VYSOCE PŘESNÉ METODY OBRÁBĚNÍ A JEJICH FYZIKÁLNÍ PODSTATA

ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Prof. Ing. Bohumil Bumbálek, CSc.

VYSOCE PŘESNÉ METODY OBRÁBĚNÍ A JEJICH FYZIKÁLNÍ PODSTATA

2004

Obsah strana Seznam obrázků a tabulek

…………………………

Úvod k problematice vysoce přesných výrobních metod 1.

Strategie v oblasti vysoce přesných výrobních technologií 1.1 Historický vývoj

3

…………………

4

………………………… …………………………

5 5

2.

Vysoce přesné obráběcí systémy a jejich význam

3.

Materiály pro vysoce přesné obrábění 3.1 Kovové materiály 3.2 Keramické materiály 3.3 Optická skla 3.4 Polovodičové materiály

4.

Volba nástrojových materiálů 4.1 Slinuté karbidy 4.2 Keramické řezné materiály 4.3 Polykrystalický diamant 4.4 Kubický nitrid bóru 4.5 Brousicí materiály

5.

Proces vysoce přesného oddělování materiálu …………………………

23

6.

Fyzikální podstata řezání při vysoce přesném obrábění ……………………. 6.1 Stanovení minimální hloubky řezu ………………………………. 6.2 Vysoce přesné metody obrábění, využívající volného brusiva ……….. 6.3 Vysoce přesné metody obrábění bez mikrotrhlin a poškození povrchové vrstvy …………………………

29 34 47

7.

Dosažitelná přesnost a integrita povrchu ………………………… 7.1 Další vlivy metod obrábění na jakost povrchu ………………………..

49 51

8.

Využití poznatků o vysoce přesném obrábění pro řešení výrobních problémů

…………………………

56

Závěr

………………………….

59

…………………………..

60

9.

Literatura

2

……………

10

………………… ………………… ………………… ………………… …………………

12 14 14 16 17

………………… ………………………… ………………………… ………………………… ………………………… …………………………

18 18 18 18 18 21

48

SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Obr. 1 Obr. 2 Obr. 3 Obr. 4 Obr. 5 Obr. 6 Obr. 7 Obr. 8 Obr. 9 Obr. 10 Obr. 11 Obr. 12 Obr. 13 Obr. 14 Obr. 15 Obr. 16 Obr. 17 Obr. 18 Obr. 19 Obr. 20 Obr. 21 Obr. 22 Obr. 23 Obr. 24 Obr. 25 Obr. 26 Obr. 27 Obr. 28 Obr. 29 Obr. 30 Obr. 31 Obr. 32 Obr. 33 Tab. 1 Tab. 2 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 5 Tab. 6 Tab. 7 Tab. 8 Tab. 9 Tab. 10 Tab. 11 Tab. 12 Tab. 13 Tab. 14

Dosažitelná přesnost při obrábění (podle Taniguchi, 1983) [ 2 ] Klasifikace obráběcích procesů podle energetického zdroje (Nogawa, 1988) [ 11 ] Schéma vysoce přesného obrábění (Nogawa, 1988) [ 11 ] Mechanické vlastnosti keramických materiálů [ 11 ] Závislost změny tvrdosti na modulu pružnosti různých materiálů [ 31 ] Opotřebení nástrojů KNB při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC Drsnost povrchu při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC nástroji z KNB Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze pro ložiskové oceli vyrobené různými technologiemi (Davies, Chon, Evans, 1996) Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze při různé zrnitosti KNB nástroje (Davies, Chol, Evans, 1996) Model smykové deformace při řezání Jemné broušení při působení brousicího zrna (podle Lucca a Seo, 1994 [ 23 ] ) Brousicí zrno o průměru g s označením pružně plastické oblasti [ 22 ] Činitelé ovlivňující deformaci a lom materiálu (Joshikawa, 1967 [ 31 ] ) Tvoření třísky Změna složek řezné síly [ 34 ] Změna hloubky plastické deformace v závislosti na hloubce řezu [ 1 ] Řezání s konstantní hloubkou řezu a měnící se hloubkou řezu [ 56 ] Řezání při konstantní hloubce řezu a při zvětšující se hloubce řezu Frézování nesousledné a sousledné Tvar třísky při řezání nástrojem s definovanou geometrií Model minimální třísky podle Abdelmoneima [ 40 ] Závislost úhlu θ na hloubce řezu ap pro různé poloměry ostří rn Závislost úhlu γeff na hloubce řezu ap pro různé poloměry ostří rn Změny povrchové energie v závislosti na úhlu γeff [ 44 ] Změna smykového napětí v závislosti na úhlu γeff [ 44 ] Změna úhlů θ a γeff v závislosti na nedeformované tloušťce třísky Rozměry třísek při broušení Schéma kombinací podložného mat. a brusiva pro získání zrcadlového lesku součásti [46] Vytvoření zbytkové plochy [ 56 ] Porovnání Rz a R´z [ 56 ] Vztah mezi tvarem autokorelace a procesem broušení [ 56 ] Vytváření a vlivy zbytkových napětí (Whitehouse, 1994) [ 56 ] Porovnání charakteristik broušení a soustružení [ 50 ] Materiály pro vysoce přesnou výrobu Porovnání významných vlastností tvárných kovů a křehkých nekovů Vlastnosti křemičitých a boritých skel [ 19 ] Vlastnosti Si a Ge Vlastnosti nástrojových materiálů pro vysoce přesné obrábění Možnosti řešení opotřebení diamantových nástrojů při obrábění oceli [ 32 ] Přehled technologií využívaných při výrobě vysoce přesných součástí Hodnoty úhlů γeff a θ vypočtené pro různé poloměry ostří rn a různé hloubky řezu ap Minimální hloubka řezu pro daný poloměr ostří Rozměry zrn diamantových brousicích kotoučů Hodnoty hD max , hs , AD , W a Ra při zkouškách podle [ 45 ] Rozlišitelnost a rozsah měření drsnosti povrchu Drsnost povrchu dosažená při dokončování různých materiálů Drsnost povrchu dosažitelná při dokončování různých materiálů volným brusivem

3

ÚVOD K PROBLEMATICE VYSOCE PŘESNÝCH VÝROBNÍCH METOD Vysoce přesné technologické procesy zajímají dnes konstruktéry, technology, metrology i pracovníky provozů. Konstruktéry proto, že tyto vysoce přesné technologické procesy jsou cestou k úspěšnému zavádění moderních konstrukcí, nebo se uplatňují při miniaturizaci výrobků. Technologům tyto procesy umožňují dokončovat součásti s tolerancemi v nanometrech a se zrcadlově lesklým povrchem; takové povrchy se uplatní nejen ve strojírenství, ale i v oborech jako je opto-elektronika, optika, biomedicína apod. Metrologové mají možnost využívat nové kontrolní a měřicí metody, které zaručují vysokou jakost výrobků a tak přispívají k vyšší spolehlivosti a životnosti zařízení. Pracovníci provozů budou moci spoléhat na to, že výrobky, které budou využívat a obhospodařovat, budou funkčně velmi spolehlivé. Podstatou těchto vysoce přesných technologických procesů je odebírání malých rozměrů přídavků, tj. malých třísek a operace s malými posuvy a malými hloubkami řezu. Tím vznikají jisté problémy, které musí být řešeny správnou volbou materiálu obrobku, geometrie nástroje a pracovními podmínkami. Také znalosti mechanizmu oddělování materiálu při vysoce přesných technologických operacích přispívají nejen ke stanovení vlastností nově vytvářeného povrchu, ale slouží k i ke snižování vzniku možných poruch na povrchu i v podpovrchové vrstvě. Nové požadavky na strojní součásti, které se projevují v posledních letech, vycházejí ze snahy o zvyšování přesnosti výroby, ze snahy o zavádění nových, pokrokových výrobních technik a ze snahy uplatňovat přesnější kontrolní metody. Přesnější výroba znamená zlepšování provozních vlastností výrobků, především těch, které pracují v extrémních podmínkách zatěžování anebo na které jsou kladeny zvláštní funkční požadavky. Rozsah přesného strojírenství a zavádění vysoce přesných technologických procesů roste, protože jsou klíčem k rozvoji průmyslu i obchodu. Aby bylo možné zabezpečovat výrobní přesnosti v nanometrech, je nutné, aby konstrukce výrobních strojů a procesy vytváření funkčních ploch součástí byly dobře koordinovány, tzn., aby interakce mezi nástrojem a obrobkem odpovídala požadavkům vysoce přesného inženýrství. Výsledná přesnost výrobku je dána jeho úchylkami, které jsou vyvolány geometrickými, kinematickými a dynamickými účinky výrobních procesů. Z praktického hlediska sehrává vzájemné působení těchto vlivů rozhodující úlohu. Výsledná přesnost není ovlivněna jen makroskopickými chybami tvaru, rozměru, ale i mikroskopickými úchylkami, které se promítají do vlastností povrchové vrstvy. Ukazuje se, že u řady funkčních požadavků je to rozhodující údaj. Vlastnosti povrchové vrstvy jsou

4

důležité u součástí, které na sebe dosedají, vzájemně se pohybují anebo mají vykazovat určité vlastnosti, jako je např. korozní odolnost, tepelná vodivost, odraz světla, vlnění, tlumení apod. Vysoce přesné metody výroby mají také svoji historii, kterou je možné vidět v různých stupních vývoje, od makrotechnologie přes mikrotechnologie až k nanotechnologiím. Vysoce přesné technologie jsou předurčeny svými možnostmi jako „technologie 21. století“. To ale vyžaduje, aby byla stanovena strategie vysoce přesných technologií, aby se dále rozvíjely a aby se v široké míře uplatňovaly v hromadné a cenově přístupné výrobě. Již dnes se dá předpokládat, že řada technologických mikroprocesů a systémů bude mít hybridní formy, které budou směsí nano- , mikro- a makropřesných technologií. Cílem bude snaha dosáhnout vyšší spolehlivosti, miniaturizace, snazší výroba a cenová přístupnost. V budoucnu se dá očekávat široké uplatnění vysoce přesné výroby jako významného potenciálu trhu, protože rychle poroste potřeba výrobků s vysokou provozní spolehlivostí a upotřebitelností.

1.

STRATEGIE V OBLASTI VYSOCE PŘESNÝCH VÝROBNÍCH TECHNOLOGIÍ

Kromě zařízení potřebných pro vysoce přesné technologie obrábění, jako jsou stroje a nástroje, je nutné zpracovat i odpovídající strategii a programy pro využívání všech podsystémů, které jsou nutné pro naplňování a dodržení požadavků kladených dnes na vysoce přesné součásti a výrobky. Fyzikální podstata vysoce přesného obrábění musí vycházet z energetického působení na polotovar při jeho přetváření na hotový výrobek a využívané procesy nutno nejen řídit, ale také je rozvíjet a získané poznatky dále zpracovávat. Jedná se o fyzikální veličiny, jako jsou řezná síla, teplota řezání, deformační chování materiálu, opotřebení nástroje a tyto promítat do konečných vlastností obrobku. Všechny tyto veličiny budou ale u vysoce přesného obrábění o 2 až 3 řády menší než u obrábění běžného. Z hlediska praktických aplikací to znamená realizovat na výrobních strojích a zařízeních adaptivní systémy, tj. instalovat senzory, které budou snímat sledované veličiny a tím řídit celý proces obrábění, s cílem zvyšování požadované přesnosti. V současné době nacházejí metody vysoce přesného obrábění své uplatnění v řadě průmyslových odvětví a všude tam, kde se uplatňují pokrokové technologie. Současně je ale nutné provádět analýzu všech základních principů vysoce přesného obrábění, aby se vytvářely a naplňovaly předpoklady pro predikci provozních parametrů součástí vyráběných těmito technologickými procesy. Tento postup je nutný proto, aby byly lépe chápány požadavky na vysoce přesnou výrobu a aby bylo možné zabezpečovat její budoucí rozvoj. 1.1

Historický vývoj

Množství odebíraného materiálu při vysoce přesném obrábění je malé a pohybuje se řádově pod mikrometr nebo méně. Norio Tanaguchi (1974) [1] zavedl pojem

5

„NANOTECHNOLOGIE“ jako cíl vysoce přesných výrobních procesů. V roce 1983 [2] uvedl ve svém příspěvku historický přehled obráběcích procesů z hlediska dosažitelné přesnosti a doplnil jej i o přesnosti dosažitelné při přesném obrábění. Tyto údaje uvádí i zařízení pro kontrolu přesnosti opracovaných součástí (obr. 1).

Obr. 1 Dosažitelná přesnost při obrábění (podle Tanaguchi, 1983)

Křivky uvedené na obr.1 ukazují, že dosažitelná přesnost až 1 nm se dá dosáhnout jak řeznými nástroji, tak i metodami abrazivními a procesy, které využívají svazek elektronů, laser a rastrovací metody pro hodnocení obrobené plochy. Taniguchi předpověděl, že v roce 2000 bude dosažitelná přesnost při běžném obrábění 0,01 µm až 0,001 µm. V současné době se jeho předpovědi naplňují. Taniguchi byl první, kdo zavedl termín „nanotechnologie“, R.Feynman, nositel Nobelovy ceny 1965, nepoužil pojem „nanotechnologie“ jako takový, ale přesně popsal její možnosti pro extrémní miniaturizaci, a to s ohledem na spojování molekul. Podle jeho koncepce je to „stavba z molekul“, jak to později označil K.E.Drexler (1986) [3] a zavedl pojem „MOLEKULÁRNÍ NANOTECHNOLOGIE“. O problémech vysoce přesného obrábění byla publikována řada příspěvků [4,5,6,7,8,9,10]. Jak bylo uvedeno na začátku této kapitoly, je nutné při zpracování strategie vysoce přesného obrábění vycházet z energetického působení na nově vytvářený obrobek. Nagawa, 1988 [1] provedl klasifikaci procesů oddělování materiálů z hlediska energie nutné pro jejich realizaci (obr. 2). Při zpracování klasifikace bral v úvahu oddělování 6

materiálu jak nástrojem s definovanou geometrií, tak i nástrojem vícebřitým a volným brusivem (obr. 2).

Obr. 2 Klasifikace obráběcích procesů podle energetického zdroje (Nogawa, 1988) Technologie dokončovacích procesů využívají systémy mechanické, chemické, elektrochemické, elektronické a optické. Velkou skupinou pokrokových metod využívaných pro dokončování vysoce přesných součástí jsou metody abrazivní, kdy nástroje ve tvaru kotoučů nebo volného brusiva se s výhodou využívají pro dokončování tvrdých a křehkých materiálů, stejně jako metody chemické nebo elektrochemické. První práce z oboru vysoce přesného obrábění byly prováděny na materiálech, které mají velmi dobrou obrobitelnost, jako je měď nebo hliník. Při těchto experimentech byl sledován mechanizmus tvoření a oddělování třísky. Ve srovnání s běžným obráběním byly rozměry třísek v hodnotách mikrometrů a jejich zlomků. Tomu musely odpovídat i rozměry břitu nástroje [12,14 ]. Z hlediska obráběného materiálu je hlavním a důležitým požadavkem úběr velmi malého množství materiálu (často o rozměrech atomové mřížky), minimalizovat nebo vyloučit křehký lom při vysoce přesném dokončování, dále požadavek tvarové přesnosti a vysoké požadavky na integritu povrchu. Tyto požadavky na integritu povrchu zahrnují

7

minimální nebo žádné změny v povrchu dokončované plochy, nebo těsně pod ní, včetně metalurgických změn, zbytkových napětí, defektů, jako jsou vady, mikrotrhliny apod. To znamená, že vysoce přesné obrábění je třeba brát jako systém zahrnující všechny uvedené aspekty a ne posuzovat jen jako jednotlivé složky. Takový systém potom umožňuje řešit komplexně vysoce přesné obrábění jak z hlediska nástroje, stroje, výrobních postupů, ale i funkčních požadavků hotového výrobku. Tyto vysoce přesné integrované systémy vycházejí z respektování následujících předpokladů, nutných pro realizaci : a) b) c) d) e) f) g) h) i)

vysoce přesné, velmi tuhé stroje, bez chvění, vysoká tuhost mezi nástrojem a obrobkem, vysoká rozlišitelnost při řízení pracovních pohybů, tepelná stability, řízení zpětné vazby, vysoce čisté pracovní prostředí, vysoce přesné a výkonné metrologické systémy, podmikronové rozměry zrn brusiva, orovnávání kotoučů během broušení zaváděním nové techniky (tryskání kotouče, kartáčování drátěnými kotouči, chemické leptání, orovnávání laserem).

Blokové schéma takového systému je uvedeno na obr. 3. V tomto schématu jsou zvažovány i vlastnosti obrobené součásti, stejně jako hodnocení dosažené přesnosti a možnosti uplatnění vysoce přesných metod v určitých výrobních procesech. U přesných výrobních zařízení a strojů je mnoho částí, které spolu navzájem zabírají, pohybují se, aby bylo dosaženo konečné přesnosti výrobku. Každá součást přispívá ke konečné přesnosti výrobku svými úchylkami, které jsou vyvolány kinematickými a dynamickými účinky. Z praktického hlediska sehrává vzájemné působení těchto vlivů rozhodující úlohu. Pro analýzu vysoce přesných metod výroby lze uplatnit následující definice : přesnost operace – přiblížení se skutečných hodnot obrobku hodnotám stanoveným na výkrese, nejistota operace – parametr, kterým je rozptyl hodnot, opakovatelnost (výsledků operace) – nejtěsnější shoda mezi výsledky operací při stejných podmínkách, rozlišitelnost – nejmenší rozdíl mezi údaji na měřicím zařízení, reprodukovatelnost – nejtěsnější shoda mezi výsledky operací provedených za změněných podmínek.

8

Obr. 3 Blokové schéma vysoce přesného obrábění (Nogawa, 1988)

Z hlediska fyzikální podstaty řezání jako procesu plastické deformace, sehrává tato významnou úlohu především proto, že ovlivňuje vytváření nového povrchu. Vedle oblasti primární a sekundární plastické deformace sehrává svoji úlohu také oblast třetí, která je mezi obrobkem a hřbetem nástroje. To proto, že na obrobené ploše dochází k elastickému zotavení v důsledku tření hřbetu na obrobené ploše. To ukazuje na nutnost doplnit stávající teorie řezání o model ztrát energie, stejně jako o teplotu vznikající při mikrořezání. Důležitým výsledkem všech vysoce přesných metod obrábění je nově vytvořený povrch, který tvoří vnější tvar předmětu a je možné jej označit jako jeho „makroskopický vzhled“. Tento povrch tvoří současně rozhraní mezi dvěma fázemi. Při hodnocení předmětu je významný poměr plochy povrchu A k jeho objemu V. Je-li tento poměr A:V malý, jedná se o předmět velké hmotnosti , kde při jeho hodnocení jsou významné fyzikální a chemické vlastnosti základního materiálu. Je-li tento poměr A:V velký, jedná se o malé předměty, kde při jejich hodnocení jsou jejich vlastnosti ovlivněny povrchem.

9

2.

VYSOCE PŘESNÉ OBRÁBĚCÍ SYSTÉMY A JEJICH VÝZNAM

V budoucnu bude muset výroba připravovat a sestavit nové strategie i pro řízení procesů, které budou vyžadovat zavádění a uplatňování vysoce přesných součástí a zařízení. Vysoce přesné technologické metody mají výrazný vliv na další vývoj nových výrobků. V současné době je možné zaznamenat různé stupně vývoje těchto systémů - od makrotechnologie přes mikrotechnologie, až k nanotechnologiím. V budoucnu bude výroba orientována na daleko širší využívání vysoce přesných součástí a zařízení. K tomu bude nutná predikce výsledků výrobních operací, především jejich jakosti. Současně metody používané při výrobě jsou často založeny na zkušenostech pracovníků daných provozů. Tyto mohou být nemoderní a musí být nahrazovány metodami, vycházejícími z vědeckých poznatků. Lepších výsledků je možné dosáhnout jen spoluprací pracovišť, která se touto problematikou zabývají. Obráběcí systémy uplatňované ve vysoce přesné výrobě mohou být posuzovány ze dvou hledisek : -

technického, tj. z hlediska dosažitelné jakosti, ekonomického, tj. z hlediska pracnosti, ceny a prodejnosti.

V současné době neexistuje jen jedna cesta pro řešení všech problémů vysoce přesné výroby. Je nutné zvažovat následující skutečnosti : -

předpověď mezních podmínek pro stabilní procesy obrábění, předpověď vlivů tvorby třísky na jakost dokončené plochy, zabezpečení minimalizace chyb vzájemných pohybů nástroje a obrobku při dané operaci.

V praxi existuje řada operací, z nichž každá vyžaduje splnění určitých vlastních požadavků, které musí být respektovány, aby bylo dosaženo vysoké jakosti dokončeného povrchu. Existují totiž operace, které probíhají plynule ve srovnání s operacemi, které jsou přerušované a u kterých se mění např. tloušťka třísky a je u nich obtížné dosáhnout ustáleného stavu. Ve výrobě přetrvává jakási tradice, která vychází z dřívějších zkušeností, že nástroje s definovanou geometrií, jako jsou soustružnické a frézovací nástroje, jsou vhodné jen pro hrubování nebo polohrubování. Pro dokončování přesných součástí se předpokládá využívání metod, které pracují s nástroji s nedefinovanou geometrií, jako jsou brousicí kotouče, nebo metody pracující s volným brusivem. Stejným způsobem lze využít i metody nekonvenční. Tento názor byl změněn, když byly vyvinuty tuhé obráběcí stroje pro dokončování výrobků s vysokou rozměrovou, tvarovou přesností a se zrcadlově hladkým povrchem. Tato změna nastala, když se začaly uplatňovat nové nástrojové materiály, jako je polykrystalický diamant (PKD) a polykrystalický kubický nitrid bóru (PKNB).. Požadované parametry jakosti jsou těmito novými nástroji s definovanou geometrií nyní dosahovány mnohem snadněji. Přesto je nutné počítat s tím, že dokončovací metody, jako je přesné broušení, lapování, leštění, budou nadále využívány tam, kde jsou zvláštní požadavky

10

na jakost obrobených ploch. Je proto možné dnes výraz „dokončovací operace“ chápat jako pojem, který může být vztažen na všechny metody obrábění. Klasifikace všech dokončovacích technologických procesů může být dobře provedena podle toho, jaké energetické zdroje jsou využívány. Je třeba ale upozornit na to, že půjde také o různou energetickou náročnost, když se bude zvažovat energie mechanická, chemická, elektrochemická, elektrická, nebo optická. Vysoce přesné způsoby obrábění se využívají pro dokončování různých materiálů ze skupiny kovů, slitin, keramiky, skla nebo polovodičů. Tyto materiály mají různé chemické složení, strukturu, mechanické vlastnosti apod. Z hlediska procesu obrábění je možné porovnávat dvě skupiny materiálů : materiály tvárné a materiály křehké. V každé skupině je nutné počítat s určitými zvláštnostmi při jejich opracování. Z tohoto hlediska je možné procesy odebírání materiálu při obrábění rozdělit do těchto skupin [15,16,17] : -

oddělování materiálu křehkým porušením, oddělování materiálu tvárným porušením.

Kvalitativní porovnávání tvárných materiálů a materiálů křehkých ukazuje nejen na jejich rozdílné vlastnosti, ale také na potíže při jejich dokončování. Kovy mají kovovou vazbu, vysokou symetrii, krystalickou strukturu ( mřížka BCC, FCC), mají vysokou tepelnou vodivost, malou hustotu, žádnou porezitu, vysokou čistotu, vysokou lomovou houževnatost, vysokou deformaci do porušení a vysokou rázovou energii. Oproti tomu nekovové materiály jsou charakteristické vazbou kovalentní nebo iontovou, dále nízkou symetrií, pro plastickou deformaci nevhodným skluzovým systémem, nízkou tepelnou vodivostí, nízkou lomovou houževnatostí a nízkou lomovou energií. Pro vysoce přesné dokončovací metody, kdy platí definice, že proces řezání je procesem plastické deformace, je možné uvést, že všechny materiály, bez ohledu na jejich tvrdost a křehkost projdou přechodovým pásmem od křehkého porušení k tvárnému, tj. pásmem, které je menší než nedeformovaná tloušťka třísky. Pod touto prahovou hodnotou je energie nutná pro šíření trhliny větší než energie nutná pro plastickou deformaci. Tím se plastická deformace stává dominantním mechanizmem oddělování materiálu ve tvaru třísek. Pro naplňování cílů a uplatnění vysoce přesných technologií je třeba navrhnout výrobní systém, který by měl zabezpečovat dodržení funkčních požadavků na výrobek, současně ale musí zvažovat různá provozní omezení. Takto zpracovaný návrh výrobního systému má výrazný vliv na produktivitu, která se vrátí v investicích a v podílu úspěchu na trhu. Návrh ideálního výrobního systému závisí na volbě funkčních požadavků, které by měl systém splňovat v daném rozsahu a na omezujících podmínkách. Často ale změny ve výrobních systémech probíhaly podle empirických zkušeností. To proto, že konstrukce výrobku a celého výrobního systému byla hodnocena jako předmět, který je mimo vědecké bádání. Tento přístup u vysoce přesných výrobních procesů nelze doporučit.

11

Účinný výrobní systém musí využívat věci, lidi a informace racionálním způsobem. Výsledky dosažené při využívání navrženého systému musí zabezpečovat vysokou jakost a spolehlivost. Výrobky musí být bez poruch, musí být dodány v požadovaném množství, čase a v dohodnuté ceně. Kroky při návrhu výrobního systému pro vysoce přesné obrábění je možné formulovat takto : a) b) c)

stanovení nejvyšších funkčních požadavků; vypracování návrhu parametrů pro zabezpečení funkčních požadavků; zhodnocení funkčních požadavků z hlediska navrhovaných parametrů, tj. výroby při minimální ceně, nebo s ohledem na požadavky zákazníka.

Výrobní systém musí být navržen hospodárně, aby byly zabezpečeny funkční požadavky na výrobek. Výrobní systém se bude také lišit s ohledem na uspokojení požadavků zákazníka. Funkční požadavky výrobního systému se mění i v čase a musí respektovat i změny, které nastanou v budoucnosti a vzhledem k prostředí.

3.

MATERIÁLY PRO VYSOCE PŘESNÉ OBRÁBĚNÍ

Rozsah materiálů, které jsou využívány pro vysoce přesné metody dokončování, zahrnuje kovy a jejich slitiny, keramiku, skla, polovodiče a další. Všechny tyto materiály mohou být dokončeny s požadovanou rozměrovou, tvarovou přesností a integritou povrchu, jak to vyžadují funkční vlastnosti obrobené plochy. Poněvadž ve vysoce přesné výrobě zaujímá významné místo mikroelektronika, dostávají se do popředí zájmu technologie materiály, které se v tomto odvětví hodně využívají. Jsou to materiály polovodičové a křemík. Na druhé straně i tradiční materiály, jako jsou kovy, polymery a keramika jsou velmi vhodné pro hromadnou výrobu a proto jsou využívány i pro výrobu vysoce přesnou. Tab. 1 ukazuje porovnání různých materiálů z hlediska jejich využívání ve vysoce přesných technologiích. Tab. 1 Materiály pro vysoce přesnou výrobu Využití ve výrobě kovy polymery vysoké střední malé

X

keramika

křemík

X

X

X X

X

Pokud jde o kovy, jejich množství je značné především s ohledem na strukturu, chemické složení, fyzikální a chemické vlastnosti. Kovové materiály, které budou dokončovány vysoce přesnými metodami obrábění, budou spíše oceli vysoce pevné, kalené a některé speciální materiály, materiály o vysoké tvrdosti, nanokompozitní slinuté karbidy a další. Mezi nekovovými materiály to budou materiály křehké, především materiály keramické, optická skla, polovodičové materiály, které jsou dokončovány převážně abrazivními metodami obrábění. Významné místo mezi nekovovými materiály má keramika, která se v současné době využívá jako konstrukční materiál v aplikacích mechanických, elektromagnetických, optických, tepelných i biochemických. 12

Vlastnosti keramických materiálů s ohledem na jejich funkční uplatnění jsou uvedeny na obr. 4. V tab. 2 jsou porovnány vlastnosti kovů a nekovů, které se mohou uplatňovat v oboru přesného obrábění. Množství materiálu pro přesnou výrobu je ale malé.

Obr. 4

Mechanické vlastnosti keramických materiálů [11]

Tab. 2 Porovnání významných vlastností tvárných kovů a křehkých nekovů VLASTNOSTI KOVY NEKOVY Druh mřížky Krystalická struktura Tepelná roztažnost Tepelná vodivost Hustota Způsob deformace MIKROSTRUKTURA Interkrystalická stuktura Porozita Čistota Tepelná odolnost Chemická odolnost PEVNOSTNÍ PODMÍNKY Houževnatost [ MN/m2 ] Deformace do lomu Mechanizmus lomu Lomová energie [ J/cm2 ] Odolnost proti tepelným šokům

kovová neusměrněná vysoká symetrie vysoká vysoká vysoká tvárný

iontová, kovalentní, usměrněná

relativně jednoduchá bez pórů vysoká nízká až mírná nízká

komplexní porézní dosažení obtížné mimořádně vysoká vysoká

210 – ocel 34 – Al slitiny 5% plastická deformace 10 vysoká

5,3 Si3N4

13

nízká symetrie nízká nízká nízká křehký

0,2 % křehký lom 10-2 nízká

Technologické porovnání houževnatých kovů s křehkými nekovy ukazuje na rozdíly a nesnadnosti při jejich dokončování. Kovy mají řadu dobrých vlastností z hlediska oddělování materiálu, jako je kovová vazba, vysoká symetrie, krystalická struktura, vysoká tepelná vodivost, žádná porozita, vysoká čistota, vysoká lomová houževnatost. Naproti tomu nekovy jsou charakterizovány kovalentní nebo iontovou vazbou, nízkou symetrií, nebo nepřiměřeným skluzovým systémem pro plastické deformování, nízkou tepelnou vodivostí, nízkou lomovou houževnatostí a nízkou rázovou energií. Nepřítomnost plasticity v keramice vede také k povaze její soudržnosti. Mechanizmus plastické deformace v kovových materiálech nastává v důsledku pohybu dislokací. V kovech, ve kterých je neusměrněná kovová vazby, může nastat velký pohyb dislokací i při nízkých napětích. V kovalentní vazbě keramiky je usměrněná vazby mezi specifickými atomy, což vede k úzké dislokaci a vysokému odporu v ohybu. V důsledku toho je smykové napětí, při kterém dochází k pohybu dislokací mnohem větší pro keramiku než pro kovy a blíží se lomovému napětí. Proto jsou keramické materiály s kovalentní vazbou charakterizovány jejich křehkostí. To je případ keramiky Si3N4 . Na základě předchozího rozboru jasně vyplývá, že kovy se chovají při dokončovacích operacích rozdílně oproti materiálům křehkým. U kovů dochází k oddělování třísek plastickou deformací, zatímco u keramiky dochází ke vzniku mikrotřísek nebo k mikroštěpěním, k trhlinám na hranicích zrn, vytlačování zrn apod. Přítomnost skelné fáze na hranicích zrn u některé keramiky, jako je tomu např. u Si3N4 s MgO jako slinovací přísadou, by neměla být zanedbána při formulování mechanizmu porušení tohoto materiálu. Optická skla, která také patří do skupiny materiálů využívaných při vysoce přesných technologiích, jsou jako keramika křehké a budou se proto chovat jinak než kovy nebo keramika. To proto, že jejich struktura je v původním stavu amorfní. Při pokojové teplotě by mělo nastat jejich porušení křehkým lomem a nad tranzitní teplotou skla viskózním tečením. 3.1

Kovové materiály

Oceli jsou nejrozšířenějším materiálem využívaným ve strojírenství. Jejich vlastnosti se ale mění se složením a tepelným zpracováním. Při dokončování vysoce pevných součástí sehrává významnou úlohu jejich tvrdost, která je výsledkem transformace austenitu na martenzit, při které dochází k ke změně mřížky. Ocelové součásti mohou být vystaveny zatížení a po tepelném zpracování jsou odolné i proti opotřebení. 3.2

Keramické materiály

V posledních letech roste průmyslové využívání keramických materiálků jako materiálů konstrukčních pro takové součásti, na které jsou kladeny nároční funkční požadavky. Jedná se o vlastnosti jako je vysoká pevnost v tlaku, tvrdost, chemická odolnost, otěruvzdornost a stálost za vysokých teplot. Proto technická keramika nachází své uplatnění ve všech průmyslových odvětvích. Tyto vlastnosti předurčují keramické materiály pro jejich využívání i ve vysoce přesné výrobě.

14

Základním prvkem vysoce kvalitních keramických materiálů je oxid hliníku, křemík a jiné neorganické látky. Sortiment konstrukční keramiky je možné rozdělit do těchto skupin : -

oxidická keramika – krystalizuje jako korund s bodem tavení 1500-1700°C ; zirkonová keramika – kde základem je oxid zirkonu Zr0O3 ; má dobré pevnostní vlastnosti a vyšší vrubovou houževnatost ; titanová keramika - je velmi tvrdá a jejím základem je oxid titanu TiO2 ; stealitová keramika - jejím základem je slinovaný materiál tvořený silikáty ; sialonová keramika - skládá se z tuhého roztoku Si, Al, O, N ; křemíko-karbidová keramika – je tvořena karbidem křemíku a aditivy.

Kompozitní keramické materiály mají vlastnosti, které se získávají vhodným uspořádáním jejich struktury, tj. keramické matrice a plniva. Keramické materiály se uplatňují v řadě průmyslových odvětví. Významnou oblastí je vývoj biokeramiky, která se významně uplatňuje v medicíně. Povaha atomové vazby určuje tvrdost, stejně jako modul pružnosti keramického materiálu. Poměr E/H pro materiály s kovovou vazbou je okolo 250, zatímco pro keramické materiály s kovalentní vazbou je kolem 20. Tento poměr může sehrát důležitou úlohu při analýze mikrodeformačního pole v počátečních stavech porušování při malých zatíženích. Zvláštní pozornost si zaslouží nitrid křemíku Si3N4 , který má vysokou pevnost a je využitelný za vysokých teplot – jako jsou části plynových turbín, nebo při výrobě tělísek hybridních valivých ložisek. Si3N4 má kovalentní vazbu ( obr. 5).

Obr. 5

Závislost změny tvrdosti na modulu pružnosti různých materiálů

15

3.3

Optická skla

Sklo je anorganický materiál přechlazený z tekutého stavu bez krystalizace. Viskozita skla se mění velmi drasticky nad tranzitní teplotou. Při teplotách nad touto teplotou se může sklo chovat viskozněplasticky, tzn. napětí je spíše úměrné rychlosti deformace než deformaci. Tranzitní teplota skla není vysoká. Přesto není překvapující nalézt viskozněplasticky deformované třísky při broušení skla. Způsob přeměny lomu z křehkého na viskozněplastický může nastat při relativně nízkých teplotách. Někteří pracovníci dávají přednost pojmu viskozněplastický tok skla namísto plastické deformace (Fiedler, 1988). Základní strukturou křemičitých skel je čtyřstěn oxidu křemíku, ve kterém je atom křemíku uspořádán rovnoměrně ke čtyřem atomům kyslíku. Kyslíky nacházející se mezi čtyřstěnem jsou označovány jako spojovací. Řada křemičitých skel obsahuje regulátory nebo stabilizátory. Jako regulátoru se využívá oxid sodíku Na2O, který změní strukturu jejím rozštěpením. Regulátory také způsobují snížení chemické odolnosti a zvýšení tepelné roztažnosti. Skupina těchto materiálů zahrnuje sodnovápeno-křemičité sklo, olovnatá skla a další typy žáruvzdorných skel jako tavené křemičitany. V tab. 3 jsou uvedeny fyzikální a chemické vlastnosti některých křemičitých a boritých skel. Tab. 3 Vlastnosti křemičitých a boritých skel [19] KŘEMIČITÁ SKLA Druh skla

Bod změknutí [ °C ]

HV [kg/cm2]

Odolnosrt proti kyselině ztráta váhy [ %]

Odolnost proti vodě ztráta váhy [ %]

SF 6 KF 2 FK 1 BK 7 SK 2 SK 16

470 490 475 616 700 680

1,3 0,07 1,9 0,08 0,70 3,3

0,03 0,07 0,13 0,05 0,58

LaK 12 LaLK 3 LaLF 2 LaK 10 NbF 1 NbSF 3 TaF 2

670 650 675 670 650 650 685

413 627 666 707 707 689 BORITÁ SKLA 743 762 803 803 824 803 847

1,7 1,9 1,3 1,2 1,0 0,76 0,74

0,35 0,70 0,25 0,02 0,01 0,01 0,01

Symboly u jednotlivých druhů skel udávají jejich chemické složení. Deformace skel je přímo úměrná mřížce stabilizátoru, který přivádí nespojovací atomy do jinak kompletní mřížky . Je třeba připomenout, že koncepce plastické deformace v důsledku pohybu dislokací v křemičitých sklech není. Plastická deformace vyžaduje namáhání ve smyku, které zahrnuje porušení meziatomových vazeb a vytváření nových spojení. (Marek, 1964) [20] 16

3.4

Polovodičové materiály

Polovodič je obecně nekovový krystal, který drží pohromadě ionto-kovalentní vazba s nevolnými elektrony vhodnými pro vodivost. Je to látka, ve které pásmo s nejvyšší energií (valenční pásmo) je zcela zaplněno a pásmo následující (indukované pásmo) je zcela bez elektronů. Valenční elektrony jsou velmi těsně spojeny se svými atomy a mohou být vybuzeny tepelně, elektromagneticky, nebo jinými energetickými zdroji. Polovodičové chování je určeno počtem elektronů ve vodivém pásmu a počtem děr v pásmu vakančním.Elektrony nebo vakance nohou být vytvořeny buď přivedenou energií, nebo zavedením vhodných nečistot do mřížky. Polovodičové materiály, jejichž vodivost nezávisí na nečistotách, jsou nazývány „pravými“ polovodiči. Ty, které závisí na přítomnosti atomů nečistoty (např. P v Si nebo Al v Si), jsou nazývány „nepravými“ polovodiči. Nejčastěji používané polovodičové materiály jsou křemík (Si) a germanium (Ge). Pro elektronické aplikace musí být Si i Ge o vysoké čistotě a musí být taveny v neutrální atmosféře, aby se zabránilo oxidaci. Tyto materiály by neměly obsahovat žádné dislokace. Si a Ge mají silné usměrněné kovalentní vazby s diamantovou strukturou. Diamantová struktura je tvořena dvěma FCC mřížkami, umístěnými vůči sobě o ¼ tělesné úhlopříčky. Krystalizují v kubické FCC struktuře. Nevznikají zde ostré hranové dislokace a mohou vzniknout pouze dislokace šroubovité. Při pokojové teplotě jsou dislokace neochotny se pohybovat, ale mohou se pohybovat i když se jedná o materiály křehké, ale tvárné. Tyto se mohou pohybovat při vyšší teplotě nebo ozáření světlem vyvolaným elektrickým polem. Vlastnosti křemíku a germania jsou uvedeny v tab. 4. Tab. 4 Vlastnosti Si a Ge Vlastnosti Mřížková struktura Druh vazby Mřížková konstanta Ao Hustota [ g/cm3 ] Bod tavení [ °C ] Modul pružnosti [ N/mm2 ] Poissonova konstanta ν Tvrdost HV [ kg/mm2 ] Mohsova tvrdost Lomová houževnatost MPa mm1/2 Odpor při 300 K, Ω cm

Si

Ge

kubická kovalentní 5,4307 2,328 1410 188,400 0,28 950 6,5 15

kubická kovalentní 5,6569 5,3230 937,4 155,800 0,278 6,3 -

2,3 . 105

46

Dostatečné množství Si umožňuje jeho ekonomické využívání. Zařízení na bázi Si mohou pracovat při vyšších teplotách bez přerušování. Významným prvkem je i oxid křemíku SiO2 , protože představuje dokonalý izolátor a dá se využít pro izolace a pasivační procesy. Naproti tomu oxid germania je rozpustný ve vodě a není vhodný pro využití v elektronice. Germanium s přísadou arzenu je využíváno jako tranzistor. Křemík s přísadami B, Ge, P nebo As je využíván také v tranzistorech nebo slunečních bateriích. Problémy obrábění těchto polovodičových materiálů jsou podrobněji rozebrány v článku [21]. 17

4.

VOLBA NÁSTROJOVÝCH MATERIÁLŮ Vysoce přesné výrobní procesy využívají následující nástrojové materiály : -

slinuté karbidy, řeznou keramiku, polykrystalický kubický nitrid bóru, polykrystalický diamant, brousící materiály.

4.1

Slinuté karbidy jsou vhodným nástrojovým materiálem s ohledem na jejich řezné vlastnosti. Nejvýznamnější vlastností je vysoká tvrdost, vysoká lomová houževnatost. Pro vysoce přesné operace jsou zajímavé slinuté karbidy jemnozrnné. Nástrojové materiály jsou často vystaveny složitým kinematickým podmínkám, které vyžadují komplexní řešení geometrie nástroje, jak je tomu např. při vrtání nebo frézování. Nevýhodou slinutých karbidů je poměrně malá tepelná stabilita . Řezné vlastnosti slinutých karbidů jsou významně zlepšovány povlakováním. (Weinert, 1999) [30] 4.2

Keramické řezné materiály představuje keramika typu Al2O3 , případně Al2O3 s přísadami (např. TiO2, TiC apod.). Tyto materiály mají vysokou tvrdost, vysokou tepelnou stabilitu, což předurčuje jejich odolnost při tepelném a mechanickém zatížení při řezání.

4.3

Polykrystalický diamant využívaný pro nástroje s definovanou geometrií nebo pro brousicí kotouče. Nástroje tohoto typu se využívají pro dokončování součástí s vysokými požadavky na rozměrovou přesnost a drsnost povrchu. Tento druh nástrojového materiálu je vhodný pro opracování neželezných materiálů a keramiky. 4.4

Kubický nitrid bóru je jako polykrystalický materiál využíván pro nástroje s definovanou geometrií a také pro brousicí kotouče. Nástroje s polykrystalickým nitridem bóru (PKNB) jsou využívány v moderní výrobě nejen pro obrábění kalených a vysoce pevných materiálů, ale i při dokončování vysoce přesných součástí. Nástroje PKNB je možné rozdělit do dvou skupin : a) s vysokým obsahem KNB (až 90 %), obvykle s kovovým pojivem, b) s nízkým obsahem KNB (opd 50 do 75 %), obvykle s keramickým pojivem. Při dokončovacích operacích např. na kalených ocelích byly lepší výsledky v drsnosti povrchu dosaženy nástroji s nižším obsahem KNB. Tyto rozdíly mohou být způsobeny změnou mechanických vlastností nástrojového materiálu, rozdílem v pevnosti pojiva a změnami

18

fyzikálních vlastností. Zatím není také dobře vysvětlen vliv mikrostruktury materiálu obrobku na opotřebení a životnost nástrojů z PKNB. Výsledky opotřebení nástroji KNB při dokončování kalené oceli jsou na obr. 6. Pro stejné nástroje je uveden i průběh drsnosti povrchu (obr. 7).

Obr. 6 Opotřebení nástrojů KBN při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC (Davies, Chon, Evans, 1996)

Obr. 7 Drsnost povrchu při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC nástroji z KNB (Davies, Chon, Evans, 1998) Také obráběný materiál má výrazný vliv na opotřebení nástrojů osazených kubickým nitridem bóru. Na obr. 8 je uveden průběh opotřebení v závislosti na řezné dráze při obrábění ložiskové oceli vyrobené tavením, oceli vakuově lité a oceli vyrobené práškovou metalurgií. 19

Obr. 8 Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze pro ložiskové oceli vyrobené různými technologiemi (Davies, Chon, Evans, 1996) Podobně i velikost zrna KNB, ze kterého je nástroj vyroben, má dosti značný vliv na jeho opotřebení (obr. 9). Z průběhu křivek je vidět, že opotřebení nástroje se výrazně snižuje se zmenšujícím se rozměrem zrna KNB.

Obr. 9 Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze při různé zrnitosti KNB nástroje (Davies, Chon, Evans, 1996)

20

Nástroje s KNB nachází své uplatnění při dokončovacích operacích i na materiálech kalených a vysoce pevných. Vysoký obsah KNB v kovovém pojivu vyvolává značnou adhezi mezi pojivem a obráběným materiálem. To vede k porušení pojiva a vylamování zrn KNB. Nástroje s menším obsahem KNB a keramickým pojivem vykazují menší adhezi. Tím není narušeno spojení mezi zrnem KNB a pojivem a dochází k menšímu opotřebení nástroje. Snížení opotřebení je také v přímé návaznosti na rozměr zrna KNB. 4.5

Brousicí materiály používané pro vysoce přesné dokončování součástí, jsou běžná brusiva Al2O3 , SiC nebo B4C , ale také vysoce výkonná brusiva na bázi diamantu a kubického nitridu bóru. Na trhu se ale objevují nová brusiva vyráběná novou technologií. Tento proces je nazýván solgelový proces (SG proces) a umožňuje získat brousicí materiál o rozměru zrn v nanometrech. Hydrosol je koloidní roztok částic materiálu,např. Al2O3 v rozpouštědle, který se získává hydrolýzou anorganických látek (síran hliníku). Pro přípravu brousicích prášků se hydrogely suší při určité teplotě, při které kalcinují. Potom se drtí na jemná zrna. Vedle nových brousicích materiálů byly vyvinuty i nové materiály jako pojivo. Diamantové kotouče využívají jako pojivo litinu, což umožňuje plynulé orovnávání kotouče elektrolyticky během broušení. Takové kotouče byly použity pro dokončování součástí s vysokou jakostí a zrcadlovým leskem (Nakagawa, 1986) [31]. Pro vysoce přesné obrábění je možné využít i jiné nástrojové materiály, u kterých se uplatní jejich specifické vlastnosti, jako je vysoká odolnost proti mechanickým silám za vyšších teplot řezání a při vysoké deformaci. Mechanické a tepelné vlastnosti nástrojových materiálů jsou uvedeny v tab. 5.

TEPEL NÉ

MECHA -NICKÉ

Tab. 5 Vlastnosti nástrojových materiálů pro vysoce přesné obrábění Vlastnosti Hustota [ g/cm3 ] Tvrdost HV 30 Modul pružnosti [ GPa ] Lomová houževnatost [ MPa ] Teplotní stabilita [ °C ] Tepelná vodivost [ W . (K.m)-1 ] Součinitel tepelné roztažnosti [ 10-6 . K-1 ]

SK, K10 Keramika PKNB PKD 14 - 15 3,8 – 5,0 3,4 – 4,3 3,5 – 4,2 1500-1700 1800-2500 3000-4500 4000-5000 590 - 630 300 - 400 580 - 680 680 – 810 10,8 2-3 3,7 – 6,3 6,8 – 8,6 800-1200 1300-1800 1500 600 100 30 - 40 40 – 100 560 5,4 7,5 – 8,0 3 – 4,5 4,2 – 4,9

Významným problémem při vysoce přesném obrábění je znalost mechanizmu opotřebení nástroje. Při těchto operacích dochází k poměrně vysokému mechanickému a tepelnému zatížení břitu nástroje. Hlavním kritériem trvanlivosti řezných materiálů budou mikrotrhliny, které se mohou tvořit na řezné části nástroje. Vysoce přesné obrábění ocelí diamantovými nástroji s definovanou geometrií má svůj problém v přílišném opotřebení břitu. U diamantových nástrojů je nutné rozlišovat mezi mechanicko-abrazivním otěrem a opotřebením chemickým. Ta druhá skupina zahrnuje difuzi, oxidaci a tvoření karbidů.

21

Některé procesy, které mohou proběhnout při řezání, přímo ovlivňují vazby diamantové mřížky. Obrábění ocelí diamantovými nástroji je nemožné proto, že dochází ke katastrofickému opotřebení v důsledku uvedených účinků. Bylo navrženo několik způsobů, jak snížit opotřebení diamantových nástrojů při obrábění oceli, především při obrábění vysoce přesném. Jedná se např. o podchlazování při řezání, chlazení tekutým dusíkem, obrábění v neutrální atmosféře, nebo podpora obrábění ultrazvukem. V tab. 6 je uvedeno, jak lze řešit tento problém, tj. buď modifikací procesu řezání, nebo modifikací nástroje – a to jeho úpravou. Tab. 6 Možnosti řešení opotřebení diamantových nástrojů při obrábění oceli [ 32 ] Úprava ÚPRAVA PROCESU ŘEZÁNÍ

ÚPRAVA NÁSTROJE

Teoretické řešení

Praktické řešení

snížení reakční rychlosti zabránění chemickým reakcím sníženy doby styku nástroje s třískou vytvoření difuzní bariéry modifikace mřížky diamantu používání inertního obráběcího materiálu

obrábění při nízkých teplotách obrábění v inertní atmosféře ultrazvukové vibrace povlakování iontová implantace keramické nástroje

Výsledky experimentů uvedené v článku [32], které byly provedeny diamantovým nástrojem na oceli, prokázaly, že opotřebení je čtyřikrát větší než při obrábění neželezných kovů. Zkoušky obrábění oceli diamantovým nástrojem, které byly provedeny při chlazení kapalným dusíkem při teplotě -164°C prokázaly, že trvanlivost se zvýšila asi 10krát. Při obrábění stejným nástrojem v atmosféře neutrální (argon, dusík) se nezlepšil průběh opotřebení. Při zkouškách s podporou ultrazvuku nebyla zaznamenána adheze mezi nástrojem a obrobkem při rychlostech v rozmezí 10 až 100 m/min. Povlakování diamantového nástroje povlakem TiN vedlo ke snížení chemického opotřebení při vysoce přesném obrábění. Po odstranění povlaku byl nástroj vystaven opotřebení chemickému. Doporučení pro práci diamantovými nástroji : -

opracovávat při nízkých teplotách – snižuje se opotřebení; opracování v inertní atmosféře nemá podstatný vliv na rychlost opotřebení; ultrazvukové vibrace vedou ke snížení opotřebení asi o 2 řády; povlaky TiN a TiC na diamantovém nástroji vylučují chemické opotřebení, ale trpí opotřebením abrazivním.

Také u nástrojů z polykrystalického kubického nitridu bóru je nutné znát mechanizmus jeho opotřebení. Toto je ovlivněno především obsahem PKNB, velikostí zrna a jeho rozložením, stejně jako druhem pojiva, které bývá keramické nebo kovové. 22

5.

PROCES VYSOCE PŘESNÉHO ODDĚLOVÁNÍ MATERIÁLU Do roku 1960 bylo vysoce přesné dokončování prováděno broušením s max. přesností

10 µm. V 70tých letech byla přesnost už 1 µm a v roce 2000 0,1 µm. Základní problém vysoce přesných metod obrábění je v množství poruch v povrchové vrstvě, které se projevují trhlinami. Nástrojem vhodným pro opracování vysoce přesných součástí se ukazuje být polykrystalický diamant, který se využívá ve formě brusiva, nebo jako destička nástrojů s definovanou geometrií. Broušení diamantovými kotouči se využívá při dokončování křehkých materiálů, jako jsou optická skla nebo keramika. Polykrystalický diamant je vhodným nástrojovým materiálem pro obrábění neželezných materiálů. Rozdíl mezi oběma metodami, tj. broušením a obráběním nástrojem s definovanou geometrií břitu je jen zdánlivý. Projevuje se v malém rozměru třísky. Hlavním důsledkem malého rozměru třísky je to, že normálně tvárný kov při obrábění nástrojem s definovanou geometrií se chová trochu jako křehký (jako sklo) v okamžiku, kdy deformovaný objem je omezen na malý rozměr [22]. Dalším důsledkem malého rozměru třísky je to, že proces tvoření třísky je přesunut z koncentrovaného smyku do oblasti mikro- vytlačování. Když nedeformovaná tloušťka třísky je menší než poloměr ostří na noži nebo brousicím zrnu je skutečný úhel čela velice negativní, takže namísto smykové deformace dochází k mikrovytlačování materiálu. Přitom relativně velký objem materiálu je přiveden do stavu plně plastického, aby při relativně malém množství materiálu odešel ve tvaru třísky. To je důvod, proč exponenciálně roste měrná energie se zmenšováním tloušťky nedeformované třísky ( obr. 10 ). V případě broušení musí být relativně velký objem materiálu přiveden do plně plastického stavu, aby relativně malé množství materiálu odešlo ve tvaru třísky. To je jeden z důvodů pro exponenciální růst měrné energie s poklesem nedeformované tloušťky třísky. Autoři článku Lucca a Shaw [23] zjišťovali při svých experimentech jak se mění hloubka deformace podpovrchové vrstvy v závislosti na nedeformované hloubce třísky. Zjistili, že hloubka plasticky nedeformované vrstvy je nezávislá na nedeformované hloubce třísky.

23

Obr. 10

Model smykové deformace při řezání

a) běžné obrábění; b) broušení; c) přesné obrábění; d) stlačování a smyk; e) mikrovytlačování materiálu při jemném broušení

Proces tvárného oddělování třísky Bylo pozorováno, že tendence k rozvoji podpovrchových trhlin se zmenšují se zmenšováním nedeformované tloušťky třísky a že tyto zmizí při její kritické hodnotě. To bylo přičítáno tomu, že materiál je méně křehký pod touto kritickou hodnotou tloušťky třísky a byl uvažován tvárný způsob řezání nebo broušení. Ve skutečnosti se materiál chová spíše jako křehký, když se snižuje zatížení vzorku. Odpověď je možné hledat v analogii, která vychází z povahy mechanizmu tvoření třísky, který vzniká, když velice křehké materiály jsou obráběny za podmínek normálového tření a tlakového napětí na břitu nástroje [24] . Za těchto podmínek se vytváří pilovitá třísky a její

24

vznik je důsledkem lokalizace plastické deformace. Jedná se o cyklický způsob tvoření třísky, při kterém trhlina vzniká periodicky na její vnější straně, když hydrostatické napětí se blíží k nule. Trhlina se potom šíří dolů podél smykové roviny k břitu nástroje. Je-li hydrostatické napětí na břitu dostatečně vysoké a tloušťka nedeformované třísky není velká, tyto trhliny se zastaví než dosáhnou břitu nástroje. To znamená, že pronikají do nového povrchu a způsobují vznik podpovrchových mikrotrhlin. Materiál pohybující se podél čela nástroje je vystaven intenzívní plastické deformaci. Nakayama et al. (1974) [25] ukázali, že křehké materiály také vytvářejí pilovitou třísku, a to při zkouškách broušení jedním zrnem při jemném broušení. Autoři Mayer a Fang (1994) [26] studovali vliv nedeformované hloubky třísky na tahovou pevnost vzorků dokončených broušením a stanovili její kritickou hodnotu, při které dochází k poklesu pevnosti (160 µm ). Při vyšších hodnotách této kritické veličiny nebyla zaznamenána změna v ohybové pevnosti. Při jemném broušení bylo ukázáno, že mnohem více materiálu je plasticky deformováno, ve srovnání s materiálem, který přechází v třísku. Poměr těchto dvou objemů se dá určit pomocí obr.11.

Obr. 11 Jemné broušení při působení brousicího zrna (podle Lucca a Seo, 1994 [23] ) Deformovaný objem materiálu za jednotku času je přibližně úměrný šrafované ploše, zatímco objem oddělený za jednotku času je úměrný černé ploše na obrobku o tloušťce δ : deformovan ý objem / čas = 7,63 odebraný objem / čas

g – průměr zrna δ - hloubka odděleného materiálu

25

g δ

Hodnota d1 = 2 g δ

Při jemném broušení je poměr g/δ řádově ve stovkách a tím poměr deformovaného objemu k objemu oddělenému bude mít hodnotu 75 . Tvoření mediální trhliny při broušení velmi křehkého materiálu jakým je sklo, je možné vysvětlit pomocí obr.12.

Obr. 12

Brousicí zrno o průměru g s označením pružné plastické oblasti Dutina na dně pružně plastické oblasti a tahová napětí na vrcholu ( a) ) na dně dutiny způsobují rozvoj mediální trhliny ( b) ).

Je obvyklé charakterizovat koncentraci napětí jako příčinu iniciace křehké trhliny kruhového tvaru. Napětí na vrcholu a dně kruhové dutiny při jednoosém tlakovém poli bude mít hodnotu tlakového napětí s opačným znaménkem, jak je ukázáno na obr. 12 b). I když sklo je dokonale křehký materiál (lomové napětí < napětí skluzové), mediální trhlina může iniciovat na dně kruhové dutiny umístěné v pásmu příčně-plastickém, když plastické pásmo je dostatečně velké, aby přiblížilo kruhovou dutinu víceméně náhodné amorfní struktuře skla. Soustružení diamantovým nástrojem je zavedená technologie opracování součástí z neželezných materiálů (měď, hliník), kde se požaduje konečná drsnost okolo 1 nm a tvarová přesnost 25 nm. Tato technologie se začíná využívat i při opracování křehkých materiálů. Úspěšné byly zkoušky obrábění nástrojem s diamantem při obrábění germania a křemíku. Při negativním úhlu čela byla dosažena drsnost 0,04 µm u germania a 0,03 µm u křemíku [29]. Autor [29] uvedl, že plastická deformace může být nutná, má-li se dosáhnout zrcadlového lesku na křehkém materiálu. Neznamená to ale, že by se tříska měla oddělit tvárným způsobem. Plastická deformace potřebuje ale proběhnout pouze v oblasti blízko dokončované plochy. Protože se pracuje s negativními úhly čela, je materiál vystaven vysokému hydrostatickému tlaku a tím i plastické deformaci. Pokud napětí nejsou dost vysoká aby vyvolala vznik mediální trhliny, může být vytvořena plocha hladká, s jasnou evidencí plastické deformace přímo pod nástrojem. Přítomnost hladké plochy ale není důkazem, že tříska se tvoří tvárným mechanizmem u křehkých materiálů podobně jako u kovů. Prof. Shaw [22] upozornil, že je nesprávné nazývat tento proces, kdy se odděluje velmi malá tloušťka třísky , kdy v podpovrchové vrstvě nejsou žádné trhliny a kdy plocha je dokončena se zrcadlovým leskem, jako „proces tvárný“. Pojem „tvárný proces“ pro obrábění křehkého materiálu je možné využívat, znamená-li to, že oddělení materiálu proběhlo bez iniciace trhlin v povrchové vrstvě.

26

V případě obrábění křemíku nebo optických skel se používají nástroje s velkým negativním úhlem čela a poloměr ostří je obvykle zlomkem hloubky řezu. Pouze za těchto podmínek je možné obrábět křemík a různé typy skel bez vyvolání trhlin. Jestliže by pojem „tvárný proces“ znamenal, že u křehkých materiálů dochází k jeho oddělení plastickou deformací jako u běžných metod obrábění, potom je nutné zachovat velkou obezřetnost. Podle jiných poznatků [29,30,31] se vysvětluje mechanizmus oddělení částic křemíku vytlačením silně deformovaného materiálu před radiusem ostří, nebo negativním úhlem čela. To může být důvod, proč u křemíku za vysokých hydrostatických tlaků proběhne fázová transformace a krystalická mřížka vykazuje plastické chování. Podobné chování vykazuje i germanium. Při dokončování křehkých materiálů jsou jejich vlastnosti velmi významné, protože ovlivňují jakost vytvořeného povrchu. Joshikawa (1967) zpracoval studii o chování křehko-plastického materiálu při dokončování. Uvažoval napěťová pole z hlediska jejich opracování a rozdělil je do čtyř oblastí (obr. 13). Každou oblast charakterizoval poruchami struktury, které buď již existují v daném materiálu, nebo jsou do něho vneseny výrobní metodou.

Obr. 13 Činitelé ovlivňující deformaci a lom materiálu (Joshikawa, 1967 [31] ) Oblast I

- materiál je oddělován řádově v několika atomech nebo molekulách. Oddělení materiálu nemůže být způsobeno čistě mechanicky. Významně zde působí chemické metody.

Oblast II

-v materiálu neexistují dislokace nebo trhliny a krystal se chová jako ideální. Teoreticky, při daném zatížení dochází u krystalu ke vzniku dislokací před křehkým lomem. Po vyvolání dislokací se krystal chová jako v oblasti III.

Oblast III

- v materiálu jsou jen dislokace a plastická deformace vyvolává Nejdříve jejich určité množství, které umožní, aby trhlina nukleovala k deformačnímu pásmu.

Oblast IV

- v materiálu jsou poruchy vzniklé v důsledku trhlin a tvoří Dominantní faktory pro oddělování materiálu.

Toto schéma platí pro ideální jednofázový materiál s neexistujícími poruchami struktury.

27

Simulace řezání, broušení, hlazení při velmi malých hloubkách odebírané vrstvy má své zvláštnosti v tom, že se jedná o stlačování současně s kluzným pohybem. Podrobnější zkoumání deformačního pásma v oblasti styku nástroje a obrobku odhalilo některé důležité poznatky. Deformační proces není rovnoměrně rozložen v plastické oblasti, ale projevuje se jako akumulace diskrétních smykových stavů. Tyto stavy jsou podobné procesům dislokačních rovin, které vznikají na preferenčních smykových rovinách. Tyto roviny nemusí být nutně krystalografické, ale jsou určeny trajektorií napěťové sítě. Smykové stavy jsou důležité tím, že působí jako zárodek nukleace trhliny. Z teorie plasticity je známo, že velikost hydrostatického napětí určuje rozsah plastické deformace předcházející lomu. Při vysoce přesném obrábění jednobřitým diamantovým nástrojem při soustružení, broušení, nebo leštění, je důležité určit podmínky, které zahrnují plný rozvoj plasticity před nástrojem nebo brousicím zrnem, než vznikne konečný lom. Při obrábění křemíku jednobřitým nástrojem jsou používány nástroje s negativním úhlem čela větším než 30°. Je to velký negativní úhel, který vyvolá takový hydrostatický tlak, který umožňuje plastickou deformaci materiálu pod břitem nástroje. Taková plastická deformace nenastává při běžném obrábění s hladkým úhlem čela. Deformace před nástrojem je soustředěna do smykové roviny.

Obr. 14 Tvoření třísky a) smyková deformace; b) negativní úhel čela a velký poloměr ostří U vysoce přesného obrábění při hloubkách řezu menších než poloměr ostří má nástroj negativní úhel čela a nástroj působí jako vnikací těleso. V těchto případech se zvětšuje při

28

pravoúhlém řezání radiální složka řezné síly. Při uvažování silového působení při interakci materiálu obrobku a nástroje je vidět přechod od běžného obrábění s kladným úhlem čela k broušení a ultra přesnému obrábění a konečně ke smykovému pohybu vtlačovaného tělesa. Ukazuje se, že model stlačování materiálu a smyku nástroje po obrobku je vhodný při úvahách o obrábění materiálů nástroji s velkým poloměrem ostří vzhledem k hloubce řezu, nebo při obrábění křehkých materiálů nástroje s negativním úhlem čela.

6.

FYZIKÁLNÍ PODSTATA ŘEZÁNÍ PŘI VYSOCE PŘESNÉM OBRÁBĚNÍ

Fyzikální podstata řezání při velmi malých rozměrech třísky není zatím úplně rozpracována. Podrobné rozpracování může přispět nejen k lepšímu poznání tohoto procesu, ale také ke zlepšení účinnosti technologie vysoce přesného obrábění. Z hlediska technologie obrábění je třeba tyto procesy hodnotit jako procesy interakce obrobku a nástroje. Technologické metody ve strojírenství využívají pro interakci různých energií ukazuje tab. č. 7. Tab. 7 Přehled technologií využívaných při výrobě vysoce přesných součástí Energie obrábění

Interakce tváření tavení

Metody spojování

X Mechanická energie

X X X

Tepelná energie X X Rozpouštění Tuhnutí, lití Chemické povlaky Polymerizace Slinování

X X

X X X

X

X

X

Obrábění, broušení Tváření, tažení, kování Svařování, vysoké tlaky Elektroerozivní, elektrochemické metody CVD, PVD Svařování, laser, lepení Leptání, chemické procesy Lití Povlakování Stereolitografie, polymerní povlaky, lepení Kombinace mechanických a tepelných principů

Interakce u vysoce přesných procesů obrábění vyžaduje zvýšenou pozornost. Také sled operací musí být pečlivě zvažován, aby se daly předvídat možné problémy, zvláště když se budou kombinovat různé výrobní procesy. Jsou-li zmenšovány rozměry součástí, nemusí být běžné vybavení provozů vhodné a je třeba vyvinout speciální nářadí. Při hodnocení vysoce přesných procesů obrábění je vhodné je posuzovat z hlediska energetického, tj. z hlediska spotřeby energie pro jednotlivé fáze tvoření třísky a porovnávat je s podmínkami běžného obrábění. Při běžném obrábění je největší část energie spotřebována na oddělení třísky smykovým mechanizmem v oblasti primární plastické deformace a v oblasti třeba na čele a na

29

hřbetě. Při obrábění s velkým negativním úhlem čela, nebo za podmínek kdy poloměr ostří rn má rozměry blízké hloubce řezu, je proces oddělování materiálu ovlivňován třením hřbetu po obrobku. Vysoce přesné obrábění proto v sobě obsahuje také proces klouzání a tření hřbetem nástroje po obrobku. Nakayama a Tamura (1968) [32] zveřejnili výsledky své práce, kde uvedli, jak roste měrná energie se zmenšující se hloubkou řezu a označili tento jev jako „rozměrový účinek“. Pro svou práci použili nástroj s poloměrem ostří 4 až 17 µm, při řezné rychlosti 0,1 m.min-1 a hloubce řezu 2 až 40 µm. Spotřeba energie na tuto deformaci se neukázala být úměrná hloubce řezu, ale je možné ji chápat jako jeden z vlivů „rozměrového účinku“. Dále uvedli, že efektivní úhel čela, který se dá určit podle poloměru ostří, také přispívá k pochopení tohoto procesu. Jiní autoři [34] sledovali nárůst měrně energie („rozměrového účinku“) měřením řezných sil při velmi malých hloubkách řezu ( obr. 15). Je-li snižována hloubka řezu, elasticko-plastické tření na hřbetě nástroje roste a roste i celková energie. Tato mechanická energie je velmi významná pro provoz nástroje, pro hodnocení integrity a pro hodnocení možného poškození povrchové vrstvy.

Obr. 15 Změna složek řezné síly [ 34 ]

30

První práce z oboru vysoce přesného obrábění byly prováděny na materiálech, které mají dobrou obrobitelnost, jako je měď nebo hliník. Byly sledovány mechanizmy tvorby a oddělování třísky. Ve srovnání s běžným obráběním byly rozměry třísek v hodnotách nanometrů. Tomu odpovídal i rozměr břitu nástroje [12]. Tyto zkoušky potvrdily, že je nutné využívat atomistický přístup nebo molekulární dynamiku k pochopení a řízení procesu tvoření třísky. [ 13, 14, 34, 35, 36 ]. Přesto je možné konstatovat, že v současné době není dostatek informací pro popis a hodnocení těchto extrémních podmínek obrábění, kdy zvláště provádění experimentů je velmi obtížné. Aby bylo možné kvantifikovat ztráty energie při vysoce přesném obrábění, je nutné zjistit celkovou energii řezání. To se dá zjistit pomocí smykové deformace a tření na čele nástroje, tření mezi nástrojem a obrobkem a na základě zotavení elastické deformace materiálu po průchodu nástroje. To všechno za předpokladu, že poloměr ostří je stejného řádu jako hloubka řezu. Ukazuje se, že snížená hloubka řezu se stává důležitou energií pro vytváření nového povrchu. Během řezání jako rovinné deformace je celková energie spotřebovaná za jednotku času vyjádřena vztahem U = Fc . v c

[ Nm . min-1 ]

Celková energie na jednotku objemu (měrná energie) se potom určí jako

u=

Fe U = vc . hD . bD hD . bD

[ Nm . m-3 ]

Celková energie na jednotku objemu je spotřebována různými způsoby. Jsou to : a) b) c) d)

smyková energie na jednotku objemu us v rovině max. smykových napětí; třecí energie na jednotku objemu uf na čele nástroje; povrchová energie na jednotku objemu ua na vytváření nového povrchu při řezání; hybnostní energie na jednotku objemu v důsledku změn hybnosti, vyvolaných průchodem kovu rovinou smykových napětí.

Smyková energie na jednotku objemu se dá určit následovně : us =

⎞ ⎛ FST . v s vs ⎟⎟ , = τ ⎜⎜ vc . hD . hD v . sin φ ⎠ ⎝ c

kde vs - rychlost pohybu materiálu v rovině max. smykových napětí ; cos γ 0 . v c vs = cos (φ − γ 0 ) φ - úhel deformace γ0 - ortogonální úhel čela vc - řezná rychlost

31

Potom je možné psát u s = τs . γ ,

kde τs – dynamické smykové napětí vyjádřené vztahem τs =

(Fc cos φ − Fp sin φ ) sin φ ap . b D

γ - je smyková deformace vyjádřená vztahem

γ=

cos γ 0 sin φ cos (φ − γ 0 )

Hodnota γ se dá určit i pomocí normálové deformace ε γ=ε 3

;

τs =

τ 3

Obr. 16 Změna hloubky plastické deformace v závislosti na hloubce řezu [1]

Třecí energie na jednotku objemu je podobně

uf =

FSN . v t vc . hD . bD

v t = Λ . v c , nebo

32

vt =

v c sin φ cos (φ − γ 2 )

uf =

FSN . Λ . µ f . l r hD

uf =

FSN . Λ hD . bD

kde Λ - součinitel pěchování třísky vt – rychlost odcházející třísky µf – součinitel tření na čele nástroje lr - délka styku nástroje a obrobku Když vzniká nový povrch, musí být dodána dostatečná energie pro oddělení materiálu na daném rozhraní. Tato energie je spojena s vytvářením nového povrchu a je obvykle vztažena na povrchovou energii daného materiálu (T). Tato povrchová energie pevné látky je analogická povrchovému napětí kapaliny. Povrchová energie na jednotku objemu při řezání bude mít tvar

uA =

(T)( 2 v c . b 0 ) 2T = vc . h D . b0 hD

Dvojka v této rovnici znamená, že se při řezání vlastně vytváří dvě plochy současně. Hodnota (T) má pro většinu kovů rozměr 10-2 N . cm-1. [ 56 ] Výsledná síla vyvolaná změnou hybnosti materiálu, když prochází smykovou rovinou, má obvykle směr smykové roviny. Výsledná síla FM se dá určit uplatněním lineárního hybnostního zákona v rovině smykového napětí.

FM =

kde

γ´ (vc . h D . b D )[vs . sin(φ − γ 0 ) + vc cos φ] , g

γ´ je hustota materiálu. g

Po úpravě je možné výraz pro sílu FM napsat jako

FM =

γ´ 2 . v c . b D . h D . γ . sin φ g

Hybnostní energie na jednotku objemu se určí ze vztahu

uM =

FM . v s γ´ = v c . γ . sin φ . v s vc . hD . bD g

Po dosazení za vs = γ . sinφ . vc

uM =

γ´ 2 2 v c . γ . sin 2 φ g

33

uM

Při řezání je možné povrchovou energii na jednotku objemu uA a energii hybnostní zanedbat, protože jejich velikosti jsou vzhledem k ostatním složkám malé.

Proto je možné psát, že celková energie na jednotku objemu se určí u = us + uf

Všechny energie spojené s operací řezání jsou spotřebovány buď na plastickou deformaci, nebo na tření. V konečné fázi se přemění v energii tepelnou. Celková měrná energie u = vs + uf

6.1

Stanovení minimální hloubky řezu

Sokolowski [37] předpokládal, že existuje minimální hloubka řezu, pod kterou se tříska netvoří. Když nastane tento stav, dochází ke tření nástroje po obrobku. Tato minimální hloubka řezu závisí na poloměru ostří, řezné rychlosti a tuhosti celého systému. Měření provedená Sokolowskim ukázala, že pro poloměr ostří 12 µm a řeznou rychlost 210 m.min-1 je nejmenší hloubka řezu okolo 4 µm. Obráběcí systém se může odchýlit od požadované geometrie dvěma způsoby. Statickou úchylkou vedoucí k nepřesnosti obráběných součástí, nebo dynamickou nestabilitou, vedoucí k periodické chybě, jako je vlnitost a drsnost. Dynamická nestabilita, při které dochází k cyklickému relativnímu pohybu mezi nástrojem a obrobkem, má dvě formy : chvění v důsledku řezných sil a samobuzené chvění. Zdroje samobuzeného chvění jsou nepochybně různé a týkají se vibrací o nízkých frekvencích. Jiný názor říká, že samobuzené kmitání je spojeno se změnou energie řezání v důsledku měnící se hloubky odřezané vrstvy. Obr. 17 ukazuje pravoúhlé řezání při konstantní hloubce odřezávané vrstvy (obr. 17a) a při pravoúhlém řezání s cyklicky se měnící hloubkou odřezávané vrstvy (obr. 17b). Situace uvedená na obr. 17b ukazuje na vznik samobuzeného chvění ve směru síly Fp protože více energie je uloženo během části cyklu kdy Fp roste a potom se odlehčuje, když síla Fp klesá. Amplituda výsledného chování bude záviset na tuhosti systému a stupni tlumení.

Na obr. 18 je znázorněno řezání při konstantní hloubce řezu a při zvětšující se hloubce řezu. Volná plocha řezání, která je v prvém případě rovnoběžná s vektorem řezné rychlosti, je při zvětšující se hloubce řezu skloněna pod úhlem δ.

34

Obr. 17 Řezání s konstantní hloubkou řezu (a) a měnící se hloubkou řezu (b)

[ 56 ]

Obr. 18 Řezání při konstantní hloubce řezu (plná čára) a při zvětšující se hloubce řezu (čárkovaná čára) [ 56 ]

35

Skutečný proces řezání má tyto zvláštnosti : a) úhel čela nebývá obvykle nulový, b) tření na čele nebývá nulové, c) na čele nástroje dochází k přídavné plastické deformaci. Na špičce nástroje v bodě A bude úhel deformace φ větší než odpovídá rovině maximálních smykových deformací. Naopak na volné ploše řezání v bodě B bude úhel deformace φ menší než odpovídá rovině maximálních smykových napětí. Proto skutečný směr smykové deformace bude mezi hodnotami na začátku a na konci. Podmínky doporučené pro jemné obrábění závisí na následujících údajích : a) tuhosti a stabilitě systému stroj-nástroj-obrobek, b) omezení řezné rychlosti, posuvu a hloubky řezu, c) stavu nástroje. Dokončovací obrábění není důležité jen proto, že při zvýšené rychlosti se netvoří nárůstek, ale také proto, že materiál přiléhající k čelu nástroje je tepelně odpevněn, takže vykazuje nízké tření a úhel roviny max. napětí je velký. Dokončovací obrábění využívá obvykle malých posuvu (0,05 mm/ot), malou hloubku třísky (0,7 mm) a vysokou řeznou rychlost. V této souvislosti byl zpracován koncept ekvivalentní třísky – především pro stanovení vlivu geometrie nástroje na teplotu řezání. Ekvivalent třísky je určen vztahem

CE =

L , ap . f

kde L je aktivní délka řezného břitu. Tato se určí ze vztahu

L=

ap − rε (1 − sin κ´r ) cos κ´r

+

(90 − κ´r ) . π r 180

ε

+

f 2

kde ap – hloubka řezu rε - poloměr špičky κ´r – vedlejší úhel nastavení f - posuv Woxen (1931) ukázal, že když je daný materiál řezán při určité řezné rychlosti, bude se teplota řezání měnit opačně s ekvivalentem třísky. To znamená, že teplota řezání poroste s poklesem ekvivalentu třísky. Jestliže se jedná o nesnadné řezání při dostatečné rychlosti, je vhodné použít malý ekvivalent třísky. To se dá uskutečnit při úhlu κ´r = 0 a malém poloměru špičky rε . To i přestože teoretické zlepšení povrchu se mění s růstem poloměru špičky.

36

Sklon ke chvění roste s růstem délky L. Proto systém, který má omezenou stabilitu při přesném řezání, bude dávat daleko lepší výsledky, když délka L je zmenšena použitím nulové hodnoty úhlu κ´r a menšího poloměru špičky rε . Frézování je charakteristické tím, že se mění tloušťka třísky, ať už se jedná o frézování sousledné nebo nesousledné (obr. 19).

Obr. 19 Frézování nesousledné a sousledné Výhoda sousledného frézování je v tom, že délka styku l je menší při stejném posuvu na zub fz a hloubce řezu ap . Stejně významné je i to, že nedochází ke tření na začátku řezu. Musí však být splněna podmínka dokonalé tuhosti stroje a vymezení vůlí v posuvovém mechanizmu. Ostří nástroje má výrazný význam při vysoce přesném obrábění. Řada pracovníků se snažila najít vztah mezi geometrií břitu a výslednou drsností obrobeného povrchu. Břit nástroje má vliv i na proces zpevňování povrchové vrstvy. Geometrické podmínky na břitu nástroje jsou znázorněny na obr. 20. Nově naostřené diamantové nástroje mohou mít poloměr ostří až 20 nm.

37

hloubka řezu

ap= 5 µ m

střední tloušťka třísky hD = 0,3 µm poloměr špičky nože

rε = 0,5 mm

Obr. 20 Tvar třísky při řezání nástrojem s definovanou geometrií

Teorie zpracované Abdelmoneim [ 34, 40 ] předpokládá existenci pásma pod břitem nástroje, které je stacionární (obr. 21).

Obr. 21 Model minimální třísky podle Abdelmoneima [ 40 ] Významným bodem stacionárního pásma je bod A, který určuje hloubku, pod kterou nedochází k odřezávání materiálu. Tento bod je definován úhlem θ . Výsledky experimentů ukazují, že při obrábění nástrojem o negativním úhlu čela je jeho velikost kolem 14° [ 40 ]. Materiál je pod tímto bodem A vystaven tření a tím vzniká pásmo změn v materiálu, vyjádřené hloubkou elastické a plastické deformace.

38

Tříska potom odchází po čele nástroje, které odpovídá neodříznuté hloubce materiálu. Úhel určující směr odchodu třísky γeff se dá určit z hloubky řezu a poloměru ostří. ap ⎞ ⎛ γ eff = arcsin⎜⎜ 1 − ⎟⎟ . rn ⎠ ⎝

Úhel, který svírá bod A se středem poloměru ostří θ se vypočítá : θ = 900 − γ ef .

Podle výsledků uvedených v publikaci [ 41 ] je úhel θ = 250 při obrábění kalených ocelí. Když hloubka odřezávané vrstvy je větší než poloměr ostří, potom je minimální hloubka ta, která odpovídá bodu A . Úhel θ určuje délku oblouku mezi obrobkem a nástrojem. Malé hodnoty úhlu θ znamenají malou délku oblouku a tím i nesnadné oddělení materiálu. Pro analýzu podmínek vysoce přesného obrábění, kdy posuvy a hloubka řezu jsou malé, je možné vypočítat úhly θ a γeff pro různé poloměry ostří. Výpočet úhlů lze provést podle následujících vztahů :

⎛ rn − ap ⎞ ⎟⎟ θ = arcsin 1 − ⎜⎜ ⎝ rn ⎠

2

ap ⎞ ⎛ γ eff = arcsin ⎜⎜ 1 − ⎟⎟ rn ⎠ ⎝

θ = 90 − γ eff

Pro různé poloměry ostří a hloubky řezu byly nejdříve sestaveny tabulky hodnot úhlů θ a γeff (tab.8 ). Takto získané hodnoty byly zpracovány i graficky (obr. 22, 23).

39

Tab. 8 Hodnoty úhlů γeff a θ vypočtené pro různé poloměry ostří rn a různé hloubky řezu ap rn [ mm ]

ap

γeff

θ

ap/rn

0,01

0,002 0,004 0,006 0,008 0,010

53,13 36,86 23,57 11,53 0

36,87 53,14 66,43 78,47 90

0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,002 0,005 0,01 0,012 0,015 0,020 0,004 0,008 0,012 0,020 0,025 0,030 0,005 0,01 0,015 0,020 0,025 0,030 0,040 0,005 0,01 0,02 0,025 0,030 0,040 0,050 0,005 0,008 0,01 0,02 0,025 0,030 0,040 0,050 0,060

64,15 48,59 30 23,57 14,47 0 59,31 46,88 36,86 19,26 9,20 0 61,04 48,59 38,68 30 22,02 14,47 0 64,15 53,13 36,86 30 23,57 11,53 0 81,89 59,31 56,09 41,29 35,45 30 19,26 9,20 0

25,85 41,41 60 66,43 75,53 90 30,69 43,12 53,14 70,74 80,80 90 28,96 41,41 51,32 60 67,98 75,53 90 28,85 36,87 53,14 60 66,43 78,47 90 8,11 30,69 33,91 48,71 54,55 60 70,74 80,80 90

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,09 0,1

61,04 48,59 38,68 30 22,02 14,47 7,18 0 64,1 53,13 36,86 23,57 11,53 5,73 0

28,6 41,41 51,32 60 67,98 75,53 82,82 90 25,90 36,87 53,14 66,43 78,47 84,27 90

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,08

0,10

40

0,25 0,5 0,6 0,75 1 0,13 0,26 0,40 0,66 0,83 1 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 1 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1

0,16 0,33 0,41 0,5 0,66 0,83 1 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 1

0,4 0,6 0,8 0,9 1

Obr. 22 Závislost úhlu θ na hloubce řezu ap pro různé poloměry ostří rn

Obr. 23 Závislost úhlu γeff na hloubce řezu ap pro různé poloměry ostří rn

41

V literatuře je možné najít údaje o velikosti úhlu θ a jsou uváděny dvě hodnoty : θ = 14° [42] a θ = 25° [41] při obrábění kalené oceli. Při stanovení velikosti tohoto úhlu vycházeli autoři ze skutečnosti, že hloubka řezu je větší než poloměr ostří a stanovili minimální hloubku odřezávaného materiálu, která nebude odříznuta. Tento postup se dá využít pro stanovení minimální nastavitelné hloubky řezu. Hloubka řezu musí být větší než ta, která odpovídá úhlu γeff menšímu než 30° pro daný poloměr ostří. Výsledky jsou sestaveny do tabulky (tab. 9). Tab. 9 Minimální hloubka řezu pro daný poloměr ostří rn [mm]

ap rn

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,08 0,10

0,20 0,15 0,13 0,15 0,14 0,13 0,15 0,20

Minimální hloubka třísky [µm] odečtená z grafů vypočtená vypočtená pro θ = 30° pro θ = 25° pro θ = 30° 1,5 3 4 5,5 7,5 8 12 15

1,0 2 3 4 4,7 5,7 8 9,4

1,3 2,7 4 5,4 6,7 8,4 10 13,4

Podle literárního průzkumu i podle vlastních výpočtů se jeví jako mezní hodnota úhlu θ velikost mezi 25 až 30. Této hodnotě bude odpovídat úhel γeff 60 až 65°. Za podmínek řezání, pokud budou překročeny, tj. θ < 30° a γeff > 60° nástroj s daným poloměrem ostří nebude řezat uvedenou minimální hloubku. V článku [43] je uveden jiný vztah, který má sloužit k ověření minimální hloubky řezu : ap cos θ = 1 − rn Pokud by obráběná plocha byla zakřivená, jako je tomu např. při frézování v rozích součástí, potom lze využít pro výpočet úhlu θ vztah :

cos θ = 1 −

ap rn

+

(

ap rn − 0,5 ap R . rn

)

,

kde R – poloměr frézy I jinými pracemi bylo potvrzeno [44] , že při obrábění kalených ocelí lze uvažovat, že iniciace trhliny nastává na volné ploše třísky a že se šíří a zastaví v pásmu plastické deformace na břitu nástroje. Jestliže tato hypotéze je správná, potom iniciace trhliny na volné ploše třísky nastane při kritickém úhlu γeff , a to ve směru proti řezání, tj. když povrchová energie dosáhne maximální hodnoty při minimálním napětí (obr. 24). Tento úhel iniciace zůstane konstantní a nebude ovlivněn měnícími se řeznými podmínkami.

42

Obr. 24 Změna povrchové energie v závislosti na úhlu γeff [ 44 ]

Obr. 25 Změna smykového napětí v závislosti na úhlu γeff [ 44 ]

Závislost změn úhlů θ a γeff na nedeformované hloubce třísky je vyjádřena na obr. 26.

43

Obr. 26 Změna úhlů θ a γeff v závislosti na nedeformované tloušťce třísky [ 44 ] Minimální hloubka řezu se stává významným činitelem při vysoce přesných metodách obrábění, tj. při odebírání velmi malých přídavků a jsou-li zadány vysoké požadavky na jakost obrobeného povrchu. I když moderní stroje a nástroje splňují požadavky které jsou kladeny na tyto metody obrábění, je nutné rozumět procesu vzniku a oddělování třísky a znát podmínky, které tyto procesy ovlivňují a umět je řídit. Praktické sledování podmínek tvoření třísky při vysoce přesném obrábění vyžaduje mít k dispozici vysoce přesné obráběcí stroje. Za těchto předpokladů bude sledování a hodnocení minimální hloubky řezu hledáním vztahu mezi mikro- a nanostrukturou, ostřím nástroje a sledováním, jak se chová materiál obrobku a nástroje při jejich interakci. Nastavení hloubky řezu pro daný nástroj je tedy velice důležitou skutečností při řešení problémů vysoce přesného obrábění, a to proto, že i ostatní charakteristiky obrábění jsou touto veličinou ovlivňovány. Jedná se o drsnost povrchu, stejně jako o deformaci povrchové vrstvy součásti. Další činitelé, ovlivňující minimální hloubku řezu jsou nehomogenita materiálu a podmínky interakce materiálu obrobku a nástroje. Vhodným kritériem při posuzování tohoto stavu může být poměr složek řezné síly Fc : Fp , který by mohl být označen jako „součinitel řezání“, případně poměr Fc´ : Fp´ při broušení. Podobně jako při soustružení, sehrává svoji úlohu minimální hloubka řezu i při broušení. I když podmínky úběru materiálu při broušení jsou výrazně menší, přece je možno najít určitou analogii mezi dříve rozebíranými podmínkami a podmínkami broušení. Při broušení jsou významné další parametry, jako je rozměr zrna brousicího kotouče, hloubka odebírané vrstvy, průřez třísky jmenovitý a skutečný, stejně jako rozmístění zrn brusiva po šířce brousicího kotouče. 44

Výsledky broušení diamantovým kotoučem φ 152,4 mm o tloušťce diamantové vrstvy 3,2 mm, koncentraci 150 a šířce záběru ≈ 2 mm jsou uvedeny v publikaci [45]. V článku jsou uvedeny i vlastnosti DIA-kotoučů (tab. 10) a řezné podmínky. Rychlost obrobku vw = 8 m.min-1, rychlost kotouče vs = 24,7 m.s-1 , hloubka řezu ap = 1,27 µm, šířka záběru bd = 1,59 mm. Součinitel pěchování třísky je uvažován Λ = 12. Tab. 10 Rozměry zrn diamantových brousicích kotoučů Kotouč D 418 MIC – R 150 SDG 320 – R 150 SDG 180 – R 150 SDG 110 – R 150 SDG 100 – R 150

Zrnitost (Mesh) 1200 320 180 110 100

Střední rozměr zrn [µm] 5,1 50,8 87,5 152 249

Hustota zrn na mm2 [C] 49,91 27,59 11,66 8,32 6,40

Při broušení je obtížné měřit rozměry třísky (obr. 27). Přesto byl sestaven vztah pro výpočet maximální tloušťky třísky hD max :

h D max =

ap 4 . vw v s . C . A ds

,

kde Λ - součinitel pěchování třísky (při broušení bývá 10 – 20) C – hustota zrn na mm2 vs – rychlost kotouče [m.s-1] vw – rychlost obrobku [m.min-1] ap – hloubka řezu [mm] ds – průměr kotouče [mm] hs – výška zbytkové plochy

Důležitou hodnotou pro broušení je stanovení výšky zbytkové plochy, která se dá určit podle vztahu 2 vw hs = 2 4 v s . ds . C Hodnota C je hustota zrn na mm2 (viz tab. 13).

45

Obr. 27 Rozměry třísky při broušení Je možné také vypočítat jmenovitý průřez třísky AD , a to podle vztahu ⎛v ⎞ A D = W 2 ⎜⎜ w ⎟⎟ ⎝ vs ⎠

ap ds

,

kde W – teoretická vzdálenost zrn brousicího kotouče. V citované práci byla tato hodnota −

1 2

uvažována jako W = C , kde je C hustota zrn na mm2, tj. počet aktivních zrn na jednotku plochy kotouče. Výsledky experimentů uvedených v článku [ 45 ] jsou uvedeny v tab. 11. Tab. 11

Hodnoty hD max , hs , AD , W a Ra při zkouškách podle [ 45 ]

Rozměr zrna

hmax

hs

[µm] 5,1 50,8 50,8 152 152 87,5 152 249 152

[µm] 0,0845 0,1351 0,1351 0,1600 0,1600 0,2079 0,2460 0,2805 0,3380

[m] 3,15 . 10-9 5,5 . 10-9 5,7 . 10-9 0,34. 10-9 6,77. 10-9 13,50. 10-9 18,91. 10-9 24,59. 10-9 0,77. . 10-9

Střední plocha třísky am [µm2] 0,0179 0,0457 0,0457 0,0638 0,0640 0,1081 0,1514 0,1968 0,2861

46

Vzdálenost zrn W [µm] 141,5 190,4 190,4 346,6 346,6 292,9 346,6 395,2 346,6

Ra [µm] 0,0508 0,1594 0,2540 0,4343 0,2769 0,2985 0,2864 0,4090 0,4572

Uvedené výsledky, kdy byl sledován proces broušení ukazují, že existuje dobrá shoda mezi drsností broušeného povrchu a hodnotou hustoty zrn brousicího kotouče, tj. mezi jejich vzdáleností. Čím větší je tato vzdálenost, tím je drsnost větší. Zajímavé je také zjištění, že drsnost povrchu po broušení má různý průběh své závislosti na průřezu třísky. První závislost je pro průřezy pod AD < 0,1 µm a druhá pro hodnoty AD > 0,1 µm . Výsledky ale neprokázaly výrazný vliv proměnných, jako je rozměr zrna, tloušťka třísky, hloubka zbytkové plochy na výslednou drsnost. 6.2

Vysoce přesné metody obrábění, využívající volného brusiva

Charakteristickým znakem těchto dokončovacích metod je to, že jak běžná brusiva, představovaná Al2O3 , SiC , ZrO2 nebo B4C , tak i superbrusiva, jako je KNB a diamant , využívají pro dokončování funkčních ploch součástí velmi jemné brusivo. Inovací v této oblasti jsou nové technologie, kterými lze připravit brusivo v rozměrech nanometrů a jejich další spojování podle požadavků výroby. Výroba těchto jemných zrn se uskutečňuje chemickou cestou jako hydrosolový proces koloidního roztoku částic, během kterého dochází k precipitaci jemného prášku. Hydrolýzou lze získat hydrosolový gel, který se suší a praží na požadované teplotě a mele se na zrna jiných rozměrů. Touto technologií byly zpracovány oxid hliníku i materiály na bázi křemíku. Nanokrystaly diamantu jsou vyráběny rázovou syntézou. -

Mezi procesy oddělování materiálu volným brusivem je možné zařadit tyto procesy : leštění běžné, leštění chemické hydrodynamické, elektrolytické abrazivní zrcadlové dokončování, lapování.

Kasai et al. (1990) [ 46 ] rozdělili lapování a leštění, jako vysoce přesné dokončovací metody, na základě podkladového materiálu a použitého brusiva (obr. 28).

Obr. 28

Schéma kombinací podložného materiálu a brusiva pro získání zrcadlového lesku součásti [46] 47

Na uvedeném schématu jsou ukázány různé možnosti použití podkladového materiálu (měkký nebo tvrdý) a brusiva (hrubé nebo jemné) pro různé aplikace ovlivňující různé způsoby dokončování. Tak např. pro dokončování křemíku nebo čoček se používá měkký podložný materiál a jemné brusivo. Při běžném lapování dostáváme matný povrch, protože se používá tvrdý podložný materiál (litina) a hrubé brusivo. Základními mechanizmy pro oddělení materiálu jsou mechanizmus mechanický a chemický. Mechanické působení může být abrazivní nebo erozivní , které zahrnují plastickou deformaci odebírané vrstvy a její oddělení. Tribologické podmínky mohou často iniciovat mechanické nebo chemické změny v důsledku třecího tepla i bez přítomnosti tvrdých částic, chemické působení vyúsťuje v chemické reakční produkty, nebo rozpustnost materiálu. Často jsou tyto dokončovací procesy komplexní směsí mechanického a chemického působení v závislosti na podmínkách dokončování a na prostředí, ve kterém dochází k interakci brusiva a materiálu. Většina procesů využívajících volné brusivo je ve své povaze mechanická, protože materiál z obrobku je odstraňován mechanickým působením. Nicméně při volbě pracovního prostředí je totiž možné uplatněním chemického působení převést tento proces na mechanicko-chemický. 6.3

Vysoce přesné metody obrábění bez mikrotrhlin a poškození povrchové vrstvy

I při vysoce přesném obrábění mohou vzniknout u křehkých materiálů v povrchové vrstvě mikrotrhliny. Jejich výskyt se snižuje s tloušťkou třísky a více se objevují nad kritickou hodnotou hloubky řezu. Když je hloubka řezu velmi malá, tak napětí vyvolané nástrojem nemusí dosáhnout hodnot vyžadujících vznik mediální trhliny v křehkém materiálu. Za těchto podmínek se materiál chová jako elasto-plastický, bez lomu. Energie nutná pro úběr malých hloubek řezu s daným poloměrem ostří je větší, než energie nutná pro plastickou deformaci. Tím se plastická deformace stává při tomto mechanickém úběru materiálu dominantní. Nakasuja et al. (1996) [47] uvedl, že plastická deformace může být nutná, má-li se dosáhnout zrcadlového lesku při obrábění křehkých materiálů. Neznamená to ale, že by se tříska nemusela oddělit tvárným lomem. Pokud napětí nejsou dost vysoká, aby vyvolala vytvoření mediální trhliny, vytvořené plochy mohou být hladké, s jasnou evidencí plastické deformace obrobené plochy. Přítomnost hladké plochy není ale důkazem, že tříska se tvořila u křehkého materiálu tvárným mechanizmem. Prof.Shaw (1996) [48] upozornil, že je nesprávné nazývat proces řezání „tvárným“ za podmínek velmi malé tloušťky třísky, kdy nevznikají žádné povrchové trhliny a plocha je dokončena se zrcadlovým leskem. Pojem „tvárné obrábění“ u křehkých materiálů znamená, že hloubka řezu bude oddělena bez iniciace trhlin. U vysoce přesných metod obrábění je velký objem materiálu převeden do plně plastického stavu, ale jen velmi malé množství tohoto materiálu je přeměněno v třísku. Používaní názoru, že třísky křehkých materiálů jsou oddělovány plastickou deformací, jako je tomu u kovů, tj. s využitím oblasti primární plastické deformace a roviny max. koncentrací smykového napětí, by mělo být zvažováno velmi obezřetně. Z teorie plasticity je známo, že velikost hydrostatického napětí určuje rozsah plastické deformace předcházející lomu. To znamená, že hydrostatické napětí určuje deformaci při lomu. Některé křehké materiály jsou schopné se chovat jako tvárné, ale pouze za vysokých hydrostatických tlaků.

48

7.

DOSAŽITELNÁ PŘESNOST A INTEGRITA POVRCHU

Konečné výsledky vysoce přesných procesů dokončování součástí lze stanovit pomocí jejich dosažitelné jakosti a výsledné integrity povrchu. Tyto požadavky se mění s jednotlivými technologickými aplikacemi. Např. požadavky na tvar a drsnost mohou být důležitější pro optická zařízení, zatímco při výrobě polovodičů lze požadavky na drsnost dosáhnout snadněji. Významný je ale požadavek rovinnosti a požadavek, aby povrchová vrstva byla bez poruch. Při hodnocení vlivu dokončovacích procesů na vytvořený povrch je nutné znát základní mechanizmus každého procesu a stanovit jak se tento mechanizmus odrazí v charakteristikách povrchu. Procesy, které jsou v této kapitole uvažovány, jsou procesy řezání nástroji s definovanou geometrií a procesy využívající abrazivního účinku brusiva ve tvaru kotouče, nebo využívající volného brusiva. Hodnota drsnosti Ra u jednobřitého nástroje bývá obvykle v rozsahu 0,2 – 1 µm. Při vysoce přesném obrábění je nutné sledovat tyto vlivy na drsnost : a) vliv minimální hloubky třísky, b) vliv fyzikálních vlastností obrobku, c) jiné vlivy, jako je opotřebení, řezná kapalina, homogenita materiálu apod. ad a) Teoretická drsnost , která se běžně dá určit z geometrických vztahů nástroje a obrobku, musí být u vysoce přesného obrábění modifikována tak, že musí brát v úvahu zbytkovou plochu (obr. 29), která vzniká při řezání. Potom R´ z teor se určí ze vztahu f 2 ap min + R´ z teor = 8r 2

r ap min ⎞ ⎛ ⎜⎜ 1 + ⎟⎟ , 2 ⎝ ⎠

kde ap min – minimální hloubka řezu.

Obr. 29

Vytvoření zbytkové plochy [ 56 ]

49

Pro praktické hodnocení je teoretická drsnost R´ z teor asi o 25 % větší než hodnota teoretické drsnosti R z teor , která se určí ze vztahu

R z teor

f2 = . 8r

Porovnání hodnot Rz a R´z je na obr. 30. ad b) Významnou úlohu při hodnocení výsledné drsnosti povrchu sehrává tvrdost materiálu. ad c) Při posuzování výsledné drsnosti povrchu jsou důležité skutečnosti, jako je řezivost nástroje a jeho opotřebení. Také pracovní prostředí ovlivňuje výrazně výslednou drsnost povrchu. Významnou skutečností je homogenita materiálu, tj. přítomnost vměstků, dutin a vytváření skluzových rovin. Všechny tyto vlivy mají působí negativně na výslednou drsnost povrchu.

Obr. 30 Porovnání Rz a R´z [ 56 ] Mezi dokončovací operace patří především broušení . Tento technologický proces je velmi složitý, proto se očekává, že bude sestaven vztah mezi parametry broušení a výslednou texturou broušené plochy. Hodnocení je ale soustředěno na hodnocení charakteristik Ra aRz . Nano-broušení patří mezi dokončovací operace tvrdých a křehkých materiálů a představuje operace broušení, lapování a leštění. Při těchto operacích je důležitou hodnotou vzdálenost mezi obrobkem a nástrojem, která ovlivňuje to, zda proces proběhne jako tvárný. Pokud se objeví nějaké anomálie, potom se uplatní křehký proces porušení a drsnost se zhorší.

50

Protože tyto vysoce přesné procesy výroby jsou náhodné procesy, je výhodnější využívat pro jejich hodnocení autokorelační funkci. Korelační funkce lze využít pro hodnocení profilu drsnosti, tj. pro hodnocení rozložení zrn v kotouči, pro hodnocení tvaru zrn a také pro sledování, jak zrno se dostává do styku s materiálem, pro hodnocení možných povrchových poškození apod. (obr. 31).

Obr. 31 Vztah mezi tvarem autokorelace a procesem broušení [ 56 ] Leštění využívá volného brusiva, rozptýleného v nějaké kapalině. Tato metoda byla vyvinuta pro opracování tvrdých, nebo jiných nekonvenčních materiálů. 7.1

Další vlivy metod obrábění na jakost povrchu

Je známo, že geometrické změny v obrobku nejsou jen ty, které ovlivňují povrch. Procesy obrábění vyvolávají různé změny v opracovaných součástech (a tak mění vlastnosti povrchové vrstvy), které se liší od vlastností základního materiálu. Nový pojem, který zohledňuje všechny tyto skutečnosti je INTEGRITA POVRCHU. Význam vlastností povrchové vrstvy vyvstává, když obrobek pracuje za vysokých stavů napjatosti, při vysokých teplotách, nebo v korozním prostředí. Když se realizuje funkční plocha – ať už metodami konvenčními nebo nekonvenčními, je nutné počítat s tím, že tyto procesy zahrnují : - elastickou deformaci, - plastickou deformaci, - překrytí, vytrženiny, - mikrotrhliny, - mezizrnné napadení, - nepopuštěný martenzit a další změny, závisející na druhu obráběného materiálu. 51

Zbytková napětí Tato jsou vnesena do materiálu během výrobního procesu. Přítomnost zbytkových napětí může být užitečná nebo nevýhodná, podle možnosti jejich využití. Zbytková napětí jsou tahová nebo tlaková. U zbytkových napětí jsou důležité tyto údaje : a) znaménka napětí (tah nebo tlak), b) hloubka, do které tato napětí pronikají, c) maximální hodnoty napětí. Zbytková napětí mohou zlepšovat nebo zhoršovat funkční chování součásti. Jak zbytková napětí vznikají působením mechanických, tepelných a chemických účinků, ukazuje obr. 32.

Obr. 32 Vytváření a vlivy zbytkových napětí

Velikost deformace součástí je obvykle zvažována tak, že je úměrná množství odebraného materiálu. Zbytková napětí po dokončovacích metodách obrábění jsou rozložena v povrchové vrstvě součásti. Zbytková napětí mají vliv na statickou, dynamickou pevnost i na odolnost povrchu proti korozi. Možnosti uplatnění nových parametrů jakosti povrchu součástí, zvláště těch, které jsou odvozeny z analýzy náhodných procesů, umožňují hodnotit tyto procesy v daleko menších podrobnostech než dosud. Bylo by možné uvést, že každá technologická operace zanechává své otisky na obrobené ploše. Ty je možné poměrně snadno novými měřicími metodami vyhodnotit.

52

Ukazuje se, že existují – a je možné je využívat – propojení výroby přímo na funkci součásti, především u přesných metod obrábění. Bylo také dokázáno, že pro dosažení povrchu v atomových rozměrech je vhodné využívat jiných jednotek (nanometrů). To pochopitelně vede k využívání nových výrobních procesů. Vyžádá si to výrobu přístrojů pro řízení procesu obrábění a tak zlepšení řízení tohoto procesu pomocí údajů z výsledné drsnosti povrchu. V posledních letech byl zaznamenán velký pokrok v hodnocení textury povrchu. Zavádění nových měřicích zařízení dovoluje měřit mikrogeometrii povrchu ve velmi přesném rozlišení. V záznamu o mikrogeometrii povrchu součásti jsou zakódovány velmi důležité informace, které je možno dekódovat pouze na základě znalostí statistické a spektrální analýzy. Tato metodika dává možnosti posoudit nejen obrobenou plochu, ale umožňuje i získat informace o nástroji, o jeho chování během výroby dané plochy, umožňuje získat informace o mechanizmu vytváření nového povrchu, informace o chování stroje na kterém byla součást opracována. Na základě této analýzy je ale možné předvídat i to, jak se bude součást chovat při své budou funkci. Významnou charakteristikou je index plasticity. Všechny moderní profilometry jsou dnes konstruovány tak, že přiřadí analogový signál profilu nerovnosti do digitální formy a zpracovávají jej v systémech 2D nebo 3D. Přehled horizontálního a vertikálního zvětšení u některých profilometrů uvádí tab. 12. Tab. 12 Rozlišitelnost a rozsah měření drsnosti povrchu

V tabulce č. 13 jsou uvedeny rozsahy charakteristik textury povrchu pro některé vysoce přesné procesy dokončování funkčních ploch současně i s obráběnými materiály. V další tabulce jsou uvedeny charakteristiky drsnosti povrchu při přesném dokončování součástí volným brusivem (tab. 14). Tvarová přesnost součástí dokončených vysoce přesnými technologiemi nezávisí pouze na druhu použité technologie a obráběném materiálu, ale také na typu obráběcího stroje. Stejně významný je i použitý metrologický systém, který určuje dosažitelnou přesnost. Jedná se především o dodržení rovinnosti. U křemíkových destiček je tato hodnota rovinnosti 300 nm při jejich velikosti nad 150 mm a 160 nm při jejich velikosti 60 mm.

53

Tab. 13 Drsnost povrchu dosažená při dokončování různých materiálů

Tab. 14

Drsnost povrchu dosažitelná při dokončování různých materiálů volným brusivem

54

U vysoce přesných lapovacích technologií, které se využívají pro dokončování krystalů safíru nebo zrcadel, je dosažitelná rovinnost 30 nm u rozměrů nad 7 mm a kolem 60 nm při rozměrech 200 mm. I když dnes existuje dost informací o poruchách, které nastávají v povrchové vrstvě i při vysoce přesných metodách dokončování, je možné konstatovat, že je jich stále málo. Částečně je tomu také proto, že sestavení stupnice poruch, kterými by se daly tyto měřit, je nesnadný úkol. Přesto bylo dosaženo významného pokroku v hodnocení rozsahu a druhu poruch vznikajících při přesných dokončovacích metodách. Tönshoff, Brinksmeier, Hetz (1987) [51] zpracovali přehled mechanických a tepelných účinků na obrobené plochy měřením zbytkových napětí a mikrotvrdosti. Brinksmeier (1989) [52] zpracoval rozsáhlý přehled nedestruktivních metod, používaných pro hodnocení integrity povrchu. Také zpráva zpracovaná skupinou ISO/STC 5 z roku 1987 uvádí přehled různých metod, použitelných pro hodnocení povrchových a podpovrchových poruch. Tento materiál uvádí metody měření poruch na polovodičových materiálech. Jsou zde rozebrány metody RTG o vysoké difrakční rozlišitelnosti, RTG spektroskopie, fluorescenční spektroskopie, tepelné mikroskopy a metody leptání. Metodou leptání je možné demonstrovat, jaké dislokace se objevují např. při broušení. Mnohé metody umožňují měření poruch v povrchových vrstvách s rozlišitelností v nanometrech. Nejčastěji jsou uváděny výsledky poruch podpovrchových vrstev při jemném broušení monokrystalu křemíku. Při použití diamantového kotouče o zrnitosti 3-6 µm s pryskyřičným nebo kovovým pojivem, byla střední poškozená hloubka v rozsahu 100-400 nm. Je to podobné, jako při soustružení nástrojem s definovanou geometrií. Při broušení se ale tato hloubka více měnila. Ohmori a Nakagawa (1995) [53] hodnotili podpovrchové poruchy pomocí metody RTG topografie a zjistili, že trhliny existují i na plochách, které byly dokončeny broušením se zrcadlovým leskem a které měly drsnost Ra několik nanometrů. Změřili také tyto trhliny a jejich hloubka byla 1,3 nm a 0,4 nm. Poruchy povrchové vrstvy se mění i směrem do hloubky materiálu. Pod povrchem leštěné plochy je možné definovat tři oblasti : -

pásmo bez poruch, v rozsahu do 10 nm, poškození povrchu v rozsahu 10-70 nm, které obsahuje dislokace a mikrotrhliny, pásmo základního materiálu.

55

8.

VYUŽITÍ POZNATKŮ O VYSOCE PŘESNÉM OBRÁBĚNÍ PRO ŘEŠENÍ VÝROBNÍCH PROBLÉMŮ

Poznatky výzkumu z oblasti vysoce přesného obrábění byly publikovány již od šedesátých let minulého století. V současné době se tyto práce soustřeďují do oblasti mikrořezání, kdy hlavním cílem je dosahovat velmi hladkých, zrcadlově lesklých povrchu s drsností vyjádřenou několika nanometry a takovými vlastnostmi povrchové vrstvy, kdy nebudou žádné defekty a žádná zbytková napětí (nebo jen taková, která budou vyhovovat dané funkci součásti). Nástroje, které se pro tyto operace používají, jsou vyráběny buď jako jednobřité s definovanou geometrií a především z polykrystalického diamantu nebo kubického nitridu bóru. Ale i slinuté karbidy povlakované splňují požadavky pro vysoce přesné obrábění. Pro dokončování součástí abrazivními metodami mají své nezastupitelné místo supertvrdé brousicí materiály jako je diamant a kubický nitrid bóru. Nové poznatky v oboru nanotechnologie umožňují vyrábět brusivo, které pokrývá oblasti mezi běžným brusivem a brusivem supertvrdým. Vysoce přesné metody obrábění byly nejdříve uplatněny při opracování forem a zápustek. Tyto formy jsou ale běžně vyráběny ze slitin železa. Protože ale diamantové nástroje mají vysokou afinitu k mikrostruktuře oceli, musí technologie vysoce přesného obrábění řešit problémy snižování opotřebení diamantových nástrojů. Tyto problémy jsou řešeny obráběním v ochranné atmosféře, chlazením, povlakováním nástroje, nebo podporou řezání ultrazvukovými vibracemi. Všechna tato opatření vedou ke snížení opotřebení diamantových nástrojů při obrábění materiálů na bázi železa. Tyto problémy se ale neobjevují při obrábění neželezných kovů. Jaké jsou možnosti využívání poznatků vysoce přesného obrábění ? Tyto možnosti lze spatřovat v oboru inženýrské nanotechnologie. Materiály, které jsou používány v oborech kde rozlišitelnost v nanometrech je významným prvkem při výrobě a kontrole zařízení – musí být opracováno ve výrobních systémech, která toto rozlišení umožňují. Provoz moderních součástí a zařízení pro automobilní průmysl, letecký průmysl a kosmonautiku závisí na vyšší geometrické přesnosti, na nano- a mikrostruktuře povrchu funkčních ploch, jako jsou např. vřetena strojů nebo zrcadlové povrchy čoček a zrcadel optických systémů. To všechno vede k tomu, že technologie a také metrologie musí být stále vyvíjeny a zdokonalovány, aby zabezpečily plný pokrok inženýrské nanotechnologie. Tyto problémy se týkají jak materiálů, tak i tenkých vrstev v tloušťce 1 až 5 nm. Tyto vrstvy mají často odlišné vlastnosti od substrátu - tvrdost, odolnost proti korozi, smáčivost nebo jiné speciální vlastnosti. Velký vliv na procesy vysoce přesného obrábění má obráběcí systém a jeho stabilita. Je všeobecně uznáván názor, že vysoká tuhost obráběcího systému je nutnou podmínkou pro jeho úspěšnou realizaci a provoz. Významnou úlohu sehrává i vybavení nástroji a upínači. Tuhost systému je definována poměrem mezi silou a deformací, vyvolanou touto silou. Velké deformace v důsledku vysokých řezných sil, v důsledku malé tuhosti znamenají degradaci přesnosti obrobené plochy a prakticky znamenají zvýšit počet průchodů nástroje, aby bylo dosaženo požadovaného rozměru, tolerance a drsnosti.

56

Řezné síly i vlastní proces řezání vyvolávají kromě deformace i chvění, a tak dalším požadavkem je i nutnost toto chvění snižovat, protože nejen ovlivňuje jakost obrobené plochy, ale ovlivňuje i trvanlivost nástroje. Nepřesnosti v důsledku statických a kvazi-statických deformací v obráběcím systému je nutné sledovat a vyhodnocovat, i když řezné síly u dokončovacích operací jsou relativně malé. Pro snížení řezných sil se využívají možnosti jako jsou : volba správné geometrie nástroje, povlakování nástrojů, uplatňování procesních kapalin, vyvážení apod. Tento problém se stává závažným u nástrojů vícebřitých. V posledních letech byla vyvinuta řada technik, které sledují snížení tření mezi třískou a nástrojem, nebo prodlužují trvanlivost nástroje bez degradace jakosti obrobeného povrchu. Tak např. nový způsob přívodu řezné kapaliny může znamenat snížení řezné síly až o 50 % (Mazurkievitzs, 1992 [ 54 ] ). Jiné metody snížení řezné síly jsou založeny na místním ohřevu primárního pásma plastické deformace pomocí laseru. Významného snížení řezné a třecí síly lze dosáhnout zavedením přídavného pohybu do pásma primární plastické deformace o frekvenci 20-40 kHz. Snížení složek řezné síly se pohybovalo v rozmezí 16-50 %. Tuhost systému ovlivňuje i opotřebení nástroje. Se snižováním tuhosti roste velikost čelního opotřebení nástroje. Zvýšení tuhosti znamená snížení hřbetního opotřebení. Také systém upnutí nástroje dává velkou možnost pro zlepšení stability a produktivity obrábění při uplatňování vysoce přesných technologií. To stejné se dá pozorovat i u operací broušení, u kterých se projevuje vliv dynamických podmínek na mechanizmus oddělování materiálu a tím i na jakost broušené plochy. Tyto dynamické podmínky nejsou jen možná chvění, ale jsou ovlivněny i vlastností nástroje, tj. jeho upnutím, brusivem , orovnáváním apod. U vysoce přesných metod obrábění je třeba se zaměřit na degradaci vlastností povrchové vrstvy. Deformační zpevnění povrchové vrstvy způsobuje vznik zbytkových napětí, která mohou výrazně ovlivnit funkční vlastnosti zatěžované funkční plochy součásti. Hodnocení procesu obrábění lze provádět podle dříve uvedených kritérií jakosti, nebo podle dalšího kritéria, kterým je produktivita. Tato je významná i při hodnocení vysoce přesných dokončovacích operací. Při této příležitosti se v současné době často provádí srovnání výsledků broušení s výsledky dosahovanými při přesném obrábění nástrojem s definovanou geometrií. Použije-li se jako srovnávací kritérium úběr materiálu, je možné dosáhnout při použití nástroje s definovanou geometrií úběru 50 až 200krát vyššího než při broušení [ 41 ]. Tyto skutečnosti se dají využít, když se jedná o obrábění součásti o menších rozměrech, s menšími tolerancemi a při malých hloubkách třísky. Vyšší účinek produktivity pro soustružení je vyvolán velkou pružností tohoto procesu, protože jedním nástrojem lze opracovat součásti různých tvarů a rozměrů. Porovnání nákladů metody broušení a soustružení při obrábění kalené oceli o tvrdosti 52-56 HRC je na obr. 33.

57

Obr. 33 Porovnání charakteristik broušení a soustružení [ 41 ]

Aby bylo možné určovat podmínky pro práci nástroje během vysoce přesného obrábění, je důležité porozumět fyzikálním podmínkám interakce materiálu nástroje a obrobku. Základní parametry řešení tohoto problému jsou obsaženy v geometrii nástroje, v rozměru odebírané tloušťky materiálu a v aktivní části ostří nástroje. Obecně se předpokládá, že všechny tato parametry jsou dány a dají se dobře formulovat. Existují ale podmínky, které se od běžných podmínek liší, což je případ metod vysoce přesného obrábění. V takovémto případě je nutné tyto parametry znovu definovat, sledovat a hodnotit, s cílem dosáhnout požadovaných výsledků jakosti obrobené plochy. Údaje uvedené v této publikaci jsou proto zaměřeny na sledování fyzikální podstaty procesů vysoce přesného obrábění a na vysvětlení základních skutečností tohoto procesu. Také vlastnosti obráběného materiálu, především jeho mikrostruktura, má dominantní vliv na tvoření třísky při obrábění vysokými řeznými rychlostmi. To se projevuje ve tvaru třísky a na průběhu plastické deformace, která může být stabilní nebo nestabilní. Hlavní náplní této práce je stanovení a výpočet minimální hloubky řezu, a to ve vztahu k poloměru ostří. Byly sestaveny tabulky i grafické zpracování závislosti mezi poloměrem ostří, hloubkou řezu a úhly γeff , θ , které předurčují, jak bude nástroj s určitým poloměrem ostří řezat, tzn. jakou minimální hloubku třísky lze odebírat. Hodnoty vypočtených úhlů byly také porovnány s údaji v odborné literatuře. Vedle těchto údajů jsou uvedeny informace o operaci broušení, tj. hustoty zrn brousicích materiálů na jednotku plochy kotouče.

58

9.

ZÁVĚR

Ve zpracovaných podkladech jsou rozebrána různá hlediska při posuzování vysoce přesných dokončovacích procesů. Pro zabezpečení požadavků z hlediska vysoké jakosti je možné uplatňovat tyto technologie jako obrábění jednobřitým nástrojem s definovanou geometrií , obvykle osazeným destičkou z polykrystalického diamantu nebo kubického nitridu bóru, nebo jako dokončování abrazivními metodami. Abrazivní metody dokončování využívají brousicí kotouče nebo volné brusivo. Do této skupiny patří lapování, leštění, případně některé nekonvenční způsoby dokončování, které využívají chemických nebo elektrochemických technologií. Dále byly posuzovány stroje, obráběný materiál a nástrojové materiály, které umožňují dosahování vysoké jakosti opracování funkčních ploch součástí, s minimální deformací povrchové vrstvy a bez poruch. Při těchto úvahách je třeba vycházet z toho, že proces vysoce přesného obrábění je systém, který je tvořen mnoha podsystémy, které musí být zvažovány a respektovány. Přitom je nutné přihlížet i k tomu, že vysoká jakost funkčních povrchů bez poruch musí být posuzována i z hlediska ekonomického. Je diskutována i otázka dokončování křehkých materiálů, kdy je nutné brát v úvahu specifické chování těchto materiálů při řezání a respektovat mechanizmus oddělování částic těchto materiálů. To se týká např. opracování keramiky nebo optických skel. Sklo je amorfní materiál, kdežto keramika má kovalentní nebo iontovou vazbu. U keramiky nedochází k oddělení částic materiálu skluzovým mechanizmem a plastickou deformací. Za vysokých hydrostatických tlaků může dojít k tomu, že křehký materiál je deformován jako tvárný. Proto, i když jsou tyto materiály porušovány křehkým lomem, může při vysokých tlacích, které vznikají např. při broušení, dojít v povrchové vrstvě takového materiálu k plastické deformaci. Tento stav je ale podmíněn -

vysokým hydrostatickým tlakem, použitým materiálem, strukturní transformací (např. u materiálů polovodičových), chemickým působením.

Interakce nástroje a obrobku je při vysoce přesném obrábění ovlivněna také systémem složek řezné síly. Výsledná řezná síla při běžném obrábění působí jiným směrem než výsledná síla při velmi přesném obrábění. Pracuje se s malou hloubkou řezu a tím se stává, že nástroj klouže po opracované ploše a působí jako vnikací – bez oddělování materiálu.

59

LITERATURA

1.

TANAGUCHI,N.,1974 : On the basic concept of Nanotechnology, Proc.ICPE Tokyo, 2, s.18-23

2.

TANAGUCHI,N.,1983 : Current State in and Future Trends of Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing. Annals of CIRP, Vol.32/2, s.573-582

3.

DREXLER,K.E.,1992 : Nanosystems : Molecular Machinery, Manufacturing and Computation, Willey and Sons

4.

McKEOWN,P.A.,1987 : The Role of Precizion Engineering in Manufacture, Annals of CIRP, Vol.36/2, s.495-502

5.

IKAVA,N.-DONALDSON,R.R.-KOMANDURI,R.-KÖNIG,W.-McKEOWN,P.A.MORIWAKI,T.-STOWERS,I.F., 1991 : Ultraprecision Metal-Cutting-The Past the Present and the FUTURE, Annals of CIRP, Vol.40/2, s.587-594

6.

SCHELLEKENS,P. et al., 1998 : Design for Precision Current status and Trends. Annals of CIRP, Vol.47/2, s.557-594

7.

INASAKI,I.,1987 : Drinding of Hard and Brittle Materials. Annals of CIRP, Vol. 36/2, s.463-471

8.

TÖNSHOFF,H.K.-SCHMIEDEN,W.-INASAKI,I.-PAUL,T., 1992 : Modelling and Simulation of Grinding Process. Annals of CIRP, Vol.41/2, s.677-688

9.

MACKIN,S.-HWANG,T.W., 1996 : Grinding Mechanism for Ceramics. Annals of CIRP, Vol.45/2, s.569-580

10.

SHAMOTO,E.-MORIWAKI,T., 1999 : Ultraprecision Diamond Cutting of Hardened Steel by Applying Eliptical Vibration Cutting. Annals of CIRP, Vol.48/1, s.441-444

11.

NOGAWA,H., 1988 : Ceramic Processing – State of the Art of R and D in Japan. ASME INST.Metals Park, OH

12.

DONALDSON,R.P. et al., 1987 : Minimum Thrickness of Cut in Diamond Turning of Electroplated Copper. VCRL-97606

13.

IKAWA et al., 1991 : An Atomistic Analysis of Nanometric Chip Removal Process as Affected by Tool-Work Interaction. Annals of CIRP, Vol.44/1

14.

LUCCA,D.A. et al., 1991 : Energy Dissipation in the Ultra-Precision Machining of Cooper. Annals of CIRP, Vol.40/1, s.69-72

15.

NAMBA,Y. et al., 1989 : Ultra-Precision Surface Grinding Having a Glass-Ceramic Spindle of Zero-Thermal Expansion. Annals of CIRP, Vol.38/1, s.331-334

60

16.

NAMBA,Y. et al., 1987 : Ultra-Precision Float Polishing Machine. Annals of CIRP, Vol.36/1, s.211-214

17.

NAMBA,Y. et al., 1993 : Ultraprecision Grinding of Optical Glasses to Product Super-Smoth Surfaces. Annals of CIRP, Vol.42/1, s.417-420

18.

FIEDLER,K.H., 1988 : Precision Grinding of brittle materials, Ultraprecision in Manufacturing Engineering. Springer-Verlag, Berlin, Germany , s.72-77

19.

IZUMITANI,T., 1979 : Polishing, Lapping and Diamond Grinding of Optical Glasses. Material Science and Technology Academic Press Inc.,NY 17, s.116-149

20.

MARCH,D.M., 1964 : Plastic flow in Glass. Proc.Royal Society 279 A, s.420-435

21.

TÖNSHOFF et al., 1990 : Abrazive Machining of Silicon. Annals of CIRP, Vol.39/2, 621-635

22.

SHAW,M.C., 1995 : PrecisionFinishing. Annals of CIRP, Vol.44/1, s.343-348

23.

LUCCA,D.A.-SAO,Y.W., 1994 : Aspects of Surface Generation in Orthogonal Ultraprecision Machining. Annals od CIRP, Vol.43/1, s.43-46

24.

SHAW,W.C.-VYAS,A., 1993 : Chip Formation in the Machining of Hard Materials. Annals of CIRP, Vol.42/1, s.29-33

25.

NAKAYAMA,K.-TAKAGI,J.-NAKANO,T., 1974 : Peculiarity in the Grinding of Hardened Steel. Annals of CIRP, Vol.23/1, s.81-90

26.

MAYER,J.E.-FANG,G.P., 1994 : Effect of Grit Depth of Cut on the Strength of Ground Ceramics. Annals of CIRP, Vol.43/1, s.309-312

27.

LAWN,B.-WILSHAW,R., 1975 : Indentation Fracture. J.Mat.Sci.10, s.1049-1081

28.

NAKASUJI,T. et al., 1990 : Diamond of Brittle Materiasl for Optical Components. Annals of CIRP, Vol.38/1 , s.69-92

29.

PUTTICK,K.E. et al., 1989 : Single Point Diamond Machinery of Glass. Proc.Roy.Soc.A.426, s.19-30

30.

PUTTICK,K.E. et al., 1994 : Transmission Electron Microscopy of Nanomachined Silicion Crystalls. Phil.Mag.A.69, s. 91-103

31.

JOSHIKAWA,H., 1967 : Brittle-Ductile Behaviour of Crystal surface in Finishing. J.of JSPE, 35, s.662-667

32.

NAKYAMA,K.-TAMURA,K., 1968 : Size Effect in Metal Cutting Force. Trans.ASME, J.ENG., s.119-126

61

33.

MORIWAKI,T.-OKUDA,K., 1989 : Machinability of Cooperi in Ultra-Precision Micro Diamond Cutting. Annals of CIRP, Vol.38/1, s.115-118

34.

HOOVER,A.G. et al., 1989 : Interface Tribology via Nanoequilibrium Molecular Dynamics. Material Research Symposium. Proc.140, s.119-124

35.

BELAK,J.F. et al., 1990 : Molecular Dynamics Modelling Applied to Identation and Metal Cutting Problems. VCRL-53868-89

36.

MORIWAKI,T. et al., 1990 : Effect of Cutting Heat on Machining Accurag in UltraPrecision Diamond Turning. Annals of CIRP, Vol.39/1, s.81-84

37.

SOKOLOWSKI,A.P., 1955 : Precision in der Metallbearbeitung. VEB Verlag Technik, Berlin

38.

TIMINIDU,D.A.-DAUTRENBERG,J.H., 1991 : Blutness of the Tool and Process Forces in High Precision Cutting. Annals of CIRP, Vol.40/1, s.65-68

39.

ABDELMONEIM,M.Es.-SCRUTTON,R.F., 1991 : The Tool Edge Roudness and Stable Built-Up Formation in Finish Machining. Trans.ASME 96, s.1258-1267

40.

ABDELMONEIM,M.Es., : The Tool Edge Roudness in Finish Machining atHigh Cutting Speeds. Wear 58, s.173-192

41.

TÖNSHOFF,K.H. et al., 2000 : Cutting of Hardened Steel. Annals of CIRP, Vol.49/2, s.547-566

42.

TSAI,M.D. et al., 1991 : Operation Planning Based on Cutting Process Models. Annals of CIRP, Vol.40/1, s.95-98

43.

ELBESTAWI,M.A. et al., 1996 : A Model for Chif Formation During Machining of Hardened Steel. Annals od CIRP, Vol.45/1, s.71-76

44.

MAYER,J.E.-FANNG,G.P., 1995 : Effect of Grinding Parameters on Surface Finish of Ground Ceramics. Annals of CIRP, Vol.44/1, s.279-282

45.

KASAI,T.-HORIO,K.-KARAKI-DOY,T.-KOTAYASHI,A., 1990 : Improvement of Conventional Polishing Conditions for Obtaining SuperSmooth Surfaces of Glass and Metal Works. Annals of CIRP, Vol.39/1, s.321-324

46.

NAKASUJA,T.-KODERA,S.-HARA,S.-MATSUNAGA,H.-IKAWA,N.SHIMADA,S., 1990 : Diamond Turning of Brittle Materials for Optical Components. Annals of CIRP, Vol.39/1, s.89-92

47.

SHAW,M.C., 1995 : Precision Finishing. Annals of CIRP, Vol.44/1, s.343-348

48.

WEINERT,K. et al., 1999 : Process optimierung bei der Form herstellung. Werkstattechnik 89, s.7-8

62

49.

NAKAGAWA,T. et al., 1986 : High Efficient Grinding of Ceramics and Mard Metals on Grinding Center. Annals of CIRP, Vol.35/1, s.205-210

50.

BRINKSMEIER,E.-GLABE,R.,2001 : Advances in Precission Machininbg of Steel. Annals of CIRP, Vol.56/1, s.385-388

51.

TÖNSHOFF,H.K.-BRINKSMEIER,E.-HETZ,F., 1987 : Detection of Microcraks. Annals of CIRP, Vol.36/2, s. 545-552

52.

BRINKSMEIER,E.-SCHNEIDER,E,-THEINER,W.A.-TÖNSHOFF,H.K., 1984 : Nondestructive Testing for Evaluation Surface Integrity. Annals of CIRP, Vol.33/2, s. 489-505

53.

OHMORI,H.-NAKAGAWA,T., 1995 : Analysis of Mirror Surface Generation of Hard and Brittle Materials by Electrolytic in – process Dressing (ELID) with Superfined Grain Metallic Bond Wheels. Annals of CIRP, Vol.44/1, s. 287-290

54.

MAZURKIEVITZS,M., 1992 : High Pressure Lubricating Machining of Metals. US Patent No 5.148.728

55.

TÖNSHOFF,K.H. et al., 2000 : Cutting of Hardened Steel. Annals of CIRP, Vol.49/2, s. 547-566

56.

SHAW,M.C., 1997 : Metal Cutting Principles, Clarendon Press – Oxford, England

57.

WHITEHOUSE,D,J., 1994 : Handbook of Surface Metrology. Rank Taylor Hobson ,Ltd., England

63