Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta
Bakalářská práce
Brno 2013
Jiří Novotný
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Vizualizace vlivu změny geometrie obráběcího nástroje Bakalářská práce
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
Doc. Ing. Michal Černý, CSc.
Jiří Novotný Brno 2013 2
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: “Vizualizace vlivu změny geometrie obráběcího nástroje“ vypracoval samostatně a využil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu zdrojů. Bakalářská práce je školním dílem a může být použitá ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF Mendelovy univerzity v Brně.
V Brně dne………………………………… Podpis studenta …………….……………..
3
Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce panu doc. Ing. Michalu Černému, CSc.. za radu a pomoc, při zpracování mé bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval svým rodičům a přítelkyni za podporu a trpělivost, kterou mi poskytovali během celého studia na vysoké škole. Závěrem take děkuji panu Jiřímu Slavíkovi a panu Ing. Františku Vlašicovi Ph.D. za spolupráci při měření AE.
4
ABSTRAKT V této bakalářské práci se zabývám “vizualizací vlivu změny geometrie obráběcího nástroje”. Popisuji základy a technologii obrábění, řezný proces, tvorbu třísky. Zaměřil jsem se na nedestruktivní zkoušení materiálu, metody měření. Vybral jsem si měření akustické emise (AE) a provedl jsem experimentální měření a vyhodnocení.
KLÍČOVÁ SLOVA Obrábění, tvorba třísky, nedestruktivní zkoušení materiálu, akustická emise
ABSTRAKT In my work I deal with the topic of "visualization effect of changes in the geometry of the tool." Describes the basics of technology and machining, the cutting process, formation of chips. I focused on nondestructive testing of materials, methods of measurement. I chose a method of measuring the acoustic emission (AE). With this method, I performed experimental measurement and evaluation.
KEY WORDS Machining, chip formation, non-destructive material testing, acoustic emissions.
5
OBSAH Úvod .............................................................................................................................................. 7 1 Cíl bakalářské práce................................................................................................................... 8 2 Základy obrábění ....................................................................................................................... 9 2.1 Definice obrábění ............................................................................................................... 9 2.2 Terminologie ...................................................................................................................... 9 2.3 Formulace řezných pohybů .............................................................................................. 10 3 Technologie obrábění.............................................................................................................. 12 3.1 Soustružení ....................................................................................................................... 12 3.2 Rozdělení soustruhů......................................................................................................... 12 3.3 Soustružnické nože........................................................................................................... 13 4 Řezný proces ........................................................................................................................... 15 4.1 Řezný nástroj .................................................................................................................... 15 4.2 Nástrojové řezné úhly ...................................................................................................... 17 4.3 Pracovní řezné úhly .......................................................................................................... 18 5 Přehled tvorby třísky ............................................................................................................... 20 5.1 Tříska ................................................................................................................................ 20 5.2 Deformační podmínky ...................................................................................................... 20 5.3 Tepelné pole ..................................................................................................................... 21 5.4 Tvary třísky ....................................................................................................................... 22 6 Nedestruktivní zkoušení .......................................................................................................... 23 6.1 Metody měření................................................................................................................. 23 6.2 Akustická emise ................................................................................................................ 23 6.2.1 Charakter signálu akustické emise ............................................................................ 26 6.2.2 Měřící technika pro detekci akustické emise ............................................................ 27 7 Experimentální měření ............................................................................................................ 31 7.1 Cíl měření ......................................................................................................................... 31 7.2 Postup měření .................................................................................................................. 32 7.3 Výsledky měření ............................................................................................................... 35 Závěr............................................................................................................................................ 36 Seznam použitých zdrojů ............................................................................................................ 37 Seznam obrázků .......................................................................................................................... 38
6
ÚVOD Výrobních metod strojírenské technologie je mnoho, ale mezi nejčastěji používané při výrobě strojírenských výrobků je obrábění. Patří sem také slévání, tváření za studena a zatepla, svařování, úpravy povrchů a montážní práce. Definice obrábění vychází z technologického procesu, při kterém vzniká požadovaný tvar a rozměr výrobku. Soustružení je nejčastější způsob obrábění. Nástroj koná pohyb vedlejší přímočarý a obrobek vykonává pohyb hlavní. Nástroj je aktivním činitelem procesu řezání. Břit nástroje odřezává z materiálu obrobku třísku a mění jej na požadovaný tvar. V bakalářské práci se zabývám obráběním a nedestruktivním zkoušením materiálu. Jelikož je téma nedestruktivního zkoušení materiálu velice obsáhlé, rozhodl jsem se zaměřit na metodu měření pomocí akustické emise.
7
1 CÍL BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Cílem mé bakalářské práce je popsat vliv změny geometrie obráběcího nástroje. Uvést do problematiky obrábění a znázornit řezný proces s ohledem na geometrii řezného nástroje. Dále popsat tvorbu třísky a deformační podpínky u třískového obrábění kovů. Posledním cílem bakalářské práce bylo provést měření, popsat průběh a znázornit poznatky sledování „ in situ“.
8
2 ZÁKLADY OBRÁBĚNÍ Obrábění je jednou z výrobních metod strojírenské technologie, které používáme při výrobě strojírenských výrobků. Kromě obrábění, sem patří slévání, tváření za studena a tepla, svařování, úpravy povrchů, montážní práce. [5]
2.1 Definice obrábění Obrábění definujeme jako technologický proces, při němž požadovaný tvar a rozměr strojírenské součásti vzniká postupným odebíráním materiálu z výchozího polotovaru. Materiál se odebírá většinou ve formě třísky a u některých metod obrábění odtavováním nebo rozpouštěním částic materiálu. [5]
2.2 Terminologie Obrábění – je technologický proces, kterým vytváříme povrchy obrobku určitého tvaru, rozměru a jakosti. Odebíráním částic nebo oddělováním části materiálu pochody mechanickými, elektrickými, popřípadě jejich kombinací. Řezání – je obrábění pochody mechanickými, tj. odebírání částic nebo oddělování části materiálu břitem řezného nástroje ve tvaru třísky. Obrobek – je obráběný nebo již obrobený předmět. Obráběná plocha – je část povrchu obrobku odstraňovaná obráběním. Obrobená plocha – je plocha obrobku vzniklá obráběním. Plocha řezu (řezná plocha) – je plocha obrobku vznikající těsně za břitem nástroje. Při procesu řezání se nástroj pohybuje proti obrobku určitou rychlostí po dráze, která podle druhu obrábění je přímka (hoblování, protahování), šroubovice (podélné soustružení, vrtání), nebo cykloida (frézování, rovinné broušení). Řezný pohyb vykonává nástroj (vrtání) nebo obrobek (hoblování) i oba současně (soustružení, frézování). Zpravidla je tento pohyb výslednicí dvou pohybů – pohybu hlavního, posuvu a přísuvu. [5]
9
obr. č. 1: Řezné pohyby - hlavní řezný pohyb, posuv, přísuv, zdroj: [13] 2.3 Formulace řezných pohybů
Řezný pohyb – je relativní pohyb mezi nástrojem a obrobkem, tímto pohybem se uskutečňuje obrábění (řezání) Hlavní pohyb – je složka řezného pohybu, která se shoduje se základním pohybem obráběcího stroje. Koná jej buď nástroje nebo obrobek. Může být točivý, přímočarý nebo složený. Posuv – je pohyb nástroje nebo obrobku, který spolu s hlavním pohybem umožňuje obrábění. Zpravidla se koná ve směru kolmém, na směr hlavního pohybu. Plynule nebo přerušovaně. Posuv plynulý – je posuv konaný nepřerušovaně, současně s hlavním pohybem točivým. Posuv přerušovaný – je posuv konaný po přítrzích, před pracovním zdvihem (v úvratích), tj. v době, kdy se hlavní pohyb nekoná. Řezná rychlost – je rychlost řezného pohybu. Obvykle se však počítá s rychlostí pohybu hlavního. Označuje se písmenem
a udává se v m/min. nebo m/s.
10
Řezná rychlost se vypočte z rovnice:
=
[m/min]
kde: D – je průměr obrobku nebo nástroje v mm n – otáčky obrobku nebo nástroje za minutu Rychlost (velikost) posuvu – je dráha, kterou vykoná břit nástroje proti obrobku ve směru posuvu za jednotku času, za jednu otáčku obrobku apod.. Rozeznáváme proto: Posuv za minutu
[mm/min] – je to posuv, který vykonává nástroj relativně
vzhledem k obrobku za minutu. Posuv za otáčku
[mm/ot] – je to posuv, který vykonává nástroj relativně vzhledem
k obrobku za jednu otáčku nástroje (vrtání) nebo jednu otáčku obrobku (soustružení, broušení mezi hroty). Posuv za 1 pracovní zdvih
[mm/prac. zdvih] – je to posuv, který vykonává nástroj
relativně vzhledem k obrobku za 1 pracovní zdvih, popř. dvojzdvih (hoblování). Posuv za zub
[mm/min] - je to posuv, který vykoná několikabřitový nástroj relativně
vzhledem k obrobku za pootočení nástroje o jeden zub. Dalším pohybem, který je součástí pracovního cyklu obrábění, netvoří však složku řezného pohybu, je přísuv, který definujeme takto: Přísuv – je pohyb nástroje nebo obrobku, kterým se nastavuje nástroj do pracovní polohy. Hloubka řezu – je vzdálenost mezi plochou obráběnou a obrobenou, měrená kolmo na obrobenou plochu. Označuje se písmenem t (mm). [5]
11
3 TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ 3.1 Soustružení Soustružení patří k nejčastějším způsobem obrábění. Hlavní pohyb vykonává obrobek a nástroj koná pohyb vedlejší a přímočarý. [4] V průmyslových strojírenských dílnách jsou soustruhy početným druhem obráběcích strojů. Soustružení představuje stále 30 – 35% z celkové pracnosti strojního obrábění. Toto značné uplatnění soustruhů ve strojírenské výrobě vyplývá z jejich všestrané použitelnosti. Na soustruzích lze obrábět vnější i vnitřní válcové plochy a vnější i vnitřní plochy kuželové. Lze obrábět tvarové rotační plochy i plochy obecné (soudkovité ingoty, podsoustružené zuby fréz apod.). Na soustruzích lze vrtat, vystružovat, řezat závity, soustružit rovinné plochy i plochy kulové. Na soustruzích se obrábějí součásti několik desítek tun těžké i součásti o váze několika miligramů. [5]
3.2 Rozdělení soustruhů Univerzální – univerzální hrotový soustruh se skládá: (1) lože, (2) vřeteník, (3) podélný suport, vodící šroub, vodící tyč, posuvová převodovka, vodící plochy, příčný suport, (4) univerzální sklíčidlo, koník, kuželový port, pinola (5) nožová hlava, (6) páčka na nastavení otáček vřetene, (7) suportová skříň, posuvová a závitová převodovka, elektromotor.
Princip:
po
vedení
lože
se
pohybuje
suport
nebo
koník,
u tohoto druhu soustruhu je vodící šroub, ten se používá k odvození podélného posuvu jen při řezání závitů nožem. [12]
obr. č. 2: Hlavní funkční části univerzálního hrotového soustruhu, zdroj: [12] 12
Čelní soustruh se používá pro soustružení přírubových součástí malých délek a v kusové výrobě. Obrobek se zde upíná na lícní desku. Lože se suportem tvoří samostatnou jednotku, nemá koníka. Revolverový soustruh se používá v sériové výrobě, umožňuje provést vice úseků na jedno upnutí. Výměna nástrojů se provádí otáčením revolverové hlavy. Svislý soustruh neboli karusel se používá k obrábění rozměrných a těžkých součástí, pro soustružení válcových kuželových a čelních ploch. Velikost svislých soustruhů je charakterizována největším oběžných průměrem. Poloautomatický soustruh je zdokonalený hrotový, čelní nebo revolverový soustruh. Jeho pracovní cyklus je automatizován. Automatizace se dosahuje použitím čelních nebo obvodových vaček, kopírovacích systémů nebo programovatelných řídících systémů Automatický soustruh se používá ve velkosériové a hromadné výrobě. Výchozím polotovarem jsou obvykle tyče, jejichž celý pracovní cyklus, včetně podávání je automatizován. Číslicově řízený soustruh neboli zkr. NC (Numerical Control), tj. číslicové řízení. Je řízen číselnými příkazy zaznamenanými děrováním na papírovou děrnou pásku nebo uloženými do vnitřní paměti řídícího system. Širší možnosti má systém CNC (Computer Numerical Control), jehož základem je malý počítač. Program lze upravovat i během obrábění [12]
3.3 Soustružnické nože Úměrně k velkému objemu a velké univerzálnosti prací na soustruzích se při soustružení uplatňuje velký počet typů soustružnických nožů. Geometrie břitu pro běžnou práci je stanovena normou ČSN 22 3500 pro nože z rychlořezné oceli, ČSN 22 3700 pro nože ze slinutých karbidů. Úhel hřbetu α se volí u soustružnických nožů v rozmezí 5 až 12 ̊ , úhel δ 65 až 100 ̊ , úhel λ normálně +5 ̊ pro měkké materiály, pro velmi tvrdé materiály -20 ̊ ; úhel χ 30 ̊ , 60 ̊ až 90 ̊. Z hlediska tvaru nože a jeho upnutí v nožovém držáku dělíme soustružnické nože na normální – radiální, tangenciální a kotoučové. Podle tvaru ostří na normální nože s přímým ostřím a nože tvarové, u nichž ostří má tvar tvarové plochy obrobku. 13
Normální (radiální) nože mají tělo čtvercového, obdélníkového nebo kruhového průřezu, velikostí 6 x 6 až 63 x 63 mm, případně 12 x 20 až 40 x 64 mm. Průřez těla se volí podle velikosti odebírané třísky. Tělo nože je z běžné uhlíkové oceli ( 75 kp/
=
60 až
), břit ve tvaru řezné destičky z rychlořezné oceli nebo slinutého karbidu,
popř. slinutého korundu, je s tělem pevně spojen. Břitové destičky z rychlořezné oceli se zpravidla k tělu přivařují, někdy také připevňují mechanicky. Destičky ze slinutých karbidů se k tělu nože připájejí mosazí, mědí nebo připevňují mechanicky. Břitové destičky ze slinutého korundu se k tělu nože buď, upevňují mechanicky nebo přilepují epoxidovými pryskyřicemi. [5]
obr. č. 3: Soustružnické nože, zdroj: [10] V této době jsou nejčastější tzv. výměnné (zvané též jako zahazovací) břitové destičky, které se k tělu nože připevňují pomocí čepu a příložky. Destičky mají 3 až 6 ostří. Po otupení jednoho ostří se destička pootočí, takže pracovní polohu zaujme nové ostří. Po vystřídání všech ostří se destička odloží a neostří se. Nože z rychlořezné oceli jsou normalizovány ČSN 22 3500 (řada), nože s destičkami ze slinutých karbidů ČSN 22 3700 (řada). Podle směru posuvu pohybu rozeznáváme nože pravé a levé. Pravými noži soustružíme z prava do leva. Při pohledu proti břitu mají hlavní ostří vpravo. U nožů levých je tomu naopak.[5]
14
obr. č. 4: Soustružnický nůž s výměnnou břitovou destičkou, zdroj: [12]
4 ŘEZNÝ PROCES 4.1 Řezný nástroj Aktivním činitelem procesu řezání je řezný nástroj. Uskutečňuje vlastní řezání tím, že svou pracovní částí - břitem - vniká do materiálu obrobku a odděluje z něho postupně částice ve tvaru třísky. Každý řezný nástroj se skládá z těla (tělesa) a břitu. Břit je pracovní (řezná) část nástroje ve tvaru klínu. Plochy, které tvoří tento klín, jmenujeme čelo, hřbet a vedlejší hřbet. Ostří je přůsečnice plochy čela a plochy hřbetu. Průsečnice čela a vedlejšího hřbetu je vedlejší ostří. Ostří není ideální hrana, je to nepravidelná ploška, jejíž obalová plocha má podle kvality naostření poloměr r = 3 až 12 µm. Těleso (tělo) nástroje je část nástroje, za kterou se nástroj upíná. [5]
15
obr.č. 5: Části nože, zdroj: [5] Nyní se podíváme na počty břitů na jednotlivém nástroji. Každý nástroj má jeden či více břitů. proto je rozdělujeme do tří skupin: •
nastroje jednobřité – mají pouze jeden břit (soustružnický nůž, obráběcí nůž);
•
nástroje několikabřité – mají několik břitů uspořádaných za sebou ve směru hlavního pohybu (výstružník, fréza);
•
nástroje mnohobřité – nástroje s mnoha břity, které mohou mít buď pravidelnou geometrii břitu vytvořených v tělese nástroje (pilník) nebo nepravidelnou geometrii břitů vytvořených brusnými zrny (brusné nástroje). Prvky pracovní části nástroje (břitu) se vztahují buď k břitu jako geometrickému
tělesu (označují se řeckými písmeny bez indexu), nebo se vztahují k funkci nástroje při pracovním procesu (označují s řeckými písmeny a indexem p). Souhrn těchto prvků se jmenuje geometrie břitu. Základem geometrie břitu je tvar klínu. Prvky geometrie břitu z hlediska jeho geometrického tvaru slouží ke konstrukci, výrobě, a ostření nástroje. Prvky břitu vztahující se k funkci nástroje a obrobku během řezání. Prvky geometrie břitu je proto potřeba definovat ze dvou hledisek: •
z hlediska jeho geometrického tvaru – nástrojové řezné úhly;
•
z hlediska polohy břitu proti obrobku, popřípadě jeho plochy řezu – pracovní řezné úhly. [5] Vzhledem k tomu, že geometrie břitu je důležitou a nedílnou součástí samotného
procesu řezání, budu se jí zabývat ještě v následujících dvou podkapitolách. 16
4.2 Nástrojové řezné úhly U nástrojových řezných uhlů máme dvě stěžejní roviny. Nástrojovou rovinu základní, budeme ji označovat Z a nástrojovou rovinu řezu, kterou označíme písmenem N. Když bychom hovořili o nástrojové rovině základní a ložné ploše nože, tvoří společně rovnoběžku. Naopak nástrojová rovina řezu prochází přímo ostřím nebo bodem, který u nožů tvoří kolmici na výše zmiňovanou základní rovinu. Nástrojové úhly měříme v nástrojové rovině měření M, která prochází bodem ostří, v němž geometrii břitu měříme a je kolmá k rovině základní i k rovině řezu.Nástrojová rovina dráhy ostří O prochází ostřím a je kolmá k nástrojové rovině řezu. [5]
obr. č. 6: Soustava rovin - nástrojové řezné úhly, zdroj: [5] Úhly břitu nástroje se určují v jednotlivých rovinách následovně: V základní nástrojové rovině Z •
Úhel nastavení hlavního ostří (kapa „χ“) - je úhel průsečnic nástrojové roviny Z s nástrojovou rovinou řezu N a nástrojovou rovinou dráhy ostří O.
•
Úhel vedlejšího ostří (kapa s čarou „χ´“)- je úhel průsečnic nástrojové roviny základní Z s nástrojovou rovinou řezu N´ a nástrojovou rovinou dráhy ostří O.
•
Úhel špičky nástroje (epsilon „ε“) – je úhel průsečnic nástrojové roviny základní Z s hlavní a vedlejší nástrojovou rovinou řezu N.
V rovině měření M: •
Úhel hřbetu (alfa „α“) – je úhel průsečnic nástrojové roviny měření M se hřbetem a nástrojovou rovinou řezu N.
•
Úhel břitu (beta „β“) – je úhel průsečnic nástrojové roviny měření M se hřbetem a čelem nástroje. [5] 17
•
Úhel čela (gama „γ“) – je úhel průsečnic nástrojové roviny měření M s čelem břitu a rovinou rovnoběžnou s nástrojovou rovinou základní Z procházející ostřím, popř. bodem ostří, v němž tento úhel měříme.
•
Úhel řezu (delta „δ“) – je úhel průsečnic nástrojové roviny měření M s čelem břitu a nástrojovou rovinou řezu N.
•
Úhel sklonu ostří (lambda „λ“) – je úhel průsečnic nástrojové roviny řezu N s nástrojovou základní rovinou Z a nástrojovou rovinou ostří O. [5]
obr. č. 7, Geometrie břitu – nástrojové úhly, zdroj: [5]
4.3 Pracovní řezné úhly Jejich velikost závisí na postavení břitu proti obrobku. Mohou být proto odlišné od úhlů nástrojových. Určují se stejně jako nástrojové úhly v soustavě dvou rovin. Pracovní roviny na rozdíl od nástrojových rovin se vztahují vesměs k ploše řezu, tj. ke směru řezného pohybu. [5] Pracovní rovina řezu Np je určena hlavním ostřím nebo tečnou k němu v bodě ostří, v němž geometrii břitu určujeme, a směrem řezného pohybu. Jinak ji lze definovat jako tečnou rovinu k ploše řezu procházející ostřím, popř. bodem ostří, v němž příslušný úhel měříme. Pracovní rovina základní Zp je rovina kolmá na pracovní rovinu řezu a na směr řezného pohybu. Měří se v pracovní rovině měření, která prochází 18
sledovaným bodem ostří a je kolmá k pracovním rovinám řezu a ostří. Pomocné roviny jsou i zde: pracovní rovina ostří, která prochází ostřím nebo tečnou k němu ve sledovaném bodě a je kolmá na pracovní rovinu řezu; pracovní rovina dráhy ostří, určena směry hlavního pohybu a posuvu. [5] Pracovní úhel hřbetu „
“ je úhel průsečnice pracovní roviny měření se hřbetem břitu
a pracovní roviny řezu. Pracovní úhel břitu „
“ je úhel průsečnic pracovní roviny měření se hřbetem a čelem.
Pracovní úhel čela „ “ je úhel průsečnic pracovní roviny měření s čelem břitu a pracovní roviny ostří. Pracovní úhel řezu „
“ je úhel průsečnice pracovní roviny měření s čelem břitu
a pracovní rovinou řezu. Pracovní úhel nastavení ostří „χ “ je úhel průsečnic pracovní roviny základní s pracovní rovinou řezu a pracovní rovinou dráhy ostří. Pracovní úhel nastavení vedlejšího ostří „χ´ “je úhel průsečnic pracovní roviny základní s pracovní vedlejší rovinou řezu a pracovní rovinou dráhy ostří. [5]
obr. č. 8: Pracovní úhly, zdroj: [5] a) soustružení s převýšením, b) soustružení velkým posuvem c) frézování
19
Pracovní úhly řezu
, č !" " ℎř% &'
se odlišují od nástrojových úhlů,
zejména při obrábění velkými posuvy. V tomto případě se pracovní rovina řezu značněji odchyluje od roviny kolmé na základní rovinu a úhel zvětšuje a úhel hřbetu
se zmenšuje, úhel čela
zmenšuje.
Velikost jednotlivých pracovních řezných úhlů má vliv na produktivitu obrábění, drsnost obrobené plochy a velikost řezného odporu. Pro každý případ obrábění existuje určitá nejvýhodnější hodnota řezných úhlů. Jsou to tzv. optimální řezné úhly. Velikost těchto optimálních řezných úhlů závisí především na mechanických vlastnostech materiálu obrobku, na hodnotách řezných podmínek, do určité míry také na tvaru (tuhosti) obrobku a požadované drsnosti obrobené plochy. [5]
5 PŘEHLED TVORBY TŘÍSKY 5.1 Tříska Materiál, který břit nástroje odřezává z obrobku při jednom záběru se přetváří v třísku. Vytvořením třísky předchází v odřezávané vrstvě materiálu velmi intenzivní plastická deformace. Ta zasahuje do určité vzdálenosti od břitu nástroje a to tím dále, čím je plasticita obráběného materiálu větší. Se zvětšující se řeznou rychlostí se oblast plasticidy deformovaného materiálu zmenšuje. [5]
5.2 Deformační podmínky Plastická deformace materiálu odřezávané vrstvy je důsledkem napjatosti materiálu vyvolané tlakem nástroje, který vniká určitou rychlostí (řezná rychlost) do materiálu obrobku. Stav napjatosti má charakter víceosí. Z hlediska mechaniky ,tvoření se třísky, nás zajímá nejvíce napětí smykové prvního druhu, které působí ve směru smykových rovin (ve skutečnosti jsou to zakřivené plochy). Velikost těchto smykových napětí se zvětšuje především ve směru od plochy vyjádřené stopou OM, až po plochu vyjádřenou stopou ON, ve druhé řadě také ve směru O →M a O→N. V ploše maximálního smykového napětí dochází ke konečnému ustřižení – posunutí odřezávané vrstvy materiálu ve směru střižné roviny, která se svírá směrem hlavního pohybu úhlu β (úhel střížné roviny). V bodě O, který s nožem postupuje, se pak působením maximální koncentrace smykových napětí odřezává vrstva materiálu a odděluje je od obrobku.
20
Vlivem plastických deformací, které probíhají v materiálu odřezávané vrstvy, se tento materiál značně zpevňuje. Materiál třísky má proto až několikanásobnou tvrdost a pevnost, než výchozí materiál obrobku. [5]
obr. č. 9: Oblast plastické deformace – náčrt, zdroj: [5] Plastická deformace, která probíhá při odřezávání třísky v odřezávaném materiálu, je take příčinou tvoření, tzv. nárůstků. Materiál obrobku v nejbližším okolí ostří je vystaven největším deformačním změnám a jeho plasticita je zde proto největší. Tím se značně zvyšuje adheze mezi materiálem obrobku a materiálem břitu. Vliv nárůstku na průběh obrábění se projevuje ve dvou směrech. Chrání do určité miry břit před otupováním, poněvadž přebírá částečně funkci břitu.To je možné, poněvadž, jak bylo uvedeno, material třísky vlivem svého zpevnění má značně velkou tvrdost. Nejvíce zpevněn a největší tvrdost má pak material v těsné blízkosti ostří, kde se vytváří nárůstek. Záporný vliv nárůstku se projevuje v tom, že zhoršuje kvalitu obrobené plochy. [5]
5.3 Tepelné pole Nárůstek se vytváří za určitých pracovních podmínek. Jeho vznik je především vázán teplotou stykových mist břitu s třískou. Do maximální velikosti nárůstku u ocelí při teplotě asi 300 ̊C, přestává se tvořit při teplotě asi 600 ͦ C. Poněvadž teplota stykových mist velmi závisí na řezné rychlosti, možno také vztáhnout určení podmínky vzniku nárůstku na rozsah řezných rychlostí. Horní hranicí, kdy se nárůstek při běžných průřezech třísky již netvoří, je řezná rychlost asi 60m/min. Tříska, která odchází z místa řezu, má různý tvar. Ten je určován mechanickými vlastnostmi materiálu obrobku, zejména jeho plasticitou a pužitými řeznými podmínkami. Největší vliv má řezná rychlost, úhel řezu δ a velikost posuvu. [5]
21
5.4 Tvary třísky U středně tvrdých ocelí, při obrábění většími rychlostmi a menšími úhly řezu δ má tříska tvar pásků, při použití nožů s větším úhlem řezu δ, menších řezných rychlostí, popřípadě u nožů otupených na čele, se tříska zavinuje a odchází ve tvaru šroubovice s různým poloměrem zakřivení. U tvrdších materiálů se takto vytvořené třísky dělí na menší celky. Při obrábění křehkých materiálů vzniká tříska ve tvaru nepravidelných částic.
obr. č. 10 Tvary třísky a)pásková tříska, b)vinutá do šroubovice, c)obloučky, d)drobená, zdroj: [5]
22
6 NEDESTRUKTIVNÍ ZKOUŠENÍ 6.1 Metody měření Měření opotřebení řezného nástroje lze rozdělit na metody přímé a nepříme. Metodou, při niž je měrená hodnota fyzikální veličiny na základě její definice, se nazývá metodou přímou. Naproti tomu metodami nepřímými se nazývají všechny metody, které vycházejí při měření ze vztahů jiných než definičních. Přímá měření tedy zahrnují metody měření, při nichž se hodnota měřené veličiny zjisti přímo. [9] Metody přímé: •
váhová metoda;
•
mikrometrická metoda;
•
radioizotopová metoda;
•
metoda nanesené odporové vrstvy.
Metody nepřímé: •
optické metody, využívající odrazu světla;
•
měření řezné síly nebo kroutícího momentu;
•
detekce mezery mezi nástrojem a obrobkem;
•
měření teplot;
•
metoda elektrického odporu;
•
měření vybrací;
•
měření zvuku;
•
měření akustické emise.
6.2 Akustická emise Akustická emise (AE) je fyzikální jev, při kterém dochází v materiálech v důsledku vnějších nebo vnitřních sil k uvolňování části materiálem akumulované energie. Tento jev je doprovázen elastickým napěťovým vlněním, které může být pomocí piezokeramických snímačů zaznamenáno jako elektrický signál. V důsledku uvolnění energie uvnitř materiálu (mikropraskání, šíření trhlinek apod.) jsou emitovány napěťové vlny, které se šíří tělesem od místa zdroje k volnému povrchu. Průchodem napěťové vlny materiálem je část uvolněné energie disponovaná 23
v teplo, část vyvolává na povrchu materiálu povrchovou Rayleighovu vlnu a zbytek energie se vrací do materiálu prostřednictvím odražené vlny. Povrchová změna je potom vhodných snímačem zachycovaná a přeměněna na elektrický signál, který se nazývá emisí. [9]
obr. č. 11 – Schéma tvorby, šíření a detekce ultrazvukového signálu akustické emise, zdroj: [9] Intenzivní akustickou emisi vykazují různé druhy degradační procesy v materiálech, které jsou způsobené jejich namáháním, jako například vznik a rozvoj trhlin, pohyb dislokací, korosní praskání apod. Poznamenejme, že AE má z hlediska diagnostiky materiálů tu výhodu, že indikuje pouze ty defekty, které jsou při daném namáhání materiálu aktivní a jsou tedy nejnebezpečnější. Pod pojmem akustická emise rozumíme tedy vznik tranzitních napěťových vln v důsledku náhlého uvolnění energie uvnitř materiálu. 24
Detekce a současná registrace těchto vnl, spolu s lokalizací jejich zdrojů a jejich přiřazení konkrétnímu fyzikálnímu procesu, tvoří náplň metody AE. [9] Z výše uvedeného obecného popisu vyplývá, že AE může poskytnout cenné údaje o charakteru sledovaných procesů a také umožňuje charakterizovat tyto procesy. Definice AE v dané formě zahrnuje možné procesy z nejrůznějších oborů. Na obr. 2. je uvedeno schéma použití metod AE v závisloti na frekvenci uvolňovaných vln. Toto schéma zároveň representuje i historický vývoj užití AE. [9]
obr. č. 12: Schematické rozdělení akustické emise v závislosti na frekvenci uvolňovaných vln, zdroj: [9] Z fyzikálního hlediska je vznik AE určován jako okamžitý projev nastupující materiálové deformace. Deformace materiálu například mikrotrhliny, lomy a fázové změny jsou tedy neoddělitelně spojeny s vlastním procesem obrábění. Tyto materiálové deformace a změny doprovázející tvorbu třísky se projevují ultrazvukovým, stochastickým signálem generovaným v důsledku uvolnění energie uvnitř materiálu. Signál akustické emise je ke sledování stavu vhodný zejména v ultrazvukové oblasti, zvláště pro její široký frekvenční rozsah. S ohledem na rozsah signálů AE je vyloučen vliv prostředí a vlastních kmitů stroje, které leží především ve slyšitelném pásmu zvukového spektra. Signál akustické emise je měřitelný nepřetržitě během celého procesu obrábění, což je dáno tím, že jeho vznik je spojen s vlastní fyzikální podstatou tvorby třísky. [9]
25
6.2.1 Charakter signálu akustické emise Signál, získaný při detekci AE obvykle charakterizujeme počtem paměťových vln o určitém rozsahu amplitudy, uvolněných za jednotku času. Tato veličina definuje rychlost akustické emise. Dle vzhledu signálu AE, získaného během sledovaného procesu vnějšího namáhání, mluvíme o dvou základních typech AE: [9] 1.
Spojitá AE
obr. č. 13 – Spojitá akustická emise, zdroj: [9]
2.
Nespojitá AE
obr. č. 14: Nespojitá akustická emise, zdroj: [9] Charakter AE je určován řadou faktorů. Přehledně lze tento vliv vyjádřit pomocí níže uvedené tabulky. Faktory zde uvedené reprezentují integrální vliv řady defektů. Tak např. plastická deformace představuje pohyb a vzájemnou interakci jednotlivých dislokací. Tyto dislokace mohou tvořit různé konfigurace, z nichž každé odpovídá různý průběh akustické emise. [9]
26
SPOJITÁ AKUSTICKÁ EMISE
NESPOJITÁ AKUSTICKÁ EMISE
Malý rozměr zkušebního tělesa
Velký rozměr zkušebního tělesa
Hladké zkušební vzorky
Vzorky s vrubem
Isotropní materiál
Anisotropní materiál
Jemnozrnný materiál
Hrubozrnný materiál
Tepelně-mechanicky zpracovaný materiál
Materiál v litém stavu
Nízká pevnost materiálu
Vysokopevné materiály
Nízká deformační rychlost
Vysoká deformační rychlost
Deformace kluzem
Deformace dvojčatěním
Vysoké teploty
Nízké teploty
Difúzní typy fázových přeměn
Štěpné lomy Šíření trhlin
Tabulka č. 1: Přehled faktorů ovlivňujících akustickou emisi, zdroj: [9] Z toho plyne, že každý materiál a deformace má vlastní charakteristiku signálu AE, takže by mělo být možné na základě sledování parametrů signálu AE soudit o procesech, při kterých signál AE vzniká. [9] 6.2.2 Měřící technika pro detekci akustické emise 6.2.2.1 Analyzátor akustické emise Používaný analyzátor akustické emise AE 256L (později vyrobený AE 10 L) je stavebnicový systém určený pro snímání, registraci a amplitudovou analýzu signálu akustické emise. Konstrukce zařízení je chráněná českým patentem č. 231236. Analyzátor je ovládán externím počítačem. Signál AE se zpracovává v digitalizované formě a snímá se piezokeramickým rezonančním snímačem stř. frekvence 250 kHz, nebo širokopásmovým mono, případně diferenciálním snímačem. Ze snímače signál postupuje na nízkošumový předzesilovač (40dB) s elektrickým dolním filtrem 30kHz a frekvenčním rozsahem do 2MHz. Výstupní jednotka vlastního analyzátoru je programově řízena a je vybavena 3 dolními a 3 horními elektrickými filtry určenými k zúžení sledovaného frekvenčního pásma. K zobrazení a ukládání dat akustické emise, naměřených a předzpracovaných pomocí zařízení AE 256 L a PC adaptéru HISTOMAT, slouží program AED SCANNER. Program zaznamenává data v reálném čase do diskového souboru, který po odměření slouží jako podklad pro další zpracování a analýzu, která je prováděna pomocí vlastního vytvořeného software na počítači. 27
Program analýzy signálu AE umožňuje hodnotit řadu parametrů signálu AE, jako např. počet překmitů signálu v několika různých frekvenčních pásmech, nebo v několika různě širokých pásmech energetických úrovní. [9]
obr. č. 15: Akustický přijímač, zdroj: vlastní 6.2.2.2 Snímače Snímače musí snímat velmi malé posuvy. Nejčastěji se proto používá piezoelektrických převodníků, které převádí mechanické kmity na elektrické, viz obr. 8. Snímače tohoto typu mají dostatečnou citlivost a frekvenční rozsah řádově do 105 Hz, výjimečně do 106 Hz. Lze použít i jiných převodníků např. magnetostrikčních, resistivních, kapacitních popř. indukčních. Avšak pro svou poměrně jednoduchou konstrukci našly piezoelektrické snímače nejširší a nejčastější uplatnění v technické praxi. [9] Nepoužívanějším a zároveň nejvhodnějším piezoelektrickým materiálem pro snímače AE je piezokeramika. Pizokeramický element ve tvaru kotoučku jak citlivost, tak i frekvenční charakteristiku snímače. Horní hranice snímaných povrchových napěťových vln je dána průměrem elementu. Aby pracoval v širokém pásmu frekvencí je na něm umístěna zátěž. Zátěž se většinou vyrábí s epoxidového lepidla smíchaného s částečkami o vysoké měrné hmotnosti (např. wolframový prášek) přizpůsobených k akustické impedanci elementu čímž je zaručen vysoký útlum akustických vln a potlačena resonance. [9] Aktivním členem snímače akustické emise je pizokeramický kotouček A se zátěží B umístěný na tenké ocelové membráně. Obrázek níže ukazuje umístění pizoelektrického elementu uvnitř pouzdra z nerezové oceli navrženého k jednoduchému uchycení pomocí šroubu na sledovaný povrch. Deformace membrány způsobená vlastní 28
montáží (uchycením snímače) je konstantní a zároveň zaručuje i konstantní předem definovanou přítlačnou sílu, což zaručuje porovnatelnost a reprodukovatelnost naměřených hodnot. Poměrně malá ploch membrány, která je ve styku se zkoumaných povrchem umožňuje předběžnou přípravu zkoumaného povrchu na minimální ploše. Uchycení snímače je dostatečně prvné a relativně mílo poškozuje zkoumaný objekt. [9]
obr. č. 16 – Znázornění uchyceného snímače akustické emise, A – vlastní piezokeramický element, B . přídavná hmota, C – membrána, zdroj: [9]
obr. č. 17: Akustické senzory, zdroj: vlastní 6.2.2.3 Zdroje akustické emise doprovázející vznik třísky a proces obrábění Z relativně plynulého signálu AE lze poměrně jasně odlišit jednotlivé nespojité, „bouřlivé“ kmity s velkou amplitudou, které doprovázejí nežádoucí jevy jako je katastrofické opotřebení, poškození, či případné zničení nástroje. Podobné zámity signálu, ale poněkud méně vysoké (méně energetické), vznikají od kontaktu a tření mezi 29
odcházející třískou a obrobkem, nebo nástrojem. Tyto jevy v soustavách, které se dnes používají pro monitorizaci, vedou k signalizaci havárie. V oblasti vzniku třísky je možné vymezit několik zdrojů AE, které jsou ukázány na níže uvedeném obrázku. Tyto zdroje akustické emise mají rozdílnou fyzikálně – mechanickou podstatu.
obr. č. 18: Zdroje akustické emise, zdroj: [9] Jako první je možné uvést zdroje AE se spojitým emisním signálem, které neoddělitelně doprovázejí plastickou deformaci, nacházející se v kořenu třísky jmenovitě v: •
oblasti primárních plastických deformací – 1,
•
oblasti sekundárních plastických deformací – 2, závisící i na tření, ke kterému dochází na čelní ploše břitu,
•
oblasti terciálních plastických deformací – 3, které vznikají pod vlivem hřbetu nástroje. [9] Další zdroje AE se nacházejí v oblasti kontaktu nástroje s materiálem obrobku,
kde dochází k intenzivnímu tření; mezi hřbetem nástroje a obrobeným povrchem – 4, dále mezi čelem nástroje a třískou – 5. Pokud je nástoj vybaven lamačem, nebo utvařečem k nucenému odchodu třísky, probíhá také tření mezi ním a třískou – 6. Jedním z energetických zdrojů akustické emise charakteristickým mohutnými vrcholy amplitud je vznik, odchod, či utržení nárůstků. Dalším zdrojem AE je vydolování a vylamování materiálu nástroje, které doprovází vznik a rozvoj mikrotrhlin, které předcházejí poškození a destrukci nástroje. Samotné lámání třísky – 7, které 30
se vyskytuje během odchodu třísky, je dalším zdrojem signálu nespojité akustické emise. Také kontakt třísky s obrobkem nebo nástrojem – 8 je zdrojem nespojitého signálu akustické emise. V případě plynulé, špatně tvářené třísky (např. při rychlostním obrábění) může dojít k nežádoucímu navinutí třísky na nástroj, či obrobek, což se také ve snímaném signálu AE projeví. Použití řezné kapaliny – 9, během procesu obrábění, se rovněž projeví v signálu AE. [9] Je možné poznamenat, že každý z uvedených zdrojů AE se projevuje v určitém pásmu frekvencí a má specifickou intenzitu. Signál AE vznikajíc id plastických deformací a tření má spojitý charakter, v ostatních případech je akustická emise nespojitá a více energetická, zároveň se vyznačuje kvaziperiodickými nebo neperiodickými vrcholky amplitud. [9]
7 EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ 7.1 Cíl měření Cílem experimentálního měření bylo sledovat změny počtu AE v závislosti na různě opotřebených nástrojích. Měření se odehrávalo v areálu Mendelovy univerzity v Brně, konkrétně v laboratoří budovy J. Měření se konalo za účasti pana doc. Ing. Michala Černého, CSc. a pana Jiřího Slavíka, který obsluhoval soustruh. Pan Ing. František Vlašic, Ph.D. měřil akustickou emisi na nástroji a na hlavě soustruhu.
obr. č. 19 Pracovní měření akustické emise na soustruhu, zdroj: vlastní
31
7.2 Postup měření Měření probíhalo na univerzálním hrotovém soustruhu s konstantníma řeznýma podmínkama, otáčky hlavy: 710 ot/min. Velikost odběru třísky jsme stanovili 0,25 mm a 0,5 mm. Jako nástroj jsme použili soustružnický nůž s výměnou břitovou destičkou. Použili jsme tři typy destiček: 1. novou ostrou břitovou destičku; 2. použitou břitovou destičku (uštíplou); 3. použitou břitovou destičku (opotřebovanou).
obr. č. 20: Soustružnický nůž s výměnnými břitovými destičkami při prac. záběru, zdroj: vlastní Z každého měření jsme dostali dva výsledky, první byl ze snímače na noži a druhý byl ze snímače na hlavě. Graf znázorňuje parametry měření. Na ose y jsou tzv. County (počet překmitů přes dané energetické hladiny) a osa x znázorněje za jaký čas probíhalo měření. Na pravé ose y je parametr amplitud kmitů signalu, označován jako RMS. Pro znázornění jsem vložil do této práce 6 grafů
32
1. Snímač na noži, odběr třísky 0,5 mm Ostrý nástroj
Graf č. 1: Ostrý nástroj, zdroj: vlastní Tupý nástroj (uštíplý)
Graf č. 2: Tupý nástroj (uštíplý), zdroj: vlastní Tupý nástroj (opotřebený)
Graf č. 3: Tupý nástroj (opotřebený), zdroj: vlastní 33
2. Snímač na hlavě, odběr třísky 0,5 mm Ostrý nástroj
Graf č. 4: Ostrý nástroj, zdroj: vlastní Tupý nástroj (uštíplý)
Graf č..5: Tupý nástroj (uštíplý), zdroj: vlastní Tupý nástroj (opotřebený)
Graf č. 6: Tupý nástroj (opotřebený), zdroj: vlastní
34
7.3 Výsledky měření Z názorných grafů měření AE jsme si ověřili, že s opotřebeným nástrojem bude docházet k většímu počtu měřených impulzů AE, než při obrábění nástrojem ostrým. Když začínají narůstat počty countů (překmitů) je důležité stanovit hodnotu maxima a provést urychleně výměnu břitové destičky za účelem snížení energetické náročnosti stroje v důsledku snížení řezného odporu. Tato změna se projeví i v kvalitě textury povrchu obráběné součásti. Kvalita povrchu má velký význam pro vznik reziduálních napětí v povrchových vrstvách obrobku a významě se tak podílí na vzniku povrchového reliefu součásti, dale na případném únavovém porušení a disfunkci součásti.
35
ZÁVĚR Předložená bakalářská práce na téma “Vizualizace vlivu změny obráběcího nástroje” obsahuje převážně rešeršní poznatky které jsou soustředěny v kompilační části práce. Shrnuje poznatky z oblasti obrábění kovových materiálů s ohledem na stanovení řezných podmínek, technologii řezného procesu a ovlivnění pracovních – řezných úhlů nástroje. Poznatky jsou uplatněny do oblasti obrábění kovu soustružením. Zvláštní pozornost je věnována vlivu zvýšení odporu materiálu proti tvorbě třísky při nárůstu otupení nástroje. Tento fakt je sledován a ověřen i základním experimetrem z pohledu nedestruktivní zkušební metody – akustické emise, která mapuje pozvolný růst počtu událostí i celkové energie pulzů s rostoucím otupením. Cílem experimentálního měření, které jsme prováděli v Mendelově univerzitě v Brně, bylo sledovat změny záznamu akustické emise v závislosti na rozsahu poškození a opotřebování břitových destiček na soustružnickém noži. Akustická odezva vzniku třísky by byla aplikovatelná při kontinuálním sledováním opotřebení nástroje „in situ“, což by umožnilo včasně reagovat na nadměrné opotřebení výměnnou nástroje. Výměna nástroje před dosažením kritické (stanovené) úrovně překmitů signálu umožní zvýšit ekonomicky, ale i kvalitativně stránku procesu obrábění.
36
Seznam použitých zdrojů a) Literatura, skripta a učebnice [1]
FIALA, František a CHRÁST Vlastimil. Strojírenská technologie II. Praha: Státní pedagogické nakladatelství,n.p, 1983.
[2]
KOPEC, Bernard a Vlastimil CHRÁST. Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí: (Nauka o materiálu IV). 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2008, 571 s. ISBN 978-80-7204-591-4.
[3]
MÍŠEK, Bohumil. Zkoušení material a výrobků bez porušení, Praha, Nakladatelství technické literatury v Praze, 1973, 252s.
[4]
PERNICA, Jaroslav. Základy strojnictví. Vysoká škola zemědělská v Brně, Brno 1982. 89s.
[5]
PŘIKRYL, Zdeněk a kolektiv. Technologie obrábění. Praha. Nakladatelství technické literatury v Praze, 1967, 448s.
[6]
ŘASA, Jaroslav a Josef ŠVERCL. Strojnické tabulky: pro školu a praxi. 1. vyd. Praha: Scientia, 2007, 586 s. ISBN 978-80-86960-20-3.
[7]
ŠČERBEJOVÁ, Marta a Vlastimil CHRÁST. Strojírenská technologie: Určeno pro posl. provozně ekon. fak. mechanizační obor. 1. vyd. Brno: Vysoká škola zemědělská, 1993, 132 s. ISBN 80-715-7083-4.
[8]
VLAŠIC. Hodnocení cyklického poškození slitin na bázi hliníku a hořčíku s využitím metody akustické emise. Brno, 2011. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně.
[9]
ŽIŠKA, Jan, Použití akustické emise ke sledování stavu řezného nástroje, Liberec, Technická univerzita. 2003. 106s. ISBN 8070836881
b) internetové zdroje [10]
http://cz-maturita.tym.cz/strojni-technologie/24-nastroje-pro-obrabeni.php
[11]
http://www.strojar.com/upload/skripta/Technologie_obrabeni_1.pdf
[12]
http://www.kovonastroje.cz/
[13]
http://zozei.sssebrno.cz/soustrueeni-zavitu/
37
Seznam obrázků číslo obrázku
titulek obrázku
strana
obr. č. 1
Řezné pohyby - hlavní řezný pohyb, posuv, přísuv
10
obr. č. 2
Hlavní funkční části univerzálního hrotového soustruhu
12
obr. č. 3
Soustružnické nože
14
obr. č. 4
Soustružnický nůž s výměnnou břitovou destičkou
15
obr. č. 5
Části nože
16
obr. č. 6
Soustava rovin - nástrojové řezné úhly
17
obr. č. 7
Geometrie břitu – nástrojové úhly
18
obr. č. 8
Pracovní úhly
19
obr. č. 9
Oblast plastické deformace – náčrt
21
obr. č. 10
Tvary třísky
22
obr. č. 11
obr. č. 12
Schéma tvorby, šíření a detekce ultrazvukového signálu akustické emise Schematické rozdělení akustické emise v závislosti na frekvenci uvolňovaných vln
24
25
obr. č. 13
Spojitá akustická funkce
26
obr. č. 14
Nespojitá akustická funkce
26
obr. č. 15
Akustický přijímač
28
obr. č. 16
Znázornění uchyceného snímače akustické emise
29
obr. č. 17
Akustické senzory
30
obr. č. 18
Zdroje akustické emise
31
obr. č. 19
Pracovní měření akustické emise na soustruhu
32
obr. č. 20
Soustružnický nůž s výměnnými břitovými destičkami při prac. záběru
38
33
