VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Ústav strojírenské technologie
Ing. Jiří Kovář
TEORIE A PRAXE VYSOKORYCHLOSTNÍHO FRÉZOVÁNÍ THEORY AND EXPERIENCE OF HIGH SPEED MILLING
Zkrácená verze Ph.D. Thesis
Studijní obor:
23 – 07 – 9 strojírenská technologie
Školitel:
Doc. Ing. Imrich Lukovics, CSc.
Oponenti:
Doc. Ing. Josef Chladil, CSc. Prof. Ing. Alexander Janáč, CSc. Doc. Ing. Jaroslav Prokop, CSc.
Datum obhajoby:
28. 02. 2008
Klíčová slova Vysokorychlostní frézování, drsnost povrchu, řezné síly, řezné podmínky. Keywords High speed milling, surface roughness, cutting forces, cutting parameters
Disertační práce je uložena na oddělení vědy a výzkumu FSI VUT v Brně, Technická 2, 616 69 Brno.
© Jiří Kovář, 2009 ISBN 978-80-214-3832-3 ISSN 1213-4198
OBSAH
ÚVOD...................................................................................................................... 5 1
TEORIE FRÉZOVÁNÍ ................................................................................... 5
2
VYSOKORYCHLOSTNÍ FRÉZOVÁNÍ ....................................................... 6
2.1 2.2
2.5 2.6
Princip HSC frézování ......................................................................................................... 6 Tvoření třísky při vysokorychlostním frézování.................................................................. 7 2.2.1 Primární plastické deformace .................................................................................. 7 2.2.2 Sekundární plastická deformace .............................................................................. 8 2.2.3 Terciální plastická deformace povrchu obrobku ..................................................... 8 Stroje pro vysokorychlostní frézování ................................................................................. 9 2.3.1 Struktura frézovacích strojů a center....................................................................... 9 2.3.2 Konstrukce frézovacích strojů a center.................................................................... 9 2.3.2.1 Nosné rámy frézovacích center .......................................................................... 9 2.3.2.2 Vřetena frézovacích center............................................................................... 10 2.3.2.3 Pohony posuvů, pohybové mechanismy, komponenty a vedení...................... 10 2.3.3 Měření, senzorika a diagnostika ............................................................................ 10 2.3.3.1 Měření .............................................................................................................. 10 2.3.3.2 Senzory řezného procesu.................................................................................. 11 2.3.3.3 Diagnostika řezného procesu........................................................................... 11 2.3.4 CAD/CAM programování a CNC řízení ................................................................ 11 2.3.4 1 CAD/CAM programování................................................................................ 11 2.3.4.2 CNC řízení........................................................................................................ 11 Nástroje, nástrojové materiály ........................................................................................... 12 2.4.1 Materiály fréz ......................................................................................................... 12 2.4.2 Povlakování............................................................................................................ 12 2.4.3 Geometrie nástrojů ................................................................................................ 13 Jakost povrchu při vysokorychlostním frézování .............................................................. 13 Ekonomické a ekologické faktory vysokorychlostního frézování ..................................... 13
3
STANOVENÍ CÍLŮ PRÁCE........................................................................ 14
2.3
2.4
4 OVĚŘOVÁNÍ POZNATKŮ VYSOKORYCHLOSTNÍHO FRÉZOVÁNÍ V PRAXI ................................................................................................................... 15 4.1
4.2
Vliv řezných podmínek a geometrie břitu řezného nástroje na řezný odpor obráběného materiálu. ........................................................................................................................... 15 4.1.1 Frézování stopkovou válcovou frézou ............................................................... 15 4.1.2 Frézování stopkovou kopírovací frézou ............................................................ 16 4.1.3 Diskuse výsledků............................................................................................. 17 Vyhodnocení strategie frézování v závislosti na dosažené kvalitě obrobeného povrchu obrobku. ............................................................................................................................. 20
3
4.2.1 Zpracování naměřených hodnot ........................................................................... 20 4.2.2 Diskuse výsledků.................................................................................................. 21
5
ZÁVĚR.......................................................................................................... 22
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY................................................................... 24 CURRICULUM VITAE ....................................................................................... 26 ABSTRAKT .......................................................................................................... 27 ABSTRACT .......................................................................................................... 27
4
ÚVOD Dvacáté století zaznamenalo úžasný rozvoj mechanických výrobních technologií a jim odpovídajících výrobních strojů a zařízení z oboru obrábění a tváření. Díky vědeckým pracím na mnoha výzkumných pracovištích na celém světě bylo získáno velké množství poznatků v oboru technologie obrábění. Bohužel ne všechny jsou využívány. Je to proto, že nejsou v takové formě, aby byly buď přímo použitelné, nebo jsou známy jen malému okruhu pracovníků. Základním požadavkem, který je třeba uplatňovat při využívání nových metod je to, že by měly usnadnit plánování obráběcích operací, čímž by se dosáhlo optimální produktivity, jakosti a ceny. Pokud chce výrobce obstát v konkurenci, musí stále zlepšovat výrobní proces. Technologie, které jsou k dispozici, mohou být hospodárně využívány jen tehdy, když jsou pochopeny a transformovány kvalifikovanými spolupracovníky. Jedním z nejvíce diskutovaných témat dneška je technologie „HSC“ (high-speed cutting) – česky řečeno „vysokorychlostní obrábění“. Mnoho firem do této technologie investovalo velké náklady s cílem snížit cenu a zvýšit kvalitu výrobku. Velký pokrok udělaly i nové technologie povlakovací techniky v systému PVD a CVD, zlepšila se kvalita „jemnozrnného“ slinutého karbidu a umožnila se implantace diamantu a kubického nitridu bóru do SK. Použití jmenovaných materiálů zajišťuje vysokou řeznou rychlost při malém otěru břitu, čímž se dosahuje velmi kvalitního povrchu obrobku. Dnes je již jasné, že nástroje a stroje pro vysokorychlostní obrábění jsou hlavním současným trendem vývoje obráběcích strojů a výrobních technologií. HSC je moderní způsob vysoké produkce, který dává výrobci možnost produktivních řezných časů při lepší kvalitě povrchu s nižší výrobní cenou.
1
TEORIE FRÉZOVÁNÍ
Frézování je obrábění kovů, které se provádí dvěma na sebe vázanými pohyby: rotačním pohybem nástroje a posuvným pohybem obrobku. V současnosti je díky moderním obráběcím strojům možné realizovat posuvné pohyby plynule měnitelné ve všech směrech. Frézování se vyvíjí ve stále univerzálnější metodu obrábění, což je důsledkem rostoucí mnohostrannosti použití obráběcích strojů, řídících systémů a řezných nástrojů. Většina všech frézovacích operací se v dnešní době provádí na obráběcích centrech. V podstatě se pro frézování používají stroje, jejichž rozmanitost už nemůže být větší: počínaje staršími klasickými jednoúčelovými frézkami, až po současné moderní, dokonale vyvinuté víceosé CNC stroje. Frézování je velmi komplexním způsobem obrábění, nejen pokud se jedná o rozdílnost způsobů obrábění, ale také vzhledem k rozmanitosti strojů, nástrojů a obrobků. Při frézování spolupůsobí na výsledek obrábění ve značné míře stav
5
celého zařízení a charakter obrobku, což znamená, že je nutné věnovat pozornost určitým, částečně omezujícím faktorům. Největším problémem při obrábění řeznými nástroji je jejich nedostatečná stabilita – nejenom vzhledem ke kvalitě obrobeného povrchu, ale rovněž s ohledem na trvanlivost břitu. Výsledek obrábění rovněž závisí na výkonnosti stroje a nástroje. S neustálým vývojem v oblasti strojů a nástrojů dochází také k vývoji nových technologií a metod frézování.
2
VYSOKORYCHLOSTNÍ FRÉZOVÁNÍ
Vysokorychlostní obrábění není takovou novinkou jak by se bylo možno domnívat. Již koncem 20. let se němec C. Salomon zabýval účinky vysokých řezných rychlostí. Došel k závěru, že teplota při třískovém obrábění dosáhne maxima a při zvyšování řezné rychlosti opět klesá pod hodnotu kritickou pro řezný materiál. V průběhu desetiletí se této problematice věnovali i další vědci. Kronenberg vyslovil přitom teorii, že řezná síla zpočátku vzrůstá, potom však silně ubývá a Arndt zjistil, že opotřebení nástroje při vysokých řezných rychlostech značně narůstá. 2.1
PRINCIP HSC FRÉZOVÁNÍ
Vysokorychlostní obrábění sleduje zvýšení úběru třísek, kvality obráběného povrchu a životnosti nástroje podstatným zvýšením řezné rychlosti při sníženém průřezu třísky a snížené řezné síle. Vysoká relativní rychlost třísky vzhledem k čelní ploše nástroje spolu s novou kvalitou řezné hrany zvyšuje podíl tepla řezného procesu, které odchází s třískou, snižuje tepelné i mechanické namáhání nástroje a prodlužuje jeho životnost. Redukce tepelných toků do nástroje, rámů stroje a do obrobku za současného snížení řezných sil přináší zvýšení přesnosti obrobku a kvality jeho povrchu (Obr.1).
Obr.1: Charakteristiky vysokorychlostního frézování
6
2.2
TVOŘENÍ TŘÍSKY PŘI VYSOKORYCHLOSTNÍM FRÉZOVÁNÍ
Proces vysokorychlostního frézování je ve srovnání s konvenčním obráběním charakterizován hlavně změnou vzniku třísky a odchodu třísky, což je základ pro pochopení celé HSC-technologie. Protože vznik třísky velkou měrou závisí na materiálu, musí být odpovídající grafické zobrazení diferencováno podle vlastností materiálu. Tažné materiály, jako jsou většina ocelí, Al slitiny, Cu slitiny umožňují při metalografickém pozorování přetváření dislokacemi na suvných rovinách. Proto dochází v oblasti střižné roviny ke kontinuálnímu vzniku třísek a tím k tvorbě plynulých třísek. Při řezném procesu probíhají na obrobku a řezném klínu součastně tři hlavní procesy, které mají za následek vznik plasticky deformovaných oblastí. Tvary a velikosti těchto deformovaných oblastí určují kvalitu obrobeného povrchu, životnost břitu nástroje a tvar třísky. Jsou to: plastická deformace a návazný střih materiálu v střižné rovině – oblast primární plastické deformace třecí pochody relativním pohybem mezi odcházející třískou a čelní plochou nástroje – oblast sekundární plastické deformace třecí pochody relativním pohybem mezi obrobeným povrchem obrobku a hřbetní plochou nástroje – deformace povrchu obrobku 2.2.1 Primární plastické deformace Materiál klade plastické deformaci přetvárný odpor. Ten silně závisí na materiálu, geometrii břitu, řezných podmínkách, ale i na teplotě a rychlosti přetváření. Přetvárný odpor klesá se stoupající teplotou, stoupá však s přibývající rychlostí přetváření. U materiálu méně plastických dochází při řezném procesu k zužování oblastí plastické deformace a zvětšování úhlu střižné roviny (Obr.2, oblast 1). Velikost kritického kluzového napětí je větší a k jeho překročení dojde blíže u ostří než u materiálu s větší plasticitou, čímž se sníží velikost celkové deformace. Tříska při průchodu rovinou střihu zvýší v celém svém průřezu náhle svou teplotu (blízká teplotě tavení). Vlivem teploty dochází ke změně metalurgických, chemických a mechanických vlastností třísky. Tříska změkne, třecí síla i celkový řezný odpor klesne, zvětší se úhel střižné roviny, ztenčí se průřez třísky, zvýší se rychlost jejího odchodu z kontaktní zóny. S rostoucím úhlem břitu nástroje β a rostoucím poloměrem špičky ostří se mění velikost výsledné síly působící z břitu nástroje na odebíranou vrstvou. Dochází k rozšiřování oblasti primární deformace, zmenšování úhlu střižné roviny, růstu plastické deformace v odřezávané vrstvě, z čehož vyplívá rostoucí celková deformace materiálu obrobku.
7
2.2.2 Sekundární plastická deformace Se vzrůstající řeznou rychlostí roste celkové množství tepla řezného procesu a to téměř úměrně s narůstající rychlostí střihu třísky a intenzitou tření třísky o nástroj. Sekundární plastická deformace vzniká za pomoci vysokých teplot a velkých tečných napětí mezi materiálem třísky a břitem nástroje při řezání (Obr.2, oblast 2). U konvenčního obrábění mají tyto tečné napětí za následek vznik vysokých přítlačných a třecích sil na čele nástroje. Vzniklé teplo podporuje difúzní procesy na čele nástroje a vyvolává vymílání kráteru. U vysokorychlostního obrábění dosáhne tříska teploty tavení. Tříska změkne a sníží se celkový řezný odpor. Zvětší se úhel střižné roviny a zvýší se rychlost jejího odchodu z kontaktní plochy. Na spodní straně třísky dochází k vytvoření tekuté vrstvy materiálu, která má za následek snížení koeficientu tření µ. Se zvyšující se řeznou rychlostí koeficient tření klesá. Tím je tření na čelní ploše nástroje redukováno, ubývá pěchování třísky a narůstá zakřivení třísky. Tyto zákonitosti dovolují třísce předat nástroji teplo jen na malé kontaktní ploše a jen po krátkou dobu. Tím je přenos tepla do nástroje velmi minimalizován a opotřebení nástroje eliminováno. 2.2.3 Terciální plastická deformace povrchu obrobku Ostří břitu vyvolá v místě styku s obráběným materiálem napětí. Toto napětí vyvolá v povrchu obrobku plastickou deformaci. Vlivem poklesu řezných sil a snížením přenosu tepla do nástroje dojde k zvýšení rozměrové přesnosti a kvality obráběného povrchu (Obr.2, oblast 3). Nízká teplota obrobku nedovolí rekrystalizaci materiálu a proto má nově vzniklá povrchová vrstva obrobku vyšší tvrdost.
Obr.2: Princip vzniku třísky Při vysokorychlostním obrábění je eliminována možnost chlazení místa řezu emulzí. Je dána přednost suchému obrábění. Další možností je použití proudu vzduchu s malým přídavkem řezného oleje, který tvoří mlhovinu a přimazává řeznou hranu. Tento princip je nazýván „kvazisuché obrábění“.
8
2.3
STROJE PRO VYSOKORYCHLOSTNÍ FRÉZOVÁNÍ
Na moderní obráběcí stroj je kladeno mnoho požadavků, které můžeme shrnout do tří hlavních cílových skupin – trvalá přesnost, vysoká produktivita a snaha přizpůsobitelnosti změnám výroby. Zásadní vliv na kvalitu obráběcího stroje má řešení jeho nosné soustavy, která zprostředkovává přenos řezných sil a dynamických i proměnných váhových sil od nástroje k obrobku přes pevné i pohyblivé části stroje a je řetězcem rozhodujícím o jeho pracovní přesnosti. 2.3.1 Struktura frézovacích strojů a center Nosná soustava stroje se skládá z pasivních a aktivních členů. Mezi pasivní členy patří pevné, nepohyblivé části základního stroje, ovládané pohyblivé díly včetně vřeten (nástrojů i obrobků), upínače, pohyblivá spojení a pasivní mechanismy pohonů. Mezi aktivní členy patří pohonné motory, senzory pohonů, řízení vedlejších pohybů stroje a kompenzace polohových úchylek a deformací stroje, nástroje i obrobku. Aktivní členy mohou kompenzovat chyby pasivních členů. 2.3.2 Konstrukce frézovacích strojů a center Přednosti HSC technologií jsou značné, jejich uplatnění však klade řadu nových náročných požadavků na konstrukci HSC strojů. Konstrukce strojů může být s vertikálním nebo horizontálním vřetenem, stroje tříosé nebo pětiosé, stroje jednovřetenové nebo vícevřetenové, sériové, nebo paralelní struktury rámu. 2.3.2.1 Nosné rámy frézovacích center HSC technologie vyvolávají koncepční změny konstrukce obráběcích strojů, které začínají již při řešení jejich rámů. Objevuje se celá řada netradičních typů rámů i ostatních komponent obráběcích center, jejichž cílem je zejména zvýšit tuhost nosné soustavy, snížit pohybující se hmoty, zlepšit odvod třísek a zvýšit časovou vytíženost a produktivitu strojů. Rámy musí být lehké a tuhé s velkou statickou a dynamickou tuhostí. Musí zajistit dobré tlumení mechanických šoků a odolnost proti vzniku samobuzených kmitů. Dále je požadována malá tepelná deformace rámu a jeho časová stálost tvaru (bez vnitřního pnutí v hlavních tělesech rámu). Převážná část procesního tepla odchází s třískou a proto je nutné zabezpečit rychlé odstraňování třísek z pracovního prostoru stroje. Způsob řešení výše uvedených požadavků se liší podle toho, z jakého materiálu je rám vyroben a jaké koncepce stroj je.
9
2.3.2.2 Vřetena frézovacích center Nově vyvinuté HSC stroje jsou většinou vybaveny integrovanými vřeteny se zabudovaným koaxiálním bezkartáčovým (asynchronním nebo synchronním) motorem opatřeným vnějším mazacím a chladícím subsystémem. Tyto vřetena mají průtokově chlazený stator i rotor. Vřetena musí být silově předepnuta v radiálním i axiálním směru a pracovat bez vůle, s dobrou tuhostí i účinností v celém rozsahu otáček a pracovních teplot. Motory mají elektronické přepínání statorových vinutí během otáčky. U asynchronních motorů je kroutící moment vyvozován účinkem vířivých proudů indukovaných v „kleci“ rotoru. Podíl synchronních motorů narůstá také díky možnosti dosažení vyšších parametrů na jednotku objemu a váhy. Integrovaná vřetena bývají vybavena diagnostickými senzory pro sledování jejich činnosti. Jedná se o senzory teploty, vibrací, průhybu, přenášeného momentu. Vysokootáčková vřetena jsou velni citlivá na vyváženost, která může být vyvolána vlastním vřetenem, nástrojem i zařízením pro upínání a automatickou výměnu nástrojů. Důležitou podmínkou vyvážení je správná volba upínacího zařízení pro nástroj. Používá se dutý kužel HSK při hodnotě G 2,5. Jistým řešením je použití automatické samovyvažovací hlavy. Vyvážení se provádí po upnutí nástroje. Vyvážení proběhne v čase kratším než jedna sekunda. 2.3.2.3 Pohony posuvů, pohybové mechanismy, komponenty a vedení Požadovaný nárůst rychlostí pracovních posuvů a rychloposuvů je spojen s nutností redukovat zdroje tepla na minimum, zabezpečit řádově vyšší spolehlivost motorů a eliminovat závislost spolehlivosti na údržbě. To vede jednoznačně k použití výlučně synchronních bezkartáčových motorů v rotačním i lineárním provedení s magnety z NdFeB. Důležitou vlastností těchto motorů je rychlost polohování a zrychlení. Čím větší je zrychlení, tím rychleji stroj dosáhne požadované rychlosti a totéž platí i pro zpomalení pohybu. Řezný proces probíhá až po urychlení pohybů obráběcích strojů na pracovní posuvovou rychlost. 2.3.3 Měření, senzorika a diagnostika Základem přesné a spolehlivé funkce polohových servomechanismů obráběcího stroje jsou polohové odměřovací systémy. Senzory pro měření a monitorování řezného procesu, nástrojů, obrobku a stroje umožňují doplnit základní CNC řízení o adaptivní řízení řezných podmínek a aktivní řízení rozměrů. 2.3.3.1 Měření Odměřovací systémy pracují na principu optickém, fotoelektrickém, elektromagnetickém, magnetoindukčním a laserovém s odměřovacími inkrementy méně než 0,1 µm. Existuje velké množství konstrukčních provedení odměřovacích
10
systémů a prvků pro všechny potřebné aplikace. Jako např. odměřování úhlové polohy, lineární polohy, kontrola obrobených ploch, použití kontaktních měřících a skenovacích sond nebo senzorů řezných procesů. 2.3.3.2 Senzory řezného procesu HSC obrábění je náročný řezný proces, který by měl být průběžně sledován a monitorován z hlediska kvality a bezpečnosti. přímé měření – využívají např. senzory pro monitorování opotřebení a lom nástroje, jenž přímo měří tvar nástroje, rozměr a kvalitu břitu. nepřímé měření - stav a změny nástrojů vyvolané jejich opotřebením či lomem lze monitorovat nepřímo pomocí měření jevů, které se změnou stavu nástrojů zákonitě souvisí. Jedná se hlavně o měření řezných sil, momentů, vibrací, příkonu a výkonu řezného procesu, teploty nástroje. Volbu měřící metody ovlivňují fyzikální principy senzorů. 2.3.3.3 Diagnostika řezného procesu Cílem diagnostiky řezného procesu i stroje je průběžně sledovat řezný proces i stav stroje, poskytnout data pro korekční zásahy a v případě nutnosti zastavit stroj a poskytnout data pro identifikaci a odstranění závad. Diagnostika pokrývá oblast informačního zpracování monitorovaných informací i jiných CNC a PLC dat, které má k dispozici nebo může průběžně získávat s cílem analýzy a zjištění příčin a zdrojů poruch. 2.3.4 CAD/CAM programování a CNC řízení 2.3.4 1 CAD/CAM programování Na začátku každého procesu obrábění je nutno definovat tvar výchozího materiálu, konečný tvar výrobku a tvar nástroje. NC Verify - je program doplňující CAM systém o možnost ověření dráhy nástroje před spuštěním samotného stroje. Postprocesing - jednoduše řečeno, jde o překlad INC souborů (tedy již vygenerovaných drah nástroje) do řeči srozumitelné příslušnému řídícímu systému obráběcího stroje. 2.3.4.2 CNC řízení Skutečné využití rychlosti mechanických os záleží na CNC systému, který zpracovává vstupní údaje. Volba optimálního řídícího systému závisí na spektru výrobků, které bude stroj vyrábět. CAM data, které jsou řídícím systémem načítána, jsou poměrně velká. Jestliže se data dostatečně rychle nezpracovávají , systému data
11
chybí a dojde k výpadku systému. Prudké změny směru posuvu při frézování rohů musí být efektivně zvládnuty, jinak se ostrý roh „podřeže“ a bude vyroben jako zaoblený. Dnešní moderní CNC řídící systémy mají propracované vyhledávací funkce, které umožňují při obrábění načtení velkého množství dat dopředu a tím zajistit přesné obrobení výrobku. 2.4
NÁSTROJE, NÁSTROJOVÉ MATERIÁLY
2.4.1 Materiály fréz Slinuté karbidy SK - jsou kombinované materiály na bázi práškových kovů. Sestávají z tvrdých karbidů, které jsou uložené v relativně měkké kovové pojivové fázi. Úkolem pojivové fáze je spojení křehkých karbidů do pevného tělesa. Prostřednictvím karbidů se získá vysoká tvrdost při vysokých teplotách a odolnost proti opotřebení. Cermety - lze považovat za slinuté karbidy. Tvrdé složky v nich tvoří karbidy titanu, nitridy titanu a karbonitridy titanu, které nahrazují karbidy wolframu. Jako pojivo se používá Co, Ni. Jedná se o řezný materiál, který své uplatnění našel hlavně při dokončovacím obrábění. Keramické řezné materiály - jsou slinuté kombinované materiály a lze je rozčlenit do dvou základních typů: keramické materiály na bázi kysličníku hlinitého a nitridu křemičitého. Řezné keramiky mají obecně vyšší tvrdost a tepelnou odolnost než slinuté karbidy, jsou však také podstatně křehčí a vykazují částečně slabá místa v chemické stabilitě. Hlavní oblastí použití je obrábění šedé litiny. Kubický nitrid bóru CBN - tento materiál je produktem vysokotlakého sintrování, jehož výsledkem je spojení kubických krystalů bóru s keramickým nebo kovovým pojivem. Má vynikající výkonnost, vysokou tvrdost si zachovává i při extrémních teplotách (2000°C), velkou odolnost vůči abrazivnímu opotřebení. Polykrystalický diamant PKD - jeho mimořádná tvrdost umožňuje odolávat vysokému abrazivnímu opotřebení. Jemné krystaly diamantu jsou spojovány slinováním za vysokých teplot a tlaků. Poloha krystalů je nahodilá a v žádném směru nevytváří místa, která by mohla být zdrojem lomu. Z tohoto důvodu může tvrdost a odolnost proti opotřebení působit stejnou měrou ve všech směrech. 2.4.2 Povlakování Významnou roli v moderních řezných materiálech hrají vysoce otěruvzdorné a teplotě odolné tvrdé vrstvy nanesené na břit. Tyto vrstvy nejen že snižují tření mezi břitem a obrobkem (třískou) coby druh „pevného maziva“, ale mění i tepelný režim v oblasti vzniku třísky a břitu. Svými izolačními účinky snižují tepelné zatížení substrátu břitu a zároveň zvyšují podíl tepla odváděného třískou. Samotný substrát SK se před povlakováním obohacuje kobaltem.
12
V praxi se používá metoda povlakování CVD (chemical vapour deposition) resp. MT CVD a metoda PVD (physical vapour deposition). 2.4.3 Geometrie nástrojů Pro frézování se používají frézovací nástroje s VBD nebo monolitní frézy. Prvně jmenovaných nástrojů je celá řada a jejich provedení a geometrie závisí od případného použití. Naopak použití fréz z celistvého řezného monolitního materiálu je omezenější a dnes se prakticky pro HSC používají jen ve formě stopkových válcových čelních fréz, stopkových toroidních fréz a stopkových kopírovacích fréz. 2.5
JAKOST POVRCHU PŘI VYSOKORYCHLOSTNÍM FRÉZOVÁNÍ
Každý druh řezného nástroje zanechává na obráběném povrchu více nebo méně charakteristické, opticky viditelné a měřitelné stopy. Vzhled obrobené plochy je určován použitým procesem obrábění a směrem, ve kterém nástroj řezal. V dnešní době lze frézováním vytvářet povrchy dokonalé jakosti, čehož bylo v dřívějších dobách možné dosáhnout jen broušením. To znamená, že se změnily souvislosti mezi jakostí obrobené plochy a výrobními náklady. Teoreticky dosažitelnou jakost obrobeného povrchu lze pro procesy frézování vypočítat. Výsledek výpočtu je výchozím bodem pro určení, jaké jakosti povrchu může být za ideálních podmínek dosaženo. Skutečný výsledek je ovlivňován velkým počtem faktorů, které se v procesu obrábění vyskytují. Mimoto působí na jakost obrobeného povrchu statická a dynamická tuhost celého systému, sestávajícího z nástroje , stroje a obrobku. Se zlepšující se jakostí obrobeného povrchu obrobku se zpravidla zvyšují výrobní náklady. Je proto velmi důležité, specifikovat parametry povrchu s ohledem na rozdílné požadavky, kladené na obrobek. 2.6 EKONOMICKÉ A EKOLOGICKÉ VYSOKORYCHLOSTNÍHO FRÉZOVÁNÍ
FAKTORY
Hlavní výhody vysokorychlostního obrábění: objem odebraného materiálu za jednotku času vzroste tři až pětkrát posuvové rychlosti vzrostou pět až desetkrát vlivem menšího pěchování třísky dochází k poklesu řezné síly o 30%, a je tedy možné vyrábět tenkostěnné součásti, neboť pasivní síly deformující obrobek jsou minimální významně klesá tepelné namáhání nástroje, protože téměř veškeré teplo je odváděno třískami a nepřechází do nástroje. při dokončovacím vysokorychlostním obrábění je dosahováno vysoké kvality povrchu
13
snížení namáhání nástroje i stroje řeznou silou má za následek vyšší dlouhodobou přesnost obrábění. Z výše uvedených výhod rychlostního frézování vyplívá, že z ekonomického hlediska je zavedení této technologie do výroby velmi výhodná. Snižují se energetické náklady, poněvadž požadovaný příkon frézovacích vřeten je nižší než u konvenčních strojů. Požadovaného tvaru výrobku je dosaženo ve velmi krátkém čase. Obráběný materiál je možno frézovat v tepelně zušlechtěném stavu na jedno upnutí, tj. výrazné snížení výrobních časů. V mnoha případech odpadá nutnost finálního ručního dokončení a leštění, které je časově velmi náročné a z hlediska rozměrové přesnosti ne vždy vhodné. Je možno plně využít kvalit moderních řezných nástrojů, které jsou pro tuto technologii určeny. Podmínkou rychlostního obrábění je upřednostnění kvazisuchého a suchého obrábění. Tudíž dochází k výraznému snížení nákladů spojených s řeznými oleji a emulzemi. Toto omezení má příznivý vliv na životní prostředí a zdraví obsluhy CNC center.
3
STANOVENÍ CÍLŮ PRÁCE
Tato disertační práce si dává za úkol přiblížení problematiky vysokorychlostního frézování. Ve studijní části jsou obsaženy obecné základní teze vysokorychlostního frézování. Tomuto tématu je věnována značná část z teorie frézování. Experimentální část práce si dává za cíl objasnit či potvrdit některé teze vysokorychlostního obrábění. Bude vyhodnocován vliv řezných podmínek a geometrie břitu řezného nástroje na řeznou sílu obráběného materiálu. Cílem těchto měření bude určit optimální řezné podmínky pro praxi. Řeznou sílu bude ovlivňovat geometrie nástroje, obráběný materiál, tloušťka odřezávané vrstvy a řezná rychlost vc . Určeni velikosti řezných sil, působící při obrábění na nástroj může mít v praxi uplatnění při volbě strategie frézování, jakož i určení řezných podmínek. Strategie frézování bude v praxi samozřejmě ovlivněna parametry CNC center a možnostmi použitých obráběcích nástrojů. Volba řezných podmínek ovlivňuje jak bylo již výše zmíněno opotřebení nástroje, čas obrábění, tak také drsnost obrobené plochy a její rozměrovou přesnost. S tím souvisí poslední část experimentálních měření, která budou vyhodnocovat vliv řezných podmínek a strategie frézování na přesnost a drsnost obrobeného povrchu. Cílem měření bude určit vhodnost sousledného a kombinovaného kopírovacího frézování, při proměnné řezné rychlosti a tloušťce třísky v závislosti na dosažené drsnosti obrobené plochy. Vyhodnocovány budou parametry drsnosti Ra a Rz, které budou porovnávány s vypočítanými. Dosažené výsledky budou zpracovány, statisticky vyhodnoceny a budou podkladem k vyvození závěru a aplikování v praxi.
14
4 OVĚŘOVÁNÍ POZNATKŮ FRÉZOVÁNÍ V PRAXI
VYSOKORYCHLOSTNÍHO
4.1 VLIV ŘEZNÝCH PODMÍNEK A GEOMETRIE BŘITU ŘEZNÉHO NÁSTROJE NA ŘEZNÝ ODPOR OBRÁBĚNÉHO MATERIÁLU. V této části experimentální práce byl sledován vliv řezných úhlů břitu nástroje při různých řezných podmínkách použitím různých materiálů na řezné síly. Experimenty byly provedeny na 5-ti osém CNC, vybaveném piezoelektrickým dynamometrem KISTLER 5019A, zesilovačem, systémovým filtrem a signálním záznamníkem. Tato soustava zaznamenávala složky řezných sil Fx, Fy, Fz, které působily na řezný nástroj při obrábění. Tento test byl rozdělen na 2 hlavní části. 4.1.1 Frézování stopkovou válcovou frézou V této části byly složky řezných sil Fx, Fy, Fz, zaznamenávány při obrábění Al slitiny 42 4203.01. Použity byly dvě monolitní válcové frézy φ6 mm s rozdílnou geometrii břitu při rozdílné hodnotě přísuvu ae. Bylo zvoleno sousledné frézování. Obráběný materiál byl připevněn na piezoelektrický dynamometr. Nástroj konal posuv vf v ose Y a přísuv ae v ose X. Délka dráhy nástroje, po kterou byly zaznamenávány řezné síly činila 100 mm (obr.3). Hloubka řezu byla konstantně zvolena 2 mm. Při těchto měřeních se měnila hodnota přísuvu ae , která činila 1/3 a 1/2 průměru frézy, tedy 2 mm a 3 mm. Cílem měření bylo zjistit závislost změny geometrie břitu nástroje, změny velikosti hodnoty přísuvu ae, změny řezné rychlosti a posuvu fz frézy na složky řezných sil. Tyto naměřené hodnoty budou dále přepočteny na aktivní složku řezné síly Fa a výslednou řeznou sílu F. Řezné podmínky viz. Tab. 1. Tyto řezné podmínky byly aplikovány pro každý nástroj zvlášť při proměnné hodnotě přísuvu ae. Bylo tedy provedeno 36 kombinací měření.
Obr.3: Schéma měření složek řezných sil stopkovou válcovou frézou
15
Tab. 1: Řezné podmínky pro frézování Al slitiny Č. měření
n [ot/min]
vf [mm/min]
fz [mm]
vc [m/min]
1 2 3 4 5 6 7 8 9
20 000 30 000 40 000 20 000 30 000 40 000 20 000 30 000 40 000
1 800 1 800 1 800 2 700 2 700 2 700 3 600 3 600 3 600
0,03 0,02 0,015 0,045 0,03 0,0225 0,06 0,04 0,03
376 565 753 376 565 753 376 565 753
Naměřené hodnoty byly zpracovány v programu Excel a ve statistickém softwaru Statgraphics XV.II, při využití analýzy rozptylu. Dynamometr měřil při amplitudové frekvenci f = 125 000 Hz. Výstupní data dynamometru byly zaznamenány v tabulkovém formátu *.txt. V programu Excel byly tyto data převedeny na spojnicové grafy. Při známé frekvenci a otáčkách vřetene byly zaznamenány maximální hodnoty složek řezných sil vztažené vždy na jeden břit nástroje. Válcové nástroje byly broušeny s jedním zubem přes střed. Tento zub vykazoval vždy vyšší hodnoty řezné síly než zbývající dva. Měřený úsek vzorku byl symetricky rozdělen na 5 skupin. Z každé části bylo shodně použito 10 hodnot složek řezných sil, které byly zpracovány v softwaru Statgraphics při využití analýzy rozptylu. Úkolem této analýzy bylo zjistit, zda-li se průměry jednotlivých skupin mezi sebou výrazně statisticky neliší. Pokud by se lišily, znamenalo by to, že proces není dostatečně stabilní a výsledné hodnoty jsou ovlivněny. Tabulky v příloze č. 4 a 5 ukazují, že testová statistika F je menší než 1, což znamená, že variabilita mezi skupinami může být dokonce menší než uvnitř skupin, a tedy tím spíše není důvod zamítat nulovou hypotézu. Protože všechny hladiny významnosti p byly výrazně vyšší než α = 0,05, můžeme učinit závěr, že průměrná hodnota složek řezných sil je ve všech 5 daných skupinách stejná. Pro výpočet byla pro rozklad ve směru vektoru posuvu vf přiřazena pro posuvovou složku řezné síly Ff složka Fy, pro Ffn složka Fx, pro Fp složka Fz. Aktivní složka výsledné řezné síly byla vypočítaná kvadratickým součtem složek ve směru posuvu Fx a Fy. Celková řezná síla pak kvadratickým součtem aktivní složky Fa a pasivní Fp. 4.1.2 Frézování stopkovou kopírovací frézou Tyto experimenty zaznamenávaly složky řezné řezné síly při obrábění nástrojové oceli19 552 (46 HRC) a 19 573(62 HRC) kopírovací stopkovou frézou φ6 mm. Opět bylo zvoleno sousledné frézování. Konstantně byla zvolena hloubka řezu ap = 0,6 mm, šířka řezu (přísuv) ae = 0,4 mm. Obráběný materiál byl připevněn na
16
piezoelektrický dynamometr. Nástroj konal posuv v ose Y a přísuv ae v ose X. Řezný nástroj obráběl s nulovým vyklopením. Délka dráhy nástroje, po kterou byly zaznamenávány řezné síly činila 100 mm (obr.4). Řezné podmínky pro oba materiály jsou uvedeny v Tab. 2. Tyto řezné podmínky byly aplikovány pro každý materiál zvlášť. Bylo tedy provedeno 18 kombinací měření. Výše uvedené experimentální měření měly za úkol zjistit, jak jsou řezné síly působící na řezný nástroj během obrábění ovlivňovány změnou řezných parametrů. Jako nezávisle proměnná vstupuje do procesu řezná rychlost, střední tloušťka odřezávané vrstvy, geometrie nástroje, obráběný materiál. Závisle proměnnou je pak velikost složek řezných sil Fx, Fy, Fz.
Obr.4: Schéma měření složek řezných sil stopkovou kopírovací frézou Tab. 2: Řezné podmínky pro frézování oceli Č. měření
n [ot/min]
vf [mm/min]
fz [mm]
vc [m/min]
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 000 20 000 30 000 10 000 20 000 30 000 10 000 20 000 30 000
3 000 3 000 3 000 4 500 4 500 4 500 6 000 6 000 6 000
0,15 0,075 0,05 0,225 0,113 0,075 0,3 0,15 0,1
113 226 339 113 226 339 113 226 339
4.1.3
Diskuse výsledků
Z experimentů vyplývá, že se zvyšující se střední tloušťkou odřezávané vrstvy rostou ve většině případů také složky řezných sil. Pro názornost se podívejme na složku řezné síly Fx při obrábění hliníkové slitiny. Při konstantní řezné rychlosti a zvyšujícím se posuvu fz se průřez třísky zvětšuje. Znamená to, že břit nástroje
17
odebírá větší množství materiálu a zatížení nástroje ve směru normály k obrobku narůstá. Pokud ovšem zvýšíme řeznou rychlost, bude toto zatížení menší. Experimenty dokázaly, že při nejvyšší řezné rychlosti vc = 753 m/min vykazovala složka řezné síly Fx nejnižší hodnoty. V praxi to znamená, že pokud by se např. při posuvu obrábění vf = 3600 m/min, zvýšila řezná rychlost z vc = 376 m/min o 100% na vc = 753 m/min, složka řezné síly Fx se sníží cca o 2/3. Tuto tézi také potvrzují měření č. 1, 5 a 9, které shodně obráběly s konstantním posuvem vf = 0,03 mm. Se zvyšující se řeznou rychlostí se složka řezné síly Fx zmenšovala. Vysoká hodnota složky řezné síly působící v rovině normály k obráběnému povrchu negativně ovlivňuje rozměrovou přesnost obrobené plochy. Dochází k tzv. odtlačení nástroje, které je dále stupňováno vyšším vyložením řezného nástroje. 200 180
složka řezné síly Fx [N]
160 140 120 100 80 60 40
3600
20 2700 0
posuv v f [mm/min]
1800
376 565 753 řezná rychlost v c [m/min]
Obr.5: Graf složky řezné síly Fx nástroje Al_1, ae = 3 mm Složky řezných sil Fy a Fz již tak jednoznačně tuto teorii nepotvrzovaly. Lze říci, že se zvyšujícím se posuvem fz roste ve většině případů také složka řezných sil Fy. Ovšem nejmenších hodnot nedosahovala složka řezné síly Fy při nejvyšší řezné rychlost, ale při řezné rychlosti vc = 565 m/min. Se zvyšující se řeznou rychlostí na hodnotu vc = 753 m/min narůstala i hodnota složek řezné síly Fy. Stejný trend vykazují i hodnoty složky řezné síly Fz. Taky není nejmenších hodnot dosaženo nejvyšší řeznou rychlostí, ale při řezné rychlosti vc = 565 m/min. Při porovnání měření č. 1, 5 a 9, které shodně obráběly s konstantním posuvem fz = 0,03 mm jde vidět, že při zvýšení řezné rychlosti z hodnoty vc = 376 m/min o 50% na hodnotu vc = 565 m/min složky řezných sil Fz klesnou také zhruba o 50%. Při dalším zvýšení o 50% na hodnotu vc = 753 m/min se však řezné síly zvýší zhruba o 50%. Pokud porovnáme hodnoty složek řezných sil při přísuvu ae = 2 mm a ae = 3 mm, můžeme opět říci, že vyšší přísuv znamená vyšší střední tloušťku třísky a tím vyšší hodnoty složek řezných sil. Tohle bylo 100% splněno u složek řezných sil Fx a Fy, tvořící aktivní složku řezné síly Fa. Nárůst hodnot složek řezných sil nebyl ovšem tak velký, jako samotný nárůst přísuvu. Jestliže se přísuv zvýšil z ae = 2 na ae = 3 mm o 1/3 (50%), složky řezných sil Fx a Fy se zvýšily o 30% při řezné rychlosti vc = 376 m/min a jen o 10% při řezné rychlosti 18
vc = 753 m/min. Přísuv 1/2 průměru nástroje není v praxi zcela ideální. Předmětem dalších experimentů by mohlo být porovnání při přísuvu ae = 4 mm, což jsou 2/3 průměru nástroje. Tyto měření ukazují, že nejoptimálnějších řezných podmínek bylo použito u posledního 9. měření, i když u tohoto měření nejsou hodnoty řezné síly F nejnižší. U tohoto měření je řezná síla F větší o cca 18% než u měření č. 6 a zhruba o 35% vyšší než u měření č. 3, kde je řezná síla nejnižší ze všech. Ovšem u měření č. 9 je úběr materiálu vlivem vyššího posuvu o 50% vyšší než u měření č. 6 a o 100% vyšší než u měření č. 3. 300
výsledná řezná síla F [N]
250
200 ae = 2 mm
150
ae = 3 mm
100
50
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
č. měření
Obr.6: Graf výsledné řezné síly F nástroje Al_1, ae = 2 mm, ae = 3 mm Experimenty prováděné při frézování ocelových vzorků monolitní kopírovací frézou měly velmi podobné závěry. Složky řezných sil Fx měly zcela stejný průběh jako hliníkové vzorky frézované monolitními válcovými frézami. Se zvyšujícím se posuvem fz vzrůstá střední tloušťka třísky a tím i roste hodnota složky řezné síly Fx. Jestliže u hliníkových slitin jsme při zvýšení řezné rychlosti z vc = 376 m/min na vc = 753 m/min (o 100%) dosáhli snížení hodnot složky řezné síly o cca 60%, u oceli je to podstatně více. U vzorku z oceli 19 552 (46 HRC) tohle snížení činí zhruba 70%, u vzorku z oceli 19 573 (62 HRC) činí dokonce už 85% při daných posuvech fz. Při stejném posuvu fz bylo nižších hodnot složky řezné síly Fx opět dosaženo při vyšší řezné rychlosti. Průběh složek řezných sil pro materiál 19 552 (46 HRC) byl stejný, jako u hliníkové slitiny. Nejlepších výsledků nebylo dosaženo při nejvyšší řezné rychlosti, ale stejně jako u hliníkové slitiny při řezné rychlosti vc = 226 m/min. U vzorku z oceli 19 573 (62 HRC) byl však průběh jiný. Nejnižších hodnot složky řezné síly Fy bylo dosaženo při nejvyšší řezné rychlosti vc = 339 m/min. U této nejvyšší řezné rychlosti nedocházelo při zvyšování posuvu fz a tím i střední tloušťce třísky k nárůstu hodnot složky řezné síly Fy. Naopak, tyto hodnoty mírně klesaly. Složky řezných sil Fz měly pro oba dva materiály stejný průběh, podobný jako u složek Fx. Při porovnání aktivních složek řezné síly Fa a výsledných řezných sil F obou materiálů je patrný rozdíl v dosažených hodnotách. Tento rozdíl je způsoben rozdílnou tvrdostí obou ocelových vzorků. Zaměřme se nyní jen na hodnoty Fa a F při konstantních řezných rychlostech a proměnným posuvem fz. Pro materiál 19 552 19
(46 HRC) se jeví jako nejideálnější řezná rychlost vc = 226 m/min. Pro tvrdší materiál 19 573 (62 HRC) je ideální vyšší řezná rychlost vc = 339 m/min. Pokud si porovnáme měření obou vzorků s řeznou rychlostí vc = 226 m/min, zjistíme že u tvrdšího materiálu jsou hodnoty řezné síly zhruba o 25% vyšší. Při řezné rychlosti vc = 339 m/min jsou naopak v průměru o cca 63% nižší. Z tohoto pohledu se právě jako nejoptimálnější jeví řezné podmínky použité u posledního 9. měření, i když u tohoto měření nejsou hodnoty řezné síly F nejnižší. U tohoto měření je řezná síla F větší o cca 18% než u měření č. 6 a zhruba o 40% vyšší než u měření č. 3, kde je řezná síla nejnižší ze všech. Ovšem u měření č. 9 je úběr materiálu vlivem vyššího posuvu o 50% vyšší než u měření č. 6 a o 100% vyšší než u měření č. 3. Námětem možných experimentů by mohlo být sledovat opotřebení břitu nástroje při těchto řezných podmínkách 4.2 VYHODNOCENÍ STRATEGIE FRÉZOVÁNÍ V ZÁVISLOSTI NA DOSAŽENÉ KVALITĚ OBROBENÉHO POVRCHU OBROBKU. Tato část experimentální práce sleduje vliv zvolené strategie frézování a řezných podmínek frézování na kvalitu povrchu obrobku při kopírovacím frézování. 4.2.1 Zpracování naměřených hodnot Experimenty byly provedeny na 5-ti osém frézovacím centru DMU 80P. Nástroj frézoval sousledně a v kombinaci sousledně-nesousledně. Byly zvoleny tři řezné rychlosti vc a dva posuvy na zub fz. Šířka řezu ae byla volena shodně s hodnotou fz daného měření (Obr. 7b). Axiální hloubka řezu ap byla pro všechny měření konstantně zvolena 0,2 mm. Celkem bylo frézováno 12 vzorků (Tab. 3).
Obr.7: a) naklonění kopírovací frézy, b) struktura obrobeného povrchu Byla použita kopírovací fréza s dvou břitou VBD φ 12 mm. Pro každé jednotlivé měření vždy nová VBD. Stopka nástroje byla v kombinaci slinutého karbidu a oceli. Vyložení nástroje 50 mm z hydroupínače. Nástroj byl vykloněn k řezu pod úhlem βs = 15º (Obr. 7a). Obráběným materiálem byla nástrojová ocel 19 552 tvrdosti 50 HRC. Rozměry frézované plochy jednoho vzorku 35 x 20 mm. Drsnost povrchu Ra a Rz obrobku byla měřena v příčném a podélném směru ke směru frézování. Byl použit přenosný dílenský drsnoměr Mitutoy SJ-301.
20
Tab. 3: Řezné podmínky měření drsnosti vf [mm/min]
vc [m/min]
n [ot/min]
150
7820
1560
2350
180
9390
1880
2820
210
10950
2190
3285
fz = 0,1 [mm] fz = 0,15 [mm]
4.2.2 Diskuse výsledků Ze znázorněných obrázků vyplívá, že teoreticky by hodnoty drsnosti naměřené ve směru X a Y měly být shodné. Experimenty však ukazují, že ve směru X (kolmém na posuv) je drsnost zhruba o 40 – 50% vyšší. Toto potvrzuje i Obr. 8, který je mikroskopickým zvětšením obrobené plochy. Opticky jde vidět vyšší plastická deformace obrobeného povrchu ve směru X. To může být způsobeno vytvářením nárůstků na břitu, který vytváří v tomto směru stopy na povrchu. Tuto terciární deformaci povrchu obrobku způsobují také samotné třecí pochody relativním pohybem mezi obrobeným povrchem obrobku a hřbetní plochou nástroje. Skutečná drsnost povrchu je mnohonásobně vyšší, než vypočítaná. U vzorků frézovaných přísuvem 0,15 mm je skutečná drsnost 3 až 5 krát vyšší než teoretická, u vzorku frézovaných přísuvem 0,1 mm dokonce 4 až 11 krát vyšší. To znamená, že čím byl frézovaný povrch hrubější, tím více se blížil teoretickým výpočtům.
Obr.8: Mikroskopické zvětšení plochy frézovaného vzorku Teoreticky by měla být drsnost frézovaných vzorků při přísuvu 0,15 mm 2,2 krát vyšší, než u vzorků frézovaných přísuvem 0,1 mm. Experimentální měření ukazuje, že při měření v podélném směru je drsnost vzorku frézovaných přísuvem 0,15 mm 1,7 až 1,9 krát vyšší a u vzorků měřených v příčném směru 1,2 až 1,4 krát vyšší než u vzorků frézovaných přísuvem 0,1 mm. Experimenty potvrdily, že při volbě sousledného frézování je dosahováno lepší kvality obrobené plochy proti frézování kombinovanému. To je kombinace frézování sousledného a nesousledného v poměru 50 : 50. Rozdíl v hodnotách drsnosti povrchu dosažených sousledným a kombinovaným frézováním není tak
21
velký, jak se očekávalo. Teoreticky by se lepších hodnot mělo dosáhnout při sousledném frézování, kdy je nástroj v řezu stabilnější. Experimenty tuhle tezi potvrdily. Pro vzorky frézované přísuvem 0,15 mm byl rozdíl drsnosti ve směru podélného měření 6 % a ve směru příčného měření 16 %. Pro vzorky frézované přísuvem 0,1 mm byl již rozdíl vyšší. Ve směru podélného měření 22 % a ve směru příčného měření 40 %. Při větším vyložení nástroje by tento rozdíl byl patrnější. Také opticky vypadaly lépe vzorky frézované sousledně. Lze říci, že z třech řezných rychlostí bylo nejlepších výsledků dosaženo při frézování vzorků řeznou rychlostí nástroje 210 m/min. To platí jak pro přísuv 0,1 mm, tak i pro 0,15 mm. Jak již bylo zmíněno výše, nejlepších výsledků s ohledem na kvalitu obrobené plochy bylo dosaženo při frézování řeznou rychlostí 210 m/min. Jen s minimálním rozdílem následují vzorky frézované řeznou rychlostí 150 m/min. V praxi je velmi důležité, mimo dosažení požadované drsnosti obrobeného povrchu obrobku, také dodržet efektivnost samotné výroby. To znamená vyrobit díl co nejrychleji, v požadované třídě rozměrové přesnosti, s minimálními energetickými náklady a s ohledem na životnost soustavy stroj, upínač, nástroj. Jestliže vzorky frézované řeznou rychlostí 150 m/min vykazovaly minimální navýšení hodnot drsnosti povrchu než při řezné rychlosti 210 m/min při zachování posuvu na zub, pak čas potřebný k přefrézování celé plochy vzorku byl o 40% vyšší. Což z pohledu financí znamená o 40% navýšení hodinové sazby stroje. Je proto vždy nutno pečlivě zhodnotit, jakou strategii frézování ve výrobě zvolit s ohledem na výrobní náklady a požadovanou kvalitu obrobku.
5
ZÁVĚR
Cílem této disertační práce bylo přiblížit problematiku vysokorychlostního obrábění jak po stránce teoretické, tak taky provedením experimentů, které měly potvrdit či vyvrátit určité teze. Měření, které bylo provedeno za účelem zjišťování velikosti řezných sil vycházelo z požadavků v praxi. V hromadné a sériové výrobě je hlavní důraz kladen na čas, po který je díl obráběn. Je proto žádoucí, aby řezný nástroj odebral co nejvíc materiálu, co nejpřesněji za co nejkratší časovou jednotku. Hliníkové slitiny se obrábí vysokými řeznými rychlostmi. Pro tyto experimenty byla zvolena řezná rychlost vc = 376 m/min, 565 m/min a 753 m/min což splňuje rozsah vysokorychlostního frézování. Měření potvrdily předpokládané závislosti mezi střední tloušťkou třísky, řeznou rychlostí, geometrii nástroje a řeznou silou. Při konstantním posuvu nástroje při obrábění vf [mm/min] se vlivem zvyšování řezné rychlosti vc [m/min] snižuje posuv fz. Měření ukázalo, že při snižování posuvu fz a tedy i střední tloušťky třísky se řezná síla také snižuje. Zvyšující se řezná rychlost má příznivý vliv na řeznou sílu. Pokud si porovnáme měření č. 1, 5 a 9 vidíme, že hodnoty řezné síly se u těchto měření rapidně neliší. Když si ale porovnáme objem odebraného materiálu za jednotku času, zjistíme, že zde je rozdíl podstatně větší. Na tyto experimenty byly použity dva nástroje
22
s rozdílnou geometrii. Geometrie určená pro obrábění pevnějších materiálů (ocel) a více pozitivní geometrie určená k obrábění neželezných materiálů. Výsledky ukazují, že ostřejší geometrie je z pohledu řezných sil vhodnější při obrábění hliníkové slitiny. Následující experimenty byly prováděny při frézování nástrojové oceli. Průběh řezných sil byl podobný jako u hliníkové slitiny. Vliv řezné síly nebyl u obou materiálů stejný. Pro materiál 19 552 o tvrdosti 50 HRC se nejvýhodněji jevila řezná rychlost vc = 226 m/min. Při této řezné rychlosti bylo dosahováno nejnižších hodnot řezné síly. Pro materiál 19 573 o tvrdosti 62 HRC bylo nejlepších výsledků dosaženo při řezné rychlosti vc = 339 m/min. V praxi je důležité, aby byl obráběný díl vyroben co nejrychleji, nejpřesněji a hlavně nejlevněji. Tuto podmínku pro první vzorek materiálu splňuje nejlépe měření č. 8, pro druhý vzorek materiálu měření č.9. Řezná rychlost má dominantní vliv na opotřebení nástroje. Vhodným pokračováním těchto experimentů by mohlo být právě porovnání vlivu řezné rychlosti na opotřebení řezného nástroje při frézování. Měření, které sledovalo závislost řezných parametrů frézování na dosaženou drsnost frézované plochy, mělo za úkol zjistit rozdíl mezi teoretickými a naměřenými hodnotami. Ukázalo se, že skutečná drsnost obrobeného povrchu je mnohonásobně vyšší, než vypočítaná. Řezné parametry obrábění byly voleny tak, aby se posuv fz rovnal přísuvu ae. V tomto případě by drsnost obrobené plochy měřená ve směru příčném i podélném měla být teoreticky stejná. Rozdíl mezi teoretickou drsností a naměřenou u vzorku frézovaných přísuvem ae = 0,1 mm (posuv fz) byl vyšší než u vzorků frézovaných přísuvem ae = 0,15 mm. Což znamená, že čím byl povrch frézován vyšším přísuvem ae a posuvem fz, tím víc se blížil vypočítanému předpokladu. Teoretické výpočty neobsahují vlivy, které v praxi dosaženou kvalitu obrobené plochy ovlivňují. Tyto vlivy mohou být konstantní pro jemné řádkování obráběné plochy přísuvem ae a posuvem fz, tak i pro frézování větším přísuvem a posuvem. Ovšem u jemnějšího obrábění budou více ovlivňovat dosaženou výslednou drsnost. Lze říci, že z třech řezných rychlostí bylo nejlepších výsledků dosaženo při frézování vzorků řeznou rychlostí nástroje 210 m/min. Vzorky byly frézovány rozdílnou strategii obrábění. Sousledně a kombinovaně. Lepších výsledků bylo dosahováno při sousledném frézování. Tyto experimenty ukázaly, že rozdíl v hodnotách dosažené drsnosti při frézování sousledně a kombinovaně nebyl veliký. Znamená to, že v praxi je vždy nutno pečlivě zvážit strategii frézování s ohledem na ekonomičnost a možnosti výroby. Problematika vysokorychlostního frézování je velmi rozsáhlá. Výše zmíněné měření této disertační práce ukázaly část možných experimentů, na které by další měly navázat.
23
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] BAYOUMI, A. E.; YUCESAN, G.; KENDALL, L. A.: An analytic mechanistic cutting force model for milling. Journal of engineering for Industry. August 1994, vol. 116, str. 331-339. [2] BEŃO, J.: Teória rezania kovov. Strojnická fakulta TU Košice, Košice, 1999. ISBN 80-7099-429-0. [3] BOUZAKIS, K. D.; AICHOUH, P.; EFSTATHIOU, K.: Determination of the chip geometry, cutting force and roughness in free form surface finishing milling, with ball end tools. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 43/2003, str. 499-514. [4] BUDAK, E.; ALTINTAS, Y.; ARMAREGO, E. J. A.: Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data. Journal of Manufacturing Science and Engineering. May 1996, vol. 118, str. 216-224. [5] Fallbohmer, P.; Rodríguez, C.A.; Ozel, T.; Altan, T.: High – speed machining of cast iron and alloy steels for die and mold manufacturing. Journal of Materials Processing Technology 98. 2000, str. 104- 115. [6] FENG, H. Y.; MENG, CH. H.: A flexible ball-end milling systém model for cutting force and machining error prediction. Journal of manufacturing Science and Engineering. November 1996, vol. 118, str. 461-469. [7] FENG, H. Y.; SU, N.: A mechanistic cutting force model for 3D ball-end milling. Journal of manufacturing Science and Engineering. February 2001, vol. 123, str. 23-29. [8] JUAN, H.; YU, S. F.; LEE, B. Y.: The optimal cutting-parameter selection of production cost in HSm for SKD61 tool steels. . International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2003. [9] Kocman, K.: Speciální technologie obrábění. VUT v Brně, 2004. ISBN 80-214-2562-8. [10] Kolektiv autorů: Terminologie obrábění a montáže. Univerzita J.E.Purkyně, ÚTŘV, Ústí nad Labem, 2004. ISBN 80-7044-616-1. [11] KOPAC, J.; SOKOVIC, M.; DOLINSEK, S.: Tribology of coated tools in conventional and HSC machining. Journal of Materials Processing Technology. 118/2001, str.377-384. [12] Kovar, J.: Zkoušky odolnosti technologických ploch při zpracování keramiky. Diplomová práce, VUT FT Zlín, 2000. [13] NELSON, S.; SCHUELLER, J. K.; TLUSTY, J.: Tool wear in milling hardened die steel. Journal of Manufacturing Science and Engineering. November 1998, vol. 120, str. 669-673. [14] POULACHON, G.; DESSOLY, M.: Sulphide inclusion effects on tool-wear in high productivity milling of tool steels. Wear. 253/2002, str. 339-356. [15] Sadílek, M.: Zvyšování efektivnosti obrábění s využitím CAD/CAM systému. Disertační práce, VŠB – TU Ostrava, 2005.
24
[16] Sandvik Coromant, Příručka obrábění – kniha pro praktiky, přeložil Kudela Miroslav, Scienta, 1997. [17] Schulz, H.; Moriwaki, T.: High – speed machining. Annals of the CIRP. Vol. 41/2/ 1992, str.637- 643. [18] Tichá, Š.: Strojírenská metrologie, část 1. Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2004. ISBN 80-248-0672-X. [19] Tlusty, J.: High – speed machining. Annals of the CIRP. Vol. 42/2/ 1993, str.733- 738. [20] YUCESAN, G.; ALTINTAS, Y.: Prediction of ball end milling forces. Journal of engineering for Industry. February 1996, vol. 118. str. 95-103. [21] YUN, W.-S.; CHO, D.-W.: Accurate 3-D cutting force prediction using cutting condition independent coefficients in end milling. Internetional Journal of Machine Tools & Manufacture. 41/2001, str. 463-478. [22] ZELENY, J.: Vysokorychlostní obrábění. Speciál MM Průmyslové Spektrum, Vogel Publishing, s.r.o. 2000. ISBN 80-85986-19-1.
25
CURRICULUM VITAE Jméno: Narozen: Vzdělání: 2000 -
Ing. Jiří Kovář 14. března 1977 ve Vsetíně
Fakulta Strojního inženýrství, VUT Brno, doktorské studium Obor: Strojírenská technologie Specializace: Vysokorychlostní obrábění, konstrukce obráběcích strojů a nástrojů. 1995 – 2000 Fakulta technologická Zlín, VUT Brno Obor: Technologie kůže, plastů a pryže Specializace: Konstrukce technologických zařízení Diplomová práce: Zkoušky odolnosti technologických ploch při zpracování keramiky 1991 – 1995 Střední průmyslová škola strojnická Vsetín Odborné zkoušky: 2004 Státní doktorská zkouška VUT FSI, Ústav strojírenské technologie 2000 Státní inženýrská zkouška VUT FT (části strojů, výrobní stroje a zařízení v plastikářském průmyslu, vlastnosti polymerů) Pedagogická činnost: Strojírenská technologie, Mechanická technologie, CAD, Technické kreslení Praktické zkušenosti: 2002 2002 2002 2003 2001, 2002, 2003 2003 2003
26
Experimentální spolupráce s firmou Frema a.s. Experimentální spolupráce s firmou SKD Bojkovice Experimentální spolupráce s firmou Zbrojovka Uh. Brod Experimentální spolupráce s firmou Visteon Nový Jičín Studijní stáž: Cracow University of Technology, Poland Studijní stáž: Technical University Wiena, Austria Zaměstnán ve firmě SKD Bojkovice jako vedoucí sekce třískového obrábění
ABSTRAKT Tato disertační práce se zabývá problematikou vysokorychlostního obrábění se zaměřením na frézování. Je členěna na teoretickou studijní část a experimentální ověření. V první části jsou popisovány základní principy tvorby třísky při vysokorychlostním obrábění. Dále je zmíněna koncepce CNC obráběcích center, jejich struktura, konstrukce, technické provedení jednotlivých dílů. K problematice se váže rozměrové měření, diagnostika, CNC řízení a CAM programování. Velká pozornost je věnována řezným nástrojům. Jejich geometrii, materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, aplikované povlaky a také jejich přesnému upínání. V samotném závěru studijní části jsou přiblíženy faktory ovlivňující kvalitu obrobené plochy a také ekonomické zhodnocení vysokorychlostního frézování. V experimentální části byly provedeny měření k ověření poznatků vysokorychlostního frézování v praxi. První měření zkoumá vliv řezných parametrů, geometrie nástroje, obráběného materiálu na řezné síly působící na nástroj při obrábění. Druhé měření posuzuje vliv řezných podmínek a strategie frézování na dosaženou jakost obrobeného povrchu. Naměřené hodnoty jsou zaznamenány v přílohách ve formě tabulek a grafů. Výsledky jsou diskutovány v závěrech. Zde je také zohledněn přínos práce pro praktické využití a vědecký přínos s návazností na možné pokračování výzkumu v budoucnu. ABSTRACT This work deals with problems about high speed cutting focused on milling. It is structured into theoretical and experimental parts. There are detailed basic principles of creating chips for the high speed cutting. The other one mentions conception of CNC machine tools, their conception, construction, type of manufacturing component parts. This problems includes measurement, diagnostics, CNC control systems and CAM programming. Relevant attention is paid to cutting tools. Their geometry, cutting-tool material, applied coating and precision clamping. Are approach factor influencing qualities machined surface and economic estimation high speed milling in himself findings study part. In the experimental part are executed measurements to assess findings during high speed milling in practice. The first measurement research influences cutting parameters, tools geometry, cutting material on cutting force applied on cutting tool dutiny cutting. The other measurement considers influence of cutting conditions and milling strategy on achieved surface quality. Measured values are recorded in tables and graphs in appendixes. The results are discussed in conclusion. Contribution of this piece of work for practical utilization is also consulted and scientific contribution for the further research in the future.
27
