FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 4
ABSTRAKT Tato diplomová práce je rozdělena do dvou částí. Teoretická část se zabývá druhy frézování, volbou frézovacích nástrojů, volbou materiálu vyměnitelných břitových destiček a taktéž druhy opotřebení a jejich klasifikací. Druhá část této práce je zaměřena na experiment, ve kterém bylo měřeno silové zatížení nástrojů. Naměřené hodnoty byly dále vyhodnoceny a pomocí softwaru sestrojeny grafy silových zatížení, ze kterých se vyvodily závěry. Klíčová slova Fréza, opotřebení řezných nástrojů, trvanlivost, silová analýza, stopkové frézy.
ABSTRACT The presented diploma thesis is devided into two parts. The theoretical part deals with types of milling, the choice of the cutters, choice of material of exchangeable cutting plates and also with types of wear and their classification. The second part of the thesis deals with experiments where the power load of the tool was measured. The observed data were processed and graphs of power load were created by software. Conclusions are based on these graphs. Key words Milling cutter, wear of cutting tools, tool life, force analysis, shank mill.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE NĚMEČEK, Lukáš. Analýza řezivosti fréz pro zvolenou aplikaci. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 68s., 0 příloh. Vedoucí diplomové práce prof. Ing. Miroslav Píška, CSc.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 5
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Analýza řezivosti fréz pro zvolenou aplikaci vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.
Datum: 25.5.2011
…………………………………. Bc. Lukáš Němeček
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 6
Poděkování
Děkuji tímto prof. Ing. Miroslavu Píškovi, CSc. za cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce. Současně bych rád poděkoval Ing. Janu Vostřelovi a Ing. Františku Schossmeierovi z firmy S&K TOOLS spol. s r.o. za odborné rady a informace a taktéž celé své rodině za jejich podporu v průběhu studia.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 7
OBSAH Abstrakt ............................................................................................................. 4 Prohlášení ......................................................................................................... 5 Poděkování ....................................................................................................... 6 Obsah ............................................................................................................... 7 Úvod ................................................................................................................. 9 1 ROZBOR PROBLEMATIKY ....................................................................... 10 1.1 Frézování ......................................................................................... 10 1.1.1 Druhy frézování ......................................................................... 10 1.2 Volba frézovacího nástroje ............................................................... 12 1.2.1 Typy frézovacích operací ........................................................... 12 1.2.2 Rozteč frézy ............................................................................... 17 1.2.3 Upnutí frézy ............................................................................... 17 1.2.4 Volba geometrie nástroje a VBD................................................ 20 1.2.5 Volba materiálu VBD.................................................................. 23 1.3 Opotřebení vyměnitelných břitových destiček .................................. 26 1.3.1 Abrazivní opotřebení .................................................................. 26 1.3.2 Adhezní opotřebení ................................................................... 27 1.3.3 Difuzní a oxidační opotřebení .................................................... 28 1.4 Popis typů opotřebení ...................................................................... 29 1.4.1 Tvorba nárůstku ......................................................................... 29 1.4.2 Opotřebení hřbetu ...................................................................... 29 1.4.3 Výmol na čele ............................................................................ 30 1.4.4 Oxidační rýha na vedlejším břitu ................................................ 30 1.4.5 Plastická deformace špičky........................................................ 30 1.4.6 Vrubové opotřebení na hlavním břitu ......................................... 31 1.4.7 Křehké porušování řezné hrany ................................................. 31 1.4.8 Porušování řezné hrany (mimo záběr) ....................................... 31 1.4.9 Hřebenovité trhliny ..................................................................... 32 1.4.10 Únavové trhliny podél hřbetu ..................................................... 32 1.4.11 Destrukce břitu resp. špičky nástroje ......................................... 32 2 INTEGRACE POZNATKŮ .......................................................................... 35 2.1 Teoretický výpočet zatížení při hrubování ........................................ 35 2.1.1 Výpočet z pohledu symetrického frézování................................ 38 2.1.2 Výpočet z pohledu asymetrického frézování.............................. 40 2.2 Obráběný materiál............................................................................ 44 2.3 Charakteristika nástrojů ................................................................... 44 2.4 Upnutí nástrojů ................................................................................. 46 2.5 Obráběcí stroj................................................................................... 47 2.6 Řezné podmínky .............................................................................. 48 2.7 Měřící zařízení ................................................................................. 49 2.8 Měření jakosti obrobené plochy ....................................................... 49 2.9 Mikroskop ......................................................................................... 50 2.10 Analýza naměřených hodnot ............................................................ 51 2.11 Cíl Experimentu................................................................................ 52 2.12 Popis experimentu ........................................................................... 52 3 VERIFIKACE POZNATKŮ .......................................................................... 53 3.1 Grafy silových průběhů při symetrickém frézování (hrubování)........ 53
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 8
3.2 Grafy silových průběhů při asymetrickém frézování (hrubování)...... 54 3.3 Grafy silových průběhů při symetrickém frézování (dokončování) ... 55 3.4 Grafy silových průběhů při asymetrickém frézování (dokončování) . 57 3.5 Analýza jakosti obrobené plochy ...................................................... 59 4 DISKUZE .................................................................................................... 63 4.1 Rozbor průběhu sil a opotřebení při obrábění .................................. 63 Závěr ............................................................................................................... 64 Seznam použitých zdrojů ................................................................................ 65 Seznam použitých zkratek a symbolů ............................................................. 67
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 9
ÚVOD Každý průmyslový podnik, ve kterém se využívají řezné nástroje, by měl dbát na jeho správnou volbu. Na trhu je velký sortiment řezných nástrojů z nejrůznějších materiálů - od nástrojových ocelí, cermetů, keramiky, slinutých karbidů po super tvrdé materiály. Volba správného řezného nástroje v kombinaci s vhodnými řeznými podmínkami by měla mít za následek snížení nákladů a zvýšení produktivity. Dále je důležité při volbě nástroje zvolit správnou geometrii, způsob upínaní, tvar vyměnitelné břitové destičky. Trendem v oblasti vývoje nástrojů je přibližovat se k ideálnímu řeznému nástroji, který by měl mít vysokou tepelnou stabilitu, otěruvzdornost a který by měl být velmi houževnatý. Každý z uvedených materiálů má své specifické vlastnosti. V tomto pohledu je nejrozšířenější slinutý karbid díky své kombinaci výše uvedených vlastností. Z pohledu nákladů na řezné kapaliny je zaměření vývoje nástrojů i na tuto oblast. Přechod na suché obrábění však není možné u všech technologií. Důležitými zkouškami pro výrobce povlaků a nástrojů jsou řezné zkoušky. Analýzou silového zatížení řezného nástroje se dosahuje důležitých hodnot, které vypovídají o samotném průběhu řezného procesu. Tato diplomová práce se zabývá teoretickým rozborem volby frézovacího nástroje, rozebírá a popisuje mechanismy a typy opotřebení vyměnitelných břitových destiček ze slinutých karbidů. V experimentální části se zabývá analýzou řezivosti vybraných typů vyměnitelných břitových destiček při čelním frézování, které jsou dále vyhodnoceny.
.
FSI VUT
1
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 10
ROZBOR PROBLEMATIKY
1.1 Frézování Frézování je obráběcí metoda, při které je materiál obrobku odebírán břity rotujícího nástroje. Posuv nejčastěji koná obrobek převážně ve směru kolmém k ose nástroje. U moderních frézovacích strojů jsou posuvové pohyby plynule měnitelné a mohou se realizovat ve všech směrech (obráběcí centra, víceosé CNC frézky). Řezný proces je přerušovaný, každý zub frézy odřezává krátké třísky proměnné tloušťky8. 1.1.1 Druhy frézování Z technologického hlediska se v závislosti na aplikovaném nástroji rozlišuje frézování válcové a frézování čelní. Od těchto základních způsobů se odvozují některé další metody jako je frézování okružní a planetové8. Válcové frézování se převážně uplatňuje při práci s válcovými a tvarovými frézami. Zuby frézy jsou vytvořeny pouze po obvodu nástroje, hloubka odebírané vrstvy se nastavuje kolmo na osu frézy a na směr posuvu. Obrobená plocha je rovnoběžná s osou otáčení frézy. V závislosti na kinematice obráběcího procesu se rozlišuje frézování nesousledné a sousledné8.
Obr. 1.1 Řezné síly při sousledném a nesousledném frézování8.
Čelní frézování se uplatňuje při práci s čelními frézami, které mají břity vytvořeny po obvodu i na čele nástroje. Podle polohy osy frézy vzhledem k frézované ploše se rozlišuje symetrické a nesymetrické frézování. U čelního frézování pracuje fréza současně sousledně i nesousledně8.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 11
Obr. 1.2 Symetrické čelní frézování8.
Obr. 1.3 Nesymetrické čelní frézování8.
Délka styku ostří s obrobkem je ovlivňována polohou frézy. Při symetrickém frézování je délka styku ostří s obrobkem nejkratší, oblouk záběru se prodlouží, jestliže je nástroj umístěn stranou od osy obrobku. Excentrická poloha frézy má za následek konstantnější směr působení složky řezné síly. Je-li fréza ve vystředěné poloze, vytváří se střední tloušťka třísky. Obrábí-li se frézou velkého průměru, může být poloha frézy mimo střed výhodná. V tomto případě je v záběru větší počet vyměnitelných břitových destiček (VBD), protože úhel styku břitu frézy s obrobkem je větší1.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 12
1.2 Volba frézovacího nástroje 1.2.1 Typy frézovacích operací Rovinné frézování čelní (nebo frézovací hlavou) je všeobecně nejúčinnější metodou obrábění rovinných ploch, zatím co rovinnému frézování válcovou frézou se dává přednost při obrábění dlouhých otevřených drážek a profilů. Uvedené typy fréz by měly být považovány za první volbu pro uvedená použití1. Tab. 1.1 Použití fréz pro různé způsoby frézování1. Použití Hlavní typy fréz válcová čelní fréza frézovací hlava stopková fréza válcová čelní fréza Osazení, drážky a výstupky válcová fréza kotoučová fréza stopková válcová čelní fréza válcová čelní fréza s VBD kruhového tvaru Uzavřené drážky stopková fréza na drážky per stopková válcová čelní fréza s VBD kruhového tvaru stopková fréza s čelními půlkruhovými břity Tvarové plochy válcová čelní fréza s VBD kruhového tvaru stopková válcová čelní fréza s VBD kruhového tvaru kotoučová fréza kotoučová fréza složená Drážkování a dělení drážkovací fréza pilový kotouč stopková fréza pro srážení hran válcová čelní fréza Obrábění hran stopková válcová čelní fréza válcová fréza Rovinné plochy a osazení
Rovinné plochy a osazení Velmi často musí být obráběny obrobky, u nichž konstrukce předpokládá vytvoření rovinných ploch s pravoúhlým osazením. K tomuto účelu potřebujeme frézu s úhlem nastavení 90°. Jako nástroje lze použít válcové čelní frézy nebo frézovací hlavy s VBD. Pro rovinné frézování velkých ploch jsou výhodnější frézy s úhlem nastavení hlavního ostří menší než 90°. Má-li být aplikováno frézování do rohu, je nutné zpravidla použít frézu s úhlem nastavení hlavního ostří 90°1. Pro běžné obrábění frézovacími hlavami by měl být použit úhel nastavení hlavního ostří 75° nebo 60°. P ři tomto úhlu nastavení je schopnost stroje plně
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 13
využita a mimo to je možné využít frézy univerzálně k hrubování i k obrábění na čisto1. Typ frézy s úhlem nastavení 75°, by m ěl být při volbě vždy na prvním místě, zatím co fréza s úhlem nastavení 60° je alternati vou k výše uvedené fréze, poskytuje větší spolehlivost břitu, požadovanou například pro hrubování1. Frézy s úhlem nastavení 45° se uplat ňují buď na strojích jejichž výkon je slabší, nebo na strojích menšího typu v případě, že má použitá fréza menší průměr. Tyto frézy lze použít pro náročné formy těžkého obrábění, případně pro obrábění materiálů obrobků tvořících krátkou třísku1.
Obr. 1.4 Různorodé frézování do rohu15.
Osazení, drážky a výstupky Obrábění těchto základních tvarů je kombinací obvodového a čelního frézování. Při rovinném čelním frézování je šířka plochy, která má být obrobena důležitým faktorem pro volbu velikosti nástroje. Osazení a drážky mají více ploch, které jsou obráběny současně, to znamená, že při obrábění osazení a drážek určují volbu velikosti nástroje radiální šířka řezu a axiální šířka řezu1. Drážka může být na obou koncích otevřená, případně na jednom konci uzavřená a na druhém konci otevřená. Je-li drážka uzavřená na obou koncích, nazývá se plná drážka. Pro tento tvar drážky je nutné použít typ stopkové frézy, která může pracovat jako vrták posuvem v axiálním směru. Pro odvod třísek se doporučuje přivádět do místa řezu budˇ stlačený vzduch, nebo chladící kapalinu1.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 14
Obr. 1.5 Frézování drážek15.
Frézování dutin Frézování dutin předpokládá u frézovacího nástroje schopnost vrtat do určité hloubky a následně frézovat. Schopnost vrtat odlišuje vrtací stopkové frézy od ostatních stopkových fréz. Stopkové frézy musí mít jeden břit takové délky, aby přesahoval osu frézy. Nástroj musí být schopen obrobit v axiálním směru celou hloubku dutiny. Rovněž lze stopkovými frézami z materiálu HSS a ze slinutých karbidů obrábět uzavřené drážky. Frézy s omezenými schopnostmi vrtání, ale se schopností provádět různé operace zahlubování nemají břity, které by přesahovaly osu, ale mají mezi čelním ostřím a tělesem frézy určitý volný prostor1. Moderní vrtací stopkové frézy s VBD takřka nahrazují dva běžné nástroje, vrták a stopkovou válcovou čelní frézu. Tato stopková fréza umožňuje provádět obrábění ve všech směrech posuvu. Kromě obrábění drážek a osazení je tato fréza vhodná i pro navrtávání, šikmému zavrtávání a frézování dutin. Lze použít i v oblasti kopírovacího frézování1. Při vrtacích operacích by měla být vždy použita chladicí kapalina, aby byl zajištěn spolehlivý odchod třísek1. Možnost obrábění s omezeným axiálním posuvem se v mnoho případech jeví jako výhodná. Otvory, dutiny, drážky a tvary je možné účinněji frézovat stopkovými válcovými čelními frézami s VBD kruhovitého tvaru. Tento typ nástrojů má velkou stabilitu a dostatečný prostor okolo tělesa frézy, až do 270°1.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 15
Obr. 1.6 Čelní a stopková fréza s kruhovými VBD15.
Kopírovací frézování Obrábění tvarů nejrůznějšího druhu se provádí na kopírovacích frézkách a frézkách CNC. Pro kopírovací frézování připadají v úvahu stopkové frézy s čelními půlkruhovými břity a stopkové frézy s kruhovými VBD. Schopnost nejen frézovat, ale rovněž vrtat, a obrábět složité oblé tvary klade vysoké nároky na frézovací nástroje. Pro obrábění konkávních a konvexních tvarů při stálém kontaktu s materiálem obrobku musí být nástroj na čelní straně opatřen oblým břitem, který umožňuje efektivní obrábění ve všech směrech. Pro tento způsob obrábění lze použít stopkových fréz s pájenými břity z SK nebo též monolitních stopkových fréz z SK1. Stopková fréza s VBD se používá pro hrubování a střední obrábění, zatím co monolitní frézy nebo frézy s pájenými břity z SK slouží k obrábění načisto1. Obrábění drážek a dělení materiálu Pro zhotovení drážek určitého provedení, charakterizovaného délkou a hloubkou a v určité míře rovněž šířkou drážky, se používají kotoučové frézy, zatím co stopkové frézy se volí tehdy, mají-li být obrobeny krátké ploché drážky, jako například drážky pro klíny a zvláště pak uzavřené drážky pro pera a různé tvarové dutiny1. Kotoučové frézy jsou nejhospodárnějším řešením v případě, kdy je potřeba zhotovit dlouhé, hluboké drážky. Aby bylo možné provést správnou volbu mezi kotoučovou frézou a stopkovou frézou, je nejprve nutné zjistit rozměry drážek, které mají být obráběny s ohledem na pracovní rozsah stopkových fréz, válcových čelních fréz a kotoučových fréz1.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 16
Obr. 1.7 Frézování kotoučovými frézami15.
Obrábění hran Obrábění hran, výroba drážek tvaru „V“, odlehčovacích zápichů a odstraňování ostřin na hranách patří k běžným operacím. Jako nejvhodnější varianta pro tyto operace se nabízí použití malých frézovacích hlav, nebo válcových čelních fréz podle toho, jak je konstruováno vřeteno stroje1. Na moderních obráběcích centrech a frézkách lze velmi účinně obrábět vše pod úhlem zkosené plochy. Frézy osazené VBD ve standartním provedení, které pracují při použití extrémních řezných podmínek, mohou rychle a dobře obrážet hrany, srážet hrany pro svary, odstraňovat ostřiny1. Dalším řešením je použití tvarových monolitních stopkových technických fréz z SK s děliči třísek na břitech. Tyto nástroje se dodávají v mnoha tvarech a velikostech pro nejrůznější způsoby obrábění. Provedení se zuby ve šroubovici zaručuje, že bude v kontaktu s plochou obrobku vždy maximální počet zubů1.
Obr. 1.8 Různé typy technických fréz16.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 17
1.2.2 Rozteč frézy Rozteč zubů frézy ( u ) je vzdálenost mezi dvěma za sebou jdoucími břity. Frézy se rozdělují na nástroje s velkou, střední a malou roztečí1. Velká rozteč zubů znamená, že fréza má po obvodě menší počet zubů a velké zubové mezery. Tyto hrubozubé frézy se používají pro hrubování a obrábění oceli načisto1. Fréza se střední roztečí má větší počet zubů a středně velké zubové mezery. Charakteristickým znakem u těchto nástrojů je vysoký výkon obrábění. Frézy tohoto druhu se používají pro obrábění šedé litiny a střední obrábění oceli1. Frézy s malou roztečí mají velmi malé zubové mezery. Tyto jemnozubé frézovací nástroje, umožňující použít vysoké posuvy stolu, jsou vhodné pro hrubování ocelí s malou hloubkou a šířkou řezu. Mimo to se používají při obrábění materiálů, u nichž musí být použita malá řezná rychlost, například při obrábění titanu1.
Obr. 1.9 Velká, střední a malá rozteč zubů1.
1.2.3 Upnutí frézy Podle způsobu upnutí dělíme frézy na nástrčné a stopkové Pro upínání nástrčných fréz na frézkách se používají frézovací trny. Upínací kužel frézovacích trnů a pracovního vřetena může být buď metrický s kuželovitostí 1:20, nebo Morse 1:19 až 20, nebo strmý 1:3,5. Metrický a Morse kužel jsou samosvorné a mohou přenést krouticí moment z vřetena na frézovací trn. Aby přenos krouticího momentu byl dokonalý, má konec vřetena obdélníkové vybrání, do něhož zapadá zploštělý nákružek na konci frézovacího trnu. Strmý kužel pouze středí trn v pracovním vřetenu, krouticí moment se přenáší dvěma kameny upevněnými na čele vřetena, které zapadají do vybrání na nákružku frézovacího trnu. Poloha frézy na dlouhém trnu se zajišťuje volně navlečenými rozpěrnými kroužky. Kromě rozpěrných kroužků je na trnu vodicí pouzdro, které je součástí posuvného podpěrného ložiska, umístěného na výsuvném rameni vodorovné frézky. Pouzdro je ustaveno v poloze, kde bude trn ložiskem podepřen. Aby upnutí nástrojů na trnech bylo co nejtužší, upínají se frézy co nejblíže k vřetenu a výsuvné rameno se přisune k fréze tak blízko, jak
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 18
je to jen možné. Čelní nástrčné frézy a frézovací hlavy se upínají krátkými upínacími trny letmo upnutými do vřetena stroje8.
Obr. 1.10 Upínač s trny pro nástrčné frézy12.
Frézy s kuželovou stopkou se upínají pomocí redukčních pouzder přímo do upínacího kužele ve vřetenu frézky. Redukční pouzdro se použije také tehdy, neshoduje-li se kužel frézovacího trnu s kuželem vřetena. Frézy s válcovou stopkou se upínají do vřetena frézky při použití sklíčidla s upínacím pouzdrem8. Frézy s válcovou stopkou o průměru 3÷50 mm se v současné době velmi často upínají pomocí speciálních tepelných nebo hydraulických upínačů. V tepelném upínači je nástroj vložen do tělesa upínače a poté spolu s ním ohříván ve speciálním zařízení pomocí magnetického pole cívky vysokofrekvenčního generátoru. Průběh ohřevu je tak rychlý, že zvýšení teploty nástroje v důsledku vedení tepla je minimální. Poté je upnutý nástroj ochlazen proudem vzduchu (ke zkrácení doby ochlazování se používají hliníková tělesa s žebrováním, která obepínají upínač s nástrojem a vestavěný ventilátor) a v důsledku smrštění materiálu upínače spolehlivě upnut. Uvolnění nástroje se provede ohřevem ve stejném zařízení8. Jako další z variant upínání se využívá hydroupínačů. Upínacím šroubem se působí na kapalinu a zvyšováním tlaku dochází k roztahování upínací stěny držáku. Tyto upínače jsou přesné a jednoduché pro manipulaci, ale mají menší životnost, protože časem dojde k narušení stěny držáku. Není jimi možné upínat nástroje s vyfrézovanou ploškou (Weldon, Whistle-Notch), neboť to má za následek deformaci stěny držáku. Naproti tomu do tepelného upínače je možné upínat nástroje s válcovou stopkou i s vyfrézovanou ploškou, jelikož zde žádná deformace nehrozí13.
Obr. 1.11 Kleštinový upínač a upínač Weldon12.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 19
Princip polygonálního upínání je znázorněn v řezu na obr. 1.12 (normální stav upínače a stav upínače při výměně nástroje). Vlastní deformace upínače se děje pouze v oblasti pružné (elastické) deformace, při níž nedochází k žádným molekulárním změnám v materiálu. Postup je tedy možno opakovat bez omezení počtu cyklů14. V uvolněném stavu je tvar upínací dutiny v řezu podobný zaoblenému trojúhelníku. Pomocí hydraulického zařízení působí síla ve 3 bodech (na vrcholech trojúhelníku). V důsledku síly dostane upínací dutina válcový tvar. Nyní může být vložena stopka nástroje. Uvolněním vnější síly z hydraulického zařízení se upínací dutina snaží vrátit zpět do původního tvaru a upne tak stopku nástroje17.
Obr. 1.12 Princip silově deformačního upínače17.
Přestože je cena upínače minimální, vzhledem k ceně kompletního obráběcího stroje, jsou upínače důležitým a rozhodujícím spojujícím členem mezi vřetenem a nástrojem. Výběr správného upínače výrazně ovlivní budoucí výsledky celého obráběcího procesu14,17.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 20
1.2.4 Volba geometrie nástroje a VBD Geometrii břitu frézy tvoří velký počet úhlů, které určují polohu VBD upnuté v tělese frézy. Úhel nastavení hlavního ostří ( κ r ) je úhel mezi obráběnou plochou opracovávaného obrobku a hlavním ostřím. Polohu VBD určují funkční úhly: úhel sklonu ostří ( λ s ) a ortogonální úhel čela ( γ o ). Uvedené úhly ovlivňují ve značné míře výkon stroje potřebný pro obrábění, utváření a odchod třísky. Efektivní úhel čela (ortogonální úhel čela) ovlivňuje řezné síly a tím i potřebný příkon stroje1.
Obr. 1.13 Úhel sklonu ostří λ s , ortogonální uhel čela γ o , úhel nastavení hlavního ostří κ r 1.
U frézovacích nástrojů dále rozlišujeme následující konstrukční úhly: axiální úhel čela ( γ p ), který se měří v rovině rovnoběžné s osou rotace nástroje a radiální úhel čela ( γ f ), který se měří v rovině kolmé k ose rotace1.
Obr. 1.14 Axiální úhel čela γ P a radiální úhel čela γ f 1.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 21
Tyto úhly určují typ frézy a ve spojení s příslušným úhlem nastavení hlavního ostří určují také funkční pracovní úhly, které vyžadují různé frézovací nástroje1. Při frézování rovinných ploch rozlišujeme tři hlavní druhy geometrií: dvojitá negativní, dvojitá pozitivní a pozitivně negativní1. Dvojitá negativní geometrie má radiální i axiální úhel čela negativní a používá se rovněž negativní VBD. Úhel hřbetu získáme sklonem VBD. Toto se může příznivě projevit na hospodárnosti obrábění, protože je možné využít obě strany VBD, čímž se získá větší počet stabilnějších břitů. Frézovací nástroje s touto geometrií jsou vhodné pro obrábění tvrdé oceli a šedé litiny, při kterém vznikají velká mechanická zatížení břitu. Tato geometrie vyžaduje vysoký příkon a stabilitu stroje nutnou z důvodu vznikajících řezných sil1. Dvojitá pozitivní geometrie má radiální i axiální úhel čela pozitivní. Tato geometrie vyžaduje použití jednostranných pozitivních VBD. S frézami s dvojitou pozitivní geometrií lze realizovat více způsobů obrábění než s dvojitou negativní geometrií. Pro stejný řez v porovnání s dvojitou negativní geometrií je potřeba menšího příkonu stroje a lze použít tenčí VBD. Dvojité pozitivní geometrie jsou vhodné rovněž pro obrábění tenkostěnných málo tuhých obrobků, materiálů se sklonem zpevňování za studena nebo pro stroje s malým příkonem. Využití této geometrie je zejména při obrábění slitin Al, tvárných ocelí a některých korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí1. Pozitivně negativní geometrie má axiální úhel čela pozitivní a radiální úhel čela negativní. Potřebný výkon stroje je u pozitivně-negativních břitů poněkud vyšší než u dvojitě pozitivních a poněkud nižší než u dvojitě negativních břitů. Tato geometrie umožňuje obrábění při vysokých posuvech na zub a při velkých hloubkách řezu, protože negativní radiální úhel čela má vysokou odolnost proti lomu břitu a pozitivní axiální úhel čela má schopnost dobře utvářet třísky. Frézy s touto geometrií břitu jsou mnohostranně použitelné, zejména tehdy, když se pracuje s úhlem nastavení hlavního ostří 45°. Zvládají také náro čné úkoly obrábění vzhledem k materiálům obrobku a k podmínkám použití1.
Obr. 1.15 Místo prvního kontaktu s ohledem na základní geometrii nástroje6.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 22
Při frézování se využívají různé tvary a velikosti VBD. Geometrie břitu nástroje je určována převážně tím, jakou polohu VBD ve fréze zaujímá. Tvar VBD ovlivňuje stabilitu břitu, počet zubů, které jsou u frézy k dispozici a dosažitelnou jakost obrobeného povrchu1. Tab. 1.2 Různá provedení břitu6. Způsob provedení ostří VBD Ostrý břit Břit s fazetkou
Rektifikované ostří
Fazetkové ostří rektifikované
Ostrý břit se doporučuje používat pro VBD určené pro frézy, které slouží k obrábění slitin Al. U ostrého břitu se dosahuje minimální deformace odřezávané vrstvy, omezuje se vznik nárůstku a snižuje se úroveň řezných sil. Pevnost ostří je v porovnání s ostatními úpravami řezné hrany menší6. Břit s fazetkou zvětšuje pevnost ostří a odolnost proti mechanickému zatížení. Fazetka o šířce (x) a úhlu ( γ x ) zvětšuje v bezprostřední blízkosti úhel břitu ( γ n ). V současnosti se používá výjimečně, protože je nahrazen provedením rektifikovaného břitu s fazetkou6. Rektifikací ostří pod určitým velmi malým poloměrem dosahujeme zvýšení odolnosti proti mechanickému porušení řezné hrany. V současné době je tato úprava břitu používána u všech VBD bez fazetky, které se používají pro frézování téměř všech druhů materiálů6.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 23
Rektifikovaný břit s fazetkou má navíc oproti úpravě břitu s fazetkou provedenou rektifikaci, která vede k zaoblení ostří zesíleného fazetkou. Tato uprava zvyšuje odolnost břitu proti mechanickému porušení v nejvyšší míře6. 1.2.5 Volba materiálu VBD Současný poměrně široký sortiment materiálů pro řezné nástroje, od nástrojových ocelí až po syntetický diamant, je důsledkem celosvětového dlouholetého a intenzivního výzkumu a vývoje v dané oblasti (viz. obr. 2.16) Hlavním problémem dnešní doby není hledání nových, dosud nepoužívaných řezných materiálů, ale spíše hledání optimálního využití již známých materiálů8,7.
Obr. 1.16 Oblasti použití řezných materiálů7.
Řezná keramika na bázi Al2O3 je užívána pro obrábění vysokou řeznou rychlostí a nízkou posuvovou rychlostí, protože má vysokou tvrdost za tepla a vysokou termochemickou stabilitu, ale nízkou houževnatost. Řezná keramika na bázi Si3N4 má vyšší houževnatost a vydrží vyšší posuvovou rychlost než keramika Al2O3, ale její užití je omezeno na obrábění šedé litiny, protože při obrábění ocelí a tvárné litiny vykazuje rychlé opotřebení8. Cermety mohou být užity pro vyšší posuvové rychlosti než řezná keramika a pro řezné rychlosti na úrovni povlakovaných slinutých karbidů. Vzhledem k nízké houževnatosti jsou ale jejich aplikace doposud omezeny pouze na lehké a střední řezy (při vyšších posuvech se začíná projevovat jejich nižší tepelná vodivost, dochází k vyšší koncentraci tepla v oblasti špičky a tím i k rychlému plastickému porušení břitu nástroje), dobře se uplatní při obrábění korozivzdorných ocelí8.
FSI VUT
List 24
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Slinuté karbidy (SK) jsou nejpevnějšími nástrojovými materiály a mohou být použity posuvovými rychlostmi a pro těžké přerušované použity pro vysoké řezné rychlosti, zejména termochemické stability8.
materiály mezi tvrdými pro obrábění vysokými řezy. Nemohou být ale v důsledku své nízké
Povlakované slinuté karbidy 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 řezy8. Rychlořezné oceli mají nejvyšší houževnatost, ale ve srovnání s ostatními materiály je jejich tvrdost poměrně nízká. Proto jsou z nich vyráběny nástroje určené pro obrábění nízkými řeznými rychlostmi a též tvarově složité nástroje, které nemohou být vyrobeny z ostatních řezných materiálů8. Supertvrdé materiály (polykrystalický diamant - PD a polykrystalický kubický nitrid boru - PKNB) mají vzhledem ke svým vlastnostem a vysoké ceně zcela specifické použití. Polykrystalický diamant se používá pro obrábění vláknově vyztužených kompozitů a zejména hliníkových slitin. Protože diamant je uhlík v kubické modifikaci, nesmí se pro svoji vysokou afinitu k železu používat pro obrábění ocelí ani litin. PKNB je obecně doporučován pro obrábění tvrdých kalených materiálů s tvrdostí minimálně 45 HRC8. Tab. 1.3 Používané řezné materiály1. Polykrystalický diamant Povlakovaný SK
Směsná keramika
Kubický nitrid boru
Povlakovaný SK
Neoxidická keramika
Oxidická keramika
Nepovlakovaný SK
Cermet
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 25
Slinuté karbidy jsou v současné době nejpoužívanějším řezným materiálem pro obrábění kovů. Pro velký počet aplikací byly vyvinuty slinuté karbidy se specifickými vlastnostmi. Při volbě nástroje a startovních řezných podmínek je jednou z nejdůležitějších věcí správná identifikace obráběného materiálu. Pro zjednodušení rozdělujeme obráběné materiály v souladu s normou ISO 513 do šesti základních skupin v nichž jsou sdružovány materiály, které vyvolávají kvalitativně stejný typ zatížení (namáhání) břitu a tudíž vyvolávají i podobný typ opotřebení. Proto prvním krokem je zařazení materiálu obrobku do jedné ze skupin7,1. Tab. 1.4 Rozdělení SK dle obráběného materiálu7.
P
uhlíkové (nelegované) oceli třídy 10, 11, 12 legované oceli tříd 13, 14, 15, 16 nástrojové oceli uhlíkové (191…., 192…., 193….) uhlíková ocelolitina skupiny 26 (4226….) nízko a středně legované ocelolitiny skupiny 27 (4227….) feritické a martenzitické korozivzdorné oceli (třídy 17…., lité 4229….)
M
austenitické a feriticko austenitické oceli korozivzdorné, žáruvzdorné a žárupevné oceli nemagnetické a otěruvzdorné
K
šedá litina nelegovaná i legovaná ( 4224….) tvrdá litina ( 4225….) temperovaná litina (4225….)
N
neželezné kovy, slitiny Al a Cu
S
speciální žárupevné slitiny na bázi Ni, Co, Fe a Ti
H
zušlechtěné oceli s pevností nad 1500 MPa kalené oceli HRC 48 – 60 tvrzené kokilové litiny HSh 55-85
Skupina P je určena pro obrábění materiálů, které tvoří dlouhou třísku, jako uhlíkové oceli, slitinové oceli. Řezný proces je doprovázen velkými řeznými silami a značným opotřebením na čele nástroje. Přísada TiC zaručuje vysokou odolnost proti difúzi za vysokých teplot a je jednou z hlavních příčin výmolů na čele nástroje8,24.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 26
Skupina M má univerzálnější použití a je určena pro obrábění materiálů, které tvoří střední a delší třísku, jako jsou lité oceli, tvárné litiny. Pro svoji relativně vysokou houževnatost se SK této skupiny používají pro těžké hrubovací práce a pro přerušované řezy. Síly řezání dosahují středních až vysokých hodnot a dochází k vydrolování ostří8,24. Skupina K je určena pro obrábění materiálů, které vytváří krátkou drobivou třísku, např. temperované litiny. Řezné síly jsou obvykle relativně nízké a převládá abrazivní a adhezní opotřebení. SK této skupiny nejsou vhodné pro materiály tvořící dlouhou třísku, která zatěžuje tepelně čelo nástroje8,24. Skupina N je určena k obrábění materiálů z neželezných kovů, zejména hliníku a dalších neželezných kovů a jejich slitin a nekovových materiálů8,24. Skupina S se používá na obrábění tepelně odolných slitin na bázi železa, niklu a kobaltu, titanu a titanových těžce obrobitelných slitin8,24. Skupina H je vhodná na obrábění kalených a vysoce tvrdých ocelí a tvrzených a kalených litin8,24. Další dělení je do podskupin např. P10, M30, K20. Vyšší číslo vyjadřuje vyšší obsah pojícího kovu, vyšší houževnatost a pevnost v ohybu a nižší tvrdost a otěruvzdornost materiálu a vymezuje oblast jeho aplikací pro nižší řezné a vyšší posuvové rychlosti8,24.
1.3 Opotřebení vyměnitelných břitových destiček Intenzita mechanických typů opotřebení je závislá na poměru tvrdostí obráběného materiálu a slinutého karbidu za podmínek, které existují v kontaktních plochách mezi břitem a obráběným materiálem. Na řezné teplotě je závislá jen tehdy, pokud ovlivňuje poměr tvrdosti nástrojového a obráběného materiálu za podmínek, které existují v kontaktních plochách. Naproti tomu je intenzita chemického opotřebení od určité řezné teploty na řezné rychlosti jednoznačně závislá bez ohledu na poměr tvrdosti9. Na celkovém opotřebení se nepodílejí za určitých podmínek obrábění všechny děje stejnou měrou. Pro určitou dvojici obráběný materiál - slinutý karbid může (podle podmínek obrábění) převládat jeden či druhý děj. Rozhodujícím činitelem určujícím, který typ dějů v procesu opotřebení převládá, je teplota styku nástroje s obrobkem6. 1.3.1 Abrazivní opotřebení U abrazivního opotřebení se předpokládá, že příčinou otěru čela a hřbetu je postupné mechanické narušování povrchu těchto funkčních ploch břitu. Tvrdé strukturní složky obráběného materiálu odřezávají, obrušují povrch břitu9.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 27
Při obrábění ocelí a litiny je abrazivní účinek jejich strukturních složek různý. Abraze však může hrát významnější roli při obrábění legovaných ocelí a litin, které obsahují karbidotvorné legury, jako je chrom, wolfram, molybden a vanad. Při vyšším obsahu uhlíku se mohou v jejich struktuře vyskytnout volné karbidy těchto prvků. Jejich tvrdost už dosahuje tvrdosti strukturních složek slinutých karbidů a povlaků9.
Obr. 1.17 Schematické znázornění vzniku adhezního opotřebení9.
Abraze se jako převládající mechanismus otěru vyskytuje při obrábění některých nekovových materiálů, např. kamene, některých odlitků a výkovků znečištěných pískem nebo okujemi. Abraze je rovněž významná při obrábění austenitických ocelí i některých superslitin, kdy se vytvářejí silně zpevněné povrchové vrstvy obrobků, které při následném obrábění vytvářejí charakteristické hluboké vruby na břitu. Na vzniku tohoto opotřebení se však nepochybně podílí i oxidace9. 1.3.2 Adhezní opotřebení Vysoké tlaky a chemicky čisté povrchy čela, hřbetu nástroje a obráběného materiálu v místě styku (v kontaktních plochách) vytvářejí podmínky pro adhezní opotřebení. Vzájemný styk třísky s čelem a hřbetu za podmínek bodového dotyku nastává při nízkých řezných teplotách jen ve vrcholcích mikronerovností. Ve vrcholcích mikronerovností dochází následkem vysokých tlaků k místní plastické deformaci. Působením místní plastické deformace, především v obráběném materiálu, se na vrcholcích nerovností obnaží chemicky čistý materiál, vzrostou místní teploty a vzniknou adhezní spoje – mikroskopické svary. Při relativním pohybu obou ploch probíhá plynulý proces vzniku a odtrhávání mikrosvarů. Vrcholky mikronerovností, na kterých svary vznikají, jsou namáhány na střih, a tím se tyto svary porušují. K odtržení dochází zpravidla v některém z obou materiálů. Nejčastěji se vytrhává materiál obrobku – a jeho částice zůstávají nalepeny na čele a hřbetě nástroje. Objem odtržené částice obráběného materiálu obvykle značně převyšuje objem částic odtržených ze slinutého karbidu vzhledem k podstatně nižší tvrdosti obráběného materiálu v porovnání s tvrdostí nástrojového materiálu – SK. K porušení povrchu slinutého karbidu dochází obvykle v místech oslabení vlivem nehomogenit struktury, mikropórovitosti, nerovnoměrnosti chemického složení a trhlin. Adhezní opotřebení funkčních
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 28
ploch břitu je tudíž výsledkem opakovaného vzniku a porušování mikrosvarů. Velikost vytrhávaných částic a tím i intenzita opotřebení břitu závisí na poměru tvrdosti materiálu a slinutého karbidu v kontaktní ploše na čele a hřbetu9. Adhezní opotřebení hraje významnou roli zejména při obrábění litiny, kdy vzniká tříska, která vykazuje minimální plastickou deformaci. V kontaktní ploše čelo – tříska nedochází ke vzniku vnitřního tření a následkem toho je zde řezná teplota podstatně nižší. Vznikají tak podmínky pro vznik dotyku ve vrcholcích (viz schematické znázornění vzniku adhezního opotřebení). Naproti tomu při obrábění ocelí je podíl adheze na opotřebení břitu menší. Významnější roli hraje při nízkých řezných rychlostech, tedy při nízkých řezných teplotách a při tvorbě nárůstku9. 1.3.3 Difuzní a oxidační opotřebení Vzniká působením chemických vlivů při procesu obrábění. Jakmile překročí řezná teplota 800 – 900 °C, stává se difuze jednotli vých strukturních složek obráběného materiálu a slinutého karbidu převládajícím mechanismem procesu opotřebení čela i hřbetu vyměnitelné břitové destičky. Opotřebení jejího břitu za vysokých teplot závisí na teplotě a chemické aktivitě materiálu obrobku a druhu slinutého karbidu (resp. na jeho chemickém složení)9. Difuze má hlavní podíl na vymílání čela při obrábění oceli, kdy dochází ke vzniku plasticky deformované třísky. Dalším typem chemického opotřebení je oxidace vedlejšího hřbetu v místě, kde vychází ze záběru s obrobkem. Intenzivní oxidace povrchu slinutého karbidu zahřátého na vysokou teplotu vede při vyšších řezných rychlostech ke vzniku tzv. oxidační rýhy. Prohlubující se oxidační rýha vede k prolomení výmolu, který vzniká na čele difuzním opotřebením směrem na vedlejší hřbet. Tento typ opotřebení je příčinou rychlého zhoršení drsnosti obrobeného povrchu a vede zejména při intenzivních řezných podmínkách k rychlému ukončení trvanlivosti břitu1,9.
Obr. 1.18 Výmol na čele VBD způsobuje především difuze9.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 29
Obr. 1.19 Oxidace povrchu SK zahřátého na vysokou teplotu vede ke vzniku oxidační rýhy9.
1.4 Popis typů opotřebení Klasifikace typů opotřebení břitu nástroje byla provedena za účelem vytvoření báze pro posouzení operací obrábění a tím i možnosti ovlivnění produktivity i v tomto předvýrobním stádiu7. 1.4.1 Tvorba nárůstku Jedná se o nalepování obráběného materiálu na břit nástroje. Nárůstek má charakter návaru na břitu. Při jeho odtrhávání může dojít ke křehkému porušení břitu nástroje. Tento jev je dále charakterizován snížením jakosti obráběného povrchu7.
Obr. 1.20 Místo výskytu nárůstku7.
1.4.2 Opotřebení hřbetu Otěr hřbetu je jedním z hlavních kritérií charakterizujících trvanlivost VBD. Vzniká v důsledku styku nástroje a obráběného materiálu v průběhu řezného procesu. Jeho velikost (intenzitu) lze pouze snížit7.
Obr. 1.21 Místo výskytu opotřebení hřbetu7.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 30
1.4.3 Výmol na čele Výmol na čele je typ opotřebení, které se nejvýrazněji projevuje u VBD s rovným čelem, jeho výskyt není však omezen pouze na tento typ destiček. Při obrábění měkkých materiálů vzniká výmol širší a mělčí, u tvrdých materiálů naopak výmol úzký a hluboký7.
Obr. 1.22 Místo výskytu výmolu na čele7.
1.4.4 Oxidační rýha na vedlejším břitu Je jedním z nejvýznamnějších kritérií limitujících životnost VBD. Setkáváme se s ní zejména u soustružení. Propojení oxidační rýhy s výmolem na čele se jednoznačně projeví na zvýšení drsnosti povrchu obrobku7.
Obr. 1.23 Místo oxidační rýhy na vedlejším břitu7.
1.4.5 Plastická deformace špičky Důvodem tohoto typu opotřebení je přetížení břitu v důsledku vysokých řezných teplot (tedy vysokých rychlostí a posuvů)7.
Obr. 1.24 Místo výskytu plastické deformace špičky7.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 31
1.4.6 Vrubové opotřebení na hlavním břitu Vzniká v oblasti styku břitu nástroje s povrchem obrobku. Je zapříčiněno převážně zpevněním povrchových vrstev obrobku a otřepy. Tento typ opotřebení se vyskytuje zejména u korozivzdorných austenitických ocelí7.
Obr. 1.25 Místo výskytu vrubového opotřebení na hlavním břitu7.
1.4.7 Křehké porušování řezné hrany Ve většině případů se vyskytuje v kombinaci s jiným typem opotřebení, je samostatně obtížně identifikovatelné. Jeho příčinou bývá zejména nízká tuhost soustavy stroj-nástroj-obrobek7.
Obr. 1.26 Místo výskytu křehkého porušení řezné hrany7.
1.4.8 Porušování řezné hrany (mimo záběr) Jeho příčinou je nevhodné utváření třísky, která při svém odchodu naráží na břit a ten mechanicky poškozuje7.
Obr. 1.27 Místo výskytu porušení řezné hrany7.
FSI VUT
List 32
DIPLOMOVÁ PRÁCE
1.4.9 Hřebenovité trhliny Tento jev je přerušovaném řezu7.
důsledkem
dynamického
tepelného
zatížení
při
Obr. 1.28 Místo výskytu hřebenovitých trhlin7.
1.4.10
Únavové trhliny podél hřbetu
Vznikají v důsledku dynamického zatížení oblasti těsně za břitem7.
Obr. 1.29 Místo výskytu únavových trhlin7.
1.4.11 Destrukce břitu resp. špičky nástroje Příčiny tohoto jevu mohou být různé a jsou závislé na materiálu nástroje i materiálu obrobku, stavu a zejm. tuhosti soustavy stroj-nástroj-obrobek, vliv má i velikost a typ opotřebení a záběrové podmínky7.
Obr. 1.30 Destrukce břitu7.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 33
Tab. 1.5 Možná opatření, která vedou ke snížení daného opotřebení7. Druhy opotřebení Opatření -
Tvorba nárůstku
-
-
Opotřebení hřbetu
-
-
Výmol na čele
-
-
Oxidační rýha na vedlejším břitu -
-
Plastická deformace špičky
-
změnit (zvýšit) řeznou rychlost změnit (zvýšit) posuv aplikovat povlakované typy slinutých karbidů použít jinou řeznou geometrii použít řeznou kapalinu s vyšším protinárůstkovým účinkem (pokud není k dispozici, upustit od chlazení)
použít otěruvzdornější typ slinutého karbidu snížit řeznou rychlost zvýšit posuv (v případě, že posuv je menší než 0,1 mm/zub) použít řeznou kapalinu resp. zvýšit intenzitu chlazení použít otěruvzdornější typ slinutého karbidu použít povlakovaný typ snížit řeznou rychlost použít jiný (pozitivnější) typ řezné geometrie použít řeznou kapalinu resp. zvýšit intenzitu chlazení použít povlakovaný resp. otěruvzdornější typ slinutého karbidu, dovolují-li to podmínky, použít VBD s povlakem obsahující Al2O3 použít chladící emulzi resp. zvýšit intenzitu chlazení snížit řeznou rychlost
použít otěruvzdornější typ slinutého karbidu snížit řeznou rychlost snížit posuv použít chladící emulzi resp. zvýšit intenzitu chlazení použít VBD s větším poloměrem zaoblení špičky použít VBD s větším úhlem špičky
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
-
Plastická deformace špičky
-
Vrubové opotřebení na hlavním břitu Křehké porušování řezné hrany
-
Porušovaní řezné hrany (mimo záběr) Hřebenovité trhliny Únavové trhliny podél hřbetu
-
Destrukce břitu respektive špičky nástroje
-
List 34
použít otěruvzdornější typ slinutého karbidu snížit řeznou rychlost snížit posuv použít chladící emulzi resp. zvýšit intenzitu chlazení použít VBD s větším poloměrem zaoblení špičky použít VBD s větším úhlem špičky použít povlakovaný resp. otěruvzdornější typ slinutého karbidu, dovolují-li to podmínky, použít VBD s povlakem obsahující Al2O3 zvolit nástroj s menším úhlem nastavení nerovnoměrně rozdělit třísku použít houževnatější typ slinutého karbidu zvolit méně intenzivní řezné podmínky použít jinou řeznou geometrii při najíždění do záběru zmenšit posuv změnit posuv zvolit nástroj s jiným úhlem nastavení použít jinou řeznou geometrii (jiný utvařeč) použít houževnatější typ slinutého karbidu upustit od chlazení kapalinou (možno použít vzduch z důvodů odstranění třísek z místa řezu) zvolit houževnatější materiál VBD snížit řeznou rychlost použít houževnatější typ slinutého karbidu změnit způsob najíždění a vyjíždění nástroje změnit záběrové podmínky použít jiný typ řezné geometrie resp. VBD s jinou úpravou řezné hrany změnit posuv použít houževnatější typ slinutého karbidu zvolit méně intenzívní řezné podmínky použít VBD s větším poloměrem zaoblení špičky použít VBD s větším úhlem špičky použít jinou řeznou geometrii (jiný utvařeč) stabilizovat řeznou hranu (břit) při najíždění do záběru zmenšit posuv
FSI VUT
2
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 35
INTEGRACE POZNATKŮ
2.1 Teoretický výpočet zatížení při hrubování Frézování VBD kruhovitého tvaru Při frézování vyměnitelnými břitovými destičkami kruhovitého tvaru je úhel nastavení hlavního ostří proměnný. Efektivní úhel nastavení hlavního ostří se mění s poměrem hloubky řezu k průměru vyměnitelné břitové destičky. Vycházíme-li od nuly, narůstá efektivní úhel nastavení až do hodnoty 45°. Hloubka řezu v tomto bodě odpovídá polovičnímu průměru destičky. Tato hodnota je současně maximální hloubkou řezu1. Vyměnitelné břitové destičky kruhového tvaru zaručují maximální stabilitu břitu a jsou-li správně použity, také větší počet hospodárně použitelných břitů, než kolik jich mohou poskytnout jiné tvary vyměnitelných břitových destiček. Stabilita vyměnitelných břitových destiček kruhového tvaru předurčuje jimi osazené frézovací nástroje pro obrábění většiny materiálů, zvláště ocelí s vysokou pevností. Jsou zvlášť vhodné pro hrubování při velkém posuvu na zub1.
Obr. 2.1 úhel nastavení hlavního ostří kruhové VBD1.
Smluvní výpočet úhlu nastavení hlavního ostří1: tg κr =
kde:
ap
a p (d ⋅ ap )
ap
- axiální šířka řezu,
d
- průměr vyměnitelné břitové destičky.
Obr. 2.2 Průřez třísky při čelním frézování8.
(3.1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 36
Střední tloušťka třísky1: hm =
kde:
sin κ r ⋅ 180 ⋅ a e ⋅ f z π ⋅ D ⋅ arcsin(a e / D)
(3.2)
- úhel nastavení hlavního ostří, - radiální šířka řezu, - posuv na zub, - Ludolfovo číslo, - průměr frézovacího nástroje.
Kr ae fz π D
Jmenovitá šířka třísky je pro libovolné ϕi konstantní a vypočítá se podle vztahu8: b=
kde:
ap sin κ r
ap
- axiální šířka řezu,
Kr
- úhel nastavení hlavního ostří.
(3.3)
Jmenovitá tloušťka třísky pro í-tý úhel posuvového pohybu8: h i = f z ⋅ sin ϕ i ⋅ sin K r
kde:
(3.4)
- posuv na zub, - uhel posuvového pohybu, - úhel nastavení hlavního ostří.
fz ϕi Kr
Jmenovitý průřez třísky pro í-tý úhel posuvového pohybu8: A Di = b ⋅ h i = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ i
kde:
b hi ap
- jmenovitá šířka třísky, - jmenovitá tloušťka třísky, - axiální šířka řezu,
fz ϕi
- posuv na zub, - uhel posuvového pohybu.
(3.5)
Měrná řezná síla2: kc =
kde:
k C1 hi mc
k c1 hi
mc
- konstanta vyjadřující vliv obráběného materiálu, - jmenovitá tloušťka třísky, - exponent vlivu tloušťky třísky.
(3.6)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 37
Pro obráběný materiál W.Nr. 1.2083, označení DIN X42Cr13 je hodnota 27 k C1 = 1700 MPa a mc = 0,25 . Řezná síla působící na í-tý zub frézy8: Fci = k ci ⋅ A Di
kde:
k ci A Di
(3.7)
- měrná řezná síla, - jmenovitý průřez třísky.
Obr. 2.3 Úhly posuvových pohybů pro začátek řezu, maximální hloubku řezu a konec řezu při symetrickém frézování7, 5.
Úhel záběru frézy8: ψ = ϕ 3 − ϕ1
kde:
(3.8)
ϕ 3 , ϕ1 (viz. obr. 2.3)
Počet zubů v záběru8: nz =
kde:
ψ z
ψ ⋅z 360
- úhel záběru frézy, - počet břitových destiček frézy.
(3.9)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
2.1.1 Výpočet z pohledu symetrického frézování Smluvní výpočet úhlu nastavení hlavního ostří ap
tg κr =
a p (d ⋅ ap )
=
2 2(12 ⋅ 2)
= 0,288675 ⇒ 16°
Střední tloušťka třísky hm =
sin κ r ⋅ 180 ⋅ a e ⋅ f z sin 16° ⋅ 180 ⋅ 15,2 ⋅ 0,26 = =ɺ 0,07 mm π ⋅ D ⋅ arcsin(a e / D ) π ⋅ 32 ⋅ arcsin(15,2 / 32)
Jmenovitá šířka třísky b=
ap sin κ r
=
2 =ɺ 7,25 mm sin16°
Výpočet jednotlivých úhlů řezného oblouku cos ϕ1 = 1 −
2 ⋅ U1 2 ⋅ 8,4 = 1− = 0,475 ⇒ ϕ1 =ɺ 61°38′ D 32
ϕ 2 = 90° (viz. obr. 2.3) 2 ⋅ U2 2 ⋅ 23,6 cos ϕ3 = 1 − = 1− = −0,475 ⇒ ϕ3 =ɺ 118°21′ D 32
Úhel záběru frézy
ψ = ϕ 3 − ϕ1 = 118°21′ − 61°38´= 56°43´
Počet zubů v záběru nz =
ψ 56°43′ ⋅z = ⋅ 3 =ɺ 0,47 ⇒ 1zub 360° 360°
Řešení pro bod 1 , pro ϕ1 = 61°38′ h1 = f z ⋅ sin ϕ1 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 61°38′ ⋅ sin16° =ɺ 0,0630 mm A D1 = b ⋅ h1 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ1 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin 61°38′ =ɺ 0,46 mm 2 1700 h1 = 0,0630 ⇒ k c1 = =ɺ 3393,23 MPa (0,0630 )0,25 Fc1 = k c1 ⋅ A D1 = 3393,23 ⋅ 0,46 =ɺ 1560,89 N
Řešení pro bod 2, pro ϕ 2 = 90° h 2 = f z ⋅ sin ϕ 2 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 90° ⋅ sin16° =ɺ 0,0717 mm
A D2 = a p ⋅ f z ⋅ sin ϕi = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin 90° =ɺ 0,52 mm 2 h 2 = 0,0717 ⇒ k c 2 =
1700
(0,0717 )0,25
=ɺ 3285,26 MPa
Fc 2 = k c 2 ⋅ A D 2 = 3285,26 ⋅ 0,52 =ɺ 1708,34 N
List 38
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Řešení pro bod 3, pro ϕ3 = 118°21′ h 3 = fz ⋅ sin ϕ3 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 118°21′ ⋅ sin 16° =ɺ 0,0630 mm
A D3 = b ⋅ h 3 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ 3 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin118°21′ =ɺ 0,46 mm 2 1700 h3 = 0,0630 ⇒ k c 3 = =ɺ 3393,23 MPa (0,0630 )0,25 Fc 3 = k c 3 ⋅ A D3 = 3393,23 ⋅ 0,46 =ɺ 1560,89 N
Zvolené úhly 4,5 jdou uvedené pro lepší přehlednost grafů
Řešení pro bod 4 , pro ϕ 4 = 76°
h 4 = f z ⋅ sin ϕ 4 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 76° ⋅ sin16° =ɺ 0,0695 mm A D 4 = b ⋅ h 4 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ 4 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin 76° =ɺ 0,50 mm 2 1700 h 4 = 0,0695 ⇒ k c 4 = =ɺ 3310,95 MPa (0,0695 )0,25 Fc1 = k c1 ⋅ A D1 = 3310,95 ⋅ 0,50 =ɺ 1655,48 N
Řešení pro bod 5, pro ϕ 5 = 104° h 5 = f z ⋅ sin ϕ 5 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin104° ⋅ sin16° =ɺ 0,0695 mm A D5 = b ⋅ h 5 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ 5 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin104° =ɺ 0,50 mm 2 1700 h5 = 0,0695 ⇒ k c 5 = =ɺ 3310,95 MPa (0,0695 )0,25 Fc 5 = k c 5 ⋅ A D5 = 3310,95 ⋅ 0,50 = 1655,48 N
List 39
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 40
2.1.2 Výpočet z pohledu asymetrického frézování Výpočet je prováděn s hodnotou excentricity e = 2 mm.
Obr. 2.4 Úhly posuvových pohybů pro začátek řezu, maximální hloubku řezu a konec řezu při asymetrickém frézování7, 5.
Smluvní výpočet úhlu nastavení hlavního ostří aP
tg κR =
aP (d ⋅ aP )
=
2 2(12 ⋅ 2)
= 0,288675 ⇒ 16°
Střední tloušťka třísky hm =
sin κ r ⋅ 180 ⋅ a e ⋅ f z sin 16° ⋅ 180 ⋅ 15,2 ⋅ 0,26 = =ɺ 0,07 mm π ⋅ D ⋅ arcsin(a e / D ) π ⋅ 32 ⋅ arcsin(15,2 / 32)
Jmenovitá šířka třísky b=
ap sin κ r
=
2 =ɺ 7,25 mm sin16°
Výpočet jednotlivých úhlů řezného oblouku cos ϕ1 = 1 −
2 ⋅ U1 2 ⋅ 10,4 = 1− = 0,35 ⇒ ϕ1 = 69°30′ D 32
ϕ 2 = 90° (viz. obr. 2.4) 2 ⋅ U2 2 ⋅ 25,6 cos ϕ 3 = 1 − = 1− = −0,6 ⇒ ϕ 3 = 126°52′ D 32
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Úhel záběru frézy
ψ = ϕ 3 − ϕ1 = 126°52′ − 69°30´= 57°22´
Počet zubů v záběru nz =
ψ 57°22′′ ⋅z = ⋅ 3 =ɺ 0,48 ⇒ 1 zub 360° 360°
Řešení pro bod 1 , pro ϕ1 = 69°30′ h1 = f z ⋅ sin ϕ1 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 69°30′ ⋅ sin16° =ɺ 0,0671 mm A D1 = b ⋅ h1 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ1 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin 69°30′ =ɺ 0,49 mm 2 1700 h1 = 0,0671 ⇒ k c1 = =ɺ 3340,17 MPa (0,0671)0,25 Fc1 = k c1 ⋅ A D1 = 3340,17 ⋅ 0,49 =ɺ 1636,68 N
Řešení pro bod 2, pro ϕ 2 = 90° h 2 = f z ⋅ sin ϕ 2 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 90° ⋅ sin16° =ɺ 0,0717 mm
A D2 = a p ⋅ f z ⋅ sin ϕi = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin 90° = 0,52 mm 2 h 2 = 0,0717 ⇒ k c 2 =
1700
(0,0717 )0,25
=ɺ 3285,26 MPa
Fc 2 = k c 2 ⋅ A D 2 = 3285,26 ⋅ 0,52 =ɺ 1708,34 N
Řešení pro bod 3, pro ϕ3 = 126°52′ h3 = fz ⋅ sin ϕ3 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 126°52′ ⋅ sin 16° =ɺ 0,0573 mm A D3 = b ⋅ h 3 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ3 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin126°52′ =ɺ 0,42 mm 2 1700 h3 = 0,057 ⇒ k c 3 = =ɺ 3479,21 MPa (0,057 )0,25 Fc 3 = k c 3 ⋅ A D3 = 3479,21 ⋅ 0,42 =ɺ 1461,27 N
Zvolené úhly 4,5 jdou uvedené pro lepší přehlednost grafů Řešení pro bod 4 , pro ϕ 4 = 80°
h 4 = f z ⋅ sin ϕ 4 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin 80° ⋅ sin16° =ɺ 0,0706 mm A D 4 = b ⋅ h 4 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ 4 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin 80° =ɺ 0,51 mm 2 1700 h 4 = 0,0706 ⇒ k c 4 = =ɺ 3297,98 MPa (0,0706 )0,25 Fc1 = k c1 ⋅ A D1 = 3297,98 ⋅ 0,51 =ɺ 1681,97 N
List 41
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 42
Řešení pro bod 5, pro ϕ5 = 109° h 5 = f z ⋅ sin ϕ 5 ⋅ sin K r = 0,26 ⋅ sin109° ⋅ sin16° =ɺ 0,0678 mm
A D5 = b ⋅ h 5 = ap ⋅ f z ⋅ sin ϕ 5 = 2 ⋅ 0,26 ⋅ sin109° =ɺ 0,49 mm 2 1700 h5 = 0,0678 ⇒ k c 5 = =ɺ 3331,51 MPa (0,0678 )0,25 Fc 5 = k c 5 ⋅ A D5 = 3331,51 ⋅ 0,49 =ɺ 1632,44 N
Symetrické frézování
Asymetrické frézování
Obr. 2.5 Závislost měrné řezné síly na jmenovité tloušťce třísky při symetrickém a asymetrickém frézování.
Symetrické frézování
Asymetrické frézování
Obr. 2.6 Jmenovité tloušťky třísek pro zatížení zubu při symetrickém a asymetrickém frézování.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 43
Symetrické frézování
Asymetrické frézování
Obr. 2.7 Závislost řezné síly na jmenovité tloušťce třísky při symetrickém a asymetrickém frézování.
Z uvedených výpočtů a grafů lze vyhodnotit, že při symtrickém frézování je délka styku ostří s obrobkem kratší jak u asymetrického frézování. Měrná řezná síla je největší u asymetrického frézování. Maximální úběr třísky je při 90° u obou zp ůsobů frézování, taktéž je v tomto místě maximální hodnota řezné síly.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 44
2.2 Obráběný materiál Obráběným materiálem určeným k daným testům byla nástrojová ocel W.Nr. 1.2083, označení DIN X42Cr13, která se vyznačuje svou odolností proti korozi, výbornou odolností proti opotřebení, dobrou obrobitelností a leštivostí. Je dodávána s atestem dle EN 10204 - 2.2 (viz. tab. 2.1). Polotovar byl předsoustružen na rozměr Ø85/15,2 mm. Tvrdost daného materiálu dle výrobce 192 HB. Chemické složení materiálu je uvedené v tab. 2.2. Tab. 2.1 Potvrzení o zkouškách18. Atest dle EN 10204 Označení Způsob Osvědčení o jakosti normy zkoušky
2.2
Zkušební zpráva/ Výrobní osvědčení ( Atest )
Nespecifický
Tab. 2.2 Chemické složení oceli W.Nr. 1.208319. Chemické složení prvků v % C Si Mn P S 0,44 0,86 0,79 0,02 0,002
Obsah osvědčení Potvrzení o minimálních hodnotách nebo o výsledcích zkoušek
Vydáno kým
Výrobcem
Cr 12,9
2.3 Charakteristika nástrojů Pro hrubovací operace frézování se využívá držáku i VBD, které dodává firma A-TOOL, s.r.o.
Obr. 2.8 Hrubovací fréza RTMN032M16R6C20.
Stopková fréza: RTMN032M16R6C Cena: 2 690 Kč
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 45
Obr. 2.9 Hrubovací VBD RDHX 12T3 MO20.
VBD: RDHX 12T3 MO S113MX Cena: 139 Kč/ks Pro dokončovací operace frézování se využívá držáku od firmy ISCAR ČR, s.r.o., VBD jsou dodávány firmou PALBIT S.A. a firmou A-TOOL, s.r.o.
Obr. 2.10 Dokončovací fréza HM90 E90A-D25-4-W25-C21.
Stopková fréza: HM90 E90A-D25-4-W25-C Cena: 5 955 Kč
Obr. 2.11 Hrubovací VBD APKT 100308 PDER-X22.
VBD: APKT 100308 PDER-X Cena: 159 Kč/ks
FSI VUT
List 46
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Obr. 2.12 Dokončovací VBD APKT 1003 PD.R20.
VBD: APKT 1003 PD.R Cena: 159 Kč/ks Tab. 2.3 Přehled testovaných VBD. Označení VBD Typ operace RDHX 12T3 MO S113MX Hrubování APKT 100308 PDER-X Dokončování APKT 1003 PD.R Dokončování
Počet kusů 1 1 1
Celkový počet břitů 4 2 2
Nástroje a VBD dodala společnost S&K TOOLS spol. s r.o.
2.4 Upnutí nástrojů Testované nástroje jak pro hrubování tak pro dokončování byly upínány do hydraulického upínače. Dále byla pokaždé upnuta jedna VBD a na ní prováděno testování. Celkově byly testovány 3 ks VBD. Během experimentů nebylo pozorováno povolení upnutí nástrojů ani destiček.
Obr. 2.13 Upnutí dokončovací frézy HM90 E90A-D25-4-W25-C
FSI VUT
List 47
DIPLOMOVÁ PRÁCE
2.5 Obráběcí stroj Testování nástrojů bylo prováděno na vertikální konzolové frézce FV 25 CNC A vyrobenou firmou TOS Olomouc s.r.o. Pro řízení této frézky se využívá systému Heidenhain iTNC 530.
Obr. 2.14 Vertikální konzolová frézka FV 25 CNC A Tab. 2.4 Základní parametry frézky. Upínací délka stolu [mm] Upínací šířka stolu [mm] Podélný posuv (X) [mm] Příčný posuv (Y) [mm] Svislý posuv (Z) [mm]
1300 350 760 355 152
FSI VUT
List 48
DIPLOMOVÁ PRÁCE
2.6 Řezné podmínky Řezné podmínky pro experiment odpovídají skutečným řezným podmínkám. Byla jen upravena posuvová rychlost jak pro hrubování, tak pro dokončování z důvodu obrábění pouze jednou VBD. Pro dokončování bylo použito chladící mazací kapaliny FUCHS ECOCOOL 68 CF-2, která byla namíchána s vodou v koncentraci 5 %. Tab. 2.5 Řezné podmínky pro hrubování Hrubování Jednotka [m/min] Řezná rychlost v c
Hodnota 160
Posuv na zub fz
[mm]
0,26
Axiální šířka řezu a p
[mm]
2
Radiální šířka řezu a e
[mm]
15,2
Otáčky n
[ot/min]
1600
Posuvová rychlost v f
[mm/min]
416
Druh frézování
[-]
čelní frézování
Chlazení
Ne
Ne
Tab. 2.6 Řezné podmínky pro dokončování Dokončování Jednotka [m/min] Řezná rychlost v c
Hodnota 220
Posuv na zub fz
[mm]
0,06
Axiální šířka řezu a p
[mm]
0,3
Radiální šířka řezu a e
[mm]
15,2
Otáčky n
[ot/min]
2800
Posuvová rychlost v f
[mm/min]
233
Druh frézování
[-]
Chlazení
Ano
čelní frézování Ano
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 49
2.7 Měřící zařízení Pro měření řezných složek sil bylo použito třísložkového piezoelektrického dynamometru KISTLER 9257B. Měřící soustava se skládala z dynamometru, z rozdělovacího boxu s BNC konektory, kanálového zesilovače typu 5070A a notebooku se softwarem DYNOWARE 2825A-02-2. Dále bylo zapotřebí propojovacích, prodlužovacích a řídících kabelů a taktéž A/D převodníku.
Obr. 2.15 Schéma zapojení měřící soustavy23.
2.8 Měření jakosti obrobené plochy Po každém provedeném úběru materiálu byla změřena průměrná aritmetická úchylka profilu Ra [µm]. Bylo použito digitálního drsnoměru TR100. Přístroj byl nejprve zkalibrován a poté bylo provedeno měření. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tab. 3.1 a v tab. 3.2.
Obr. 2.16 Digitální drsnoměr TR-100 Naměřené hodnoty byly zapisovány a byl proveden odhad střední hodnoty4. X=
1 ⋅ nm
∑X i
i
[µm]
(3.12)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 50
2.9 Mikroskop Snímky opotřebení VBD a třísek byly pořízeny na stereomikroskopu STEMI 2000-C od firmy ZEISS s použitým zdrojem studeného světla KL 1500 LCD. Na stereomikroskopu je připevněn fotoaparát SONY Cyber-Shot 3.3 DSC-S75 pomocí adaptéru SONY adapter ring VAD S70 B.
Obr. 2.17 Sestava mikroskopu26.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 51
2.10 Analýza naměřených hodnot Při prováděném měření bylo sledováno softwarem DYNOWARE 2825A02-2 silové zatížení, průběh sil byl zaznamenáván a pomocí softwaru Excel dále vyhodnocen. V záběru byl vždy jeden břit nástroje. Uvedené síly na obrázku odpovídají těmto silám (Fx = Fx1M), (Fy = Fy1M), (Fp = Fz1M).
Obr. 2.18 Fyzikální model zatížení řezného nástroje (obrobku) v průběhu obrábění26.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 52
Obr. 2.19 Silový rozklad v průběhu opotřebení pro sousledné (vlevo) a nesousledné (vpravo) frézování25.
2.11 Cíl Experimentu Cílem krátkodobých zátěžových testů bylo porovnání použitých VBD s ohledem na symetrické a asymetrické frézování a taktéž porovnání vlivu zvoleného typu obrábění na jakost povrchu. Během testování bylo sledováno silové zatížení řezných nástrojů. Zkoušky byly prováděny v dílnách FSI VUT v Brně, ÚST Odboru technologie obrábění.
2.12 Popis experimentu Po vytvoření jednoduchého programu v systému Heidenhain iTNC 530 bylo provedeno upnutí obrobku, nástroje a taktéž byly nastaveny parametry pro měřicí přístroj. Čas, po který měřicí přístroj znamenal hodnoty, byl zvolen 30s pro hrubování a 50s pro dokončování. Snímkovací frekvence byla zvolena u obou způsobů 100Hz. Všechny naměřené hodnoty bylo poté dále zapotřebí filtrovat, nejen kvůli velkému počtu naměřených hodnot, ale také k oddělení hodnot, po kterou byl nástroj v řezu a odstranění náběhových a výběhových hodnot. Filtrování probíhalo s ohledem na maximální hodnotu výslednice sil ve vytvořeném speciálním programu. Pomocí tohoto programu byly vypočteny jednotlivé silové účinky (F, Fc, FcN, Fp), které se následně vynesly do grafů. Dále byla po každém průjezdu nástrojem měřena jakost obrobeného povrchu pomocí digitálního drsnoměru TR-100 (viz. obr. 2.16). Opotřebené VBD byly zkoumány pod stereomikroskopem STEMI 2000-C od firmy ZEISS s použitým zdrojem studeného světla KL 1500 LCD (viz. obr. 2.17).
FSI VUT
3
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 53
VERIFIKACE POZNATKŮ
3.1 Grafy silových průběhů při symetrickém frézování (hrubování)
Obr. 3.1 Silový průběh při symetrickém frézování nástrojem RTMN032M16R6C, VBD RDHX 12T3 MO.
Obr. 3.2 Graf průměrných hodnot sil včetně rovnic regresí (symetrické čelní frézování, VBD RDHX 12T3 MO).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 54
3.2 Grafy silových průběhů při asymetrickém frézování (hrubování)
Obr. 3.3 Silový průběh při asymetrickém frézování nástrojem RTMN032M16R6C, VBD RDHX 12T3 MO.
Obr. 3.4 Graf průměrných hodnot sil včetně rovnic regresí (asymetrické čelní frézování, VBD RDHX 12T3 MO).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 55
3.3 Grafy silových průběhů při symetrickém frézování (dokončování)
Obr. 3.5 Silový průběh při symetrickém čelním frézování nástrojem HM90 E90A-D25-4-W25-C, VBD APKT 1003 PD.R.
Obr. 3.6 Graf průměrných hodnot sil včetně rovnic regresí (symetrické čelní frézování, VBD APKT 1003 PD.R).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Obr. 3.7 Silový průběh při symetrickém čelním frézování nástrojem HM90 E90A-D25-4-W25-C, VBD APKT 100308 PDER-X.
Obr. 3.8 Graf průměrných hodnot sil včetně rovnic regresí (symetrické čelní frézování, VBD APKT 1003 PDER-X).
List 56
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 57
3.4 Grafy silových průběhů při asymetrickém frézování (dokončování)
Obr. 3.9 Silový průběh při asymetrickém čelním frézování nástrojem HM90 E90A-D25-4-W25-C, VBD APKT 1003 PD.R.
Obr. 3.10 Graf průměrných hodnot sil včetně rovnic regresí (symetrické čelní frézování, VBD APKT 1003 PD.R).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 58
Obr. 3.11 Silový průběh při asymetrickém čelním frézování nástrojem HM90 E90A-D25-4-W25-C,VBD APKT 100308 PDER-X.
Obr. 3.12 Graf průměrných hodnot sil včetně rovnic regresí (asymetrické čelní frézování, VBD APKT 1003 PDER-X).
FSI VUT
List 59
DIPLOMOVÁ PRÁCE
3.5 Analýza jakosti obrobené plochy Pro dokončovací operace je důležitá výsledná jakost obrobené plochy, proto se toto měření a jeho analýza zaměřila na dokončovací operaci s ohledem na symetrické a asymetrické frézování. Tab. 3.1 Naměřené hodnoty struktury povrchu při symetrickém frézování APKT 100308 PDER-X APKT 1003 PD.R Číslo úběru Ra [µm] Číslo úběru Ra [µm] 1 2 3 4 5
0,65 0,68 0,71 0,71 0,61
1 2 3 4 5
0,47 0,41 0,52 0,48 0,45
Odhad střední hodnoty (VBD APKT 100308 PDER-X, symetrické frézování) X=
1 ⋅ n
∑X
i
=
i
1 (0,65 + 0,68 + 0,71 + 0,71 + 0,61) = 0,672 µm 5
Odhad střední hodnoty (VBD APKT 1003 PD.R, symetrické frézování) X=
1 ⋅ n
∑X
i
=
i
1 (0,47 + 0,41 + 0,52 + 0,48 + 0,45) = 0,466 µm 5
Tab. 3.2 Naměřené hodnoty struktury povrchu při asymetrickém frézování APKT 100308 PDER-X APKT 1003 PD.R Číslo úběru Ra [µm] Číslo úběru Ra [µm] 1 2 3 4 5
0,42 0,44 0,51 0,31 0,31
1 2 3 4 5
0,28 0,35 0,31 0,25 0,42
Odhad střední hodnoty (VBD APKT 100308 PDER-X, asymetrické frézování) X=
1 ⋅ n
∑X
i
=
i
1 (0,42 + 0,44 + 0,51 + 0,31 + 0,31) = 0,398 µm 5
Odhad střední hodnoty (VBD APKT 1003 PD.R, asymetrické frézování) X=
1 ⋅ n
∑X i
i
=
1 (0,28 + 0,35 + 0,31 + 0,25 + 0,42) = 0,322 µm 5
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 60
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 61
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 62
FSI VUT
4
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 63
DISKUZE
4.1 Rozbor průběhu sil a opotřebení při obrábění Analýza hrubovacích testů: V průběhu všech průjezdů sousledným směrem (viz. obr. 3.1) nebylo pozorováno zvýšení řezných sil v průběhu času. Na obr. 3.16 je znázorněn detail břitu, na kterém není patrné opotřebení. Celková řezná síla se pohybovala v rozmezí od 1250N do 1580N. Při asymetrickém frézování (viz. obr. 3.3) dochází k zvýšení řezných sil oproti symetrickému frézování. Průběh řezných sil je podobný, bez žádného pozorovaného zvětšení v časovém průběhu. Celková řezná síla se pohybovala v rozmezí hodnot od 1430N do 1770N. Analýza dokončovacích testů: V časovém průběhu dochází při symetrickém frézování (viz. obr. 3.5) ke zvyšování řezných složek sil (celková síla F se zvýšila ze 130N na 190N) avšak opotřebení nebylo pod mikroskopem viditelné (viz. obr. 3.23). V průběhu třetího průjezdu symetrickým způsobem (viz. obr. 3.7) je patrné, že dochází k porušení břitu, který má za následek převýšení řezné síly Fc kolmou řeznou silou FcN. Totéž je evidentní i v 3 a 4 průjezdu. Na obr. 3.18 je viditelné opotřebení na čele VBD. Celková síla se zvýšila ze 105N na 180N. Při asymetrickém způsobu (viz. obr. 3.9) dochází k navýšení řezných sil oproti symetrickému frézování. Celková řezná síla se v tomto případě pohybovala v rozmezí hodnot od 145N do 205N. Opotřebení nebylo pod mikroskopem viditelné (viz. obr. 3.26). Z grafu (viz. obr. 3.11) je evidentní, že kolmá řezná síla FcN má vzrůstající tendenci a v posledním průjezdu nástrojem dochází k převýšení řezné síly Fc, což může mít za následek porušení břitu. Opotřebení břitu destičky je viditelné na obr. 3.21. Celková řezná síla se pohybovala v rozmezí hodnot od 145N do 195N.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 64
ZÁVĚR V této diplomové práci byla teoretickým rozborem popsána metodika pro volbu frézovacího nástroje, byly zde popsány mechanismy opotřebení včetně jejich forem. Dále se zabývala teoretickým výpočtem pro frézování. V experimentální části byly testy nástrojů provedeny v dílnách Ústavu strojírenské technologie, Odboru technologie obrábění. Při zkouškách se zaznamenával průběh silového zatížení řezných nástrojů, jakost obrobených ploch a sledovalo se opotřebení VBD. V testech bylo prokázáno, že: - při stejných řezných podmínkách docházelo při asymetrickém frézování (hrubování) k nárůstu celkové řezné síly o cca 12% oproti frézování symetrickému; - na hrubovací VBD nebylo po provedených testech na mikroskopu viditelné opotřebení a to jak při symetrickém, tak i asymetrickém frézování; - při použití VBD APKT 1003 PD.R docházelo při asymetrickém frézování (dokončování) k nárůstu celkové řezné síly o cca 7% oproti frézování symetrickému; - při použití VBD APKT 100308 PDER-X docházelo při asymetrickém frézování (dokončování) k nárůstu celkové řezné síly o cca 8% oproti frézování symetrickému; - při srovnání obou typů destiček použitých při symetrickém i asymetrickém frézování, určených k dokončovací operaci, nebylo na VBD APKT 1003 PD.R pozorováno opotřebení, přičemž na APKT 100308 PDER-X se u obou výše zmíněných způsobů frézování opotřebení již nacházelo; - při srovnání jakostí jednotlivých obrobených ploch byla relativně nejlepší jakost zjištěna při použití VBD APKT 1003 PD.R. při frézování asymetrickým způsobem (Ra < 0,4 µm); - třísky, které se utvářely při hrubovacích operacích, byly dělené segmentové, jednotlivé segmenty byly viditelné po celé šířce třísky a to jak při symetrickém, tak i asymetrickém frézování. U dokončovacích operací se utvářela plynulá segmentová tříska.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 65
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. AB SANDVIK COROMANT - SANDIK CZ s.r.o. Příručka obrábění - Kniha pro praktiky. Přel. M. Kudela. 1. vyd. Praha: Scientia, s. r. o. 1997. 857 s. Přel. z: Modern Metal Cuttig - A Practical Handbook. ISBN 91-97 22 99-4-6. 2. FOREJT, M.; PÍŠKA, M. Teorie obrábění, tváření a nástroje. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. 2006. 226 s. ISBN 80-214-2374-9. 3. HUMÁR, A. Slinuté karbidy a řezná keramika pro obrábění. 1. vyd. Brno: CCB, 1995. 265s. ISBN 80-85825-10-4. 4. PROKOP, J. Přednáška 11.2.2010 Vybrané statě z obrábění, VUT-FSI. 5. GARANT, Germany. Příručka pro obrábění. [online]. [cit. 2011-3-10]. Dostupné na World Wibe Web:. 6. PRAMET TOOLS, s.r.o., ČR. Příručka obrábění [online]. [cit. 2011-3-10]. Dostupné na World Wide Web:. 7. PRAMET TOOLS, s.r.o., ČR. Katalog – Frézování 2010. [online]. [cit. 2011-3-10]. Dostupné na World Wide Web: . 8. HUMÁR, A. Technologie I, Technologie obrábění – 1. část [online]. Studijní opory pro magisterskou formu studia. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2003. 138 s. Dostupné na World Wide Web: . 9. HOUDEK, J.; KOUŘIL, K. Opotřebení břitů nástrojů ze slinutých karbidů. MM Průmyslové spektrum : technický měsíčník. 2005, č. 1, 2, s. 71. Dostupný také z World Wide Web:. ISSN 1212-2572. 10. HOUDEK, J.; KOUŘIL, K. Opotřebení břitů nástrojů ze slinutých karbidů. MM Průmyslové spektrum : technický měsíčník. 2004, č. 12, s. 20. Dostupný také z World Wide Web:. ISSN 1212-2572. 11. HOUDEK, J.; KOUŘIL, K. Opotřebení břitů nástrojů ze slinutých karbidů. MM Průmyslové spektrum : technický měsíčník. 2004, č. 3, s. 54. Dostupný také z World Wide Web:. ISSN 1212-2572. 12. DVOŘÁK, L. Novinky v upínání nástrojů. MM Průmyslové spektrum : technický měsíčník. 2010, č. 11, s. 68. Dostupný také z World Wide Web:. ISSN 1212-2572. 13. SUCHNA, K. Moderní systémy pro upínání stopkových nástrojů. MM Průmyslové spektrum : technický měsíčník. 2004, č. 5, s. 30-31. Dostupný také z World Wide Web:. ISSN 1212-2572.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 66
14. AMBROŽ, P. Moderní systémy pro upínání stopkových nástrojů. MM Průmyslové spektrum : technický měsíčník. 2007, č. 4, s. 48. Dostupný také z World Wide Web:. ISSN 1212-2572. 15. SANDVIK COROMANT - SANDIK CZ s.r.o. Rotating tools catalogue 2011. [online]. [cit. 2011-4-12]. Dostupné na World Wide Web: . 16. RUPET INTENATIONAL, s.r.o., ČR. Katalog - Brusivo a frézy 2009. [online]. [cit. 2011-4-12]. Dostupné na World Wide Web: . 17. WINTER-SERVIS, s.r.o., ČR. Tribos - silově deformační upínač. [online]. [cit. 2011-4-12]. Dostupné na World Wide Web: . 18. THYSSEN KRUPP FEROSTA, s.r.o., ČR. Potvrzení o zkouškách. [online]. [cit. 2011-4-12]. Dostupné na World Wide Web: . 19. JKZ BUČOVICE, a.s., ČR. Nástrojová ocel pro výrobu forem. [online]. [cit. 2011-4-12]. Dostupné na World Wide Web: . 20. TECNOUTENSILERIA ITALIANA, s.r.L.,Italia. Catalog High Performances Milling Cutters. [online]. [cit. 2010-03-17]. Dostupnéna Word Wide Web: 21. ISCAR ČR, s.r.o., ČR. Frézování. [online]. [cit. 2011-4-12]. Dostupné na World Wide Web: . 22. PALBIT, S.A., Portugal, Mould & Die Catalog. [online]. [cit. 2011-03-17]. Dostupné na Word Wide Web:. 23. KISTLER INSTRUMENTE AG, Switzerland, Applications – Measuring and analyzing pressure, force and acceleration. [online]. [cit. 2011-04-19]. Dostupné na Word Wide Web:. 24. ČEP, R. Přednáška 4 – řezné materiály. [online]. [cit. 2011-02-19]. Dostupné na Word Wide Web:. 25. ZOUHAR, J.; PÍŠKA, M. Napjatostně-deformační analýza moderních HSS fréz. [online]. [cit. 2011-04-22]. Dostupné na Word Wide Web: . 26. CARL ZEISS, Germany, Microscopy from Carl Zeiss - Stereomicroscopy. [online]. [cit. 2011-05-05]. Dostupné na Word Wide Web: . 27. SANDVIK COROMANT - SANDIK CZ s.r.o. Technical guide. [online]. [cit. 2011-05-07]. Dostupné na Word Wide Web: .
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 67
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka/Symbol D ϕi Fi Fci FcNi Ffi FfNi vf
e SK VBD CNC HSS u Kr λs γo γP γf
Al x γX γn Al2O 3 Si3N4
PD PKNB HRC ISO
ISO 513
Cu Ni Co Fe Ti HSh Tic
Jednotka Popis [mm] průměr frézovacího nástroje [°] úhel posuvového pohybu [N] celková řezná síla [N] řezná síla [N] kolmá řezná síla [N] posuvová síla [N] kolmá posuvová síla [mm/min] posuvová rychlost [mm] excentricita [-] slinutý karbid [-] vyměnitelná břitová destička [-] (Computer Numeric Control) číslicové řízení počítačem [-] (High speed steel) rychlořezná ocel [-] rozteč zubů frézy [°] úhel nastavení hlavního ost ří [°] úhel sklonu ost ří [°] ortogonální uhel čela [°] axiální úhel čela [°] radiální úhel čela [-] (Aluminium) hliník [mm] šířka fazetky [°] úhel sklonu fazetky [°] úhel b řitu [-] oxid hlinitý [-] nitrid křemíku [-] polykrystalický diamant [-] polykrystalický kubický nitrid boru [-] tvrdost podle Rockwella (lnternational Organization for Standardization) Mezinárodní organizace pro standardizaci [-] klasifikace a použití tvrdých řezných materiálů k obrábění kovů určeným ostřím označování skupin a podskupin použití [-] (Cuprum) měď [-] (Niccolum) nikl [-] (Cobaltum) kobalt [-] (Ferrum) železo [-] (Titanium) titan [-] tvrdost podle Shorea [-] karbid titanu
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
ap
[mm]
d hm
ae = B π n vC b hi
[mm] [mm] [mm] [mm] [-] [ot/min] [m/min] [mm] [mm]
k C1
[N/mm²]
mc kc A Di
[-] [MPa] [mm]
fz
ψ
LCD
[°] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [ot/min] [-] [-] [µm] [µm] [-] [-]
F1M
[N]
Fc1 = Fc FcN1 = FcN Fp1 = Fp Ff1 Fx1M
[N] [N] [N] [N] [N]
Fy1M
[N]
nz
z HB C Si Mn P S Cr n BNC A/D Ra x nm
List 68
axiální šířka řezu průměr vyměnitelné břitové destičky střední tloušťka třísky posuv na zub radiální šířka řezu Ludolfovo číslo otáčky řezná rychlost jmenovitá šířka třísky jmenovitá tloušťka třísky pro í-tý úhel posuvového pohybu konstanta vyjadřující vliv obráběného materiálu exponent vlivu tloušťky třísky měrná řezná síla jmenovitý průřez třísky pro í-tý úhel posuvového pohybu úhel záb ěru frézy počet zubů v záběru počet břitových destiček frézy tvrdost podle Brinella (Carboneum) uhlík (Silicium) křemík (Manganum) mangan (Phosphorus) fosfor (Sulphur) síra (Chromium) chrom otáčky (Bayonet Nut Couple) bajonetový konektor (Analog/Digital) analogově digitální průměrná aritmetická úchylka profilu odhad střední hodnoty počet měření (Liquid Crystal Display) displej z tekutých krystalů celková síla vyvolaná řeznou částí jednoho břitu řezná síla působící na jeden břit kolmá řezná síla působící na jeden břit pasivní síla působící na jeden břit posuvová síla působící na jeden břit síla působící v ose x stroje a snímače na 1 břit frézy síla působící v ose y stroje a snímače na 1 břit frézy
