MASARYKOVA UNIVERZITA

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání

Nekonvenční metody obrábění Bakalářská práce

Brno 2014

Vedoucí práce: Ing. Zdeněk Hodis, Ph.D.

Autor práce: Pavel Kovárník

Bibliografický záznam KOVÁRNÍK, Pavel. Nekonvenční metody obrábění. Bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání, 2014. 60 l., 9 l. příl. Vedoucí diplomové práce Zdeněk Hodis.

Anotace Bakalářská práce se zabývá charakteristikou jednotlivých nekonvenčních metod obrábění. Jsou zde popsány základní nekonvenční metody, výhody a nevýhody nekonvenčních technologií obrábění, porovnání laseru a plazmy v podmínkách firem při výrobě měřicí šablony. Při výrobě měřicí šablony jsou sledovány dostupné parametry nekonvenčních metod a jejich vyhodnocení.

Annotation The thesis deals with the characteristics of each of the unconventional methods of machining. There are described basic unconventional methods, advantages and disadvantages of non-conventional machining technology, comparing the laser and plasma in the condition of firms in the production of a measuring template. In the manufacture of measuring templates the available parameters of the unconventional methods and their evaluation are monitored.

Klíčová slova Nekonvenční metody obrábění, laser, plazma, vodní paprsek, elektrojiskrové obrábění, obrábění ultrazvukem, elektrochemické a chemické obrábění, popis firem a jejich historie, výroba kontrolní šablony.

Keywords Unconventional methods of machining, laser, plasma, waterjet, Electric Discharge Machining (EDM), ultrasonic machining, electrochemical and chemical treatment, description of companies and their history, production control templates.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a použil jen prameny uvedené v seznamu literatury.

V Brně 2014

Pavel Kovárník ................................................. podpis

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu práce Ing. Zdeňku Hodisovi, Ph.D. za odborné vedení při zpracování bakalářské práce a za poskytnutí cenných rad při samotné tvorbě této práce. Zároveň chci poděkovat firmám BAST s.r.o a Metalkov MB, s.r.o. za pouţití dostupných informací a technologií.

OBSAH

ÚVOD............................................................................................................................................6 1 ZÁKLADNÍ NEKONVENČNÍ METODY OBRÁBĚNÍ ....................................................7

1.1

ŘEZÁNÍ PAPRSKEM LASERU LBM .................................................................... 7

1.2

ŘEZÁNÍ PAPRSKEM PLAZMY PBM ................................................................... 9

1.3

ŘEZÁNÍ VODNÍM PAPRSKEM WJM ................................................................ 10

1.4

ELEKTROJISKROVÉ DRÁTOVÉ ŘEZÁNÍ EDM ................................................ 12

1.5

ELEKTROJISKROVÉ HLOUBENÍ EDM ............................................................ 14

1.6

OBRÁBĚNÍ ULTRAZVUKEM USM ................................................................... 16

1.7

ELEKTROCHEMICKÉ OBRÁBĚNÍ ECM ........................................................... 19

1.8

CHEMICKÉ OBRÁBĚNÍ CM ............................................................................. 23

2 POROVNÁNÍ (NMO) V PODMÍNKÁCH FIREM ..........................................................25

2.1

HISTORIE FIRMY BAST S.R.O. ....................................................................... 25

2.2

HISTORIE FIRMY METALKOV MB, S.R.O. ...................................................... 29

2.3

VÝROBA KONTROLNÍ ŠABLONY (NMO)......................................................... 31

2.4

POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ VÝROBY (NMO)....................................................... 37

3 SPOLUPRÁCE SŠŘS S FIRMAMI BAST S.R.O. A METALKOV MB S.R.O. ............38 4 OVĚŘOVÁNÍ ZNALOSTÍ FORMOU (DT) .....................................................................40 ZÁVĚR .......................................................................................................................................41 SUMMARY ................................................................................................................................42 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY A ODKAZŮ ...............................................................43 SEZNAM POUŢITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK .............................................................46 SEZNAM PŘÍLOH....................................................................................................................47 PŘÍLOHY ...................................................................................................................................48

Úvod Bakalářská práce je koncipována jako výukový materiál učebních oborů Obráběč kovů a maturitních oborů Mechanik seřizovač. V teoretické části se zabývá vyuţíváním a popisem nekonvenčních technologií obrábění, které postupně nahrazují konvenční technologie. Praktická část je zaměřena na výrobu kontrolní šablony v podmínkách firem nekonvenčními technologiemi, tj. paprskem laseru a paprskem plazmy. Základem nekonvenčních technologií obrábění je vyuţívání tepelného, elektrického, chemického či mechanického principu obrábění. Charakteristické pro všechny nekonvenční technologie obrábění je absence klasické třísky, která vzniká při konvenčním obrábění a dělení materiálu. K úběru materiálu dochází účinky tepelnými, chemickými nebo abrazivními či jejich kombinací. Zavádění nekonvenčních technologií do průmyslové sféry začalo probíhat v druhé polovině 20. století při řešení problémů v leteckém a kosmonautickém průmyslu, kde byly zpracovávány těţkoobrobitelné materiály s vysokou tvrdostí, pevností a houţevnatostí, které nelze hospodárně obrábět konvenčními metodami, jako byly titanové a jiné superslitiny, těţké kovy, keramika, kalené oceli atd. Nekonvenční metody obrábění lze rozdělit dle účinků oddělování materiálu do následujících skupin:  oddělování materiálu tepelným účinkem – elektroerozivní obrábění, obrábění paprskem plazmy, obrábění paprskem laseru, obrábění paprskem elektronů  oddělování materiálu chemickým nebo elektrochemickým účinkem – elektrochemické obrábění, chemické obrábění  oddělování materiálu mechanickým účinkem – ultrazvukové obrábění, obrábění paprskem vody Pro tyto nekonvenční technologie obrábění se pouţívají CNC (Computerized Numerical Control) řízené stroje, které díky automatizaci zvyšují hospodárnost a efektivitu výrobních procesů. Svými moţnostmi minimalizují chyby zapříčiněné lidským faktorem, zvyšují dosaţitelnou přesnost hotových výrobků včetně zvýšení bezpečnosti práce. Snad jedinou váţnější nevýhodou zůstává vysoká pořizovací cena stroje. 6

1 Základní nekonvenční metody obrábění Nekonvenční metody obrábění jsou zaloţeny na vyuţití fyzikálního nebo chemického úběru materiálu. Většinou se jedná o bezsilové působení na obráběný materiál bez vzniku klasických třísek. Podle fyzikálního principu odebírání materiálu se technologie nekonvenčních metod obrábění dělí na elektrické metody, které zahrnují elektroerozivní obrábění a elektrochemické obrábění. Dále to jsou tepelné metody, jejichţ podstatou je elektronové dělo, které slouţí ke zrychlení a zostření svazku elektronů. Chemické metody, ty jsou zaloţeny na principu vyuţívání chemických reakcí mezi obrobkem a chemickou látkou. A v neposlední řadě mechanické metody, u kterých je vyuţíváno ultrazvukové energie nebo vodního paprsku pro odebírání materiálu.

1.1 Řezání paprskem laseru LBM Slovo laser pochází z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. zesilování světla stimulovanou emisí záření. První funkční laser byl sestaven v roce 1960 pouţitím krystalu rubínu jako aktivního prostředí. Technologie byla zdokonalena sovětskými fyziky v 70. letech 20. století. Laserový paprsek je v dnešní době pouţíván v mnoha odborných odvětvích. V lékařství je vyuţíván jako chirurgický nástroj, v informatice ke snímání nebo nahrávání záznamů na disková úloţiště, ve strojírenském průmyslu slouţí laser k obrábění těţkoobrobitelných materiálů, jejich značení (gravírovaní) a k broušení nástrojů.[1]

Obr. 1.1 Laserový paprsek [3]

Obr. 1.2 Úběr materiálu laserem [3]

7

Laserové zařízení je tedy moţno pouţít v následujících oblastech:  úběr materiálu (řezání, obrábění, popisování)  svařování  tepelné zpracování (kalení, ţíhání)  barvení, dělení skla a keramiky K odstranění materiálu z místa řezu nebo ochraně materiálu před neţádoucí korozí se pouţívá technických plynů. Laserový plyn je sloţen ze stlačeného oxidu uhličitého, dusíku a helia. Kaţdý plyn má své specifické vlastnosti nejenom pro zvýšení účinnosti laseru, ale i pro ulehčení chlazení CO2 při laserovém procesu.

Výhody a nevýhody laseru

Obr. 1.3 Pracovní prostor laseru [4]

Obr. 1.4 Zařízení pro řezání laserem [5]

Výhody laseru spočívají ve vysoké přesnosti řezaných dílů slabých a středních tloušťek téměř všech technických materiálů při vysokých řezných rychlostech s malou šířkou řezné spáry (0,2 – 0,4 mm). Při řezání laserem je téměř neomezená výroba malých otvorů, různých geometrických tvarů s ostrými úhly. Další výhodou je malé tepelné ovlivnění dělené oblasti, velice kvalitní řez téměř bez okují a stop tepelného zpracování. Nevýhodou dané technologie je vysoká pořizovací cena a provozní náklady, sníţení stability a kvality řezu u zkorodovaných materiálů, omezení tloušťky materiálu u konstrukční oceli do 25 mm, vysokolegované oceli do 15 mm a hliníku do 10 mm. U slabých dílců hrozí deformace teplem (prohnutí) a dále je méně vhodná pro jemnější obrábění, např. pro zhotovení závitů.[2] 8

1.2 Řezání paprskem plazmy PBM Technologie řezání paprskem plazmy je pouţívána jiţ od padesátých let dvacátého století. Plazma je charakterizována jako tepelný, vysoce ţhavý, elektricky vodivý plyn sloţený z kationů, anionů, elektronů, neutrálních atomů a molekul daného plynu.

Obr. 1.5 Plazma chlazená vodou [8]

Obr. 1.6 Schéma plazmového řezáku [9]

Jako plazmové plyny jsou pro zúţení a zaostření paprsku pouţívány tzv. fokusační plyny (argon, dusík, vodík). Pro ochranu paprsku plazmy i řezných částí děleného materiálu se pouţívají ochranné (asistenční) plyny (argon, dusík). Princip plazmového řezání spočívá v natavení děleného materiálu extrémně vysokou teplotou (10 000 – 30 000 °C) a jeho následného vyfukování z řezné spáry. Proces je tedy zaloţen na tepelné a kinetické energii plazmy. Vlastnosti procesu jsou dány výkonem proudového zdroje (125 A, 300 A, 600 A), konstrukcí hořáku a typem procesu (jednoplynový, dvouplynový, s vodním vírem pod vodou) a druhem plazmového a fokusačního plynu. Nejrozšířenějším typem plazmového dělení materiálu jsou vzduchové plazmy. Dobrých výsledků dělení materiálu lze dosáhnout při řezání pod vodou. Tato technologie vlivem intenzivního okolního chlazení řezu sniţuje deformaci řezaného materiálu. Vodní ochrana zabraňuje šíření škodlivých plynných emisí do okolí a minimalizuje hlučnost řezacího procesu.[6]

9

Výhody a nevýhody plazmy

Obr. 1.7 Zařízení pro řezání plazmou [10]

Obr. 1.8 Pracovní prostor plazmy [10]

Výhodou plazmového řezání materiálu je pouţití jednoho nebo více hořáků podle série výroby. Díky tomu lze řezat všechny elektricky vodivé materiály z vysokolegovaných ocelí a hliníkových materiálů. Plazma disponuje vysokou řeznou rychlostí (aţ 10x vyšší neţ acetylenokyslíkové řezání), čistota řezu je srovnatelná s kvalitou řezu laserem. Při řezání plazmy pod vodou dochází k velmi malému tepelnému ovlivnění materiálu díky okolnímu chlazení řezu, čímţ se sniţuje deformace plechů. Nevýhodou plazmového řezání je poněkud širší řezná spára (1 – 3 mm), omezení pouţití do 160 mm u suchého řezání a 120 mm u řezání pod vodou. Jestliţe pouţijeme plazmu při řezání otvorů menších jak 1,5 násobek síly plechu, vznikají deformace a nepřesnosti otvoru.[7]

1.3 Řezání vodním paprskem WJM Řezání vodním paprskem (VP) je technologie, která sahá do 50. let 20. století. Tehdy se začalo experimentovat s vyuţitím síly vodního paprsku při řezání dřeva. Technologie byla vylepšena v 70. letech, kdy se při řezání začalo pouţívat přidávání abraziva AWJ (obr. 1.9). Obrábění vodním paprskem se také někdy označuje jako hydrodynamické obrábění. Zdrojem tlaku jsou vysokotlaká čerpadla, která vytvářejí pracovní tlak 3 800 – 6 200 barů. Tímto způsobem lze řezat veškeré materiály, které

10

mohou přijít do styku s vodou, tj. kovové, nekovové i kompozitní. Pro měkké materiály, např. dřevo, gumu, plasty atd., se pouţívá čistý vodní paprsek.[11] 1–vysokotlaký přívod vody 2–rubínová nebo diamantová tryska 3–abrazivo 4–směšovací trubička 5–drţák 6– paprsek 7–materiál Obr. 1.9 Řezací hlavice AWJ [13] Dosaţení lepšího výkonu při řezání vodním paprskem lze docílit přidáním abraziva ve formě prášku, mikročástic křemičitého písku, drobných granulátů, ocelových kuliček nebo ocelové drtě. Podstatou řezání abrazivním paprskem je v průchodu kapaliny potrubím do řezací hlavice. Při vyústění vodní paprsek narušuje materiál a zároveň ho odplavuje. Vodní paprsek procházející tryskou, která je vyrobena ze safíru, rubínu nebo diamantu, má výsledný výtokový průměr od 0,25 do 2,2 mm.[11]

Výhody a nevýhody vodního paprsku

Obr. 1.10 Zařízení pro řezání (VP) [12]

Obr. 1.11 Řezání vodním paprskem [12]

11

Výhodou řezání vodním paprskem je dělení materiálu bez tepelného působení. Díky tomu nevznikají ţádné změny struktury materiálu a dílec je následně snadno obrobitelný. Nedochází k tepelné deformaci dílců, je moţné řezat jakékoli materiály včetně kovů, jejich slitin, kalených a těţko opracovatelných materiálů (pryţ, plast, gumotextil, sklo nebo sklolaminát). Řezná spára je od 0,25 mm průměru paprsku, nenarušuje povrchovou úpravu materiálu, nevznikají ţádné ekologické zplodiny a netvoří se ţádný nebezpečný odpad. Nevýhodou tohoto typu řezání je kontakt materiálu s vodou i abrazivním materiálem. Bez okamţitého ošetření nastává rychlý nástup povrchové koroze, u savých materiálů dochází ke změně barvy, znečištění a je nutné tento materiál vysušit. Tímto způsobem není téměř moţná výroba velmi malých dílců (cca pod 30 – 50 mm), při jejich výrobě lze pouţít můstky. Pořizovací cena stroje je 10x vyšší neţ u klasického konvenčního stroje a při horších kvalitativních stupních řezu u silnějších materiálů dochází k deformaci kontury řezu ve spodní hraně vlivem tzv. výběhu paprsku.[12]

1.4 Elektrojiskrové drátové řezání EDM Princip elektrojiskrového řezání drátovou elektrodou je v pouţití tenkého drátu o síle 0,1 – 0,3 mm, který je napjatý mezi dvěma rameny stroje s přesným vedením. Ve standardním provedení je schopen řezat do síly materiálu 300 mm ve vodní lázni, vzhledem k novým inovacím švýcarského výrobce umoţňuje řezání materiálu o síle 420 mm. Pro vedení drátu se pouţívá pouze jedno tzv. kombinované vedení drátu.[6]

Obr. 1.12 Stroj pro drátové řezání [16] 12

Při řezání je výkres obrobku uloţen v počítači a předán stroji jako program, podle

něhoţ

stroj

vyřeţe

poţadovaný

tvar

pomocí

drátu

vedením

podél

naprogramovaných křivek. Obráběnými materiály mohou být všechny elektricky vodivé materiály v různých stupních obrobitelnosti (ocel, tvrdokov, grafit, atd.).[9]

1. Drátová elektroda 2. Elektrický oblouk 3. Napětí 4. Obrobek Obr. 1.13 Princip elektrojiskrového řezání [17]

Výhody a nevýhody elektrojiskrového řezání Výhodou u drátového řezání je, ţe nedochází ke kontaktu nástroje s obrobkem a díky neustálému odvinu drátu ani k opotřebení nástroje (drátu). Mezi dobré vlastnosti patří výrobní přesnost, povrchová jakost obrobení, při které často odpadá nutnost dodatečného broušení. Běţně dosahovaná drsnost povrchu při řezu je kolem 0,8 µm. Problémy nenastávají ani při řezání velmi malých a sloţitých tvarů nepůsobením mechanických sil nástroje. Moţností je naklonění horního a dolního vedení drátu, coţ umoţňuje řezání pod úhlem aţ 30°. Touto metodou je moţno obrábět i velmi tvrdé materiály, např. kalené nástrojové oceli, karbidy wolframu, slinuté karbidy, titan a těţkoobrobitelné materiály.[14] Nevýhodou je omezení maximální rychlosti řezání okolo 500 mm/min-1 a maximální řezný úkos 45°. Nelze obrábět dutiny a slepé otvory, na samotném počátku řezací operace je nutné provést vyvrtání otvoru pro navlékání drátu.[15]

13

1.5 Elektrojiskrové hloubení EDM Principem elektrojiskrového obrábění je ponoření obrobku i nástroje v dielektriku v poloze, aby se vzájemně nedotýkaly, v místech největšího přiblíţení dochází k tepelnému a tlakovému účinku elektrické jiskry mezi nástrojem (katodou) a obrobkem (anodou).[14]

Obr. 1.14 Elektrojiskrová hloubička [18] Kontrolovaný výboj, který přeskočí mezi dvěma kovovými částmi, vytváří mikrokrátery, díky kterým se materiál odděluje. Této metody se vyuţívá pro výrobu zápustek, střiţných a lisovacích nástrojů, tvářecích a licích forem. Obráběnými materiály mohou být všechny elektricky vodivé materiály, přičemţ nezávisí na jejich tvrdosti. Výhodou současných EDM strojů jsou extrémně vysoká rychlost obrábění a odběr materiálu, téměř bezobsluţný provoz, provázání navazujících operací a ukládání opakovaných cyklů a programů. Principem hloubení je poţadovaný tvar vyroben negativně z kovu jako třírozměrná elektroda. Sloţením různých pohybů v hlavních osách x, y, c, z lze vytvořit nejrůznější tvary, osazení, dutiny, které by ostatními způsoby nešly obrobit.[16]

14

Princip elektrojiskrového hloubení

Obr. 1.15 Na začátku neprotéká ţádný proud, neboť dielektrikum funguje jako izolátor. [19]

Obr. 1.16 Jakmile se mezera sníţí na určitou vzdálenost (velmi malou), udeří elektrický výboj – jiskra. Během výboje se napětí sniţuje a vzniklý proud způsobí nárůst teploty uvnitř jiskry. Díky tomu se malé částečky kovu nataví a vypaří. [19]

Obr. 1.17 Kdyţ se spínač rozepne, natavený materiál se rozptýlí jako při výbuchu, plazmový kanál výboje se deionizuje a zůstane malý kráter. [19]

Obr. 1.18 Pokud se provede série výbojů, vytvoří se několik kráterů, jeden vedle druhého, čímţ se dosáhne neustálého odebírání materiálu na povrchu součásti. [19]

15

Výhody a nevýhody elektrojiskrového hloubení Výhodou je moţnost obrábění vodivých materiálů bez ohledu na jejich mechanické vlastnosti s velkým rozsahem pracovních parametrů, moţnost výroby součástí sloţitých tvarů, aniţ by na obrobek působilo mechanické zatíţení. Nezanedbatelným přínosem je i sníţení pracnosti při obrábění sloţitých tvarových ploch a poměrně jednoduchá výroba nástrojových elektrod. (tab. 1.1) MATERIÁL

POPIS POUŽITÉHO MATERIÁLU ELEKTRODY

GRAFIT

Nejčastěji pouţívaný materiál, dobře vyrobitelný s nízkým opotřebením.

MĚĎ

Dobrá elektrická vodivost, nízké opotřebení, vhodná pro obrábění karbidu wolframu.

MĚĎ – WOLFRAM

Drahé materiály pouţívané pro výrobu hlubokých

STŘÍBRO – WOLFRAM

dráţek. Jsou vyráběny slinováním, poté se nemohou tvarovat (křehkost materiálu).

MĚĎ – GRAFIT

Nákladnější neţ grafit.

MOSAZ

Levný a snadno obrobitelný materiál, vysoké opotřebení.

WOLFRAM

Pro výrobu děr s průměrem D ˂ 0,2 mm. Tab. 1.1 Nástrojové elektrody [20]

Nevýhodou elektroerozivního hloubení je ponoření obrobku do kapaliny (dielektrika) v průběhu obrábění a poměrně nízká produktivita při obrábění měkkých materiálů. Další je i vysoká pořizovací cena stroje s neschopností obrábět elektricky nevodivé materiály.[20]

1.6 Obrábění ultrazvukem USM První zaznamenané technologie pouţívání ultrazvuku pro obrábění tvrdých a křehkých materiálů jsou zaznamenány od počátku roku 1950. Od té doby se obrábění ultrazvukem různě vyvíjí a je zaloţeno na abrazivním (obrušovacím) účinku jemného brusiva vyrobeného ze zrn diamantu, kubického nitridu boru, karbidu křemíku nebo oxidu hlinitého rozptýleného v kapalině, kterou tvoří voda, petrolej, líh nebo strojní olej 16

a jeţ je přivedena mezi nástroj a obrobek. Je moţné tímto způsobem obrábět i vodivé a nevodivé materiály, např. sklo, křemík, grafit, slinuté karbidy, kalené materiály, polodrahokamy.

Obr. 1.19 Princip hloubení [22]

Obr. 1.20 Pracovní prostor stroje [23]

Princip obrábění ultrazvukem Je vhodný pro základní:  řezání – dělení těţkoobrobitelných materiálů (křemen, rubín atd.) o tloušťce materiálu do 5 mm a síle nástroje 0,1 – 0,8 mm. (obr. 1.21)  hloubení – průchozích otvorů do tloušťky materiálu 8 – 10 mm, zhotovování dutin, zvláště při obrábění skla a keramiky. Maximální průměr nástroje je 120 mm při hloubení dutiny max. 4 – 6 mm. (obr. 1.22)  obrábění rovinných ploch – je obvykle prováděno na upravených rovinných bruskách. Tvar brousícího kotouče je zpravidla kuţelový a pohyb nástroje je vykonáván ultrazvukovým generátorem, který provádí pohyb kmitavý, přímočarý nebo kombinovaný. (obr. 1.23)

17

1. Nástroj 2. Obrobek Obr. 1.21 Dělení materiálu (řezání) ultrazvukem [23]

1. Nástroj 2. Obrobek Obr. 1.22 Hloubení otvorů [23]

1. Nástroj 2. Obrobek Obr. 1.23 Obrábění rovinných ploch [23] Nejčastěji pouţívaným brusivem je karbid křemíku, karbid bóru a diamant. Vysokou frekvencí (20 000 – 30 000 Hz) je rozkmitán nástroj, který obrábí (vyráţí) drobné částice materiálu obrobku. Tímto způsobem se obrábí tvrdé materiály (nad 40 HRC) nebo křehké materiály jako sklo, křemík, keramika atd. Nástroje jsou nejčastěji vyráběny z konstrukční oceli, korozivzdorné oceli, mědi nebo mosazi. Nástroje jsou v průběhu obrábění opotřebovány při úběru materiálu, proto je nutná kontrola opracovaných částí obrobku.[21]

18

Výhody a nevýhody obrábění ultrazvukem Výhodou ultrazvukového obrábění je obrábění těţkoobrobitelných nebo křehkých materiálů s dosaţením vysoké přesnosti 0,01 mm a drsnosti povrchu Ra = 0,4µm. Další z výhod je mnohostranné pouţití ultrazvukového obrábění jak při obrábění, tak při dělení materiálu, zhotovování průchozích i neprůchozích otvorů, gravírování. Ultrazvukové obrábění má velké zastoupení při výrobě šperků a jejich obrábění na poţadovaný tvar. Nevýhodou je velice nákladný provoz vzhledem k pouţití abrazivní suspenze a různorodých tvarů nástrojů, které se při obrábění opotřebovávají a které je nutné po určité době vyměnit.[22]

1.7 Elektrochemické obrábění ECM Elektrochemické obrábění je metoda beztřískového (bezsilového) řízeného obrábění elektricky vodivých materiálů. Intenzita rozpouštění je závislá na hustotě elektrického proudu a její zvyšování nepříznivě ovlivňuje úběr obráběného materiálu, protoţe na povrchu elektrod se začínají usazovat oxidy, které vytvářejí pasivační vrstvu zabraňující dalšímu rozpouštění materiálu obrobku. K základnímu elektrochemickému obrábění patří výroba tvarově sloţitých součástí s vysokou

pevností a tvrdostí

(zápustky, lisovací nástroje, lopatky turbíny). Jako elektrolyt se pouţívá NaCl, NaNO3, HCl, H24 a NaOH. Mezi špatně obrobitelné materiály, které jsou špatně obrobitelné elektrochemickým obráběním, patří šedá litina, slitiny s velkým obsahem uhlíku a duraly obsahující křemík.[20]

19

Princip elektrochemického obrábění

Obr. 1.24 Princip elektrochemického obrábění [24] 1 – elektroda (obrobek), 2 – elektrolyt, 3 – elektroda (nástroj), 4 – zdroj proudu Elektrochemické obrábění dělíme na čtyři základní způsoby:  v proudícím elektrolytu  rotující elektrodou  leštěním  odstraňováním ostřin Metoda

elektrochemického

obrábění

v proudícím

elektrolytu

patří

k nejrozšířenějším technologickým operacím při hloubení tvarů těţko obrobitelných materiálů. Pracovní mezerou, která měří 0,05 – 2 mm, protéká elektrolyt rychlostí 10 – 50 m s-1, pod tlakem aţ 2,5 Mpa. Při hloubení dutin se často pouţívá technologie se směsným elektrolytem (CO2 nebo vzduch). Díky pouţití směsného elektrolytu lze obrábět při velmi malých mezielektrodových vzdálenostech pod 0,1 mm. (obr. 1.25)

20

1. Napájecí zdroj 2. Mechanismus posuvu 3. Odsávání 4. Filtr 5. Nástroj 6. Obrobek 7. Pracovní stůl 8. Čerpadlo 9. Zásobník elektrolytu 10. Filtr 11. Nádrţ s elektrolytem 12. Izolace Obr. 1.25 Schéma zařízení pro elektrochemické hloubení dutin [25] Metoda

elektrochemického

obrábění

rotující

elektrodou

je

kombinací

standardního broušení a elektrochemického odebírání materiálu, při němţ se odstraní méně neţ 10 % materiálu. Tato metoda má velkou přednost ve velkém úběru a zároveň vysoké přesnosti obrábění. Pouţívá se hlavně pro obrábění slinutých karbidů, materiálů s vysokou tvrdostí nebo velmi křehkých materialů. (obr.1.26)

Obr. 1.26 Princip elektrochemického broušení s vodivým brousicím nástrojem [25] 1 – zásobník elektrolytu, 2 – nástroj (brousicí kotouč), 3 – napájecí zdroj, 4 – obrobek

21

Metodu elektrochemického leštění lze pouţít na plochy libovolného tvaru, ale nutnou podmínkou je jednotné sloţení leštěného materiálu. Základem leštění je anodické rozpouštění výstupků a nerovností povrchu materiálu v elektrolytu při průchodu stejnosměrného proudu. Nástroj (katoda) se většinou vyrábí z olova (nerozpustného

v elektrolytu)

a

musí

mít

větší

plochu,

neţ

má

obrobek.

Elektrochemické leštění se pouţívá většinou při dokončovacích operacích vnitřků nádob pouţívaných v potravinářském průmyslu z korozivzdorných ocelí. Odstraňování ostřin pomocí elektrochemické technologie lze provádět tvarovou elektrodou. Tento způsob se pouţívá pro odstraňování malých, asi 1 mm vysokých otřepů v průchozích otvorech. Tvar nástroje (elektrody) se volí podle velikosti otvoru. Dalším moţným způsobem vhodným k odstraňování otřepů je pouţití segmentové elektrody. Její hlavní vyuţití je u rotačních součástí (ozubená kola, vnější a vnitřní zápichy). V neposlední řadě lze malé otřepy odstranit i prostřednictvím ponoru v lázni.

Výhody a nevýhody elektrochemického obrábění Výhodou elektrochemického obrábění je nepřítomnost hrotů na obrobeném povrchu obrobku. Elektroda nepřichází do kontaktu s obrobkem, a proto dovoluje obrábět s vysokou produktivitou i méně pevné materiály. Touto metodou se dosahuje vysoké kvality povrchu s drsností Ra<0,2. V porovnání s mechanickými metodami obrábění (lisování, protlačování) jsou elektrody zhotovené z mosazi, bronzu, titanu, slinutých karbidů apod. Nevýhodou elektrochemického obrábění můţe být špatná volba sloţení elektrolytu, která má za následek mezikrystalickou korozi obráběného materiálu a tím sníţenou pevnost obráběné součásti. Dalším z moţných negativních vlivů je nevhodné vyústění děr a štěrbin pro přívod elektrolytu do pracovní mezery. Při elektrochemickém obrábění vzniká značné mnoţství kalů a při obrábění na více strojích vznikají potíţe s ekologickým odstraňováním odpadu.[25]

22

1.8 Chemické obrábění CM Chemické obrábění je proces řízeného odleptávání vrstev materiálu od pár setin milimetru do několika milimetrů z povrchu obrobku zaloţené na chemické reakci. Části obrobku, které nemají být leptány, jsou chráněny speciálním povlakem. Metoda chemického obrábění umoţňuje zhotovovat sloţité obrobky bez otřepů. Chemické obrábění lze rozdělit do dvou základních skupin:  chemické prostřihování  chemické rozměrové leptání Metoda chemického prostřihování umoţňuje zhotovení tenkých a sloţitých výlisků z tenkého plechu a fólií. K typickým aplikacím patří výroba elektroplechů, elektrických kontaktů, svorek, jemných sít, clon, šablon apod. Na část výrobku, která se má chemicky obrábět, se nanese fotosenzitivní vrstva s obrysem obrobení obrobku. Fotosenzitivní vrstva má za následek znázornění tvaru vyleptání obrobku, zároveň však chrání místa obrobku, která nemají být leptána. Metoda chemického rozměrového leptání, zároveň označována jako chemické frézování, je vhodná zejména pro obrábění tenkostěnných součástí a tvarově sloţitých součástí, které lze obtíţně upínat. Místa, která nemají být obráběna (leptána), se chrání ochrannou vrstvou z polyvinylových a polyamidových pryskyřic nebo laků. Leptání je provedeno na základě ponoření do leptacích roztoků. (obr. 1.27)

Obr. 1.27 Princip chemického obrábění [25] 1 – maska, 2 – nástroj (chemická leptací látka), 3 – odebrané (odleptané) částice materiálu obrobku, 4 – obrobek 23

Výhody a nevýhody chemického obrábění Výhodou chemického obrábění je úběr materiálu bez vzniku zbytkového napětí obrobku. Touto metodou je moţné obrábění sloţitých tenkostěnných profilů. Tvrdost nebo křehkost obráběného materiálu není limitována nízkými provozními náklady. Nevýhodou je nekontrolovatelné podřezávání a nehospodárná výroba hlubokých tvarů, není moţné vytvořit ani ostré hrany. Nelze obrábět sváry a nálitky, vlivem různorodé struktury vzniká špatná jakost povrchu. Zároveň je nutné klást důraz na zvýšenou bezpečnost a ochranu zdraví při práci.[20]

24

2 Porovnání (NMO) v podmínkách firem V našem regionu jsou zastoupeny firmy BAST s.r.o a Metalkov MB s.r.o se zaměřením na výrobu strojních součástí a konstrukcí. Tyto firmy vyuţívají nekonvenční stroje jako progresivní metody obrábění pro zvyšování kvality a kvantity výrobních součástí na základě sloţitosti výrobní dokumentace. Firmy mají velice dobré zastoupení nejenom na českém trhu, ale i v zahraničí. Výrobní technologie firem jsou zaměřeny na laserové a plazmové dělení, svařování, nýtování, barvení a montáţ. Jako základních materiálů je pouţíváno ocelových, nerezových a hliníkových plechů. Firmy dbají na udrţení vysoké kvality výrobků na domácích i zahraničních trzích, řídí se podle norem ISO 9001, 9002, 9006.

2.1 Historie firmy BAST s.r.o. Firma BAST s.r.o. byla zaloţena roku 1991 dvěma jednateli, kteří do roku 1993 sjednávali zejména zprostředkovatelskou činnost. Zahájení výroby r. 1993 se týkalo zejména jednoduchého zahradního nářadí a dopravníků a do roku 2000 procházela certifikacemi dle ISO 9002, DIN 6700-2/C2. Na základě těchto certifikačních dispozic byla firmě BAST s.r.o. umoţněna výroba dílů a výrobkových skupin pro kolejová vozidla. V roce 2001 bylo pořízeno laserové řezací zařízení od švýcarské firmy BYSTRONIC, typ BYSTAR 3015 3kW. (obr. 2.1)

Obr. 2.1 Laserové zařízení BYSTAR 3015 – 3kW [26] Na základě laserového zařízení začaly vznikat mnohem sloţitější výrobní díly, neţ jaké umoţňovalo vysekávací centrum Finnpower F – 20SB/AM. Do roku 2004 byla ukončena modernizace práškové lakovny, implementace nového IT systému.

25

Progresivnost firmy si ţádala přijmutí nových zaměstnanců aţ na nynějších 203 (Příloha č. 1). S navýšením počtu zaměstnanců a s rostoucí produktivitou výroby stoupaly nejenom investice, ale i trţby (Příloha č. 2), proto byla roku 2005 zahájena přestavba na moderní areál a roku 2006 přístavba nové haly s rozšířením strojového zařízení o nový laser BYSTAR 3015 – 6kW. Na základě zvýšení dělení hutního materiálu byl pořízen ADIGE LT8 Systém Laser tubo pro opracování profilů laserovým paprskem a zabudovanou 3D hlavou a výkonem 3,5 kW (obr. 2.2). Do roku 2013 probíhala modernizace strojového zařízení za účelem zvýšení produktivity a kvality výroby.

Obr. 2.2 ADIGE LT8 – Systém Laser tubo [26]

Současný stav – přehled výroby Firma BAST s.r.o. se od svého vzniku zabývá zpracováním plechu uhlíkových ocelí, nerezových ocelí a slitin hliníku na dělicích strojích a ohraňovacích lisech (Příloha č. 3). Vzhledem k dnešním nárokům na sloţitost, přesnost a design výrobků se provádí řezání plechů na 2D strojích BYSTAR 3015 3 kW a 6 kW. (obr. 2.1) Tyto stroje jsou optimální do řezání tloušťky materiálu 10 milimetrů. Avšak dle laserového zdroje a parametrů výrobce (tab. 2.1) lze zpracovávat materiály do tloušťky 25 milimetrů. Princip těchto laserů je na bázi létající optiky, to znamená, ţe obrobek je staticky umístěn a řezná hlava se pohybuje po stole.

26

Maximální síla řezaného materiálu Typ stroje Výkon Max. formát Ocelový Nerez Hliník materiál 3 000x1500 20 mm 12 mm 8 mm Bystar 3015 3 kW 3 000x1500 25 mm 20 mm 12 mm Bystar 3015 6 kW 100 m/min. Maximální rychlost polohování, paralelní osy x, y 140 m/min. Maximální rychlost polohování, simultánně 12 m/s2 Maximální zrychlení osy ±0,1 mm Odchylka polohování ±0,05 mm Rozptyl polohy 750 kg Maximální hmotnost obrobku 5“ a 7,5“ Řezací hlavy 12 000 kg Hmotnost stroje Tab. 2.1 Technické údaje Bystar 3015 (tab. Pavel Kovárník) V neposlední řadě je pro opracovávání prostorových profilů pouţíván 3D stroj za pouţití robotického ramene, které se natáčí ve třech osách s upevněnou řezací hlavou (obr. 2.2) a s moţností zpracování polotovarů (tab. 2.2).

Kruhový průřez od D12 do D220 mm. Čtvercový průřez s hranou od 12 do 200 mm. Obdélníkový a plochooválný průřez s maximální opsanou kružnicí D 285 mm. Minimální délka 2 500 mm a maximální délka 6 500 mm. Snížený zbytek na konci tyče 110 mm. Maximální hmotnost tyče 35 kg/m. Tyče ploché od 40x5 do 200x12 mm. Profily L, C, U od 30x20 do 200x200 mm. Tab. 2.2 Moţnost zpracování polotovarů [26] Laserové svařování s optickým naváděním je jedno z nejnovějších a nejefektivnějších řešení, které je určeno pro velmi náročné aplikace. Laserové svařování se pouţívá především pro svařování nerezových materiálů a je vhodné pro malo a středně sériovou výrobu. Laserové svařování má řadu výhod, a to hlavně v přenosu tepla do materiálu ve velmi krátkém čase, čímţ se minimalizuje tepelně ovlivněná oblast a tím i následná deformace výrobku. Proces je velmi rychlý a přesný. Lze svařovat i těţko svařitelné materiály. Sváry u laserového svařování mají vysokou pohledovou jakost, na základě toho odpadá následné mechanické dokončování. (obr. 2.3) 27

Obr. 2.3 Laserové svařování s optickým naváděním [26] Výhodou laserového svařování je přechod tepla do materiálu ve velmi krátkém čase vysokou rychlostí a velmi malým ovlivněním svařované oblasti. Zaručuje široké spektrum svařování obtíţně svařitelných materiálů s minimální deformací a vysokou pohledovou jakostí svarů. Pro ohýbání a ohraňování má firma BAST s.r.o. k dispozici pět ohraňovacích lisů a jedno CNC ohýbací centrum RAS. Ty umoţňují ohýbání a ohraňování plechů od síly 0,5 – 20 mm a délky 4 000 mm. Pro strojní obrábění výrobků jsou k dispozici obráběcí CNC stroje. Pro soustruţení firma disponuje CNC soustruhem Colchester Tornado T8MS, který se vyznačuje vysokou produktivitou, ve své třídě má největší průchod tyčového materiálu s pouţitím řídicího systému FANUC 21iTB. (obr. 2.4)

Obr. 2.4 CNC soustruh Tornado T8MS [26] 28

Obr. 2.5 CNC SPINNER VC 1300 [26]

Pro obrábění obrobků frézováním firma pouţívá stroje CNC SPINNER VC1300 (obr. 2.5) a portálové frézovací centrum SDM – 4220. Pro dělení hutního materiálu vyuţívá pásové pily s laserovým systémem ADIGE LT8 do průměru 300 mm. K významným specifickým vlastnostem produktů, které firma vyrábí, patří povrchová úprava výrobků práškovým a mokrým lakováním (Příloha č. 4).[26]

2.2 Historie firmy Metalkov MB, s.r.o. Firma Metalkov MB, s.r.o. vznikla v roce 1997. Zabývá se kovovýrobou, třískovým obráběním a lisováním dílů převáţně za studena. Od roku 2001 byla zahájena výroba průmyslových čistíren odpadních vod vyráběných z nerezového materiálu, které jsou distribuovány firmám v České a Slovenské republice. Od roku 2005 začal podnik spolupracovat s rakouskou společností na výrobu konstrukčních prvků pro montované rodinné domy. Výrobní zařízení firmy sestává z konvenčních strojů (soustruhy, frézky, vrtačky, brusky). Na základě certifikace dle ČSN EN ISO 9001: 2001 na základě zvýšení a zkvalitnění výroby firma pořídila CNC soustruh CHEVALIER FALCON2443VMC. (obr. 2.6)

Obr. 2.6 CNC soustruh FALCON-2443VMC [27]

29

Současný stav – přehled výroby Výrobní program firmy spočívá v zakázkové výrobě a produkci truhlářských svěrek vyráběných z pásové oceli a ocelových odlitků v několika velikostech a provedeních. Roční produkce těchto výrobků se pohybuje okolo 80 000 ks. Nedílnou součástí výrobního procesu firmy je výroba průmyslových čistíren odpadních vod. Materiál pro tuto výrobu je nerezová ocel, která je řezána na plazmovém stroji Kjellberg HiFocus 130. (obr. 2.7)

Obr. 2.7 Plazmový stroj Kjellberg HiFocus 130 [27] Plazmový stroj HiFocus 130 je velice výkonný a flexibilní pro řezání všech elektricky vodivých materiálů v rozsahu od 0,5 – 40 mm. Další moţností stroje je popisování (značení) jedním hořákem. Technické parametry stroje jsou uvedeny v tab. 2.3.[27]

30

Technické údaje 3 x 400 (Hz) Přípoj napětí 50 Pojistka, pomalá (A) 32 Příkon (kVA) 20 – 130 Řezací proud (A) 130A/100 Zatěţovatel (%) 40 Tloušťka řezu – dělící řez (mm) 25 Kvalitní řez (mm) Ar/H2, N2, O2 Plazmový plyn vzduch, N2, O2,F5 Sekundární plyn 251 Hmotnost (kg) 960x540x1050 Rozměry d/š/v (mm) PerCut 200/210 Plazmový hořák ANO Výměnná hlava 1, 1,5, 3 Délka hořáku (m) kapalina Kjellfrost Chlazení Tab. 2.3 Technické údaje plazmového stroje Kjellberg HiFocus 130 (Pavel Kovárník)

2.3 Výroba kontrolní šablony (NMO) Cílem

výroby

kontrolní

šablony

v podmínkách

firem

je

porovnání

nekonvenčních metod řezání paprskem plazmy, laseru a vyhodnocení kvality řezu v daných podmínkách firem. Obě metody obrábění mají nezastupitelné místo v moderní průmyslové výrobě. Charakteristikou daných metod je absence nástroje a na základě toho odpadá jeho opotřebení. Materiál S235JR byl zvolen na základě výrobních moţností firem. Pro porovnání parametrů jsem na daném výrobku zvolil sílu řezaného materiálu 3, 10, 15 mm. Specifikem porovnávání obrobku jsou zaoblené a ostré rohy, vnější a vnitřní rádie, otvory. Výrobek síly materiálu 3 a 10 mm byl řezán na laserovém stroji BYSTAR 3015 3kW a materiál síly 15 mm na řezacím stroji BYSTAR 3015 6kW firmy BAST s.r.o (obr. 2.1) s technickými parametry stroje. (tab. 2.2) Vytvořený program pro výrobní součást tloušťky 3 milimetry je uveden v příloze č. 6. Pro tloušťku materiálu 10 milimetrů byl pouţit stejný program s upravenými řeznými podmínkami a sníţením rychlosti řezaní obsluhou stroje. Pro tloušťku 15 milimetrů je program uveden v příloze č. 7 na stroji BYSTAR 3015 6kW.

31

Pro porovnání parametrů kontrolní šablony bylo pouţito plazmového stroje Kjellberg HiFocus 130 firmy Metalkov MB, s.r.o. (obr. 2.7) s technickými parametry stroje. (tab. 2.4) Pro podrobnější popis zhodnocení kvality řezání materiálu laserem a plazmou jsem si navrhl výkres kontrolní šablony, byl vytvořen kreslicím programem Autodesk Inventor Professional 2012 (Příloha č. 4). Vyhodnocení daných měření jsou zaznamenána v tabulkách dle tloušťky materiálu.

Obr. 2.8 Digitální posuvné měřítko JOBI profi (foto Pavel Kovárník) Dané vzorky byly očištěny od otřepů a následně měřeny posuvným měřítkem JOBI profi 150 mm digital s rozsahem 0 – 150 mm, odečtem po 0,01 mm. Moţností digitálního posuvného měřítka je přepínatelná stupnice mm/palce. (obr. 2.8)

32

Obr. 2.9 Kontrolní šablona tloušťky 3 mm (foto Pavel Kovárník)

Naměřené hodnoty (obr. 2.9) LASER BYSTAR 3kW

PLAZMA HIFOCUS 130

Porovnávací rozměry dle výkresu č. v. 27-4-2013

Naměřené hodnoty

(Příloha č. 5) 100±0,2 mm

100,08 mm

99,6 mm/NEV

100±0,2 mm

99,98 mm

99,85 mm

Rozteč otvorů 75 mm

74,98 mm

75,2 mm

Průměr otvoru 8 mm

7,97 mm

8,4 mm

30+0,0/-0,2mm

30,16 mm/NEV.

30,85 mm

46 mm

46,04 mm

46,2 mm

48+0,15/-0,0 mm

48,08 mm

48,5 mm /NEV

50+0,2/-0,0 mm

50,11 mm

50,5 mm/NEV

Vizuální kvalita řezu

velmi dobrá

velmi dobrá obr. 2.9

Porovnání

Tab. 2.4 Kontrolní šablona tloušťky 3 mm (Pavel Kovárník)

33

Obr. 2.10 Kontrolní šablona tloušťky 10 mm (foto Pavel Kovárník) Naměřené hodnoty (obr. 2.10) LASER BYSTAR 3kW

PLAZMA HIFOCUS 130

Porovnávací rozměry dle výkresu č. v. 27-4-2013

Naměřené hodnoty

(Příloha č. 5) 100±0,2 mm

99,9 mm

99,8 mm

100±0,2 mm

100,1 mm

99,6 mm/NEV

Rozteč otvorů 75 mm

75,3 mm

74,5mm

Průměr otvoru 8 mm

8,2 mm

8,82 mm/NEV

30+0,0/-0,2mm

29,98 mm

30,7 mm/NEV

46 mm

45,95 mm

46,58 mm/NEV

48+0,15/-0,0 mm

47,94 mm

48,52 mm/NEV

50+0,2/-0,0 mm

50 mm

50,6 mm/NEV

Vizuální kvalita řezu

zápaly v otvorech

podpálené otvory D8

Porovnávací foto neshody

obr. 2.11

obr. 2.12

Tab. 2.5 kontrolní šablona tloušťky 10 mm (Pavel Kovárník)

34

Obr. 2.11 Zápaly LASER

Obr. 2.12 Podpálený otvor PLAZMA (foto Pavel Kovárník)

Obr. 2.13 Kontrolní šablona tloušťky 15 mm (foto Pavel Kovárník)

35

Naměřené hodnoty (obr. 2.13) LASER BYSTAR 3kW

PLAZMA HIFOCUS 130

Porovnávací rozměry dle

Naměřené hodnoty

výkresu č. v. 27-4-2013 (Příloha č. 5)

100±0,2 mm

99,7 mm/NEV

98,6 mm

100±0,2 mm

99,5 mm/NEV

98,45 mm/NEV

Rozteč otvorů 75 mm

neměřitelná

73,2 mm/NEV

Průměr otvoru 8 mm

neměřitelná

9,42 mm/NEV

30+0,0/-0,2mm

30,24 mm/NEV

31,42 mm/NEV

46 mm

46,42 mm/NEV

47,28 mm/NEV

48+0,15/-0,0 mm

48,21 mm/NEV

49,24 mm/NEV

50+0,2/-0,0 mm

50,18 mm

51,41 mm/NEV

Vizuální kvalita řezu Porovnávací foto

nezhotoveny otvory, obvodový hrubý řez obr. 2.14

podpálené otvory D8, obvodový řez hladký, podříznuté hrany obr. 2.15

Tab. 2.6 Kontrolní šablona tloušťky 15 mm (Pavel Kovárník)

Obr. 2.14 Nezhotovení otvoru LASER

Obr. 2.15 Podříznuté hrany PLAZMA

(foto Pavel Kovárník)

36

2.4 Porovnání výsledků výroby (NMO) Kaţdá dělicí metoda má svoje charakteristiky a dané parametry, které určují její pouţití a vhodnost pro dělení daného materiálu, ať uţ se jedná o rychlost řezu, šířku řezné spáry nebo geometrickou přesnost, jak je patrno z daných měření. Pokud bychom srovnávali technické parametry daných strojů, pak plazma je schopna řezat silné materiály s nízkou cenou provozních nákladů oproti laseru. Rychlost laseru je oproti plazmě dvakrát vyšší. Laser disponuje niţší řeznou spárou řádově v desetinách, plazma řádově v milimetrech. Přesnost polohování se u laseru pohybuje v setinách milimetru oproti plazmě, kde se pohybuje v desetinách milimetru. Oba stroje při řezání materiálu tloušťky 3 mm vykazovaly velmi dobrou kvalitu řezu včetně rozměrové tolerance. Při pouţití tloušťky 10 mm se začaly projevovat polohovací nepřesnosti plazmy, které přispěly k nepřesnosti při výrobě měřicí šablony. U poslední tloušťky materiálu 15 mm je patrná snaha plazmy podřezávat dané hrany obrobku (obr. 2.16) s velmi vysokou nepřesností.

Obr. 2.16 Kvalita řezu při změnách tloušťky materiálu (foto Pavel Kovárník) Na druhé straně laser měl problémy zhotovovat otvory D8, jak je patrno z obr. 2.14. Kvalita řezu a rozměrů se s přibývající tloušťkou materiálu velice sníţila, jak ukazují naměřené hodnoty. Rozměrové tolerance u plazmy nebyly dodrţeny v ţádném oddíle, u laseru odpovídal jediný rozměr toleranci. Z hlediska daných měření existuje celá škála hodnot, které mají vliv na kvalitu řezu, např. materiál, výkon stroje, obsluha a další. 37

3

Spolupráce SŠŘS s firmami BAST s.r.o. a Metalkov MB s.r.o.

Střední odborné učiliště řemesel a sluţeb v Moravských Budějovicích (obr. 3.1) jiţ dlouhá léta spolupracuje jak s firmou BAST s.r.o., tak s firmou Metalkov MB s.r.o. Ţáci mají moţnost v rámci praktického vyučování navštívit výrobní provozy obou firem. Exkurzí se zúčastňují posluchači oborů mechanik seřizovač a obráběč kovů, kteří jsou seznámeni se stroji LASER ve firmě BAST s.r.o a PLAZMA ve firmě Metalkov MB s.r.o. a mohou si takto ověřit a procvičit své znalosti týkající se práce na těchto strojích přímo v praxi. Ţáci jsou teoreticky seznámeni se základními nekonvenčními progresivními metodami obrábění, jejich výhodami, nevýhodami a moţným vyuţitím ve výrobním cyklu. U těchto metod se nepouţívá standardní řezný nástroj, coţ znamená, ţe k úběru materiálu dochází účinky tepelnými, chemickými, abrazivními nebo jejich kombinací. Tyto technologie se pouţívají u takových materiálů, kde by standardní způsob obrábění byl obtíţný nebo téměř nemoţný. Před zahájením exkurze je provedena prezentace účastníků ve výrobních závodech (obr. 3.2). Zde jsou doprovázeni odborným pracovníkem firmy, který je seznamuje s historií závodu, výrobním procesem a strojovým vybavením firem. Po odborném výkladu a seznámením s výrobním programem firmy ţáci pod odborným dohledem obsluhy stroje vyrobí šablonu dle výkresu (Příloha č. 5). Tento výkres byl narýsován v kreslicím programu Autodesk Inventor Professional 2012 a následně přenesen do řezacího stroje BYSTAR 3015 po síti. Zájem, s nímţ se při laserovém řezání ze strany ţáků vţdy setkáváme, je obrovský.

Ţáci velmi pozorně a bedlivě sledují prováděné operace. Na řezacím

plazmovém stroji Kjellberg HiFocus 130 firmy Metalkov MB s.r.o. pozorují najíţdění řezací hlavy na hranu děleného materiálu za pomoci laserového snímače, přičemţ jim obsluha stroje vysvětluje nastavení řezných pracovních podmínek. V dalším kroku si všímají, jakou rychlostí se pohybuje řezací hlava s výbornou kvalitou povrchu, ale souběţně obvykle poukazují i na negativní faktor této technologie, a to hlučnost stroje. To u nich obvykle vyvolává smíšené pocity – na jedné straně špičková moderní

38

technologie výroby, na straně druhé nedostatečné odhlučnění stroje, které ztěţuje pracovní podmínky. Po absolvování praxe, kdy ţáci mají moţnost porovnávat vyuţití nekonvenčních metod laseru a plazmy obrábění v podmínkách firem při výrobě měřicí šablony na různých tloušťkách materiálů, jsou jejich teoretické a praktické znalosti ověřeny formou didaktického testu (Příloha č. 9).

Obr. 3.1 SŠŘS Moravské Budějovice [28]

Obr. 3.2 Exkurze ţáků ve firmě BAST s.r.o. [28]

Obr. 3.3 Logo firmy Metalkov MB s.r.o. [27]

39

4

Ověřování znalostí formou (DT) Didaktický

test

(Příloha

č.

9)

je

zaměřen

na

seznámení

se

základními progresivními metodami obrábění, jejich výhodami, nevýhodami a moţným vyuţitím ve výrobním cyklu. U těchto metod se nepouţívá standardní řezný nástroj, coţ znamená, ţe k úběru materiálu dochází účinky tepelnými, chemickými, abrazivními nebo jejich kombinací. Pouţití těchto technologií je u takových materiálů, kde by standardní způsob obrábění byl obtíţný nebo téměř nemoţný. Učební materiál je prezentován PC technikou s vyuţitím dataprojektoru. Cílem tohoto didaktického testu je poskytnout ţákovi zpětnou vazbu, co se naučil, zvládnul a nastínit mu moţnosti, jak postupovat dále. Hodnocení by mělo být motivující a vést k pozitivnímu vyjádření ţáka. Písemná práce je vţdy ţákům oznámena dopředu, aby ţáci měli dostatek času se připravit.

Hodnocení testu: Stupeň hodnocení

Počet špatných odpovědí

Vyhodnocení v %

VÝBORNÝ

0-2

100 – 84

CHVALITEBNÝ

3–4

76 - 68

DOBRÝ

5–6

60 - 52

DOSTATEČNÝ

7–8

44 - 36

NEDOSTATEČNÝ

9 - méně

28 - méně

Správné odpovědi 1 c, 2 b, 3 a, 4 c, 5 a, 6 c, 7 c, 8 a, 9 b, 10 c, 11 b, 12 a

40

Závěr Bakalářská práce je rozdělena do tří částí, a to části teoretické, praktické a její vyuţitelností v rámci výuky SŠŘS. Cílem teoretické části je seznámení se základními nekonvenčními technologiemi obrábění, jejich principem, výhodami a nevýhodami. V praktické části jsem se věnoval posouzení dvou nekonvenčních metod obrábění – řezání plazmou a laserem v podmínkách firem a porovnání parametrů měření, které jsou uvedeny v tabulkách včetně fotodokumentace. Ve třetí části jsou ţáci teoreticky seznámeni s nekonvenčními stroji obrábění v podmínkách firem a následnou praktickou moţností nastavení, seřízení a dělení materiálu cvičné výrobní šablony s odborným firemním dozorem. Při

závěrečném

posuzování

obou

metod

v podmínkách

firem

byly

nejvýznamnější následující faktory: U laserového řezání byly výsledkem velice přesné výpalky, které téměř nevyţadovaly další následné dokončovací operace. Limitujícím faktorem řezání laserem je tloušťka řezaného materiálu u konstrukčních ocelí do tl. 25 mm, legované oceli do tl. 20 mm a pro hliník a jeho slitiny do tl. 12 mm. Omezujícím faktorem je nejenom velikost obrobků, kterou určuje konstrukce stroje, ale i velikost řezaných otvorů. Otvory menší jak pouţitá tloušťka materiálu jsou buď jen těţko vyrobitelné, nebo nevyrobitelné (obr. 2.14). Vysoké vstupní náklady na provoz jsou kompenzovány co největším provozem stroje. U plazmového řezání byl problém s přesností výroby, jak je uvedeno v měřicích tabulkách, proto se pouţívá spíše pro výrobu svařovaných konstrukcí. Pro přesnější výrobu by bylo vhodné vyrábět výpalky s přídavkem a pouţít dokončovací operace jako např. vrtání, frézování. Plazma má nezastupitelné místo pro dělení ocelí vyšších tlouštěk do 40 mm. Vstupní náklady plazmy jsou oproti laseru niţší. Laserové řezací stroje jsou vhodné pro větší série kusů s vyšší přesností řezaných dílů, kdy se předpokládá vyuţití celé výrobní kapacity z důvodu vysokých nákladů. Plazmový stroj je pro nízké náklady vhodný jako doplňkový stroj pro výrobu méně přesných dílců spíše v kusové a malosériové výrobě. 41

Summary The thesis is divided into three parts, and that part of the theoretical, practical, and its utility in the context of teaching. The aim of the theoretical part is familiarization with the basic unconventional machining technologies, their principle, advantages and disadvantages. In the practical part I devoted to the assessment of the two nonconventional machining methods – plasma cutting and laser in terms of companies and a comparison of the measurement parameters that are listed in the tables including photo documentation. In the third part pupils are getting familiar with the unconventional machining machine in terms of companies and the subsequent practical options, adjusting and cutting the material practice of production templates with professional corporate supervision. For the final assessment of the two methods the most important factors in condition of the companies were the following ones: The results of laser cutting were very precise burn-cut shapes, which almost did not require subsequent finishing operation. The limiting factor of laser cutting is the thickness of cut material for structural steels in the thickness of 25 mm, alloy steel in the thickness of 20 mm and for aluminium and its alloys in the thickness of 12 mm. The limiting factor is not the size of the piece, which determines the construction of machines, but also the size of the cut holes. Holes less than the thickness of the material used are either difficult to manufacture nor

impossible to manufacture (Figure 2.14).

High input costs of operation are offset by what the largest operation of the machine. For plasma cutting it has been a problem with the accuracy of production, as specified in the tables, so the measurement is used for the production of welded structures. For a more accurate production, it would be appropriate to produce a flame with the addition and use finishing operations such as drilling, milling. Plasma has a unique place for cutting steels of higher thickness up to 40 mm. Input costs are lower compared to the laser plasma. Laser cutting machines are suitable for large series of pieces with higher precision of cut parts, which is presumed to use the entire production capacity due to the high costs. Plasma machine is suitable for low cost as an additional machine for the production of precision parts, rather less in the unit and small-series production. 42

Seznam použité literatury a odkazů 1.

ROUBÍČEK, Martin. KRITÉRIA VOLBY METODY A TRENDY TEPELNÉHO DĚLENÍ MATERIÁLŮ [online]. © Copyright AIR LIQUIDE 2007 [cit. 10-042014]. Dostupné z: http://www.airliquide.cz/file/otherelement/pj/roubicek

2.

PÍŠKA, Miroslav a kolektiv autorů. Speciální technologie obrábění. 1. vydání. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2009. 252 s. ISBN 978-80-2144025-8.

3.

Mazak 2D & 3D Laser Cutting [online]. C 10. 7. 2007 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.youtube.com/watch?v=gHjGfwf3Aeg&feature=related

4.

Esab: Svařování a pálení, Česká republika [online]. C 2013 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.esab.cz/global/en/news/upload/903122_Laser.jpg

5.

Farmtec: Komplexní služby při investicích [online]. C 2012 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.farmtec.cz/rezani-laserem.html

6.

ŘASA, J., POKORNÝ, P., GABRIEL, V. Strojírenská technologie 3. 2. díl: Obráběcí stroje pro automatizovanou výrobu, fyzikální technologie obrábění. Praha: Scientia, 2001. 221 s. ISBN 80-7183-227-8.

7.

SADÍLEK, Marek. Nekonvenční metody obrábění I. Ostrava: VŠB – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, 2009. 152 s. ISBN 978-80-248-2107-8.

8.

BŘICHNÁČ, Pavel. Plazmové technologie. Aldebaran Bulletin [online]. AGA, 2004, č. 20 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_20_plt.html

9.

Torchmate: CNC CUTING SYSTEMS [online]. C 2014 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.plasma-cutter.com/technical.htm

10. Allbiz [online]. C 2010 – 2014 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.cz.all.biz/zarizeni-pro-rezani-kovu-plazmou-bgg1091067 11. CHPS s.r.o.: Řezání vodním paprskem, řezání laserem, zpracování kovů [online]. C 2008 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.chps.cz/ 12. VY-TECH: Řezání vodním paprskem [online]. C 2014 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.vytech.cz/clanky/technologie/

43

13. Řezání vodním paprskem. In: Wikipedia.cz [online]. Poslední změna 12. 10. 2013 v 15:30 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%98ez%C3%A1n%C3%AD_vodn%C3%ADm_p aprskem#Historie 14. Theory: To study influence of process parameters on the Wire EDM [online]. C 2014[cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://coep.vlab.co.in/?sub=34&brch=105&sim=1028&cnt=1 15. KOCMAN, Karel, PROKOP, Jaroslav. Technologie obrábění. 2. vydání. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2005. 270 s. ISBN 80-214-3068-0. 16. Esra Curt [online]. C 2014 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.esrakurt.com.tr/wp-content/uploads/2012/10/tel_erozyon_cihazi.jpg 17. Elektrojiskrové obrábění. In: Wikipedia.cz [online]. Poslední změna 6. 4. 2013 v 01:51 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrojiskrov%C3%A9_obr%C3%A1b%C4%9Bn%C 3%AD 18. Weppler Tools s.r.o. [online]. C 2014 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.weppler-tools.cz/index.php/vyrobniprogram 19. Toolscomp: EDM – elektrojiskrové obrábění [ online]. C 2013 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.toolscomp.cz/technologie/edm-elektrojiskrove-obrabeni/ 20. HUMÁR, A. Technologie I: Technologie obrábění – 3. část [online]. 57 s. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/?page=opory 21. Properties of Cutting Surface. In: Ultrasonic Vibration-Assisted Cutting of Titanium Alloy [online]. Japonsko: Shizuoka Institute of Science and Technology, 2007 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.aspe.net/publications/Spring_2007/Spr07Ab/2082-Koshimizu.pdf 22. 5-axis CNC ultrasonic cutting machine: design and preliminary test [cit. 10-042014]. Dostupné z: http://www.ligo.caltech.edu/docs/T/T020198-00/T020198-00.pdf 23. Nekonvenční metody obrábění – 3. díl. In: MM Průmyslové spektrum.[online]. 18. 12. 2007, s. 54. [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/nekonvencni-metody-obrabeni-3-dil.html

44

24. Lm-eroze.cz [online]. C 2013 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.lmeroze.cz/25-princip 25. Nekonvenční metody obrábění – 2. díl. In: MM Průmyslové spektrum. [online]. 9. 10. 2007, s. 58. [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/nekonvencni-metody-obrabeni-2-2.html 26. Bast: CNC Zpracování plechů. Historie firmy. [online]. C 2010 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.bast.cz/historie-firmy.html 27. Metalkov MB s.r.o.: Kovovýroba. O nás. [online]. C 2014 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.metalkovmb.cz/cs/content/4-o-nás

28. Střední škola řemesel a služeb [online]. C 2009 [cit. 10-04-2014]. Dostupné z: http://www.ssrs.cz/gsp/p1=35877

45

Seznam použitých symbolů a zkratek LBM – Laser beam Machining (obrábění paprskem laseru) PBM – Plasma Beam Machining (obrábění paprskem plazmy) WJM – Watter Jet Machining (obrábění paprskem vody) AWJ – Abrasive Watter Jet (obrábění pomocí abrazivních částic) EDM – Elektro Discharge Machining (elektroerozivní metody obrábění) USM – Ultrasonic Machining (ultrazvukové obrábění) ECM – Elektro Chemical Machining (elektrochemické obrábění) CM – Chemical Machining (chemické obrábění) NMO – Nekonvenční metody obrábění CNC – Computerized Numerical Control (řízené stroje) IT SYSTEM – Informační technologie NEV – Nevyhovuje S235JR – Nelegovaná konstrukční ocel dle ČSN 11375 D8 – průměr otvoru 8 mm CO2 – Oxid uhličitý DT – Didaktický test SŠŘS – Střední škola řemesel a sluţeb

46

Seznam příloh Příloha č. 1: Vývoj počtu zaměstnanců 1991 – 2012 (graf) Příloha č. 2: Vývoj trţeb a investic 1992 - 2012 (graf) Příloha č. 3: Struktura zpracovaného materiálu (graf) Příloha č. 4: Struktura výrobků v roce 2012 (graf) Příloha č. 5: Kontrolní šablona (výkres) Příloha č. 6: Struktura programu LASER 3 (program) Příloha č. 7: Struktura programu LASER 15 (program) Příloha č. 8: Struktura programu PLAZMA (program) Příloha č. 9: Didaktický test

47

Přílohy Příloha č. 1: Vývoj počtu zaměstnanců 1991 – 2012

48

Příloha č. 2: Vývoj trţeb a investic 1992 - 2012 (graf)

49

Příloha č. 3: Struktura zpracovaného materiálu (graf)

50

Příloha č. 4: Struktura výrobků v roce 2012 (graf)

51

Příloha č. 5: Kontrolní šablona (výkres)

52

Příloha č. 6: Struktura programu LASER 3 (program)

53

54

Příloha č. 7: Struktura programu LASER 15 (program)

55

56

Příloha č. 8: Struktura programu pro řezání plazmou (program) JM= PALENI) (Poradi v sestave=1) N12 G90 G00 X47.986 Y50.196 FEXF0 N14 D01 N16 G91 G00 X47.986 Y50.196 N18 G01 X3.562 Y0.333 M07 N20 G03 X0.06 Y-0.401 I-3.525 J-0.731 N22 G01 X-0.023 Y0.193 N24 M09 N26 G00 X-15.981 Y-19.261 N28 D01 N30 G00 X-15.981 Y-19.262 N32 G01 X0 Y10 M07 N34 G03 X-19.191 Y-0.409 I-9.6 J0 N36 G03 X0 Y-19.183 I-0.409 J-9.591 N38 G03 X19.183 Y0 I9.591 J-0.409 N40 G03 X0.411 Y19.191 I0.409 J9.591 N42 G01 X-0.199 Y-0.001 N44 M09 N46 G00 X13.855 Y-23.099 N48 D01 N50 G00 X13.855 Y-23.099 N52 G01 X3.576 Y-0.129 M07 N54 G03 X0.008 Y-0.405 I-3.59 J-0.271 N56 G01 X0.002 Y0.195 N58 M09 N60 G00 X-39.29 Y0.169 N62 D01 N64 G00 X-39.289 Y0.17 N66 G01 X3.573 Y-0.191 M07 N68 G03 X0.001 Y-0.405 I-3.594 J-0.209 N70 G01 X0.005 Y0.194 N72 M09 N74 G00 X-2.017 Y37.698 N76 D01 N78 G00 X-2.016 Y37.698 N80 G01 X3.527 Y-0.597 M07 N82 G03 X-0.046 Y-0.403 I-3.594 J0.203 N84 G01 X0.028 Y0.193 N86 M09 N88 G00 X14.712 Y-43.994 N90 D01 N92 G00 X14.712 Y-43.993 N94 G01 X-45.4 Y0 M07 N96 G01 X0 Y27.8 N98 G01 X9.4 Y0 N100 G03 X2.6 Y2.6 I0 J2.6 N102 G01 X0 Y6.844 N104 G01 X-11.393 Y12.342 N106 G02 X0 Y1.628 I0.882 J0.814 N108 G01 X11.393 Y12.342 N110 G01 X0 Y6.844 N112 G03 X-2.6 Y2.6 I-2.6 J0 N114 G01 X-9.4 Y0 N116 G01 X0 Y15.4 N118 G02 X12.4 Y12.4 I12.4 J0 N120 G01 X13.4 Y0 N122 G01 X0 Y-14.5 N124 G01 X10.094 Y0 N126 G01 X14.081 Y14.239 N128 G02 X0.849 Y0.005 I0.427 J-0.422 N130 G01 X14.402 Y-14.244 N132 G01 X9.774 Y0 N134 G01 X0 Y14.5 N136 G01 X13.4 Y0

57

N138 N140 N142 N144 N146 N148 N150 N152 N154 N156 N158 N160 N162 N164 N166 N168 N170 N172 N174 N176 N178 N180 N182 N184 N186 N188 N190 N192 N194 N196 N198 N200 N202 N204 N206 N208 N210 N212 N214

G02 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G02 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G01 G03 G01 G03 G01 M09 G00 M30

X12.4 Y-12.4 I0 J-12.4 X0 Y-14.4 X-8.894 Y0 X-0.906 Y-0.026 X-0.936 Y-0.177 X-0.682 Y-0.292 X-0.629 Y-0.433 X-0.54 Y-0.544 X-0.466 Y-0.701 X-0.251 Y-0.609 X-0.128 Y-0.557 X-0.059 Y-0.634 X-0.009 Y-0.63 X0 Y-5.331 X13.029 Y-13.03 X0 Y-1.273 I-0.636 J-0.636 X-13.029 Y-13.029 X0 Y-5.328 X0.026 Y-0.906 X0.177 Y-0.936 X0.292 Y-0.682 X0.433 Y-0.629 X0.544 Y-0.54 X0.701 Y-0.466 X0.609 Y-0.25 X0.557 Y-0.129 X0.634 Y-0.059 X0.63 Y-0.009 X8.897 Y0 X0 Y-26.8 X-35.8 Y0 X0 Y7.362 X-0.662 Y0.639 I0.362 J1.039 X-27.913 Y-0.001 X-0.625 Y-0.625 I-1.025 J0.4 X0 Y-7.175 X2 Y2 G40

58

Příloha č. 9: Didaktický test 1. Při řezání vodním paprskem (AWJ) tento paprsek prochází tryskou vyrobenou: a) z oceli b) ze slitin mědi c) ze safíru, rubínu nebo diamantu 2. Jak silný drát se používá při elektrojiskrovém drátovém řezání (EDM)? a) 0,5 – 1 mm b) 0,1 – 0,3 mm c) 0,02 – 0,05 mm 3. Jaké přesnosti a drsnosti při ultrazvukovém obrábění těžkoobrobitelných nebo křehkých materiálů je možno dosáhnout? a) přesnost 0,01 mm a drsnost povrchu Ra = 0,4 µm b) přesnost 0,1 mm a drsnost povrchu Ra = 0,8 µm c) přesnost 0,5 mm a drsnost povrchu Ra = 3,2 µm 4. Co nepatří mezi základní způsoby elektrochemického obrábění (ECM)? a) v proudícím elektrolytu b) rotující elektrodou c) hloubením 5. Jakou kvality povrchu při elektrochemickém obrábění je možno dosáhnout? a) drsnost Ra <0,2 b) drsnost Ra>0,2 c) drsnost Ra>0,8 6. Co nepatří mezi základní skupiny chemického obrábění (CM)? a) chemické prostřihování b) chemické rozměrové leptání c) chemické dělení materiálu

59

7. Ve kterém roce byl sestaven první funkční laser? a) 1933 b) 2001 c) 1960 8. Z čeho se skládá laserový plyn? a) oxid uhličitý, dusík a helium b) oxid dusičitý, lithium c) oxid siřičitý, helium, ozon 9. Jaký tlak vytvářejí čerpadla při řezání vodním paprskem? a) 1 100 – 2 500 kPa b) 3 600 – 6 200 bar c) 5 000 – 7 000 MPa 10. Teplota plazmového řezání (odtavování) je: a) 10 000 – 30 000 °F b) 1 100 – 2 500 °C c) 10 000 – 30 000 °C 11. Který materiál nelze dělit při plazmovém řezání? a) ocel b) texgumoid c) legovaná ocel 12. Výhodou nekonvenčních metod je obrábění: a) těţkoobrobitelných materiálů b) nekovových materiálů c) nemají ţádné výhody

60