4.3 Metodika experimentu
4.3.4 Měření trvanlivosti vyměnitelné břitové destičky
Pro měření trvanlivosti břitové destičky byl zvolen materiál 12 050.1. Jednalo se o TYČ ČTVERCOVOU o rozměrech 80x80x250. Vzorek bylo nutno nejprve upravit pro samotné měření. Úprava spočívala v přefrézování ze tří stran na frézce FNG 32, čímž bylo zajištěno odstranění defektní vrstvy na povrchu vzorku. Následně byla na frézu nasazena jedna břitová destička. Tím byly nástroj a obráběný vzorek připraveny.
Jedno měření probíhalo vždy v jedné třetině šířky obrobku. To znamená, že v jedné rovině šířky obrobku proběhly měření tři. V okamžiku, kdy se břit dostal do záběru, byly současně spuštěny stopky, jimiž se měřila orientačně doba frézování.
Ta byla porovnávána s výpočtem strojního času. Po přejetí vzorku (250 mm) byla VBD demontována z frézy a umístěna pod malý dílenský mikroskop ZEISS, kde bylo měřeno její opotřebení. Břitová destička se umístila pod objektiv mikroskopu a pomocí nitkovitého kříže znázorněného v okuláru se nastavila tak, aby hřbet destičky korespondoval s nitkovitým křížem. Odečetla se etalonová hodnota na mikrometrickém stavícím šroubu. Poté byl kříž posunut do místa největšího opotřebení VBmax, kde byla opět odečtena hodnota na mikrometrickém šroubu (obr.
39). Rozdíl těchto hodnot znamenal naše hledané opotřebení VBD. Frézování stejnou břitovou destičkou bylo opakováno tak dlouho, dokud nebylo dosaženo dráhy obrábění 2000 mm.
Obr. 39 Odečítání hodnoty opotřebení VBD pomocí nitkovitého kříže v okuláru mikroskopu.
- 51 - 4.3.5 Měření drsnosti
Měření drsnosti povrchu bylo realizováno v místech znázorněných na obrázku 40. Snímač ujel po povrchu vzdálenost 4,8 mm, z každé strany se 0,4 mm ořízlo a vyhodnocování proběhlo na dráze 4 mm. Hodnoty jednotlivých parametrů byly počítány pomocí
ovládacího softwaru. O br. 40 Místa měření na vzorku.
Z velkého počtu parametrů drsnosti povrchu, které umožňuje software Surfpak vypočítat byly pro vyhodnocení naměřených hodnot prvních vzorků předběžně zvoleny následující parametry:
Parametr Popis parametru
Ra Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Rz Největší výška profilu
Rt Celková výška profilu
Výše zvolené parametry byly měřeny na každém vzorku 10x. Pro každý typ chlazení byla vypočítána střední hodnota pro Ra, Rz a Rt z daných pěti vzorků.
Hodnoty byly zaneseny do tabulky.
4.3.6 Měření rozměrové přesnosti
K měření rozměrové přesnosti byl použit digitální třmenový mikrometr, digitální posuvné měřítko a digitální třídotekový dutinoměr. Měření bylo realizováno v místech znázorněných na obrázku 41.
Na každém vzorku byly měřeny dva rozměry. Hloubka drážky pomocí digitálního třmenového mikrometru o rozsahu 0 – 25 mm a šířka drážky pomocí digitálního posuvného měřítka o rozsahu 0 – 150 mm. Měření obou rozměrů bylo provedeno 10x na každém vzorku a hodnoty byly zaneseny do tabulky.
Obr. 41 Místa měření na vzorku.
- 52 -
5 Vyhodnocení experimentu
Vliv obráběcího prostředí na proces čelního frézování byl zkoumán při použití následujících procesních médií: okolní vzduch, podchlazený vzduch vírovou trubicí a oxid uhličitý CO2.
Účinek procesního média na čelní frézování byl hodnocen podle:
velikosti řezných sil,
teploty obrobku,
trvanlivosti břitu,
dosažené drsnosti povrchu,
rozměrové přesnosti.
5.1 Posouzení velikosti středních hodnot řezných sil
Naměřené hodnoty řezných sil byly zpracovány programem LabView 6.1, který je součástí měřící soustavy dynamometru KISTLER (viz kapitola 3.3).
Výstupem programu jsou konkrétní velikosti řezných sil, které jsou znázorněny na grafu 1. Bílou barvou je znázorněna řezná síla Fv, červenou barvou síla přísuvová Fp
a zelenou barvou síla posuvová Ff. Z výstupních hodnot byly odečteny hodnoty znázorňující konkrétní velikosti řezných sil při frézování. Odečtené hodnoty byly zaznamenány do tabulky (tab. 12) a následně sestrojeny grafy za pomoci programu Microsoft Excel. Ukázky grafů z programu LabView jsou přiloženy v příloze 6.
Při frézování posuvem 25 mm/min. a hloubce záběru 1,5 mm bylo dosaženo nejnižších řezných sil s použitím podchlazeného vzduchu o teplotě -36°C. Naopak frézováním bez chlazení, pouze za podpory okolního vzduchu, bylo dosaženo nejvyšších řezných sil Fc. Podchlazením vzduchu na teplotu -36°C bylo docíleno o 30,1 % nižších sil Fc než při obrábění bez chlazení.
Tab. 12 Střední hodnoty naměřených sil.
Fc [N] Ff [N] Fp [N]
Bez chlazení 48,80 158,90 146,28
Vírová trubice 33,98 122,76 94,74
Oxid uhličitý 36,06 117,08 105,10
- 53 -
Graf 2 Porovnání středních hodnot řezných sil Fc.
U procesního média CO2 byla naměřena nejnižší posuvová síla Ff. Zatímco nejnižší přísuvové síly bylo dosaženo při použití podchlazeného vzduchu. Rozdíl mezi maximální a minimální hodnotou sil posuvových Ff činil 26,3 % z nejvyšší hodnoty a sil přísuvových Fp 35,2 % z nejvyšší hodnoty. Nejvyšších přísuvových a posuvových sil bylo naměřeno při obrábění bez chlazení.
Graf 3, 4 Porovnání středních hodnot sil posuvových a přísuvových.
5.2 Vliv procesního média na teplotu obrobku
V prvním experimentu tohoto měření bylo frézování prováděno bez chlazení.
Teplota obrobku vzrostla téměř okamžitě, jakmile se břitová destička dostala do záběru. Největší hodnota byla naměřena 147,8 °C. Z těchto teplot obrobek postupně
0
- 54 -
chladl na původní teplotu. Na grafech v příloze 2, lze pozorovat průběh teplot naměřených na jednotlivých termočláncích T1 – T6.
V případě frézování s vírovou trubicí byl pozorován na grafu 6 postupný nárůst teplot a následné ochlazení stejně jako u frézování bez chlazení. S použitím vírové trubice nebyl nárůst teploty obrobku tak markantní, jako v případě bez chlazení. Na obrobku bylo dosaženo podstatně menších teplot (maximálně 87,1 °C).
Naopak při frézování s chlazením oxidem uhličitým byl obrobek podchlazen na teploty až -19,9 °C. V okamžiku přejetí frézy nad termočlánkem, teploty prudce vzrostly. Největší nárůst teploty byl pozorován na termočlánku T4, který se nacházel v místě nesousledného frézování. Naopak ochlazení v místě termočlánku T4 bylo nejmenší.
V následující tabulce jsou uvedeny teploty naměřené na termočláncích při frézování. Vstupní data byla vybrána ze třetího vzorku každého experimentu.
Tab. 12 Teploty na termočláncích T1 – T6.
BEZ CHLAZENÍ T1 T2 T3 T4 T5 T6
- 55 -
Jako další experiment bylo provedeno měření na velikost podchlazení odebírané vrstvy materiálu. Ochlazování bylo realizováno pomocí podchlazeného vzduchu a oxidu uhličitého. Měření teplot probíhalo na povrchu obrobku a v hloubce ap, kde v případě podchlazování vírovou trubicí byly naměřeny vyšší teploty než v případě podchlazování na povrchu.
Podobné zjištění tomu bylo s použitím CO2. Na termočláncích T1 – T3 bylo větší podchlazení naměřeno na povrchu, kdežto na T4 – T6 bylo dosaženo větší podchlazení v hloubce ap. Což je dáno umístěním termočlánků a součinitelem tepelné vodivosti oceli, jejíž hodnota je 50 [W.m-1.K-1]. Ta je v porovnání s mědí (395 [W.m-1.K-1]) nízká. A protože na materiál bylo přiváděno procesní médium pouze určitý čas, nebylo možné, aby se podchladil na nižší teploty a delší dobu.
Většího podchlazení bylo docíleno s použitím oxidu uhličitého. V následující tabulce 13 jsou uvedeny naměřené hodnoty.
Tab. 13 Teploty na termočláncích T1 – T6 při podchlazování POVRCH
- 56 -
5.3 Vliv procesního média na trvanlivost břitové destičky
Experiment na otupení VBD byl prováděn za podmínek uvedených v tabulce 14. Největšího otupení břitové destičky bylo docíleno dle předpokladů, při frézování bez chlazení. Naopak za použití vírové trubice a podchlazeného vzduchu bylo opotřebení nejmenší.
Tab. 14 Řezné podmínky – trvanlivost
Obr. 42 Příprava obrobku.
V tabulce 15 je uvedeno dosažené opotřebení jednotlivých břitových destiček po přejetí dráhy 2000 mm. Průběh otupení VB1 je uveden na grafu 5. Hodnoty otupení naměřené při frézování jsou pak v příloze 5.
Obr. 43 Upnutá VBD ve svěráku pod mikroskopem.
Řezná rychlost vc 181 m.min-1 Otáčky nástroje 1800 ot/min-1 Posuv na zub fz 0,014 mm Délka styku VBD/ot 36,27 mm Šířka průjezdu frézy 26,26 mm Čas obrábění T 85,1 min Dráha obrábění L 2000 mm
Šířka obrobku Š1 78,8 mm Délka obrobku L1 250 mm
- 57 - Tab. 15 Dosažené opotřebení VBD po přejetí 2000 mm.
BEZ CHLAZENÍ VÍROVÁ TRUBICE OXID UHLIČITÝ
VB1 [mm] 0,155 0,12 0,13
VB2 [mm] 0,15 0,12 0,12
VB3 [mm] 0,145 0,12 0,13
Graf 5 Průběh otupení 1. břitové destičky.
5.4 Rozměrová přesnost
Rozměrová přesnost byla dalším hodnotícím kritériem vlivu procesních plynů na technologii frézování. Na každém obrobeném vzorku bylo provedeno deset měření. Výsledná data byla statisticky zpracována. Hodnocena byla rozměrová přesnost šířky a hloubky vyfrézované drážky.
Střední hodnoty rozměrů uvádí tabulka 16. Celkové pořadí uvádějí grafy 6 a 7. Největší rozměrové přesnosti u měření hloubky bylo dosaženo při frézování bez chlazení. Naopak použití procesního plynu oxidu uhličitého mělo na rozměrovou přesnost nejhorší vliv, kde rozdíl odebírané vrstvy a naměřené hodnoty byl 0,14 mm.
V případě rozměrů šířky nebyly rozdíly v naměřených hodnotách tak markantní. Jednalo se v průměru o 0,05 – 0,08 mm. Každopádně největší přesnosti
0
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
VB1 [mm]
- 58 -
bylo dosaženo při frézování s použitím oxidu uhličitého. S použitím podchlazeného vzduchu byla střední hodnota rozměru šířky 31,92 mm, což je rozdíl 0,08 mm a tím se řadí na třetí místo porovnávaných plynů.
Tab. 16 Střední hodnoty rozměrů frézované drážky.
Rozměr BEZ CHLAZENÍ VÍROVÁ TRUBICE OXID UHLIČITÝ
Hloubka [mm] 1,55 1,61 1,36
Šířka [mm] 31,95 31,92 32,00
Graf 6 Rozměrová přesnost hloubky drážky.
Graf 7 Rozměrová přesnost šíře drážky.
1,20
- 59 -
5.5 Drsnost povrchu
Procesní plyny byly dále hodnoceny podle svého vlivu na výslednou drsnost povrchu obrobeného vzorku. Na každém obrobeném vzorku bylo provedeno deset měření. Výsledná data byla statisticky zpracována. Hodnoceny byly tyto parametry Ra, Rz a Rt.
Střední hodnoty parametrů Ra, Rt a Rz uvádí tabulka 17. Celkové pořadí procesních plynů seřazených vzestupně dle velikosti drsnosti Ra je zakresleno do grafu 8. Při frézování za sucha posuvem 25 mm/min. a hloubce záběru 1,5 mm bylo dosaženo nejnižší drsnosti povrchu. Naopak aplikace procesního plynu Oxidu uhličitého měla za daných podmínek nejhorší vliv na velikost drsnosti Ra. Při obrábění bez chlazení byla výsledná hodnota drsnosti o 25 % nižší než u CO2 [5].
S použitím podchlazeného vzduchu byla drsnost Ra o 16,15 % vyšší vůči frézování bez chlazení.
Tab. 17 Střední hodnoty drsnosti povrchu.
Parametr BEZ CHLAZENÍ VÍROVÁ TRUBICE OXID UHLIČITÝ
Ra 1,35 1,61 1,80
Rz 7,83 9,03 9,85
Rt 10,09 11,93 12,11
Graf 8 Střední hodnota drsnosti Ra.
0,00
- 60 -
6 Diskuze
Tato bakalářská práce se zabývá problematikou účinku procesních plynů na technologii frézování a kvalitu obrobených součástí. Proto v ní bylo provedeno několik měření, abychom zjistili, zda a do jaké míry jsou procesní plyny schopny ovlivnit proces frézování. Mezi hodnotící kritéria byla vybrána velikost řezných sil, teplota obrobku, velikost otupení nástroje (břitové destičky), rozměrová přesnost a dosažená drsnost povrchu. Záměrem bylo dosáhnout takových výsledků, které by byly minimálně podobné s výsledky dosažených při použití klasických procesních médií (řezné oleje, emulze, atd.). Pro měření byly vybrány tři plyny. Okolní vzduch, podchlazený vzduch na teplotu -36 °C a oxid uhličitý.
V případě frézování za podpory okolního vzduchu, tedy bez chlazení, bylo dle našich očekávání dosaženo velmi vysokých řezných sil. Stejně tomu bylo u teplot obrobku. Naměřené teploty dosahovaly místy až 180 °C. Absence chladícího média ovlivnila značně i otupení břitové destičky. Otupení bylo podstatně vyšší než v případě s použitím chlazení. Naopak u drsnosti povrchu bylo frézováním bez chlazení docíleno nejnižších hodnot a rozdíl v rozměrové přesnosti činil pouze 0,05 mm.
S použitím podchlazeného vzduchu byly řezné síly menší o 30,1 % oproti okolnímu vzduchu a o 5,8 % vůči CO2. Byly tedy nejnižší. Klesly i naměřené teploty obrobku, které dosahovaly jen k 90 °C. V případě měření otupení břitové destičky bylo s použitím podchlazeného vzduchu dosaženo nejlepších výsledků, otupení bylo nejmenší. Zatímco drsnost povrchu při frézování bez chlazení byla ze všech tří plynů nejlepší, s použitím vírové trubice se drsnost zhoršila o 16,2 %, což potvrzuje, že plyny, jakožto procesní média, mají velmi malý mazací účinek nebo jej zcela postrádají. Rozdíl mezi hloubkou záběru ap 1,5 mm a naměřenými hodnotami činil 0,11 mm a v případě přesnosti šíře drážky 0,08 mm.
V případě CO2, byla drsnost povrchu nejhorší, ale na druhou stranu teploty obrobku nejnižší. Obrobek byl podchlazen i do -20 °C. Oxid uhličitý má tedy výborný chladící účinek, ale zcela postrádá účinek mazací, který je nezbytný, neboť hraje roli prakticky ve všech námi měřených kritériích. CO2 tedy drsnost povrchu pozitivně neovlivnil. Vliv oxidu uhličitého na rozměrovou přesnost byl značný. Šířka frézované drážky byla ovlivněna příznivě, neboť střední hodnota naměřených rozměrů činila přesně 32 mm, což odpovídalo průměru nástroje. Naopak při měření hloubky drážky
- 61 -
byly zjištěny značné rozdíly. Odebíraná vrstva byla 1,5 mm. Střední hodnota naměřených rozměrů byla o 0,14 mm menší. Domníváme se tedy, že velikost podchlazení byla vzhledem k tloušťce vzorku (13 mm) natolik veliká, že vlivem teplotní roztažnosti došlo ke smrštění vzorku, a tudíž k odebrání menší třísky.
- 62 -
7 Závěr
Úkolem této bakalářské práce bylo porovnání účinku procesních plynů na technologii frézování a kvalitu obrobeného obrobku.
Pro tento účel byly vybrány tři plyny, které byly mezi sebou porovnávány.
Okolní vzduch, podchlazený vzduch na teplotu -36 °C a oxid uhličitý. Vliv prostředí byl zkoumán za konstantních řezných podmínek viz kapitola 4.3.1 Nastavení pracovních podmínek pro experiment.
Jednotlivé plyny byly hodnoceny podle těchto hledisek:
velikost řezných sil Fc, Ff, Fp,
teplota obrobku,
velikost otupení břitové destičky,
drsnost povrchu Ra, Rz, Rt obrobených vzorků,
rozměrová přesnost (šířka, hloubka) frézované drážky na vzorku.
Z výsledků měření, které byly získány při frézování bez chlazení, tedy s podporou okolního vzduchu, je možno učinit tyto závěry:
nejkvalitnější drsnost povrchu, tedy nejnižší hodnotu parametru Ra, vykazovaly právě vzorky frézované bez chlazení,
největší rozměrová přesnost, rozdíl mezi naměřenými a požadovanými rozměry činil pouze 0,05 mm.
Z výsledků měření, které byly získány při frézování s použitím podchlazeného vzduchu, je možno učinit tyto závěry:
po odfrézování dráhy 2000 mm bylo dosaženo nejmenšího otupení VBD,
nejnižší hodnoty řezných s přísuvových sil.
Z výsledků měření, které byly získány při frézování s použitím oxidu uhličitého, je možno učinit tyto závěry:
největšího podchlazení a celkově nejnižší teploty obrobku byly naměřeny na vzorcích frézovaných s chlazením oxidem uhličitým,
nejnižší hodnota posuvových sil,
největší přesnost rozměru šířky frézované drážky (32 mm).
- 63 -
Z výsledků je tedy patrné, že jednotlivým plynům chybí některé účinky procesních kapalin. Pravděpodobně největší vliv na měření zde měly teplotní šoky, které vznikaly při chlazení v obrobku a na břitové destičce. Oxid uhličitý má výborný chladící účinek, ale zcela postrádá účinek mazací. Vzhledem k jeho vysoké ceně na trhu a naměřeným výsledkům je dobré zvážit, zda se jeho použití při výrobě vůbec vyplatí. Proto se jeví použití podchlazeného vzduchu jako nejlepší řešení chlazení ze třech námi vybraných plynů. Byť také postrádá mazací účinek, je jeho cena nesrovnatelně nízká, vzhledem k množství obsaženém v atmosféře. Vstupní investicí je zde pouze kompresor a zařízení Cold Air Gun, které určitě svou spolehlivostí a širokou škálou použití předčí pořizovací ceny oxidu uhličitého.
Výsledky této bakalářské dokazují, že procesní plyn má významný vliv na samotnou technologii frézování a na vlastnosti obrobku.
Tuto práci by bylo vhodné do budoucna rozšířit o další druhy materiálu (křehký materiál, houževnatý materiál atd.). Dále by bylo vhodné vykonat výzkum vlivu procesního média na válcové frézování [5]. Zajímavý by byl také výzkum s použitím dalších plynů jako například dusík či inertní argon.
- 64 -
Seznam použité literatury
[1] LIEMERT, G., DRÁBEK, F., ONDRA, J., VAVŘÍK, I. Obrábění. 1. vydání Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1974. 352 s. ISBN -.
[2] Skripta Technologie II, 1. díl. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2010 [cit. 31. 10. 2013]. Dostupné na:
http://homel.vsb.cz/~cep77/PDF/skripta_Technologie_II_1dil.pdf
[3] MÁDL, J., KAJKA, J., VRABEC, M., DVOŘÁK, R. Technologie obrábění, 1. díl. 1. vydání Praha: Vydavatelství ČVUT, 2000. 80 s. ISBN 80-01-01091-6.
[4] LEDVINA, M. Závěrečná zpráva – řezné podmínky. Liberec: TAČR – TA03010492, Tu v Liberci, 2013. 2 s.
[5] STRYAL, J. Vliv procesního média na vlastnosti frézovaného obrobku.
[Bakalářská práce]. Liberec: TU v Liberci, 2010. 76 s.
[6] HONNER, M. Měření ve fyzikálních technologiích [PDF]. Plzeň:
Západočeská univerzita v Plzni, 2003. 144 s. ISBN 80-7082-971-0.
[cit. 6. 11. 2013]. Dostupné na:
http://ttp.zcu.cz/files/vyuka/mft/pdf/MFT_2003_skripta_mft.pdf
[7] ČEP, R., PETRŮ, J. Experimentální metody v obrábění – učební texty. 1.
vydání. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2011. 143 s. ISBN 978-80-248-2533-5. [cit. 25. 11. 2013]. Dostupné na:
http://projekty.fs.vsb.cz/459/ucebniopory/Experimentalni_metody_%20v_o brabeni.pdf
[8] BARTUŠEK, T. Účinek procesní kapaliny na technologii broušení a kvalitu obrobených součástí. [Diplomová práce]. Liberec: TU v Liberci, 2008. 67s.
[9] VAŇÁK, A. Technologie frézování – pracovní listy. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Šumperk. 2007, 101 s.
CZ.04.1.03/3.1.15.2/0091. [cit. 21. 10. 2013]. Dostupné na:
http://www.sossou-spk.cz/stary_web/esf/TEC_fr.pdf
[10] KARÁSEK, J. Závěrečná zpráva – Protokol hodnotící vliv plynů pro konkrétní podmínky obrábění. Liberec: TAČR – TA03010492, TU v Liberci, 2013. 14 s.
- 65 -
[11] BUMBÁLEK, B., OŠŤÁDAL, B., ŠAFR, E. Řezné kapaliny. 1. vyd. Praha:
SNTL, 1936. 136 s. ISBN -.
[12] VLACH, B., aj. Technologie obrábění a montáží. 1. vyd. Praha: SNTL, 1990. 472 s. ISBN 80-03-00143-9.
[13] GABRIEL, V., HOLUB, L., JERSÁK, J. Ověření vlastností řezných olejů při podélném soustružení: Výzkumná zpráva. Liberec: TU v Liberci, prosinec 2000. 181 s.
[14] ČSN EN ISO 4287. Geometrické požadavky na výrobky (GPS) – Struktura povrchu: Profilová metoda – Termíny, definice a parametry struktury povrchu. 1999. Praha: Český normalizační institut.
- 66 -
Seznam příloh
Příloha 1 – Technologické požadavky na řezná média 5 stran
Příloha 2 – Grafy teplot 5 stran
Příloha 3 – Rozměry obráběného vzorku 1 strana
Příloha 4 – Rozměry otvorů pro termočlánky 1 strana
Příloha 5 – Hodnoty opotřebení VBD 2 strany
Příloha 6 – Grafy řezných sil 2 strany
Příloha 7 – Naměřené hodnoty drsností povrchu 3 strany Příloha 8 – Naměřené hodnoty rozměrů drážky 1 strana