Transfer inovácií 20/2011
2011
DIAGNOSTIKA STAVU ŘEZNÉHO BŘITU PO MIKROÚPRAVÁCH
Ing. Ivana Česáková Ing. Miroslav Zetek, Ph.D. Fakulta strojní, Katedra technologie obrábění Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň e-mail: cesakova @kto.zcu.cz. Abstract Currently, there is increasing emphasis on preparation of cutting edge. These preparations cause increasing of tool life more than ten times. Among the best known preparations of cutting edge is included: drag finishing, microblasting, brushing, honing and also begin to appear unconventional methods such as preparation of cutting edge by laser. Very important factor is to ensure reproducibility of preparation; it means to create the same radius of cutting edge and to reach the same value of factor K for all manufactured tools. For this reason, it is very important to be able to measure the parameters of tool and to describe the quality of cutting edge. This article deals with the evaluation of micro-preparation of cutting edge using various measuring instruments. Key words: measuring of microgeometry, preparation of cutting edge, measuring instruments ÚVOD V současné době je kladen stále větší důraz na úpravu mikrogeometrie břitu především z důvodu zvyšování trvanlivosti nástroje. Velmi často je díky těmto úpravám zvýšena životnost nástroje až několikanásobně. Pod pojmem mikrogeometrie nástroje si lze představit především útvary vyskytující se na břitu, které se pohybují v řádech mikrometr. Jedná se zejména o zakřivenost povrchu břitu vlivem drsnosti po broušení a o defekty vzniklé po broušení. Mikrogeometrie nástroje je do jisté míry ovlivněna použitým řezným materiálem ve smyslu, jak dobře jde tento materiál vybrousit k tzv. dokonalé ostrosti, tak i nanesenou otěruvzdornou vrstvou, která dokonale opisuje povrch nástroje a ovlivňuje výslednou drsnost povrchu. Problém může nastat na ostří nástroje, kde vznikají ostré hrany po broušení vlivem vytrhání tvrdých karbidů z pojiva. Proto se většina výrobců snaží tomuto problému zabránit a před vlastní depozicí se nasazují různé technologie úpravy břitu. Úpravy mikrogeometrie břitu se neustále vyvíjejí a rozšiřují o nové technologie. Mezi nejznámější patří omílání, pískování, kartáčování, honování, ale začínají se objevovat i nekonvenční metody jako je úprava břitu pomocí laseru. Úpravy břitu před depozicí mají za úkol eliminovat defekty řezné hrany a zajistit tím lepší adhezi deponované vrstvy
74
k substrátu. V některých případech se provádí úpravy i po depozici, jedná se o tzv. leštění, které má za úkol zahladit mikronerovnosti vrstvy a snížit tak koeficient tření mezi nástrojem a odcházející třískou. Je patrné, že všechny tyto úpravy zvyšují kvalitu, ale i cenu nástroje. Důležitým faktorem je zajistit opakovatelnost úpravy, to znamená vytvořit stejný poloměr zaoblení ostří a dosáhnout stejné hodnoty faktoru K pro všechny vyráběné nástroje. Z tohoto důvodu je velmi důležité umět změřit parametry nástroje a popsat stav břitu. Často totiž dochází k situaci, že nástroj, který fungoval, najednou ztrácí svoji schopnost obrábět. Tato situace může nastat např. při nasazení nové výrobní várky nástrojů, kdy vlivem nestejných vstupních podmínek může dojít k vytvoření jiné mikrogeometrie. Nejjednodušším způsobem jak ověřit zda bylo během výroby docíleno stejných parametrů jak z hlediska makrogeometrie, tak z hlediska mikrogeometrie, je parametry nástroje proměřit. V dnešní době, kdy je úprava mikrogeometrie standardní záležitostí, dochází k velkému „boomu“ v oblasti měření v mikrorozměrů. Výrobci měřících zařízení tak pružně reagují na potřeby trhu a vyvíjejí přístroje, které umožňují měřit mikrogeometrii nástroje. Tyto přístroje se dají rozdělit podle principu jejich práce na dotykové a bezdotykové (optické). Měření mikrogeometrie břitu dotykovou metodou Dotykově založené měřicí přístroje neslouží většinou pouze pro proměřování mikrogeometrie nástroje. Velmi často jsou tyto kontaktní přístroje vyráběny jako profilometry. Pro snímání povrchu se používá speciální raménko s diamantovým hrotem o vrcholovém úhlu 60°, které je posouváno po povrchu přes ostří nástroje. Nutnou podmínkou při snímání profilu zaoblení ostří je dodržení souměrnosti snímaného profilu ostří viz. Obr. 1.
Obr. 1 Schéma měření zaoblení pomocí profilometru [1] Výhodou této metody je především její rychlost. Naopak nevýhodou je vliv rádiusu
Transfer inovácií 20/2011 snímaného hrotu a omezená dostupnost do špatně přístupných míst. Dalšími přístroji, které umožňují měřit dotykovou metodou mikrogeometrii nástroje, jsou laboratorní drsnoměry umožňující měření i špatně přístupných míst. Proto se dodávají s řadou vyměnitelných snímacích ramének. Důraz se klade na citlivost snímání drobných nerovností a linearitu snímání příčných pohybů. Snímací hrot má proto menší vrcholový úhel a poloměr zaoblení a je choulostivější. Při měření používáme stativ. Příčné pohyby snímacího hrotu se snímají Hallovými sondami s vysokou linearitou. Drsnoměr je připojitelný na počítač pro evidenci výsledků a tisk protokolů.
2011 jemných povrchů. Má velmi rychlé a snadné ovládání a možnost opakovatelnosti. Nevýhodou tohoto přístroje je způsob vyhodnocování měření zaoblení břitu. Je totiž velmi závislý na obsluze přístroje, neboť je vyhodnocování prováděno do značné míry manuálně, tzn., že přístroj neprokládá kružnici o poloměru zaoblení ostří automaticky, tuto činnost provádí obsluha stroje podle svého uvážení. Tento způsob měření je tedy zatížen chybou obsluhy.
Obr. 2 Drsnoměr MarSurf XC2 MarWin [2] Výhodou těchto systému je, že umožňují měření obou parametrů, tj, zaoblení a drsnosti povrchu. Měření mikrogeometrie břitu bezdotykovou metodou Nejčastější a nejpoužívanější způsoby měření mikrogeometrie břitu jsou pomocí optických metod pracujících především na principu kombinace optického snímání s malou hloubkou ostrosti a vertikálního skenování povrchu. Přístroje většinou nejprve naskenují měřený objekt a poté vytvoří řezy tímto modelem v předem definovaných místech a následně jsou změřeny parametry modelu viz Obr.3. Přesnost měření je velmi závislá na čistotě měřených vzorků. Jakákoliv nečistota na nástroji je totiž rovněž naskenována a ve výsledku tvoří součást modelu, na kterém se provádí měření, z čehož vyplývá, že může dojít ke zkreslení výsledků. Výhodou těchto optických měřících systémů je možnost ukládat si vytvořené modely a v případě potřeby na nich provést opětovné měření. První možností je měření pomocí konfokálního laserového mikroskopu. Mikroskop umožňuje 3D pozorování dané drsnosti povrchu a celkového tvaru i vysoce přesné 3D měření v reálném čase. Jde o velmi spolehlivé měření profilu
Obr. 3 Měření pomocí optické metody měření
Obr. 4 Konfokální laserový mikroskop [1] Pro nejpřesnější měření mikrogeometrie nástroje se používají specielní přístroje vytvořené právě pro tyto účely. Mezi přední světové výrobce těchto měřících přístrojů patří např. firma Alicona, která pro tuto aplikaci vytvořila měřící systém nástroje, který je zaměřen výhradně pro měření parametrů řezné hrany v mikrorozsazích. Jeho výhodou je jeho jednoduchost a opakovatelnost měření, možnost měření i na těžkopřístupných místech a rychlost vyhodnocování získaných
75
Transfer inovácií 20/2011
2011
výsledků. Tento přístroj pracuje s vertikálním rozlišením až 10nm. Kromě poloměru zaoblení ostří umožňuje měřit drsnost na ostří, faktor symetrie zaoblení břitu K a úhly mikrogeometrii břitu.
Obr. 7Ukazatel symetrie K
Obr. 5 EdgeMaster [3] HODNOTÍCÍ UKAZATELE BŘITU Poloměr zaoblení Poloměr zaoblení ostří je nejsledovanějším parametrem při hodnocení mikrogeometrie břitu. Vlastní zaoblení řezné hrany je závislé na použité technologii a použitém médiu. S tímto parametrem velkou měrou souvisí i stav břitu, tzn. rovnoměrnost zaoblení. To je velmi závislé na použitém řezném materiálu, ale i na jeho mikrostruktuře, především velikosti zrn.
Drsnost na ostří Drsnost řezné hrany popisuje stav řezné hrany po úpravě břitu. Tento parametr je velmi závislý na použitém řezném materiálu, jeho mikrostruktuře a použité technologii a médiu úpravy. Lze získat jak parametry profilu, tak i parametry drsnosti, např. Pa, Pq, Pz, Pp, Pv, Ra, Rq, Rz, Rp a Rv.
Obr. 8 Drsnost na ostří
Obrázek 6 Poloměr zaoblení ostří Ukazatel symetrie K Dalším parametrem, který se při vyhodnocování mikrogeometrie břitu sleduje, je faktor symetrie břitu K viz. Obr. 7. Je to poměr mezi vzdálenostmi od začátku poloměru na čele a na hřbetě k teoretické špičce nástroje. Vyjadřuje, zda je břit upraven rovnoměrně, z toho vyplývá, že se hodnota K blíží k jedné, nebo zda je z nějakého důvodu posunut střed poloměru blíže k ploše čela nebo hřbetu a hodnota K je tedy větší, nebo menší než 1.
76
EXPERIMENT Jak bylo v předcházejících kapitolách popsáno, je úprava mikrogeometrie břitu nedílnou součástí výroby řezných nástrojů, při čemž je třeba tyto úpravy monitorovat. Na trhu existuje celá řada přístrojů, jejichž výrobci tvrdí, že jsou schopni přesně změřit výše zmiňované parametry. Bylo provedeno několik experimentů s cílem ověřit, jak spolu výsledky měření na jednotlivých přístrojích korespondují. Všechna srovnávací měření probíhala vždy ve stejném místě. V první fázi bylo provedeno srovnání dotykové bezdotykové metody měření poloměru zaoblení ostří. Měření bylo prováděno dotykovým drsnoměrem od fy Carl Zeiss a laserovým konfokálním mikroskopem Olympus LEXT OLS 3000. Na následujícím obrázku jsou uvedeny výsledky tohoto srovnání. Je patrné, že ve většině případů jsou výsledky téměř totožné. Měření probíhalo nejprve dotykově a je tedy otázkou, zda obsluha optického přístroje, která prováděla
Transfer inovácií 20/2011 srovnávací měření, nebyla s těmito výsledky seznámena a neovlivnila tak výsledky měření, které je v tomto případě na obsluze do značné míry závislé.
2011 které se od sebe lišily typem použitých brusných kotoučů pro přípravu vzorků. VBD označené jako V-I byly broušeny kotouči s jemnějším zrnem a VBD označené jako V-II byly broušeny kotouči s hrubším zrnem.
Obr. 9 Porovnání výsledků měření zaoblení dotykový a bezdotykovým přístrojem Další srovnání bylo provedeno pro přístroje založené na opticko-skenovacím principu, kde není možné výsledky měření ovlivnit zásahem obsluhy, neboť je zcela automatizováno. Měření bylo provedeno na dvou cermetových VBD v pěti pozicích. Z Obr. 10 je patrné, že výsledky měření se od sebe odlišují. Nelze říci, že by byly naměřené hodnoty vůči sobě v nějakém poměru a že by mezi nimi bylo možné vytvořit nějakou závislost. V rámci měření jedné VBD upravené pouze broušením jsou zřejmé rozdíly i při měření na jednom přístroji v jednotlivých pozicích. Příčinnou může být nerovnoměrnost řezné hrany, neboť je známo, že broušení cermetových řezných nástrojů je značně problematické a ostří po této úpravě obsahuje velmi často defekty ve formě vyštípnutí.
Obr. 11 Opakovatelnost výsledků měření bezdotykovou metodou Jenom tento rozdíl v technologii přípravy destiček má vliv na poloměr zaoblení ostří, což je vidět na následujícím obrázku. Dále byly na destičkách provedeny úpravy břitu omíláním a pískování. Zde je rozdíl v přípravě vzorků ještě více patrný.
Obr. 12 Vliv úpravy břitu na velikost poloměru zaoblení
Obr. 10 Srovnání naměřených hodnot poloměru zaoblení ostří na 3optických přístrojích V další fázi bylo tedy provedeno opakování měření na vybraném optickém přístroji. Výsledky opakování ukazují, že hodnoty naměřené ve stejném místě, na stejném přístroji jsou srovnatelné. Z toho lze usoudit, že přestože se hodnoty na různých přístrojích mezi sebou liší, je na stejném přístroji velmi dobrá opakovatelnost výsledků. Nakonec byl proveden experiment, ve kterém bylo srovnáno, jak ovlivňuje úprava břitu velikost zaoblení řezné hrany. Pro tento experiment byly použity opět cermetové VBD kruhového tvaru. Tyto vzorky byly vyrobeny ve dvou variantách,
ZÁVĚR Tento příspěvek potvrzuje, že technologie úpravy mikrogeometrie břitu mají výrazný vliv na velikost poloměru zaoblení řezné hrany. Bylo provedeno srovnání naměřených hodnot na různých přístrojích určených k měření těchto parametrů. Výsledky měření na jednotlivých přístrojích se vzájemně liší, avšak opakovatelnost měření na stejném přístroji je velmi dobrá. Otázkou zůstává, který z přístrojů měří správnou hodnotu a které měří hodnoty pouze relativní. Řešením by bylo porovnat výsledky při měření kalibračního nástroje, ale problémem zůstává, který přístroj bude schopen tento kalibrační nástroj změřit. Při poptávání u různých kalibračních laboratoří v ČR, zda je možné od nich získat certifikát na etalon pro měřen poloměru zaoblení v mikrorozměrech, bylo zjištěno, že zde taková možnost existuje, avšak
77
Transfer inovácií 20/2011 kalibrace bude prováděna na přístrojích, které pracují v řádech přesnosti mikrometrů. Bude tedy prohlášení etalonu o určité hodnotě poloměru zaoblení dostatečně věrohodné a přesné, když bude sloužit pro kontrolu přístrojů, které jsou schopny měřit v řádech nanometrů?
78
2011
Literatura: [1] Zetek, Miroslav; Sklenička, Josef; Česáková, Ivana. Vliv povrchu řezného nástroje a vrstvy na řezný proces. Miloš Vavrík - Knihviazačstvo, 2010. ISBN: 978-80-970514-2-6. [2] http://www.mahr.com [3] http://www.alicona.com
