FSI VUT
NETISKNOUT! Zadání
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 2
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
NETISKNOUT! Licenční smlouva - oboustranně
List 3
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 4
ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá problematikou nástrojů pro výrobu tvarových dutin forem se zaměřením především na frézování a elektroerozi. Jsou zde popsány, charakterizovány a rozděleny jednotlivé nástroje, výrobci nástrojů a jejich novinky. Jsou zmíněny i metody a současný trend obrábění. Je zde porovnáno také několik nástrojů v konkrétních aplikacích. Dále je uveden přehled základních způsobů upínání frézovacích nástrojů. Závěrem je naznačen další vývoj nástrojů a jejich použití. Klíčová slova Frézovací nástroje, výrobce nástrojů, trendy vývoje nástrojů, upínání nástrojů, řezné materiály, formy, elektroeroze.
ABSTRACT This thesis descibes questions of tools for production of shape hollows focused especially on milling and electroerosion machining. Here you can find individual tools included their description and characteristics, toolmakers and their news. Here are mentioned methods and contemporary trend of cutting. Here is comparison of several tools in concrete applications. Included is also list of basic types of milling tools clamping. In conclustion there is mentioned further development of tools and their using. Key words Milling tools, toolmaker, trends of tools development, clamping of tools, cutting materials, moulds, electroerosion.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE FIŠER, Michal. Trendy vývoje nástrojů pro výrobu dutin forem: Diplomová práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2007. 67s., 4.přílohy. Vedoucí práce Ing. Karel Osička.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 5
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Trendy vývoje nástrojů pro výrobu dutin forem vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.
Datum 20.5.2008
…………………………………. Michal Fišer
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 6
Poděkování
Děkuji tímto Ing. Karlu Osičkovi za cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce a firmě Klein a Blažek Štíty za umožnění provedení testu.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 7
OBSAH Abstrakt..................................................................................................................... 4 Prohlášení................................................................................................................. 5 Poděkování............................................................................................................... 6 Obsah........................................................................................................................ 7 Úvod .......................................................................................................................... 9 1 STÁVAJÍCÍ STAV V OBLASTI VÝROBY TVAROVÝCH DUTIN FOREM ... 10 1.1 Frézovací nástroje ........................................................................................ 10 1.1.1 Monolitní frézy se slinutého karbidu ....................................................... 10 1.1.2 Stopkové frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami.......................... 11 1.1.3 Modulární frézovací nástroje................................................................... 12 1.2 Metody frézování .......................................................................................... 13 1.2.1 Předvrtání a postupné závrtné frézování - tradiční............................... 13 1.2.2 Zahlubování ve dvou osách ................................................................... 14 1.2.3 Zahlubování ve třech osách .................................................................... 14 1.2.4 Ponorné frézování.................................................................................... 15 1.2.5 Podle směru vzájemného pohybu nástroj - obrobek ............................ 16 1.2.6 Úhel nastavení nástroje ........................................................................... 16 1.3 Elektroerozivní obrábění .............................................................................. 18 1.3.1 Princip elekroeroze .................................................................................. 18 1.3.2 Nástrojové elektrody ................................................................................ 18 1.3.3 Dielektrikum .............................................................................................. 21 1.3.4 Mechanismus úběru materiálu................................................................ 22 2 ŘEZNÉ MATERIÁLY......................................................................................... 24 2.1 Nástrojové oceli............................................................................................. 24 2.1.1 Nástrojové oceli nelegované ................................................................... 24 2.1.2 Nástrojové oceli legované ....................................................................... 24 2.1.3 Rychlořezné nástrojové oceli .................................................................. 24 2.1.4 Rychlořezné oceli vyrobené práškovou metalurgií ............................... 25 2.2 Slinuté karbidy............................................................................................... 25 2.2.1 Nepovlakované slinuté karbidy ............................................................... 25 2.2.2 Povlakované slinuté karbidy.................................................................... 26 2.3 Cermety ......................................................................................................... 27 2.4 Řezná keramika ............................................................................................ 28 2.5 Supertvrdé řezné materiály.......................................................................... 30 2.5.1 polykrystalický kubický nitrid bóru (PKNB) ............................................ 30 2.5.2 polykrystalický diamant (PD)................................................................... 30 3 PŘEDNÍ SVĚTOVÍ VÝROBCI NÁSTROJŮ .................................................... 31 3.1 Iscar................................................................................................................ 31 3.2 Walter-Titex-Prototyp.................................................................................... 34 3.3 Pramet Tools ................................................................................................. 36 3.4 SANDVIK Coromant ..................................................................................... 37 3.5 Emuge Franken............................................................................................. 39 3.6 Pokolm ........................................................................................................... 41 3.7 Hitachi Tool.................................................................................................... 44
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 8
4 TRENDY DALŠÍHO VÝVOJE NÁSTROJŮ PRO VÝROBU TVAROVÝCH DUTIN FOREM ...................................................................................................... 45 4.1 Geometrie ...................................................................................................... 45 4.2 Řezné materiály ............................................................................................ 49 4.3 Metody obrábění ........................................................................................... 49 4.3.1 Vysoce výkonné obrábění HPC (High Performance Cutting) .............. 50 4.3.2 Vysokorychlostní obrábění HSC (High Speed Cutting)........................ 50 5 UPÍNÁNÍ NÁSTROJŮ ....................................................................................... 52 5.1 Způsoby upínání fréz.................................................................................... 52 5.2 Upínače.......................................................................................................... 52 5.2.1 Weldon ...................................................................................................... 52 5.2.2 Kleštinový upínač ..................................................................................... 53 5.2.3 Hydraulické upínače................................................................................. 53 5.2.4 Tepelně smrštitelná pouzdra................................................................... 54 6 PROVEDENÉ TESTY....................................................................................... 56 6.1 Test č. 1 ......................................................................................................... 56 6.2 Test č. 2 ......................................................................................................... 57 6.3 Test č. 3 ......................................................................................................... 60 Závěr ....................................................................................................................... 62 Seznam použitých zdrojů ...................................................................................... 63 Seznam použitých zkratek a symbolů.................................................................. 65 Seznam příloh ........................................................................................................ 67
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 9
ÚVOD Formy jsou dnes neodmyslitelnou součástí pro výrobu mnoha produktů různých velikostí, tvarů a použitých materiálů. Hlavní význam mají v oblasti stále se rozvíjejícího automobilového průmyslu, ale i v jiných oborech jako jsou různé spotřebiče či bytové doplňky. Tento směr však podléhá moderním trendům designérů, který je poznamenán stále se zvyšujícími nároky na tvarovou složitost, jež by měla zajistit větší zájem spotřebitele o finální výrobek. Jsou vyráběny pro různé aplikace jakými jsou například vstřikování plastů, lisování a tvarování plechů, plastů, textilních a gumových materiálů, zápustky pro kování atd. Proto je zapotřebí brát v úvahu nejen hledisko různých a často složitých tvarů, ale i druh použitého materiálu formy, který hraje jednu z hlavních rolí při výběru vhodného nástroje pro výrobu takto zadané zakázky. Tato práce má za úkol zpracovat přehled různých nástrojů, metod použití, způsobů a druhů obrábění při jednotlivých aplikacích a naznačit směr dalšího vývoje v blízké budoucnosti. V dnešní době se obrábění tvarových dutin forem zaměřuje především na možnosti frézování pomocí kulových, nebo jinak zaoblených konců fréz a metodě elektroerozivního obrábění.
FSI VUT
1
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 10
STÁVAJÍCÍ STAV V OBLASTI VÝROBY TVAROVÝCH DUTIN FOREM
Dosavadní možnosti obrábění tvarových dutin forem se zaměřují především na možnosti frézování pomocí kulových, nebo jinak zaoblených konců fréz a elektroerozivního obrábění na hloubících strojích. To se využívá pouze u ostrých přechodových hran nebo jinak složitých tvarů dutin, které nelze obrobit frézovacími nástroji. Případně při obrábění materiálů s velmi vysokou tvrdostí, kde jsou již frézovací nástroje nedostačující.
1.1 Frézovací nástroje Moderní frézování je velmi universální metodou obrábění. Jedná se obrábění kovů rotujícím nástrojem, který se posouvá po naprogramované dráze kolem obrobku v téměř libovolném směru. V několika uplynulých letech se frézování spolu s výkonem obráběcích strojů vyvinulo do metody, která umožňuje obrábění ve velmi širokém rozmezí konfigurací a metod. Vývoj nástrojů též přispěl rovněž k novým možnostem zvýšení produktivity, spolehlivosti a konzistence kvality. (1) Ve výrobě forem a zápustek je často nutno frézovat hluboká vybrání. V úvahu zde přicházejí monolitní frézovací nástroje ze slinutého karbidu, stopkové frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami a modulárně konstruované frézovací nástroje. Jako jsou šroubovací frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami. (1) 1.1.1 Monolitní frézy se slinutého karbidu Pro výrobu forem pokrývají rozsah průměrů od 1mm (i níže) do 20mm. Jsou nabízeny v běžných i prodloužených délkách až do 200mm. Nejčastěji jsou tyto nástroje provedeny jako dvoubřité kulové nebo torické frézy s hladkou válcovou stopkou a vysokou přesností obvodového házení. (1) Dlouhé monolitní frézy ze slinutého karbidu (SK) jsou přes své štíhlé provedení velmi tuhé, protože modul E SK je v závislosti na složení s cca 600kN.mm-2 asi třikrát větší než u ocelí. Monolitní frézy ze SK jsou ovšem při použití v mnoha případech navzdory několikanásobné schopnosti přeostření méně ekonomické než nástroje s vyměnitelnými břitovými destičkami. (1)
Obr.1.1 Monolitní frézovací nástroje (25)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 11
1.1.2 Stopkové frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami Tyto nástroje nabývají ve výrobě forem a zápustek stále většího významu. Dnes je tento druh nástrojů nejčastěji používaný. Zvláště frézy s torickým tvarem (většinou pouze se 2 kruhovými břitovými destičkami) se v široké míře prosadily díky své hospodárnosti a robustnosti. Hospodárnost je podmíněna jednak přesnou vyrobitelností kruhové destičky, délkou dostupného ostří a jednak všeobecnou flexibilitou nástrojů s vyměnitelnými břitovými destičkami (možno použít VBD z jiného typu SK nebo jiným povlakem ve stejném nástrojovém držáku). (1) I robustnost je třeba přičíst kruhovému tvaru břitové destičky, který je nadřazen všem ostatním geometriím, pokud jde o odolnost proti nárazovému namáhání. Nástroje s dlouhým vyložením mají přirozený sklon k chvění, přičemž právě nástroje s kruhovými destičkami reagují na střídavé napětí nejméně citlivě. (1)
Obr. 1.2 Stopková fréza s VBD kruhového tvaru (18)
V Evropě se pro jejich upínání nejvíce používá válcová stopka typu WELDON. Vhodné upínače typu WELDON jsou sice levné a snadno použitelné, mají však nevýhody, pokud jde o přesnost, nepřesnost obvodového házení a tuhost. Pro přizpůsobení celkové délky pracovní části bez upínací stopky platí podobné zásady jako pro monolitní frézy ze SK, je ovšem třeba zvláště při omezených poměrech přihlížet k tomu, že stopka nástroje je z oceli a ne z tužšího SK. Proto se stále více prosazují modulární frézovací nástroje. (1) Frézy s čelními VBD Jedná se o multifunkční systém s různými stopkami a různými tvary frézovacích destiček. Každá stopka má schopnost nést jakoukoliv z frézovacích destiček. Upnutí a vyměňování destičky je velmi jednoduché a může být provedeno přímo na stroji. Unikátní konstrukce lůžka umožňuje velmi pevné upnutí destičky. Hrana zaručuje přesnou pozici s nemožností vytrhnutí. Tento systém je ideální pro snižování zásob nástrojů hlavně tam, kde se využívá mnoho rozdílných fréz pro dokončovací operace. (13, 8)
Obr. 1.3 nástroj s čelní VBD (8)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 12
Drop Mill Tato kulová stopková dokončovací fréza vykonává polodokončovací a dokončovací operace s vysokými posunovými rychlostmi. Unikátní tvar poskytuje plně efektivní nástroj se dvěma řeznými hranami pro malé řezné hloubky. Destička může být použita i pro velké řezné síly plynoucí z vysokých posuvů. Jsou vyráběny s dostatečným vysunutím pro obrábění spodních ploch otvorů a kapes. Schopnost udržovat si vysokou přesnost řezných hran vyplývá z velmi pevného upnutí, které ulehčuje mnoho napětí upínacímu šroubu. (13)
Obr.1.4 stopková fréza s destičkami typu Drop Mill (31)
1.1.3 Modulární frézovací nástroje Jedná se o podobně hospodárné nástroje jako jsou stopkové frézy s VBD, navíc s velkou délkovou přizpůsobivostí.(1) Tento systém vzhledu je unikátní karbidová hlava se závitem spojená s příslušným držákem či nástavcem. Je určena pro vysoké výkony a krátké časy výměny (nástroj se může vyměnit přímo na stroji) zlepšují ekonomiku. Každá řezná hlava má přesný lisovaný tvar s ostrou kulatou hranou. Tvar hlavy může být kulová nebo válcová plocha, srážecí či řezná hlava. (13) V posledních letech se v širokém měřítku prosadily frézy šroubovací s možností délkového nastavení, které mají spojovací závit (M6 až M16), broušený středící kroužek a čelní dosedací plochu. Tento způsob spojování je výrobně levný, dostatečně přesný, robustní a bezproblémový při používání. Toto spojení se mezitím etablovalo jako „Quasi průmyslový standard“. Celkovou pracovní délku šroubovací frézy lze v obou již popsaných případech měnit pomocí rozdílně dlouhých základních upínacích držáků, v omezené míře pomocí samotné délky nástroje a především pomocí levných prodlužujících adaptérů. (1)
Obr.1.5 Různé tvary vyměnitelných břitových hlavic se závitem (8)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 13
Tato varianta má za cíl sjednotit přednost vysoké tuhosti monolitní frézy ze SK a přednostmi dobré hospodárnosti a pružnosti nasazení nástroje s VBD. Používají se extrémně tuhá antivibrační prodloužení ze SK, jejichž konec tvoří ocelový segment s uvedeným spojovacím závitem pro šroubovací frézy. Je zde kombinace ocelového držáku (stopky) s vyměnitelnou karbidovou hlavou pro dlouhou životnost a opakovatelnost ve vysokorychlostních strojích. (1, 13)
Obr.1.6 Modulární sestava - hlava s VBD, prodlužovaní nástavec a upínač (32)
1.2 Metody frézování 1.2.1 Předvrtání a postupné závrtné frézování - tradiční Předvrtání vodící díry se nedoporučuje, neboť vyžaduje další nástroj. Doba nutná k nastavení a výměně nástroje je pro výrobu ztracena a to je negativní faktor. Navíc se obsadí pozice pro nástroj. (2) Možnost axiálního posuvu je výhodná při mnoha aplikacích. Lze tak účinněji obrábět díry, dutiny i obrysy. Při použití kulové frézy se také často používá postupné zavrtávání k dosažení plné axiální hloubky řezu a pak se postupně odděluje celá vrstva materiálu dutiny. To se opakuje dokud není hotová celá dutina. Tento postup však může vést k problémům s odvodem třísky ze středu frézy. (2)
Obr.1.7 Schéma tradičního frézování (2)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 14
Vstupní otvor musí být o 5 až 10 mm větší než průměr frézy. Naprogramovaný průměr musí být min. o 15% větší než průměr frézy. Nájezd do předvrtaného otvoru by měl být po kruhové dráze s využitím sousledného frézování. Malá tloušťka třísky na výstupu z řezu umožňuje dosáhnout co nejvyšší životnosti nástroje. Velká hloubka řezu při poměrně malé šířce záběru. Snadná kontrola šířky záběru s cílem minimalizovat vibrace v rozích a maximalizovat produktivitu. (3) 1.2.2 Zahlubování ve dvou osách Jedním z nejlepších způsobů dosažení požadované axiální hloubky řezu je zahlubování v osách X/Y a Z. Při správné volbě počátečního bodu není nutné odfrézovat materiál z části, která se zahlubuje. Zahlubování může začít od středu, nebo do středu, podle geometrie formy nebo zápustky. Hlavním kritériem je zajištění odvodu třísek. Z tohoto pohledu je ideální sousledné frézování a nepřerušovaný řez. Při přechodu na novou radiální hloubku řezu je důležité blížit se k ní zahlubovacím pohybem nebo ještě lépe kruhovou interpolací. Při rychloobrábění je to naprosto zásadní. Úhel zahlubování závisí na použité fréze, vůli kolem tělesa frézy, velikosti VBD a hloubce řezu. Vůle rovněž závisí na průměru frézy. (2) 1.2.3 Zahlubování ve třech osách Posuvu nástroje po šroubovici v axiálním směru vřetena se používá zejména při výrobě forem a zápustek. Tento postup má při obrábění děr o velkém průměru několik výhod. K obrábění stačí jeden nástroj, obvykle bez problémů s utvářením a odvodem třísky nebo vibracemi, neboť průměr nástroje je v porovnání s průměrem obráběné díry menší. Měl by být poloviční nežli poloměr obráběné díry. I při obrábění kruhovou interpolací po spirále je nutno zkontrolovat největší úhel zahlubování vybrané frézy. Užití pro díry velkých průměrů na malých strojích s nízkým výkonem. (2)
a)
b) Obr.1.8 Schéma zahlubování (2) a) ve dvou osách b) ve třech osách - kruhová interpolace po šroubovici
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 15
1.2.4 Ponorné frézování Při ponorném způsobu frézování řeže hlavně čelo nástroje, nikoliv jeho obvod. Výhodou tohoto postupu je, že se změní směr řezných sil převážně radiálních na axiální. Tloušťka třísky je stejná při vstupu břitu do záběru i při jeho výstupu ze záběru. Proto je na rozdíl od běžného frézování nutno použít menší hodnoty posuvu na zub. (3)
Obr.1.9 Schéma ponorného frézování (32)
Obr.1.10 Výslednice řezné síly při ponorném frézování (32)
Za stabilních podmínek není ponorné frézování v žádném případě první volbou, protože při tomto postupu je velikost úběru materiálu malá a zároveň je nutná ještě další polodokončovací operace – zejména v případě 3D tvarů. Ponorné frézování je vhodné v případech, kdy obráběcí proces klade nároky přesahující rámec běžného frézování. Je výhodné převážně pro velmi dlouhá vyložení a další formy nepříznivých podmínek, hlavně díky působení řezných sil do osy nástroje. Uplatnění najde například při frézování hlubokých dutin a vnějšího frézování podél hlubokých rohů. V porovnání s běžným frézováním s drahou nástroje v rovině X-Y se díky vyšší tuhosti při pohybu ve směru osy Z umožní využití úběru vyššího průřezu materiálu při stejném posuvu, což ve výsledku znamená rychlejší úběr kovu. (2, 3)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 16
1.2.5 Podle směru vzájemného pohybu nástroj - obrobek Sousledné frézování Směr posuvu obrobku je stejný jako směr rotace frézy v místě záběru. Tloušťka třísky postupně klesá od maximálního rozměru do nulového. Tento způsob obrábění nese tyto výhody (37): • Vyšší trvanlivost a životnost břitů → použití vyšší posuvové a řezné rychlosti • Menší potřebný řezný výkon • Řezná síla přitlačuje obrobek ke stolu → jednodušší upínací systém • Menší sklon ke kmitání • Obvykle menší sklon k tvoření nárůstku • Vyšší jakost obrobeného povrchu V dnešní době se nejvíce uplatňuje i při obrábění metodou vysokorychlostního obrábění (viz. kapitola 4.3.2). Nesousledné frézování Směr posuvu obrobku je opačný než směr rotace nástroje v místě řezu. Tloušťka třísky postupně narůstá od nulového rozměru po maximální. Mezi výhody tohoto způsobu obrábění patří (37): • Trvanlivost a životnost nástroje nezávisí na okujích či písku v povrchu obrobku • Není zapotřebí vymezování vůle mezi posuvovým šroubem a maticí stolu stroje • Menší opotřebení posuvového šroubu a matice stolu
a)
b) Obr.1.11 Metody frézování (3) a) sousledné b) nesousledné
1.2.6 Úhel nastavení nástroje S tloušťkou třísky při frézování souvisí i nastavení frézy. Jedná se o úhel mezi hlavním, čelním břitem VBD, a povrchem obrobku. Úhel nastavení ovlivňuje zejména tloušťku třísky, řezné síly a životnost nástroje. Snížením tohoto úhlu klesne při daném posuvu tloušťka a následný efekt ztenčení třísek znamená postupnější vniknutí do řezu, což snižuje radiální tlak a chrání břit. Vyšší axiální síly ale znamenají zvýšení tlaku na obrobek. Dnes jsou nejběžnějšími úhly nastavení hodnoty 45°, 90°, 10° a proměnné hodnoty kruhových destiček. (2)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 17
Úhel nastavení 90 stupňů vytváří hlavně radiální síly působící ve směru posuvu. To znamená, že na obráběný povrch nepůsobí tak velký axiální tlak, což je výhodné při frézování obrobků se slabou konstrukcí nebo tenkými stěnami. Hlavní aplikací je však frézování do rohu, kdy lze řezem získat pravý úhel. (2) Úhel nastavení 45 stupňů vytváří radiální a axiální řezné síly s přibližně stejnou velikostí, což znamená vyvážené tlaky a menší nároky na výkon stroje. To je zvlášť vhodné pro frézování obrobků z materiálů s krátkou třískou. Tenčí třísky znamenají v řadě aplikací vyšší produktivitu díky možnosti využití vyššího posuvu stolu při udržení středního zatížení břitu. (2) Úhel nastavení 10 stupňů se používá u fréz s vysokým posuvem a fréz ponorných. Snášejí velmi vysoké řezné podmínky, kdy je tloušťka třísek malá, ale posuv stolu vysoký. Výhodou jsou nízké řezné síly a také jejich převážně axiální směr, a to při radiálním i axiálním frézování, přičemž jsou omezeny sklony k vibracím a vzniká potenciál pro velmi vysoký úběr kovu. (2) Oblé břity znamenají proměnný úhel nastavení od 0° až do 90° podle hloubky řezu. Zaoblení VBD zajišťuje vysokou pevnost břitu, který je tak vhodný pro velký posuv stolu umožněný menší tloušťkou třísek vznikajících podél dlouhého břitu. Vhodné pro obrábění titanu a tepelně odolných superslitin. Moderní vývoj geometrie VBD přinesl možnosti širšího použití fréz s oblými břity, protože je řez hladší a funguje tak i při menším výkonu stroje a nižší stabilitě. Dnes už se nejedná o speciální frézu, ale o zcela běžnou a efektivní frézu umožňující dosáhnout velkého úběru materiálu. (2)
Obr.1.12 Úhly nastavení ostří a jejich vliv na řezné síly a tloušťku třísky (2)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 18
1.3 Elektroerozivní obrábění 1.3.1 Princip elekroeroze Metoda elektroeroze se používá především na místech, která nelze obrobit frézováním (ostré vnitřní hrany dutin a jiné náročné a složité tvarové dutiny) a u velmi tvrdých materiálů, kde se nástroje velmi rychle otupují (zakalené tvrdé oceli). Lze použít u jakýchkoliv elektricky vodivých materiálů a nezáleží na jejich mechanických vlastnostech jakými jsou hlavně tvrdost a pevnost obráběného materiálu. (4) Tato metoda je založena na využití tepelné energie, na kterou se přemění elektrický výboj vznikající mezi elektrodami. K úběru materiálu dochází elektricky, pomocí rychle se opakujících periodických impulsů jiskrového výboje za přítomnosti dielektrika (kapalné médium). Velmi malé částice ve formě dutých kuliček jsou odstraňovány z materiálu tavením a odpařením. Z mezery mezi nástrojem a obrobkem je odpad elektrolýzy odnášen pomocí dielektrické kapaliny, která mezi nimi proudí. (5)
Obr.1.13 Princip elektroerozivního obrábění (5)
Jednu z elektrod tvoří obrobek, který musí být z vodivého materiálu. Druhá elektroda (nástroj) musí být též z vodivého materiálu a je umístěna v těsné blízkosti obrobku, ale nedotýká se ho. Pro technologii hloubení se používají jako nástroje tvarové elektrody, které jsou posouvány směrem do obrobku a vytvářejí požadovaný profil. (5) 1.3.2 Nástrojové elektrody Elektroda musí mít vysokou elektrickou a tepelnou vodivost, vysoký bod tavení a musí prokazovat jednoduchou vyrobitelnost i tvarově složitějších profilů. Obvykle je elektroda připájena na záporný pól obvodu.(5) Materiály elektrod pro obrábění tvarových ploch jsou převážně grafit, měď a mosaz.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 19
Grafit Nejrozšířenější materiál elektrod. Je dobře obrobitelný a jeho teplota tavení je okolo 3000°C. Je vhodný pro opracování ocelí. Hlavní nevýhodou však je, že zplodiny vznikající jeho opotřebením, znečišťují zařízení. (5) Měď Jako materiál elektrod je dobře odolná vůči erozivnímu opotřebení a její využití je hospodárné. Doporučuje se pro obrábění karbidů a pro jemné dokončování s jakostí povrchu Ra pod 0,5 μm. (5) Mosaz Je velmi dobře obrobitelný materiál vhodný pro elektrody, ale v porovnání s měděnými nebo grafitovými elektrodami se rychleji opotřebovává. Používá se pro hloubení úzkých otvorů a při vrtání, kde opotřebení elektrody nevyžaduje rozměrovou přesnost. (5) Elektrody se podle tvarové složitosti vyrábí přesným litím a litím pod tlakem a na požadovaný tvar se dokončují soustružením, frézováním nebo broušením. Vhodným způsobem výroby se jeví i drátové řezání. (5) Opotřebení nástrojové elektrody je důležitý faktor, který ovlivňuje ekonomické hledisko rozhodování o jejím použití. V počátcích průmyslového používání (léta 1950-1955) opotřebení nástrojové elektrody představovalo 40 až 60% z celkového objemu. V současnosti se na moderních hloubících strojích dosahuje méně než 1%. To samozřejmě platí při optimální volby dvojice materiálu nástroj/obrobek. Nejčastěji se obrábí ocel grafitovou elektrodou. Odolnost nástrojového materiálu vůči opotřebení je daná jeho fyzikálními vlastnostmi. Čím má materiál vyšší teplotu tavení, tepelnou vodivost, Youngův modul pružnosti, Poissonovo číslo a čím nižší koeficient lineární tepelné roztažnosti, tím je jeho odolnost vůči opotřebení vyšší (5). Hodnoty fyzikálních vlastností vybraných materiálů nástrojových elektrod jsou v tab.1.1. Tab.1.1 Fyzikální vlastnosti vybraných materiálů pro nástrojové elektrody (5) Bod tavení [°C] Grafit 3000 Měď 1083 Wolfram 3390 Železo 1535 Materiál
Bod varu Tep. vodivost [°C] (Ag=100%) 4000 30,3 2580 94,3 5930 29,6 2800 16,2
El. vodivost (Ag=100%) 0,1 96,5 48,1 16,2
Pevnost Modul pružnosti [N.mm-2] [N.mm-1 x 102] 34 5,9 241 124 41,3 351 275 186
Při kvantitativním a kvalitativním hodnocení opotřebení nástroje se určují hodnoty úbytku materiálu z klíčových míst tvarových elektrod jako je hrot, boční strana a hrana nástroje. Určuje se též celkové opotřebení nástrojové elektrody jako intenzita úbytku objemu. Obr. 1.14 Znázorňuje charakteristické oblasti opotřebení a používanou terminologii pro hodnocení. Opotřebení se objevuje nejdříve na hranách elektrod. Relativní opotřebení nástrojové elektrody (mV) vyjádřené v procentech je dané poměrem úbytku objemu elektrody VE k úbytku objemu obráběného materiálu VM. (5)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
mV =
VE ⋅ 100% VM
List 20
(1.1)
Obr.1.14 Charakteristiky opotřebení nástrojové elektrody (5) Stupeň opotřebení hrotu =
Stupeň opotřebení hrany
=
ap
(1.2)
LV
ap
(1.3.4)
Lh
Stupeň opotřebení boční hrany =
ap Lb
(1.3.5)
K opotřebení elektrod dochází vlivem působení elektroerozivních impulsů a vlastnostmi materiálu elektrod, a to z následujících důvodů (5): • • • • • • •
v důsledku vysoké hustoty elektronů ve výbojovém povrchu dochází k oddělování jednotlivých iontů nebo celých částeček kovu v důsledku kolísání proudu výboje nebo vlivem polarity výboje se rozrušuje povrch elektrody důsledkem termických vlivů (vysoká teplota při výboji, nepravidelný ohřev elektrod v průběhu výboje) mechanických nárazů způsobených kavitací mechanických nárazů částeček oddělených od obráběného materiálu nepříznivých pracovních podmínek (nepříznivé proudění dielektrika, vysoká hustota proudu apod.) chyby v materiálu elektrody (pórovitost, struktura)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 21
1.3.3 Dielektrikum Jedná se o elektricky nevodivé prostředí, nejčastěji petrolej a transformátorový nebo strojní olej. Jeho úkolem je odplavovat produkty elektroeroze, zabezpečit potřebnou vzdálenost mezi elektrodami, izolovat proti výboji a v neposlední řadě i ochlazovat elektrody. (5, 39) V zásadě se rozlišují tyto druhy proudění dielektrika (5): • systém proudění kapaliny přes obrobek, nebo přes nástroj, označovaný jako reverzní způsob proudění, obr.1.15 • systém vstřikování a proudění kapaliny ze spodní nebo horní části obrobku (v obrobku musí být předvrtaný otvor) obr.1.16. Nevýhodou tohoto systému je vznik kuželovitosti stěn obráběného profilu. • systém proudění ponořením, používá se při obrábění mělkých profilů a tvarů, kde není zapotřebí zabezpečit výrazné proudění kapaliny. Na optimální provoz stačí ponoření dílce do dielektrické kapaliny. Chlazení elektrod a odplavování zplodin elektroeroze je zabezpečeno vzájemným pohybem elektrod vibrací, nebo cyklickým přerušováním impulsů.
Obr.1.15 Proudění dielektrické kapaliny systémem nasávání přes (5) a) obrobek b) nástroj
Obr.1.16 Proudění dielektrické kapaliny vstřikovacím systémem přes (5) a) obrobek b) nástroj
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 22
1.3.4 Mechanismus úběru materiálu Při elektrojiskrovém způsobu obrábění dochází k úběru materiálu vlivem teploty a erozí při vzniku rychlého sledu jiskrových výbojů, které se tvoří v libovolném bodě mezielektrodového prostoru v místě nejsilnějšího elektrického pole. Materiál je natavený a následně odpařený ze zóny výboje. Elektroda je zapojena na záporný pól a obráběný předmět na pól kladný. Mezi nimi je dielektrikum. Nástrojová elektroda se při obrábění automaticky posouvá a udržuje se nastavená hodnota mezery (5μm – 100μm). Tvar elektrody se kopíruje do obrobku, přičemž se elektroda částečně opotřebovává, obr.1.17. Produktivita obrábění a jakost obrobeného povrchu závisí na energii výboje a jejich frekvencí. Zvyšování intenzity úběru materiálu zhoršuje kvalitu povrchu.(5)
Obr.1.17 Konfigurace elektrod při hloubení a) výchozí tvar nástroje bez opotřebení a výchozí tvar obrobku b) konečný tvar nástrojové elektrody a obrobku po hloubení (5)
Průběh elektrojiskrového hloubení lze popsat takto: přibližováním pracovních elektrod (nástroj – obrobek) přeskočí mezi nimi jiskra (výboj) a z obráběného předmětu se uvolní malá část roztaveného materiálu. Jedna jiskra následuje za druhou a nástroj pomalu vniká do obráběného materiálu. Aby účinek jiskry byl co největší a aby se uvolněné částečky materiálu dobře odstraňovali z pracovního místa, tak se katoda ochlazuje. Úběr při elektrojiskrovém hloubení závisí hlavně na parametrech elektrického proudu, počtu a tvaru impulsů za sekundu, obráběném materiálu, materiálu nástroje a pracovní kapaliny. Zvyšováním napětí zdroje UZ a kapacity C v obvodě je možné úběr zvyšovat. Tím se však zvětšuje mohutnost výboje, z čehož přímo vyplývá velikost kráterů vznikajících na místě působení jiskry a tím i horší kvalita povrchu. Při dokončování se volí malá kapacita, aby byl povrch jemnější. Vytvořený otvor však bude vždy větší jak nástroj o mezeru danou vztahem: l = D + l1
(1.3.6)
kde D je průměr odtavených částeček materiálu, l1 je minimální vzdálenost, přes kterou v čisté kapalině přeskočí jiskra. Při hloubení se přes otvor v nástroji vede pracovní kapalina, aby se vyplachovaly odtavené částečky z mezery. Podmínkou kvalitního elektrojiskrového hloubení je dokonalé čištění dielektrické kapaliny, což snižuje opotřebení elektrod a stabilizuje podmínky obrábění. (5)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 23
Výroba dutiny se provádí ve více krocích. Nejdříve nahrubo a poté načisto. Dielektrikum se znečišťuje zbytkem kovu elektrod, nečistotami okolí a podobně. Proto se musí měnit. (4) Přednosti elektrojiskrového hloubení jsou (4, 5, 6): • možnost obrábět vodivé materiály libovolné mechanické pevnosti, tvrdosti, houževnatosti a křehkosti • velký rozsah pracovních parametrů, což umožňuje dosahovat různou kvalitu opracovaného povrchu • vysoká přesnost obrábění až (0,01 – 0,02) mm • možnost obrábět dílce složitých tvarů a vykonávat operace, které se nedají jinými metodami obrábění uskutečnit • na obráběný předmět nepůsobí žádné mechanické účinky (síly, deformace) • vzniká menší odpad než při klasickém mechanickém obrábění • snižuje se pracnost při výrobě složitých tvarů • odpadá upravování a leštění takto obrobených ploch • v některých případech nahrazuje broušení, a to hlavně v místech, kde je to jinak technologicky vyloučené • poměrně jednoduchá výroba nástrojových elektrod • při hloubení nevznikají otřepy • výrobní proces je možno automatizovat • nízká energetická náročnost (10 kWh – 15 kWh). Mezi nevýhody patří (4, 5): • nepřímá úměra mezi produktivitou a kvalitou obrobeného povrchu • potřeba ponořit obrobek i nástroj do procesní kapaliny během procesu • závislost přesnosti a kvality procesu od mnohých faktorů, které se nedají dopředu spolehlivě určit • závislost na tvaru elektrody (čím složitější výrobek, tím horší opalování elektrody) • poměrně nízkou produktivitu při obrábění materiálů nízké tvrdosti • dlouhá doba procesu obrábění • citlivost na servis
Obr.1.18 Forma obrobená elektroerozí s příslušným nástrojem (elektrodou)
FSI VUT
2
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 24
ŘEZNÉ MATERIÁLY
Na řezné materiály jsou kladeny především tyto požadavky: Vysoká pevnost, tvrdost, odolnost proti opotřebení, teplotní a rozměrová stálost, houževnatost a u nástrojových ocelí dobrá prokalitelnost. (36)
2.1 Nástrojové oceli Nástrojové oceli (NO) jsou řazeny dle ČSN ve třídě ocelí čísla 19. 2.1.1 Nástrojové oceli nelegované Vlastnosti (35, 36): • Procento legujících prvků je do 5% • Nízká teplotní stálost (max. 250°C) • Nízká prokalitelnost • Tepelné zpracování: kalení do vody z teploty 750°C – 770°C nebo do oleje ze 790°C – 820°C a následné popuštění při 100°C – 250°C • Dosahovaná tvrdost je min. 64HRC • Řezná rychlost do 15m.min-1 Použití těchto nástrojů se uplatní v oblasti ručních nástrojů jako jsou například pilníky, kde je nízká řezná rychlost a tím i nízká pracovní teplota. 2.1.2 Nástrojové oceli legované Vlastnosti (35): • Procento legujících prvků činí i více jak 10% • Legující prvky jsou hlavně chrom, vanad, wolfram, molybden, nikl, křemík a kobalt • Tepelné zpracování: kalení do oleje z teploty 810°C – 840°C a následné popuštění při 100°C – 300°C • Dosahovaná tvrdost je min. 62HRC • Řezná rychlost 15m.min-1 - 25m.min-1 Použití je u všech druhů řezacích, stříhacích, tvářecích a jiných nástrojů pracujících při dané pracovní rychlosti. 2.1.3 Rychlořezné nástrojové oceli Vlastnosti (35, 36): • Procento legujících prvků činí více jak 20% • Legující prvky jsou hlavně wolfram, vanad, molybden, chrom, kobalt • Tepelné zpracování: kalení do oleje nebo na vzduchu z teploty 1210°C – 1270°C a následné popuštění při 550°C – 580°C • Dosahovaná tvrdost je min. 63HRC • Řezná rychlost 25m.min-1 – 50m.min-1 Použití se uplatní při výrobě tvarových nástrojů, výstružníků, závitníků, fréz menších rozměrů a nástrojů vystavených rázům při přerušovaném řezu.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 25
2.1.4 Rychlořezné oceli vyrobené práškovou metalurgií Tyto materiály se vyznačují především velmi jemnou strukturou a rovnoměrným rozložením karbidů. Je zlepšená houževnatost a rozměrová stálost během tepelného zpracování. Využívá se velmi vysokého obsahu legur a výroba těchto nástrojů se provádí z použitých nástrojů vyrobených z rychlořezné oceli. (35) Důležitým předpokladem optimálního využití nástrojů z rychlořezných ocelí je použití vhodného řezného prostředí, tj. řezných emulzí a olejů. NO je houževnatá a v žíhaném stavu se dá relativně dobře obrábět.(10) Dnes se používá povlakování rychlořezných ocelí nitridem titanu.
2.2 Slinuté karbidy 2.2.1 Nepovlakované slinuté karbidy Slinuté karbidy (SK) předčí rychlořeznou ocel otěruvzdorností, jsou však křehké, mají sklon k vydrolování břitů a jsou těžko obrobitelné. (10) SK jsou nejpevnějšími materiály mezi tvrdými nástrojovými materiály a mohou být použity pro obrábění vysokými posuvovými rychlostmi a pro těžké přerušované řezy. Nemohou být ale použity pro velmi vysoké řezné rychlosti, zejména v důsledku své nízké termochemické stability. (11) Rozdělení a značení Mezinárodní rozdělení slinutých karbidů podle ISO z hlediska řezného procesu zahrnuje 3 hlavní skupiny a 3 doplňkové (11): P M K
(barva značení modrá) (barva značení žlutá) (barva značení červená)
N S H
(barva značení zelená) (barva značení světle hnědá) (barva značení tmavě šedá)
Podskupiny se označují dvoumístným číslem (např. P10, M30, K20). Vyšší číslo vyjadřuje vyšší množství pojícího kovu, vyšší houževnatost a pevnost v ohybu, ale nižší tvrdost a otěruvzdornost materiálu a tím vymezuje jeho aplikaci pro nižší řezné a vyšší posuvové rychlosti, přerušované řezy a větší hloubky řezu. (10, 11) Základními karbidy pro výrobu všech běžných druhů slinutých karbidů pro obrábění jsou karbid Wolframu (WC) a karbid titanu (TiC). Pojícím kovem je kobalt (Co). Jako další přísady se nejčastěji používají karbidy tantalu (TaC), niobu (NbC) a chromu (Cr3C2). Vzhledem ke svému složení jsou běžné SK někdy též označovány jako jedno karbidové (K), dvojkarbidové (P) a vícekarbidové (M). Z tohoto hlediska lze proto k jednotlivým skupinám podle ISO přiřadit obvykle následující složení (karbidy uvedené v závorce netvoří
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 26
samostatnou strukturní složku SK a jejich hlavním úkolem je zabránit růstu zrna hlavních karbidických fází) (11): • • •
skupina K : WC + Co + (TaC.NbC) skupina P : WC + TiC + Co + (TaC.NbC) skupina M : WC + TiC + TaC.NbC + Co
Skupina K je určena pro obrábění materiálů, které vytvářejí krátkou, drobivou třísku (litiny, neželezné slitiny a nekovové materiály). Řezné síly jsou přitom obvykle relativně nízké a převládá abrazivní a adhezní opotřebení. (11) Skupina P je určena k obrábění materiálů, které tvoří dlouhou, plynulou třísku, jako jsou uhlíkové oceli, slitinové oceli a feritické nerezavějící oceli. Řezný proces je obvykle doprovázen velkými řeznými silami a značným opotřebením na čele. (11) Skupina M má universální použití a je určena pro obrábění materiálů, které tvoří dlouhou a stření třísku, jako jsou lité oceli, austenitické nerezavějící oceli a tvárné litiny (vzhledem k relativně vysoké houževnatosti se SK této skupiny též často používají pro těžké hrubovací a přerušované řezy). Řezné síly dosahují středních až vysokých hodnot, dochází k vydrolování ostří. (11) Skupina N je určena pro obrábění neželezných kovů, plastů a dřeva. Skupina S má užití v oblasti obrábění žáruvzdorných a titanových slitin. Skupina H je určena pro obrábění tvrdých kalených ocelí. 2.2.2 Povlakované slinuté karbidy Povlakované SK jsou složeny z pevného karbidového podkladu a termochemicky stabilního tvrdého povlaku (karbidy, nitridy, oxidy a jejich kombinace). Výsledkem jsou nejlepší materiály pro vysoké řezné i posuvové rychlosti, vysoký úběr materiálu a přerušované řezy. Povlaky mají vyšší tvrdost, než běžné slinuté karbidy, snižují řezné síly, teploty a koeficient tření, brání difúznímu mechanizmu opotřebení a šíření trhliny z povlaku do podkladu, nebo toto šíření zpomalují (u vícevrstvých povlaků). (11) Aplikují se jak jednovrstvé, tak i vícevrstvé povlaky, podle různých způsobů a podmínek obrábění. Různé druhy povlaků vykazují různé vlastnosti. (11) Např. TiC je nejtvrdší a má největší odolnost vůči abrazivnímu opotřebení, naproti tomu TiN je měkčí, méně otěruvzdorný, ale termodynamicky stabilní a odolný proti výmolu na čele nástroje. Al2O3 vykazuje největší otěruvzdornost při vysokých teplotách, tedy při vysokých řezných rychlostech. Proto je nejčastější řazení vrstev v posloupnosti: Substrát – TiC – TiCN – TiN – Al2O3. (11)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 27
Pro praktické užití je tloušťka povlaku regulována v rozsahu 5 až 10μm (při příliš velké tloušťce povlaku dochází snadněji k jeho odlupování). Při frézování, kde je břit nástroje vystaven rázům, se u tlustých povlaků vyskytuje mikrovydrolování a proto jsou pro tento účel vhodnější tenčí povlaky. (11) Kvůli zlepšení odolnosti proti vydrolování jsou v poslední době pro těžké řezy často využívány složité substráty se zvláštní houževnatou vrstvou na povrchu. Tato vrstva je vytvořena zvýšením obsahu kobaltu těsně u povrchu substrátu, či redukcí (W, Ti, Ta)C substrátu v povrchové vrstvě např. slinováním slitiny WC-TiC-TaC-Co. Povrchová vrstva má potom nižší tvrdost a vyšší houževnatost. Tloušťka houževnatých vrstev dosahuje obvykle několik desítek μm. (11)
2.3 Cermety Název CERMET vznikl složením prvních tří hlásek slov „CERamics (keramika)“ a „METal (kov)“ a má vyjadřovat nástrojový materiál, jehož mechanické vlastnosti vykazují výhodnou kombinaci tvrdosti keramiky a houževnatosti kovu. (11) Jejich vývoj byl prováděn hlavně v Japonsku z důvodu nedostatku drahého W a Co, který je nahrazen Ti a Ni. (11) Jde o slinuté materiály s tvrdou fází tvořenou zejména TiC, TiN (zatímco u SK je to WC). Protože tvrdá fáze cermetů vytváří při obrábění plochy velmi vysokou jakost povrchu (v důsledku vynikající odolnosti proti adhezi a nízké náchylnosti reakci s obráběným ocelovým materiálem – ve srovnání s WC), jsou cermety velmi rozšířenými materiály hlavně pro dokončovací obrábění vyššími řeznými rychlostmi. (11) Charakteristickou vlastností cermetů je nízká měrná hmotnost, která se pohybuje v rozmezí 5,6g.cm-3 – 7,4g.cm-3. Ve srovnání se SK jsou tyto hodnoty zhruba poloviční a jsou dány zejména tím, že v převážné většině neobsahují těžký karbid wolframu. (11) Dále se cermet vyznačuje vysokou odolností vůči opotřebení otěrem a nízkým sklonem k adhezi. Kromě toho má vysokou odolnost proti oxidaci a malý sklon k difůzi. Důsledkem těchto vlastností je menší opotřebení nástrojů ve srovnání se slinutým karbidem. Dobrá pevnost hran ostrých břitů zaručuje vysokou kvalitu povrchu po dlouhou dobu životnosti břitu. Cermet je používán především při obrábění litých materiálů a ocelí načisto (také tepelně zušlechtěných a vysoce legovaných ocelí). (12) Jejich hlavní nevýhodou je nízká houževnatost, která je sice neustále zvyšována, ale přesto nedosahuje hodnot obvyklých u SK. Proces výroby musí být proto pečlivě řízen, aby došlo k eliminování pórů vznikajících při výrobě, které mají za následek křehkost cermetů. (11)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 28
2.4 Řezná keramika Moderní definicí je keramika obecně charakterizována jako převážně krystalický materiál, jehož hlavní složkou jsou anorganické sloučeniny nekovového charakteru. (11) Keramické materiály jsou v podstatě slinuté korundy, které mají vysokou stálost za tepla, až do 1600°C. S ohledem na dobrou jakost řezné keramiky, která se oproti minulosti v současné době podstatně zlepšila. Podařilo se úspěšně obrábět za vysokých řezných rychlostí šedou litinu, tvárnou litinu, cementační a kalené oceli, nástrojové a rychlořezné oceli. (10) Mezi hlavní výhody keramiky patří (11): • hlavně vysoká tvrdost • odolnost proti mechanickému namáhání (zejména tlakem) • odolnost proti působení vysokých teplot (u současných nejlepších materiálů i odolnost proti náhlým změnám teploty) • odolnost proti opotřebení, chemickým vlivům a korozi (vysoká trvanlivost a řezivost) • nízká měrná hmotnost • dostupnost základních surovin z domácích zdrojů • poměrně nízká cena. Nedostatkem jsou náhodné technologické defekty a mikrostrukturní nehomogenita. Nízká houževnatost, nízká ohybová pevnost a odolnost proti tepelným rázům. Vysoká křehkost keramiky způsobuje, že není prakticky schopna plastické deformace a porušuje se křehkým lomem. (11) Rozdělení a značení Pro dělení a značení keramických řezných materiálů neexistuje konkrétní norma (jako je tomu např. u slinutých karbidů), všeobecně je přijímáno následující dělení (11): • Oxidová keramika - čistá (99,5% Al2O3) - polosměsná (Al2O3+ZrO2, Al2O3+ZrO2+CoO) - směsná keramika (Al2O3+TiC, Al2O3+ZrO2+TiC, Al2O3+TiC+TiN) • Nitridová keramika (Si3N4, Si3N4+ Y2O3, Si3N4+TiN, sialony) Čistá keramika je doporučována většinou pro dokončovací soustružení šedé litiny, uhlíkových a nízkolegovaných ocelí při použití řezné rychlosti přesahující 100m.min-1. (10) Polosměsná keramika je obohacena o různé přísady, nejčastěji ZrO2, které zlepšují řezivost. (10) Směsná keramika je obohacena o TiC, tím je zvýšena její odolnost proti teplotním a mechanickým rázům. Je doporučována pro frézování šedé litiny a oceli, pro soustružení na čisto a jemné soustružení ocelí cementačních, zušlechtěných a tvrdé litiny. (10)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 29
Nitridová keramika má relativní vysokou odolnost proti mechanickému porušení břitu a doporučuje se pro dokončování i hrubování šedé litiny a litiny s licí kůrou. Ve srovnání s oxidickou keramikou mohou pracovat až při dvojnásobných rychlostech posuvu. Je vhodná i pro přerušované řezy, odolná vůči teplotním rázům, vhodná pro soustružení žáropevných slitin na bázi niklu a též pro kolísající hloubku řezu. Při obrábění ocelí a tvárných litin se rychle opotřebovávají (Nízká odolnost proti opotřebení). (10, 11) V polovině 80. let byly vyvinuty kompozity Al2O3 vyztužené vlákny SiC případně Si3N4 (whiskery) v rozsahu 20 – 30 objem.%. Přidáním těchto vláken značně zvýší odolnost proti vydrolování a vylamování ostří, v důsledku mechanického zpevnění a vyšší odolnosti proti oxidaci. Výsledkem jsou vynikající řezné výkony těchto materiálů při obrábění superslitin, kde keramickým materiálům hrozí nebezpečí porušení právě v důsledku vydrolování a vylamování ostří a brání šíření trhlin. Takovéto keramiky se nazývají vyztužené. (11) Obecně je možno zhodnotit keramické řezné materiály jako materiály s vysokou odolností vůči abrazivnímu opotřebení, odolností vůči chemickým vlivům a vysokou odolností vůči poklesu tvrdosti při vyšších teplotách vzhledem k ostatním řezným materiálům. (10) Hlavní technologické podmínky úspěšného použití řezné keramiky jsou stabilní, přesně definované pracovní podmínky obrábění, dostatečně výkonné stroje s vysokými otáčkami vřetena, vysokou tuhostí a přesností chodu vřetena, zakrytování pracovního prostoru stroje před odletujícími třískami, mechanizovaný odběr třísek při provozu (vynášení dopravníky), obrobky tuhé s tuhým upnutím atd. Z rozboru těchto potřebných vlastností lze dojít k závěru, že tyto podmínky právě splňují moderní automatizované obráběcí stroje. (10) Tab.2.1 Typické vlastnosti vybraných nástrojových materiálů (11): Nástrojový materiál Vlastnost
Slinutý karbid WC+Co -3
Řezná keramika
Cermet
MO2C+TiCN+Ni Al2O3+ZrO2 AL2O3+TiC Si3N4+přísady
Měrná hmotnost [g cm ]
12,0 - 15,1
5,6 - 7,0
3,8 - 4,0
4,2 - 4,3
3,2 - 3,4
Pevnost v ohybu [Mpa]
1000 - 2400
1150 - 1800
600 - 800
600 - 900
600 - 920
Tvrdost [HV] Model pružnosti v tahu [GPa] Součinitel délkové roztažnosti -6 -1 [10 K ] Lomová houževnatost [W m -1 K-1] Lomová houževnatost 1/2
[MPa m ]
1900
2000
1600 - 2200
1000 - 2400
1800 - 2000
520 - 660
500
340 - 400
370 - 420
300 - 380
4,5 - 7,0
7,0 - 7,5
80
30
10
10
7,0 - 8,5
20 - 30
1,5 - 3,5
20 - 25
4-6
30 - 50
5-7
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 30
2.5 Supertvrdé řezné materiály Do skupiny perspektivních řezných materiálů, které jsou v dnešní době ve světě realizovány, patří mimo řeznou keramiku další dva druhy syntetických řezných materiálů (10): a) polykrystalický kubický nitrid bóru b) polykrystalický diamant Struktura obou těchto materiálů je podobná a je složena z fáze tvrdého materiálu s jednotlivými krystaly (monokrystalický KNB, eventuelně PD) a keramické nebo kovové pojivo. Keramické pojivo se skládá u PKNB z nitridů a boridů hliníku a titanu a jako kovové pojivo jsou používány wolfram, kobalt, nikl a železo. Diamant je také spékán z nesčetných, malých, synteticky vyrobených krystalů s pojivovým materiálem za vysokého tlaku a vysoké teploty. Jako pojivová fáze je používán karbid křemíku (keramické pojivo), wolfram a kobalt (kovové pojivo). (12) 2.5.1 polykrystalický kubický nitrid bóru (PKNB) Oblast použití tohoto materiálu je při obrábění tvrdých a žáruvzdorných materiálů, kalených ocelí, kobaltových a niklových slitin apod. Výhodné bude i jeho nasazení jako náhrady za broušení při dokončovacím obrábění, zejména z hlediska integrity takto obrobeného povrchu. (12) 2.5.2 polykrystalický diamant (PD) Pro svou afinitu k železu není použitelný k obrábění ocelí a mimo to nesmí teplota v zóně obrábění přestoupit 600°C, protože jinak uhlík oxiduje. Spolu s křehkostí to značně omezuje jeho použití. (12) Polykrystalický diamant je doporučen pro obrábění všech neželezných kovů a nekovových materiálů jako např. sklolaminátů, výlisků plněných abrazivními plnidly, tvrdého kaučuku, pryskyřice, dřeva, grafitu a skla. Z kovových materiálů je vhodný zejména k obrábění slitin hliníku, mědi a jejích slitin, titanu a jeho slitin. (10) O tom, v jakém rozsahu bude možno použít tyto vývojové řezné materiály při jejich výborných řezných vlastnostech ukáže nejbližší budoucnost. Jejich hlavní nevýhodou v současné době je jejich vysoká pořizovací cena. (10)
FSI VUT
3
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 31
PŘEDNÍ SVĚTOVÍ VÝROBCI NÁSTROJŮ
3.1 Iscar Technologie SUMO Tato technologie vyjadřuje novou generaci nástrojů pro zabezpečení vyšší produktivity, rentability a výkonnosti. (9) Jde hlavně o novou řadu slinutých karbidů schopných dokonale čelit náročným požadavkům obrábění a zvýšit tak užitnou hodnotu řezných nástrojů a destiček. Jedná se o dokonalejší povlakovací technologie používané při CVD a PVD procesech. Řezné materiály Sumo-Tec se vyznačují speciální postpovlakovací úpravou, která zajišťuje podstatné zlepšení životnosti nástroje a jeho vyšší spolehlivost. Rovnoměrně nanesený hladký vrchní povlak přispívá k plynulému, nepřerušovanému chodu třísky a ke snížení tření a tepla. Zlatavá barva na hřbetě destičky usnadňuje zjištění stupně opotřebení. (9) Nový povlakovací proces zlepšuje dále houževnatost a odolnost proti vyštipování břitu a snižuje tvorbu nárůstku, což se projevuje v již zmíněném nárůstu životnosti nástroje a možnosti zvýšení řezných podmínek pro všechny typy materiálů obrobků. (9)
Obr. 3.1 Hladký vrchní povlak destiček Sumo Tec přispívá k plynulému odchodu třísky (9)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 32
Destičky pro frézování FEEDMILL Řezný břit má tvar velikého rádiusu (29). Geometrie, jejíž výsledné řezné síly jsou směřovány především axiálním směru do vřetene. To zabezpečuje velkou stabilitu obrábění. Je umožněno použití vysokých posuvů (až 3,5mm/zub) i na menších a středně velkých strojích či na strojích s nižší tuhostí. Využívají se speciální Trigon destičky s velkým rádiusovým břitem umožňující klidný chod i právě při vysokých posuvech. (7)
Obr. 3.2 Dvoustranná destička geometrie Feedmill s označením břitů (29) a) vrchní strana b)spodní strana
Frézovací nástroje CHATTERFREE Tento nástroj zaručuje maximální poměr odebraného materiálu a snížení času v mnoha operacích frézování. Může být proveden jako celokarbidový, nebo jako výměnná karbidová hlavice. Jeho unikátní geometrie, založená především na nerovnoměrném dělení břitů, poskytuje vynikající odolnost proti chvění a dlouhou životnost nástroje, zatímco úběr materiálu je vysoký. Hloubka záběru (ap) může být až 2xD (průměr frézy). Využití najde při frézování slitin ocelí, korozivzdorných ocelí a titanu. (8) TANGPLUNGE Tento nástroj s tangenciálně, na čele upnutými břitovými destičkami je určen převážně pro frézování zanořováním. Nové, oboustranné destičky mají čtyři řezné hrany a jsou zhotoveny z již zmiňovaného, kvalitnějšího substrátu SUMO TEC. Jsou navrhnuty s kladným úhlem čela pro minimalizaci řezných sil a dokonalý tok třísek. Jsou užívány převážně pro frézování zanořováním, ale mohou být též využity pro čelní frézování s hloubkou třísky až 3mm. (8)
a)
b) Obr. 3.3 TANGPLUNGE (25) a) nástroj b) destička
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 33
HELITANG 490 Řada nástrojů, vyznačující se tangenciálně upnutými pozitivními destičkami se čtyřmi řeznými břity je rozšiřována o další nové stopkové, čelní a prodloužené nástroje s destičkami velikostí 8, 13 a 16mm. Díky malým rozměrům a tangenciální orientaci je umožněna konstrukce nástroje s velkým průměrem jádra, což zvyšuje tuhost nástroje a odolnost proti krutu. Měkký a čistý chod destičky je dosáhnut díky šroubovitému tvaru řezných hran a pozitivního úhlu hřbetu. Tento nástroj přináší zvýšení posuvů při zachování kvalitního opracovaného povrchu. Je vhodný pro obrábění slitin ocelí, korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí a litiny s velkými úběry materiálu. (8, 9)
a)
b) a) stopkový nástroj
c) Obr. 3.4 Helitang 490 (25) b) nástrčný nástroj
c) řezná destička
SHREDMILL Jedná se o frézovací nástroje, které nesou kruhové destičky nebo kruhové destičky s vroubkovanou řeznou hranou. Při frézování velmi hlubokých dutin je tříska odváděna (vyfouknutí stlačeným vzduchem) problematicky díky tvaru, velikosti a rozměru třísky. V hlubokých dutinách je tendence tvorby dlouhých třísek, které zůstávají umístěny v dutině a jsou znovu rozřezány. Při použití frézy s označením MillShred jsou tvořeny malé třísky, které mají menší tendenci zůstávat v dutině. Destičky mají 4 polohy nastavení. Vroubkování na řezných hranách je navrhnuto s ohledem na překrytí, poskytující plně efektivní nastavení nástroje. (13)
Obr. 3.5 SHREDMILL (13)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 34
FINISHRED Tento nástroj představuje revoluční, patentovanou, celokarbidovou frézu. FINISHRED je kombinací hrubovací a dokončovací frézy v jednom nástroji. Fréza má 2 hrubovací břity s děleným ostřím a 2 navazující dokončovací břity. Úhel šroubovice je 45°. Nástroj umožňuje pracovat při podmínkách obrábění pro hrubovací operace s výsledným povrchem jako při dokončování. Dělené ostří omezuje vibrace při vysokém zatížení nástroje. Nástroj tvoří současně krátké i dlouhé třísky. Tato směs třísek je lépe odváděna z místa řezu, což je vhodné řešení při aplikacích drážkování a obrábění dutin. Jeden nástroj nahrazuje hrubovací a dokončovací nástroj, čímž snižuje čas cyklu, zvyšuje produktivitu a šetří jedno volné místo v zásobníku. Je vhodný pro všechny typy ocelí, obrábění titanu, inconelu, nerez oceli a žáropevných slitin. (8)
Obr. 3.6 Nástroj s označením FINISHRED (9)
3.2 Walter-Titex-Prototyp Tři úspěšné značky – nová společnost. Tito výrobci vystupují od roku 2007 jako jedna firma. Jejich výroba je zaměřena především na přesné nástroje ze slinutého karbidu a nástrojové oceli pro třískové obrábění. Tiger-tec Při vývoji nových povlaků se konečně podařilo na VBD ze slinutého karbidu vypustit oxid hlinitý (Al2O3) z povlaků PVD. S tímto typem povlaku přišla firma Walter jako první. Destičky s tímto povlakem jsou ideálně vhodné pro obrábění ocelí, těžce obrobitelných materiálů i nerezavějících ocelí. Tyto povlaky se vyznačují dlouhou životností, maximálními řeznými rychlostmi i za nejtěžších podmínek. Díky tomu vzrostlo zvýšení produktivity až o 50% a v některých případech až o 100% proti běžně užívaným destičkám. (22)
Obr. 3.7 Řez povlakem PVD – Al2O3 (22)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 35
PROTOSTAR FLASH Jedná se o výkonné frézy s patentovanou geometrií čela pro extrémní posuvy. Pomocí nové frézy PROTOSTAR FLASH je možno, ve srovnání s běžnými frézami s rádiusem, výrazně snížit dobu obrábění. Nástroj je vhodný pro použití nejrůznějších materiálů jako jsou legované oceli do 55 HRC, tvrzené oceli do 65 HRC, neželezné kovy (hliník, měď) a další. Umožňuje ekonomické hrubování kontur v rozsahu 2,5D a 3D s minimální hloubkou záběru a velmi velkým posuvem. (24) Na obr. 3.8 je vidět, že i přes dvojnásobný posuv zůstává u nové frézy PROTOSTAR FLASH tloušťka třísky tenčí než u frézy torické.
Obr. 3.8 Geometrie čela frézy PROTOSTAR FLASH (23)
Výhody pro uživatele (24): • díky nové geometrii čela je možno dosahovat výrazně rychlejších posuvů na zub (fz). Z toho vyplývá vyšší úběr materiálu a tím i produktivita • dynamičtější a rychlejší stroje dosahují větších úspor času • minimální zatížení stroje, neboť vřeteno stroje je namáháno téměř jen únosnými axiálními silami • minimální stopy zbytkového materiálu • kvalitní povlak TiAlN zajišťuje delší životnost.
a)
b) Obr. 3.9 Stopy zbytkového materiálu po frézování nástrojem (23) a) Toroidním b) PROTOSTAR FLASH
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 36
3.3 Pramet Tools Řezný materiál 2215. Jedná se relativně jemnozrnný nízkokobaltový substrát typu „H“, který zaručuje dobrou provozní spolehlivost spolu s vysokou odolností vůči opotřebení a vysokou mezí tepelné únavy, která je navíc ještě umocněna nově vyvinutým povlakem. Jinak řečeno, umožňuje použití tohoto materiálu při vyšších řezných rychlostech či u operací, u nichž není možno aplikovat chlazení. Povlak je nanesen středně teplotní metodou MTCVD zaručující pouze velmi nízký pokles houževnatosti základního substrátu oproti dříve používané metodě CVD. Povlak se skládá z několika vrstev, z nichž dominantní jsou Ti (C, N) – karbonitrid titanu – a Al2O3 – oxid hlinitý. Použití tohoto materiálu je u aplikací, kde se klade důraz na vysokou produktivitu (vysoké řezné rychlosti a posuvy), a vyniknou zejména při suchém obrábění. Hlavní aplikace jsou obrábění litin a také frézování uhlíkových i slitinových ocelí a rovněž je vhodný pro obrábění kalených a zušlechtěných materiálů.(30)
Obr. 3.9 Struktura řezného materiálu 2215 (30)
Řezné materiály třídy 72xx jsou založeny na ultrasubmikoronovém substrátu typu „H“ zaručující vyšší tvrdost, otěruvzdornost, pevnost v ohybu (houževnatost) a lepší strukturní homogenitě a stabilitě řezné hrany. Tyto materiály se hodí pro frézování kalených ocelí, litin a běžných uhlíkových i slitinových ocelí. Tento materiál se snaží o využití v co nejvíce aplikacích. (30) Povlak pro řezné materiály řady 72xx je nově vyvinut na systému tří vrstev skládající se z tenké adhezní vrstvy TiN a dále monovrstvy TiO, 5AlO, 5N, která je zakončena vrstvou se zvýšeným obsahem Al, zaručující zvýšenou odolnost vůči oxidaci.Tato závěrečná vrstva je připravována jako gradientní, což znamená, že v ní postupně narůstá obsah Al, který je těsně pod hranicí hexagonální konverze AlTiN. To zajišťuje povlaku výjimečnou tepelnou a chemickou stabilitu. Závěrečná výjimečně oxidačně odolná vrstva spolu s nižší celkovou tloušťkou povlaku a lepší jakostí předurčuje materiály s tímto povlakem pro nejnáročnější vysokorychlostní dokončovací operace obrábění. Zejména pak kopírovací frézování. (30)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 37
3.4 SANDVIK Coromant iLock Rozhraní mezi lůžkem a spodní plochou destičky je tvořeno drážkami, které zajišťují přesné a pevné upnutí destičky. Díky tomuto upnutí destičky lze dosáhnout vysoké přesnosti, protože drážkování zmenšuje tolerance destičky na polovinu. Takto upnutá destička dokáže čelit řezným silám působícím ze všech směrů obrábění a rychlost posuvu není třeba snižovat. Přesné a stabilní upnutí destičky minimalizuje házení nástroje a odolává silným odstředivým silám, které vznikají při vysokých otáčkách vřetena. Proto je velmi vhodným řešením pro vysokorychlostní obrábění. (19)
Obr. 3.10 Drážkování mezi lůžkem a spodní stranou destičky (32, 2)
CoroMill Plura Tyto nástroje byly vyvinuty speciálně pro rychloobrábění. Jedná se o monolitní nástroje ze slinutého karbidu různě tvarované pro většinu operací. Jsou k dostání v průměrech od 0,4mm do 25 mm. (2)
Obr. 3.11 Sortiment nástrojů CoroMill Plura (32)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 38
Kordel Vlnitá geometrie tvořící jemnější a menší třísky, které se snadněji odvádějí z místa řezu. Je podobná a má podobné vlastnosti jako geometrie SHRED u firmy ISCAR.
Obr. 3.12 Geometrie Kordel (32)
Laděné nástroje Při obrábění s velkým vyložením nástroje, kdy při frézování vznikají vibrace a je třeba těmto nepříznivým vlivům zabránit. Uvnitř nástroje je těžké tlumící těleso na gumových závěsech. Pokud nástroj začne vibrovat, tlumící těleso vibruje opačným směrem a vibrace jsou zcela potlačeny. Při použití těchto nástrojů je výhodné používat chladící kapalinu, která snižuje působení tepla, na které jsou tyto nástroje náchylné. (2) Tyto nástroje nesou označení Silent Tolls.
Obr. 3.13 Laděné nástroje Silent Tools (2)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 39
3.5 Emuge Franken Tato Německá firma je zaměřena především na nástroje pro frézování, výrobu závitů a upínání obrobků. Firma také sází na stabilnější upnutí VBD díky velkému průměru šroubu. Další možnosti přesného uložení destiček jsou (17): • již zmiňovaný přenos upínací síly přes velký průměr šroubu • vysoká přesnost uložení VBD → ± 0,01mm • vysoká stabilita nástroje vůči radiálním silám • podepření destičky po celé délce břitu • „V“ uložení VBD garantuje bezpečný přenos a pohlcování vznikajících radiálních sil.
Obr. 3.14 Uložení VBD firmy Emuge Franken (17)
Dále mezi její novinky patří hrubovací nástroje řady Time-S-Cut. S těmito nástroji je možné při tuhém upnutí obrobku i frézy a při dostatečném příkonu stroje na vřetenu dosáhnout posuvů na zub až 2,5mm. Axiální hloubka třísky ap je přitom 0,5mm – 1mm a obráběný materiál je až do pevnosti 45HRC. Vzhledem k tomu, že tyto VBD nemají přesný rádius, musí zde být vždy definován teoretický rádius břitu. Žlutá plocha představuje přídavek na obrábění při 3D dokončování tvaru. To je znázorněno na obrázku 3.17.
Obr. 3.15 Hrubovací nástroje Time-S-Cut (17)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 40
Obrázek 3.16 zobrazuje novou, celoobvodově broušenou destičku řady Time-S-Cut, která je ekonomičtější hlavně díky čtyřem řezným hranám s povlakem TiAlN.
Obr. 3.16 VBD Time-S4-Cut (18)
Obr. 3.17 Znázornění přídavku při obrábění 3D dokončovacího tvaru (17)
Výpočet maximální hloubky řezu je uveden na obrázku 3.18
Obr. 3.18 Výpočet maximální hloubky řezu (18)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 41
3.6 Pokolm Firma Pokolm byla v Čechách mezi prvními kvalitními výrobci dodávající nástroje na výrobu forem. Patří mezi velmi často používané nástroje v této oblasti a většina starších firem s touto značkou začínala a nadále určitě spolupracuje. Německá firma zabývající se výrobou převážně nástrojů a výměnných břitových destiček pro oblast obrábění standardních nerezavějících materiálů, žáropevných a žáruvzdorných slitin a ocelí, včetně ocelí odolným vůči kyselinám. Pro tyto materiály byly vyvinuty nové řezné geometrie, nové druhy SK a speciální povlaky pro obrábění za sucha, čímž se jednoznačně snižují náklady na obrábění až o 14%. (14) Na českém trhu je zastoupena firmou Semaco tools. Universální výkonové frézování s kruhovou destičkou Řada fréz o průměrech 18mm-160 mm s VBD průměrů 10mm, 12mm a 16mm spolu s normální a širší roztečí zubů a úhlem čela 0° a 7° představuje silnou universální řadu nástrojů pro výkonné hrubování, předdokončování a dokončování nerezavějících, žáruvzdorných a žáropevných ocelí. Pozitivní úhel čela 7° snižuje a odstraňuje z velké části řezný odpor daný povrchovým napětím v místě řezu, které je pro materiály tohoto typu obvyklé. VBD jsou vyrobeny z nového optimalizovaného substrátu slinutého karbidu s vyšší odolností vůči opotřebení s označením sorty 896. Jedná se o destičky P25 s povlakem na bázi titanu s mikrotvrdostí 3150HV a tepelnou odolností 900°C, čímž přispívá k velmi vysoké bezpečnosti samotného procesu. Optimalizovaná pozitivní řezná geometrie čelní plochy VBD spolu s velmi přesnou fazetkou přispívá k maximálnímu snížení teploty v místě řezu, čímž je prodlužována životnost řezné hrany. (14) Frézy Slotworkx a Quadworkx Jedná se o vysoce výkonné frézovací programy, což se promítnulo i do vývoje nového typu slinutého karbidu třídy M40 označeného jako sorta 896. VBD tohoto karbidu jsou vyrobeny s pozitivní geometrií čelní plochy, utvařečem třísek a speciální fazetkou, které přispívají k dobrému utváření a lámání třísky a jejímu odvodu z místa řezu. (15) Sorta 896 představuje vysoce houževnatý SK odolávající vysokým teplotám, jenž v součinnosti s novým povlakem na bázi AlTiN redukuje tepelnou deformaci ostří v průběhu obrábění a snižuje vznik tepla v důsledku minimalizace tření, čímž se zvyšuje procesní stabilita procesu obrábění, životnost řezné hrany, a to vše při obrábění za sucha. (15) Frézy Slotworx jsou určeny pro rohové a obvodové frézování, frézování drážek a vybrání, a to od nejmenších až po největší průměry, a rovněž pro kruhové a šikmé zanoření. (15)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 42
Frézy Quadworkx jsou určeny pro rychloposuvové frézování. Řezné hrany se zvláštní makrogeometrií využívající kombinaci velkého poloměru zaoblení a plochého břitu poskytují universální možnosti využití v nástrojárnách. Způsob zpracování mikrogeometrie spolu s leštěnou čelní plochou přispívají k minimalizaci vývinu teploty obráběného materiálu a rovnoměrnému odvodu třísek. Lůžka pro vložení břitových destiček jsou v nosném nástroji umístěna v pravém úhlu. Břitová destička je vložena do drážky těla vlastní frézy a poskytuje absolutně bezpečné umístění břitové destičky. To přispívá k maximální bezpečnosti procesu při přerušovaném řezu i při nejvyšších objemech odebrané třísky za jednotku času a současně nízkých nákladech na zhotovení obrobku. (16) Uvedené řady fréz Slotworx a Quadworx s kruhovými VBD se vyznačují několika přednostmi. První z nich je patentované zapuštění VBD do tělesa frézy, čímž je docíleno tuhého a přesného upnutí VBD s minimální házivostí. Další velkou předností je vnitřní chlazení fréz, respektivě optimalizovaný přívod chladícího média k břitu VBD, čímž se docílí ochrany břitu, dobrého odvodu třísek z místa řezu a optimalizace teploty v místě řezu.(14, 16)
Obr. 3.19 Frézy Slotworx (15)
Obr. 3.20 Frézy Quadworkx (16)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 43
Patentované uložení destiček velmi dobře zachytává a absorbuje axiální a radiální řezné síly vznikající při frézování. VBD není držena pouze šroubem, ale je opřena (zapuštěna) ve frézovací hlavičce. Tím řezná síla nepůsobí jen na VBD a šroub, ale je také rovnoměrně tlumena a absorbována frézovací hlavičkou. V porovnání s běžným uložením VBD je tímto umožněna silnější konstrukce zubu frézy, čímž je zvýšena tuhost a stabilita nástroje. To umožňuje použití vyšších hodnot řezných parametrů (fz, ap) a životnosti nástroje i VBD. Přidáním druhé příložky je zajištěna extrémní tuhost a upnutí VBD. (40)
Obr. 3.21 Patentované zapuštění VBD do tělesa frézy (14, 40)
Upínací systém DuoPlug je výjimečný systém upínání spojující princip tuhého spoje se závitem a účinkem tepelného smrštění. Je to velmi tuhé spojení bez vůle a házivosti. To zabezpečuje vysokou pevnost spoje, ale i tepelnou odolnost. Tím jsou omezeny vibrace při frézování, čímž je zajištěna delší životnost nástroje a zvýšena přesnost obrábění. (40)
a)
b)
Obr. 3.22 Princip spoje (40) a) šroubového b) DuoPlug
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 44
3.7 Hitachi Tool Jeden z předních výrobců nástrojů na Japonském trhu, který svůj program a vývoj nástrojů soustředí pro výrobu forem. Hlavním cílem nástrojů Hitachi je celkově zkvalitnit a zproduktivnit výrobu forem. Celý program nástrojů je cíleně konstruován k dosahování co nejlepších výsledků a to jak při produktivním hrubování, dokončování s co nejlepším povrchem, obrábění komplikovaných tvarů ve velkých hloubkách, tak i zvládnout frézování kalených materiálů o tvrdosti až 70HRC a to vše s ohledem na maximální životnost nástroje. (38) Hitachi Tool jako jeden z mála výrobců nástrojů používá (38): • Vlastní substrát, na který je kladen velký důraz • Vlastní broušení nástrojů s vysokou geometrickou přesností • Špičkové technologie povlakování Při výrobě nových geometrií a povlaků nástrojů firma čerpá ze svých zkušeností již více jak 60 let. Na evropském trhu působí od roku 1983 a od roku 2001 má výhradní zastoupení pro prodej produktů firma TGS s. r. o.
Obr.3.22 Broušení celokarbidového nástroje Hitachi (38)
FSI VUT
4
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 45
TRENDY DALŠÍHO VÝVOJE NÁSTROJŮ PRO VÝROBU TVAROVÝCH DUTIN FOREM
4.1 Geometrie Je to jedna z hlavních možností úpravy tvarových nástrojů za účelem snížit velikost řezných odporů a opotřebení a zvýšit tak životnost nástroje. Obrázek 4.1 ukazuje hlavní problémy při obrábění v místě špičky (přechodového ostří) nástroje kulových fréz. Díky speciálnímu tvaru brousícího kotouče a optimalizovanému programu broušení, je firma Franken schopna vyrábět sekundární ostří v oblasti přechodového ostří kulové frézy. Tato geometrie působí příznivě jako přídavné řezné břity v této problematické oblasti. Toto speciální provedení Franken potom výrazně snižuje tření a tím také opotřebení nalepováním materiálu na špičce frézy. Způsob řešení firmou Emuge Franken je uveden na obr. 4.2. (17)
Obr.4.1 Přechodové ostří špičky kulových fréz (17)
Obr. 4.2 Aktivní přechodové ostří firmy Franken (17)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
a)
List 46
b)
Obr. 4.3 Kulová fréza – (17) a) přechodové ostří po 4hod. frézování v nástrojové oceli b) aktivní přechodové ostří po 8hod. frézování nástrojové oceli
Dalším krokem ke zlepšení vlastností je broušení břitu v jednom chodu, což má za následek rovnoměrnou strukturu povrchu podél celého břitu bez jakýchkoliv přechodů, kde by se mohlo iniciovat nějaké napětí a vznik vrubu. S tímto zdokonalením přišla na trh firma Emuge Franken a je vidět na následujících obrázcích.
Obr. 4.4 Běžný přechod rádius břitu (17)
Obr. 4.5 Franken – čelo i boční břit broušen v jednom chodu (17)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 47
Dalším novým trendem v geometrii nástroje je nepravidelné dělení břitů, což výrazně snižuje vibrace při frézování a tím dochází ke zvýšení trvanlivosti nástroje.
Obr. 4.6 Franken – nerovnoměrné dělení břitů – 4břity (18)
Obr. 4.7 Franken – nerovnoměrné dělení břitů – více břitý nástroj (17)
Velmi často se v dnešní době využívá nestejnoměrný průměr jádra frézovacího nástroje. Velký průměr jádra u stopky nástroje přestavuje vysokou tuhost nástroje a hluboké drážky na čele umožňují vysoký úběr materiálu.
Obr. 4.8 Nerovnoměrné dělení břitu nástroje (17)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 48
Jednou z dalších možností snižování nákladů při vlastním obrábění je použití frézy s VBD a s výměnnými podložkami. Tyto podložky jsou ocelové a povrchově kaleny. Při těžkém hrubování se stává, že v průběhu obrábění dojde k prasknutí VBD a následnému poškození nejen VBD a upínacího šroubu, ale i tělesa frézy, což je nejdražší část nástroje. Tomu zabraňuje právě použití houževnaté, povrchově kalené podložky. Ta vstřebá energii prasklé VBD a obráběného materiálu, případně upínacího šroubu. Úspora nákladů při opravě je značná, neboť není třeba měnit těleso frézy za nové, nýbrž stačí vyměnit podložku, upínací šroub a závitové pouzdro a vložit novou VBD. (40)
Obr.4.9 Fréza s kruhovými VBD a výměnnou podložkou (40)
Mikrofrézy Tvary, které je potřeba obrobit jsou stále složitější, komplikovanější a některé dokonce s velmi jemným členěním. Právě pro tyto aplikace jsou určeny frézovací nástroje s mimiaturním průměrem, kam se frézy standardních rozměrů nedostanou. Vývoj obráběcích strojů a především jejich možnosti použití vysokých otáček dovoluje využití těchto nástrojů, nahrazující pomalou a tím i drahou elektroerozi. S těmito nástroji se musí zacházet obzvlášť opatrně, protože díky velmi malému průměru je možnost jejich poškození mnohem vyšší, než u standardních velikostí. Nabízené velikosti průměrů jsou v rozmezí 0,2mm až 3mm.
Obr.4.10 Řada mikrofréz v porovnání s velikostí sirky (42)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 49
4.2 Řezné materiály V tomto směru se jednotlivý výrobci snaží spíše než vynalézt nový druh řezného materiálu, tak vylepšovat a zdokonalovat ty stávající. Jedná se především o zjemňování struktury karbidů a nové druhy povlaků odolnější vůči vysokým teplotám které vznikají při vysokorychlostním obrábění, které je v dnešní době nejvíce prosazováno. Diborid rhénia Vědci z Kalifornské university v Los Angeles se rozhodli překonat tvrdost diamantu za použití kovů, které prokazují minimální stlačitelnost, ale jsou měkké, a ty potom zpevnit vytvořením kovalentních vazeb. Nadějné výsledky dosáhli použitím diboridu rhénia. Tento materiál nevyžaduje žádné extrémní podmínky pro výrobu. Stačí spolu roztavit bórový a rhéniový prášek a nechat směsí procházet proud, při kterém z práškového materiálu vzniká kompaktní materiál. Tím by jeho výroba mohla být oproti konkurenčním řešením výrazně levnější. Nemá problém ani při řezání oceli. Tento materiál by měl mít vyšší tvrdost než diamant, ale k jeho nahrazení povede ještě dlouhá cesta. (20)
4.3 Metody obrábění V dnešní době je díky pětiosému způsobu obrábění možno natočit stůl, nebo nástroj pod určitým úhlem tak, aby při dokončovacích operacích neobráběl čelem, kde je nulová řezná rychlost, ale hranou s určitou řeznou rychlostí. Je to výkonnější a prodlouží se tak životnost nástroje. Podle (41) je doporučeno naklonění nástroje pod úhlem 15°. Což je vidět na obr. 4.11
a)
b)
Obr.4.11 Naklonění nástroje při obrábění (41) a) Příznivé profilování b) Nepříznivé profilování
Dalšímu snížení opotřebení nástroje pomůže nahrazení metody zapouštění metodou zpětného frézování, kde se též neobrábí špičkou čela nástroje s nulovou řeznou rychlostí.
a)
b)
Obr.4.12 Směr pohybu nástroje při frézování nakloněných stěn obrobku (41) a) Příznivé zpětné frézování b) Nepříznivé zapouštění
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 50
4.3.1 Vysoce výkonné obrábění HPC (High Performance Cutting) Tato metoda se praktikuje zhruba od roku 2001. Při této metodě obrábění jde především o to, obrobit při středních řezných rychlostech a velkých hloubkách záběru co možná nejvíce materiálu v nejkratším možném čase. Důležitý faktor při HPC obrábění představuje stroj. Ten musí být dostatečně stabilní s dobrou dynamikou a hlavně reservou výkonu vřetene. (21) Cílem je zvýšení objemu odebraných třísek i na současné generaci strojů. Vlastnosti fréz HPC Jako základní substrát slouží velmi houževnatý slinutý karbid s nejjemnějším zrnem. Vysoká stabilita řezných hran je pro silné namáhání stejně nezbytná jako velké prostory k odvádění velkého objemu třísek. Nestejná rozteč zubů a nestejnoměrné stoupání šroubovice zaručují velice klidný chod. (21) Oproti standardnímu obrábění je čas frézování až 4 krát kratší. (21) 4.3.2 Vysokorychlostní obrábění HSC (High Speed Cutting) Zvýšením řezné rychlosti a s tím spojeným možným nárůstem rychlostí posuvu se dosáhne hlavního cíle, značného zvýšení objemu třísek za jednotku času, resp. snížení hlavního času. Kromě toho se vysokým počtem otáček vřetena sníží jeho kmity, což umožňuje bezproblémovější obrábění obrobků citlivých na kmitání. Protože zejména u materiálu s vyšší pevností přetvárný odpor se stoupající řeznou rychlostí přibývá, musí být mechanické zatížení břitů sníženo redukcí přísuvu a posuvu na zub. Obecně platí zásada, že čím je volená řezná rychlost vyšší, tím nižší má být přísuv. (10) Šířka záběru do obrobku je menší než 20% průměru nástroje. Při krátkém oblouku záběru do obrobku se nepřenáší tolik tepla do nástroje a do obrobku jak je tomu při běžných způsobech frézování. Díky menším hodnotám šířky záběru se udržuje malá tloušťka třísky, což umožňuje využívat vyšších rychlostí posuvu. (3)
a)
b) Obr.4.13 Šířka záběru při obrábění (3) a) metodou HSC b) konvenčním způsobem
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 51
Masivní zvýšení řezné rychlosti vede k silnému nárůstu teploty v oblasti řezu, což má z následek snížení koeficientu tření mezi nástrojem a obrobkem. Tím je redukováno tření čelní plochy a pěchování třísky, v důsledku čehož dochází ke změně tvorby a odchodu třísek. (10) To je vidět na následujícím obr. 4.14
Obr.4.14 Změna vzniku třísek u HSC obrábění (10)
Změna tvorby a odchodu třísek ovlivňuje úbytek řezných sil, což se opět projevuje zvýšením rozměrové přesnosti a lepší jakostí povrchu. Umožňuje obrábění tenkostěnných součástí a snižuje mechanické zatížení stroje. Kromě toho je teplo vznikající při třískovém obrábění odváděno třískami, takže se docílí snížení ohřevu obrobku a tím se zlepší přesnost rozměrů. (10) Obecná charakteristika (10, 17): • vysoká řezná rychlost (5 – 10x než u klasických metod) • vysoká rychlost posuvu • snížení řezných sil pro přesnější tvary obrobků • odstranění náročných ručních operací, případně elektrometod, lepší kvalitou povrchu a přesnějším tvarem • nárůst teploty v místě řezu → úbytek řezných sil • menší ohřev výrobku (změna poměrů tvorby třísky) • zvýšené opotřebení nástroje Využití HSC vede k vyšší produktivitě, daleko vyšší kvalitě povrchu a k vyšší rozměrové přesnosti. Proto se stále více využívá při náročném tvarování.
FSI VUT
5
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 52
UPÍNÁNÍ NÁSTROJŮ
5.1 Způsoby upínání fréz Válcové stopky Doporučeno pro použití s přesnými sklíčidly pro nejlepší stabilitu a přesnost. K dispozici jsou i zvlášť dlouhé nástroje. Weldon Tradičně zavedený držák nástroje, ale nedoporučuje se, pokud jde o produktivitu a přesnost. Trn Tradičně zavedený držák nástroje a jediné řešení pro frézy o velkém průměru. Zajišťuje dobrou stabilitu pro vysokou produktivitu. Spojka se závitem Modulární systém s výměnnými řeznými hranami. Řešení pro tlumené nástroje a adaptéry s karbidovou stopkou pro velká vyložení nástroje.
5.2 Upínače 5.2.1 Weldon Levné a snadno použitelné, ale nepřesnost díky obvodovému házení a nižší tuhosti. (1) Díky upínací plošce DIN 6535 umístěné na stopce jsou bezpečným upínacím prostředkem, které brání vytažení frézy hlavně při frézování metodou HPC a jiných velkých úběrech materiálu. Nevýhoda nedokonalého vyvážení způsobené ploškou na stopce je při větších průměrech fréz zanedbatelná, protože se nepoužívají tak vysoké otáčky. (21) Správné upnutí ve Weldon upínacím pouzdře Důležité při upínání v těchto sklíčidlech je, aby po zasunutí stopky do upínače přiléhal upínací šroub nejdřív jen na plošku. Potom se nástroj povytáhne, aby šroub doléhal na zkosení upínací plošky. Když se nyní utáhne upínací šroub, nelze již nástroj vytáhnout. (21)
Obr. 5.1 Upnutí v pouzdře Weldon (21)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 53
5.2.2 Kleštinový upínač Upínací síla vzniká plastickou deformací tenkostěnného upínacího pouzdra [1] s pozvolným kuželem na povrchu (1°) a se šroubovitou drážkou [3] uvnitř upínacího otvoru. Upínací síla se vyvodí otáčením matice [2]. Pozvolný kužel upínacího pouzdra [1] a úhlová pozice jehlových ložisek [4] umístěných v kleci vyvine axiální posun upínací matice [2] s velmi nízkým třecím odporem. (7) Tento upínací mechanismus eliminuje případný axiální posun stopky nástroje během upínání a zjednodušuje proces ustavení nástroje. Maximální házivost při vyložení 100mm je 0,01mm. (7)
Obr. 5.2 Kleštinový upínač (7)
5.2.3 Hydraulické upínače Hydraulické upínače nabízí až 3 krát větší upínací sílu než běžná sklíčidla. Do všech sklíčidel – s výjimkou tužkových sklíčidel pro stopky s průměrem 6mm lze upnout jakýkoliv typ válcové stopky. Pro upnutí do sklíčidla musí mít stopka čistě válcový tvar, jinak může dojít k poškození upínacího mechanismu. (26)
Obr. 5.3 Schéma hydraulického upínacího trnu (27)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 54
Rozpínací trny Hydraulické rozpínací trny umožňují dokonale přesné souosé upnutí nástroje většího průměru, což vede k eliminaci jeho házení v radiálním směru. (26)
Obr. 5.4 Schéma hydraulického rozpínacího trnu (26)
5.2.4 Tepelně smrštitelná pouzdra Jde o jedno z nejkvalitnějších a nejpřesnějších způsobů upnutí monolitních stopkových fréz a prodlužovacích adaptérů vyrobených ze slinutého karbidu.(1) Tepelné smrštění a upínání pracuje na principu rozdílné teplotní roztažnosti oceli (12μm.°C-1) a slinutého karbidu (6μm.°C-1). Jeho použití je tedy omezeno převážně pro nástroje ze slinutého karbidu. (Ikdyž při vysokých rychlostech ohřátí upínače, kdy nástroj z nástrojové oceli zůstane chladný, lze upínat i tyto materiály). Kombinace vysoké přesnosti obvodového házení (udává se do 3μm), optimální tuhosti a štíhlosti konstrukce je dosahováno tepelným smrštěním, což kompenzuje delší čas potřebný na ohřev a nutnou opatrnější manipulaci s nástrojem. (1) Volné chladnutí pouzdra trvá přibližně 30 min a ke zkrácení tohoto času, přibližně na 10 min, se dá použít chladícího zařízení pracujícího na principu ofukování nástroje tlakovým vzduchem z továrního, centrálního rozvodu. (1) V dnešní době se s tepelnými upínači dodává i spousta druhů ochlazovacích zařízení, které výrazně snižují dobu chladnutí upínače řádově na pár minut. Nyní patří tento druh upínání mezi velmi využívané především díky přesnému a spolehlivému upnutí a tím možnosti použití vysokých řezných rychlostí.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
a)
List 55
b) Obr. 5.5 Tepelný upínač (7) a) pohled na upínač b) řez upínačem
Tab. 5.1 Porovnání jednotlivých upínačů z hlediska radiální házivosti. (28) Typ upínače Radiální házivost nástroje ve vzdálenosti 3xd [µm]
WELDON 10 - 20
Kleštinový kleština typu kleština typu ER ER - EP max. 40
Pozn.: d je průměr upínací části nástroje.
max. 20
Hydraulický Tepelný max. 3
max. 3
FSI VUT
6
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 56
PROVEDENÉ TESTY
6.1 Test č. 1 Popis obrábění: Datum: Stroj: Stav stroje: Obrobek: Materiál bloku
Frézování bloku tvar plastová forma 24. 10. 2007 vertikální frézka Droopen rein dobrý, rok výroby 1995 blok 1000x1600x500 1.2312 (ČSN 19 520)
Tab. 6.1 Tabulka parametrů (33) fréza Pokolm D=8O/7R8 6 břitá průměr (mm) 80 počet zubů 6 destička Pokolm 0416 842 chlazení vzduch řezné podmínky otáčky n (min-1) 710 -1 řezná rychlost vc (min ) 180 posuv na zub fz (mm.z-1) 0,17 rychlost posuvu vf (mm.z-1) 2000 hloubka řezu ap (mm) 3 šířka záběru ae/D (%) 65 vyhodnocení testu 1,25 čas v řezu na 1 otočení VBD (hod) celkový čas v řezu (hod) 16 nástroj
fréza Pokolm D=8O/7R8 6 břitá 80 6 Hitaschi 1604 vzduch 710 180 0,17 2000 3 65 1,75 16
Celkové hodnocení: Tab. 6.2 Vyhodnocení (33) VBD 16 842 TB 6045
výrobce cena spotřeba úspora za rok Pokolm 121 Kč 2600-3000 ks Hitaschi 79 Kč 2600-3000 ks až 126 000 Kč
Klasické frézování bloku mat. 1.2312, frézování bez problému. VBD Hitaschi delší životnost a podstatně nižší pořizovací cena. Doporučeno při zkouškách pokračovat, případně přejít na VBD Hitaschi. (33) Poznámka: Byly provedeny další srovnávací testy, které vyšly podobně jako výše uvedený test. Přechod na VBD Hitaschi TB 6045 byl uskutečněn a dnes se ve firmě Rieter Hnátnice používají a z části nahradily destičky Pokolm 0416 842, které se zase osvědčily jako lepší na aplikace, kde jsou zapotřebí malinko houževnatější destičky.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 57
6.2 Test č. 2 Popis obrábění: Datum: Obrobek: Materiál bloku
Frézování bloku tvar plastová forma 18. 01. 2008 blok 1500x500x450 1.1730 (ČSN 19 083)
Tab. 6.3 Výsledky firmy DEPO (34) strategie hrubování dohrubování výběhy hrub. dokonč. výběh dokonč. optimalizace zbytkový mat. kapsy
dokončování
celkový čas obr.
nástroj [mm] Ø80R8 Ø35R6 Ø16R1 Ø32R8 Ø32R8 Ø32R8 Ø32R8 Ø16R1 Ø16R1 Ø20R3,5 Ø12R2 Ø8R4 Ø6R3 Ø3R1,5 Ø10R0 -
čas [hod:min] 2:00 3:25 1:30 1:55 0:45 0:35 0:25 0:02 1:30 0:15 13:05 1:15 0:53 0:03 0:11 1:17 29:06
posuv. rychlost [mm.min-1] 2200 2500 3200 2500 4000 3500 3500 3500 3000 3000 3000 2250 1750 1350 1150 2250
otáčky [ot.min-1] 720 720 1800 4000 2000 2200 2200 2200 4300 4300 3900 6000 9000 12000 12000 7500
-
-
Tab. 6.4 Výsledky firmy RIETER (34) strategie hrubování hrub. Z. konstant. dokonč. hrubování
zbytkový mat.
Z - konstant. rovin. plochy dokončování celkový čas obr.
nástroj [mm] Ø80R8 Ø52R8 Ø24R6 Ø16R2
čas [hod:min] 4:36 1:10 0:50 0:15
Ø32R16 Ø16R8 Ø10R5 Ø10R5 Ø10R5 Ø6R3 Ø6R3 Ø10R0 Ø10R0 Ø16R8
1:30 0:55 0:45 0:20 0:05 0:15 0:05 0:15 0:05 3:30
-
14:36
posuv. rychlost otáčky [mm.min-1] [ot.min-1] 2655 650 5000 1200 4500 4500 3500 4000 5000 4500 3500 3500 3500 2655 2655 3500 3500 4500 -
3200 7500 9000 9000 9000 12000 12000 9000 9000 7500 -
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 58
V uvedené zkoušce šlo o porovnání časů obrábění nových frézovacích destiček firmy DEPO a jejich vlastního frézovacího softwaru DEPO–CAM s doposud užívanými destičkami Hitaschi (hrubování) a Pokolm (dokončování) a frézovacím softwarem WorkNC. Porovnávání probíhalo na totožných dílech s tím rozdílem, že firma DEPO prováděla test na formě pro pravou část výlisku (obr. 6.1) a firma Rieter pro část levou (obr. 6.2), tedy zrcadlově otočené. Pro představu je přiložena i fotografie formy pro pravou část výlisku obrobené firmou DEPO (obr.6.3). Celkové hodnocení: Frézování probíhalo bez problémů. Spotřeba frézovacích destiček byla podobná, jak u firmy DEPO, tak u firmy Rieter. Zkouška byla zaměřena především na srovnání obráběcích časů různých technologií. Jak je vidět ze srovnávacích tabulek (tab. 6.3 a tab. 6.4), doposud užívaná technologie se softwarem WorkNC se jeví jako lepší a výhodnější. Celkový čas obrábění je dokonce nižší jak poloviční. Výsledné časy jsou ovlivněny především parametry řezných podmínek a volbou strategie obrábění. Z tab. 6.3 a 6.4 je zřejmé, že firma Rieter používá vyšší řezné podmínky. I strategie jsou odlišné. Zatímco firma DEPO u dokončovací operace provádí nejdříve dokončení na čisto a poté odstranění různých zbytkových materiálů, tak firma Rieter odstraní přebytečný materiál s určitým přídavkem na všech místech a dokončovací obrábění na čisto pak provede po celé formě. Je to určitě výhodnější z hlediska viditelnosti přechodů, jednotlivých na sebe navazujících operací na povrchu obráběného materiálu. Také typy nástrojů se poměrně liší. Zatímco firma DEPO používá na tvarové plochy převážně toroidní nástroje, tak firma Rieter dává přednost kulovým nástrojům. To se pak může projevit i v nastavené velikosti kroku při frézování.
Obr. 6.1 Forma pro pravou část dílu (34)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Obr. 6.2 Forma pro levou část dílu (34)
Obr. 6.3 Foto formy pro pravou část dílu po obrobení (34)
List 59
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 60
6.3 Test č. 3 Popis obrábění: Datum: Stroj:
Stav stroje: Obrobek: Materiál bloku Chlazení
Frézování bloku tvar dutá forma 17. 4. 2008 a 24. 4. 2008 vertikální frézka Cincinnati Arrow 1000, rozsah otáček 0 - 12 000 ot. výkon 12,0 kW (stálý), 18,5 kW (špička) dobrý, rok výroby 1997 blok 130x130x45 ČSN 19 313 stlačený vzduch
V provedeném testu šlo o porovnání frézovacích nástrojů pro obrábění dutiny formy. Přehled nástrojů a použitých řezných podmínek je uvedeno v tab. 6.5 a tab. 6.6 Kompletní seřizovací listy jsou přiloženy v příloze 1. Tab. 6.5 Použité nástroje nástrojový držák hrubování I. Forma (současný dohrubování trend) na čisto II. Forma hrubování dohrubování (starší metoda) na čisto
použitá destička
ISCAR H490 F90AX D040-3-16-17 ISCAR H490 ANKX 1706R15T-FF INGERSOLL 15B2GO35043X8R00 M16 ISCAR RHKW 1003 MOTN IN 2004 ISCAR MMS-AL090-C12-T08 ISCAR MMETR 120A07R ISCAR F9OAP-D40-5-22
ISCAR HM90 APKT1003 PDR
NEUVEDENO
FETTE art. Nr. 1069722
NEUVEDENO
FETTE art. Nr. 1069722
Tab. 6.6 Řezné podmínky a časy řezu
I. Forma (současný trend) II. Forma (starší metoda)
hrubování dohrubování na čisto čas celkový hrubování dohrubování na čisto čas celkový
otáčky posuv hloubka řezu [ot.min-1] [mm.min-1] [mm] 1364 6800 0,7 2000 3600 0,7 6600 4500 0,2 1273 1150 1,5 3437 1350 0,9 3437 1350 0,35 -
čas řezu čas skutečný [min] [min] 02:43 06:01 03:48 03:57 16:09 16:29 26:37 22:40 09:57 11:31 08:38 08:55 33:20 36:53 51:55 57:19
Poznámka: Při obrábění II. Formy (starší metoda) byly na stroji u operací dohrubování a obráběním načisto nastaveny otáčky a posuv na 150%. Proto přepočítané hodnoty v tab. 6.6 neodpovídají hodnotám v příloze 1. Celkové hodnocení: Obráběný materiál s tvrdostí 36HRC se nejdříve obráběl nahrubo s přídavkem 0,2mm na dokončení. Frézování probíhalo bez problému. Nástroje současného trendu nejevili žádné známky opotřebení a chod byl klidný. Při obrábění starší metodou byly slyšet mírné vibrace. Bylo by lepší použít chlazení vodou, ale z důvodu sledování průběhu testu byl použit vzduch. Z tab. 6.6 jsou vidět časy jednotlivých operací. Je patrné že u
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 61
modernějších nástrojů lze použít vyšší řezné podmínky a tím výrazně zkrátit čas operace i o více jak polovinu. Skutečný čas obrábění je o něco vyšší než čas spočítaný programem WorkNC z důvodu nastavení vyšších posuvových rychlostí a horší dynamiky stroje, kdy stroj musel v rozích více zpomalovat. Na následujícím obr. 6.4 je přiložena fotografie obrobené formy a na obr. 6.5 jsou vidět rozdílné tvary třísek z hrubování. Při obrábění metodou současného trendu jsou třísky spíše loupány, kdežto u starší metody jsou tvářeny.
Obr. 6.4 Foto formy z testu č.3
a)
b) Obr. 6.4 Tvar třísek po hrubování formy u testu č.3 a) při obrábění současnou metodou b) při obrábění starší metodou
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 62
ZÁVĚR Frézování zůstane i nadále nejčastěji užívanou metodou obrábění tvarových dutin forem. Začnou se čím dál více využívat moderní metody frézování jako je především vysokorychlostní obrábění, které postupně nahrazuje obrábění elektroerozí. Díky velmi malým průměrům fréz (menším i jak 1mm) jsou tyto nástroje schopny vytvářet i velmi jemný a různě členitý povrch, jaký byl dříve dosažitelný pouze metodou elektroerozivního hloubení. I přes hlavní nevýhodu elektroeroze kterou je dlouhá a tím i drahá doba procesu zůstane tato metoda dále využívaná především pro obrábění ostrých hran a přechodů vnitřních dutin, které frézováním nelze obrobit. V současné době bude mít elektroeroze i nadále své místo ve většině firem zabývajících se výrobou forem, ale využití již zdaleka nebude tak vysoké, jaké bylo v minulosti. Postupně ji nahrazují a vytlačují ekonomičtější progresivní metody frézování, jakými je například již zmiňované vysokorychlostní obrábění, na které se výrobci nástrojů nyní nejvíce zaměřují. Zde jsou také upravovány geometrie pro snížení vibrací, řezných odporů a tím i opotřebení nástroje, což má za následek prodloužení jeho životnosti. Zvýšení tuhosti nástroje vede také ke zpřesnění výroby. Z hlediska výrobců je složité říci, který je nejlepší. Každý má své detaily, patenty a drobnostní odlišnosti, ale všeobecně je možno konstatovat, že jejich výrobky a geometrie jsou podobné, nebo alespoň založené na stejném principu. Je zde také snaha o vytvoření universálního a všestranného nástroje který bude možno využívat pro co nejvíce druhů obráběcích operací, obráběných materiálů a ve velkém rozsahu řezných podmínek. To vše z důvodu drahého skladování různých druhů nástrojů. Co se týče řezných materiálů, zdá se, že v blízké budoucnosti žádný nový vynalezen nebude. Ikdyž neustále probíhají výzkumy v různých laboratořích a hranice výroby nových materiálů nejsou ještě zdaleka zcela prozkoumány. Výrobci se snaží spíše zdokonalovat ty stávající především zjemňováním struktury zrna a zdokonalováním nejen metod povlakování, ale i samotných druhů povlaků nanášených na nástroj. Nejpoužívanějším řezným materiálem zůstanou pravděpodobně i nadále slinuté karbidy. Do popředí se též dostávají cermety díky jejich vhodnosti pro obrábění vysokými řeznými rychlostmi. Polykrystalický kubický nitrid bóru a polykrystalický diamant budou mít dále použití při speciálních případech obrábění, jako je frézování těžko obrobitelných materiálů (např. titanu, hliníku, mědi a jejích slitin). Z výše uvedených testů je též patrné, že výrazný vliv na opotřebení a především na čas obrábění mají kromě volby nástroje také správný výběr strategie obrábění. Ta může výrazně zlevnit výrobu o nemalé částky, neboť hodina strojní práce stále činí nejvyšší část z celkových nákladů na výrobu.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 63
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. EMUGE FRANKEN.Technologie frézování: Frézovací nástroje pro obrábění forem a zápustek. EMUGE FRANKEN ZP9010CZ 2. SANDVIK COROMANT. Technická příručka obrábění. AB Sandvik Coromant 2005.10 3. SANDVIK COROMANT. Metody frézování. AB Sandvik Coromant 2007.11 4. OSIČKA, K. Nekonvenční metody. [přenášky listopad 2006]. 5. MAŇKOVÁ, I. Progresívné technologie, 1.vyd. Košice: Vienala, 2000. 275 s. ISBN 80-7099-430-4. 6. POSLUŠNÝ, P. Elekroerozivní obrábění. [online]. c 2007, [cit. 2008-0422]. Dostupné z:
. 7. ISCAR. Iscar upgrade.[CD]. 2006. 8. ISCAR. New products katalog. ISCAR LTD 10/2007 9. ISCAR. Nová technologie pro produktivní obrábění. [online]. c 2007, [cit. 2008-02-26]. Dostupné z: . 10. KOCMAN, K. Speciální technologie obrábění, 3. přepracované a doplněné vydání Brno: CERM, 2004. 227 s. ISBN 80-214-2562-8. 11. HUMÁR, A. Slinuté Karbidy a Řezná Keramika pro obrábění. první vyd. Brno: CCB, 1995. 265 s. ISBN 80-85825-10-4. 12. SEMACO. Progresivní obrábění: Kurz frézování. Jeseník: SEMACO. 40 s. 13. ISCAR. ISCAR´s Solutions for the Die and mold Industrie. ISCAR LTD. 10/2007 14. PRÁŠIL, T. Výkonné frézování nerezavějících, žáropevných a žáruvzdorných ocelí. [online]. c 2008, [cit. 2008-03-31]. Dostupné z: . 15. POKOLM. Slotworx. 0601 CJ 060201. [pdf] 16. POKOLM. Quadworkx CJ 061208. [pdf] 17. EMUGE FRANKEN. Školení Franken. [pdf]. Brno 06. 2006 18. EMUGE FRANKEN. Nový program nástrojů s VBD 2008 cz. [pdf]. Brno 2008 19. SANDVIK COROMANT. Metalworking world: Časopis pro obchod a technologii od společnosti SANDVIK Coromant. AB Sandvik Coromant 2007.3. 35 s. 20. HOUSER, P. Diborid rhenia proti diamantu. [online]. c 2007, [cit. 2008-0312]. Dostupné z: . 21. WNT. Aplikace a tipy pro nejlepší výsledky v praxi při HPC FRÉZOVÁNÍ. WNT Česká republika - s.r.o. Pod Hradbami 2002/1 594 01 Velké Meziříčí 09/2007 – 99 051 330 22. WALTER. Tiger-tec: Obrábění je minulost. Tygr je budoucnost. Czech Republic: CHAS 9/2006 23. PROTOTYP. PROTOSTAR FLASH: Vysoce výkonné karbidové frézy s patentovanou geometrií čela pro extrémní posuvy. 5LP0115CZ
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 64
24. PROTOTYP. Tvrdí hoši - frézovací nástroje ze slinutého karbidu: Rychlé a ekonomické frézování s maximálním úběrem materiálu. Yupanqui a Riedle. 5LP0004CZ 25. ISCAR. Sumo Tec 3P. [interactive DVD]. Member IMC Group. 11/2007. 7860882 26. SANDVIK COROMANT. Hlavní katalog. Švédsko: Elanders. 2007. C2900:6. CZE/01 27. HOFFMANN GROUP. Vedoucí evropský systémový partner pro kvalitní nářadí. 2007/2008 28. PRAMET TOOLS . Upínače rotačních nástrojů. PR rev. 01/2007 29. ISCAR. Nové nástroje pro produktivní obrábění. [online]. c 2008, [cit. 2008-03-03]. Dostupné z: . 30. PRAMET TOOLS. Nová generace řezných materiálů pro frézování. [online]. c 2007, [cit. 2008-03-03]. Dostupné z: . 31. ISCAR.Drop Mill. [online]. c 2008, [cit. 2008-04-22]. Dostupné z: . 32. SANDVIK COROMANT. Die and Mould Academy: Sandvik Coromant training programme. [DVD], SiteSign. 2004. C-2948:048/1 33. RIETER. Protokol o provedení testu, Hnátnice: Rieter. 2008 34. RIETER. Záznam o zkoušce. Hnátnice: Rieter. 2008 35. KOCMAN, K. Speciální technologie obrábění. [přednášky únor 2008]. 36. PACAL, B. Nauka o materiálu II. [přednášky prosinec 2004] 37. SEMACO. Základy strojírenské technologie. [pdf] 38. TGS. Nástroje: frézování: Hitachi. [online]. c 2006, [cit. 2008-05-12 ]. Dostupné z: 39. ŘASA, J. KEREČANINOVÁ, Z. Nekonvenční metody obrábění. [online]. c 2007, [cit. 2008-05-16]. Dostupné z: 40. PRÁŠIL, T. Nástroje pro vysokorychlostní a vysokoposuvové frézování. [online]. c 2007, [cit. 2008-05-15]. Dostupné z: 41. ISCAR. Kompletní přehled nástrojů pro obrábění. Israel: ISCAR LTD 2006 42. SPEZIAL ELECTRONIC. Speciální nástroje LPKF. [oline]. c 2008, [cit. 2008-05-15]. Dostupné z:
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 65
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka/Symbol SK E VBD ap ae fz s F κ hex Dielektrikum VE VM mV Ev Lh Lb Uz C l
Jednotka kN.mm-2 mm mm mm mm N ° mm mm3 mm3 % mm mm mm V F mm
D
mm
l1
mm
NO HRC ČSN DIN legura whiskery
HRC -
abraze KNB PKNB PD CVD PVD HV d1 R Rf Xf
HV mm mm mm mm
HPC
-
Popis Slinutý karbid Modul pružnosti Vyměnitelná břitová destička Hloubka řezu Šířka záběru Posuv na zub Rozteč mezi dvěmi dráhami Řezná síla Úhel nastavení hlavního ostří Maximální tloušťka třísky Kapalné médium potřebné pro elektroerozi Objem úbytku elektrody Objem úbytku obráběného materiálu Relativní opotřebení nástrojové elektrody Délka opotřebení hrotu elektrody Délka opotřebení hrany elektrody Délka opotřebení boční strany Napětí zdroje Kapacita Mezera mezi elektrodou a obrobkem Průměr odtavených částeček materiálu při elektroerozi Minimální vzdálenost k přeskoku jiskry při elektroerozi Nástrojová ocel Jednotka tvrdosti podle Rockwella Česká strojní norma Německá strojní norma Přísadový prvek Vyztužující vlákna přidávaná do keramických materiálů otěr Kubický nitrid bóru Polykrystalický kubický nitrid bóru Polykrystalický diamant Chemický proces povlakování Tlakový proces povlakování Jednotka tvrdosti podle Vickerse Průměr frézovacího nástroje Poloměr zaoblení hrany nástroje Poloměr zaoblení nástroje na čele Vzdálenost středu poloměru zaoblení nástroje od osy nástroje Vysoce výkonné obrábění
FSI VUT
HSC vc vf β Ra
DIPLOMOVÁ PRÁCE
m.min-1 mm.min-1 ° μm
Vysokorychlostní obrábění Řezná rychlost Posunová rychlost Úhel střižné roviny Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu
List 66
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Příloha 2 Příloha 3 Příloha 4
Seřizovací listy pro jednotlivé operace k testu č. 3 Výkres výrobku k testu č. 3 Použité nástroje u testu č. 3 (současný trend) Použité nástroje u testu č. 3 (starší metoda)
List 67
