MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
Bakalářská práce
BRNO 2012
Tomáš Marek
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav Techniky a automobilové dopravy
Možnosti využití vysokorychlostního obrábění při výrobě dílů pro stavbu obráběcích strojů Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc.
Vypracoval: Tomáš Marek Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Možnosti využití vysokorychlostního obrábění při výrobě dílů pro stavbu obráběcích strojů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury.
Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MU v Brně. dne.............................................................. podpis .........................................................
Poděkování: Rád bych touto cestou poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. za pomoc při vypracování daného tématu. Dále bych chtěl poděkovat pánům prof. Dr. ing. Jiřímu Markovi, Zdenku Synkovi, Vítězslavu Habánovi, ing. Daliboru Krylovi a paní Smolkové za pomoc při experimentu, dále firmě TOSHULIN za poskytnutí zázemí a stroje pro experiment a firmě Walter CZ Kuřim za poskytnutí břitových destiček.
Abstrakt Tato bakalářská práce se zabývá využitím nových technologií třískového obrábění při výrobě obráběcího stroje firmy TOSHULIN, a.s. Cílem práce je tyto nové technologie nejen vysvětlit, ale také formou experimentu vyzkoušet v praxi. Hlavním podnětem k vypracování této práce byla nejen neustále se vyvíjející konkurence, ale také stále nové moderní technologie třískového obrábění. V první části se práce zabývá teoretickým výkladem konvenčních způsobů třískového obrábění jako např. soustružení, frézování, broušení a výroba závitů. Dále se zabývá popisem moderních metod obrábění jako je např. vysokorychlostní nebo vysoko posuvové obrábění. V druhé části se práce pomocí experimentu firem Walter a TOSHULIN zabývá jak lze využít vysokorychlostní obrábění při obrábění součástí používaných ve stavbě obráběcích center. Pro tento experiment bylo zvoleno vřeteno, které bylo obráběno s měnícími se technologickými parametry. Na vzorku byla vyhodnocena výsledná drsnost povrchu, teplota a čas obrábění. Z výsledků plyne, že tato metoda výrazně zmenšuje výrobní čas. Volba metody obrábění bude záležet na technologicko-ekonomických možnostech firmy. Klíčová slova: obráběcí centra, obrábění, vysokorychlostní obrábění, vysoko posuvové obrábění, technologie, vřeteno Abstract This bachelor’s work deals with application of new technologies of chip machining at the manufacture of a machine tool made by TOSHULIN, a.s. The target of this work is not only to explain these new technologies but also to test them in practice in an experimental way. The main impulse to elaborate this work was the competition which is still developing as well as modern technologies applied at chip machining. The first work part deals with theoretical explanation of conventional methods of chip machining, as e. g. turning, milling, grinding and thread cutting. Moreover, it deals with the description of modern machining methods, as e. g. high-speed machining or high-feed machining. The second work part deals – based on the experiment performed by Walter and TOSHULIN companies – with the possibility how to use high-speed machining, when machining some particular parts which are applied at building of machining centres. A spindle was selected to perform this experiment and this spindle was machined with varying technological parameters. The obtained sample was used to perform the assessment of resulting surface roughness, temperature and machining time. The results show that this method reduces manufacturing time in the considerable way. The machining method selection will depend on technological and economical possibilities of the particular company. Key words: machining centres, machining, high-speed machining, high-feed machining, technology, spindle
Obsah 1
úvod .......................................................................................................................... 7
2
cíl práce ..................................................................................................................... 7
3
Systémové pojetí technologie třískového obrábění .................................................. 8 3.1
Systémové pojetí procesu obrábění .................................................................... 8
3.2
Podstata procesu řezání .................................................................................... 10
3.3
Druhy technologií třískového obrábění ............................................................ 11
3.3.1
Soustružení................................................................................................ 11
3.3.2
Frézování .................................................................................................. 14
3.3.3
Vrtání a vyvrtávání ................................................................................... 15
3.3.4
Řezání závitů............................................................................................. 16
3.3.5
Broušení .................................................................................................... 18
moderní způsoby třískového obrábění .................................................................... 18
4
4.1
Obrábění pomocí CNC obráběcích strojů ........................................................ 18
4.2
Obrábění vysokými řeznými rychlostmi .......................................................... 19
4.3
Obrábění vysokými posuvovými rychlostmi ................................................... 23
vysoká efektivita frézování; ................................................................................. 26
4.4 5
6
7
Vlivy moderních způsobů obrábění na konstrukci CNC obráběcích strojů ..... 26
vytipování dílů ve stavbě obráběcích strojů vhodných pro hsc obrábění ............... 29 5.1
Rozdělení CNC obráběcích strojů .................................................................... 29
5.2
Popis svislého soustruhu .................................................................................. 32
5.3
Nerotační součásti ve stavbě svislého soustruhu vhodné pro HSC obrábění ... 34
5.4
Rotační součásti ve stavbě svislého soustruhu vhodné pro HSC obrábění ...... 36
výběr vhodného dílu pro hsc obrábění .................................................................... 37 6.1
Obrábění vřetene-experiment ........................................................................... 37
6.2
Vyhodnocení experimentu na zkušebním vzorku ............................................ 42
návrh hsc technologie výroby vybraného dílu ........................................................ 45 7.1
Současný postup obrábění měkkého materiálu ................................................ 45
7.2
Návrh nového postupu obrábění tepelně nezpracovaného materiálu ............... 47
7.3
Úvahy o obrábění tvrdého materiálu ................................................................ 48
7.4
Technicko-ekonomické zhodnocení................................................................. 48
8
Závěr a zhodnocení ................................................................................................. 48
9
Seznam zkratek ....................................................................................................... 50
10 Použitá literatura ..................................................................................................... 50
1
ÚVOD
Za úplně nejstarší, ovšem ne tak dokonalé obrábění můžeme považovat opracovávání kamenů lidmi z doby kamenné (přibližně 600 000 až 10 000 let př.n.l.). Tento způsob opracování nebyl tak dokonalý vzhledem k nekvalitním nástrojům, které byly použity (kámen, kosti zvířat) k opracovávání kamenů na výrobu zbraně. První obráběcí stroje vznikají na základě dvou významných objevů, a to luku a hrnčířského kruhu. Princip tohoto stroje byl v tom, že jeden muž drží nástroj a druhý obstarává třecí pohon šňůrou, za kterou tahá. Středověk nebyl na vymýšlení nových způsobů pohonu při obrábění příliš štědrý. Až geniální vynálezce, malíř a velký muž renesance Leonardo da Vinci navrhl soustruh, který je ovládán pohybem kliky. Tento pohyb je schopen plynulé rotace ke kterému mu pomáhá setrvačník a ve stavitelné opoře pro obrobek je umístěn první koník. Za otce moderních soustruhů je považován, mimo jiné vynálezce mikrometru, Henry Maudslay. Roku 1797 dal dohromady několik již existujících principů, které spojil dohromady a tak vznikl první soustruh. Moderní svět se bez obrábění neobejde. Stopa po třískovém obrábění je vidět v mnoha odvětvích průmyslu a proto je strojírenství na předním místě. Skoro na všech předmětech kolem nás je vidět stopa třískového obrábění. Nejsou to pouze spotřební předměty moderní doby, ale také předměty důležité pro naše každodenní živobytí (turbína-výroba elektrické energie atd.). Konstrukce obráběcích a tvářecích strojů je do značné míry závislá na subdodávce z široké oblasti dalších průmyslových oborů (Jiří Marek a kol., 2010). Což lze interpretovat tak, že obrábění se neobejde bez ostatních průmyslových oborů a naopak.
2
CÍL PRÁCE
V době tak silné konkurence ve strojírenském odvětví, by měla firma k výrobě svých produktů využívat stále nové technologie a inovace. Jednou z možností jak obstát v tomto silném konkurenčním boji je snižování výrobního času a ceny při dosahování lepší drsnosti povrchu. Cílem této bakalářské práce bylo zpracovat rešerši současného stavu vysokorychlostního obrábění kovových materiálů, vytypovat vhodný díl obráběcího stroje firmy TOSHULIN vhodný pro výrobu pomocí vysokorychlostního obrábění, navrhnout technologii výroby a technicko-ekonomicky zhodnotit návrh.
7
3
SYSTÉMOVÉ POJETÍ TECHNOLOGIE TŘÍSKOVÉHO OBRÁBĚNÍ
3.1 Systémové pojetí procesu obrábění Pro většinu operací obrábění jsou typické fyzikálně-mechanické procesy odebírání materiálu z obrobku. Tyto operace nazýváme řezné procesy. Při zkoumání podstaty řezného procesu vycházíme z předpokladů, že řezný proces existuje pouze v technologické soustavě S-O-N (stroj-obrobek-nástroj) rozšířené o upínač. Každý článek technologické soustavy S-O-N představuje konečnou množinu technologických prvků; jež řezný proces podmiňují (Říčka, Bula, 1989). Celkové blokové schéma technologické soustavy S-O-N je znázorněno na Obr. 3.1
Obr.3.1 Blokové schéma technologické soustavy S-O-N [3] Nyní provedeme stručný popis obrázku 3.1. Vstupy do soustavy S-O-N jsou různé pro stroj, obrobek a nástroj. Z energetického hlediska patří obráběcí stroj ke strojům,ve kterých se mechanická energie přeměňuje v teplo.
8
Energie přivedená obráběcím strojem do místa styku obrobku s nástrojem se z části změní na práci k překonání porušení soudržnosti materiálu, na práci potřebnou k překonání tření třísky o čelo a hřbet nástroje a z části na deformaci třísky. Nakonec se ale veškerá dodaná energie promění v teplo. Řezná rychlost se volí podle mnoha parametrů, jsou to např. materiál obrobku, tuhost nástroje, velikost posuvu. Optimální hodnotu řezné rychlosti mezi nejkratší dobou obrábění a dostatečnou trvanlivostí nástroje lze určit z tabulek. Přísuv je vedlejší pohyb, který koná nástroj ve směru kolmém na osu obrobku. Tento pohyb nám určuje hloubku třísky. Posuv je také vedlejší pohyb konající nástroj, ale ve směru osy obrobku. Tento pohyb nám dá délku obrábění. Řezná kapalina zajišťuje více funkcí. Nejdůležitější je odvod tepla při obrábění, snižuje třecí odpor a má mazací účinek. U obrobku je nejdůležitější obrobitelnost, která popisuje chování materiálu při obrábění řeznými nástroji. Obrobitelnost závisí na mechanických vlastnostech materiálu. Přídavek na obrábění musí být tak velké, aby šla součást vyrobit. U odlitků se přídavky dávají pouze tam, kde bude funkční plocha a proto se tato část odlitku bude obrábět. Obráběcích ploch by mělo být u odlitků co nejméně. Nástroj by měl být zvolen tak, že bude schopen obrábět daný materiál. Řezný materiál by měl být houževnatý, odolný proti opotřebení, pevný v tlaku a ohybu. Řezivost je schopnost nástroje udržet řezný břit ostrý při obrábění. Na geometrii břitu je závislá trvanlivost nástroje, jakost obrobené plochy a hospodárnost obrábění. Nejdůležitější úhly jsou α, β a γ. Úhel hřbetu α ovlivňuje jak moc přichází při odebírání třísek do styku plocha obrobku s hřbetem nástroje. Úhel břitu β ovlivňuje pronikání břitu do materiálu. Čím je úhel menší tím snadněji proniká. A úhel čela γ má největší vliv na utváření třísek. Jak již bylo psáno výše soustava S-O-N je samostatný řezný proces, který se na výstupu dělí na podstatu řezného procesu, stavu nástroje a obrobku a náklady na obrábění. Výstupy jsou ovlivněny svými vstupy (nesprávný řezný materiál=malá životnost nástroje), což znamená, že špatně zvolené vstupy mají za následek malou produktivitu, trvanlivost nástroje nebo velké teploty v pracovním prostoru. To má v konečném důsledku procesu obrábění velmi negativní dopad z pohledu hospodárnosti a ekonomiky.
9
Uvedeným popisem soustavy S-O-N jsme chtěli poukázat na složitost problematiky třískového obrábění a na souhrn mnoha faktorů, které ovlivňují výsledek celého procesu řezání.
3.2 Podstata procesu řezání Problémy obrábění se v dnešní době zredukovaly téměř výhradně na utváření třísky (Sandvik, 1997). I když více záleží na dosažení přesného rozměru a čisté obrobené plochy, stále je zde otázka definovaného tvaru třísky. Obrábění je tedy záležitostí kontrolovatelného odchodu třísky a v případě nutnosti – lámání třísky (Sandvik, 1997). Tříska je část materiálu, která vzniká úběrem obráběného materiálu řeznou hranou a je nutné řešit její odvod z pracovního prostoru, čímž odvedeme teplo vzniklé obráběním a díky tomu zamezíme zahřívání pracovního prostoru, který by mohl mít negativní vliv jak na nástroj, tak na obrobek. Při odebírání materiálu nástrojem jeho břit způsobuje plastické deformace, které jsou rozděleny do 3 oblastí plastické deformace. 1. oblast plastické deformace-tříska je oddělována postupně ve zvětšujících se smykových rovinách, které překonává pevnost materiálu ve smyku → dochází k oddělení třísky. 2. oblast plastické deformace-tříska třením o čelo nástroje zpomaluje svoji původní řeznou rychlost čímž dochází k pěchování třísky a její průřez se zvětšuje. 3. oblast plastické deformace-nástroj při úběru třísky tlačí určitou silou do povrchu obrobku, tím dochází ke zpevnění povrchu. Po odjetí nože dochází vlivem plastické deformace k zpětnému odpružení materiálu. Rozlišujeme 7 základních typů utváření třísek dle obráběného materiálu (Obr. 3.2) : 1. plynulá článkovitá soudržná tříska vznikající u většiny ocelí, 2. plynulá soudržná lamelovitá tříska, vznikající u většiny korozivzdorných ocelí, 3. tvářená elementární tříska vznikající u většiny litin, 4. nepravidelně článkovitá plynulá tříska vznikající u většiny vysoce legovaných materiálů, 5. tvářená plynulá soudržná tříska vznikající při malých řezných silách, např. při obrábění hliníku,
10
6. dělená segmentová tříska vznikající při velkých řezných silách a vysokých teplotách řezání, např. při obrábění tvrdých materiálů, 7. plynulá segmentová tříska vznikající při obrábění titanu.
Obr. 3.2 Druhy třísek [2] Při obrábění existuje ještě mnoho jiných faktorů, které negativně ovlivňují tvorbu třísky. Je to např. teplota, vibrace, řezné síly a pevnost nástroje. Obrábění kovů vyžaduje značné vynaložení síly na oddělení třísky od obrobku. Znalosti v oblasti řezných sil vedly k vyváženému řezání, speciálně s ohledem na pozitivní průběh obrábění a stabilitu břitu. Existuje úzký vztah mezi potřebou výkonu a silami, které při těchto procesech vznikají (Sandvik, 1997). Řezné síly lze vypočítat nebo změřit. Radiální složka řezné síly (Fp) je kolmá k tangenciální síle. Tangenciální síla (Fc) je síla, která je důsledkem kontaktu a tření mezi třískou a čelem. Axiální složka řezné síly (Fcn) působí ve směru posuvu a obrábění. Tangenciální síly jsou dominující zejména při frézování a soustružení, přičemž přímo ovlivňují velikost příkonu stroje. Radiální síla je důležitá při obrábění vnitřních ploch a axiální složka řezné síly je důležitá při vrtání. Všechny tři složky řezné síly, nejvíce však tangenciální síla, se zvětšují s narůstajícím průřezem třísky. Při hrubování může být poměr Fc:Fp:Fcn stanoven číselně jako 4:2:1. Tangenciální složka řezné síly je dvakrát tak velká jako složka axiální a čtyřikrát tak velká jako složka radiální. Při vrtání vypadá poměr naprosto odlišně a je závislý na posuvu (Sandvik, 1997).
3.3 Druhy technologií třískového obrábění 3.3.1 Soustružení Soustružení je jeden z nejrozšířenějších způsobů třískového obrábění, které představuje přibližně 50 % celkové pracnosti strojního obrábění. 11
Soustružení je obrábění pomocí jednobřitých řezných nástrojů. Soustružením se nejčastěji obrábějí válcové plochy a to jak vnitřní, tak vnější dále lze obrábět vnější i vnitřní kuželové plochy a obecné tvarové plochy. Ve většině případů koná obrobek hlavní rotační pohyb kolem své osy. Vedlejší pohyby koná nástroj a to ve směru osy obrobku (posuv), nebo ve směru kolmém na osu obrobku (přísuv). Rozlišujeme čtyři hlavní způsoby soustružení a to: podélné soustružení, čelní soustružení, soustružení tvarů a kopírovací soustružení. Mimo to existuje ještě mnoho dalších kombinací – jako je například obrábění osazení, přechodů mezi průměry a srážení hran, které jsou variantami výše uvedených čtyř hlavních způsobů soustružení (Sandvik, 1997). Na obrázku Obr. 3.3.1.1 je znázorněno vnější (podélné) soustružení.
Obr. 3.3.1.1 Vnější (podélné) soustružení [5] V dnešní době jsou řídící systémy soustruhů na tak vysoké úrovni, že zvládnou všechny druhy soustružení. Obrobek upnutý ve sklíčidle se otáčí určitými otáčkami vřetene n (ot/min). Řezná rychlost vc (m/min) se rovná obvodové rychlosti bodu na obvodě obrobku, tzn. že vc je rychlost, kterou se pohybuje obvod obrobku ve směru proti břitu (Sandvik, 1997). Na obrázku Obr. 3.3.1.2 je vidět čelní soustružení s výpočtem řezné rychlosti.
12
Obr. 3.3.1.2 Čelní soustružení s výpočtem řezné rychlosti [2] Nástroje pro třískové obrábění, nebo-li soustružnické nože, můžeme rozdělil z několika hledisek. Mezi základní rozdělení patří: podle materiálu nože (z nástrojové rychlořezné oceli, s břitovými destičkami ze slinutých karbidů, atd.), podle druhu obráběcího stroje (soustružnické, revolverové), podle charakteru obrábění (ubírací, zapichovací, upichovací, ...), podle polohy hlavního ostří (pravé, levé, souměrné). Geometrie břitu ovlivňuje nejen celkovou trvanlivost nástroje, ale i výslednou jakost povrchu obráběného materiálu. Proto se řezné úhly volí vzhledem k druhu obrábění. Nejdůležitějším řezným úhlem je úhel hřbetu α, který ovlivňuje velikost tření vznikajícího pohybem hřbetu nástroje po řezné ploše. Čím je tento úhel menší, tím větší je styková plocha hřbetu s plochou řezu a tím větší je také tření mezi oběma plochami. Dalším úhlem je úhel břitu β. Čím je tento úhel větší, tím větší je odpor při oddělování třísky. Podle tohoto hlediska by měl být úhel břitu co nejmenší. Malým úhlem břitu by se však zmenšila pevnost, tuhost a řezné hrany nože zvláště při obrábění materiálů větší pevnosti dále při obrábění většími řeznými rychlostmi a při ubírání třísek většího průřezu. Úhel čela γ má největší vliv na průběh řezání, neboť tento úhel určuje polohu čela nástroje vzhledem k pracovní rovině řezu. Úhel nastaveni hlavního ostří χ určuje tvar průřezu třísky, neboť vztah, mezi tloušťkou a šířkou ubírané vrstvy se mění se změnou úhlu nastavení hlavního ostří. Při zmenšování úhlu χ se tloušťka ubírané vrstvy zmenšuje, kdežto šířka se postupně zvětšuje na jinou šířku . Přitom se však plocha průřezu třísky nemění. V dnešním světě je soustružení nedílnou součástí výroby v mnoha odvětví průmyslu a bez soustružení by nebylo možné obrábět rozmanité obrobky hojně používané.
13
3.3.2 Frézování Frézování je po soustružení druhý nejrozšířenější způsob třískového obrábění a představuje přibližně 40 % celkové pracnosti strojního obrábění. Frézováním lze obrábět rovinné i tvarové plochy. Frézování se děje dvěma na sobě vázanými pohyby. Hlavní pohyb koná nástroj-fréza, a to otáčivý kolem své osy. Vedlejší pohyb koná obrobek upnutý na stole. Tento pohyb je přímočarý nebo kruhový a obvykle je kolmý na osu otáčení nástroje. Jednotlivé břity frézy nejsou v neustálém záběru s obrobkem, ale pouze po určitou dobu otáčky. V podstatě lze říci, že řezný pohyb je cykloida. Frézování lze rozdělit na frézování válcovými a čelními frézami. Válcovou frézou lze frézovat sousměrným nebo nesousměrným způsobem. Při sousměrném frézování se fréza otáčí ve směru posuvu. Maximální tloušťka třísky vzniká při zařezávání zubů do obrobku a končí na obrobené ploše. Takto obrobené plochy jsou hladší. Řezná síla působí příznivě na upínání, protože jej přitlačuje na opěrnou plochu. Při nesousměrném frézování se fréza otáčí proti smyslu posuvu. Průřez třísky se postupně zvětšuje od nuly do maximální tloušťky. Nevýhoda je, že břit na začátku klouže po obrobené ploše, odírá se, zahřívá a otupuje. Řezná síla působí nahoru a tím nepříznivě ovlivňuje upnutí obrobku. Na Obr. 3.3.2.1 je vidět sousměrné a nesousměrné frézování.
Obr. 3.3.2.1 Sousměrné a nesousměrné frézování válcovou frézou [5] 14
Frézování čelními frézami je výkonnější než válcovými , protože zde zabírá více zubů současně a tím můžeme volit větší posuv. Materiál je odřezávám jak břity na obvodu frézy tak břity na čelní ploše frézy. Tloušťka třísky vzniká od minima do maxima podle průměru frézy k šířce frézované plochy. Jak již bylo psáno v této kapitole nástroje jsou frézy. Ty lze dělit dle několika kategorií: Podle funkce frézy - k obrábění rovinných ploch (válcové a čelní), k obrábění drážek (kotoučové a drážkovací), k obrábění tvarových ploch (kuželové a rádiusové). Podle provedení a tvaru zubů (frézované, podsoustružené a podbrušované), podle počtu dílů (celistvé, dělené, svařované) apod. Pojmem otáčky vřetena n (l·min-1) rozumíme počet otáček za minutu, které koná fréza, upnutá ve vřetenu. Řezná rychlost vc (m·min-1) naproti tomu označuje obvodovou rychlost, jakou opracovává břit obrobek. Jedná se o důležitou veličinu, vztahující se k nástroji. Posuv za minutu fmin (mm·min-1) odpovídá relativní rychlosti mezi osou nástroje a obrobkem (hovoříme též o posuvu stolu frézky). V případě posuvu na otáčku fot (mm·ot-1) se jedná o veličinu, která má zvlášť velký význam pro výpočet posuvu a pro určení schopnosti frézy při obrábění načisto. Posuv na zub fz (mm) je při frézování důležitou klíčovou hodnotou. Protože fréza je vícebřitý nástroj, musí existovat hodnota, jejíž pomocí je možné zajistit, aby každý břit obráběl za nejlepších možných podmínek (Sandvik, 1997). Stroje pro frézování se nazývají frézky. Ty lze rozdělit buď podle polohy vřetene (vodorovné a svislé) nebo podle účelu a konstrukce (konzolové, rovinné, stolové a speciální). 3.3.3 Vrtání a vyvrtávání Pojem vrtání zahrnuje téměř všechny způsoby obrábění, které se používají ke zhotovování válcových děr v obrobku při použití řezných nástrojů. Mimo vrtání krátkých a dlouhých děr zahrnuje tento pojem také další způsoby obrábění, jako vystružování, vyhrubování, vyvrtávání, ale také některé operace obrábění načisto, jako je, válečkování apod. Společným jmenovatelem všech těchto způsobů obrábění je rotační pohyb nástroje, případně obrobku, společně s přímočarým pohybem nástroje, respektive obrobku (Sandvik, 1997). Vrtání lze rozdělit na vrtání krátkých nebo dlouhých děr. Při vrtání krátkých děr se používají dva způsoby. První je tzv. vrtání doplna, kdy je díra vrtána v jediné operaci až do určitého průměru vrtáku. 15
Druhý způsob je vrtání na jádro, který se používá pro vrtání větších průměrů, protože nevyžaduje tak velký příkon stroje. Jako nástroje se používají šroubovité vrtáky. Šroubovitý vrták je dvojbřitový nástroj se šroubovými drážkami po obvodu pro odvod třísek a přívod chladícího media. Vrták má válcovitý tvar. Na žebrech šroubovitého vrtáku je faseta, což je úzká válcová ploška, která zajišťuje vedení a snižuje tření. Stroje nazývané vrtačky můžeme rozdělit podle druhu konstrukce na stolní, sloupcové, stojanové, otočné a speciální. Vyvrtáváním, nebo také soustružením děr se předvrtané nebo předlité díry obrábějí. K těmto úkonům patří také vyhrubování, vystružování a zahlubování. Zahlubování je operace, kterou se rozšiřuje vyvrtaná díra. Záhlubníky jsou jednobřité,dvoubřité nebo několikabřité nástroje na válcové, kuželové nebo tvarované díry. Zuby jsou frézované, v pravé šroubovici s úhlem ω=20º. Záhlubníky jsou vedeny vodícím čepem v díře součástky, nebo čep nemají a jsou vedeny svou válcovou částí. Výhrubníky jsou trojbřité až čtyřbřité nástroje se zuby ve šroubovici o stoupáni ω=20º. Pracovní část výhrubníku se skládá z řezného kužele a válcové kalibrovací části. Výhrubníky se používají pro dosažení přesnějších rozměrů a lepšího geometrického tvaru. Výstružník je vícebřitý nástroj. Zuby jsou u výstružníků přímé nebo ve šroubovici. Rozteče zubů jsou stejnosměrné nebo nestejnosměrné. Výstružníky lze rozdělit do několika kategorií podle: tvaru obvodových ploch(válcové, kuželové), způsobu použití (ruční, strojní), podle způsobu výroby zubů (pevné, rozpínací, s frézovanými zuby). Při práci se nástroj otáčí kolem své osy a zároveň se v jejím směru posouvá k obrobku kde odebíráním jemných třísek dodává dírám přesný rozměr a geometrický tvar. 3.3.4 Řezání závitů Výroba závitů, která tvoří podstatnou část mnoha obrobků, vyžaduje vysokou úroveň obrábění a velkou pečlivost. Princip soustružení závitu jednoprofilovým nožem je založen na posuvu nástroje v závislosti na otáčkách obrobku. Tímto způsobem řeže špička břitu nástroje do obrobku typickou šroubovitou drážku, která tvoří závit šroubu s určitým stoupáním (Sandvik, 1997). Obdobným způsobem se dělají i vnitřní závity, u kterých musíme dbát na dobrou stabilitu a odchod třísky. Vyrobit závit lze i na frézce pomocí hřebenových fréz. Na obrázku Obr. 3.3.4.1 je vidět frézování závitů. 16
Fréza se otáčí kolem své osy a kolem obrobku. Zároveň se pohybuje nahoru respektive dolů ve směru své vlastní osy a tím nám vzniká závit.
Obr. 3.3.4.1 Frézování vnějších závitů [6] Závit se nevyrábí na jeden, ale na několik záběrů. Při dalším záběru je tříska větší, protože břit přichází s materiál do stále většího kontaktu. Při řezání je nejdůležitější veličinou posuv, který musí být v souladu se stoupáním závitu. Rozlišujeme tři různé druhy provádění přísuvu, kterými je možné vytvářet profil závitu - Obr. 3.3.4.2. Radiální přísuv je nejběžnější metodou. Boční přísuv je nejvýhodnější metodou. Břit je do záběru přisouván ve směru boku závitu a dosahuje se lepší odchod třísky. Radiálně-boční přísuv se používá převážně při obrábění závitu s velkým profilem (Sandvik, 1997).
Obr. 3.3.4.2 Tři druhy přísuvu (a-radiální, b-boční, d-radiálně-boční) [5] 17
3.3.5 Broušení Broušení se zařazuje mezi dokončovací operace třískového obrábění, kde se pomocí brousícího kotouče odebírá velmi malá a tvrdá tříska. Brousící kotouč nemá břity, ale je tvořen brousícími zrny. Kotouč se skládá z pojiv, brusiv a pórů. Pojiva spojují zrny brusiva a mohou být organická (šelak, pryž, umělé pryskyřice) a anorganická (silikátová, kovová, keramická). Materiál brusiva může být umělý korund, diamant, karbid křemíku, karbid boru a kubický nitrid boru. Tvrdost kotouče je odolnost zrn brusiva proti vydrolování při broušení. Při broušení je velice důležité správné zvolení brousícího kotouče. Záleží to na mnoha parametrech, a to na vlastnostech broušeného materiálu (tvrdost, pevnost), na druhu brusné operace, na podmínkách broušení. Obecně lze říci, že pomocí broušení se dosahují velmi malé výsledné drsnosti povrchu a to přibližně v rozmezí Ra=0,4-0,6 µm.
4
MODERNÍ ZPŮSOBY TŘÍSKOVÉHO OBRÁBĚNÍ
4.1 Obrábění pomocí CNC obráběcích strojů Snaha o zkrácení výrobní doby, vývoje a zlepšení kvality produktů se začala výroba automatizovat. Automatizace se odehrává v několika etapách. První etapa je založena na strojích, které pracují v bezobslužném provozu. To znamená, že je zde na rozdíl od konvenčních strojů, že je zde odstraněn lidský činitel který může způsobit chybu. Zde se především používají CNC řízené stroje které budou vysvětleny dále v kapitole. Druhá etapa automatizace je seskupení CNC strojů do automatizovaných výrobních soustav. Poslední etapa automatizace je automatizovaný výrobní závod. CNC řízené stroje hrají v malo až středně sériové výrobě velkou roli, protože při vysoké výkonnosti musíme stroje pružně přizpůsobit měnícímu se sortimentu obrobků (Jiří Marek a kol., 2010). CNC řízené stroje neboli z anglického jazyka Computer Numerical Control patří do tzv. programově řízených strojů. Znamená to, že při přechodu z jednoho obrobku na druhý se provádí buď částečně nebo úplně výměnou řídícího programu a vybavením příslušnou technologií třískového obrábění (Jiří Marek a kol., 2010). CNC obráběcí stroj je vlastně stroj, který je numericky řízen a pracuje v automatickém cyklu s automatickou výměnu nástrojů. 18
Číslicové řízení počítačem je činnost počítače pro řízení pohybu obrobku nebo nástroje po určité trajektorii v rovině nebo prostoru. Veškeré informace, které jsou potřebné pro obrábění obrobku jsou zaznamenány ve formě řady numerických znaků. Číslicově řízený stroj má šest pracovních celků: 1. polohování nástroje 2. vřeteno s vřeteníkem 3. zásobník a výměník nástrojů 4. zásobník (výměník) obrobků 5. přívod media 6. ochranné kryty Převzetím většiny řídicích operací u strojů číslicově řízených řídícím systémem, zejména pak v automatickém režimu provozu stroje, dochází k jisté míře eliminace chybovosti operátora stroje. Z těchto důvodů se koncepce stroje výrazně liší od strojů stavěných pro lidskou obsluhu. Je známá skutečnost, že pokud bude lidská obsluha u konvenčního (ručně řízeného) stroje prováděna na méně přesném stroji, lze obrábět přesně (v sedmém nebo osmém stupni IT). To proto, že ručním řízením jsme schopni do jisté míry eliminovat např. velkou vůli vedení. U moderních CNC obráběcích center je možno totéž provádět pomocí tzv. elektronické korekce (kompenzace) pohybu v řídícím systému. Neznamená to ovšem, že můžeme mechanickou konstrukci numericky řízených strojů věnovat menší pozornost a používat méně přesné konstrukční elementy. Naopak, možností elektronické korekce pohybu se dostáváme při použití přesných konstrukčních prvků do oblasti super a ultra pracovní přesnosti obrábění (desetiny mikrometru) (Jiří Marek a kol., 2010).
4.2 Obrábění vysokými řeznými rychlostmi Obrábění vysokými řeznými rychlostmi je jedna z moderních technologií třískového obrábění. Přitom je tato metoda známá již delší dobu, kdy první pokusy byly provedeny na začátku dvacátých let minulého století. První definice HSC (High Speed Cutting) byla navržena Carlem Salomonem a to v roce 1931. 19
Definice vysokorychlostní obrábění znamená použití řezných rychlostí, které jsou výrazně vyšší než ty, používané u konvenčních obráběcích operací. Termín vysoká rychlost je relativní. Přibližný rozsah řezných rychlostí může být definován takto: 1.Vysoká rychlost: 600-1800 m·min-1, 2. Velmi vysoká rychlost: 1800-18000 m·min-1, 3. Ultra vysoká rychlost:> 18 000 m·min-1 (Jiří Marek a kol., 2010) Další definice HSC je založena na poměru výkonu a maximálních otáčkách vřetena. Konvenční obráběcí stroje mají obvykle tento poměr vyšší než stroje pro vysokorychlostní obrábění (Jiří Marek a kol., 2010). Vysokorychlostní obrábění nám umožňuje zvýšit efektivitu, přesnost a kvalitu dílců, snižuje náklady a čas obrábění. Aby se dalo hovořit o vysokorychlostním obrábění, musí být dosaženo určité řezné rychlosti, která je však různá pro obráběný materiál a pro různé technologické operace. Tak například můžeme uvažovat pro různé obráběné materiály tyto rozsahy řezných rychlostí, abychom mohli hovořit o vysokorychlostním obrábění (Jiří Marek a kol., 2010). plasty zpevněné vlákny : v = 3000 - 8000 m·min-1 slitiny hliníku : v = 3000 - 6000 m·min-1 bronz, mosaz : v = 1000 - 3000 m·min-1 litina : v = 850 - 1500 m·min-1 ocel : v = 800 - 1000 m·min-1 slitiny legované titanem : v = 150 - 1000 m·min-1 slitiny na bázi niklu : v = 60 - 250 m·min-1
20
HSC
SUPER HSC
SOUSTRUŽENÍ
FRÉZOVÁNÍ
VRTÁNÍ
BROUŠENÍ
10
100
1000
100000
10000
KONVENČNÍ
V [m·min-1]
HSC
Obr. 4.2.1 Rozsahy řezných rychlostí definující HSC obrábění dle druhu třískových obrábění [1] Pomocí vysokorychlostního obrábění můžeme obrábět různé materiály. Slitiny hliníku Relativně časté nasazení strojů pro HSC je při obrábění slitin hliníku. Jsou to většinou víceosé frézovací stroje v automobilovém a leteckém průmyslu. V leteckém průmyslu hraje největší roli při nasazení vysokorychlostního obrábění rychlost odebrání co největšího objemu materiálu. Využívá se totiž hlavně při výrobě pro tento obor typických tvarových součástí z jednoho kusu (Jiří Marek a kol., 2010). V automobilovém průmyslu se zase využívá HSC pro svůj příznivý vliv na snížení řezných sil a tepelného namáhání obrobku a pro dosahovanou kvalitu povrchu obrobku. U obrobků je dosahováno drsnosti povrchu Ra = 0.4 - 0.8 m při čelním a Ra = 0.25 0.5 m při obvodovém frézování. Tloušťka frézovaných stěn může být jen 0.2 mm. Pro vysokorychlostní obrábění hliníkových slitin jsou používány nástroje z polykrystalického diamantu (PKD) popřípadě povlakovaný polyvinilový diamant PVD a jako velmi perspektivní se jeví užití Cermetů (Jiří Marek a kol., 2010).
21
Slitiny mědi HSC se používá i pro obrábění těžko obrobitelných materiálů, např. mosazi neobsahující olovo. Při použití nástroje z PKD a řezné rychlosti 2500 - 5000 m·min-1, přičemž posuv může být 30 m·min-1, lze dosáhnout povrchu lepšího než Ra = 0.2 m. Tyto parametry jsou předurčeny pro užití při výrobě elektrod pro elektroerozivní obrábění (Jiří Marek a kol., 2010). Litina Nasazení HSC pro obrábění odlitků je podmíněno zlepšením technologie odlévání tak, že produkuje odlitky v dostatečně malých tolerancích rozměru a tvaru. Např. firma Wolkswagen AG využila vysokorychlostní obrábění pro obrobení bloku motoru. Byla použita frézovací hlava s destičkami z řezné keramiky Si3N4 a řezná rychlost 500 m·min-1 (Jiří Marek a kol., 2010). Pro další zvýšení přesnosti a kvality povrchu byly použity destičky z kubického nitridu bóru (CBN) a řezná rychlost zvýšená na 1000 m·min-1. Tato změna parametrů znamenala také možnost použití nástroje menšího průměru tak, že jeho delší dráha neznamenala prodloužení času obrábění. Dále se vysokorychlostní obrábění u VW s úspěchem aplikuje na vrtání válců. Zde je nástroj z CBN a řezná rychlost 2000 - 3750 m·min-1 (Jiří Marek a kol., 2010). Ocel Vysokorychlostní obrábění oceli není tak zcela rozšířeno, ale výsledky výzkumů ukazují, že má stejný význam jako u ostatních materiálů. Řezné rychlosti 400 - 1600 m·min-1 jsou znatelně nižší než u ostatních materiálů, takže pro vysokorychlostní obrábění oceli plně postačují vřetena s otáčkami do 30000 min-1. Vřetena však musí mít relativně velký výkon (do 50 kW). Jako nejlepší nástrojové materiály se jeví Cermety a řezné materiály povlakované TiN, dále CBN a PVD (Jiří Marek a kol., 2010). Grafit HSC obrábění bylo nasazeno také při výrobě grafitových elektrod pro elektroerozivní obrábění. Pokud se použije nástroj z PKD zkrátí se čas obrábění na jednu pětinu až desetinu. Lze obrábět tvary se stěnami silnými 0.2 mm. Posuv je udáván kolem 10 m.min-1 a otáčky nástroje mezi 12000 a 50000 min-1 (Jiří Marek a kol., 2010). 22
4.3 Obrábění vysokými posuvovými rychlostmi Snahy po všeobecném zvýšení produktivity obrábění zkrácením strojních časů motivují vývoj nástrojů i nástrojových materiálů u všech profesí obrábění. Slinuté karbidy a nástroje s
vyměnitelnými břitovými destičkami (VBD), které dnes představují
dominantní řezný materiál pochopitelně netvoří výjimku. To platí v plné míře pro frézování, kde jsme svědky intenzivního vývoje a zvyšování výkonnosti vyměnitelných břitových destiček, především povlakovaných, a vývoje nových konstrukcí nástrojů (firemní materiály Maixner). V uplynulých dvou až třech letech většina předních světových výrobců přišla na trh s novou generaci vysoce výkonných nástrojů, které umožňují neobvykle produktivní odběr materiálu pomocí velmi vysokých posuvů, které umožňují neobvykle produktivní odběr materiálu pomocí velmi vysokých posuvů, pro něž se v odborné veřejnosti ujal název vysokoposuvové frézy – HFC (High Feed Cutting). Pro tyto nástroje jsou charakteristické vysoké hodnoty posuvu na zub, který se pohybuje v hodnotách od 1 do 3,5 mm. Řezná rychlost zůstává stejná, nebo je dokonce oproti jiným typům destiček vyšší a v kombinaci s vysokým posuvem dochází k výraznému nárůstu množství odfrézovaného materiálu za jednotku času. To vede k podstatným úsporám strojního času, tedy k nárůstu produktivity práce. Ekonomika frézování s velkým posuvem přináší zlepšení až o 50% nebo i vyšší (firemní materiály Maixner). Frézy HFC naleznou uplatnění v průmyslových odvětvích zabývajících se výrobou zápustek a forem větších rozměrů nebo všude tam, kde je zapotřebí produktivně obrábět hluboké dutiny a tvarová vybrání. Výhody těchto nástrojů vyniknou se zvyšující se hloubkou obrábění (firemní materiály Maixner). Frézy HFC mají velmi nízký řezný odpor a nekladou tak vysoké nároky na tuhost a výkon obráběcího stroje – klidný chod frézy v řezu bez vibrací. Na příkladu s nástrojem na kruhovou destičku jsou znázorněny složené řezné síly (Obr. 4.3.1).
23
HFC nástroje
FR FA
FV
Řezné síly hlavně ve směru osy
Kontakt mezi řeznou hranou a obrobkem je stabilnější
Konstantní řezný profil
Je možné vytvořit téměř čtvercové stěny
Výsledkem jsou velké posuvy a odpovídající životnost nástroje
Nástroje na kruhové destičky
FR FA
FV
Tangenciální síly působí kolem rádiusu
Větší povrchový kontakt
Větší profil třísky u frézování s boční stěnou
Vibrace v rozích a poškození řezné hrany
Výsledkem je omezený posuv a nižší produktivita
Obr. 4.3.1 Porovnání HFC nástrojů s nástroji mající kruhové destičky [4] Objektivním kritériem výkonnosti frézy je objem materiálu odebraný z obrobku za jednotku času, nejčastěji za minutu (Obr 4.3.1).
Qmin .
a p .ae .v f 1000
(4.3.1)
kde : Qmin .............. objem materiálu odebraného
[cm3·min-1]
ap, ae ............ axiální a radiální hloubka řezu
[mm]
vf .................. minutová posuv (rychlost posuvu stolu)
[mm·min-1]
v f f z .z.n
(4.3.2)
vf .................. rychlost posuvu
[mm·min-1]
fz .................. posuv na zub
[mm]
z ................... počet zubů frézy n ................... otáčky vřetene 24
[1·min-1]
Z uvedených vztahů plyne, že výkon frézování resp. vf lze proto zvýšit: a) volbou vyšších otáček vřetene b) volbou nástrojů s větším počtem zubů c) volbou podstatně vyšších posuvů na zub fz – technologie frézování velkými posuvy U stávajících tvarů VBD je možnost zvýšení posuvu fz omezená. Obvykle je nutné respektovat tepelnou stabilitu materiálu VBD i jeho odolnost proti cyklickému (mechanickému i teplotnímu) zatížení (firemní materiály Maixner). S rostoucím posuvem fz roste tepelné zatížení břitu (jeho teplota, intenzita opotřebení) a pro zachování určité trvanlivosti břitu je nutno současně snížit řeznou rychlost vc. To naopak výkon frézování snižuje. U běžných tvarů břitových destiček pro frézování je toto možnost podstatného zvýšení výkonu frézy zvýšením posuvu fz malá (firemní materiály Maixner). K posouzení možnosti zvýšení posuvu fz je nutno vzít v úvahu experimentálně ověřený poznatek, že prakticky veškerá mechanická energie (cca 99 %) vynaložená na obrábění se přemění v teplo (Obr.4.3.2). K této přeměně dochází v důsledku především plastické deformace odřezávané vrstvy materiálu obrobku v oblasti primární, sekundární i terciérní plastické deformace. U materiálů, které nejsou plastické je zdrojem tepla především pružná deformace odřezávané vrstvy. Určitá část vzniklého tepla přechází do břitu. Toto teplo je nutno stále odvádět od břitu do tělesa břitové destičky, tělesa nástroje i okolního prostředí tak, aby byla zachována určitá úroveň přijatelné teploty a tím i určitá intenzita opotřebení, která zaručí dosažení požadované trvanlivosti (firemní materiály Maixner).
25
o
teplo v nástroji
% o o
teplo v obrobku
o
80 o
teplo v třísce
o
60 o
40
20
50
100
200
300
400
500
600
700
800
řezná rychlost v [m/min]
Obr. 4.3.2 Distribuce tepla v řezném procesu [5] Proto je hlavním předpokladem realizace frézování velkými posuvy zvýšení schopnosti odvádět teplo od břitu do tělesa destičky aniž by došlo ke zvýšení jeho teploty. Zvýšení schopnosti břitu odvádět teplo se dosáhne především zvětšením aktivní délky břitu Na závěr uveďme Výhody HFC fréz. Jedná se o:
vysoký objem odfrézovaného materiálu za jednotku času;
omezení vibrací;
řezné síly vedené přes vřeteno;
možnost zapichování při nestabilních podmínkách;
vysoká efektivita frézování;
výrazné snížení nákladů při výrobě forem a zápustek;
4.4 Vlivy moderních způsobů obrábění na konstrukci CNC obráběcích strojů Aplikace moderních způsobů obrábění jako je vysokorychlostní (HSC) nebo vysokoposuvové (HFM) obrábění vyžaduje, aby konstruktéři obráběcích strojů vzali v úvahu následující fakta:
vysoké otáčky vřeten vyžadují vysoký stupeň jakosti vyvážení a tuhé uložení vřeten; 26
v náhonu vřeten je nutné eliminovat mechanické prvky, které mohou být zdrojem kmitání;
posuvové soustavy lineárních nebo rotačních pohybů vzhledem k nižší velikosti řezné rychlosti nevyžadují vložené převody a tím mohou být eliminovány případné zdroje kmitání;
vysoké posuvové rychlosti vyžadují náhony v těžišti posuvových soustav, tak aby vysoká zrychlení při rozběhu nenamáhala zbytečně vedení;
celkově je nutné, aby stroj byl samonosný, případně byl tuhý při připevnění k základu;
jedná se zvýšenou tvorbu třísek a je nutné je spolehlivě vynášet z pracovního prostoru stroje.
Při konstrukci stroje pro HSC a HFM obrábění je nutné posuzovat všechny výše uvedená fakta komplexně. Na následujících obrázcích jsou znázorněny některé z těchto uvedených fakt. Pro eliminaci náhonových prvků (převodů), které snižují náchylnost strojů ke kmitání se používá vestavěných elektrovřeten, což je vinutí elektromotoru nalisované přímo na vřeteno (Obr. 4.4.1). Druhým způsobem je možnost přímého náhonu.
přímý náhon
elektorvřeteno
Obr. 4.4.1 Elektrovřetno sloužící k náhonu rotačních nástrojů [7] Pro náhon přímočarých os jsou používány lineární pohony, co jsou v podstatě elektrovřetna, která mají rotační vinutí rozvinutá do roviny. Lineární motor má primární a sekundární část (Obr. 4.4.2).
27
Primární část se připevňuje přímo na pohyblivou část (např. saně). Nevýhodou tohoto pohonu je dodatečně vznikající magnetická síla působící na vedení.
Obr. 4.4.2 Lineární pohon [9] Pro snížení namáhání při rozběhu a optimálnímu namáhání strojních součástí při vysokých rychlostech se používá konstrukční princip Box in Box. (Obr. 4.4.3), který umožňuje náhon posuvových soustav v těžišti.
Obr. 4.4.3 – Box in Box způsob náhonu pohybových os [9] 28
5
VYTIPOVÁNÍ DÍLŮ VE STAVBĚ OBRÁBĚCÍCH STROJŮ VHODNÝCH PRO HSC OBRÁBĚNÍ
5.1 Rozdělení CNC obráběcích strojů CNC obráběcí stroje rozdělujeme dle následujících hledisek (Obr. 5.1.1):
počet technologických operací;
druh technologické operace;
hlavní druh pohybu (obrobek či nástroj);
uspořádání kinematického řetězce;
technologie odebírání třísek.
Obr. 5.1.1 Rozdělení CNC obráběcích strojů Kromě naznačeného členění, které je dané výše uvedenými kriterii mohou nastat kombinace jako např.: jednoprofesní CNC frézka se sériovou kinematikou pro HSC obrábění. Pro jednoprofesní CNC obráběcí stroj je charakteristické, že pro technologii třískového obrábění využívají převážně jeden druh operace a to (Jiří Marek a kol., 2010):
frézování;
soustružen;í
vrtání, zahlubování, vyhrubování, závitování;
vyvrtávání;
broušení;
výroba ozubení (zejména odvalováním). 29
V poslední době se ovšem začínají objevovat jednoprofesní NC stroje i s automatickou výměnou nástrojů a obrobků, jedná se většinou o jednodušší obráběcí centra, kde je převládající operace dle typu jednoprofesního NC stroje a tím dojde k výraznému poklesu jeho ceny. Je to stroj nakonstruovaný podle potřeb zákazníka. Můžeme pozorovat trendy směřující ke konstrukci levných obráběcích center, postupně vytlačujících z trhu jednoprofesní NC stroje vyjma strojů na ozubení, brusek a souřadnicových vyvrtávaček, které mají specifickou konstrukci (Jiří Marek a kol., 2010). Pokud má stroj možnost navíc provádět různé druhy operací a provádět automatickou výměnu nástrojů a obrobků, pak hovoříme o obráběcím centru. Obráběcím centrem rozumíme takový číslicově řízený stroj, který :
může provádět různé druhy operací;
pracuje v automatickém cyklu;
je vybaven automatickou výměnou nástrojů;
může být vybaven automatickou výměnou obrobků;
může pracovat v bezobslužném provozu;
je vybaven prvky diagnostiky a měření.
Víceúčelovým obráběcím centrem rozumíme CNC obráběcí stroj splňující definici jedno profesního obráběcího stroje a obráběcího centra vybaveného navíc možností:
obrábět kromě deskových a skříňových i rotační součásti (vestavěný soustružnický stůl s C osou);
vyměňovat skupinu nástrojů – tzv. operační hlavu s pevnými nebo přestavitelnými vřeteny, přičemž operační hlavou musí být zaručeno obrábění.
Podle úrovně (stupně vývoje) dělíme číslicové stroje na (Jiří Marek a kol., 2010): 1. Stroje první vývojové generace Sem zahrnujeme, ty NC stroje, které byly odvozeny od běžných konvenčních strojů a přizpůsobeny pro NC řídící systémy. Tento typ strojů přestal posléze vyhovovat, protože nebyly u něj užity charakteristické znaky pro konstrukci NC obráběcích strojů.
30
2. Stroje druhé vývojové generace Tyto stroje již byly konstruovány speciálně pro číslicové řízení. Stroje byly vybavovány systémem automatické výměny nástrojů, kdy výměna opotřebovaných nástrojů v zásobníku je ruční. Některé stroje (zejména soustružnické) měly dopravník třísek. Jedná se převážně o stroje, nesplňující podmínky pro zařazení do automatizovaných výrobních soustav.
3. Stroje třetí vývojové generace Důležitým znakem této skupiny strojů je jejich uzpůsobení pro provoz v automatizovaných výrobních soustavách. Proto se tyto stroje vyznačují použitím systému automatické výměny obrobků. Zásobníky nástrojů mají větší kapacitu s ruční výměnou opotřebovaných nástrojů. Výrazným rysem těchto strojů je jejich stavebnicovost, což umožňuje slevit výrobu. Stroje třetí generace lze nasadit i individuálně.
4. Stroje čtvrté vývojové generace U těchto strojů je již vyřešeno napojení na automatickou výměnu opotřebovaných nástrojů ze zásobníku. Tuto vývojovou generaci lze prohlásit za zcela automatickou jak v oblasti výměny nástrojů a obrobků, manipulaci s třískami, tak i v návaznosti na všechny druhy mezioperační dopravy. Jedná se tedy o plně automatizovaná technologická pracoviště s vysokým stupněm automatizace s možností pracovat ve třísměnném provozu. Dalším charakteristickým znakem je jejich důsledná stavebnicovost. Stroje jsou schopny pracovat individuálně a to zpravidla se zásobníkem obrobků upnutých na technologických paletách. 5. Stroje páté vývojové generace Po téměř uspokojivém vyřešení úplné automatizace základních funkcí CNC obráběcích strojů v předcházejících generacích se začaly uplatňovat v konstrukcích mechatronické prvky. 31
Jedná se zejména o elektronickou kompenzaci chyb polohování, měření rozměru obrobků během obrábění ( in-procesní kontrola ) měřícími sondami a korekce programu pro dodržení výkresových ( naprogramovaných ) rozměrů a úchylek přesnosti. Dále se objevuje laserové odměřování polohy a optimalizace řezných podmínek. 6. Stroje šesté vývojové generace Tyto stroje mají konstrukci založenou na zkušenostech z předcházejících generací s těmito charakteristickými znaky :
snižování času výměny nástroje a obrobků na minimum;
koncepce " našitá zákazníkovi na míru " ;
vysokorychlostní, více osé a suché obrábění;
dálková diagnostika hlavních skupin strojů;
ultra přesné obrábění (mikrometry).
5.2 Popis svislého soustruhu Svislý soustruh je určen k výkonnému soustružení obrobků v kusové i opakované výrobě malých a středních sériích. Mimo běžných soustružnických operací, umožňuje soustružení kuželů, závitů, obecných ploch, broušení, osové i mimo osé vrtání, vystružování, řezání závitů a frézování obecných ploch. Nosnou částí svislého soustružnického centra je lože (Obr. 5.2.1), ke kterému je z boku přes litinové bloky připevněn pravý a levý stojan, nebo je stojan pouze jeden. V jejich horní části jsou stojany spojeny litinovou příčkou a celá konstrukce dohromady tvoří tuhý celek. Obrobek se upíná na upínací desce pomocí čtyřčelisťového hydraulicko-mechanického sklíčidlového upínání. Upínací deska je uložena ve speciálním křížovém ložisku. Náhon upínací desky je odvozen od regulačního motoru přes klínové řemeny pohánějící dvoustupňovou planetovou převodovou skříň a dále přes pastorek a ozubený věnec, upínací desku. (Obr. 5.2.1) Druhý pastorek, který je v záběru s ozubeným věncem při polohování upínací desky je poháněn od digitálního servo pohonu přes šnekové soukolí. Kompletní pohon, polohování upínací desky je namontováno v loži. (Obr. 5.2.1)
32
K bokům lože je přes litinové bloky připevněn pravý a levý stojan. Po kluzných plochách stojanů se pohybuje příčník. Po příčníku se pohybuje příčníkový suport. Příčníkový suport, pohybující se po kalených vodících lištách příčníku v ose X, je konstruován pro souvislé, číslicové řízení. Mechanismus pro upnutí / odepnutí nástrojových držáků je zabudován ve spodní části smykadla. K dosažení žádané přesnosti jsou valivá vedení příčníkového suportu a smykadla předepnuta. Pojezd příčnikového suportu je odvozen od digitálního servopohonu fy přes planetovou převodovou skříň a spojku na kuličkový šroub. Posuv smykadla je odvozen od digitálního servopohonu přes planetovou převodovou skříň a spojku na kuličkový šroub. Obě pohybové osy mají odměřování posuvu pomocí lineárních pravítek. Smykadlem prochází náhonová hřídel pro pohon rotačních nástrojů.
Obr. 5.2.1 Stavební části svislých soustruhů TOSHULIN [9]
Na pravé straně vedle stroje pod příčníkem je umístěn řetězový zásobník nástrojů pro odkládání nástrojových držáků a nástrojů.
33
Zásobník nástrojů je od pracovního prostoru stroje oddělen hydraulicky otevíratelným krytem (dveřmi). Automatická výměna nástrojů probíhá v prostoru řetězového zásobníku nástrojů. Prostor zásobníku nástrojů je ohrazen drátěným pletivovým ochranným krytem, který zajišťuje bezpečnost při práci. Pro přístup k řetězovému zásobníku nástrojů slouží křídlové dveře umístěné na pravém boku drátěného pletivového ochranného krytu řetězového zásobníku v jeho zadní části. Odvod třísek z pracovního prostoru stroje se uskutečňuje pomocí skluzů, které jsou součástí ochranných krytů, pravého a levého bočního pásového dopravníku třísek a čelního vynášecího dopravníku třísek. Ochranné kryty, které chrání celý pracovní prostor, zajišťují bezpečnost při práci. Přístup do pracovního prostoru stroje umožňují dvoudílné, motoricky ovládané ochranné kryty (dveře) s velkými průzorovými okny. Souvislý řídící CNC systém splňuje veškeré požadavky na ovládání stroje a jeho technologické možnosti. Elektroinstalace je přizpůsobena jednotlivým ovládaným skupinám stroje. Spínací a regulační přístroje jsou soustředěny v rozvodné elektroskříni.
5.3 Nerotační součásti ve stavbě svislého soustruhu vhodné pro HSC obrábění V následujících úvahách se zaměříme na popis pouze hlavních nerotačních stavebních dílů svislého soustruhu a stanovíme jejich vhodnost pro obrábění moderními technologiemi uvedenými v předešlých kapitolách. Detailní určení a rozbor jiných dílů nelze určit, protože nebyly předloženy všechny sestavy skupin stroje. Případnou vhodnost HSC (HFC) obrábění ostatních dílů musí určit pracovníci technologie TOSHULIN. Stojan (stojany) spolu s ložem tvoří rám stroje. Stroje s průměrem upínací desky 1250 mm, 1600 mm a 2000 mm jsou jednostojanové. Stroje s průměrem upínací desky 2500 mm, 3000 mm a 4000 mm jsou dvoustojanové, rámové konstrukce (oba stojany jsou spojeny nahoře příčkou) (Obr. 5.2.1). Stojany jsou opatřeny svislými vodícími plochami pro pohyb příčníku a jsou zhotoveny ze šedé litiny. Z tohoto pohledu jsou vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění
34
Lože spolu se stojanem (stojany) tvoří rám stroje. Lože slouží k uložení upínací desky a k uchycení dvoustupňové převodové skříně. U strojů s třetí řízenou osou (rotační osa C) je v loži umístěn náhon pro polohování upínací desky (rotační pohyb upínací desky) – Obr. 5.2.1. Lože je zhotoveno ze šedé litiny. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Příčník je prizmatická součást spojující levý a pravý stojan anebo se pohybuje po jednom stojanu (Obr. 5.2.1). Na jeho čele jsou vytvořeny vodící plochy pro vedení příčníkového suportu. Příčník lze svisle přestavovat po stojanu. Příčník je zhotoven z šedé litiny. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Příčníkový suport (Obr. 5.2.1) slouží pro uchycení čtyřbokého smykadla a pohybuje se po vodících plochách příčníku na předepnutých valivých přímočarých
ložiskách.
Příčníkový suport je zhotoven z šedé litiny. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Smykadlo je prizmatické těleso s délkou větší jak průřez sloužící k vykonávání řezných pohybů a upnutí nástroje. Smykadlo je zhotoveno z ocelového výkovku. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Tělesa adaptérů pro rotační nástroje (úhlové a přímé hlavy) a tělesa držáků soustružnických nožů jsou zhotovena z oceli. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Všechny tvary hlavních dílů bez ohledu na typ stroje prezentuje Obr. 5.3.1
Obr. 5.3.1 Příklady tvarů hlavních nerotačních dílů svislých soustruhů TOSHULIN [9] 35
5.4 Rotační součásti ve stavbě svislého soustruhu vhodné pro HSC obrábění V následujících úvahách se zaměříme na popis pouze hlavních rotačních stavebních dílů svislého soustruhu a stanovíme jejich vhodnost pro obrábění moderními technologiemi uvedenými v předešlých kapitolách. Detailní určení a rozbor jiných dílů nelze určit, protože nebyly předloženy všechny sestavy skupin stroje. Případnou vhodnost HSC (HFC) obrábění ostatních dílů musí určit pracovníci technologie TOSHULIN. Upínací deska (Obr. 5.4.1) ruční anebo sklíčidlo, má v rotačním tělese uložen upínací mechanismus pro upnutí obrobku. Těleso je zhotoveno ze šedé litiny anebo ocelolitiny. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Středem smykadla prochází náhonová hřídel rotačních nástrojů. Je zhotovena z oceli. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Vřetena adaptérů pro rotační nástroje (úhlové a přímé hlavy) jsou zhotovena z oceli. Z tohoto pohledu je vhodné pro nasazení HSC (HFC) obrábění. Všechny tvary hlavních dílů bez ohledu na typ stroje prezentuje Obr. 5.4.1
Obr. 5.4.1 Příklady tvarů hlavních rotačních dílů svislých soustruhů TOSHULIN [9]
36
6
VÝBĚR VHODNÉHO DÍLU PRO HSC OBRÁBĚNÍ
6.1 Obrábění vřetene-experiment Problematika vysokorychlostního obrábění nabývá stále více na významu, zejména v dnešní době. Důkazem rozvoje tohoto oboru je stále vyšší počet vyrobených strojů umožňující obrábění při vysokých řezných rychlostech. Na začátku vývoje vysokorychlostního obrábění byla snaha o zkrácení výrobních časů. Vedle úsilí o zkrácení vedlejších časů nasazením stále rychlejších systémů výměny nástrojů, seřizování, programování atd., je snaha o zkracování hlavních časů při obrábění. Pokud jsou stroje dodávány s otáčkami vřetena např. 10 000 min-1, neznamená to ještě, že jsou určeny pro vysokorychlostní obrábění. Aby se dalo hovořit o vysokorychlostním obrábění, musí být dosaženo určité řezné rychlosti, která je však různá jak pro obráběný materiál, tak pro různé operace třískové operace. Tak například můžeme uvažovat pro různé obráběné materiály rozsahy řezných rychlostí dle Obr. 6.1.1. Tento obrázek doplňuje Obr. 4.2.1, kde bylo uvedeno HSC obrábění z hlediska druhů technologie třískového obrábění.
Obr. 6.1.1 Rozsahy řezných rychlostí definující HSC obrábění pro jednotlivé materiály dle firmy Walter [10]
37
Podle výzkumu ústavu technologie obrábění a obráběcích strojů na Technische Hochschule Darmstadt jsou hlavními charakteristikami vysokorychlostního obrábění : objem odebraného materiálu vzroste tři až pětkrát; pět až desetkrát se zvětší posuvové rychlosti; o 30 % klesají řezné síly, protože dochází k menšímu pěchování třísky, tzn. že podstatně klesá pasivní síla deformující obrobek, takže je možno vyrábět tenkostěnné součásti; významně klesá tepelné namáhání nástroje, protože téměř veškeré teplo je odváděno třískami a nepřechází do nástroje. Toto je obzvlášť výhodné pro obráběné materiály, které by se mohly vznikajícím teplem poškodit, či deformovat; při vysokorychlostním obrábění je dosahováno vysoké kvality povrchu snížené namáhání nástroje i stroje řeznou silou má za následek vyšší dlouhodobou přesnost obrábění; obrábění při vysokých otáčkách znamená velmi vysokou budící frekvenci nástroje, takže je velká pravděpodobnost, že obrábění probíhá mimo oblast kritických frekvencí soustavy stroj - nástroj - obrobek; je možno používat jednodušší upínací zařízení, protože síly, kterým se musí odolávat jsou nižší, než při užití klasické technologie.
Ve firmě TOSHULIN, a.s. jsou se střídavým podílem úspěchu a neúspěchu prováděny testy s obráběním kalených i nekalených součástí (rotačních i nerotačních), které mají za cíl eliminovat z technologických postupů co největší podíl brousících operací. Testy jsou prováděny za vydatné pomoci firmy Walter CZ s.r.o. Vzhledem rozsáhlé revitalizaci strojního parku TOSHULIN a nasazení špičkové obráběcí techniky, zejména pak japonských strojů od firmy Mori Seiki (Obr. 6.1.2) bylo při řešení zadání bakalářské práce logickým krokem spojit tyto firmy s cílem provést další testy za jejich laskavé pomoci. Vzhledem k charakteru zadání bakalářské práce, jejímž jedním z bodů je vytipovat vhodnost součástí používaných ve stavbě obráběcích strojů z TOSHULIN byla autorem zvolena rotační součástí typu vřetena (Obr. 6.1.3), které firma používá ve svislých i vodorovných rotačních adaptérech. Vřeteno bylo kalené na 54-62 HRC (materiál 14220.4) s přídavkem na brousící operace. 38
Obr. 6.1.2 Pohled do pracovního prostoru stroje NL 3000 (Mori Seiki) s upnutým vřetenem Bylo dohodnuto, že budeme postupovat obráběním kalené součásti jednak válcových ploch (plochy označené čísly 1-6 na Obr. 6.1.3), jednak přerušovaným řezem přes šesti drážkový profil. Posléze bude proveden test obrábění součásti 14220 bez jakéhokoliv tepelného zpracování. (Obr. 6.1.3)
Obr. 6.1.3. Kalená a nekalená součást použitá pro testy Jako stroj bylo vytipováno obráběcí centrum NL 3000/Y (Obr. 6.1.4) s koníkem a revolverovou hlavou s 12 ti nástroji. 39
Obráběcí centra s vodorovnou osou řady NL vychází z více než 35-ti leté zkušenosti firmy Mori Seiki ve stavbě soustružnických strojů. Tyto stroje vynikají vysokou tuhostí a přesností. Jsou určeny pro široký sortiment obrobků. Vyrábí se pod typovým označením NL 1500/ NL 2000/ NL 2500/ NL 3000. Na tomto stroji je aplikován princip BMT (vestavěný náhon rotačních nástrojů pomocí přímého náhonu), což vede k tomu, že revolverová hlava se stává tuhou a vede to též ke zvýšení tuhosti spojení hlava – držák nástrojů. Tímto konstrukčním provedením se tuhost nástrojového držáku zvedla na 180 % původního řešení. Y osa má zdvih ± 50 a ± 60 mm (pro největší model). Skrz vřeteno lze prostrčit materiál o průměru 61 – 91 mm podle velikosti stroje. Novou konstrukcí lože bylo dosaženo torzní tuhosti, která byla zvýšena o 100 % oproti předešlému modelu. Taktéž byly rozšířeny vodící plochy pro lepší přenos zatížení z hlavních prvků (vřeteník, koník, suport). Stroj může být dodáván v provedení s hlavním vřetenem a protivřetenem anebo s koníkem. U vřetene byla zvýšena tuhost o 50 % proti předešlému modelu. Jako náhonový prvek vřeten je použit princip DDM (přímý náhon), samozřejmostí je jeho chlazení. Stroj je navržen tak, aby bylo eliminováno ztrátové teplo a nedocházelo k ovlivňování přesnosti práce stroje.
Obr. 6.1.4 Konstrukční řešení stroje NL 3000/Y [9]
40
Firma Walter dodala pro obrábění následující vybavení (Obr. 6.1.5): •
Nůž_DCLNR 2525 M12
•
VBD_CNMA120412 BBN33 S202
•
VBD_CNMA120408 BBN33 S202
•
Nůž_ DCLNR 2525 M12 s tvrdokovovou podložkou
•
Sada PK245-SET
•
VBD_S-CNMN120412 STB30 S202
Obr. 6.1.5. Použité nástrojové vybavení od firmy Walter [10] Jednalo se jak je patrno o vyměnitelné břitové destičky z kubického nitridu bóru a povlakované nástroje s novým utvařečem třísek. Měřící přístroj, jenž by obsáhl potřebné požadavky změření obrobených ploch je kruhoměr Rondcom 44 firmy Zeiss (Obr. 6.1.6). Na tomto přístroji dodaném koncem roku 2010 byla také úspěšně provedena předávací měření vřeten broušených na nově instalované brusce na vřetena Grindor. Přesnost kruhoměru pod 1 um zajistila objektivní proměření parametrů vřeten, kde kruhovitost ložiskových průměrů se pohybuje v hodnotách 1,5 μm, válcovitost 1,5 až 2,5 μm, souosost ložiskových válcových ploch mezi 1 a 2,5 μm.
Obr. 6.1.6 Kruhoměr Rondcon 44 firmy Zeiss [9] 41
Dále byly použity běžné měřící přístroje pro měření tvrdosti (firma EQOU typ 2, firma Prominent) a digitální teploměr pro měření teploty povrchu obrobku (GTH 175/MO fy. Greisinger eletronic).
6.2 Vyhodnocení experimentu na zkušebním vzorku Celkem proběhlo pět hlavních testů a v těchto bylo uskutečněno několik podtestů. Při zkoušení vyměnitelných břitových destiček jsme prováděli postupně přibližování k hodnotám HSC obrábění (test č.1, 2,), abychom pak provedli obrábění za podmínek, které se mohou oprávněně nazvat HSC obrábění (test č.3). Po té bylo provedeno obrábění s přerušovaným řezem (test č.4) a konečně zkouška nové VBD s utvařečem za podmínek HSC obrábění na tepelně nezpracovaném materiálu (test č.5). 1. test Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s VBD_CNMA120412 BBN33 S202. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 80 mm, 79,6 mm, 79,2 mm, 78,8 mm a 78,4 mm. Řezná rychlost byla měněna v rozmezí 140 m·min-1, 180 m·min-1, 200 m·min-1, 300 m·min-1, 450m·min-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,15 mm·ot-1. při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra=0,50 μm, Ra=0,48 μm, Ra=0,54 μm, Ra=0,59 μm, Ra=0,54 μm. Naměřená teplota povrchu obrobku t= 25,2 stupňů Celsia. Nejednalo se o HSC obrábění. 2. test Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s VBD_CNMA120408 BBN33 S202. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 97 mm, 96,6 mm, 96,2 mm, 95,8 mm. Řezná rychlost byla měněna v rozmezí 140 m·min-1, 180 m·min-1, 200 m·min-1, 300 m·min-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,15 mm·ot-1. při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra=0,88 μm, Ra=0,89 μm, Ra=0,78 μm, Ra=0,97 μm. Naměřená teplota povrchu obrobku t= 26,8 stupňů Celsia. Nejednalo se o HSC obrábění.
42
3. test Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s tvrdokovou podložkou, sada PK245-SET a VBD_S-CNMN120412 STB30 S202. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 97 mm, 96,2 mm, 96,6 mm, 95,8 mm. Řezná rychlost byla měněna v rozmezí 140 m·min, 180 m·min-1, 200 m·min-1, 600 m·min-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,06 mm·ot-1. při hloubce řezu 0,2mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra=0,3 μm, Ra=0,24 μm, Ra=0,18 μm, Ra=0,27 μm. Naměřená teplota povrchu t= 30,2 stupňů Celsia. Zde se jednalo o HSC obrábění (Obr. 6.2.1). Veškerá deformační práce přeměněná v teplo odcházela v třísce, která jak je patrné z fotografie zhořela.
Obr. 6.2.1 Odebírání třísky při HSC obrábění – 600 m/min Uvádím hodnoty válcovitosti (3,94 μm) a kruhovitosti (2,8 μm) - Obr. 6.2.2, které byly dosaženy na obráběném povrchu označeném č.6 – viz obr.5.1.3 a změřené pomocí přístroje Rondcom (Obr. 6.1.5)
Obr. 6.2.2 Dosažená válcovitost a kruhovitost povrchu obráběného za podmínek HSC 43
4.
test
Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s tvrdokovou podložkou, sada PK245-SET a VBD_S-CNMN120412 STB30 S202. Obráběný průměr se pohyboval byl 99,9 mm. Řezná rychlost byla 130 m·min-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,06 mm·ot-1. při hloubce řezu 0,2 mm. Dosažená drsnost povrchu činila Ra=0,49 μm. Naměřené teplota povrchu obrobku t= 28,6 stupňů Celsia. Zde se jednalo se o obrábění s přerušovaným řezem a bylo dosaženo velmi kvalitních výsledků. 5. test Byl použit řezný nůž DCLNR 2525 M12 s VBD-CNMG 120412-RP5 WPP10S. Obráběný průměr se pohyboval v rozmezí 50 – 90 mm. Řezná rychlost byla 600 m·min-1. Posuv na otáčku je nastaven na hodnotu 0,35 mm·ot-1. při hloubce řezu 3 mm. Zde se jednalo se o obrábění materiálu 14220 (bez tepelného zpracování) za podmínek HSC obrábění. Stabilita řezu byla vynikající. Na Obr. 6.2.3 a,b uvádíme ještě některé závislosti získané při testování 1-5.
Řezná rychlost v (m·minˉˡ)
Závislost teploty na řezné rychlosti
600 500
1.Test
400
3.Test
300
2.Test 3.Test
2.Test
200 100
1.Test
0 22,8
23
23,5
24,1
25
Teplota (Cº)
Obr. 6.2.3a Získané závislosti při testování
44
Závislost drsnosti na řezné rychlosti 700
Řezná rychlost v (m·minˉˡ)
600 500 400 1.Test 300
2.Test
200
3.Test
100 0 0,48
0,5
0,54
0,54
0,59
Drsnost (μm)
Obr. 6.2.3b Získané závislosti při testování Cílem experimentů bylo seznámit se s podmínkami HSC obrábění a dosáhnout výsledky , které souvisí s řešením bakalářské práce na Mendelově Univerzitě v Brně. Dle předběžných úvah lze dosažené výsledky aplikovat při renovacích součástí i z oboru zemědělské techniky. Použití nového utvařeče a povlaku WPP10S umožňuje vyměnitelné břitové destičky nasazovat při větší řezné rychlosti a také posuvu. Tím se zlevní výroba a dojde k uvolnění strojní kapacity pro jiný druh obrobku. Břitovou destičku vyrobenou z CBN půjde použít jako náhradu hrubovacích brousících operací s tím, že vřeteno bude mít pouze přídavek na finální brus. Popsaným technologickým experimentem se podařilo efekty plynoucí z HSC obrábění přiblížit do praxe. Na závěr děkuji všem firmám za poskytnutí zázemí a mediální pomoc.
7
NÁVRH HSC TECHNOLOGIE VÝROBY VYBRANÉHO DÍLU
7.1 Současný postup obrábění měkkého materiálu Vybrané vřeteno je z materiálu 14 220.1 a bylo soustruženo na soustruhu NL3000 s chlazením, jako držák bude použit DCLNL 2525 M12. Vřeteno bude postupně upínáno do třech poloh vzhledem k místě obrábění a způsobu obrábění. 45
1. Poloha V první poloze se vřeteno upne pomocí tvrdých čelistí a hrotu. Byl použit řezný nůž DCLNL 2525 M12 s břitovou destičkou Sandvik CNMG 120408 – PM 4205. Při řezné rychlosti Vc=120 m·min-1, posuvu na otáčku F=0.3 mm·ot-1 a hloubce řezu Ap=2,5 mm byl čistý strojní čas 27,955 minut.
Obr. 7.1.1 První poloha upnuti a soustružení (zelená plocha) [9] 2. Poloha V druhé poloze se vřeteno upne měkkými čelistmi a lunetou. Následně se bude soustružit čelní plocha (viz. Obr 7.1.2) pomocí řezného nože DCLNL 2525 M12 s břitovou destičkou Sandvik CNMG 120408 – PM 4205. Řezná rychlost zde bude Vc=120 m·min-1., posuv na otáčku F=0.3 mm·ot-1. a hloubka řezu Ap=2,5 mm. Po soustružení pokračujeme vrtáním na průměr D=37 mm pomocí vrtáku HTS-C3.75370R218 – KENNAMETAL – R18.5. Při vrtání dosahujeme řezné rychlosti V=550 ot·min-1., posuvu na otáčku F=0.1 mm·ot-1 a hloubce řezu L=210 mm. Čistý strojní čas u těchto operací byl 6,512 minut.
Obr. 7.1.2 Druhá poloha upnutí [9] 3. Poloha V poslední třetí poloze se vřeteno upne měkkými čelistmi a lunetou. Následuje vrtání na průměr D=55 mm pomocí vrtáku B3214.F.055.Z01.22R-WALTER-R27.5. 46
Řezná rychlost je V=450 ot·min-1., posuv na otáčku F=0.1 mm·ot-1. a hloubka řezu L=189,5. Následuje soustružení řezným nožem 570-SDUCR-32-11 – R0.8 s břitovou destičkou Sandvik DCMT 11 T308 – PM 4225. Řezná rychlost bude Vc=90 m·min-1., posuv na otáčku F=0.12 mm·ot-1., hloubka řezu Ap=1 mm. Čistý strojní čas těchto operací je 8,12 minut.
Obr. 7.1.3 Třetí poloha upnutí [9] Celkový strojní čas všech tří upnutí je 42,5 minut.
7.2 Návrh nového postupu obrábění tepelně nezpracovaného materiálu Testování následujícího nového postupu provedli pracovníci TOSHULIN na základě autorových výsledků testů (5. test). 1. Poloha Vřeteno je upnuto pomocí tvrdých čelistí a hrotu. Následuje soustružení řezným nožem DCLNL 2525 M12 s břitovou destičkou Walter CNMG 120412 RP5 WPP20S. Při řezné rychlosti Vc=260 m·min-1, posuvu na otáčku F=0.5 mm·ot-1 a hloubce řezu Ap=4 mm byl čistý strojní čas 6,56 minut. Upnutí viz. Obr. 7.1.1. 2. Poloha Při druhé poloze je vřeteno upnuto měkkými čelistmi a lunetou. V první fázi se soustruží pomocí řezného nože DCLNL 2525 M12 a břitovou destičkou Walter CNMG 120412 RP5 WPP20S. Řezná rychlost je Vc=260 m·min-1., posuv za otáčku F=0.5 mm·ot-1. a hloubka řezu Ap=4 mm. Poté následuje vrtání na průměr D=37 mm vrtákem HTS-C- 3.75370R218 – KENNAMETAL – R18.5. Zde je řezná rychlost V=800 ot·min1
., posuv za otáčku F=0.12 mm·ot-1., a hloubka řezu L=210 mm. Celkový strojní čas
těchto dvou operací je 3,6 minut. Upnutí viz. Obr. 7.1.2.
47
3. Poloha V poslední poloze je vřeteno upnuto pomocí měkkých čelistí a lunetou. Následuje vrtání na průměr D=58 mm pomocí B3214.F.058.Z01.232R Walter P28477-7 WTP35. Řezná rychlost je V=550 ot·min-1., posuv za otáčku F=0.15 mm·ot-1. a hloubka řezu L=189,5 mm. Celkový strojní čas je 2,23 minut. Upnutí viz. Obr. 7.1.3 Celkový strojní čas všech tří upnutí je 12,39 minut. Při stávající technologii je čistý strojní čas 42,5 minut. Tím došlo k úspoře 30,11 minut.
7.3 Úvahy o obrábění tvrdého materiálu Vřetena rotačních adaptérů jsou z materiálu 14 220.4 a zakalena na 58±2 HRC. Vzhledem k tomu, že vřetena mají souososti a válcovitosti ložiskových průměrů, dutiny vřetena a čel pro opěru ložisek předepsány geometrické úchylky tvaru a polohy lepší než 2 µm, nebude tyto možné obrábět na soustružnických strojích na hotovo. Avšak vzhledem k dosaženým výsledkům, test 1.-5., je možné prohlásit, že bude možné v současném technologickém postupu nahradit hrubovací broušení HSC soustružením tvrdých součástí.
7.4 Technicko-ekonomické zhodnocení Obráběním pomocí nové technologie se celkový strojní čas velmi výrazně zmenší až 3,5 krát oproti stávající technologii obrábění. Tato úspora času nám umožní zvýšit výkonnost výroby daného dílu. Zároveň dosahujeme kvalitních povrchů obráběné součásti (viz. kap. 6.2). Zkrácením strojního času se zároveň sníží náklady potřebné k výrobě. Vzhledem k vysoké řezné rychlosti (až 260 m·min-1.), posuvu za otáčku (až 0,5 ot·min.-1) a hloubce řezu (až 4 mm) se břitové destičky rychleji opotřebovávají, a proto se musejí častěji vyměňovat. To nám zvýší náklady vynaložené na břitové destičky. Konkrétní vyčíslení nákladů je možné provést při dlouhodobějších testech.
8
ZÁVĚR A ZHODNOCENÍ
Třískové obrábění je jeden z nejpoužívanějších způsobů odebírání materiálu z obrobku. Neustále se zvyšující požadavky na technologie třískového obrábění vede jednak k vývoji dokonalejších řezných nástrojů, ale také k novým způsobům třískového obrábění. Tyto nové technologie a nástroje nám umožňují zvyšovat řezné podmínky a slučovat jednotlivé operace obrábění do jednoho celku. To nám výrazně usnadní výrobu, ale i zlevní. 48
Tato bakalářská práce se zabývá metodou vysokorychlostního obrábění (HSC) a její aplikací na vybrané součásti obrábění. Jako experiment byla obráběna rotační součást svislého soustruhu-vřeteno. Experiment byl proveden na dvou vzorcích. První vřeteno bylo kalené na 54-62 HRC (14 220) s přídavkem na brousící operace. Celkem proběhlo pět hlavních testů a v těchto bylo uskutečněno několik podtestů. Při testech č. 1. a 2. jsme se pouze přibližovali k hodnotám HSC obrábění. Byla vyhodnocena teplota povrchu a také drsnost povrchu. U testu č. 3. jsme již dosáhli parametrů HSC obrábění s dobrými výsledky (drsnost povrchu Ra=0,49 μm). Při testu č. 4. jsme obráběli přerušovanou část vřetene, zde jsme neměli hodnoty HSC obrábění. Test č. 5. byl zkouškou nové VBD s utvařečem za podmínek HSC na tepelně nezpracovaném materiálu. Použití nového utvařeče a povlaku WPP10S umožňuje vyměnitelné břitové destičky nasazovat při větší řezné rychlosti a také posuvu. Tím se zlevní výroba. Břitovou destičku vyrobenou z CBN půjde použít jako náhradu hrubovacích brousících operací s tím, že vřeteno bude mít pouze přídavek na finální brus. Popsaným technologickým experimentem se podařilo efekty plynoucí z HSC obrábění přiblížit do praxe. Dle předběžných úvah lze dosažené výsledky aplikovat při renovacích součástí i z oboru zemědělské techniky.
49
9
SEZNAM ZKRATEK
CBN-kubický nitrid bóru VBD-vyměnitelná břitová destička PKD-polykrystalický diamant SK-slinutý karbid Cermet-řezná keramika HSS-rychlořezná ocel HSS-Co-kobaltová řezná ocel CNC-numericky řízený stroj (Computer Numerical Control) HSC-vysokorychlostní obrábění (High Speed Cutting) HFC-obrábění vysokými posuvovými rychlostmi (High Feed Cutting)
10 POUŽITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]
Jiří Marek a kolektiv, Konstrukce CNC obráběcích strojů, 1.vyd. Praha: MM publishing s.r.o. 2010, 420 s., ISBN 978-80-254-7980-3 Kolektiv autorů, Příručka obrábění, 1. vyd. Praha: Scientia, s.r.o. 1997, 840 s., ISBN 91-97-22 99-4-6 Říčka J., Bula V., Technologie obrábění a montáže, 1. vyd. Brno: Vysoké učení technické 1989, 165 s., ISBN 80-214-0058-7 firemní materiály firmy Maixner firemní materiály firmy Pramet Šumperk firemní materiály firmy Seko firemní materiály firmy Imid materiály doc. Souček firemní materiály firmy TOSHULIN firemní materiály firmy Walter
50
