3. METODIKA MĚŘENÍ
4.8 Tvorba třísky (Experiment 8)
Pro plánovaný experiment byly použity konstantní a ideální řezné podmínky dle tabulky 6. Byla sledována tvorba třísky při procesu vrtání u vzorku 0, 10, 20, 30, 40 s použitím řezných nástrojů z HSS, HSSCo, HSS + TiN, SK a SK + TiN.
Pro ilustraci byla vybrána vzniklá tříska u vzorku 0 a 40 při obrábění za konstantních a ideálních řezných podmínek nástrojem SK. Obrázek 58 prezentuje za a) vzorek 0 při konstantních podmínkách, b) vzorek 0 při ideálních podmínkách, c) vzorek 40 při konstantních podmínkách a e) vzorek 40 při ideálních podmínkách.
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 6,500
0 10 20 30 40
Rozměrová stálost při konstantních řezných podmínkách [mm]
měřené vzorky
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TN
122
Obr. 58 Tvorba třísky
123
5 DISKUZE
Hlavním cílem předkládané práce je zjištění opotřebení řezného nástroje, teplot a sil při obrábění, tvorby třísky, drsnosti povrchu, rozměrové stability obráběného materiálu a celkové integrity obrobeného povrchu při vrtání do kompozitních materiálů zpevněných uhlíkovými vlákny.
Pro dosažení cíle bylo nutné stanovit vhodné řezné podmínky a následně metodiku pro měření výstupních hodnot na daných použitých přístrojích.
Základní informace týkající se dané problematiky obrábění kompozitních materiálů na bázi reaktoplastů jsou uvedeny v kapitole 2. Kapitola obsahuje informace o dosavadních poznatcích týkající se kompozitních materiálů a jejich obrábění (podkapitola 2.1) a dále udává informace o problematice obrábění kompozitních materiálů (podkapitola 2.2). Nedílnou součástí kapitoly 2 jsou také informace o vrtání kompozitních materiálů (podkapitola 2.3) a základní informace o samotné technologii vrtání (podkapitola 2.4).
Dosažení požadovaného cíle práce je věnována celá kapitola 3. Která obsahuje veškeré informace o jednotlivých etapách přípravy, popisu podmínek a použitých zařízení pro měření.
Z rozsáhlého souboru měření a získaných výsledků uvedených v podkapitolách 4.1 – 4,8 je možno poukázat na následující:
Řezné síly a krouticí moment
Řezná síla byla měřena elektrickým odporovým dynamometrem (obr. 15).
Základní princip měření a zpracování dat je uveden v podkapitole 3.4.
Nejnižších řezných sil při vrtání za konstantních podmínek (obr. 59), bylo dosaženo téměř pro všechny vzorky u nástroje z SK. Hodnota sil se pohybovala v rozmezí 200 – 268,17 N v závislosti na množství plniva. Výjimka nastala pouze u vzorku 0, obráběným nástrojem z HSSCo, jehož hodnota byla 166,48 N.
Nejvyšších hodnot řezné síly při konstantních podmínkách bylo dosaženo u nástroje z HSS, kde se hodnoty pohybovaly v rozmezí 289,38 – 638,72 N. Maximální hodnoty řezných sil byly zaznamenány u vzorku 30 oproti předpokládanému vzorku
124
40. Naměření nižších řezných sil pro vzorek 40, je možné vysvětlit tak, že při odlévání do formy nebyla směs řádně rozmíchána, což vedlo k nerovnoměrnému usazení vláken ve vzorku. Vzorek procházel následně ještě opracováním (dělením), takže při následném měření řezných sil, mohlo být vrtáno do části obsahující nižší obsah plniva.
Obr. 59 Přehled řezné síly F při konstantních řezných podmínkách
Nejnižších řezných sil při vrtání za ideálních podmínek (obr. 60) bylo zaznamenáno pro nástroj z SK. Hodnoty se pohybovaly od 156,24 – 411,20 N, s přibývajícím obsahem plniva. Nejvyšší řezné síly, stejně jako při vrtání za konstantních podmínek, byly zaznamenány u nástroje z HSS. Hodnoty rostly od 436,55 – 1438,9 N s přibývajícím obsahem plniva.
Dále je z výsledků patrné, že při obrábění za ideálních podmínek dochází k nárůstu řezné síly u nástrojů z HSS, HSSCo a HSS + TiN. Hodnoty síly pro nástroj z HSS byly až 2x vyšší než při obrábění za konstantních podmínek. Oproti tomu hodnoty řezné síly pro nástroje z SK a SK + TiN byly při vrtání za ideálních podmínek nižší než u konstantních. Z těchto výsledků lze usoudit, že na velikost řezné síly má kromě množství obsahu plniva výrazný vliv i řezná rychlost, která byla volena ideálně pro daný nástrojový materiál.
S vyšším obsahem plniva byla u vzorků zaznamenána vyšší řezná síla, v důsledku vyšší pevnosti materiálu.
0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TiN Řezná síla F pří konstantních řezných podmínkách
nástrojové materiály
0 10 20 30 40
125
Obr. 60 Přehled řezné síly F při ideálních řezných podmínkách
Krouticí moment se při vrtání za konstantních podmínek (obr. 61) pohyboval v rozmezí od 74,28 – 156,71 Nmm. Moment stejně jako síla ve většině případů s přibývajícím obsahem plniva rostl až do obrábění vzorku 30, kde dosáhl maximálních hodnot. U vzorku 40 byl zaznamenán mírný pokles. Nejnižší hodnota 74,28 Nmm byla naměřena pro vzorek 0, obráběný nástrojem z HSS + TiN. Nejvyšší hodnoty 156,71 Nmm pak bylo dosaženo při vrtání vzorku 30 nástrojem z SK.
0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TiN
Řezná síla F pří ideálních řezných podmínkách
nástrojové materiály
0 10 20 30 40
0 50 100 150 200 250 300
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TiN
Krouticí moment Mk pro konstantní řezné podmínky
nástrojové materiály
0 10 20 30 40
126
Obr. 61 Přehled krouticího momentu MK při konstantních řezných podmínkách Krouticí moment se při vrtání za ideálních podmínek (obr. 62) pohyboval v rozmezí od 114,67 – 232,77 Nmm. Moment rostl ve většině případů s přibývajícím obsahem plniva. Nejnižší hodnota 114,67 Nmm byla naměřena pro vzorek 0 obráběný nástrojem z HSS + TiN. Nejvyšší hodnoty 232,77 Nmm pak bylo dosaženo při vrtání vzorku 40 nástrojem z HSS.
Obr. 62 Přehled krouticího momentu MK při ideálních řezných podmínkách
Teploty
Pro měření teplot při procesu vrtání bylo využito umělých termočlánků typu K.
Tyto termočlánky snímají teploty od -270°C až do teplot 1372°C (vodiče byly tvořeny z materiálů Ni-Cr (+) a Ni-Al (-)). Měření probíhalo za konstantních řezných podmínek a bylo provedeno pomocí nástroje z SK, který se v průběhu experimentů jevil jako nejvhodnější a také proto, že nástroj z SK disponuje lepší tepelnou vodivostí.
Nejnižší vyprodukované teploty vzniklé při procesu vrtání byly změřeny na vzorku 40. Hodnoty teplot zaznamenaných na vzorku 40 činily na termočlánku 1 38,30
± 1,59 °C, termočlánku 2 36,28 ± 1,81 °C a termočlánku 3 35,76 ± 1,64 °C. Naopak nejvyšší teploty zaznamenané v průběhu vrtání byly na vzorku 0, které činily na termočlánku 1 42,72 ± 1,59 °C, termočlánku 2 41,28 ± 1,79 °C a termočlánku 3 39,36 ± 0,56 °C. Z naměřených hodnot je patrné, že maximální hodnoty teplot byly
0 50 100 150 200 250 300
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TiN
Krouticí moment Mk pro ideální řezné podminky
nástrojové materiály
0 10 20 30 40
127
vyprodukovány vždy na termočlánku 1 a to u všech vzorků. Následně docházelo na termočlánku 2 a termočlánku 3 k poklesu teplot.
Dále z výsledků vyplývá, že s rostoucím obsahem plniva dochází ke snižování teplot a to v důsledku dobré tepelné vodivosti plniva (uhlíkových vláken), které zajišťují lepší odvod tepla z místa řezu.
Opotřebení VB
Měření velikosti opotřebení VB bylo provedeno pomocí dílenského mikroskopu ZEISS. Měření bylo prováděno vždy po odvrtání 210 mm až do vzdálenosti 1050 mm, kde bylo opotřebení měřeno pro každý nástrojový materiál u všech vzorků.
Nejmenší opotřebení bylo změřeno podle předpokladů na vzorku 0 pro všechny nástrojové materiály, hodnoty jsou zaznamenány v tabulce 57. Nejvyššího opotřebení bylo dosaženo u vzorku 40, k nahlédnutí v tabulce 61.
Jako nejlepší nástrojový materiál se jeví nástroj z SK, kde bylo dosaženo maximálního opotřebení 0,0350 mm pro vzorek 40. Naopak nejvyšší opotřebení bylo dosaženo u nástroje z HHS, jehož hodnota činila 0,3975 mm u vzorku 40.
Opotřebení nástrojů z HSS bylo patrné již po prvním měření po vrtání do kompozitního materiálu vyztuženého uhlíkovými vlákny, kde hodnota opotřebení dosáhla 0,1 mm u vzorku 10. Vysoké opotřebení nástroje HSS bylo zapříčiněno vysokým abrazivním účinkem vyztužujících vláken a nízké tvrdosti nástroje HSS.
Oproti tomu na vrtáku z SK nebylo zaznamenáno žádné opotřebení v důsledku vyšší tvrdosti, která je výrazně vyšší než u nástroje z HSS. U vrtáků s povlakem TiN, zejména u nástroje HSS + TiN bylo u vzorku 40 zaznamenáno výrazné omílání povlaku, které bylo 3x vyšší než u nástroje z SK + TiN.
Drsnost
Drsnost vrtaných děr byla měřena pomocí Profilometru MITUTOYO SV-2000N2 SURFTEST, zobrazeného na obr. 20. Profilometr je zařízení určené pro měření drsnosti povrchu dotykovou metodou.
Nejlepší drsnosti Ra, Rz a Rt vyvrtaných otvorů za konstantních podmínek bylo dosaženo u vzorku 0 a 10 u nástroje z HSSCo. Pro vzorek 20, 30 a 40 byla dosažena nejnižší hodnota drsnosti u nástroje z SK, kromě parametru Rt u vzorku 40, který byl nejnižší u nástroje HSSCo.
128
Nejhorší drsnost Ra, Rz a Rt vyvrtaných otvorů za konstantních podmínek byla změřena u vzorku 0, 10 a 20 u nástroje z SK + TiN. Pro vzorek 30 byly nejvyšší hodnoty Ra, Rz a Rt zaznamenány pro nástroj z HSS a u vzorku 40 pro nástroj HSS + TiN. Přehled drsnosti Rt za konstantních podmínek na obrázku 63.
Obr. 63 Přehled parametru drsnosti Rt při konstantních řezných podmínkách
Nejlepší drsnosti Ra, Rz a Rt vyvrtaných otvorů za ideálních podmínek bylo dosaženo u vzorku 0,10 a 20 nástrojem z HSSCo. Pro vzorek 30 a 40 bylo dosaženo nejlepší drsnosti u nástroje z SK, kromě parametru Rt u vzorku 30, kde byl parametr nejnižší u nástroje z HSSCo.
Nejhorší drsnosti Ra, Rz a Rt vyvrtaných otvorů za ideálních podmínek bylo zaznamenáno u vzorku 0, 10 a 20 u nástroje z SK + TiN. Pro vzorek 30 byly nejvyšší hodnoty parametrů drsnosti změřeny u nástroje HSS + TiN a u vzorku 40 u nástroje z HSS. Přehled drsnosti Rt za ideálních podmínek na obrázku 64.
0 10 20 30 40 50
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TiN
parametr drsnosti Rt [µm]
nástrojové materiály
0 10 20 30 40
129
Obr. 64 Přehled parametru drsnosti Rt při ideálních řezných podmínkách
Rozměrová stabilita
Pro měření rozměrové stability vyvrtaných otvorů byl použit dutinový mikrometr (obr. 27).
Nejhorší rozměrové stability při obrábění za konstantních řezných podmínek bylo dosaženo nástrojem HSS + TiN u vzorku 0. Téměř totožná hodnota byla dosažena u nástroje SK u vzorku 10. Nejlepší rozměrové stability bylo dosaženo nástrojem SK u vzorku 0 a stejné hodnoty bylo dosaženo nástrojem SK + TiN u vzorku 30.
Nejhorší rozměrové stability při obrábění za ideálních řezných podmínek bylo dosaženo nástrojem HSS u vzorku 20. Nejlepší rozměrové stability bylo dosaženo nástrojem z SK + TiN u vzorku 20.
Tvorba třísky
Při procesu vrtání byla vytvořena vinutá dlouhá tříska u vzorku 0. Tříska u vzorku 40 měla taktéž tvar dlouhé vinuté, ale obsahovala i třísku elementární, která přecházela až na drobnou drobivou (jemný prášek).
0 10 20 30 40 50
HSS HSSCo HSS+TiN SK SK+TiN
parametr drsnosti Rt [µm]
nástrojové materiály
0 10 20 30 40
130
6 ZÁVĚR
Předložená diplomová práce zpracovává téma "Studie vhodných řezných nástrojů pro vrtání do kompozitních materiálů zpevněných uhlíkovými vlákny".
Práce byla rozdělena do tří hlavních částí.
V teoretické části byla pozornost věnována reaktoplastům, problematice jejich obrobení a v neposlední řadě technologii vrtání.
Druhá část se zabývá metodikou experimentu a jeho realizaci. Metodika experimentu byla zaměřena na popis stroje, nástroje, měřicích přístrojů a měřených parametrů. Realizace experimentu se věnuje způsobu měření, analýze a popisu zpracování naměřených hodnot. Třetí část práce je věnována samotnému experimentu, v rámci kterého byly naměřené hodnoty zpracovány do tabulek a následně graficky vyhodnoceny. Nedílnou součástí je diskuze a závěr.
Z rozsáhlého souboru měření a získaných výsledků lze formulovat následující:
1. Nejlepších výsledků řezných sil tj. nejnižších hodnot bylo dosaženo u nástroje SK za konstantních i ideálních podmínek u všech vzorků s plněním 0 až 40 dsk. Síly se pohybovaly v rozmezí od 156,24 do 411,20 N.
Nejvyšší hodnoty řezných sil byly naměřeny u nástroje z HSS. Hodnoty se pohybovaly od 289,38 do 1438,90 N a v celkovém porovnání byly až 3,5 krát větší než u nástroje SK.
2. Krouticí moment se při vrtání za konstantních podmínek pohyboval v rozmezí od 74,28 do 156,71 Nmm. Nejnižší hodnota 74,28 Nmm byla naměřena pro vzorek 0 dsk, který byl obráběn nástrojem z HSS + TiN. Nejvyšší hodnoty 156,71 Nmm bylo dosaženo při vrtání vzorku s plněním 30 dsk nástrojem SK.
Při vrtání za ideálních podmínek došlo k nárůstu momentu. Naměřené hodnoty se pohybovaly v rozmezí od 114,67 – 232,77 Nmm. Nejnižší hodnota 114,67 Nmm byla naměřena pro vzorek 0 dsk, obráběný nástrojem z HSS + TiN.
Nejvyšší hodnoty 232,77 Nmm pak bylo dosaženo při vrtání vzorku s plněním 40 dsk nástrojem z HSS.
131
3. Nejvyšší vyprodukované teploty tj. 42,72 °C bylo dosaženo u vzorku 0 dsk (bez plniva), který byl obráběn nástrojem SK. S přibývajícím obsahem plniva teplota klesala až na 35,76 °C. Hodnota 35,76 °C byla zaznamenána u vzorku s plněním 40 dsk. Pokles teploty byl způsoben větším odvodem tepla pomocí vyztužujících uhlíkových vláken.
4. Nejmenší opotřebení bylo zaznamenáno pro všechny vzorky u nástroje ze SK.
Opotřebení dosáhlo hodnoty 0,03 mm. Nízké opotřebení bylo zapříčiněno vysokou tvrdostí nástroje.
Naopak nejvyšší opotřebení bylo naměřeno pro všechny vzorky u nástroje z HSS. Opotřebení dosáhlo hodnoty 0,40 mm. Vysoká hodnota opotřebení byla způsobena nízkou tvrdostí, která nedokázala odolat vysokým abrazivním účinkům vyztužujících vláken.
Dále lze konstatovat, že nástroje s povlakem TiN se neukázaly jako vhodné. U těchto nástrojů, konkrétně u nástroje HSS + TiN došlo po odvrtání vzdálenosti 1050 mm k výraznému omílání povlaku. Hodnota opotřebení byla 0,18 mm.
5. Nejlepší parametry drsnosti vyvrtaných otvorů za konstantních podmínek byly zaznamenány pro nástroj HSSCo u vzorku 0 a 10 dsk a dále pak pro nástroj SK u vzorků s plněním 20, 30 a 40 dsk. Hodnoty Rt se pohybovaly pro HSSCo od 11,14 do 13,52 µm a pro SK od 10,51 do 12,99 µm. Nejhorší parametry drsnosti Rt vyvrtaných otvorů byly naměřeny pro nástroj SK + TiN u vzorků s plněním 0, 10 a 20 dsk, dále pro nástroj HSS u vzorku 30 a pro nástroj HSS + TiN u vzorku 40 dsk. Hodnoty se pohybovaly pro SK + TiN od 16,34 do 21,62 µm, pro HSS činila hodnota 19,68 µm a pro nástroj HSS + TiN 21,96 µm.
Nejlepší parametry drsnosti vyvrtaných otvorů za ideálních podmínek byly zaznamenány pro nástroj HSSCo u vzorků s plněním 0, 10, 20 a pro nástroj SK u vzorků 30 a 40. Hodnoty Rt se pohybovaly pro HSSCo od 9,88 do 11,97 µm a pro SK od 12,46 do 12,70 µm. Nejhorší parametry drsnosti vyvrtaných otvorů byly naměřeny pro nástroj SK + TiN u vzorků s plněním 0, 10 a 20, dále pro nástroj HSS + TiN u vzorku 30 a pro nástroj HSS u vzorku 40. Hodnoty se pohybovaly pro SK + TiN od 25,55 do 30,71 µm, pro HSS + TiN činila hodnota 25,69 µm a pro nástroj HSS 25,56 µm.
132
6. Nejlepší hodnoty rozměrové stability byly naměřeny u vzorku s plněním 0 dsk za konstantních řezných podmínek u nástroje SK. Stejné hodnoty bylo dosaženo nástrojem SK + TiN u vzorku s plněním 30 dsk. Hodnota činila 5,99 mm.
Nejhorší rozměrové stability při obrábění bylo dosaženo nástrojem HSS + TiN u vzorku 0, kde byla zaznamenána hodnota 5,93 mm.
Nejlepší rozměrové stability za ideálních řezných podmínek bylo dosaženo nástrojem z SK + TiN u vzorku 20. Jehož hodnota byla 5,95 mm.
Nejhorší přesnosti bylo dosaženo nástrojem HSS u vzorku 20, kde hodnota činila 5,93 mm.
7. Při procesu vrtání byla vytvořena vinutá dlouhá tříska u vzorku s plněním 0 dsk.
Tříska u vzorku 40 dsk měla taktéž tvar dlouhé vinuté, ale obsahovala i třísku elementární, která přecházela až na drobnou drobivou (jemný prášek).
Z experimentů bylo dokázáno, že s přibývajícím obsahem plniva rostl obsah drobivé třísky.
133
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
[1] VRBKA, Jan. Mechanika kompozitů [online]. Vysoké učení technické v Brně - VUT Brno, 2008. 89 s.
[2] ONLINE [2018-2-1] Dostupné z: http://slideplayer.cz/slide/3099074/
[3] SEDLÁČEK, Jan. Nástroje pro obrábění kompozitních materiálů [online]. 2006, 4 s
[cit. 2018-02-14]. ISSN 1212-2572. Dostupné z:
https://www.mmspektrum.com/clanek/nastroje-pro-obrabeni-kompozitnich-materialu.html
[4] SEDLÁČEK, Jan. Problémy při obrábění kompozitních materiálů [online]. 2007, 4 s
[cit. 2018-02-11]. ISSN 1212-2572. Dostupné z:
https://www.mmspektrum.com/clanek/problemy-pri-obrabeni-kompozitnich-materialu.html
[5] ŠVAGR J a VOJTÍK J., Technologie ručního zpracování kovů, 1. vydání. Praha:
SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1985. 88 s.
[6] JERSÁK J., Přednášky k předmětu: Technologie III - Obrábění. Bakalářské studium, obor: Strojní inženýrství,3. ročník.
[7] Kompozitní materiály čekají dobré roky [online]. 2015, 1 s [cit. 2018-03-20]. ISSN 0040-1064. Dostupné z: https://www.technickytydenik.cz/rubriky/archiv/kompozitni-materialy-cekaji-dobre-roky_29396.html
[8] ONLINE [2018-3-4] Dostupné z:
http://www.uh.cz/szesgsm/files/sblizovani/pdf/obr-nekovu.pdf
[9] Obrábět kompozity je umění [online]. 2013, 3 s [cit. 2018-05-14]. ISSN 0040-1064.
Dostupné z: https://www.technickytydenik.cz/rubriky/archiv/obrabet-kompozity-je-umeni_20078.html
[10] KROISOVÁ D a DVOŘÁČKOVÁ Š., Kompozitní měřidla. Liberec, 2017. 24 s.
[11] LEDVINA, Miloslav. Výzkum vlivů progresivních způsobů chlazení vybraných technologií obrábění. Liberec, 2017. Disertační práce. Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní.
134
PŘÍLOHY
1 ChS Epoxy 520 – materiálový list
135
136
2 CarbisoTM MF – recyklovaná uhlíková vlákna – materiálový list
137
Material data of Carbiso™ MF80
Typical properties Units Values
Carbon fib r
e cont ent % >95
Other fib r
e cont ent % <5
Fibre diameter µm 7
Fibre length µm 80
Sizing content % 0
Bulk density g/l 400
Metal contamination * <0.5g / 1000g
Packaging (Pillow bag) kg 17.5
Carbiso™ M F M illed Fibre
CARBISO MF REV 1 2 of 4
Fibre length distribution of Carbiso™ MF80
* Our milled fib
r
es have passed thr ough our me t al det ect ion and separ at ion syst ems , me t al cont ami nat ion figu r
es are a gui de.
138
Material data of Carbiso™ MF100
Typical properties Units Values
Carbon fib r
e cont ent % >95
Other fib r
e cont ent % <5
Fibre diameter µm 7
Fibre length µm 100
Sizing content % 0
Bulk density g/l 400
Metal contamination * <0.5g / 1000g
Packaging (Pillow bag) kg 17.5
Carbiso™ M F M illed Fibre
CARBISO MF REV 1 3 of 4
Fibre length distribution of Carbiso™ MF100
* Our milled fib
r
es have passed thr ough our me t al det ect ion and separ at ion syst ems , me t al cont ami nat ion figu r
es are a gui de.
139 3 Tabulky rozměrová stabilita (cd)