Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Korekce nástroje a jeho trvanlivost u třískového obrábění Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Vypracoval: David Mrázek
Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma „Korekce nástroje a jeho trvanlivost u třískového obrábění‘‘ vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis autora …………………………….
PODĚKOVÁNÍ Touto cestou děkuji vedoucímu práce panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za odborné vedení, konzultace, připomínky, rady a náměty a především velice vstřícný přístup, který mi pomohl při zpracování této bakalářské práce.
ABSTRAKT Bakalářská práce, zpracovaná na téma „ Korekce nástroje a jeho trvanlivost u třískového obrábění “, je rozdělena na tři základní části. V úvodních kapitolách je stručně nastíněna historie a vývoj mechanického třískového obrábění. Jsou zde popsány základní metody obrábění, jejichţ další vývoj umoţnil vznik a rozšíření číslicového řízení a jeho spojení s obráběcími stroji. Na závěr první části je porovnáno konveční třískové obrábění s moderní CNC technologií. V další části pojednává o korekci a upnutí nástrojů s ohledem na vyuţití nástrojových materiálů pro výrobu nástrojů. Popsány jsou základní části nástroje a nástroje pouţívané pro CNC obráběcí stroje. V závěru práce, tedy její třetí části je pojednáno o chladících řezných kapalinách a jejich rozdělení. Klíčová slova: Obrábění, NC a CNC stroje, Řídící systémy, Obráběcí nástroj, Upínání nástrojů, Korekce nástrojů, Řezné kapaliny
ABSTRACT This Bachelor thesis entitled „Tool compensation and its durability in cutting operations“ is divided into three parts. The first part briefly outlines the history and development of cutting operations. There is a description of most commonly used methods of metal cutting, their further development enabled inception and expansion of numerical control and its connection with cutting machines. At the end of the first part there is a comparison of conventional technology with modern CNC technology. The next part deals with tool compensation and clamping with regard to use of tool materials for tool production. Basic parts of tool and tools used for CNC cutting tools are described. In the third part of thesis are discussed the cutting compounds and their division.
Keywords: Cutting, NC and CNC tools, Control systems, Cutting tool, Tool clamping, Tool compensation, Cutting compounds
OBSAH 1
ÚVOD........................................................................................................................ 8
2
CÍL PRÁCE ............................................................................................................... 8
3
HISTORIE MECHANICKÉHO TŘÍSKOVÉHO OBRÁBĚNÍ ............................... 9 3.1
4
3.1.1
Soustruţení................................................................................................ 11
3.1.2
Frézování .................................................................................................. 12
3.1.3
Broušení .................................................................................................... 13
3.1.4
Další metody mechanického třískového obrábění .................................... 14
HISTORIE ČÍSLICOVÉHO OBRÁBĚNÍ NC A CNC ......................................... 14 4.1
5
6
Druhy mechanického třískového obrábění....................................................... 10
Vývoj NC strojů ............................................................................................... 16
4.1.1
Druhy řízení číslicových strojů ................................................................. 17
4.1.2
Řídící systémy NC strojů .......................................................................... 20
4.1.3
Řídící systémy CNC strojů ....................................................................... 21
POROVNÁNÍ KONVENČNÍHO OBRÁBĚNÍ S TECHNOLOGIÍ CNC ............ 21 5.1
Konstrukce strojů ............................................................................................. 22
5.2
Technologická příprava výroby ....................................................................... 23
5.3
Řízení a obsluha stroje ..................................................................................... 25
5.4
Přesnost strojů .................................................................................................. 25
OBRÁBĚCÍ NÁSTROJ .......................................................................................... 26 6.1
Základní části a parametry nástroje.................................................................. 26
6.2
Nástrojové materiály ........................................................................................ 28
6.2.1
Kovové nástrojové materiály .................................................................... 28
6.2.2
Keramické nástrojové materiály ............................................................... 31
6.2.3
Polykrystalické řezné materiály ................................................................ 33
6.3
Druhy řezných nástrojů pro CNC stroje........................................................... 34
7
8
9
6.3.1
Nástroje pro CNC soustruţení .................................................................. 34
6.3.2
Nástroje pro CNC frézování ..................................................................... 36
UPÍNÁNÍ NÁSTROJŮ NA CNC STROJÍCH ....................................................... 37 7.1
Upínání nástrojů na CNC soustruhu ................................................................ 38
7.2
Upínání nástrojů na CNC frézce ...................................................................... 40
KOREKCE NÁSTROJŮ NA CNC STROJÍCH .................................................... 42 8.1
Korekce délkové............................................................................................... 44
8.2
Korekce rádiusové ............................................................................................ 44
8.2.1
Rádiusové korekce na CNC soustruhu ..................................................... 45
8.2.2
Rádiusové korekce na CNC frézce ........................................................... 46
CHLADÍCÍ ŘEZNÉ KAPALINY PRO OBRÁBĚNÍ ............................................ 46 9.1
Vlastnosti a funkce řezných kapalin ................................................................ 47
9.2
Rozdělení řezných kapalin ............................................................................... 48
9.3
Volba řezné kapaliny podle druhu práce .......................................................... 49
9.4
Přívod řezné kapaliny k místu řezu .................................................................. 49
10 ZÁVĚR ................................................................................................................... 50 11 POUŢITÁ LITERATURA ..................................................................................... 52 12 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK .................................................................... 54
1
ÚVOD Mechanické třískové obrábění je jedna z nejvyuţívanějších metod zpracování
kovů, nekovů a dalších materiálů ale především také jedna z nejvýznamnějších vědních oblastí. Díky vývoji této oblasti obrábění kovů hlavně v minulém století mohlo postupně docházet ke vzniku nových technologií, ke zkvalitňování, zpřesňování, urychlení a rozšíření výroby. V tomto důsledku docházelo k velmi rychlému pokroku v oblasti technologií hlavně pro vojenský průmysl, který byl v dobách první a druhé světové války nutný. Jednalo se o vývoj bojové techniky, zbraní, výbavy pro samotné vojáky, rozvoj leteckého průmyslu ale také k urychlení dopravy zásob a nutného vybavení za pomocí novějších a rychlejších dopravních prostředků. Právě v těchto dvou světových konfliktech docházelo k velmi rychlému pokroku ve vývoji průmyslu, elektrotechniky a také obchodu. Zejména během druhé světové války byl díky nutnosti pouţití nových a moderních technologií v elektrotechnice zahájen vývoj prvních počítačů, které ovlivnili i oblast mechanického třískového obrábění. Rozvojem elektrotechniky byl předurčen vývoj první generace číslicově řízených strojů, které byly jednoduché, ale umoţnili vyrobit i velkou sérii stejných dílů. Poţadavky, na zvyšování kvality, přesnosti a jakosti obráběných materiálů ale také na moţnost sériových a velkosériových výrob, měli za následek nutnost spojení počítače s obráběcím strojem, čímţ byl vytvořen CNC stroj a tím byl předurčen směr rozvoje a postupné zdokonalování těchto strojů aţ po dnešní velmi výkonná obráběcí centra řízená velmi výkonnými a spolehlivě pracujícími počítači. V bakalářské práci se věnuji právě problematice mechanického třískového obrábění, její stručné historii, vývojem číslicově a posléze počítačem řízených obráběcích strojů, pouţívanými nástrojovými materiály a v neposlední řadě také řezným kapalinám, které k obrábění nepochybně patří.
2
CÍL PRÁCE Cílem
bakalářské
práce
je
charakterizovat
současný
trend
v oblasti
mechanického třískového obrábění. Práce pojednává o historii obrábění, mechanickém konvenčním obrábění, které je spojeno s vývojem technologie číslicového řízení 8
a postupným přechodem na technologii CNC obrábění. Tyto moderní technologie jsou v dnešní době jiţ nenahraditelnou součástí průmyslové výroby. V jednotlivých
kapitolách
práce
je
zpracována
tématika,
zaměřující
se na korekci a upínání nástrojů na CNC obráběcích strojích a také se zaměřuje na základní rozdělení řezných kapalin, které jsou nedílnou součástí procesu obrábění.
3
HISTORIE MECHANICKÉHO TŘÍSKOVÉHO OBRÁBĚNÍ Technologii obrábění můţeme povaţovat za nejstarší výrobní metodu, kterou
člověk pouţil v nejranějších dobách svého vývoje. Pouţitím prvních nástrojů, kterými člověk před mnoha sty tisíci lety hrubě opracovával své první lovecké zbraně, které vyráběl štípáním z kamene, pazourků, křemene a rohatce. Tímto byl dokončen vývoj člověka v člověka myslícího a vzniká tak lidská společnost. (Přikryl Z., a kol., 1967) Později v mladší době kamenné se nástroje začaly vyrábět novým způsobem – řezáním, broušením a leštěním kamenné suroviny. Tedy v této době uţ dostal kamenný pilník tvar podobný dnešnímu trojhrannému pilníku. (Marek J. a kol., 2010) Na začátku 3. Tisíciletí př. n. l. vrcholí technický rozvoj raných civilizací. Z bronzu se vyráběl plech a drát. V Indii byla jiţ v roce 2700 př. n. l. známa vrtačka pracující na principu luku nebo houslového smyčce. V roce 1456 vynalezl Ludvik van Berguem stroj na broušení diamantů a tím umoţnil v budoucnu vyrábět brilianty. (Řasa J., Gabriel V., 2000) Po roce 1475 výraznou měrou zasáhl do stagnace v evropské technice Leonardo da Vinci, který vynalezl princip otáčení soustruhu v jednom směru. V roce 1500 navrhl vodorovnou a svislou vyvrtávačku na výrobu dřevěných trub. Od Leonarda da Vinciho také pochází návrh prvního automatu na broušení konců jehel a první návrh prizmatického vedení jednoduchého stolu u brusky. (Marek J. a kol., 2010) Vývoj metod obrábění postupoval spolu s vývojem výrobních zařízení velmi pomalu i v novověku. Důkazem je, ţe první technická kniha z roku 1701, která popisovala tehdejší výrobní metody a zařízení pro obrábění, byla ještě aktuální a pouţitelná v roce 1800. V roce 1773 Angličan John Wilkinson podstatně zdokonalil vyvrtávací stroj, coţ následně dopomohlo k masovému rozšíření parního stroje, u nějţ bylo nutné vyvrtat
9
válec s vysokou jakostí povrchu, přesností průměru a tvaru díry. (Řasa J., Gabriel V., 2005) Obrábění kovů na obráběcích strojích vzniklo jako jedna ze základních strojírenských výrobních technologií v počátcích průmyslové revoluce, kdy se postupně vyvinuly mechanické posuvy suportů vodicím šroubem, došlo ke zvýšení tempa vývoje obráběcích strojů, nástrojů a tím i metod obrábění. (Přikryl Z., a kol., 1967) V roce 1830 byla v USA vyvinuta frézka, o devět let později vynalezl Švýcar J. G. Bodmer karuselový soustruh se svislým vřetenem. V roce 1863 vyrobil italský strojař G. Martignoni vrták s frézovanou dráţkou o rok později začala sériová výroba brusek do kulata. Počátkem 20. stol. začalo docházet k rychlejšímu vývoji metod obrábění (frézování, soustruţení, broušení, vrtání, apod.) a to díky nahrazení parního pohonu jednodušším elektrickým
pohonem.
Jednalo
se o zakomponování
jednoho
elektromotoru
do obráběcího stroje, který pohání všechny základní funkce. Převod je řešen stupňovitým převodem ozubenými koly. (Marek J. a kol., 2010) Od průmyslové revoluce v 19. stol. nastal velmi rychlý rozvoj obráběcích strojů od nejjednodušších aţ k nejsloţitějším obráběcím centrům, které známe dnes. (Vondráček F., a kol., 1985) Co se týče vývoje nástrojových materiálů, na konci 19. stol. byl vynalezen nový brusný materiál karborundum (SiC), počátkem 20. stol. se začíná pouţívat nový nástrojový materiál – rychlořezná ocel, která byla objevena kolem roku 1900. (Přikryl Z., a kol., 1967) V dalších letech byly vyvíjeny i další materiály, jako např. umělý korund (Al2O3) v roce 1905, slinuté karbidy (WC) v roce 1924, karbid Titanu (TiC) v roce 1932 apod. (Vondráček F., a kol., 1985)
3.1
Druhy mechanického třískového obrábění Technologie třískového obrábění je jedna z velmi důleţitých výrobních metod
strojírenské technologie, tedy zpracování kovových i nekovových materiálů, která se vyuţívá pro výrobu hotových kusů nebo výrobu nástrojů pro jiné výrobní
10
technologie, jako je tváření, slévání, stříhání, svařování, nekonvenční metody obrábění, atd. (Forejt M., 2006) Mechanické třískové obrábění je velmi široký obor, zabývající se zpracováním kovů ve velké většině průmyslové výroby, od výroby dopravních prostředků jako automobilů, letadel, vlaků, autobusů aţ po výrobu nábytku, elektroniky atd. Obecně obrábění je technologický proces, při němţ vytváříme součásti poţadovaného tvaru, rozměrů, jakosti povrchu a druhu spojení odebíráním nebo oddělováním částic materiálu pochody fyzikálními (např. mechanickými, tepelnými, elektrickými) a chemickými, popř. jejich kombinacemi. (Karafiátová S., Langer I., 1998) V této části práce bude pojednáváno hlavně o oddělování částic materiálu pochody mechanickými. Konvenční obrábění dá rozdělit podle způsobu práce a konečných výrobků na několik druhů.
Obr. 1. Jednotlivé metody obrábění a jejich řezné pohyby (Hluchý M., a kol., 1979) 3.1.1 Soustruţení Aby se uskutečnil proces řezání, tedy oddělování třísky, musí dojít k relativnímu pohybu mezi obrobkem a řezným nástrojem. U soustruţení vykonává hlavní řezný pohyb, tedy otáčení, obráběný materiál (obrobek), upnutý v upínacím zařízení. Vedlejším řezným pohybem je posuv nebo přísuv, který vykonává nástroj. Nástrojem 11
pro obrábění na soustruhu je soustruţnický nůţ. Soustruţnický nůţ je jednobřitý nástroj. Na soustruhu se vyrábí součásti hlavně rotačního tvaru, mohou se zde samozřejmě také vyrábět součásti tvarové. (Karafiátová S., Langer I., 1998)
Obr. 2. Princip soustružení (Karafiátová S., Langer I., 1998)
3.1.2 Frézování Frézování je strojní třískové obrábění vícebřitým nástrojem (frézou), kde hlavní řezný pohyb (rotační) koná nástroj a vedlejší pohyb koná obrobek. Pohyb obrobku je podélný, příčný a svislý, které bývají vykonávány podle konstrukce stroje, zpravidla pracovním stolem (za pomocí pohybových šroubů), na kterém je upínací zařízení, v němţ je upnut obrobek. Na frézce je moţné vytvářet různé tvary za pomocí fréz. Frézy bývají různě tvarově a konstrukčně řešeny podle toho, na jaký frézovaný tvar jsou určeny. Konvenční mechanické frézování probíhá ve třech osách. Frézování je moţné rozdělit na sousledné, kdy se nástroj otáčí ve směru pohybu stolu s obrobkem a nesousledné kdy se nástroj otáčí proti pohybu stolu s obrobkem. (Přikryl Z., a kol., 1967)
12
Obr. 3. Princip frézování (http://strojirenstvi-frezovani.blogspot.cz)
3.1.3 Broušení Broušení je strojní třískové obrábění způsobem práce velmi podobné, jako frézování, ovšem je prováděno pomocí vícebřitého řezného nástroje, jehoţ břit není pevně definován, jako je tomu u ostatních metod obrábění. (Řasa J., Gabriel V., 2005) Nástrojem je brusný kotouč, který je tvořen malými nepravidelně rozmístěnými řeznými břity, coţ jsou tvrdá zrna brusiva. Kaţdé jedno zrno působí jako řezný nástroj, který vniká do materiálu obrobku, z něhoţ odděluje velmi jemné třísky. Tyto zrna brusiva jsou uloţena v pojivu ve tvaru brusného kotouče. U broušení vykonává hlavní řezný pohyb (otáčení) právě tento kotouč a obrobek koná vedlejší pohyb, tedy posuv. Brusné kotouče mají různé tvary (jsou normalizované), podle tvaru plochy, kterou chceme brousit, také mají různé hodnoty tvrdosti, podle toho, jak tvrdý materiál bude obráběn (při obrábění tvrdého materiálu, bude zvolen měkký kotouč).
13
Obr. 4. Princip broušení (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994)
3.1.4 Další metody mechanického třískového obrábění Mezi další důleţité metody mechanického třískového obrábění, by mohli být zahrnuty vrtání, vyvrtávání, hoblování a obráţení, protahování a protlačování, výrobu závitů, výrobu ozubených kol ale také dokončovací metody třískového obrábění, jako jsou hónování, lapování, superfinišování, leštění, omílání, válečkování, kuličkování a otryskávání. (viz obr. 1.)
4
HISTORIE ČÍSLICOVÉHO OBRÁBĚNÍ NC A CNC Myšlenka číslicového řízení obráběcích strojů vznikla v USA koncem druhé
světové války ve spojení s výrobou tvarově sloţitých součástí, které se do té doby vyráběly kopírováním pracně zhotoveného modelu. To vedlo k sestrojení prvních programovatelných automatů označovaných jako NC stroje (Numerical Control). (http://sstzr.cz) Zrod NC stroje je obecně přisuzován Johnu T. Parsonovi, mechanikovi a obchodníkovi ve firmě Parsons Corp. (Marek J. a kol., 2010) Tyto první NC stroje vykonávaly příkazy programu, který byl na paměťovém médiu odpovídajícím úrovni vývoje, tj. na děrném štítku, děrné pásce, později 14
na magnetické pásce. Znamená to, ţe všechny potřebné informace byly řídícímu systému zadávány ve formě čísel a písmen. V této podobě se prosadily ve výrobě zejména sloţitějších součástí při odpovídající opakovatelnosti. Vyplňovaly tak prostor mezi jednoúčelovými automaty s manuálním řízením, které se uplatnily pro výrobu jednodušších součástí v hromadné a velkosériové výrobě a klasickými obráběcími stroji s ručním ovládáním, které jsou vhodné pro kusovou a malosériovou výrobu. (Bartoš V., Král M., Minárik R., Štulpa M., 1998) Pořizování a uchovávání programu pro tyto stroje bylo poměrně nákladnou záleţitostí, ale postupem doby byly NC stroje vybavovány počítačem, coţ mělo za následek vznik CNC strojů (Computer Numerical Control), které podstatně zjednodušili a urychlili programování a uchovávání dat, stejně jako jejich opětovné vyuţití či přenos. Od roku 1966 většina výrobců začala postupně přecházet na systémy třetí vývojové generace, tedy CNC. Nasazení počítače značně rozšířili i moţnosti pouţití rutinních postupů (cyklů) a také moţnosti kvalitnějšího pohybu funkčních částí stroje na základě jednoduchého zadání nástrojem nebo obrobkem po matematicky definovaných křivkách, sestrojeným pomocí počítačového programu. Protoţe výkony počítačů od té doby rostly velmi rychlým tempem při jejich současném zlevňování, začaly se CNC stroje prosazovat ve stále větší míře. V současnosti je uţ jednoznačně jasné, ţe pro většinu výroby jsou CNC stroje svojí efektivností nejlepším řešením. V některých ohledech jsou uţ dokonce nenahraditelné, protoţe jejich řídící počítač je schopen regulovat i takové parametry, které jsou nezbytné např. při řezání laserovým paprskem, při řezání elektroerozívní drátovou vyřezávačkou, vodním paprskem apod. To uţ je ale odvětví nekonvečních metod obrábění, které nejsou cílem této práce. (Bartoš V., Král M., Minárik R., Štulpa M., 1998) Důsledkem rychlejšího rozšiřování CNC technologie se klasické obráběcí stroje postupně z dílen vytrácejí, uplatnění najdou výhledově pouze v opravárenství. (Štulpa M., 2006) CNC stroje s konvečním způsobem obrábění jiţ dnes pokrývají velmi široký rozsah způsobu obrábění, ať uţ jako specializované stroje (CNC soustruhy, CNC frézky, CNC brusky apod.) nebo jako univerzální CNC stroje (CNC obráběcí centra, CNC stavebnicové stroje, apod.). (Bartoš V., Král M., Minárik R., Štulpa M., 1998)
15
4.1
Vývoj NC strojů Ve vývoji NC strojů je moţné zaznamenat určité charakteristické etapy
označované za vývojové stupně nebo také vývojové generace. V podstatě lze vývoj NC strojů členit do několika vývojových stupňů. NC stroje 1. vývojového stupně Vyznačují se koncepcí zaloţenou na konstrukci konvenčních strojů, ke kterým jsou přiřazeny číslicové řídící systémy. Tyto stroje většinou umoţňují řízení v pravoúhlých cyklech. Dnes se jiţ nepouţívají. (Svoboda E., 1998) NC stroje 2. vývojového stupně Tyto stroje jsou jiţ svou koncepcí přizpůsobeny poţadavkům číslicového řízení. Stroje byly vybavovány systémem automatické výměny nástrojů. Jde převáţně o stroje nesplňující podmínky pro zařazení do automatizovaných výrobních soustav. (Marek J. a kol., 2010) NC stroje 3. vývojového stupně Konstrukce těchto strojů je zaměřena především na pouţití ve výrobních soustavách, pro které jsou přizpůsobeny s ohledem na řízení technologického i výrobního procesu počítači. (Svoboda E., 1998) Tyto stroje mají zdokonalenou mechanickou část a jsou automatizovány další funkce stroje. Řízení počítačem přejímá i systém dopravy obrobků a nástrojů ve výrobním systému. (Kocman K., 1984) NC stroje 4. vývojového stupně Jde převáţně o vývojové typy strojů, u nichţ se zavádějí progresivnější metody v konstrukci a vyuţití strojů (např. uplatnění laserových paprsků – zejména v měření, řízení atd.). (Svoboda E., 1998) Hovoří se tedy o plně automatizovaných technologických pracovištích (CNC obráběcích centrech) s vysokým stupněm automatizace, které jsou schopny při jednom upnutí obrobku vykonat několik druhů obráběcích procesů (např. soustruţení, frézování, vrtání, vyvrtávání, atd.), přičemţ je plně automatická výměna nástrojů a obrobků, manipulace s třískami, tak i návaznost na všechny druhy mezioperační dopravy. (Marek J. a kol., 2010)
16
Po téměř uspokojivém vyřešení úplné automatizace základních funkcí CNC obráběcích strojů v předcházejících vývojových stupních se postupně začaly uplatňovat v konstrukcích mechatronické prvky, tedy zejména elektronickou kompenzaci chyb polohování, měření rozměrů obrobků během obrábění měřícími sondami a korekcí (úpravou) programu pro dodrţení výkresových rozměrů a úchylek přesnosti. Objevuje se taktéţ laserové odměřování polohy a optimalizace řezných podmínek. (Marek a kol., 2010)
4.1.1 Druhy řízení číslicových strojů Pro pochopení jednotlivých druhů řízení je potřeba znát souřadnicové systémy stroje. U číslicově řízených strojů se vyuţívá dvou základních souřadnicových systémů. -
Kartézský souřadnicový systém – je pravotočivý, pravoúhlý s osami X,Y,Z, otáčivé pohyby se označují jako A,B,C (osy otáčivé jsou rovnoběţné s osami X,Y,Z)
(Štulpa, 2006) -
Polární souřadnicový systém – tento systém je jednodušší, neţ kartézský systém, protoţe je definován pouze dvěma veličinami, a to vzdáleností L a úhlem (nejčastěji se vyuţívá na vrtacích a vyvrtávacích CNC strojích)
(Bartoš V., Král M., Minárik R., Štulpa M., 1998)
Obr. 5. Souřadnicové systémy CNC strojů (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994, Štulpa M., 2006)
17
Podle sloţitosti jednotlivých pracovních cyklů rozeznáváme tyto druhy řídících systémů. 1) Řídící systémy s přetržitým řízením: a)
Systémy stavění souřadnic – jsou nejstarším řízením, které nemělo
mikroprocesor pro lineární (pohyb nástroje po přímce) ani kruhovou interpolaci (pohyb nástroje po kruţnici). Nástroj se pohybuje rychloposuvem na programovaný bod. Přitom nezáleţí na vykonané dráze, to znamená, ţe např. nejdříve dojede do koncové polohy jedna osa a potom dojde k pohybu v druhé ose, nebo jedou zpočátku obě osy současně pod úhlem 45° tak dlouho, neţ dosáhne první osa naprogramované hodnoty. Druhá osa jede dál aţ ke koncovému bodu. (Svoboda E., 1998) b)
Pravoúhlá řízení – jejich hlavním rysem je, ţe přestavování (přemisťování)
nástroje je prováděno rovnoběţně se souřadnými osami. Teprve po skončení pohybu v jedné souřadnici, můţe nastat obrábění v druhé souřadnici. Není tedy moţný pohyb ve dvou a více osách zároveň. Umoţňuje frézovat pravoúhlé obrobky a soustruţit válcové plochy. (Svoboda E., 1998)
Obr. 6. Systémy s přetržitým řízením (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994) 2) Řídící systémy se souvislým řízením: Tento typ řízení je ve srovnání s pravoúhlým řízením mnohem pruţnější, protoţe umoţňuje současný pohyb nejméně ve dvou osách. (http://sstzr.cz) Souvislá řízení umoţňují výpočet korekce a výpočet geometrie. To umoţňuje např. u soustruhu pohyb nástroje ve dvou dimenzích, po libovolných úkosech a kruhových obloucích a je moţné vytvoření sloţitějších ploch. (Svoboda E., 1998)
18
Toto řízení bývá označováno jako 2D řízení. 2D znamená řízení ve dvou současně pracujících souřadných osách. U mnohých frézek se můţe provádět lineární interpolace volitelně vţdy v jedné rovině (rovině X – Y, Z – X nebo Y – Z). V důsledku volného výběru interpolace hovoříme o souvislém řízení 2 1/2D (dvě a půl D). (Svoboda E., 1998)
Obr. 7. Druhy souvislého řízení (Svoboda E., 1998) Pomocí souvislého řízení 3D lze u frézek obrábět libovolné obrysy a prostorové plochy. Přitom musí interpolátor vypočítat pohyb ve dvou osách v závislosti na další ose. (Svoboda E., 1998) Interpolátor rozpočítá úhlovou nebo rádiusovou dráhu na pravoúhlé pojezdy, které rozdělí mezi jednotlivé motory příkazy o velikosti inkrementů do pojezdu (inkrement je nejmenší moţný posuv stroje, zpravidla 1μm) a následně ji porovnává s odměřovacím zařízením. (Štulpa M., 2006) U souvislého řízení 3D je zapotřebí více početních operací neţ u řízení 2D a 2 1/2D, to znamená, ţe je nutný mikroprocesor s vysokým výkonem. Jestliţe jsou vedle pohybu v osách X,Y a Z moţné ještě další současné pohyby (např. otočný pohyb kolem osy X nebo osy Y), mluvíme pak o řízení 4D příp. 5D. (Svoboda E., 1998)
19
4.1.2 Řídící systémy NC strojů Charakteristickým vnějším znakem NC řídícího systému je snímač děrné pásky (čtečka), snímač magnetofonové pásky popř. jiného nosného média. Pomocí této čtečky se do řídícího systému postupně načítají údaje pro řízení stroje v jednom pracovním kroku. Kaţdý krok představuje jednu větu nebo blok programu. Tyto jednotlivé věty jsou seřazeny postupně za sebou a tvoří tak program, podle kterého je stroj řízen a podle kterého je následně vyrobena součást poţadovaných vlastností. (Svoboda E., 1998)
Obr. 8. Osmistopá děrná páska (Svoboda E., 1998) Přečtené údaje např. z děrné pásky jsou systémem uloţeny a zpracovány buď na řízení pohybů, nebo slouţí jako signály, pro vyvolání ,,technologických‘‘ funkcí (start/stop vřetena, uvolnění/upnutí obrobku apod.). Po vykonání jednoho kroku se přečte další věta a původní údaje se zapomenou. To probíhá tak dlouho, dokud není přečtena věta o konci programu (M30) a tím je výrobek hotov. (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994) Řídící systém je tedy řešen hardwarově – pevným propojením elektronických prvků. Tímto propojením jsou pevně dány vlastnosti systému. (Svoboda E., 1998)
20
4.1.3 Řídící systémy CNC strojů CNC stroje jsou charakteristické tím, ţe ovládání pracovních funkcí stroje je prováděno pomocí vytvořeného programu přes počítač, na který je připojen vstup klávesnice. (Štulpa M., 2006) Jsou proti klasickým systémům NC mnohem pruţnější a vlastní řízení probíhá v reálném čase. Počítač čte nejdříve všechny vstupní informace řídícího programu a obvykle uloţí celý program do vnitřní paměti počítače, takţe při řízení stroje odpadá čtečka děrné pásky. (Svoboda E., 1998) Počítač na CNC obráběcím stroji nám následně nabízí volbu několika základních reţimů, ve kterých je potom moţné se strojem a s programem pracovat. -
Reţim MANUAL – ruční pokyny zadávané do stroje, jako přestavení nástroje, ruční posuv k obrobku, rozběh otáček, atd.
-
Reţim AUTO – plynulý proces obrábění podle programu.
-
Reţim B – B (Blok po Bloku) – slouţí pro kontrolu programu před jeho plynulým spuštěním, stroj zpracovává jednotlivé bloky (řádky) programu po jeho zvolení.
-
Reţim TOOL MEMORY – umoţňuje uloţit a vyvolat data o nástrojích, včetně korekcí.
-
Reţim EDITACE – slouţí pro ruční opravu programu.
-
Reţim DIAGNOSTIKY – oznamuje a diagnostikuje závady. Slouţí pro servis stroje.
(Štulpa M., 2006) Řídící systém CNC stroje je řešen softwarově. Počítač a moţnost práce se strojem a programem tvoří hlavní rozdíl mezi NC a CNC strojem.
5
POROVNÁNÍ
KONVENČNÍHO
OBRÁBĚNÍ
S TECHNOLOGIÍ CNC Postupný vývoj a rozšiřování NC a CNC strojů začal v sériových výrobách vytlačovat klasické konvenční obráběcí stroje, protoţe tato technologie s sebou přinesla velké moţnosti vyuţití právě v těchto sériových výrobách. V CNC technologii 21
a klasickém konvenčním obrábění je řada důleţitých rozdílů, které jsou popsány v několika nejdůleţitějších bodech.
5.1
Konstrukce strojů Konvenční obráběcí stroje jsou, co se týče konstrukce mnohem jednodušší
v porovnání s CNC stroji. Mezi nejvýraznější rozdíly v konstrukci konvenčního obráběcího stroje patří: Rámy – rámy jsou konstruovány z mnohem kvalitnějších materiálů, neţ je tomu u konvenčních strojů, aby bylo dosaţeno poţadovaných pevnostních vlastností, odolnosti proti opotřebení vodících ploch, dynamické stabilitě a stálosti tvaru a také poţadované tuhosti stroje. Na těchto poţadavcích závisí v převáţné míře přesnost obrábění. (Marek J. a kol., 2010)
Obr. 9. Materiály rámů CNC strojů (Marek J. a kol., 2010)
Pohony
–
pohon
konvenčního
obráběcího
stroje
je
řešen
elektromotorem
s převodovkou, který ovládá veškeré pohyby stroje, jako je vřeteno (přes řemenový nebo ozubený převod), strojní posuvy (přes lichoběţníkový pohybový šroub). Nebylo tedy moţné na konvenčních strojích obrábět ve více osách zároveň. U CNC strojů má kaţdý jednotlivý pohybový systém svůj servomotor, kterým je řízen. Jsou to pohyby stroje v jednotlivých osách, otáčky vřetene, chlazení a mazání soustavy, upínání a výměna nástroje. Tyto servomotory nám umoţňují vytváření velmi sloţitých a rozmanitých tvarů, které na konvenčních strojích nebylo moţné dosáhnout. Pohybové šrouby – na konvenčních strojích se pro lineární pohyby vyuţívali pohybové šrouby s lichoběţníkovým závitem. Na CNC strojích byly tyto šrouby nahrazeny
22
za kuličkové. Hlavním důvodem tohoto nahrazení je vyšší účinnost kuličkových šroubů (přes 90%) oproti lichoběţníkovým (20 – 40%), moţnost úplného odstranění vůle a zvýšení tuhosti a přesnosti polohování závitu předpětím matice a šroubu, nahrazení smykového tření za valivé tření. (Píč J., Houša J., 1974)
Obr. 10. Kuličkový šroub (http://www.mmspektrum.com) Upínání obrobku – klasické mechanické upínače obrobků byly nahrazeny pneumatickými a hydraulickými řízenými elektronicky. To umoţňuje kvalitní, rychlé a opakovatelné upnutí s velkou tuhostí, spolehlivostí a přesností. Upínaní nástrojů a jejich výměna – na konvenčních strojích tuto operaci prováděla obsluha stroje ručně a jejich kvalitní upnutí a ustavení do poţadované polohy bylo závislé na kvalitách obsluhy. U CNC strojů je samotné upínání a výměna nástrojů řešena pro moţnou automatizovanou výměnu, která je velmi rychlá a přesná. Díky automatické výměně nástrojů je moţné dosahovat mnohem efektivnější a přesnější výroby.
5.2
Technologická příprava výroby Na konvenčním obráběcím stroji si před samotným obráběním pracovník
přibliţně naplánuje výrobu. Při obrábění čte výkres a veškeré informace, které zjistí a vyčte z výkresu (geometrický tvar, rozměry, materiál, tolerance, apod.) sám zpracuje ve své hlavě. Následně nastaví vše potřebné na stroji (upnutí nástrojů, obrobku, otáčky, chlazení, atd.), provede ručně přísuv, stanoví posuv a začne s prvním krokem obrábění. 23
Po kaţdém kroku si plánuje krok další, provede ho a to aţ do chvíle, neţ je obrobek hotov. (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994) U CNC strojů musí být proveden veškerý plán postupu výroby před vlastním obráběním. Je nutné znát a mít k dispozici veškerá technologická data jako: -
Výkres součásti – musí obsahovat veškeré potřebné údaje o obrobku – geometrii, rozměry a tolerance.
-
Údaje o stroji – velikost pracovního prostoru, moţnosti vyuţití a výkon stroje a jeho pohonů.
-
Údaje o polotovaru – tvar, velikost, rozměry a kvalitu povrchu.
-
Upínací prostředky – musí zaručit co nejbezpečnější a nejpřesnější upnutí obrobku a nástrojů.
-
Údaje o nástrojích – na základě poţadavků na kvalitu obrobku musíme volit nástroje se správnou geometrií, trvanlivostí, výkonností a správně zvoleného nástrojového materiálu.
-
Řezné podmínky – řezná rychlost, posuv a hloubka řezu.
(Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994)
Obr. 11. Technologická příprava výroby u konvenčního obrábění a CNC (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994)
24
5.3
Řízení a obsluha stroje Na konvenčních obráběcích strojích probíhalo veškeré řízení a obsluha ručně,
znamená to, ţe výroba byla plně závislá na dovednostech a zkušenostech pracovníka (obráběče). Obrábění na konvenčních strojích je z hlediska přípravných operací jednodušší, neţ tomu je u CNC strojů. Před samotným řízením a výrobou na CNC strojích je nutné, aby seřizovač provedl veškeré předvýrobní nastavení stroje, jako je vymezení pracovního prostoru, kontrolu polohování pracovních mechanismů stroje, upnutí a následnou kontrolu nástrojů v zásobníku, upnutí obrobku, apod. Následně je nutné do řídícího systému stroje uloţit program, provést jeho simulaci a popřípadě opravu a korekci. Jakmile jsou tyto operace provedeny, je moţné započít výrobu obrobku.
5.4
Přesnost strojů Přesnost na obráběcích strojích je závislá na vůli v loţiskách a vedení stroje coţ
způsobuje, ţe je nástroj tlačen řeznými silami do jiné polohy. Existence těchto vůlí je na strojích nezbytná, protoţe jinak by byly třecí sily a tím vznikající opotřebení příliš velké a po krátkém čase by došlo ke vzniku větších nepřesností. Při obrábění dochází k pruţným (elastickým) deformacím, dochází i k tepelné roztaţnosti, to znamená, ţe všechny tyto vlivy vedou k odchylkám v přesnosti obrobků (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994) CNC obráběcí stroje jsou oproti běţným konvenčním strojům mnohem přesnější (přesnost aţ 0,001mm). Vyplívá to hlavně z mnohem kvalitnější konstrukce stroje a tím i její větší tuhosti. (Marek J. a kol., 2010) Na konvenčních strojích je moţné během práce obrobek proměřovat a podle toho provádět zásahy do polohy nástroje a tím korigovat nepřesnosti. Přesnost tohoto měření a úpravy polohy nástroje jsou závislé na schopnostech pracovníka a především také na přesnosti měřícího přístroje. Všechny tyto operace jsou však zdlouhavé a zasahují do strojního času stroje. Ve výsledku to znamená zhoršení hospodárnosti a ekonomické stránky výroby.
25
Na CNC strojích je moţné během výroby pouţívat mnohem přesnější a progresivnější metody kontroly přesnosti, jako např. měření pomocí sond, laserové měřící systémy, atd.
6
OBRÁBĚCÍ NÁSTROJ Obráběcí nástroj je aktivním činitelem procesu řezání, které se uskutečňuje
vnikáním pracovní části nástroje břitu do materiálu obrobku a odděluje z něho postupně částice ve tvaru třísky. (Vondráček F. a kol., 1985) Vlastní odebírání třísky z obráběného materiálu se provádí za účelem dosaţení poţadovaných funkčních a uţitkových vlastností, jako např. poţadovaného tvaru, přesnosti, polohy a jakosti. (http://ust.fme.vutbr.cz) Obráběcí nástroj je jedna z nejdůleţitějších částí v celém technologickém procesu obrábění. Bez tohoto činitele by nebylo moţné, aby docházelo k oddělování třísky a nebylo by tedy moţné tento proces uskutečnit.
6.1
Základní části a parametry nástroje Z geometrického hlediska je nástroj identifikován svými prvky, plochami,
ostřími a jednotlivými rozměry ostří. (Kocman K., 2011) Řezný nástroj se skládá ze dvou základních konstrukčních částí. a) Upínací část – tedy těleso nástroje, které neslouţí k samotnému procesu oddělování materiálu a vytváření třísky, nýbrţ slouţí k jeho pevnému připojení ke stroji – upnutí. b) Činná část – bývá nazývána jako hlava. Je opatřena břitem. (Karafiátová S., Langer I., 1998)
26
Obr. 12. Základní části nástroje (Karafiátová S., Langer I., 1998) Hlavní funkční částí hlavy (funkční část) je břit nástroje, coţ je klínovitá část, která vniká do materiálu a odděluje z něj materiál ve formě třísky. Břit nástroje je omezen těmito plochami. -
Plocha čela (čelo) – je to rovinná nebo zakřivená plocha, po které odchází tříska z místa řezu.
-
Hřbet – je plocha, která se můţe dělit na hřbet hlavní a vedlejší – jsou to plochy přikloněné k obráběné nebo obrobené ploše.
-
Ostří – průsečnice čela a hřbetu; je to pouze teoretická plocha.
Základním parametrem řezného nástroje, který se váţe na tyto jednotlivé plochy, je jeho geometrie, která nám udává tvar nástroje. Geometrie břitu je souhrn úhlových parametrů nástroje. (Karafiátová S., Langer I., 1998)
Obr. 13. Nástrojové úhly frézy a soustružnického nože (http://www.tuplikovo.cz) 27
Pro jednoznačnou identifikaci úhlů řezné části nástroje se definují dvě souřadnicové soustavy – nástrojová a pracovní. (Kocman K., 2011)
Nástrojové materiály
6.2
Nástrojové materiály řezných nástrojů a jejich volba jsou velmi důleţitou a nedílnou součástí procesu obrábění na CNC strojích. Při volbě nástrojových materiálů se musí vycházet z vhodných mechanicko – fyzikálních vlastností, pevnosti, tvrdosti, otěruvzdornosti a při správné volbě geometrie, musí zabezpečovat vysokou trvanlivost, ţivotnost
a
produktivitu
s
pohledem
na
ekonomickou
stránku
obrábění.
(http://ust.fme.vutbr.cz) Souhrn vlastností nástrojového materiálu, které ovlivňují jeho vhodnost k obrábění, se nazývá řezivost. (Karafiátová S., Langer I., 1998) Nástrojový materiál s ideální řezivostí totiţ vyţaduje: -
Vysokou tvrdost a pevnost při pracovních teplotách, zajišťující potřebnou odolnost pro opotřebení a deformaci břitu.
-
Vysokou houţevnatost, eliminující křehké porušení břitu.
-
Chemickou stálost, zaručující odolnost proti difuzi a oxidaci.
-
Odolnost proti teplotnímu rázu.
(Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) Nástrojové materiály je moţné podle sloţení rozdělit do několika skupin.
6.2.1 Kovové nástrojové materiály Nejčastěji jsou tyto nástroje vyráběny z oceli, do které se přidávají legující prvky z různých materiálů, které způsobují změny vlastností oceli. Legující prvky se do oceli přidávají podle poţadovaných vlastností a také podle nástroje, pro který má byl ocel vyrobena. Ocel je slitina ţeleza, uhlíku a dalších legujících prvků (v závislosti na stupni legování a poţadovaných vlastnostech), která obsahuje méně, neţ 2,14% uhlíku. Při obsahu
28
uhlíku nad 2,14%, hovoříme o tzv. litinách. Jednotlivé fáze a struktury oceli je moţné nalézt ve fázovém binárním diagramu ţelezo-uhlík. (Král P., Šrajer J., 2008) a) Nelegované oceli – také nazývané uhlíkové. Tyto materiály jsou pouţívané zejména pro ruční zpracování dřeva, papíru, oceli jako např. nůţky, rašple, pilníky, atd. Značení nástrojových ocelí je řazeno do samostatné třídy 19 (viz. tabulka 1.)dle normy ČSN EN 10020 (42 0002). Podle základní číselné značky je moţné zjistit vlastnosti jednotlivého druhu nelegované oceli. Vlastnosti se liší hlavně podle středního obsahu uhlíku, který nám ovlivňuje tvrdost a houţevnatost materiálu. b) Legované oceli – jednotlivé legující prvky jsou uvedeny v tabulce 1. Pro tyto oceli jsou charakteristické legující prvky jako je mangan, křemík, vanad, chrom, nikl, molybden a wolfram. Mezi nejvýznamnější legované oceli určené pro obrábění patří oceli rychlořezné. (Karafiátová S., Langer I., 1998)
Základní číselná značka 19 0 X X 19 1 X X 19 2 X X
Význam třetí číslice v základní značce
Dvojčíslí ze 3. a 4. Číslice vyjadřuje střední
Nástrojové oceli
obsah uhlíku
nelegované
19 3 X X
Oceli manganové, křemíkové, vanadové
19 4 X X
Oceli chromové
19 5 X X
Oceli chrommolybdenové
19 6 X X
Oceli niklové
19 7 X X
Oceli wolframové
19 8 X X
Oceli rychlořezné
19 9 X X
Oceli volné
Nástrojové oceli legované
Tab. 1. Rozdělení ocelí podle značení Rychlořezné oceli tvoří samostatnou skupinu vysokolegovaných nástrojových ocelí. Vhodně zvoleným obsahem příslušných legujících prvků dosahujeme různé specifické vlastnosti jednotlivých rychlořezných ocelí. (Janáč A., Bátora B., Baránek I., Lipa Z., 2004) Jsou nejvýkonnějším druhem nástrojových ocelí s hlavními přísadovými prvky, jako je wolfram, kobalt, molybden, chrom, vanad a další. (Karafiátová S., Langer I., 1998) 29
Obr. 14. Frézy z rychlořezné oceli (http://www.i-zavitniky.cz) c) Slinuté karbidy (SK) – jsou dvoufázový nebo vícefázový materiál tvořený velmi tvrdými karbidovými částicemi v kovové vazbě, připravený technologií práškové metalurgie. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) SK jsou vyráběny z karbidů těţkotavitelných kovů. Mezi tyto materiály patří karbid wolframu, karbid titanu, karbid tantalu, karbid niobu a pojiva čímţ je kobalt. (Janáč A., Bátora B., Baránek I., Lipa Z., 2004) Nástroje z SK můţeme z hlediska řezného procesu rozdělit do tří skupin: -
P – dvoukarbidové SK pouţívané pro obrábění materiálů dávajících plynulou třísku.
-
M – kombinované SK pouţívané pro obrábění materiálů dávajících plynulou i krátkou třísku
-
K – jednokarbidové SK pouţívané pro obrábění materiálů dávajících krátkou třísku
(Kocman K., 1984) Jednalo se tedy o SK nepovlakované. Vlastnosti SK můţeme upravit i vhodnou metodou a druhem povlakování. Povlakované vyměnitelné destičky z SK byly na trhu představeny koncem 60. let 20. století. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) Povlakováním SK se dá dosáhnout nejvyšší míry odolnosti vůči opotřebení, spojené s dobrou houţevnatostí. Povlak má homogenní jemnozrnnou strukturu a dobře kopíruje tvar funkční geometrie. Nanesená vrstva má vysokou tvrdost a umoţňuje pouţití vyšších řezných rychlostí. (Karafiátová S., Langer I., 1998)
30
Povlaky se vytvářejí z TiN, TiC, TiCN a popřípadě oxidu hlinitého Al2O3. Povlaky u vyměnitelných břitových destiček je moţné vytvořit dvěma nejpouţívanějšími metodami: -
Metoda CVD (Chemical Vapor Deposition) – chemická metoda nanášení povlaků
-
Metoda PVD (Physical Vapor Deposition) – fyzikální metoda nanášení povlaků
(Řasa J., Pokorný P., Gabriel V., 2005)
Obr. 15. Frézy ze slinutého karbidu (http://www.mapal.com)
6.2.2 Keramické nástrojové materiály Tímto názvem se dnes označuje několik řezných materiálů s odlišným chemickým sloţením a mikrostrukturou. Vývoj v oblasti řezné keramiky pro obráběcí nástroje byl v poslední době ohromující a jeho další perspektivy jsou bezpochybné. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) Keramické řezné materiály tvoří skupinu materiálů, která zahrnuje sloučeniny kovu s křemíkem, dusíkem, bórem, kyslíkem a také nekovové tvrdé látky. Řezná keramika jsou v podstatě slinuté korundy Al2O3 (oxid hlinitý), které mají vysokou stálost při obrábění za teplot aţ 1200 °C. (Karafiátová S., Langer I., 1998) Keramické materiály je moţné rozdělit do tří základních skupin: a) Čistá keramika – obsahuje aţ 99,9% Al2O3. (Kocman K., 2011) Tento typ řezné keramiky se vyznačuje vysokou otěruvzdorností, tvrdostí a má výhodné mechanické vlastnosti pro dokončovací obrábění. (Karafiátová S., Langer I., 1998) 31
b) Cermety – název tohoto materiálu zahrnuje počáteční písmena slovního spojení CERamic/METal pouţitý pro označení keramických částic v kovovém pojivu. Jedná se tedy o tvrdý řezný materiál obsahující tvrdé částice TiC, TiN, TiCN a další materiály v kovovém (Ni, Mo, Co) pojivu, vyrobený obdobně jako SK práškovou metalurgií. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) Tento typ řezné keramiky se vyznačuje vysokou tepelnou odolností, odolností proti otěru hřbetu a tvorbě tzv. výmolu na čele po odcházející třísce. Cermety jsou schopny dlouhodobě udrţovat přesnost výrobku a vysokou jakost povrchu. (Karafiátová S., Langer I., 1998) c) Směsná keramika – na bázi nitridu křemíku, má relativní vysokou odolnost proti mechanickému porušení břitu a dále spojuje vysokou tvrdost se stálostí při vysokých teplotách obrábění. Obecně je moţno 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. (Kocman K., 2011)
Obr. 16. Závislost tvrdosti nástrojových materiálů na teplotě obrábění (Karafiátová S., Langer I., 1998) Keramické nástroje nebo vyměnitelné břitové destičky bývají také někdy upravovány metodou CVD. Přínosy povlaků lze očekávat v ochraně proti chemickému opotřebení
32
keramiky, ve schopnosti zabránit šíření povrchových mikrotrhlin a ve zvýšení odolnosti proti teplotním rázům. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998)
Obr. 17. VBD z řezné keramiky (http://www.technickytydenik.cz) 6.2.3 Polykrystalické řezné materiály Do skupiny perspektivních řezných materiálů, které jsou v současné době ve světě realizovány, patří mimo řeznou keramiku další dva druhy syntetických řezných materiálů: -
Polykrystalický kubický nitrid bóru
-
Polykrystalický diamant
(Kocman K., 2011) Polykrystalický diamant (PKD) a polykrystalický nitrid bóru (CBN) se vyrábějí vysokoteplotní a vysokotlakou syntézou. Jsou to materiály, které vhodně doplňují výše uvedené materiály a to zejména ve speciálních případech pouţití. (Janáč A., Bátora B., Baránek I., Lipa Z., 2004) Polykrystalický kubický nitrid bóru je syntetický materiál, který se v přírodě nevyskytuje. Tento materiál se vyznačuje vysokou pevností za tepla s výbornou odolností proti opotřebení a chemickou stabilitou k ţelezným kovům. Tento materiál se pouţívá zejména pro obrábění tvrdých a ţáruvzdorných materiálů, kalené oceli, neţíhané tvrdé litiny, kalených nástrojových ocelí, apod. Polykrystalický diamant se vedle vysoké tvrdosti vyznačuje výbornou odolností proti abrazivnímu opotřebení, dobrou tepelnou vodivost a nízký koeficient tření. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) 33
K nevýhodám tohoto materiálu patří křehkost a nízká teplotní stálost (při dosaţení teplot nad 650 °C se mění na grafit). (Kocman K., 2011) KBN a diamant jsou v literatuře často označovány jako super tvrdé materiály (STM). (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998)
Obr. 18. VBD z kubického nitridu bóru (http://www.mmspektrum.com) Z Materiálů, popsaných v této části, se vyrábí řezné nástroje ve formě celistvých nástrojů pro danou operaci anebo se vyrábějí ve formě vyměnitelných břitových destiček (VBD), které jsou následně upínány do jednotlivých drţáků. Upínání nástrojů bude popsáno v další části této práce.
6.3
Druhy řezných nástrojů pro CNC stroje
6.3.1 Nástroje pro CNC soustruţení Doby, kdy soustruţnický nástroj byl pouze jednoduchým soustruţnickým noţem, upínaným za stopku čtvercového či obdélníkového průřezu do suportu stroje, jeho následnému ručnímu vystředění do osy soustruţení vzaly s rozvojem vysoce produktivních obráběcích strojů, soustruţnických a více profesních center dávno za své. (Borovan P., 2012)
34
Podle konstrukce a pouţití se noţe rozdělují na ubírací, hladící, zapichovací, tvarové, závitové. Tyto noţe se mohou pouţívat pro soustruţení vnějších nebo vnitřních ploch obrobku, mohou být podle směru obrábění i levé nebo pravé. (Janáč A., Bátora B., Baránek I., Lipa Z., 2004)
Obr. 19. Tvary soustružnických nožů a jejich využití (http://www.bow.cz) Dříve se pro soustruţení na konvenčních strojích vyuţívaly nástroje monolitní (celistvé), které jsou vyrobeny z jednoho druhu nástrojového materiálu. Po nástupu a rozšíření NC a CNC obráběcích strojů byly tyto monolitní nástroje vyměňovány za nástrojové drţáky, do kterých se upínají vyměnitelné břitové destičky (VBD). Princip obrábění s VBD je stejný, jako byl dříve s monolitními nástroji. Rozdílem je, ţe po opotřebení VBD se vymění pouze opotřebovaná destička za novou a nemusí se vyměnit nástrojový drţák jako tomu je v případě nevratného poškození celistvých nástrojů. Je také moţnost vyuţít kvalitnějších nástrojových materiálů. Sortiment tvarů VBD prošel dlouhým vývojem. V dnešní době je sortiment destiček opravdu rozmanitý a nabízí široký výběr tvarů, vyuţití a geometrie destiček, které jsou normalizovány. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998)
35
Obr. 20. Vybrané tvary VBD (http://www.sandvik.coromant.com) Destičky jsou uloţeny v sedle noţového drţáku a přidrţován v drţáku různými způsoby, které jsou normalizovány. (Janáč A., Bátora B., Baránek I., Lipa Z., 2004)
6.3.2 Nástroje pro CNC frézování Nástrojem pro frézování jsou vícebřité nástroje, které se nazývají frézy. (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994) Frézy mají břity uspořádány na válcové, kuţelové nebo jiné tvarové ploše, u čelních fréz také na ploše čelní. Z technologického hlediska a podle druhu pouţití je moţno rozlišit frézy pro frézování rovinných ploch (válcové, čelní frézy a frézovací hlavy) a tvarových ploch (tvarové frézy, frézy na dráţky klínů a per, na upínací dráţky, kopírovací frézy atd.). (Kocman K., Prokop J., 2001)
Obr. 21. Čelní válcové frézy pro CNC frézování (http://www.prumysl.cz, http://www.mmspektrum.com) 36
Podle konstrukce se frézy rozlišují na monolitní (celistvé, viz Obr. 14.), které mají těleso i činnou část (zuby) z jednoho kusu nástrojového materiálu, frézy s břitem pájeným, lepeným nebo frézovací hlavy, s vkládanými VBD. (Kocman K., Prokop J., 2001) S vývojem NC a CNC strojů byly monolitní nástroje postupně nahrazeny frézovacími hlavami s VBD. (Řasa J., Gabriel V., 2000) VBD jsou ve frézovací hlavě uloţeny v sedle a podobně jako u soustruţnických nástrojů přidrţovány různými způsoby podle konstrukce nástrojového drţáku.
Obr. 22. Stopková fréza s VBD (http://www.technikaatrh.cz)
7
UPÍNÁNÍ NÁSTROJŮ NA CNC STROJÍCH Během obrábění působí na nástroj vnější síly (řezná síla, setrvačná síla a jiné),
které musí být vyrovnány jeho řádným upnutím a ustavením do správné polohy. Nástroj se nesmí během obrábění samovolně uvolňovat a měnit svoji přesně vymezenou polohu. (Král P., Šrajer J., 2008) U CNC obráběcích strojů jsou nástroje měřeny a seřizovány pro zadání jejich hodnot do korekcí mimo vlastní stroj na specializovaném pracovišti (při sériové a velkosériové výrobě) nebo přímo na daném obráběcím stroji (při malosériové nebo kusové výrobě). Nástroje jsou upínány v jednotném systému nástrojových stopek a drţáků (v upínačích), které jsou následně upevňovány do zásobníků umístěných přímo ve stoji, které 37
umoţňují automatickou výměnu nástrojů. (Bartoš V., Král M., Minárik R., Štulpa M., 1998) Správné uloţení a upnutí nástrojů je velmi důleţité jak z hlediska výkonnosti, přesnosti a kvality výroby stroje, tak i z hlediska bezpečnosti. CNC obráběcí stroje a centra pracují zejména v oblasti vysokých otáček, posuvů a také teplot, a proto by kaţdá nedbalost a nepřesnost při jejich uloţení a upínání mohla způsobit těţký pracovní úraz. (Král P., Šrajer J., 2008) Upínače nástrojů představují nezbytný mezičlánek mezi obráběcím strojem, jeho vřetenem nebo nástrojovým suportem a vlastním řezným nástrojem. Aby bylo moţno vyuţít všech moţností, nabízených současnými výkonnými a přesnými obráběcími stroji na straně jedné a přesnými, výkonnými nástroji s poţadovanou ţivotností na straně druhé, je nezbytné, aby upínače splňovaly řadu poţadavků, bez jejichţ splnění by zhotovení přesného obrobku s přijatelnými náklady nebylo vůbec moţné. (Borovan P., 2012) Poţadavky pro kvalitní upnutí nástrojů jsou kladeny jak na upínače, tak i na upínací část nástrojů. Tyto poţadavky je moţné zahrnout do následujících bodů: -
Přenos sil mezi strojem a nástrojem (třením nebo pomocí tvarového konstrukčního řešení)
-
Středění nástroje (zajištění totožnosti osy nástroje a osy vřetene)
-
Polohování nástroje (zajištění přesné polohy vůči upínacímu systému stroje
-
Možnost snadné a rychlé výměny
-
Možnost automatizované výměny nástroje
-
Přívod řezné kapaliny do řezné části nástroje
Současným poţadavkem u moderních CNC strojů je i snadná, přesná a opakovatelná výroba. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998)
7.1
Upínání nástrojů na CNC soustruhu Většina
dnes
pouţívaných
CNC
soustruţnických
strojů
je
vybavena
nástrojovými hlavami, do kterých se na odděleném specializovaném pracovišti upínají nástroje (soustruţnické noţe, osové nástroje jako vrtáky, výstruţníky,…). (Kocman K., 1984)
38
Obr. 23. Držáky pro upínání soustružnických nožů a osových nástrojů (http://www.albaprecision.cz) Tyto nástrojové hlavy jsou postupně upínány do zásobníku nástrojů, kterým jsou zpravidla otočné revolverové hlavy různých konstrukcí, s různým počtem nástrojů. (Štulpa M., 2006)
Obr. 24. Revolverová hlava pro upnutí dvanácti nástrojových hlav (http://ciessetrade.cz)
39
Kaţdý nástroj, který je v revolverové hlavě upnut, má svoji danou polohu, která je následně zakódována do stroje. Kódování nástroje umoţní bezpečnou výměnu nástrojů, a zajistí, ţe se do pracovní polohy dostane skutečně naprogramovaný nástroj. (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994)
7.2
Upínání nástrojů na CNC frézce Důraz při upínání nástrojů na CNC frézkách je kladen zejména na jednoduché,
spolehlivé a rychlé upnutí do nástrojového drţáku. Kladeny jsou nároky na moţné seřízení nástrojů mimo stroj na specializovaném pracovišti nebo moţnost měření nástroje sondou přímo na stroji, moţnost automatické výměny nástroje pomocí manipulátoru, ukládání nástrojů do zásobníku a zakódování údajů potřebných pro výměnu a vyuţití nástrojů. (Poppeová V. a kol., 2002) Nástroje jsou do nástrojových drţáků upínány pomocí válcových nebo kuţelových stopek.
K
nejjednodušším
patří
upnutí
nástroje
pomocí
stopky,
opatřené
normalizovaným Morse kuţelem, jemuţ odpovídá příslušná kuţelová dutina v tělese upínače. Tento typ kuţelové stopky je samosvorný, to znamená je nutnost, aby byl upínač opatřen dutinou pro vyraţení nástroje. (Borovan P., 2012) Další moţností kuţelového upínání je pomocí strmého kuţele ISO, který je také normalizován a není samosvorný. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998) Válcové stopky bývají nejčastěji upínány pomocí kleštinových upínačů, jejichţ velkou předností je, ţe při změně průměru upínací stopky není nutné pouţít jiný drţák nástroje, pouze se vymění kleština na poţadovaný průměr. (Borovan P., 2012)
40
Obr. 25. Kleštinový držák pro nástroje opatřené válcovou stopkou (http://www.bow.cz) Drţáky nástrojů bývají zpravidla opatřeny strmým kuţelem ISO, které umoţňují automatickou výměnu nástrojů, jelikoţ nejsou samosvorné. (Kvasnička I., Slavík V., Štajnochr L., 1998)
Obr. 26. Nástrojové držáky s ISO kuželem (http://www.tgs.cz) 41
Drţáky jsou následně umístěny do zásobníků, které mohou být řešeny jako otočné nástrojové hlavy umístěné mimo vřeteno, nebo jako pásové nebo regálové zásobníky s kapacitou i několik stovek nástrojů. (Štulpa M., 2006)
KOREKCE NÁSTROJŮ NA CNC STROJÍCH
8
Je-li při výrobě obrobku na CNC stroji pouţito postupně více nástrojů různých délek a průměrů, při kaţdé změně nástroje během obrábění je nutné provést korekci. (Dillinger J. a kol., 2007) Korekce nástrojů se provádí před samotným procesem obrábění a po provedení korekcí se uloţí do nástrojové tabulky stroje. Tato korekce se vztahuje k prvnímu základnímu nástroji, zpravidla T1 a při jejím stanovení se postupně upnou nástroje T2, T3 aţ Tn do drţáků (kaţdý nástroj do vlastního drţáku), provede se uloţení nástrojů do zásobníku nástrojů na stroji a pro všechny nástroje se zjistí hodnoty X a Z na soustruhu, Z a poloměr nástroje na frézce. Následně se určí rozdíly poloh nástrojů T2 aţ Tn vůči nástroji T1. Nástroj T1 a jeho hodnoty v souřadných osách jsou nastaveny jako nulové. (Kocman K., Prokop J., 2001) Pro snadnější pochopení sestavování korekcí je nutné uvést základní vztaţné a nulové body stroje a především nástroje: -
M – nulový bod stroje
-
W – nulový bod obrobku
-
R – referenční bod stroje
-
P – bod špičky nástroje (řezu) – je nutný pro stanovení délkové korekce a následně rádiusové korekce nástroje (tj. poloměru zaoblení špičky nástroje).
-
F – vztažný bod suportu nebo vřetene – bod výměny nástroje na revolverové hlavě u CNC soustruhu, u CNC frézky je umístěn na čele vřetene a v ose její rotace.
-
E – bod nastavení nástroje – bod na drţáku nástroje, který se při upnutí ztotoţní s bodem F.
(Štulpa M., 2006) Korekce nástrojů pro CNC obráběcí stroje mohou být měřeny:
42
a) Externě na jiném pracovišti – drţák nástroje s upnutým nástrojem je upnut v adaptéru nastavovacího zařízení. Pomocí optického přístroje se snímačem se naměří a odečtou hodnoty vzdálenosti bodu E a bodu P. Tyto hodnoty se následně uloţí přímo do programu stroje nebo elektronicky pomocí čipu umístěného v drţáku nástroje. (Dillinger J. a kol., 2007)
Obr. 27. Měření špičky nástroje soustružnického nože na optickém přístroji (Dillinger a kol., 2007) b) Měření korekcí přímo na stroji – stroj můţe být vybaven optickým měřícím systémem, dotekovými sondami nebo můţe měření korekcí nástrojů provést obsluha ručně. -
Optický měřící systém – bod řezu P je systémem odečten od nulového bodu stroje M a jeho hodnoty jsou uloţeny do nástrojové tabulky. (Dillinger J. a kol., 2007)
-
Dotykové sondy – na stroji se nastaví reţim zjišťování korekcí pomocí dotykové sondy a stroj automaticky provede měření nástroje a hodnoty korekcí uloţí.
-
Ruční měření nástrojů – na stroji se umístí pevný dotek s určeným rozměrem, na který obsluha v ručním reţimu najede nástrojem, po doteku se naměřené hodnoty zapíší do tabulky nástrojů. (Štulpa M., 2006)
43
8.1
Korekce délkové Jedná se o zjištění délkových vzdáleností jednotlivých nástrojů. Měří se délky v
jednotlivých souřadných osách. Zjištěné délky jednotlivých souřadnic musí znát řídící systém, jelikoţ podle těchto údajů koriguje dráhy nástroje. Délkové korekce se u soustruţnických nástrojů měří v osách X a Z a u fréz pouze v ose Z. (Štulpa M., 2006)
Obr. 28. Délkové korekce (Dillinger J. a kol., 2007)
8.2
Korekce rádiusové Poţadavek na přesnost výroby vyráběné kontury nutně vyţaduje pouţívání
rádiusových korekcí. Rádiusové korekce se v současnosti zjišťují u všech nástrojů, jelikoţ nám právě umoţňují vyrobit výrobek s přesnými rozměry a geometrií. Kaţdý moderní řídící systém umoţňuje výpočet dráhy nástroje. K tomuto výpočtu je nutné znát přesné rozměry nástroje, tedy jeho průměr nebo rádius aby bylo moţné přesně stanovit dráhu nástroje a vypočítat ekvidistantu, po které stroj povede nástroj při obrábění. Ekvidistanta je myšlená čára pohybu středu nástroje, mající stále stejnou vzdálenost od obrysu obrobku. (Štulpa M., 2006)
44
Obr. 29. Teoretická dráha špičky nástroje a skutečná dráha nástroje po ekvidistantě (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994)
8.2.1 Rádiusové korekce na CNC soustruhu Tato korekce se týká zaoblení soustruţnických noţů. Soustruţnický nástroj má vţdy zaoblenou špičku nástroje rámusem o určitém rozměru (důvodem je poţadovaná jakost obráběné plochy), znamená to, ţe soustruţnický nůţ nemá ostrou špičku. (Štulpa M., 2006)
Obr. 30. Špička soustružnického nože (Bartoš V., Král M., Minárik R., Štulpa M., 1998) 45
Teoretický bod ostří nástroje P, který programujeme, leţí právě na špičce soustruţnického noţe. Ten se při běhu programu pohybuje po obvodu poţadovaného profilu obrobku. Při pohybech, které nejsou rovnoběţné s některou osou, dochází vlivem zaoblené špičky ostří nástroje k odchylkám tvaru programovaného profilu obrobku. (Dillinger J. a kol., 2007) Pokud by nebylo s velikostí rádiusu počítáno, došlo k výrobě výrobku s nesprávnou konturou, tedy k výrobě zmetku. (Štulpa M., 2006)
8.2.2 Rádiusové korekce na CNC frézce Fréza má svým průměrem danou velikost rádiusu (totéţ platí o rádiusu kulové frézy a dalších obdobných nástrojů). Pro vyuţití korekcí je nutné průměry nástrojů změřit a uloţit je do nástrojového listu, ze kterého si při vyuţití korekcí řídící systém tyto údaje odebírá a následně dopočítává tyto korekce při pohybu nástroje. Pokud programátor nebude počítat s touto korekcí, bude programovat, tedy i obrábět osou rotace nástroje a je nutné k těmto rozměrům připočítat poloměr frézy, coţ je přejezd frézy neţ dojde k obrábění v další dráze. Naopak při vyuţití rádiusové korekce není nutné počítat při programování s přejezdy nástroje o svůj poloměr, ale přímo programujeme rozměr obrobku a řídící systém si tento rozměr poloměru dopočítá. V případě frézování dráţky široké jak průřez frézy, není nutné tyto korekce vyuţívat, protoţe je programována dráha středu nástroje - tento střed je totoţný i pro dráţku. (Štulpa M., 2006)
9
CHLADÍCÍ ŘEZNÉ KAPALINY PRO OBRÁBĚNÍ Při obrábění, tedy vnikání břitu řezného nástroje do obráběného materiálu,
vzniká při oddělování třísky z obrobku teplo. (Frischherz A., Piegler H., Pragač J., 1994) Teplo vzniká v oblasti plastických deformací při tvoření třísky, v oblasti tření třísky po čele nástroje a v oblasti tření hřbetu nástroje po přechodové ploše obrobku.
46
Ke vzniku tohoto tepla dochází transformací vynaloţené práce. V teplo se při obrábění přemění přibliţně 98% této práce. (Kocman K., 2011)
Obr. 31. Teplo vzniklé procesem řezání (http://www.mmspektrum.com) Z toho vyplývá, ţe hlavní funkcí řezné kapaliny je účinný odvod tepla z místa řezání, ať uţ dokonalým chlazením nebo mazáním, kdy přívodem řezné kapaliny dochází ke zmenšení jak vnitřního, tak i vnějšího tření. (Kocman K., 2011)
Vlastnosti a funkce řezných kapalin
9.1
Řezné kapaliny lze obecně rozdělit do dvou hlavních skupin podle účinku na proces řezání, tj. kapaliny s převaţujícím chladícím účinkem a kapaliny s převaţujícím mazacím účinkem. Poţadavky na řezné kapaliny jsou kladeny zejména na: -
Chladící účinek
-
Mazací účinek
-
Čisticí účinek
-
Provozní stálost
-
Ochranný účinek
-
Zdravotní nezávadnost 47
-
Přiměřené náklady
(Kocman K., 2011)
9.2
Rozdělení řezných kapalin
Řezné kapaliny můţeme podle sloţení rozdělit: Vodní roztoky – jsou nejjednodušší řezné kapaliny; 2 aţ 5 % vodné roztoky elektrolytu (např. roztok uhličitanu sodného a křemičitanu sodného atp.). Jsou vhodné pro dokončovací metody obrábění. (Karafiátová S., Langer I., 1998) Voda jako jejich základ, vyţaduje řadu úprav, jako je její změkčování, přidávání přísad proti korozi, pro zlepšení smáčivosti a proti pěnivosti. Vzniká riziko rozmnoţování anaerobních bakterií, které způsobují tvorbu kalů a nepříjemný zápach. (Kocman K., 2011) Emulzní kapaliny – kombinují dobré chladící účinky vody s mazacími schopnostmi oleje. Olej se s vodou smísí (rozptýlí se v drobných kapkách) po přidání emulgátoru (tenzidu), který sníţí mezi povrchové napětí emulgovaných kapalin a stabilizují emulzi. Trvanlivost emulzí je oproti minerálním olejům menší, protoţe emulgátory jsou napadnutelné bakteriemi. (Dillinger J. a kol., 2007) Mastné oleje a tuky – jsou to látky ţivočišného a rostlinného původu a mají prakticky stejné vlastnosti, jako oleje minerální. Mají ale menší povrchové napětí a tím i lepší smáčivost, coţ přispívá k účinnějšímu odvodu tepla z místa řezu. (Kocman K., 2011) Jejich nevýhodou je vyšší pořizovací cena a značný sklon ke stárnutí. (Karafiátová S., Langer I., 1998) Minerální oleje – výrobek z ropy, s dobrými mazacími vlastnostmi, ale horším chladícím účinkem. Mají ale dobrý ochranný účinek a dobrou odolnost proti stárnutí. Mají velmi dobré povozní vlastnosti a proto se vyuţívají jako základ pro oleje řezné. (Kocman K., 2011) Řezné oleje – mají malý chladící účinek, převládá u nich mazací účinek. (Karafiátová S., Langer I., 1998) Řezné oleje jsou zušlechtěné minerální oleje. Jako přísady, které zlepšují mazací vlastnosti řezných olejů, se pouţívají mastné látky, organické sloučeniny a pevná maziva. (Kocman K., 2001)
48
Syntetické kapaliny – obsahují ve vodě emulgovatelné rozpouštědlo mazací látky. (Dillinger J. a kol., 2007)
9.3
Volba řezné kapaliny podle druhu práce Volba řezné kapaliny závisí na druhu obrábění, materiálu obrobku, materiálu
nástroje a na parametrech obrábění. Důleţitý je také tlak, pod kterým se řezná kapalina dostává k ostří. (Dillinger J. a kol., 2007)
9.4
Přívod řezné kapaliny k místu řezu Přívod řezné kapaliny do místa řezu významně ovlivňuje jak trvanlivost nástroje,
tak i jakost obrobené plochy. Jedná se především o tlakové chlazení, podchlazování řezné kapaliny, chlazení mlhou, chlazení vzduchem, chlazení kysličníkem uhličitým, vnitřní chlazení, chlazení dvěma kapalinami při broušení apod. Podstatou všech těchto metod je zvětšení chladícího a mazacího účinku řezné kapaliny. U většiny způsobů obrábění se řezná kapalina přivádí do místa řezání ze strany povrchu obrobku. (Kocman K., 2011)
Obr. 32. Chlazení při obrábění (http://www.charvat-chs.cz)
49
10
ZÁVĚR Při postupném vývoji počítačových technologií v minulém století bylo jen
otázkou času, kdy klasické konvenční obráběcí stroje, jakoţto jedny z nejdůleţitějších součástí strojírenské výroby, budou postupně nahrazovány a ve většině velkosériových výrob vytlačeny obráběcími stroji vybavenými číslicovým řízením, tedy stroji počítačově řízenými. Cílem bakalářské práce bylo popsat základní druhy mechanického třískového obrábění, aby bylo moţné postupně přejít na vývoj a charakteristiku technologie CNC a následně tyto technologie stručně porovnat a uvést základní rozdíly mezi konvečním obráběním a CNC stroji. V dnešní době, kdy se počítačové technologie dostali na velmi vysokou úroveň je moţné tyto stroje dále zdokonalovat. Je moţné stále zvyšovat efektivnost práce, dosahovat tvarově a rozměrově sloţitějších výrobků, ovšem za stále se zvyšujících poţadavků na kvalitu, cenu výroby, její rychlost a rozměrovou přesnost, která je spojena i s jakostí povrchu. Výsledkem dlouhé cesty vývoje CNC strojů bylo sestrojení prvních obráběcích center, které spojují více operací jako např. soustruţení, frézování, broušení, atd. Je moţná výroba obrobku bez nutnosti opakovaného upínání tzn. výroba na jedno upnutí, automatická výměna nástrojů, odvod třísek ze stroje a automatická doprava polotovarů k upínači a doprava obrobků na palety pro následné uskladnění nebo montáţ. V další části byla práce zaměřena na upnutí a korekci nástrojů. Upnutí nástrojů na CNC strojích je řešeno pro jejich moţnou automatickou výměnu. Poţadavky kvalitního upnutí jsou kladeny zejména na co nejkratší časy automatické výměny a moţnost rychlého a jednoduchého nahrazení opotřebovaných nástrojů za nové. Společně s přesným měřením nástrojů a následnou korekcí je moţné dosahovat velmi přesných obrobků s poţadovanými rozměry, tvarem a jakostí povrchu ale také poţadovanou trvanlivostí a ţivotností nástrojů aby mohla být dodrţena i ekonomická stránka výroby. Ţivotnost a trvanlivost nástrojů je ovlivněna také správnou volbou řezného materiálu. Popis a stručná charakteristika nástrojových materiálů a nástrojů pro CNC stroje jsou proto nedílnou součástí této části bakalářské práce. Kvalitním upnutím a korekcí je potřeba dosáhnout i z důvodů zajištění bezpečnosti výroby. I bezpečnost je velmi důleţitým faktorem ovlivňujícím produktivitu práce CNC strojů. Poţadavky kladené na tyto operace zajistili moţnosti vývoje v dalších oblastech,
50
spojených se strojírenskou výrobou, jako je výroba kvalitních měřidel včetně optických přístrojů. V poslední části bakalářské práce, se pojednávalo o řezných kapalinách, tedy chladících a mazacích, jejichţ vyuţití se snaţí postupně co nejvíce sníţit. Hlavním důvodem odstranění chladících a mazacích kapalin při procesu obrábění je snaha chránit ţivotní prostředí protoţe po čase se musí kapaliny vyměnit a pouţité kapaliny je nutné ekologicky likvidovat. Tyto likvidace jsou velmi nákladné a projevují se negativně v ekonomické stránce výroby. Tím pádem dochází k vývoji tzv. suchého a tvrdého obrábění, u kterého není nutnost vyuţívání řezných kapalin. Tato technologie se nazývá HSC – vysokorychlostní obrábění. Technologie HSC naznačuje jakým směrem je moţné technologii CNC postupně rozvíjet. Tato technologie také poukazuje na to, jak je tato část strojírenského oboru perspektivní, protoţe nabízí moţnost jak vyvíjet stále lepší, výkonnější a kvalitnější CNC stroje ale také moţnost rozvoje nových nástrojových materiálů ale také optických a měřících přístrojů, které mohou zasáhnout i do jiných vědních oblastí.
51
11
POUŢITÁ LITERATURA
BARTOŠ V., KRÁL M., MINÁRIK R. a ŠTULPA M., 1998: Základy CNC obráběcích strojů. Fragment, Havlíčkův Brod, 59 s, ISBN 80-7200-295-3. Borovan P., 2012: Technický týdeník – Upínače nástrojů. Databáze online [cit.
2013-
02-28]. Dostupné na: http://www.technickytydenik.cz/ DILLINGER J., 2007: Moderní strojírenství pro školu i praxi. Europa-Sobotáles, Praha, 608 s, ISBN 978-80-86706-19-1. FOREJT M. a PÍŠKA M., 2006: Teorie obrábění, tváření a nástroje. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 225 s, ISBN 80-214-2374-9. FRISCHHERZ A., PIEGLER H. a PRAGAČ J., 1994: Technologie zpracování kovů 2. Wahlberg, Praha, 280 s, ISBN 80-901657-2-9. JANÁČ A., BÁTORA B., BARÁNEK I. a LIPA Z., 2004: Technológia obrábania. Vydavateľstvo STU, Bratislava, 288 s, ISBN 80-227-2031-3. KARAFIÁTOVÁ S. a LANGER I., 1998: Technologie soustružení. Fragment, Havlíčkův Brod, 124 s, ISBN 80-7200-239-2. KOCMAN K., 1984: Speciální technologie II – Základy optimalizace a technologie obrábění na NC strojích. VUT v Brně, Brno, 193 s. KOCMAN K., 2011: Technologické procesy obrábění. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 330 s, ISBN 978-80-7204-722-2. KOCMAN K. a PROKOP J., 2001: Technologie obrábění. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 270 s, ISBN 80-214-1996-2. KRÁL P. a ŠRAJER J., 2008: CNC obráběcí centra. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, Brno, 79 s, ISBN 978-80-7375-163-0. KVASNIČKA I., SLAVÍK V. a ŠTAJNOCHR L., 1998: Obráběcí nástroje. České vysoké učení technické, Praha, 98 s, ISBN 80-01-01755-9. MAREK J. a BLECHA P., 2010: Konstrukce CNC obráběcích strojů. MM Publishing, Praha, 420 s, ISBN 978-80-254-7980-3. NOVOTNÝ K. a ZEMČÍK O., 2006: Přípravky a nástroje. Databáze online [cit. 2013-03-03]. Dostupné na: http://ust.fme.vutbr.cz/ PÍČ J. a HOUŠA J., 1974: Vybrané statě z konstrukce NC obráběcích strojů. VUT v Brně, Brno, 167 s.
52
POPPEOVÁ V., 2002: Automatizácia strojárskej výroby. EDIS, Ţilina, 229 s, ISBN 808070-009-5. Programování – základní pojmy [online]. 2006 – 2010 [cit.
2013–02–08]. Dostupné
na: http://sstzr.cz/download/cat1/ucebnicecnc.pdf/ PŘIKRYL Z., BARTUŠKA M. a SKŘIVAN K., 1967: Technologie obrábění. SNTL, Praha, 444 s. ŘASA J. a GABRIEL V., 2005: Strojírenská technologie 3 – metody, stroje a nástroje pro obrábění. Scientia, Praha, 256 s, ISBN 80-7183-337-1. ŘASA J., POKORNÝ P. a GABRIEL V., 2005: Strojírenská technologie 3 – obráběcí stroje pro automatizovanou výrobu. Scientia, Praha, 221 s, ISBN 80-7183-336-3. SVOBODA E., 1998: Technologie a programování CNC strojů. Fragment, Havlíčkův Brod, 100 s, ISBN 80-7200-297-x. ŠTULPA M., 2006: CNC obráběcí stroje a jejich programování. BEN - technická literatura, Praha, 126 s, ISBN 978-80-7300-207-7. VONDRÁČEK F., 1985: Materiály a technologie 2 – technologie obrábění kovů. Státní pedagogické nakladatelství, Praha, 244 s.
53
12
SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK
Obr. 1. Jednotlivé metody obrábění a jejich řezné pohyby ............................................ 11 Obr. 2. Princip soustružení ............................................................................................. 12 Obr. 3. Princip frézování ................................................................................................ 13 Obr. 4. Princip broušení ................................................................................................. 14 Obr. 5. Souřadnicové systémy CNC strojů ..................................................................... 17 Obr. 6. Systémy s přetržitým řízením .............................................................................. 18 Obr. 7. Druhy souvislého řízení ...................................................................................... 19 Obr. 8. Osmistopá děrná páska ...................................................................................... 20 Obr. 9. Materiály rámů CNC strojů ............................................................................... 22 Obr. 10. Kuličkový šroub ................................................................................................ 23 Obr. 11. Technologická příprava výroby u konvenčního obrábění a CNC .................... 24 Obr. 12. Základní části nástroje ..................................................................................... 27 Obr. 13. Nástrojové úhly frézy a soustružnického nože .................................................. 27 Obr. 14. Frézy z rychlořezné oceli .................................................................................. 30 Obr. 15. Frézy ze slinutého karbidu ............................................................................... 31 Obr. 16. Závislost tvrdosti nástrojových materiálů na teplotě obrábění ........................ 32 Obr. 17. VBD z řezné keramiky ...................................................................................... 33 Obr. 18. VBD z kubického nitridu bóru .......................................................................... 34 Obr. 19. Tvary soustružnických nožů a jejich využití ..................................................... 35 Obr. 20. Vybrané tvary VBD .......................................................................................... 36 Obr. 21. Čelní válcové frézy pro CNC frézování ............................................................ 36 Obr. 22. Stopková fréza s VBD ....................................................................................... 37 Obr. 23. Držáky pro upínání soustružnických nožů a osových nástrojů ........................ 39 Obr. 24. Revolverová hlava pro upnutí dvanácti nástrojových hlav .............................. 39 Obr. 25. Kleštinový držák pro nástroje opatřené válcovou stopkou .............................. 41 Obr. 26. Nástrojové držáky s ISO kuželem ..................................................................... 41 Obr. 27. Měření špičky nástroje soustružnického nože na optickém přístroji ................ 43 Obr. 28. Délkové korekce ............................................................................................... 44 Obr. 29. Teoretická dráha špičky nástroje a skutečná dráha nástroje po ekvidistantě . 45 Obr. 30. Špička soustružnického nože ............................................................................ 45 Obr. 31. Teplo vzniklé procesem řezání ......................................................................... 47
54
Obr. 32. Chlazení při obrábění ....................................................................................... 49 Tab. 1. Rozdělení ocelí podle značení............................................................................ 29
55
