu b) vrtání – přesných a kvalitních děr do velmi tvrdých materiálů, může být ostrý úhel až 10 stupňů c) svařování – nízkovýkonové a vysokovýkonové Využití: V průmyslu se využívá kvůli jeho tepelnému účinku k různým druhům obrábění, dělení materiálu, svařování, v lékařství – chirurgii nahrazuje skalpel aj., v zubním lékařství (díky rozdílnému pohlcování záření zdravou a poškozenou tkání, vrtá jen poškozenou tkáň a zdravá zůstane nedotčena. Paprsek laseru zde působí i preventivně, protože ozářené zuby lépe odolávají kazu). Optických vlastností laserového paprsku se využívá ke změření rychlosti a vzdálenosti různých předmětů (je v atmosféře minimálně pohlcován) včetně kosmických těles. Dále se využívá ve stavebnictví, elektrotechnice, telekomunikaci a dalších oborech. Má také význam čistě ekologický, např. ke změření množství různých škodlivých plynů v různých atmosférických výškách.
4
OBRÁBĚNÍ VODNÍM PAPRSKEM Pro představu: Ve vodním potrubí je tlak 0,5 až 0,7 MPa (1 MPa = 10 atmosfér). Tlak 1 MPa používají hasiči. Tlak 2 MPa a více nesnese žádný živý organismus. Při extrémním zvýšení tlaku na několik set MPa můžeme tenkým vodním paprskem obrábět jakýkoliv technický materiál. Prakticky se využívá především k dělení materiálu (viz obr.). Obrázek nemusí být ale pro představu ho tam nechávám:
Základem primárního okruhu je supervysokotlaké olejové čerpadlo (1) dodávající pracovní tlak max. do 20 MPa. Olej je tlačen přes uzavírací ventil (2), který umožňuje mžikové přerušení průtoku střídavě před i za píst hydraulického zesilovače tlaku – multiplikátoru (4). Tento tlak působí na plochu velkého pístu, který je spojen se dvěma pístnicemi o mnohem menším průměru, z nichž každá může vytvořit v tlakové komoře tlak až 20x větší (až 400 MPa). Velikost zesílení tlaku závisí na poměru velikosti průměru velkého pístu k průměru obou stejných pístnic. Voda je vedena pancéřovaným potrubím (6) do směšovací komory zakončené safírovou tryskou o průměru 0,25 až 2 mm (10), ze které vytéká vodní paprsek nadzvukovou rychlostí. Celou metodu lze zdokonalit zabudováním zásobníku brusiva (SiC, diamantový prach) (pozice č.9). Zde dochází ke smíšení vody s brusivem. Hybnost vodního paprsku se přenáší na brusivo, čímž se pracovní výkon řezání umocňuje. V současnosti se používá dvou základních postupů: 1) řezání čistým vodním paprskem (papír, lepenka, lamináty, gumotextil, potraviny atd.) 2) řezání vodním paprskem s abrazivem (oceli, tvrdokovy, sklo, beton, vrstvené kompozity atd.) Výhody: obrábí, tzn. Řeže všechny materiály jakéhokoliv složení i tloušťky obrábění je beznástrojové, nedochází k opotřebení nástroje u obrábění je vyloučen tepelný faktor (klimatizované prostředí) 5
vysoká energetická účinnost proces lze plně automatizovat zlepšení hygieny práce bezhlučnost řezání není nutné dodržovat přesnou vzdálenost trysky od povrchu materiálu možnost řezat tvarové i zvlněné materiály minimální ztráty řezaného materiálu (čistý vodní paprsek 0,1mm, s brusivem kolem 1mm) materiál lze řezat pod vodou i ve výbušném prostředí
Nevýhoda: pořizovací cena, 10x vyšší než klasické dělící stroje.
OBRÁBĚNÍ ULTRAZVUKEM Nejdůležitější věc!!: Používá se při obrábění především tvrdých, křehkých a elektrických nevodivých materiálů!! Princip Řízené rozrušování materiálu účinkem úderů abrazivních zrn, která jsou přiváděna v kapalině (voda. petrolej atd.) mezi kmitající nástroj a obrobek. Nástroj v podstatě kmitá do všech směrů a tím je umožněná rychlá výměna opotřebovaných zrn za nové. Kapalina prostředí umožňuje lepší pronikaní ultrazvukové energie do místa obrábění.
OBRÁBĚNÍ PLAZMATEM
Princip
Postupné odtavování a odpaření materiálu obrobku, podobně jako při obrábění laserovým paprskem Plazma – čtvrté skupenství tj. plynové skupenství částice s vysokou kinetickou energií ELEKTROOBLOUKOVÁ PISTOLE Využívá se k vytvoření plazmatického prostředí. Elektronový oblouk hoří mezi wolframovou katodou a tryskou pistole. Plazmovým plynem bývá jednoatomový argon ve směsi s dvouatomovým plynem např: vodíkem , heliem,… 6
Princip
Velice stručně – podstatě se směs plynu pod vysokým plynem přivádí do hořáku a postupně se pořád ohřívá až vznikne plazma. Poté se smísí s práškovým přídavným kovem, který je v teplotě až 20 000 K roztaven a tato směs se nastříká na materiál formou povlaku. Celý pracovní proces včetně trysky musí být nepřetržitě chlazen uzavřeným okruhem chladící kapaliny. Stručněj to asi nejde…
OBRÁBĚNÍ PAPRSKEM ELEKTRONŮ Podstatou je využití kinetické energie paprsků elektronů soustředných na velmi malou plochu obrobku, která se při nárazu na přeměňuje na energii tepelnou(5000 až 6000ºC). V podstatě podobné jako u laseru. Využití: vrtání 0,01 až 0,08 mm Řezání libovolných tvarů Svařování kovů, které se rychle okysličují Výhody: lze obrábět libovolný materiál bez ohledu na jeho fyzikální vlastnosti, tepelně ovlivněná vrstva je minimální tzn. Minimální deformace, Zle ji zautomatizovat. Nevýhoda: je, že cele zařízení musí byt ve vakuové komoře z korozivzdorné oceli tzn. Velice drahé a náročné na prostor
7
