PODĚKOVÁNÍ
Na tomto místě bych rád poděkoval Doc. Ing. Janu Jersákovi, CSc. za metodickou pomoc, cenné rady a připomínky, které mi poskytl při zpracování této bakalářské práce.
Děkuji také Bc. Lukáši Rathouzovi ze společnosti Magna Exteriors &
Interiors Bohemia s.r.o. ze závodu Liberec za spolupráci při získávání údajů pro výzkumnou část práce.
Za podporu a pomoc během celého studia děkuji také své rodině a blízkým.
Označení BP: S12000874 Řešitel: Pavel Kotrč
Vliv nástroje a řezných podmínek na kvalitu plastových obrobků frézovaných ve firmě Magna Exteriors & Interiors Bohemia ANOTACE:
Bakalářská práce obsahuje analýzu stávající technologie obrábění spoilerů zadních nárazníků vyrobených ze dvou druhů polypropylénu.
Zadavatelem bakalářské práce je společnost Magna Exteriors & Interiors (Bohemia) s.r.o., závod Liberec. Součástí práce je analýza výroby otvorů obráběním (metodou konvenční i metodou nekonvenční), experimentální část řešení, návrh vhodných nástrojů, návrh řezných podmínek pro obrábění a finální výběr vhodných řezných podmínek pro obrábění spoilerů nárazníků.
The Influence of Tool and Cutting Conditions on the Quality of Plastic Workpieces Milled in Magna Exteriors & Interiors Bohemia Company
ANNOTATION:
The bachelor thesis contains an analysis of contemporary technology of machining of back bumper spoilers made of two types of polypropylene. The ordering authority of the bachelor thesis is Magna Exteriors & Interiors Bohemia Company, works in Liberec. The parts of the bachelor thesis are analysis of holes manufacture by machining (using both conventional and unconventional method), experimental solving part, suggestion of suitable tools, suggestion of cutting conditions for machining and final choice of suitable cutting conditions for machining bumber spoilers.
Klíčová slova: frézování polypropylénu, frézování termoplastů, obrábění polypropylénu, obrábění termoplastů
Zpracovatel: TU v Liberci, KOM Dokončeno: 2014
Archivní označ. zprávy:
Počet stran: 55 Počet obrázků: 26 Počet příloh: 3 Počet tabulek: 60
Počet diagramů: 0
7
Katedra obrábění a montáže
Evidenční číslo práce: KOM 1261
Jméno a příjmení: Pavel K O T R Č
Vedoucí práce: Doc. Ing. Jan JERSÁK, CSc.
Konzultant: Bc. Lukáš Rathouz
- Magna Exteriors & Interiors Bohemia, závod Liberec
Počet stran: 55
Počet příloh: 3
Počet tabulek: 60
Počet obrázků: 26
Počet diagramů: 0
8 OBSAH
OBSAH ... 8
ÚVOD ... 11
1 PROFIL FIRMY MAGNA EXTERIORS & INTERIORS (BOHEMIA) s.r.o. ... 13
2 FRÉZOVÁNÍ... 15
2.1 ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY FRÉZOVÁNÍ 15
2.2 NÁSTROJ 18
2.3 GEOMETRIE NÁSTROJE 18
3 PLASTY ... 20
3.1 VÝROBA PLASTŮ 20
3.2 ROZDĚLENÍ PLASTŮ 20
3.3 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ 22
3.4 NADMOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ (MORFOLOGIE) 23
3.5 OBRÁBĚNÍ PLASTŮ 25
4 CHARAKTERISTIKA ZKOUMANÝCH PLASTOVÝCH SOUČÁSTÍ A SHRNUTÍ POZNATKŮ O STÁVAJÍCÍ TECHNOLOGII VÝROBY OTVORU PRO TAŽNÉ ZAŘÍZENÍ ... 28
4.1 POSTUP OPERACÍ VÝROBY SPOILERU ZADNÍHO NÁRAZNÍKU 28
4.2 POPIS SPOILERU ZADNÍHO NÁRAZNÍKU 28
4.3 POPIS MATERIÁLU SPOILERU 30
4.4 POPIS STÁVAJÍCÍ TECHNOLOGIE VÝROBY OTVORU PRO TAŽNÉ ZAŘÍZENÍ 31
5 NÁVRH METODIKY MĚŘENÍ UMOŽŇUJÍCÍ OBJEKTIVNĚ POSOUDIT VHODNOST JEDNOTLIVÝCH ZPŮSOBŮ FRÉZOVÁNÍ SPOILERŮ ZADNÍCH NÁRAZNÍKŮ ... 33
6 PRAKTICKÁ ČÁST ŘEŠENÍ A HODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ ... 34
6.1 EXPERIMENT Č. 1 – FRÉZOVÁNÍ SPOILERŮ KOMBINACÍ NÁSTROJŮ A ŘEZNÝCH PODMÍNEK 34
6.1.1 HODNOCENÍ EXPERIMENTU Č. 1 41
6.2 EXPERIMENT Č. 2 – SLEDOVÁNÍ POČTU OBROBENÝCH KUSŮ JEDNÍM NÁSTROJEM 44
6.2.1 HODNOCENÍ EXPERIMENTU Č. 2 45
7 HODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ ... 50
ZÁVĚR ... 52
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 54
SEZNAM PŘÍLOH ... 55
9
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
ap [mm] hloubka záběru b [mm] šířka řezu f [mm.ot-1] posuv
fz [mm.zub-1] posuv na zub n [ot.min-1] otáčky
p [ks] počet obrobených kusů
Ra [µm] průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Rz [µm] největší výška profilu
rε [mm] poloměr zaoblení špičky nástroje
t [mm] tloušťka obráběného materiálu Tg [°C] teplota zeskelnění
Tm [°C] teplota tání
tp [ - ] nosný podíl profile vc [m.min-1] řezná rychlost vf [m.min-1] rychlost posuvu z [ - ] počet zubů
α [ ° ] úhel hřbetu
[ ° ] úhel břitu
λ [W m-1K-1] tepelná vodivost
λs [ ° ] úhel sklonu šroubovice γ [ ° ] úhel čela
γK [ ° ] kritický úhel čela χr [ ° ] úhel nastavení
r [ ° ] úhel nastavení doplňkový
HDPE high density polyethylen (vysokohustotní polyetylen)
HSS rychlořezná ocel
LDPE light density polyethylene (nízkohustotní polyetylen)
PA polyamid
PC polykarbonát
PE polyetylen
10 PET polyetylentereftalát PMMA polymetylmetakrylát
POM polyacetal
PP polypropylen
PS polystyren
PTFE polytetrafluoretylen PVC polyvinylchlorid
SK slinutý karbid
TPCA Toyota Peugeot Citroen Auto TUL Technická univerzita v Liberci
11 ÚVOD
Zadavatelem bakalářské práce je společnost Magna Exteriors & Interiors (Bohemia) s.r.o. závod Liberec, která se zabývá výrobou plastových dílů zejména pro automobilový průmysl. Mezi hlavní odběratele patří Škoda Auto, Audi, Seat a TPCA.
Jedním z produktů podniku jsou spoilery zadních nárazníků osobních automobilů. Vyrábějí se technologií vstřikování na vstřikovacích lisech z měkkého polymerního materiálu, který je tvořen v převážné míře polypropylénem. V práci je uveden popis spoileru zadního nárazníku a popis zařízení pro výrobu otvoru v zadním spoileru.
Pouze u některých spoilerů, dle přání zákazníka, je vytvořen otvor pro instalaci odnímatelného tažného zařízení. Vyrábí se frézováním nebo použitím laserového paprsku. Vzniklý otvor se v případě momentálně nepřipojeného tažného zařízení zakrývá krytkou, která chrání elektroinstalaci a mechanickou část tažného zařízení umístěnou na karoserii automobilu, ale plní také estetickou funkci.
U současné výroby otvoru v zadním spoileru nastávají při frézování nepříznivé problémové jevy v podobě špatné jakosti obrobeného povrchu. Při frézování také vznikají na hraně spoileru takzvané otřepy, které ovlivňují další průběh montáže krytky otvoru pro tažné zařízení. Na kvalitu otvoru ve spoileru jsou kladeny technologické požadavky, jako kvalita řezu obrobku a kvalita hrany otvoru bez poškození laku a vznikajících otřepů.
V rámci bakalářské práce je řešen problém frézování otvoru pro tažné zařízení v zadním spoileru automobilu Škoda Yeti a Škoda Octavia. Úkolem bakalářské práce je určit vhodný nástroj a řezné podmínky pro každý druh zkoumaného materiálu (spoileru) tak, aby vyhovoval technologickým požadavkům. Bakalářská práce si stanovila tyto cíle:
vytvořit hodnocení dvou druhů spoilerů,
vybrat vhodný nástroj pro frézování každého materiálu spoileru,
navrhnout vhodné řezné podmínky pro každý materiál spoileru,
12
změřit, při jakých řezných podmínkách a při jakém nástroji je nejlepší jakost povrchu u frézovaných součástí,
zjistit, při jakých řezných podmínkách a jakém nástroji dochází ke vzniku nejmenších otřepů a nejmenšímu poškození laku.
13
1 PROFIL FIRMY MAGNA EXTERIORS & INTERIORS (BOHEMIA) s.r.o.
Společnost Magna Exteriors & Interiors (Bohemia) s.r.o. (dále jen Magna) patří k největším evropským dodavatelům plastových dílů pro automobilový průmysl a je součástí celosvětové společnosti Magna. Díky širokému zaměření jednotlivých skupin je společnost Magna sama schopna vyrobit téměř celý automobil, kromě dvou komponentů – motoru a pneumatik [ 9 ].
Počátky společnosti Magna spadají do 60. let minulého století.
Zakladatelem společnosti je Frank Stronach, rakouský rodák, který v roce 1957 odešel do Kanady, aby zde založil firmu „jednoho muže“ nazvanou Multimatic [ 9 ].
Magna je tvořena třemi výrobními závody v Liberci, Libáni a Nymburku a závodem Nástrojárna v Liberci. V roce 2006 byla dokončena výstavba nového závodu v Maďarsku. Závody zastřešuje ředitelství společnosti se sídlem v Liberci, jehož součástí je i vlastní útvar vývoje.
Společnost vlastní ve třech závodech zhruba 102 vstřikovacích strojů s uzavírací silou 300 až 40.000 kN, výrobní linky dveřních výplní, lakovací linky na výrobu lakovaných nárazníků, výrobní linky pro výrobu přístrojových desek a řadu dalších montážních pracovišť [ 9 ].
Závod Liberec vyrábí v současné době pro automobilový průmysl tyto díly:
Výrobní odbor Exteriér
lakované nárazníky, mřížky chladiče Výrobní odbor Interiér
obložení přístrojové desky, odkládací schránka, střední konzole, přístrojové desky, loketní opěrky
Liberecký závod využívá k výrobě především moderní technologii vstřikování velkých plastových dílů, kde mezi speciality můžeme zařadit dvoukomponentní vstřikování a vstřikování za pomoci dusíku. Většina menších dílů se spojuje technologií ultrazvukového nebo vibračního svařování, přičemž úprava tvaru se provádí laserovým ořezem nebo prostřihem. Nárazníky
14
se lakují vodou ředitelnými barvami, které jsou nanášeny elektrostatickým způsobem [ 9 ].
15 2 FRÉZOVÁNÍ
Frézování je třískový způsob obrábění, při kterém je materiál odebírán rotačním, obvykle vícebřitým nástrojem – frézou (Obr. 3). Hlavní řezný pohyb je otáčivý a vykonává ho fréza. Vedlejší pohyb je pohyb posuvný a provádí ho obrobek zpravidla kolmo na osu otáčení nástroje. Při frézování je řezný proces přerušovaný, každý zub odřezává jednotlivé krátké třísky proměnné tloušťky [ 1 ]. Touto metodou se opracovává řada materiálů, např.: železné a neželezné kovy, dřevo, plasty. Použitím různých druhů frézovacích nástrojů je možné obrábět především plochy rovinné, ale také plochy tvarové, šikmé, nepravidelné, rotační, dále drážky a vybrání různých tvarů, různé druhy ozubení ozubených kol a hřebenů, ale slouží také k rozdělování materiálu apod. V praxi je frézování používáno jako druhá nejčastější metoda obrábění [ 2 ].
2.1 ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY FRÉZOVÁNÍ
Dle polohy osy nástroje vůči obráběné ploše se frézování dělí na frézování obvodové, frézování čelní, frézování okružní, frézování planetové [ 1 ].
Obvodové frézování se používá převážně při práci s válcovými a tvarovými frézami. Zuby frézy jsou pouze na obvodu nástroje. Hloubka řezu se nastavuje kolmo na osu frézy a směr posuvu. Obrobená plocha je rovnoběžná s osou otáčení frézy. Způsob vytváření této plochy a průběh vytváření třísky závisí na smyslu otáčení frézy ke směru posuvu obrobku. Podle toho rozeznáváme frézování sousledné a nesousledné [ 1 ].
Při sousledném frézování je smysl otáčení frézy shodný se směrem posuvu obrobku. Jak je zřejmé z Obr. 1b, tak na počátku záběru, kdy vniká břit nástroje do obrobku, je odebírána maximální tloušťka třísky, která se postupně zmenšuje a odděluje se od materiálu v nejslabším místě, kdy břit vychází ze záběru [ 2 ]. Řezné síly působí směrem dolů. Tento způsob frézování můžeme použít jen na stroji, který má ve stole vymezenou vůli mezi maticí a pohybovým šroubem, aby při záběru frézy nedošlo k poškození frézy, obrobku nebo frézky [ 1 ]. Proto není vhodný pro frézování materiálů s nečistým povrchem a s tvrdou povrchovou vrstvou. Břity frézy se s již obrobenou plochou nestýkají, nedochází k jejich zahřívání a otupování, obrobená plocha je kvalitnější.
Je vhodné pro obrábění houževnatých a měkkých materiálů.
16
Během nesousledného frézování je smysl rotace frézy proti směru posuvu obrobku (Obr. 1a). Vznikající průřez třísky se mění od nuly až do maximální hodnoty na konci řezu [ 2 ]. Nevýhodou je, že břit zubu frézy na začátku řezu klouže po již obrobené ploše předchozím břitem (viz Obr. 1a), což má za následek opotřebení břitu a jeho otupování, a tím zhoršuje jakost této obrobené plochy. Řezná síla působí směrem k nástroji (nahoru), a tak nepříznivě ovlivňuje upnutý obrobek – snaží se jej vytrhnout z upínače.
a – nesousledné frézování, b – sousledné frézování, F – fréza, O – obrobek, n – otáčení frézy, f – posuv obrobku, fz – posuv na zub, ap – hloubka řezu
Obr. 1 Schéma nesousledného a sousledného frézování (dle [ 4 ])
Výhody sousledného a nesousledného frézování lze shrnout v následujících bodech [ 3 ]:
Nesousledné frézování
trvanlivost nástroje nezávisí na okujích, písčitém povrchu obrobku apod. (lze obrábět výkovky či odlitky – břity do tvrdé vrstvy vnikají zespodu a potom ji odlamují, což má za následek pomalejší otupení nástroje),
není zapotřebí vymezování vůle mezi posunovým šroubem a maticí stolu stroje,
menší opotřebení šroubu a matice,
záběr zubů frézy při jejich vřezávání nezávisí na hloubce řezu.
17 Sousledné frézování:
vyšší trvanlivost břitů, což umožňuje použití vyšších řezných rychlostí a posuvů,
menší potřebný řezný výkon,
řezná síla přitlačuje obrobek ke stolu, takže lze použít jednodušších upínacích přípravků,
menší sklon ke chvění,
menší drsnost obrobeného povrchu.
Při čelním frézování, které je znázorněno na Obr. 2, zabírají do materiálu čelní i obvodové břity nástroje. Břity na obvodové části mají za úkol odebírat materiál a čelní břity vytváří obráběnou plochu a zlepšují jakost povrchu.
Obrobená plocha je kolmá na osu frézy. Tloušťka třísky se postupně od vstupu břitu nástroje ke středu odřezávané vrstvy zvětšuje, a naopak od středu k místu výstupu břitu z materiálu dochází k postupnému zmenšování tloušťky třísky [ 1 ]. Její hodnoty jsou závislé na vzájemném poměru šířky obráběné plochy, průměru použité frézy a také na poloze osy nástroje k ose obrobku (souměrné a nesouměrné frézování – asymetrie).
F – fréza, O – obrobek, B – šířka obrobku, ap – hloubka řezu, f – posuv, fz – posuv na zub, n - otáčení frézy,
Obr. 2 Čelní frézování [ dle 2 ]
18 2.2 NÁSTROJ
Při frézování se používá jako nástroj fréza. Vzhledem k velkému rozsahu frézování je potřeba velké množství nástrojů, a proto se používá mnoho typů a velikostí fréz (Obr. 3). Dělí se podle použitých materiálů, tvaru zubů, směru zubů, konstrukce, geometrického tvaru [ 1 ].
a) válcová fréza, b) úhlová fréza, c) kotoučová fréza, d) čelní válcová fréza, e) kopírovací fréza, f) čelní fréza, g) frézovací hlava, h) tvarová fréza, i) drážkovací fréza
Obr. 3 Základní druhy fréz (dle [ 1 ])
2.3 GEOMETRIE NÁSTROJE
Na základě výzkumu a dlouholetých zkušeností s frézami z rychlořezné oceli se prakticky ustálila základní nástrojová geometrie jejich zubů (Obr. 4).
Úhel hřbetu α se u nich obvykle pohybuje v rozmezí 10° až 20°, úhel řezu δ v rozmezí 60° až 80°. Pro různé materiály se doporučují různé velikosti úhlu řezu [ 1 ]. Dle literatury [ 2 ] se při frézování termoplastů používají tzv.
„hrubozubé” frézy z rychlořezné oceli, slinutého karbidu nebo ze syntetického diamantu.
Geometrie břitu frézy pro frézování termoplastů ze slinutého karbidu K20 [ 2 ]:
úhel čela γ = 10 až 20°
úhel hřbetu α = 20°
19
úhel sklonu šroubovice λ = 45°
Obr. 4 Geometrie čelní válcové frézy z rychlořezné oceli [ 1 ]
Pro zajištění vysoké řezivosti musí být řezné nástroje dokonale naostřeny, případně je nutné čelo a hřbet břitu leštit či lapovat, aby nedocházelo k natavování obráběného materiálu a následnému nalepování plastu na břit nástroje. Nalepování třísek na nástroj vede ke špatné kvalitě obrobeného povrchu.
Při obrábění termoplastů (zejména při obrábění PVC) je nutné dbát na dobrý odvod tepla z místa řezu například tlakovým vzduchem, výjimečně i emulzí u nenavlhavých plastů.
20 3 PLASTY
Plasty jsou jednou z nejvýznamnějších skupin nekovových materiálů [ 7 ], je to díky jejich vlastnostem, v kterých často předčí klasické materiály, tj. kovy, keramiku, sklo nebo dřevo [ 5 ]. Počátek průmyslové výroby plastů začíná v době po první světové válce a od poloviny 20. století se jejich rozvoj nadále zintenzivňuje až do současnosti [ 7 ]. Plasty pronikají do všech oborů lidské činnosti, umožňují zkvalitnění výrobků, šetří náklady a umožňují vznik nových oborů [ 4 ]. Jsou to konstrukční materiály se specifickými vlastnostmi. Mezi výhodné vlastnosti patří nízká měrná hmotnost, tepelná i elektrická izolace a výborná zpracovatelnost, vodou nekorodují, tlumí rázy a chvění [ 6 ].
Nevýhodou jsou nízké mechanické a časově závislé vlastnosti, creep, ekologie [ 6 ]. Plasty jsou makromolekulární organické sloučeniny skládající se z obřích molekul (makromolekul), které obsahují tisíce atomů, především uhlíku a vodíku, k nimž přistupují atomy dalších prvků, např. chlóru, fluóru, kyslíku, dusíku aj. [ 4 ].
3.1 VÝROBA PLASTŮ
Syntetické makromolekulární látky vznikají polyreakcemi (polymerace, polykondenzace a polyadice) [ 5 ]. Jsou to chemické reakce, které se mnohokrát opakují, takže původní nízkomolekulární sloučenina nazývaná monomer přechází ve vysokomolekulární látku, tzv. polymer [ 6 ]. Plastem se polymer stává poté, co ho smícháme a smísíme s nezbytnými přísadami a převedeme do formy vhodné k dalšímu technologickému zpracování.
3.2 ROZDĚLENÍ PLASTŮ
Plasty je možno klasifikovat dle různých hledisek. Nejdůležitější hlediska jsou dle působení teploty, stupně uspořádanosti a praktického hlediska [ 6 ].
Dle působení teploty dělíme plasty na termoplasty, reaktoplasty, kaučuky, pryže a elastomery.
Termoplasty jsou polymery, které zahříváním přecházejí do stavu vysoce viskózních kapalin, kde je lze snadno tvářet a zpracovávat různými technologiemi. Ochlazením pod určitou teplotu, která je typická pro daný druh plastu, přecházejí termoplasty do tuhého stavu [ 5 ]. Protože při zahřívání
21
nedochází ke změnám chemické struktury, lze proces měknutí a následného tuhnutí opakovat [ 7 ]. K termoplastům patří většina zpracovávaných hmot, jako je PE, PP, PS, PVC, PA atd.
Reaktoplasty nazýváme polymery, které v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak pouze omezenou dobu. Dalším zahříváním nebo působením katalyzátorů dochází k chemické reakci (zpravidla polykondenzaci) a vytvoření prostorově zesíťované struktury, k tzv. vytvrzování [ 4 ]. Tento děj je nevratný a vytvrzené plasty nelze roztavit ani rozpustit, dalším zahříváním dojde k rozkladu hmoty neboli k degradaci [ 5 ]. Výrobek je možno považovat za jednu velkou makromolekulu [ 6 ]. Mezi reaktoplasty patří fenolformaldehydové hmoty, epoxidové pryskyřice, polyesterové hmoty apod. [ 6 ].
Kaučuky, pryže a elastomery jsou polymerní materiály, které také v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, ale jen omezenou dobu. Dalším zahříváním dochází k chemické reakci – prostorovému zesíťování struktury pomocí tzv. vulkanizace [ 4 ]. U elastomerů na bázi termoplastů nedochází ke změnám chemické struktury, proces měknutí a následného tuhnutí lze opakovat teoreticky bez omezení [ 6 ].
Podle stupně uspořádanosti se plasty dělí na amorfní plasty a krystalické plasty (semikrystalické plasty).
U amorfních plastů jednotlivé makromolekuly zaujímají zcela nahodilou pozici, jejich řetězce jsou pak nepravidelně zkroucené a propletené [ 5 ]. Patří sem např. PS, PMMA, PC apod. [ 6 ]. Vyznačují se svou tvrdostí, křehkostí, vysokou pevností, modulem pružnosti a jsou průhledné, resp. dle propustnosti světla čiré, transparentní anebo průhledné [ 6 ]. Součinitel teplotní roztažnosti je menší než u semikrystalických polymerů. Použitelnost amorfních polymerů je do teploty zeskelnění Tg [ 7 ].
Krystalické plasty jsou plasty, které vykazují určitý stupeň uspořádanosti.
Ten se označuje jako stupeň krystalinity (pohybuje se od 40 do 90 %) a vyjadřuje relativní podíl uspořádaných oblastí, uložených mezi oblastmi amorfními [ 6 ]. Nemůže nikdy dosáhnout 100 %, proto se krystalické plasty označují jako semikrystalické [ 5 ]. Patří sem PE, PP, PA, PTFE atd. [ 6 ] Z hlediska optických vlastností jsou mléčně zakalené, jsou charakterizovány
22
houževnatostí materiálu, pevnost a modul pružnosti roste se stupněm krystalinity [ 6 ]. Použitelnost semikrystalických plastů je do teploty tání Tm [ 7 ].
Z praktického hlediska lze dělit plasty na plněné a neplněné plasty.
Za neplněné plasty považujeme takové plasty, u kterých množství přísad neovlivňuje vlastnosti určující složky [ 5 ].
U plněných plastů plnivo ovlivňuje fyzikální a mechanické vlastnosti plastu.
Makromolekulární látka plní funkci pojiva a určuje základní fyzikální a mechanické vlastnosti hmoty [ 5 ]. Přísadou mohou být plniva, stabilizátory, maziva, barviva, změkčovadla, nadouvadla, tvrdidla, retardéry hoření apod.
[ 6 ]. Plniva zlepšují mechanické vlastnosti materiálu, nebo chemickou odolnost či tvarovou stálost při zvýšené teplotě.
3.3 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ
Plasty jsou obecně makromolekulární látky o molekulové hmotnosti vyšší jak 104 [ – ] a z chemického hlediska jsou to látky organické [ 6 ]. U polymerních materiálů je primárním prvkem atom uhlíku [ 7 ]. Uhlíkové atomy mají schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce.
Existují tři druhy polymerních makromolekul: lineární, rozvětvené a zesíťované.
Lineární makromolekuly vznikají řazením jednotlivých monomerů za sebou [ 7 ]. Z prostorových důvodů se mohou makromolekuly více přiblížit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor. Díky tomu mají polymery vyšší hustotu (např. HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takže tyto polymery dosahují vyšší krystalinity [ 6 ]. Plasty s lineárními makromolekulami se v tuhém stavu vyznačují houževnatostí a ve formě tavenin dobrou zpracovatelností [ 5 ].
Zástupcem lineárních makromolekul jsou termoplasty [ 5 ].
Rozvětvené makromolekuly jsou typické pro termoplasty a vyznačují se tím, že mají na základním řetězci boční řetězce [ 6 ]. Se zvyšujícím se počtem rozvětvení klesá hodnota hustoty (např. LDPE), uspořádanost shluků je nízká, tudíž klesá také stupeň krystalinity [ 5 ]. Boční řetězce zhoršují i pohyblivost makromolekul a tedy i tekutost v roztaveném stavu. Rozvětvení mají také za
23
následek zhoršení většiny mechanických vlastností díky oddálení sousedních makromolekul [ 6 ].
Zesíťované makromolekuly jsou charakteristické pro reaktoplasty a kaučuky [ 5 ]. V tomto případě je několik přímých nebo rozvětvených makromolekulárních řetězců mezi sebou propojeno vazbami, takže vytvářejí jednu takřka nekonečnou makromolekulu – prostorovou síť [ 6 ]. Takováto síť vede ke ztrátě tavitelnosti a rozpustnosti polymeru. Polymery vykazují vysokou tvrdost, tuhost a odolnost proti zvýšené teplotě, avšak nízkou odolnost proti rázovému namáhání [ 5 ].
3.4 NADMOLEKULÁRNÍ STRUKTURA PLASTŮ (MORFOLOGIE)
Podle stupně uspořádanosti makromolekul jsou plasty amorfní (neuspořádané) a krystalické (uspořádané). Lineární makromolekuly vytváří uspořádanější nadmolekulární strukturu. Zesíťované a rozvětvené makromolekuly tvoří strukturu neuspořádanou. Termoplasty tak mohou mít amorfní nebo semikrystalickou strukturu, zatímco reaktoplasty pouze strukturu amorfní [ 6 ].
Základním morfologickým útvarem amorfní struktury jsou globuly neboli klubíčka (Obr. 5a) o velikosti 10 – 30 nm, která jsou vytvořena z chaoticky stočených makromolekul [ 5 ]. Tato klubíčka se uspořádávají do složitějších útvarů, viz Obr. 5b. Dalším útvarem jsou svazky (Obr. 5c), které jsou v podstatě rozvinutá klubíčka za působení vnějších sil [ 5 ].
a) globula, b) uspořádání globul, c) svazek
Obr. 5 Nadmolekulární struktura amorfních plastů (dle [ 5 ])
Základní útvar krystalické struktury je proužek (Obr. 6a), který přechází v tzv. lamely (Obr. 6b) nebo fibrily (Obr. 6c) [ 6 ]. Lamely a fibrily vznikají obdobně při krystalizaci polymeru, ale pro vytvoření fibrilární struktury je navíc potřeba působit na polymer při krystalizaci určitým napětím, např. vytlačováním [ 5 ].
24
a) proužek, b) lamela, c) fibrila
Obr. 6 Nadmolekulární struktura krystalických plastů (dle [ 5 ])
U reálných výrobků se při tuhnutí z tavenin polymerů vytvářejí složitější útvary zvané sférolity (obr. 7) [ 6 ]. Sférolity vznikají při deformaci lamel do spirály, které vychází ze společného centra a rozrůstají se do všech směrů.
Ideální tvar sférolitů by měl být kulový a lze je pozorovat i pouhým okem [ 5 ].
Krystalizující polymery nemají v reálných podmínkách technologického zpracování možnost dokonalé krystalizace, tzn. že krystalizace se nezúčastní veškerá polymerní hmota, ale zkrystalizuje jen určité procento polymeru [ 6 ].
Část takového polymeru je krystalická, zbylá část zůstává v amorfním stavu, proto hovoříme o tzv. semikrystalických polymerech [ 6 ].
Obr. 7 Sférolitická struktura semikrystalických termoplastů (dle [ 5 ]) Materiál s vyšším stupněm krystalinity a těsnějším uspořádáním makromolekul v krystalických oblastech pod vlivem vyšších mezimolekulárních sil, se bude polymerní materiál s vyšším stupněm uspořádání projevovat vyšší hodnotou pevnosti, tuhosti a tvrdosti, ale zároveň nižší houževnatostí [ 5 ].
Například HDPE má stupeň krystalinity kolem 80 %, zatímco LDPE kolem 60
%. Amorfní oblast polymerního materiálu představuje jakési klouby, kolem nichž se mohou krystality natáčet, takže přispívají ke zvýšení houževnatosti a tím i tažnosti [ 6 ].
Jedním z důsledků krystalizace je ztráta průhlednosti materiálu. Ta je dána homogenitou nebo naopak heterogenitou daného systému [ 5 ]. Je-li
25
systém tvořen z více fází jako krystalický plast, ztrácí svou průhlednost a daný polymer se jeví jako mléčně zakalený, zatímco amorfní plast tvořený jednou fází je čirý, průhledný [ 6 ]. Nejlepší optické vlastnosti má PMMA [ 5 ].
3.5 OBRÁBĚNÍ PLASTŮ
Při obrábění plastů se používají především operace frézování, řezání, soustružení, vrtání a řezání závitů [ 2 ]. Pro obrábění plastů platí podobné podmínky jako při obrábění kovů, z tohoto důvodu se používají i obráběcí stroje a nástroje stejné konstrukce jako při obrábění kovů [ 5 ]. Plasty mají charakteristické vlastnosti, a proto je nutné těmto vlastnostem přizpůsobit podmínky obrábění.
Velká tepelná roztažnost plastů způsobuje změnu rozměrů obráběné součásti při obrábění, což má za následek malou rozměrovou přesnost [ 2 ].
Tepelná roztažnost je až dvacetkrát větší než u kovů [ 8 ]. V praxi při obrábění přesných součástí je třeba zabránit zahřívání obráběného materiálu právě z důvodů této vlastnosti.
Malá tepelná vodivost je příčinou toho, že teplo vzniklé při obrábění plastů neodvádí obrobek a musí ho odvést z místa řezu nástroj či okolí. Hodnoty tepelné vodivosti plastů jsou 500 až 600krát menší než u kovů. Břit nástroje je značně tepelně namáhán, a tím je i jeho opotřebení intenzivnější s možností vzniku lavinovitého opotřebení [ 2 ]. Aby byl vývin tepla co nejmenší, musí být nástroj dokonale ostrý a břit musí mít optimální geometrii [ 5 ]. Pro odvádění tepla z místa řezu se používá chlazení v podobě proudu vzduchu nebo vodní mlhy u nenavlhavých plastů.
Měrný řezný odpor je mnohem nižší než u kovů [ 5 ]. Tato vlastnost je z hlediska vývinu tepla příznivá, protože umožňuje volit větší úhel čela a hřbetu [ 2 ]. V praxi může v některých případech dojít k natavení a přilnutí materiálu na břit nástroje, a tím se řezný odpor prudce zvyšuje [ 5 ]. Hodnoty řezných odporů pro běžné termoplasty (PP, PE, PVC, PMMA) jsou do 200 MPa. U vyztužených plastů se může hodnota řezného odporu zvýšit až na 700 MPa, což je hodnota shodná s ocelí střední pevnosti [ 8 ].
Adheze (přilnavost) je vlastností některých plastů. Velká adheze plastu k břitu nástroje se může vyskytovat i při volbě optimálních řezných podmínek.
26
Adheze vede k opotřebení břitu nástroje adhezním otěrem [ 5 ]. Při obrábění vyztužených plastů dochází k opotřebení břitu nástroje abrazivním otěrem [ 8 ].
Koeficient tření při obrábění je u dvojice kov – plast a slinutý karbid – plast je stejný nebo nižší než u dvojice kov – kov [ 5 ]. Keramické nástroje však nejsou pro obrábění plastů vhodné. Důvodem je, že u kombinace keramika – plast je koeficient tření vyšší než u dvojice kov – kov [ 5 ].
Teplotní odolnost termoplastů při obrábění je mnohem menší než při obrábění kovů, zhruba do 100 °C [ 8 ]. Při vyšších teplotách začínají termoplasty měknout a ztrácet svou tuhost. To vede ke zhoršení kvality řezu, a proto je nutné zajistit odvod tepla chlazením. Díky nižším hodnotám mechanických vlastností a dobrým kluzným vlastnostem u některých plastů vzniká mnohem méně tepla při obrábění plastů v porovnání s kovy. Teplota stoupá při zvyšování řezné rychlosti jen zpočátku, jak je zřejmé z obr. 8. Zhruba od 100 m/min stoupá teplota jen nepatrně [ 8 ].
Obr. 8 Vývin tepla při soustružení oceli, slitiny Al a plastu [ 8 ]
Při obrábění plastů se vyvíjí teplo dvěma způsoby. Prvním zdrojem tepla jsou plastické deformace a lze jej nazývat deformační teplo. Druhým zdrojem tepla je tření mezi čelem a hřbetem nástroje s obráběným materiálem a odcházející třískou, takto vzniklé teplo lze nazývat třecí (frikční) teplo. Třecí teplo vznikající mezi plochou hřbetu a čela nástroje a obráběným materiálem je jedním z největších vznikajících tepel u plastických materiálů [ 8 ]. Snížit třecí teplo lze například vyleštěním nebo lapováním hřbetní a čelní plochy
27
nástroje [ 1 ]. Se vzrůstající hodnotou teploty třecího tepla může docházet ke snížení životnosti břitu nástroje. Vlivem nadměrného frikčního tepla vzniká u termoplastů natavování obráběných ploch, což je nežádoucí jev, který vede ke snížení kvality výrobku [ 8 ]. Vzniklé teplo při obrábění má vliv na přesnost obrobku a vlastnosti jeho povrchové vrstvy (zbytková napětí, strukturní změny, drsnost obrobku). Řezné plochy plastických materiálů jsou často drsné a mají praskliny nebo jsou pokryty nežádoucími stopami po nástroji [ 8 ].
Pro obrábění plastů lze určit dvě základní skupiny činitelů, které mají vliv na celý proces [ 8 ].
První skupinu prezentuje geometrie nástroje. Do této skupiny patří:
úhel čela γ, který má největší vliv na tvoření třísky,
úhel hřbetu α, který má největší vliv na opotřebení nástroje,
poloměr zaoblení špičky rε, jenž má největší vliv na drsnost obrobené plochy.
Do druhé skupiny patří vlivy řezných podmínek a podmínek pro obrábění, tuto skupinu prezentuje:
hloubka záběru ap, řezná rychlostí vc, posuv f, které nejvíce ovlivňují tvoření třísky a drsnost obrobené plochy,
teplota prostředí, která má největší vliv na vývin tepla či natavování,
chlazení při obrábění, které má největší vliv na vývin tepla, natavování třísky či natavování obráběného povrchu.
28
4 CHARAKTERISTIKA ZKOUMANÝCH PLASTOVÝCH SOUČÁSTÍ A SHRNUTÍ POZNATKŮ O STÁVAJÍCÍ
TECHNOLOGII VÝROBY OTVORU PRO TAŽNÉ ZAŘÍZENÍ
4.1 POSTUP OPERACÍ VÝROBY SPOILERU ZADNÍHO NÁRAZNÍKU Pro představu, jak spoiler zadního nárazníku vzniká, je potřeba uvést postup operací výroby spoileru v podniku Magna (závod Liberec). Výrobní postup je pro oba spoilery podobný. Rozdíl mezi zkoumanými součástmi spočívá v materiálu, ze kterého jsou vyrobeny a také v tom, že zadní spoiler nárazníku Škoda Yeti je lakovaný a spoiler zadního nárazníku Škody Octavia lakovaný není.
Na začátku výroby se z připraveného granulátu vystříkne na vstřikovacím lisu výlisek, který má tvar spoileru zadního nárazníku. Následně putuje spoiler A5 SUV (pro Škodu Yeti) do lakovny, kde se díl umyje a osuší, poté dochází k nanesení první vrstvy laku, která vytváří stříbrný barevný odstín výrobku a označuje se BC neboli „básislak“. Další vrstvou je vrchní lak s označením CC neboli „klárlak”, který významně ovlivňuje výslednou kvalitu lakovaného dílu, jako je lesk, tvrdost, jakost povrchu atd. [ 10 ]. Spoiler SK371-A7 pro Škodu Octavia není lakovaný. Poté se spoilery v obou případech obrábí v obráběcím centru zobrazeném na Obr. 11, kde frézováním vzniká otvor pro tažné zařízení.
Dále jsou spoilery baleny a odesílány do modulového centra. Zde je za pomoci lepicího zařízení přilepena výztuha tažného zařízení. Do této výztuhy se následně namontuje krytka tažného zařízení. Hotový díl spoileru zadního nárazníku dále pokračuje jako jedna ze součástí úplného zadního nárazníku automobilu. Kompletní zadní nárazník je určen k expedici a následné montáži ve společnosti Škoda Auto a.s. Mladá Boleslav v případě spoileru SK371-A7.
Spoilery A5 SUV jsou odesílány do podniku Škoda Auto a.s. Kvasiny.
4.2 POPIS SPOILERU ZADNÍHO NÁRAZNÍKU
Spoiler zadního nárazníku je součástí zadního nárazníku automobilu. Tato práce je zaměřena na dva druhy spoilerů, které mají rozdílné složení materiálů a odlišnou povrchovou úpravu. Na Obr. 9 je zobrazen spoiler zadního nárazníku automobilu Škoda Yeti s interním označením A5 SUV. Je vyroben
29
z lakovaného polymeru s označením Sabic PP 108MF10 + Sabic PP compound 20MBTF + CC10132425BG Silver (dále jen Sabic). Charakteristické rozměry spoileru jsou 1302 x 354 x 170 mm. Tloušťka stěny spoileru je v převážné míře 2,8 mm. Otvor pro montáž tažného zařízení má rozměry 382 x 107 mm.
Obr. 9 Spoiler zadního nárazníku Škoda Yeti
Obr. 10 Spoiler zadního nárazníku Škoda Octavia
30
Spoiler zadního nárazníku zobrazený na Obr. 10 je určen pro automobil Škoda Octavia a ve společnosti Magna nese interní označení SK371-A7. Je vyráběn z nelakovaného polymeru s označením Sumika D320G02 (dále jen Sumika). Jeho charakteristické rozměry jsou 1315 x 310 x 88 mm. Otvor umožňující pozdější montáž tažného zařízení má rozměr 258 x 89 mm.
4.3 POPIS MATERIÁLU SPOILERU
Jak bylo již popsáno výše, materiál zkoumaných součástí se liší, a proto je potřebné oba polymery blíže popsat. Pro výrobu zadního spoileru automobilu Škoda Yeti se používá materiál s firemním označením Sabic PP 108MF10 + Sabic PP compound 20MBTF + CC10132425BG Silver. Výrobcem materiálu je holandská firma SABIC. Tento materiál se skládá ze tří složek. První složkou je Sabic PP 108MF10, který značí reaktorový polypropylén (PP) elastomerem modifikovaný v přírodní barvě. Další přísadou je SABIC PP compound 20MBTF, což je 20 % barevného (v tomto případě černého) polypropylénu. Poslední složku tvoří CC10132425BG Silver. Jedná se o barevný odstín, který se používá jako barva při lakování spoileru [ 10 ]. V případě zadního spoileru pro vůz Škoda Octavia se používá materiál japonského výrobce Sumika s označením Sumika D320G02.
Na spoileru pro automobil Škoda Yeti vyráběném z polymeru Sabic je uveden materiál PP + EPDM - TD10. Jedná se tedy o materiál skládající se ze tří částí. První částí je kopolymerní polypropylén, druhou složkou je etylén propylén dién monomer (EPDM), což je polyolefinový kaučuk, a třetí složkou je plnivo, kterého je zde 10 % [ 10 ]. Plnivem je talek a aditiva. Talek je minerální příměs pro zlepšení mechanických vlastností a slouží též k potlačení tažnosti.
Přidaná aditiva ovlivňují materiál pro získání potřebných vlastností. Díky tomuto vyváženému složení materiál vyniká výbornou rázovou houževnatostí i při nízkých teplotách [ 10 ]. U spoileru pro SK371-A7 je vyznačena značka materiálu PP + EPDM - TD15, což znamená 15 % plniva.
Z důvodu, že většinový podíl materiálu spoileru tvoří polypropylén (PP), je důležité shrnout základní teoretické poznatky o samotném polypropylénu.
Polypropylén má semikrystalickou strukturou a patří do skupiny termoplastů.
Polypropylén spadá též do skupiny polyolefinů (podskupiny termoplastů) [ 5 ].
Jeho výroba vychází přímo z propylenové frakce při destilaci ropy a není tedy
31
založena na chemické syntéze, jako je tomu u všech ostatních polymerů, mimo polyetylénu (PE) [ 11 ]. Nevýhodou polypropylénu je jeho křehkost za nízkých teplot [ 5 ].
4.4 POPIS STÁVAJÍCÍ TECHNOLOGIE VÝROBY OTVORU PRO TAŽNÉ ZAŘÍZENÍ
V současné době je výroba otvorů ve spoilerech zajištěna frézováním nebo laserovým obráběním. Třískové obrábění otvoru pro tažné zařízení obstarává v současnosti obráběcí centrum s průmyslovým robotem KUKA KR 125 a frézovací hlavou IMT Classic 100 Duo 02. Robot KUKA KR 125 zobrazený na Obr. 11a je šestiosý průmyslový robot od německého výrobce KUKA Robotics s maximálním zatížením 125 kg, maximálním dosahem 2400 mm, váhou 975 kg a přesností 0,2 mm [ 12 ]. O samotné frézování se stará frézovací hlava IMT Classic 100 Duo 02, vyobrazená na Obr. 11b. Jedná
a) průmyslový robot KUKA KR 125, b) frézovací hlava IMT Classic 100 Duo 02 Obr. 11 Obráběcí centrum
se o vřeteno s motorem o maximálním výkonu 9,0 kW, které je možné osadit dvěma nástroji [ 13 ]. Podrobnější informace o frézovací hlavě jsou popsány na Obr. 26a a Obr. 26b v příloze č. 1. Jako nástroje jsou zde použity válcové frézy.
Oba nástroje se točí společně na jednom unášeči, a proto se zde používá jeden nástroj pravotočivý a druhý nástroj levotočivý. Maximální otáčky vřetena jsou 40 000 [ min-1 ]. Při výrobě otvoru vloží obsluha obráběcího centra spoiler do
32
lůžka, kde se pneumaticky upne. Lůžko je součástí otočného stolu, který se po upnutí a zvolení požadovaného obráběcího programu otočí k robotu. Obrobek má při obrábění statickou polohu. O řezný pohyb se stará robot s frézovací hlavou. Fréza vyřeže konturu ve tvaru podobném obdélníku se zaoblenými rohy, díky kterému je možná pozdější instalaci tažného zařízení automobilu. Po dokončení obrábění se otočný stůl otočí zpět a pracovník vyjme hotový spoiler z upínacího lůžka a po kontrole jej ukládá na příslušné místo. V podniku Magna v závodu Liberec se frézování využívá při výrobě děr pro parkovací senzory u předních a zadních nárazníků a frézování otvorů pro tažná zařízení vozů.
Obrábění laserem se provádí kontinuálním řezem laseru RT Flacs II od firmy Robottechnology, který je součástí průmyslového robotu ABB [ 10 ].
Princip obrábění laserem spočívá v odebírání materiálu účinkem úzkého paprsku silného monochromatického světla soustředěného na velmi malou plochu [ 3 ]. V místě dopadu paprsku na materiál se energie světelného záření mění na energii tepelnou. Teplota, která vznikne, zajistí roztavení nebo odpaření materiálu obrobku [ 3 ]. Použitý typ laserového paprsku je v tomto případě CO2 s výkonem 600 W. Výroba otvoru laserem se provádí na pracovišti zobrazeném na Obr. 12. V podniku Magna (závod Liberec) se používá obrábění laserem také k výrobě děr pro ostřikovače světlometů a parkovací senzory 10 ].
Obr. 12 Pracoviště pro laserové obrábění
33
5 NÁVRH METODIKY MĚŘENÍ UMOŽŇUJÍCÍ OBJEKTIVNĚ POSOUDIT VHODNOST JEDNOTLIVÝCH ZPŮSOBŮ FRÉZOVÁNÍ SPOILERŮ ZADNÍCH NÁRAZNÍKŮ
Pro konečné vyhodnocení, jaký nástroj a řezné podmínky jsou nejvhodnější pro frézování konkrétního polymerního materiálu, je nutné určit způsob, kterým se toto hodnocení provede. Jako nejvhodnější prostředek pro určení výsledků je použití experimentální metody, která zajistí dostatečné množství hodnot pro následné statistické zpracování a vyhodnocení.
K experimentálnímu výzkumu je v této práci použito frézování dvou materiálově odlišných plastových součástí pomocí robotizovaného obráběcího centra a dvou různých válcových fréz z rychlořezné oceli (HSS). Během experimentu se bude měnit řezná rychlost (otáčky) a rychlosti posuvů tak, jak je popsáno v Tab. 1.
Stroj: Průmyslový robot KUKA KR125, frézovací hlava IMT Classic 100 Duo 02
Nástroj (označení): Jednobřitá fréza Hufschmied Ø6 mm (Hufschmied ECO – SR6/L) Dvoubřitá fréza Semaco Ø6 mm (Semaco HSS Co10)
Materiál součásti: Sabic PP 108MF10 + Sabic PP compound 20MBTF + CC10132425BG Silver (spoiler A5 SUV pro Škoda Yeti) Sumika D320G02 (spoiler SK371-A7 pro Škoda Octavia) Řezná rychlost vc
(otáčky):
452,4 m.min-1 (24 000 min-1) 377 m.min-1 (20 000 min-1) 282,75 m.min-1 (15 000 min-1) Hloubka řezu ap (tloušťka
spoileru):
2,6 ± 0,1 mm (spoiler SK371-A7 pro Škoda Octavia) 2,8 ± 0,1 mm (spoiler A5 SUV pro Škoda Yeti)
Rychlost posuvu vf: 2,1 m.min-1 (100 % rychlosti posuvu robota dle programu) 1,575 m.min-1 (75 % rychlosti posuvu robota dle programu) 1,05 m.min-1 (50 % rychlosti posuvu robota dle programu) 0,63 m.min-1 (30 % rychlosti posuvu robota dle programu) Procesní medium: Proud vzduchu
Sledované parametry: Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra Největší výška profilu Rz
Padesátiprocentní nosný podíl posuzovaného profilu ctp50
Otřepy a nataveniny vznikající frézováním Zvláštní stavy
Počet vzorků obráběných při stejných řezných podmínkách:
3 Počet měření
na 1 vzorku:
7 (spoiler A5 SUV) 5 (spoiler SK371-A7) Použité pomůcky a
nářadí:
Drsnoměr Mitutoyo SV - 2000 Fotoaparát Panasonic DMC - TZ5
Tab. 1 Metodika měření pro frézování spoilerů
34
6 PRAKTICKÁ ČÁST ŘEŠENÍ A HODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ
Obrábění spoilerů zadních nárazníků bylo provedeno v prostorách společnosti Magna (závod Liberec). Průběh a metodika experimentů je podřízena výrobnímu programu společnosti Magna (závod Liberec). Následné měření a porovnávání jednotlivých vzorků bylo realizováno v laboratoři Katedry obrábění a montáže na Technické univerzitě v Liberci.
Experimenty jsou v této práci uvedeny v pořadí, které je úměrné době realizace pokusů.
Cílem experimentu číslo 1 je určení vhodného nástroje a vlivu jeho geometrie na kvalitu řezu při frézování spoileru zadního nárazníku A5 SUV a SK371-A7 různými řeznými podmínkami. Vyhodnocením prvního experimentu získáme vhodný nástroj a okruh vhodných řezných podmínek pro každý druh spoileru. Dosažené informace z experimentu číslo 1 budou sloužit jako vstupní hodnoty pro experiment číslo 2, ve kterém se hodnotí nejvhodnější řezné podmínky a počet obrobených kusů jedním nástrojem.
Cílem experimentu číslo 2 je získat nejvhodnější řezné podmínky pro spoiler SK371-A7 při obrábění vybraným nástrojem a také zjistit hodnoty Ra, Rz, ctp50 v závislosti na počtu obrobených spoilerů.
6.1 EXPERIMENT Č. 1 – FRÉZOVÁNÍ SPOILERŮ KOMBINACÍ NÁSTROJŮ A ŘEZNÝCH PODMÍNEK
Experiment č. 1 byl prováděn na obráběcím centru s průmyslovým robotem KUKA KR 125 a frézovací hlavou IMT Classic 100 Duo 02. Toto obráběcí centrum je blíže popsáno v kapitole 5.4. Při experimentu bylo použito dvou různých nástrojů, které společnost Magna Exteriors & Interiors (Bohemia) s.r.o. Liberec pro obrábění plastů používá. Použité nástroje jsou prezentovány na Obr. 13 a na Obr. 14. Frézovány byly dva druhy spoilerů s označením A5 SUV a SK371-A7, které jsou prezentovány v kapitole 5.2. Celkem se pro experiment použilo 72 spoilerů od každého druhu (tj. dohromady 144 kusů spoilerů). Během frézování byl u všech spoilerů vyroben průchozí otvor v místě, kde má být dle výkresové dokumentace situován otvor pro odnímatelné tažné zařízení. Po upnutí byl spoiler nejprve nástrojem „provrtán“ směrem od lícové
35
k rubové ploše do hloubky 6 mm od horní plochy spoileru a poté došlo k frézování otvoru dle Obr. 15. Pro obrábění bylo použito různých řezných podmínek z tabulky 1, díky čemuž se následně dala hodnotit kvalita obrobených otvorů. Řezná rychlost byla měněna ve třech intervalech od 282,75 m.min-1 (15 000 ot.min-1) do 452,4 m.min-1 (24 000 ot.min-1) a rychlost posuv byla nastavován ve čtyřech intervalech od 0,63 m.min-1 (30 %) do 2,1 m.min-1 (100 %) viz Tab. 1. Hodnoty v závorkách odpovídají hodnotám nastavovaných na obráběcím centru. Pro každou hodnotu řezné rychlosti a rychlosti posuvu byly obrobeny 3 spoilery od každého materiálu. K následnému hodnocení v laboratoři bylo použito plastových obdélníků z Obr. 16, které při obrábění spoilerů vznikaly jako odpad. Po bližším prozkoumání spoilerů a odpadů z nich bylo usouzeno, že je obdélníkový odpad v místě obrábění kvalitou shodný se spoilerem.
Obr. 13 Jednobřitý nástroj č. 1 Hufschmied ECO – SR6/L
Frézování bude rozděleno do tří opakování frézování pro každý druh nástroje a obráběného spoileru. Při prvním experimentu budou frézovány spoilery všemi řeznými podmínkami dle tabulky 1, po skončení prvního opakování bude následovat druhé a třetí. Během prvního opako vání bude použito nejprve řezné rychlosti 452,4 m.min-1, které odpovídají otáčkám vřetene 24 000 min-1 a rychlosti posuvu 2,1 m.min-1 (100 % nastavené rychlosti posuvu robota), další spoiler bude obráběn rychlostí posuvu 1,575 m.min-1 (75 %), další 1,05 m.min-1 (50 %) a poslední 0,63 m.min-1 (30 %). Jako druhá bude použita řezná rychlost 377 m.min-1 (20 000 min-1 otáček vřetene) a rychlost posuvu po
36
každém obrobku snížen ze 100 % na 75 %, poté na 50 % a na závěrečných 30 %. Poslední v prvním měření bude nastavena řezná rychlost 282,75 m.min-1 odpovídající hodnotě 15 000 otáček za minutu vřetene opět s rychlostmi posuvu
Obr. 14 Dvoubřitý nástroj č. 2 Semaco HSS Co10
100 %, 75 %, 50 % a 30 % pro každý obrobek. Druhé měření začne řeznou rychlostí 377 m.min-1 s rychlostí posuvu 100 % až 30 %. Následovat bude řezná rychlost 282,75 m.min-1 s rychlostí posuvu 100 % až 30 % a poslední se bude frézovat řeznou rychlostí 452,4 m.min-1 a rychlostí posuvu 100 % až 30 %. Na začátku třetího měření bude nastavena jako první řezná rychlost 282,75 m.min-1 a bude docházet ke změnám rychlosti posuvu od 100 % do 30 %, poté bude následovat řezná rychlosti 452,4 m.min-1 opět s rychlostmi posuvu od 100 % do 30 % a poslední bude nastavena řezná rychlost 377 m.min-1 a rychlosti posuvu od 100 % do 30 %. Tento postup bude použit pro eliminaci zkreslení měření.
Pro každý materiál spoilerů bude použito nových nástrojů, tzn. že při tomto experimentu bude použito celkem 2 ks jednobřitých nástrojů a 2 ks dvoubřitých nástrojů.
K experimentu bude použit nástroj č. 1, pravořezná jednobřitá monolitní válcová fréza z Obr. 13 od firmy Hufschmied, která je vyrobena z rychlořezné legované oceli a je určena pro obrábění plastů s možností čelního zanořování.
Rozměry frézy jsou:
celková délka L1 = 75 mm,
délka ostří L2 = 32 mm,
37
průměr stopky D1 = 8 mm
průměr ostří D2 = 6 mm.
Obr. 15 Frézovaný otvor spoileru
Obr. 16 Vzorek spoileru pro měření
Druhým nástrojem pro tento experiment bude nástroj č. 2, který je zobrazen na Obr. 14. Jedná se o pravořeznou dvoubřitou monolitní válcovou frézu výrobce Semaco, která je vyrobena z rychlořezné legované oceli s desetiprocentním obsahem cobaltu (HSS Co10). Tato fréza je určena pro obrábění plastů. Rozměry frézy jsou:
38
celková délka L1 = 76 mm,
délka ostří L2 = 27 mm,
průměr stopky D1 = 8 mm,
průměr ostří D2 = 6 mm.
Pro vyhodnocení obráběných vzorků bude použito dvou postupů vyhodnocování. První je hodnocení kvality okrajů řezu a druhé je hodnocení parametrů drsnosti povrchu v místě řezu. Při hodnocení kvality okrajů řezu se na vzorcích zkoumalo množství vznikajících otřepů nebo natavenin po frézování. Otřepy jsou nazývány malé kousky plastu ulpívající na obrobku, které jsou snadno (působením ruky apod.) oddělitelné od obrobku a jsou rozděleny dle Obr. 17 do čtyř následujících skupin: 0 – bez otřepů, 1 – malé otřepy, 2 – střední otřepy, 3 – velké otřepy, přičemž stavy 0 a 1 jsou považovány za vyhovující a stavy 2 a 3 jsou nevyhovující. Nataveniny jsou tvořeny souvislou vrstvou plastu, která se obtížně odděluje od obrobku pouze použitím nástroje (nože apod.) a dělí se na skupiny: 0 – bez natavenin, 1 – začínající nataveniny, 2 – velké nataveniny. V tomto případě je vyhovující pouze stav 0 – bez natavenin. V tabulkách pro zapisování naměřených hodnot je také popsáno, jedná-li se o nataveniny na rubové straně (označováno nataveniny rub) nebo na lícové straně (označováno nataveniny líc).
Další hodnocení vzorků bude probíhat v laboratořích TUL, konkrétně na drsnoměru Mitutoyo SV-2000 zobrazeném na Obr 19. Mitutoyo SV-2000 je laboratorní drsnoměr vhodný také pro měřové středisko a schopný měřit 55 různých parametrů profilu. Zdvih snímače (rozsah osy Z) je 800 μm a posuv (rozsah osy X) je 50 mm.
Měření vzorků bude probíhat v místech, které jsou zobrazena na Obr. 16, v rovině kolmé na vyznačené čáry, tzn. kolmo k řezu. U materiálu Sabic proběhne měření 7x a u materiálu Sumika 5x z důvodu rozměrově menšího vzorku. Na delší straně vzorku budou provedeny tři, resp. dvě měření, na protilehlé delší straně dvě, resp. jedno měření, na kratších stranách se bude provádět po jednom měření. Detaily měřených ploch jsou zobrazené na Obr 17 a Obr. 18. Upnutí měřených vzorků zajistí svěrák u přístroje Mitotuyo SV-2000 a pro získání vodorovné polohy vzorku bude použito vodováhy značky Lobster
39
o délce 400 mm. Hodnoty jednotlivých měření jsou zapsány v Tab 2 až Tab. 37 viz příloha č. 2.
Obr. 17 Otřepy vznikající při obrábění
Jako příklad je uvedena v samotném řešení Tab. 2. Po provedení sedmi, resp.
pěti měření na každém vzorku se získala střední hodnota, která se použila jako vstupní hodnota do Tab. 38 až Tab. 41 pro parametry Ra, Rz, ctp50 a hodnocení kvality okrajů řezu. Tyto hodnoty byly statisticky zpracovány dle normy ČSN ISO 8688-1 a jejich výsledkem jsou Obr. 20 až Obr. 22.
Pro hodnocení vzorků na drsnoměru byly zvoleny parametry Ra, Rz, ctp50.
Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra
aritmetický průměr absolutních hodnot pořadnic Z(x) v rozsahu základní délky
l
dx x l Z Ra
0
) 1 (
Největší výška profilu Rz
součet výšky nejvyššího výstupku profilu a hloubky nejnižší prohlubně profilu v rozsahu základní délky (délky dráhy snímače)
40
V
P Z
Z Rz
Padesátiprocentní nosný podíl posuzovaného profilu ctp50
poměr délky materiálu elementů profilu Ml(c) na dané úrovni k vyhodnocované délce
ln ) (
50
c ctp Ml
Obr. 18 Nataveniny vznikající při obrábění
Obr. 19 Drsnoměr Mitutoyo SV-2000
41 vzorek č. rychlost posuvu místo
měření Ra [µm] Rz [µm] ctp50 [µm] otřepy zvláštní stav
1 4,327 20,862 14,531 2
2 1,298 6,810 4,961 1
2,10 m.min-1 3 3,310 14,663 11,003 1
4 3,086 14,352 11,408 1
(100 %) 5 2,430 12,134 10,907 1
6 2,301 10,220 8,223 1
7 3,552 19,346 35,145 1
1 5,681 23,110 16,260 1
2 1,245 5,326 3,883 0
1,58 m.min-1 3 4,967 21,878 17,412 1
4 4,079 20,252 18,520 2
(75 %) 5 4,226 21,368 18,496 2
6 3,048 15,755 13,414 2
7 3,426 15,006 10,011 1
1 3,209 14,927 10,177 0
2 2,308 10,491 10,374 1
1,05 m.min-1 3 3,398 15,886 11,995 1
4 3,186 15,272 12,978 1
(50 %) 5 3,733 17,941 17,893 1
6 3,012 14,147 9,984 2
7 3,806 17,723 15,427 1
1 2,513 12,871 9,256 0
2 2,009 10,351 7,906 1
0,63 m.min-1 3 2,368 12,061 9,804 2
4 2,216 11,956 9,357 1
(30 %) 5 2,073 11,332 10,491 1
6 2,084 10,207 7,671 1
7 2,502 12,629 8,803 1
naměřené hodnoty na drsnoměru Mitutoyo SV-2000 vzorky č. 1 - 4
jednobřitá fréza Hufschmied, materiál Sabic, vc = 453 m.min-1 (24 000 ot.min-1)
1
2
3
4
Tab. 2 Tabulka pro zapisování odečtených hodnot na drsnoměru
6.1.1 HODNOCENÍ EXPERIMENTU Č. 1
Z Tab. 38 až Tab. 41 a Obr. 20 až Obr. 22 je patrné, že celkově horší parametry Ra, Rz a ctp50 při prvním experimetu vykazuje dvojbřitá fréza Semaco, která způsobuje nataveniny na lícové i rubové hraně řezané kontury v případě obrábění materiálu Sabic již po pár kusech, což je samozřejmě vyhodnoceno jako nevyhovující stav. Pro zajímavost po opatrném odstranění natavenin na hranách spoileru je parametr Ra při řezné rychlosti 282,75 m.min-1 srovnatelná s nástrojem Hufschmied viz Obr. 20. U materiálu Sumika se při obrábění dvojbřitou frézou Semaco nataveniny objevují v menším počtu, ale je zde výskyt velkých otřepů a drsnost povrchu je mnohem vyšší než při obrábění jednobřitým nástrojem Hufschmied. Jednobřitá fréza vykazuje během obrábění
