Obsah Seznam použitých značek a zkratek

- 6 -

Obsah

Seznam použitých značek a zkratek ...9

1 Úvod ... 11

2 Frézování ... 12

2.1 Čelní frézování ... 12

2.2 Druhy třísek ... 13

2.3 Silové poměry ... 15

2.4 Teplo a teplota řezání ... 16

2.5 Řezné podmínky při frézování ... 17

3 Obrábění antikorozní oceli ... 18

4 Procesní kapaliny ... 20

4.1 Druhy procesních kapalin ... 20

4.1.1 Minerální olej ... 21

4.1.2 Řezné oleje ... 21

4.1.3 Mastné oleje a tuky ... 21

4.1.4 Emulzní kapaliny ... 21

4.1.5 Vodné roztoky ... 21

4.1.6 Syntetické kapaliny ... 22

4.1.7 Polysyntetické kapaliny ... 22

4.2 Požadavky na procesní kapaliny ... 22

4.3 Pěnivost procesních kapalin ... 24

4.4 Ulpívání procesních kapalin ... 24

4.5 Vliv procesní kapaliny na frézovací proces ... 25

4.6 Přívod procesní kapaliny do místa řezu ... 25

4.6.1 Běžný způsob přívodu procesní kapaliny... 26

4.6.2 Tlakový způsob ... 26

4.7 Kontrola procesních kapalin ... 26

4.8 Likvidace použitých kapalin ... 27

5 Opotřebení ... 28

5.1 Druhy opotřebení břitu ... 28

5.1.1 Otěr břitu ... 28

5.1.2 Plastická deformace břitu ... 30

5.1.3 Křehký lom břitu ... 30

5.2 Forma opotřebení břitu ... 30

5.3 Časový průběh opotřebování na hřbetě... 31

5.4 Experimentální měření opotřebení ... 32

- 7 -

5.5 Přímé metody měření opotřebení ... 32

5.6 Nepřímé metody měření opotřebení ... 34

5.7 Trvanlivost břitu ... 34

6 Drsnost povrchu ... 36

6.1 Parametry měření drsnosti povrchu ... 36

6.2 Nosný podíl profilu ... 37

6.3 Metody měření drsnosti povrchu ... 38

6.3.1 Porovnání s etalony drsnosti ... 38

6.3.2 Dotykový profilometr ... 38

6.3.3 Světelný řez ... 38

6.3.4 Interference světla ... 39

7 Charakteristika strojů, přístrojů a procesních kapalin ... 40

7.1 Obráběcí stroj ... 40

7.2 Laboratorní profilometr MITUTOYO ... 41

7.3 Výměnné břitové destičky... 42

7.4 Nástrojová lupa Brinell ... 42

7.5 Refraktometr ... 42

8 Experimentální část řešení ... 43

8.1 Příprava zkušebních vzorků, procesních kapalin a stroje ... 43

8.1.1 Příprava zkušebních vzorků ... 43

8.1.2 Použité procesní kapaliny ... 43

8.1.3 Příprava procesní kapaliny ... 44

8.1.4 Příprava stroje ... 44

8.2 Metodika experimentu ... 44

8.2.1 Měření trvanlivosti břitu ... 44

8.2.2 Měření kvality obrobené plochy ... 46

8.2.3 Hodnocení druhu třísek ... 46

8.2.4 Zhodnocení pěnění procesní kapaliny... 47

8.2.5 Hodnocení ulpívání ... 47

9 Vyhodnocení experimentu ... 50

9.1 Vliv procesního média na trvanlivost nástroje ... 50

9.2 Vliv procesního média na výslednou kvalitu obrobené plochy ... 53

9.2.1 Vyhodnocení drsnosti ... 53

9.2.2 Vyhodnocení parametru ctp50 ... 55

9.3 Vliv procesního média na druh vzniklých třísek ... 56

9.4 Pěnění procesních kapalin ... 58

9.5 Ulpívání procesních kapalin ... 60

- 8 -

9.5.1 Broušený vzorek – 8 sec... 60

9.5.2 Broušený vzorek – 1 sec... 64

9.5.3 Broušený vzorek – 16 sec ... 65

9.5.4 Frézovaný vzorek – 1 sec ... 66

9.5.5 Frézovaný vzorek – 8 sec ... 67

9.5.6 Frézovaný vzorek – 16 sec ... 68

10 Závěr ... 70

Seznam použité literatury ... 72

Seznam příloh ... 74

- 9 -

Seznam použitých značek a zkratek

a [mm] tloušťka řezu

ač [mm] šířka stupínkovitého opotřebení a_h [mm] střední šířka otřené plochy na hřbetě ap [mm] hloubka záběru řezného nástroje a_T [mm] tloušťka třísky

a_v [mm] šířka žlábku na čele b [mm] šířka obrobku

cT [-] konstanta materiálu obrobku c_tp50 [µm] parametr nosného podílu profilu D [mm] průměr frézy

fmin [mm/min] posuv za minutu F [N] výsledná řezná síla Fc [N] řezná síla

Fcn [N] normálová složka řezné síly

Ff [N] posuvová síla

Fp [N] přísuvová síla

fz [mm] posuv na zub

h [mm] vzdálenost okraje žlábku od hrany ostří hv [mm] hloubka žlábku na čele

K [-] refrakční index

KT [mm] hloubka žlábku KVs [mm] radiální opotřebení L [mm] dráha do místa měření n [s^-1] otáčky

m [-] exponent závislosti trvanlivosti na řezné rychlosti

ΔM [g] úbytek hmoty

M1 [g] hmotnost destičky před otupením M2 [g] hmotnost destičky po otupení

Qdef [J] teplo vzniklé z práce plastických a pružných deformací QN [J] teplo, které zůstalo v nástroji

QO [J] teplo, které zůstalo v obrobku QP [J] teplo, které bylo vysáláno do okolí QT [J] teplo, které bylo odvedeno třískou Qtř [J] teplo vzniklé z práce tření

PK [-] procesní kapalina

- 10 -

Ra [µm] průměrná aritmetická úchylka profilu RK [%] koncentrace naměřená refraktometrem Rp [µm] největší výška výstupku profilu Rq [µm] průměrná kvadratická úchylka profilu RSm [µm] průměrná vzdálenost prvků profilu Rv [µm] největší hloubka prohlubně profilu Rz [µm] největší výška profilu

R_Δq [µm] průměrná kvadratická hodnota sklonů SK [%] skutečná hodnota koncentrace

t [s] doba prodlevy ve svislé poloze neotočení vzorku T [min] trvanlivost břitu

VB [mm] střední šířka otěru na hřbetě (velikost otupení) VBc [mm] opotřebení v oblasti špičky nástroje

VBD [-] vyměnitelná břitová destička VC [mm] opotřebení špičky nástroje vf [mm/min] rychlost posuvu

v_c [mm/min] řezná rychlost VR [mm] radiální otupení

φ [°] úhel záběru frézy v obecné poloze

γ0 [°] úhel čela

χr [°] úhel nastavení hlavního ostří ψ [°] úhel záběru čelní frézy

σ [N] normálové napětí

τ [N] tečné napětí

- 11 -

1 Úvod

Frézování je nejrozšířenější metoda obrábění rovinných ploch strojních kovových součástí. S touto metodou obrábění se setkáváme prakticky v každém strojírenském podniku.

Pro optimalizaci procesu frézování je důležitá správná volba obráběcího stroje, nástroje, řezných podmínek a procesní kapaliny.

Procesní kapaliny podstatně ovlivňují celý proces obrábění tím, že mají vliv na trvanlivost břitu nástroje, teplotu v místě řezání, řezné síly a vlastnosti povrchové vrstvy obrobku.

Tato diplomová práce je zaměřena na problematiku hodnocení vlivu vybraných procesních kapalin na technologii čelního frézování antikorozní oceli. Požity byly tyto tři samostatné skupiny procesních kapalin:

 skupinu A tvoří:

o PARAMO EOPS 1030, Grindex 10, HOCUT 795B, Vasco 100, Blasocut Kombi 35, CIMSTAR 620,

 skupinu B tvoří:

o ESOK 1.10E, ESOK 1.0F, ESOK 1.1B, ESOK 1.1D, ESOK 1.0D a voda,

 skupinu C tvoří:

o ESOK 1.0D-A a ESOK 1.0D-B.

Cílem diplomové práce je:

 porovnání vybraných procesních kapalin, dle jejich vlivu na trvanlivost břitu řezného nástroje (procesní kapaliny skupiny A a C),

 návrh metodiky hodnocení ulpívání procesní kapaliny,

 zhodnocení intenzity ulpívání jednotlivých procesních kapalin na obrobeném povrchu (procesní kapaliny skupiny A a B),

 porovnání jednotlivých procesních kapalin skupiny A, dle jejich vlivu na výslednou jakost povrchu obrobené součásti,

 posouzení procesních kapalin skupiny A dle jejich vlivu na druh vzniklých třísek,

 zhodnocení pěnivosti procesních kapalin skupiny A.

Tato práce souvisí s řešením výzkumného projektu TAČR – TA02021332, který je zaměřen na ekologické obráběcí kapaliny nové generace.

- 12 -

2 Frézování

Frézování je metoda výroby, při níž je odebírán materiál obrobku zuby nástroje, který se otáčí kolem vlastní pevné osy. Řezný proces je přerušovaný, každý zub frézy odřezává krátké třísky proměnné tloušťky. Hlavní řezný pohyb je rotační a vykonává ho nástroj. Posuv a přísuv zpravidla vykonává obrobek. Směr pohybu obrobku je většinou kolmý na osu otáčení nástroje [19].

Vzhledem k mnohostrannému uplatnění frézování ve strojírenské výrobě a velkému rozsahu technologie frézování se používá v současnosti mnoho typů a velikostí fréz, které se dělí podle různých hledisek [19].

Stroj, který používáme při frézování, se nazývá frézka. Frézky dělíme do čtyř základních skupin; frézky konzolové, stolové, rovinné a speciální. Speciální kategorii tvoří frézky na závity a frézky na ozubení [20].

Podle způsobu záběru frézy do materiálu obrobku rozeznáváme tyto dva druhy frézování: frézování čelní a frézování válcové. Od těchto základních způsobů se odvozují některé další způsoby. V mé diplomové práci se budu zabývat čelním frézováním [19].

2.1 Čelní frézování

Při čelním frézování se uplatňují obvodové a čelní břity zubů nástroje. Obrobená plocha je kolmá na osu frézy. Hloubka třísky se nastavuje ve směru osy frézy. Tloušťka třísky se zvětšuje směrem ke středu odřezávané vrstvy a zmenšuje se v místě vstupu a výstupu zubů frézy do obrobku.

Čelní frézování dělíme podle symetričnosti na:

a) úplné symetrické (obr. 1A), b) neúplné symetrické (obr. 1B)

c) neúplné nesymetrické (obr. 1C) [20], [17].

Obr. 1. Druhy frézování dle symetričnosti [17]

- 13 -

Fcn

Fc F

 A)

Obr. 2. Čelní frézování – složky sil při obrábění (A), záběrové podmínky (B) [17]

Počáteční a konečná tloušťka odřezané vrstvy závisí na poměru šířky obrobku k průměru frézy a také na symetričnosti polohy osy frézy k obrobku, jak je patrné z obrázku 2.

Čelním způsobem frézování se frézuje na čelních rovinných frézkách a stolových frézkách [19].

2.2 Druhy třísek

Charakter řezného procesu a tím i vytvářené třísky závisí na fyzikálních vlastnostech obráběného materiálu a na řezných podmínkách. Při vnikání břitu do krystalických látek dochází k plastickým deformacím obráběného obrobku – k jeho tváření. Vznikají tvářené třísky. U nekrystalických látek se odděluje tříska křehkým lomem nebo štěpením, není plasticky deformovaná a je netvářená. Mechanismus vytváření těchto dvou třísek se výrazně liší. Tvářené třísky dělíme na plynulé (obr. 3a), článkovité (obr. 3b) a elementární (obr. 3c). Netvářené třísky (obr. 3d) nemají poddruhy [20].

Obr. 3. Druhy třísek [7]

- 14 -

Plastická deformace třísek probíhá v odřezané vrstvě (primární plastická deformace), v povrchových vrstvách styku třísky s čelem nástroje (sekundární deformace) a v povrchové vrstvě obrobené plochy (viz. Obr. 4) [20].

Obr. 4. Oblast pružných a plastických deformací [10]

Obr. 5. Závislost normálových a tečných napětí [10]

Na obrázku 5 je znázorněna závislost normálových a tečných napětí. Tvářená tříska představuje křivku 1. Při zatěžování břitem řezného nástroje je možné vidět poměrně strmé narůstání smykových a normálových napětí, při překročení meze kluzu ve smyku a bodě A se začnou objevovat plastické deformace, ty narůstají až do bodu B na mez pevnosti ve smyku, kde dojde k porušení materiálu, při dalším postupu břitu materiál dosáhne meze

- 15 -

pevnosti v tahu a tříska je definitivně oddělena. Tomuto zobrazení odpovídá tříska plynulá [10].

Křivku 2 představuje netvářená tříska. Z grafu je možné vyčíst, že nejprve je dosaženo bodu D, který představuje mez pevnosti v tahu, a element třísky je odlomen ze základního materiálu, dříve než v oblasti došlo k jakékoliv plastické deformaci [10].

Křivka 3 představuje třísku elementární a článkovitou, za bodem E začne být materiál plasticky deformován. Tato plastická deformace je přerušena dosažením meze pevnosti v tahu v bodě F. Tříska je vytržena z materiálu obrobku, tedy částečně tvářená a částečně netvářená [10].

Podle geometrického tvaru lze třísky roztřiďovat do několika skupin, jak to ukazuje obrázek 6. Toto roztřídění je realizováno vizuálním posouzením. Dlouhé třísky mohou poškozovat jak řezný nástroj, tak mechanismy stroje, protože se namotávají na obrobek.

Velmi krátké třísky se dostávají do mezer mezi suport a lože a mohou poškodit toto vedení stroje. Za nejvýhodnější se považuje krátká spirálová nebo krátká vinutá tříska. Její utváření způsobují síly působící na třísku, které jsou vyvolány zejména příložnými nebo vybroušenými utvářeči [10].

Obr. 6. Druhy třísek (dle ISO 3685) [12]

2.3 Silové poměry

Jednotlivé zuby fréz, které jsou při frézování v záběru, odebírají různě velký průřez třísky. Řezná síla, která připadá na jeden zub, je proto různá. Výsledná síla pak závisí nejen na počtu zubů v záběru, ale i na okamžité poloze zubů frézy vůči obrobku [19].

Na břitu působí síly, jejichž směr a velikost je značně závislá na četných faktorech, které ovlivňují proces obrábění. Mezi tyto faktory patří: způsob frézování, řezné podmínky, materiál obrobku, poloha nástroje, geometrie břitu, tloušťka třísky, velikost

- 16 -

opotřebení břitu nástroje. Výsledná síla se skládá ze složek řezné síly Fc, posuvové síly Fp

a přísuvové síly F_f [11].

Výsledná síla F je součtem všech sil, které na jednotlivé zuby působí (obr. 7). Řezná síla je různě velká, jelikož každý zub odebírá různě velkou třísku. Proto na každý břit působí různě velká řezná síla [11].

F^cN2 F² Fc2

F^cN3 F³ Fc3

F^c1 F^c2

F^c3 Fc

FcN1

F^cN2 FcN3

FcN

F n

vf

F^c1

FcN1 F1

Obr. 7. Síly působící na jednotlivé zuby při válcovém frézování [17]

2.4 Teplo a teplota řezání

Teplo je jeden z hlavních činitelů, který ovlivňuje proces řezání, výrazně mění mechanické vlastnosti obráběného materiálu, v povrchových vrstvách ovlivňuje tření, otupuje nástroj, má vliv na pěchování a zpevnění materiálu [11].

Veškerá práce vynaložená na řezný proces se přemění na teplo. Teplo přechází do nástroje, obrobku a do okolí. Největší část je však odvedena třískou. Tepelná bilance v místě řezání je vyjádřena takto:

Qtř + Q_def = Q_N + Q_T + Q_O+ Q_P [11], kde Qtř … teplo vzniklé z práce tření,

Qdef … teplo vzniklé z práce plastických a pružných deformací, QN … teplo, které zůstalo v nástroji,

QT … teplo, které bylo odvedeno třískou, QO … teplo, které zůstalo v obrobku,

QP … teplo, které bylo vysáláno do okolí [17].

Příklad rozložení teplotních polí v oblasti řezu je zobrazen na obr. 86.

Obr. 8. Teplotní pole v oblasti řezání [17]

- 17 -

2.5 Řezné podmínky při frézování

Řezné podmínky se volí podle druhu práce, druhu použité frézy a požadované jakosti obrobených ploch. Při hrubování se volí co možná největší posuv s přihlédnutím k hloube řezu, tuhosti obrobku a výkonu motoru frézky [20].

Při souměrném frézování je možné volit o 50 až 100% větší posuv než při nesou- měrném frézování [20].

Hloubka řezu je běžně 3 až 10 mm, při frézování výkovků a odlitků 20 až 30 mm.

Při hrubování čelními frézami 20 až 25 mm, válcovými frézami 40 až 50 mm [20].

Při frézování na čisto se snižuje posuv na zub na 0,1 až 0.5 mm a hloubka řezu asi na 1 mm. Při těchto řezných podmínkách dosáhneme dobré drsnosti povrchu [20].

Řezné rychlosti jsou závislé zejména na materiálu nástroje, obrobku a způsobu frézování. Pohybují se obvykle v rozsahu 20 až 570 m.min^-1 [17].

- 18 -

3 Obrábění antikorozní oceli

Problematika obrábění antikorozní oceli není bohužel dostatečně rozepsána v dostupné literatuře, ze které jsem měl možnost čerpat, proto jsem zdrojové teoretické informace hledal především prostřednictvím internetu.

Korozivzdorné oceli, které jsou určené pro třískové obrábění, můžeme rozdělit do těchto dvou skupin (viz. Tab. 1). Pro specifické účely se používají specializované automatové oceli a oceli se zlepšenou obrobitelností. Austenitické oceli jsou v tabulce označeny červenou tečkou [1].

Tab. 1. Dělení antikorozních ocelí [1]

Kalitelné antikorozní oceli se obrábějí za stejných podmínek jako běžné konstrukční oceli s odpovídající pevnosti. Oceli, které obsahují vyšší obsah uhlíku (např. ČSN 17024 a ČSN 17029), jsou dobře obrobitelné pouze v žíhaném stavu. Naopak dobře obrobitelné jsou měkčí kalitelné antikorozní oceli (např. ČSN 17021 a ČSN 17022), které se lépe obrábějí ve stavu zušlechtěném [8].

Nízkouhlíkaté feritické oceli (např. ČSN 17041) je lepší obrábět vyššími řeznými rychlostmi [8].

Velice obtížně se obrábějí austenitické antikorozní a žáruvzdorné oceli, které se při obrábění zpevňují. Tyto oceli se obrábějí zhruba polovičními řeznými rychlostmi než ostatní slitinové oceli stejné pevnosti. Použijeme-li nástroje vyrobené ze slinutých karbidů nebo výkonných rychlořezných ocelí, je možné rychlostně soustružit austenitické oceli. Je však nutné, aby nástroj pro obrábění byl dokonale naostřen a aby se nikdy

- 19 -

neobrábělo až do úplného otupení břitu. Tupý nástroj zpevňuje povrch oceli a další obrábění je velice obtížné [8].

Vrtáme-li austenitické oceli, je vhodné použít pouze vrtáky, které jsou vyrobeny z nejlepší rychlořezné oceli a které jsou s krátkou šroubovicí (dlouhé šroubovice jsou při vysokých tlacích, které jsou pro vrtání této oceli potřebné, náchylné na zlomení).

Výhodné jsou také kované kopinaté vrtáky. Nejobtížnější je vrtání hlubokých otvorů a otvorů o průměru menším než 5 mm, proto se konstruktéři těmto variantám vyhýbají [8].

Frézování austenitických ocelí je také obtížné. Zub frézy, který se dostává při sousledném a čelním (z boku do plného materiálu) frézování do záběru, neodebírá konstantní tloušťku třísky. Zprvu břit odebírá nulovou hloubku třísky, během které zub ,,klouže“ po povrchu obrobku a velmi zpevňuje povrch oceli [8].

Řezání austenitických ocelí nahrazujeme upichováním na soustruhu nebo na hoblovce. Pro dělení polotovarů jsou nejvýhodnější okružní pily se vsazenými zuby z rychlořezné oceli a obvodovou rychlostí 12 - 15 m/min [8].

Zpravidla všechny druhy antikorozních ocelí mají velký součinitel tření, jelikož kyslík je inertním prostředím těchto ocelí. Při broušení se póry brousícího kotouče rychle zanášejí třískou [5].

Pro zlepšení obrobitelnosti antikorozních ocelí používáme selen a síru. Tyto prvky tvoří s obráběným kovem velmi těžko tavitelné selenidy, které však mají malou tvrdost, proto mají následně antikorozní ocele výší obrobitelnost [5].

Některými nekonvenčními způsoby obrábění, jako je např. elektroerosivní obrábění, lze výše uvedeným obtížím při obrábění austenitických ocelí předcházet [8].

- 20 -

4 Procesní kapaliny

Prostředí, ve kterém probíhá řezný proces, ovlivňuje svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi ekonomické i kvalitativní výsledky obrábění. Vhodně zvolené řezné prostředí může zvýšit hospodárný úběr o 50 až 100% proti práci ,,za sucha“.

Řezné prostředí tvoří nejčastěji kapaliny, plyny nebo kapalinové mlhy (přechod mezi kapalinou a plynem). Nejvíce používané jsou ovšem procesní kapaliny [19], [17].

4.1 Druhy procesních kapalin

Použití jednotlivých kapalin je ovlivněno požadavky, které jsou na ně kladeny. Na jednotlivé účinky kapaliny jsou kladeny buď vyšší, nebo menší nároky, z čehož vychází základní druhové rozdělení kapalin na kapaliny s převažujícím chladícím účinkem (vodou mísitelné) a převažujícím mazacím účinkem (vodou nemísitelné) [18].

Procesní kapaliny je také možno rozdělit dle mísitelnosti s vodou. Toto rozdělení je znázorněno na obr. 9.

polisyntetické řezné oleje

vodou nemísitelné mastné oleje a tuky

minerální oleje Procesní kapaliny

emulze

vodou mísitelné vodné roztoky

syntetické

Obr. 9. Schéma dělení procesních kapalin podle mísitelnosti s vodou [17]

- 21 - 4.1.1 Minerální olej

Minerální olej je ropný produkt, který má dobrou mazací schopností, velmi dobrý ochranný účinkem a dobrou odolnost proti stárnutí. Výhodné také je, že nepodléhá bakteriálnímu rozkladu a má nízkou cenu. Nevýhodou tohoto oleje je, že aktivita vůči kovu není tak veliká a má horší chladicí účinek. Proto se minerální olej používají při obrábění jen pro vyhraněné případy [6].

4.1.2 Řezné oleje

Řezné oleje jsou zušlechtěné minerální oleje. Vznikli za účelem zvýšení tlakové únosnosti a mazací schopnosti. Dobrý chladicí účinek, mazací schopnost, antikorozní vlastnosti a příznivá cena patří mezi přednosti jejich aplikace

Zušlechťují se organickými sloučeninami síry, fosforu a chloru, dále pak pevnými mazivy a přísadami mastných látek [6].

4.1.3 Mastné oleje a tuky

Mastné oleje a tuky jsou látky živočišného a rostlinného původu, jsou složeny z příměsí mastných kyselin. Mají menší povrchové napětí, dobrou mazací schopnost, dobrý odvod tepla a dobrou smáčivost. Nevýhodou je značný sklon k stárnutí, houstnutí oleje a zalepování funkčních ústrojí stroje. Používají se jen zřídka při operacích s malými řeznými rychlostmi [6].

4.1.4 Emulzní kapaliny

Emulze je disperzní soustavou dvou vzájemně nerozpustných kapalin, z nichž jedna tvoří mikroskopické kapky, které jsou roztroušené v druhé kapalině. Nejčastěji se při obrábění používá jako emulzní kapalina olej ve vodě. Minerální olej a voda emulze netvoří.

Emulzní kapaliny spojují přednosti vody a mazacích olejů. Mají velmi dobrý chladicí účinek a jsou také levné. Mazací olej s emulgátorem jim dodává mazací schopnost a protikorozní vlastnosti. V současnosti jsou jedny z nejpoužívanějších procesních kapalin [6], [17].

4.1.5 Vodné roztoky

Základní složku vodných roztoků tvoří voda. Výhodou je dobrá chladící schopnost, čistící účinek, průhlednost a nízká cena.

Vodné roztoky však mají i mnoho nedostatků, z nichž nejdůležitější je špatná mazací schopnost, odpařivost a špatná korozní odolnost.

Chceme-li použít vodu jako procesní kapalinu, je nutné ji zbavit nevhodného obsahu solí a přidat přísady, které jí dají požadované vlastnosti [6].

- 22 - 4.1.6 Syntetické kapaliny

Syntetické kapaliny jsou charakterizovány jako homogenní roztok vzájemně mísitelných látek, který neobsahuje olej. Mají dobrý chladicí a vyplachovací účinek, proto se častou uplatňují u brousících operací [17].

Výhodou syntetických kapalin je velká provozní stálost, dobré chladicí, mazací a ochranné vlastnosti. Mají delší životnost, dobrou biologickou odolnost, lepší stabilitu pH a jsou špatně hořlavé [17].

4.1.7 Polysyntetické kapaliny

Polysyntetické kapaliny jsou minerální oleje, které jsou doplněny syntetickými komponenty. Výroba spočívá v přidání určitého procenta syntetické složky do minerálního oleje [17].

Polysyntetické kapaliny vytvářejí ochranný film, který vytváří účinnou antikorozní ochranu. Ve srovnání s běžnými řeznými kapalinami mají prodlouženou provozní životnost a dobře odplavují třísku [16].

4.2 Požadavky na procesní kapaliny

Procesní kapaliny musejí umožnit obrábět při co největší hospodárnosti. To znamená zajistit co největší trvanlivost nástrojů a jakosti obráběného povrchu při malé spotřebě energie, na což má vliv mazací, čisticí, chladicí a ochranný účinek procesní kapaliny.

Dalšími velice důležitými faktory jsou zdravotní nezávadnost, hospodárnost a provozní stálost [6].

Chladící účinek

Chladicím účinek je schopnost kapaliny odvádět teplo z místa řezu do okolí. Tuto schopnost má každá kapalina, které smáčí povrch kovu, pokud ovšem existuje tepelný spád mezi kapalinou a povrchem. Při třískovém obrábění nastává tento jev vždy. Požadavky na odvod tepla jsou tím větší, čím větší je teplota v místě řezu. Neodváděné teplo se akumuluje do obrobku a může vést k nepřesnostem v obrobení. Chladicí účinek kapaliny je především důležitý pro zvýšení trvanlivost nástrojů z rychlořezných a nástrojových ocelí.

Odvod tepla, které vzniká při obrábění, se provádí oplachováním nástroje, třísky i obrobku proudem kapaliny v místě řezu. Část kapaliny se vlivem nadměrného místního přehřátí odpaří a zbytek proudí zpět do nádrže stroje, kde se opět ochladí tepelnou výměnou se vzduchem a částmi stroje.

Chladicí účinek kapalin je závislý na smáčecí schopnosti, na tepelné vodivosti a měrném teple. Čím jsou tyto veličiny větší, tím větší je i chladicí účinek kapaliny [6], [17].

- 23 - Mazací účinek

Mazací účinek je schopnost kapaliny vytvořit na povrchu kovu přilnavou tlaku vzdornou vrstvu, která zmenšuje tření mezi nástrojem a obrobkem i třískou a obrobkem.

Při řezání kovů se objevují veliké tlaky, proto nikdy nemůže dojít ke kapalnému tření.

K meznímu tření dochází při velkých tlacích, váže-li se kapalina s materiálem obrobku chemicky v mikroskopickou povrchovou mezní vrstvu o malém součiniteli tření [6], [17].

Mazací schopnost kapaliny má účinek na zmenšení tření, velikost řezných odporů, množství spotřebované energie a na plynulost odvodu třísky. Proto používáme kapaliny s dobrou mazací schopností především při obrábění na čisto.

Mazací schopnost kapaliny je ovlivněna pevností mezní vrstvy a její viskozitou.

S rostoucí viskozitou se zhoršuje pronikání mezi třecí plochy a tím i odvod tepla.

Viskóznější kapalina lpí více na třískách, čímž vznikají velké ztráty jejím odvodem na třískách. Proto jsou kapaliny o viskozitě větší než cca 5°E/50°C pro třískové obrábění nevhodné [6], [17].

Čisticí účinek

Jedním z hlavních úkolů procesní kapaliny je odstraňování třísek a pilin. Jejich vzájemné shlukování a slepování s prachem z ovzduší má vliv na zhoršení řezné schopnosti nástrojů a může zapříčinit poškození funkčních ploch obráběcích strojů.

Má-li mít řezná kapalina dobrý čistící účinek, nesmí lepit a musí dovolovat snadné a rychlé usazování nečistot. Kapaliny s malou viskozitou jsou pro tento účel nejvýhodnější.

Kvalita čištění závisí i na čistotě kapaliny, proto je nutné odstraňovat nečistoty, které kapaliny odplavila [6].

Provozní stálost

Každá procesní kapalina by co možná nejdéle měla zůstat bez změny vlastností v provozu schopném stavu. Čím jsou intervaly výměny kapaliny delší, tím menší jsou náklady na kapalinu samotnou.

Stárnutí procesních kapalin olejného typu se projevuje zvětšením pěnivosti, zmenšením chladicího účinku, ztrátou ochranných vlastností a korozí. Zestárlé kapaliny jsou často napadeny bakteriemi, které způsobují hnilobný rozklad.

Stálost při uskladnění je základním předpokladem provozní stálosti. Příznivý vliv na stálost mají velké nádrže, opatření proti pěnění, odstraňování usazených kalů a nečistot a pravidelná výměna náplně [6].

Ochranný účinek

Procesní kapalina by měla mít dobrý antikorozní účinek, pokud tento účinek nemá, musejí se do kapaliny dodat vhodné antikorozní přísady.

Procesní kapaliny nesmějí rozpouštět nátěry obráběcích strojů a nesmějí být agresivní vůči gumovým těsněním [6].

- 24 - Zdravotní nezávadnost

Jelikož obsluha stojů přichází velmi často do styku s procesními kapalinami, je nutné, aby tyto kapaliny nebyly zdraví škodlivé, jedovaté a neobsahovali látky dráždící sliznici a pokožku. Každá nově vyvinutá kapalina musí být schválena jako zdravotně nezávadná hygienikem České republiky [6].

Nízké náklady

Jelikož spotřeba procesních kapalin je poměrně velká, jsou náklady vynaložené na procesní kapaliny také značné. O vhodnosti použití určitého druhu kapaliny rozhodujeme až po podrobném technickoekonomickém rozboru. Usuzovat podle cenových rozdílů je zcela nedostatečné, jelikož procesní kapaliny výrazně ovlivňují kritéria, která rozhodují o ekonomii obrábění v rozsahu vyšším, než je hodnota spotřebovaných kapalin [6], [17].

4.3 Pěnivost procesních kapalin

Pěnivost procesní kapaliny je nežádoucí vlastností, jelikož snižuje chladící a čistící účinek. Obráběcí kapaliny jsou proto často opatřeny výkonným odpěňovačem, který zajišťuje minimální pěnění obráběcích kapalin i v případě používání vysokotlakých chladicích systémů. K pěnění může docházet i při poruše dávkovacích čerpadel [13].

Procesní kapalina musí být vhodně skladovaná a musí být do ní přidána vhodná voda. Optimální tvrdost vody by měla být v rozmezí 1,074 – 1,79 mol/l. Příliš měkká voda je příčinou provozního pěnění procesní kapaliny. Tvrdá voda nevhodně působí na korozní odolnost oceli [13].

Vizuální metoda, která se používá na Technické Univerzitě v Liberci, je zaměřena na hodnocení pěnivosti procesní kapaliny v místě řezu a v externí chladícím zařízení.

Proces obrábění a prostor externího chlazení je pečlivě sledován a fotografován. Výsledné fotografie jsou pak porovnány s vzorovými mezními stavy, podle kterých je určeno, zda kapalina nepění, pění nebo pění velmi.

4.4 Ulpívání procesních kapalin

Při obtékání těles dochází k ulpívání kapaliny na povrchu obtékaného tělesa.

Materiál a jeho povrch významně ovlivňují svými fyzikálními vlastnostmi obtékání kapalin. Smáčivost kapaliny má výrazný vliv na množství kapaliny, která na obrobku ulpí.

Špatná smáčivost se projeví tím, že kapalina na povrchu obrobku neulpívá. Dobře smáčivá kapalina ulpívá na povrchu tělesa a relativní rychlost proudící kapaliny je na stěně nulová.

Rychlostní profil se úměrně parabolický zvětšuje s rostoucí vzdálenosti od povrchu tělesa [9].

Mazací schopnost procesní kapaliny je závislá na její viskozitě a na pevnosti vytvořené mezní vrstvy. S rostoucí viskozitou se zhoršuje pronikání kapaliny do třecích

- 25 -

ploch, její proudění a také odvod tepla. Viskóznější kapaliny ulpívají také více na třískách a obrobku, tím dochází ke značným ztrátám. Přísadami povrchově aktivních látek, které napomáhají také pronikání do trhlin deformovaného kovu, se pevnost mazací vrstvy zvyšuje [6].

Na Technické Univerzitě v Liberci vymysleli metodu hodnocení ulpívání. Metoda spočívá ve vizuální kontrole zkušebních vzorků po obrábění. Hodnotí se, jak velice je daná procesní kapalina náchylná na zachycení a setrvání na povrchu obrobku po uplynutí stanoveného časového intervalu od ukončení procesu obrábění. Na obrobku se definuje měřená oblast (pomocí souřadnicové sítě). Následně se vyhodnotí, na kolika procentech z vyhodnocované oblasti ulpí procesní kapalina.

4.5 Vliv procesní kapaliny na frézovací proces

Účinky řezného prostředí na proces obránění jsou komplexní. Často se uvažuje pouze snížení teploty nástroje a redukce tření na stykových plochách mezi nástrojem a obrobkem. Tyto dva základní účinky procesní kapaliny mají však širší význam a ovlivňují mechaniku tvoření třísky, silové jevy na stykových plochách mezi nástrojem a obrobkem, třecí práci na těchto plochách, deformační práci obráběného materiálu, tvorbu nárůstku, topografii obrobeného povrchu, velikost minimální tloušťky odebírané vrstvy, zpevnění obrobeného povrchu, zbytková pnutí obrobeného povrchu, velikost minimální tloušťky odebírané vrstvy, zpevnění obrobeného povrchu, zbytková pnutí obrobeného povrchu [18].

Vliv média při frézování nástrojem ze slinutých karbidů

U nástrojů ze slinutých karbidů není nezbytně nutné použití procesních kapalin. Tyto nástroje se často používají při velké řezné rychlosti, což má za následek velmi vysoké řezné teploty. Každá procesní kapalina, která se dostane do blízkosti břitu, se okamžitě změní v páru a ztratí tak jakýkoliv chladicí efekt [15].

Použití chladicí kapaliny má za následek výkyv teploty v oblasti řezu. Přiváděná kapalina, působí na břit jen v okamžiku, kdy břit není v záběru a tím zvyšuje teplotní výkyv. Břit je opakovaně zahříván a následně ochlazován, což má vliv na vznik trhlin v břitové destičce. Tyto trhliny jsou vyvolané vnitřním napětím a mohou způsobit otupení ostří břitu [15], [17].

4.6 Přívod procesní kapaliny do místa řezu

Účinnost procesní kapaliny je možné zvýšit úpravou přívodu této kapaliny.

Rozlišujeme běžný způsob přívodu procesní kapaliny, tlakový přívod a chlazení mlhou. [6].

- 26 - 4.6.1 Běžný způsob přívodu procesní kapaliny

Tento druh přívodu procesní kapaliny nevyžaduje žádnou nutnou úpravu přívodního potrubí. Je složen z nádrže na procesní kapalinu, čerpadla a rozvodového potrubí.

Množství kapaliny je redukovatelné škrtícím průtokovým ventilem [6].

Obr. 10. Varianty přívodu procesní kapaliny do místa řezu při frézování [6], [17]

Procesní kapaliny jsou obvykle přiváděny do místa řezu ze strany obrobku, kde nejprve ochlazují třísku, pak obrobek a nakonec nástroj. Přívod kapaliny ze dvou stran se často používá při frézování. To je zobrazeno na obrázku 10. Použijeme-li pouze přívod procesní kapaliny z jedné strany, pak dáváme přednost poloze v místě A (válcové frézování) a poloze v místě D (čelní frézování) [6].

4.6.2 Tlakový způsob

Princip tlakového způsobu spočívá ve vysokotlakém přívodu procesní kapaliny do místa řezu. Tlak proudící kapaliny a průměr výstupní trysky jsou důležité parametry.

Kapalina je přiváděna přímo do oblasti řezu zespodu na hřbet nástroje. Rozprášená kapalina se začne rychle odpařovat, jelikož přijde do styku s rozehřátým kovem.

Výsledkem je velmi intenzivní odvod tepla, jelikož kapalina lépe proniká do narušeného materiálu, tím přispívá ke snižování vnitřního tření.

Tlakový způsob chlazení se doporučuje všude tam, kde má teplota vliv na zmenšování trvanlivosti nástrojů. Nevýhodou této metody je rozstřik kapaliny a tvorba mlhy. Proto je nutné použit kryty, které zabrání rozstřiku kapaliny do okolí stroje [6], [17].

4.7 Kontrola procesních kapalin

Důležité pro proces obrábění je, aby všechny vlastnosti procesní kapaliny zůstaly dlouhou dobu nezměněny. Ty vlastnosti jsou však vystaveny působení jak chemických tak mechanických vlivů, které velice ovlivňují původní vlastnosti procesní kapaliny. Proto říkáme, že procesní kapaliny stárnou.

- 27 -

Vzhled procesní kapaliny zhodnotíme nejprve vizuálně v nádrži a v oběhu, pak následně posoudíme vzhled kovových povrchů, které jsou omývané kapalinou. Nepostačí- li tento posudek, přejdeme ke zkouškám korozívnosti kapaliny.

Změnu kvality emulzní kapaliny poznáme podle souvislého povlaku na povrchu emulze, podle usazených kalů na dně nádrže a lepkavého povlaku na stroji. Intenzita mléčného zabarvení, hnilobný zápach a řezavé skvrny na povrchu stroje jsou také známkou stárnutí kapaliny. Pokud není viditelná žádná ze zmíněných závad, zkontrolujeme hodnotu pH. Klesne-li tvrdost kapaliny na hodnotu 7,5 pH, je nutné ihned přidat do emulze sodu.

Jinak hrozí nebezpečí koroze. Důležité je i provádět kontrolu koncentrace procesní kapaliny [6], [17].

U vodných roztoků je nutné provést kontrolu povrchu strojů a pH. Kvůli bezpečnosti pracovníků nesmí hodnota pH přesahovat 9,5. Řezné oleje stárnou velmi pozvolna, proto zkoušky provádíme po dlouhých obdobích [6].

4.8 Likvidace použitých kapalin

Použité procesní kapaliny je nutné likvidovat takovým způsobem, aby nedošlo k znečištění půdy a okolních vod.

Ropné oleje se po usazení nečistot a zbavení vody používají jako maziva ve vlhkém a prašném prostředí. Velké problémy vznikají při likvidací emulzních kapalin, zde je nutné zabránit pronikání ropných látek do vodních toků.

Zestárlé emulzní kapaliny, které obsahují velké množství škodlivých látek, je nutné z emulze odstranit. Čistírenská technologie je založena na usazování a separaci oleje, který je částečně vylučován, a na vyčíření zůstávající emulze vhodnými chemickými prostředky.

Vyčířený kal je buď odvodněn a odveze na kalové pole [3], [17].

- 28 -

5 Opotřebení

Výchozí tvar a kvalita pracovní plochy břitu se postupně mění s délkou odřezané vrstvy materiálu, popřípadě s jeho odřezaným objemem. Zhoršení kvality břitu se projevuje ve zvýšení drsnosti stykových míst břitu s třískou a plochou řezu, mění se geometrie a zvětšuje se poloměr břitu. Tento proces nazýváme otupování (opotřebení) břitu [14].

Opotřebení břitu obráběcího nástroje závisí na materiálu břitu a obrobku a na řezných podmínkách. Především na řezné rychlosti, tloušťce řezu a úhlu čela [20].

5.1 Druhy opotřebení břitu

K otupení břitu dochází otěrem stykových míst materiálu břitu, plastickou deformací břitu a křehkým porušením materiálu břitu [14].

5.1.1 Otěr břitu

Otěr břitu je složitý fyzikálně chemický proces. Projevuje se změnou mechanických vlastností v mezních vrstvách materiálu, změnami mikrostruktury a chemickým složením.

Je zde značně rozdílné mechanické a tepelné zatížení troucích ploch strojních součástí a stykových míst břitu. Intenzita otírání je klíčovým ekonomickým problémem procesu obrábění, proto se věnuje velké úsilí na studium problematiky otěru [14]. Základní mechanismy otěru břitu jsou znázorněny na obrázku 11.

Obr. 11. – Základní mechanismy otěru břitu [16]

- 29 -

Proces odírání břitu je výslednicí komplexu jevů, zahrnujících děje fyzikální a chemické. Mezi fyzikální jevy, které způsobují otěr, patří brusný účinek a adheze.

Do skupiny chemických jevů patří difuze a vytváření chemických sloučenin na stykových místech břitu [14].

Abrazivní otěr

K brusnému otěru dochází u nástrojů z nástrojové oceli, rychlořezné oceli a slinutých karbidů. Vzniká tím, že tvrdé částice materiálu třísky vytvářejí mikrorýhy na stykových místech břitu s třískou a plochou řezu.

Předpokladem vzniku brusného otěru je, aby tvrdost některých mikročástic materiálu třísky nebo obrobku převyšovala tvrdost určitých částic materiálu břitu. Touto tvrdou částicí je například cementit a měkkou kobalt.

Brusnému otěru napomáhají také fázové strukturní změny. K nimž dochází v povrchové vrstvě materiálu břitu u nástrojů z rychlořezné oceli. Tyto změny usnadňují vysoké měrné tlaky, které snižují kritické teploty fázových změn. Intenzita brusného otěru je tím větší, čím větší jsou rozměry karbidů v mikrostruktuře materiálu obrobku.

Sekundárním jevem brusného otěru je, že zvyšuje napětí v mezní vrstvě materiálu břitu, a tím i pravděpodobnost odtržení jeho částic [14].

Adhezní otěr

Adhezní otěr se uplatňuje hlavně u nástrojů z nástrojových ocelí. Dochází k němu účinkem vysokých tlaků a teplot. V podstatě jde o neustálé spojování kovově čistých částic břitu, třísky a plochy řezu a opětovné jejich rozrušování, při kterém se oddělují mikroskopické částice břitu. Velký vliv na intenzitu adhezního otěru má mimo jiné hlavně elektrochemická příbuznost obou materiálů a jejich sklon k vytváření adhezních spojů.

Dále působí na adhezní otěr pracovní prostředí, vzájemný poměr tvrdosti materiálu břitu a obrobku, řezné podmínky a nárůstek [20].

Difuzní otěr

Difuzní otěr vzniká při řezných podmínkách, při kterých dochází k ohřevu nad disociační teplotu. Při této teplotě vzájemně difundují prvky z materiálu břitu do materiálu třísky a obrobku a naopak. Na břitu vzniká defektní vrstva o tloušťce cca 5 až 20 μm, která má menší odpor proti otěru. Difuzní otěr vzniká především u nástrojů ze slinutých karbidů, které dosahují pracovní teploty 680 – 1200 °C [20].

Chemický otěr

Při celkovém namáhání např. frézování se vytváří defektní vrstva okysličováním pracovních míst břitu, nebo vrstva vytvořená chemickými sloučeninami prvků materiálu břitu a řezného prostředí. Některé oxidy se během řezání narušují a jejich tvrdé částice zvětšují brusný otěr. Při vyšších teplotách se někdy naopak vytvářejí vysoce adhezní filmy a intenzitu otěru snižují [20].

- 30 - 5.1.2 Plastická deformace břitu

Plastická deformace břitu se objevuje hlavně při obrábění materiálů se špatnou tepelnou vodivostí, jako je dřevo a plast. U kovů se projevuje při obrábění vysokými řeznými rychlostmi a při velkých posuvech. Pro vznik této formy opotřebení je potřebný určitý stupeň plasticity povrchových vrstev materiálu břitu, který je zvýšen jejich zatížením a vyšší teplotou. V prvních okamžicích dochází k zaoblení ostří, dále následuje posunutí povrchových vrstev ve směru plochy řezu, oddělují se částice řezného materiálu, které odcházejí po ploše řezu [20].

5.1.3 Křehký lom břitu

Křehké porušení materiálu břitu se nejčastěji objevuje při nevhodném ostření, při kterém vzniká nežádoucí zbytkové tahové napětí a při kterém se vylamují mikroskopické částice břitu. Vzniká také při přetížení břitu nadměrným odebíraným průřezem třísky, přerušovaným řezem, tepelnými rázy, nebo tvrdými vměstky v materiálu obrobku [20].

5.2 Forma opotřebení břitu

Rozeznáváme opotřebení na hřbetě a na čele. Na hřbetě se opotřebení projevuje jako nepravidelná ploška (viz obrázek 12). Nejčastěji je větší šířka plošky u špičky nástroje a v místě styku ostří s obráběným povrchem, je to způsobeno například zpevněním obráběné plochy vlivem předcházejícího obrábění. Na čele nástroje se projevuje opotřebení ve formě žlábků (obrázek 12b) a stupínků (obrázek 12c), ty se postupně prohlubují a rozšiřují.

Obr. 12. Formy otupení břitu na čele a na hřbetě [14]

Opotřebení břitu probíhá většinou na čele i na hřbetě současně. Na obrázku 13a je vidět vliv řezné rychlosti a posuvu na charakter opotřebení. Při velkých řezných

- 31 -

rychlostech a velkých posuvech dochází prakticky pouze k opotřebení na čele (oblast I).

Při středně velkých řezných rychlostech a posuvech probíhá opotřebení jak na čele, tak na hřbetě (oblast III). Při malých řezných rychlostech nebo malých posuvech dochází pouze k opotřebení na hřbetě (oblast II). Otupení na čele ve formě stupínků vzniká při obrábění méně houževnatých materiálů a větších tloušťkách řezu [20].

Základními parametry měření opotřebení břitu jsou parametr VB – opotřebení na hřbetu, KT – opotřebení na čele a KVs, který charakterizuje změnu rozměru obrobku (důležité při obrábění na čisto). Tyto parametry jsou znázorněny na obrázku 13b [20].

Obr. 13. Vliv posuvu a řezné rychlosti na druh opotřebení (A), měření opotřebení (B) [20]

5.3 Časový průběh opotřebování na hřbetě

Průběh opotřebení břitu na čase závisí značně na tepelném zatížení břitu.

Na obrázku 14 je znázorněn průběh pro nižší řezné rychlosti. V první fázi dochází kvůli velkým tlakům k zrychlenému opotřebení, jelikož se odstraňuje defektní vrstva po ostření.

V druhé fázi jsou nižší tlaky, opotřebení má téměř lineární průběh. Třetí fáze je specifická zvětšením třecích sil, dochází zde ke zvýšení teploty řezání a intenzita opotřebení silně roste. Může dojít až k zničení břitu [20].

Zvětšuje-li se úhel řezu a úhel nastavení, tak intenzita otěru se rovněž zvyšuje.

Nástroj považujeme za otupený, pokud velikost opotřebení břitu na hřbetě nebo na čele dosáhne určité velikosti. Tato velikost je limitována požadavky na jakost obrobené plochy, lavinovým opotřebením a ekonomickými ohledy. Při frézování oceli jsou přípustné hodnoty opotřebení na hřbetě 0,7 až 0,8 mm, na čele je dovolené opotřebení menší než 0,25 mm [20].

- 32 -

Obr. 14. Průběh typického otupení na čase [7]

5.4 Experimentální měření opotřebení

Experimentální studium opotřebení a otupování břitu je základem pro určení empirických údajů pro optimalizaci řezných parametrů, resp. trvanlivosti břitu.

Pro zjišťování velikosti opotřebení se používají metody přímé a nepřímé [4].

5.5 Přímé metody měření opotřebení

Přímé metody jsou těžko aplikovatelné, jelikož otupující se plochy jsou nedostupné pro měřicí přístroje. Je nutné obrábění přerušit, což má vliv na charakter otupení v dalších etapách experimentu. Břit je většinou snímán z nožového držáku, což přináší změny podmínek obrábění při dalším upnutí a ustavení.

Mezi přímé metody měření opotřebení patří metoda váhová, radioizotopová, mikrometrická, optická [4].

Váhová metoda

Při váhové metodě bereme jako míru opotřebení úbytek hmotnosti řezného břitu.

Tato metoda je poměrně přesná, váhový rozdíl určuje míru opotřebení. Nevýhodou je pokud se při obrábění tvoří nárůstek, který ulpívá na destičce a znemožňuje tak přesné určení hmotnostního úbytku břitu. Proto se používá především u nástrojů s vyměnitelnými břitovými destičkami. Platí vztah:

ΔM = M1 -M2 (g),

kde ΔM je úbytek hmoty, M1 je hmotnost destičky před otupením a M2 je hmotnost destičky po otupení [4].

Radioizotopová metoda

Radioizotopová metoda je nejpřesnější metoda určování váhového úbytku destičky v závislosti na čase. Určuje váhové úbytky v řádech až 10–3 mg. Největší část

- 33 -

opotřebovaného materiálu nástroje odchází třískou, jen malé množství opotřebovaného břitového materiálu zůstává na obrobené ploše a neobrobené ploše místa řezu. Minimální část materiálu nástroje odchází do ovzduší [4].

Radioaktivním článkem je materiál nástroje. Aktivaci nástroje je možné dosáhnout dvěma způsoby:

- Zavedením radioizotopu již při hutnickém procesu, lze přesně stanovit specifickou aktivitu nástrojového materiálu a změnu aktivity v průběhu času.

- Ozářením hotového nástroje proudem neutronů v reaktoru, tak vznikne směs radioizotopových prvků tvořící nástrojový materiál.

Tato metoda je zdravotně nebezpečná. Při práci a manipulaci je nutné dodržovat bezpečnostní opatření [4].

Mikrometrická metoda

Velikost opotřebení je u této metody určováno přímým měřením lineárních rozměrů.

Používají se nejčastěji dílenské mikroskopy s křížovým stolem. Hloubku žlábku měříme číselníkovými úchylkoměry, komparátory a pod. (obr. 15). Tuto metodu nelze použít přímo při obrábění [4].

Obr. 15. Příklad opotřebení na hřbetě nástroje [4]

Optická metoda

Optická metoda je používána k měření hloubky žlábku. Umístíme-li ostrou hranu na čelo a osvětlíme ji paprskem světla pod úhlem 45°, pak vzdálenost tečny ke stínu je rovna hloubce žlábku KT (obr. 16).

Obr. 16. Schéma měření stínovou metodou [4]

- 34 -

5.6 Nepřímé metody měření opotřebení

Metody nepřímé se opírají o znaky, které proces opotřebování doprovází. Tyto zkoušky se provádějí přímo při procesu řezání. Výsledky jsou ovšem pouze přibližné. Patří sem vznik lesklého proužku na povrchu obrobku, vzrůst složek síly řezání, zvýšení výkonu řezání, zvýšení teploty řezání, vznik chvění nebo nežádoucího doprovodného zvuku, změna barvy a tvaru třísky, změna rozměrů obrobku, zhoršení drsnosti povrchu, emise signálů v pásmu ultrazvuku (akustická emise) [4].

5.7 Trvanlivost břitu

Dobu, během které nástroj pracuje až do otupení, nazýváme trvanlivostí. Trvanlivost je základní parametr z hlediska hospodárného řezného procesu. Je proto důležité znát závislost trvanlivosti na řezných podmínkách. Mezi trvanlivostí a řeznou rychlostí byl panem Taylorem experimentálně zjištěn vztah:

T = C_T. v_c^-m [ min ] [20],

kde CT je konstanta, kterou ovlivňuje především materiál obrobku a materiál nástroje, m představuje exponent závislý na fyzikálních vlastnostech řezného nástroje a vc

je řezná rychlost.

Pro jednotlivé řezné materiály je m v rozmezí:

nástrojové uhlíkové oceli m = 8 až 10, rychlořezné oceli m = 5 až 8, slinuté karbidy m = 2,5 až 5, keramické řezné materiály m = 1,5 až 2,5.

Logaritmováním tohoto vztahu dostaneme log T = -m . log vc + log c_T, což je rovnice přímky v logaritmických souřadnicích, její sklon vyjadřuje velikost exponentu m (tgα = m). Průběh závislosti trvanlivosti na řezné rychlosti je patrný z obrázku 17 [20].

Obr. 17. Průběh závislosti T [7]

- 35 -

Velikost exponentu m je možno určit graficky z obrázku 17, nebo výpočtem.

Pro různé řezné rychlosti při konstantních ostatních podmínkách platí stav:

C_T= T₁ * v_c1^m, C_T= T₂ * v_c2^m. Dělením dostaneme:

T1 / T2 = v2m

/ v1m

,

m = (log T₁ – log T₂) / (log v_c2 – log v_c1).

Na velikost konstanty CT má hlavní vliv materiál obrobku a materiál nástroje. Jejich hodnota se zvětšuje se zvyšujícím se stupněm obrobitelnosti materiálu obrobku a stupněm řezivosti nástroje. Jsou nepřímo úměrné průřezu třísky, přičemž vliv posuvu převažuje.

Poměrně významně může hodnotu konstanty CT ovlivnit řezné prostředí. Zejména aktivní procesní kapaliny mohou velikost těchto konstant zvýšit a zároveň snížit velikost exponentu m [14].

Obr. 18. Závislost VB na trvanlivosti při různých řezných rychlostech[7]

- 36 -

6 Drsnost povrchu

Při použití jakékoliv metody obrábění vzniká na povrchu ploch obrobku nerovnost, je to zapříčiněno tím, že každý řezný nástroj zanechává na povrchu obrobku stopy. Tato nerovnost má velký význam na funkci těchto ploch. Rozteč jednotlivých nerovností charakterizuje strukturu povrchu a dělí ji na složky. Drsnost povrchu je definována jako část geometrických odchylek s relativně malou vzdáleností nerovností. Dále existují složky s velkou vzdáleností nerovností, jako jsou úchylky tvaru a vlnitost povrchu [4].

6.1 Parametry měření drsnosti povrchu

Drsnost povrchu hodnotíme na základě výškových parametrů, délkových parametrů a tvarových parametrů.

Výškové parametry

Na obrázku 19 jsou znázorněny základní výškové parametry drsnosti povrchu obrobku. Největší výška výstupku je značena jako Rp. Největší hloubka prohlubně profilu obrobku je zakótována jako Rv. Největší výška profilu označená jako Rz je dána součtem největší výšky profilu a největší hloubky profilu [4].

Obr. 19. Výškové parametry Rv, Rp, Rz [4]

Nejčastěji používaným parametrem drsnosti povrchu je však střední aritmetická úchylka profilu Ra, která je znázorněna na obrázku 20. Je to průměr absolutních hodnot Z(x) v rozsahu základní délky. Tato hodnota neodpovídá zcela přesně dané drsnosti, jelikož Ra nereaguje citlivě na extrémní výšky a hloubky měření profilu [4].

Obr. 20. Střední aritmetická úchylka profilu R_a [4]

- 37 -

Průměrná kvadratická úchylka profilu Rq je stanovena jako průměrná kvadratická hodnota odchylek Z(x) profilu v rozsahu základní délky. Parametr R_q je významný při statickém pozorování profilu povrchu, jelikož odpovídá odchylce profilových souřadnic [4].

Délkové parametry

Průměrná vzdálenost prvků profilu R_Sm je hlavní délkový parametr. Je to průměrná hodnota šířek XS profilů v rozsahu základní délky a je znázorněna na obrázku 21.

Obr. 21. Parametr RSm [4]

Tvarové parametry

Průměrný kvadratický sklon posuzovaného profilu RΔq je průměrnou kvadratickou hodnotou sklonů dz/dx v rozsahu základní délky. Tento parametr je významný při hod- nocení tribologických vlastností, odrazu světla a galvanickém pokovování [4].

6.2 Nosný podíl profilu

Nosný podíl profilu zkušebních vzorků je graficky vyjádřen Abbottovou křivkou.

Na vodorovnou osu této křivky se obvykle zaznamenává parametr Rmr, který je definován poměrem nosné délky profilu a skutečné délky, a na svislou osu hloubková souřadnice bodů v povrchové vrstvě. Poloha křivky a její průběh jsou hlavními hodnotícími parametry. Křivka položená výše s nižším sklonem reprezentuje profil s větším podílem kovového materiálu těsně pod povrchem a naopak [2], [7], [17]. Příklady Abbottových křivek uvádí obrázek 22 a 23.

Obr. 22. Abbottova křivka kvalitnějšího povrchu [17]

Obr. 23. Abbottova křivka méně kvalitního povrchu [17]

- 38 -

Nosný podíl profilu je možné vyjádřit číselně parametrem ctp50, který značí hloubku, ve které je podíl materiálu a vzduchu 1:1 (50% kovového materiálu a 50 % vzduchu). Čím je hodnota c_tp50 menší, tím je povrch kvalitnější [17].

6.3 Metody měření drsnosti povrchu

Drsnost měříme porovnáním s etalony, dotykovými profiloměry, interferencí světla nebo světelným řezem.

6.3.1 Porovnání s etalony drsnosti

Podstata této metody spočívá v porovnání povrchu zkušebního vzorku okem nebo mikroskopem s etalonem drsnosti. Tato metoda je nepřesná (porovnávají se a vyhodnocují odlišné parametry), velice záleží na zkušenostech metrologa.

Podmínky měření:

- stejný materiál etalonu a součásti,

- tvar povrchu součásti a etalonu musí být stejný, - stejná trajektorie obrábění povrchu etalonu a součásti, - stejné podmínky pozorování [4].

6.3.2 Dotykový profilometr

Dotykový profilometr je zařízení, které se skládá z mechanické a elektronické části a které je znázorněno na obrázku 24. Jednotlivé číselné hodnoty parametrů drsnosti jsou u této metody přímo odečítány. Je to jedno z nejmodernější statistických a spektrálních hodnocení nerovnosti povrchu [4].

Obr. 24. Princip měření dotykovým profilometrem [4]

6.3.3 Světelný řez

Pro tuto metodu hodnocení se nejčastěji používá jako měřící zařízení dvojitý mikroskop Schmaltz, který je znázorněn na obrázku 25. Podstata měření tkví v dopadu velmi tenkého paprsku na měřený povrch pod úhlem 45^o a následném odrazu od nerovnosti, tím vzniká obraz profilu v poli mikroskopu [4].

- 39 -

Obr. 25. Metoda světelného řezu – princip a obraz v okuláru [4]

6.3.4 Interference světla

Paprsek prostupuje přes polopropustné zrcadlo, které jej rozdělí na 2 části. Část S1 pokračuje dále na měřený povrch a následně zpátky do okuláru. Část S2 se odrazí od zrcadla přímo zpět do okuláru. Tam se paprsky spojí a získá se obraz povrchu [4].

Interferenční mikroskop je znázorněn na obrázku 26.

Obr. 26. Interferenční mikroskop (vlevo), obraz v okuláru přístroje (vpravo) [4]

- 40 -

7 Charakteristika strojů, přístrojů a procesních kapalin

Frézovací operace byly realizovány frézou NAREX 2460.12 o průměru D = 63 mm, která byla upnuta ve frézce FNG 32. K měření byly použity tyto měřicí přístroje:

laboratorní profilometr Mitutoyo SV – 2000, nástrojová lupa Brinell, 3D optické video měřidlo Excel 4520 a refraktometr Optech Brix RLC/ATC. 3D optické video zařízení Excel 4520 bylo použito se svolením firmy Laird Technologies s.r.o., ostatní stroje a měřící zařízení se nacházejí v laboratoři KOM TUL.

Vliv procesního média na trvanlivost břitu, jakost povrchu obrobku a druh vzniklých třísek byl zkoumán u této skupiny kapalin: Blasocut Kombi 35, Grindex 10, CIMSTAR 620, HOCUT 795B, Vasco 1000. U těchto kapalin bylo také prověřeno, zda ulpívají na obrobku a zda pění.

Druhou skupinu kapalin tvořily kapaliny ESOK 1.0F, ESOK 1.0E, ESOK 1.1B, ESOK 1.1D, ESOK 1.0D, ESOK 1.1D a voda, jejichž vliv na drsnost a trvanlivost byl hodnocen v bakalářské práci pana Bc. Schindelarze a u kterých bylo požadováno pro komplexnost výsledků ověřit, zda ulpívají na zkušebním vzorku.

Třetí skupinou kapalin byly kapaliny ESOK 1.0D-A a ESOK 1.0D-B, které jsou upravené verze kapaliny 1.0D. Na požadavek firmy Paramo a.s. zde bylo provedeno měření vlivu těchto procesních kapalin na trvanlivost břitu nástroje.

Jako zkušební materiál byla použita ocel ČSN 17351. Tato ocel má následující chemické složení: 0,08% C + 15,5-17% Cr + 5,5-7% Ni + 0,3-0,8% Mn + 0,9 Si + 0,045 P + 0,035 S. Měření trvanlivosti bylo provedeno na polotovaru o rozměrech 470 x 80 x 80 milimetrů. Pro měření drsnosti a ulpívání byly z tohoto materiálu nařezány zkušební vzorky.

7.1 Obráběcí stroj

Frézovací operace byly realizovány na frézce FNG 32 od společnosti TOS Olomouc s.r.o., která je znázorněna na obrázku 27 a která se nachází v laboratoři Třískových technologií katedry obrábění a montáže TU v Liberci.

Obr. 27. Frézka FNG 32 [17]

- 41 -

Hlavní technické parametry frézky FNG 32 jsou zaneseny do tabulky 2.

Frézka FNG 32

Charakteristika Hodnota Jednotky

Rozměr pracovní plochy 800 x 400 [mm]

Maximální zatížení stolu 350 [kg]

Pracovní zdvih podélný 600 [mm]

Pracovní zdvih příčný, svislý 400 [mm]

Posuv X,Y 15 - 1000 [mm/min]

Posuv Z 6 - 400 [mm/min]

Rychloposuv X,Y 2000 [mm/min]

Rychloposuv Z 800 [mm/min]

Rozsah otáček vřetena 50 - 4000 [ot/min]

Počet rychlostních stupňů vřetena 2 [°]

Natočení vertikálního vřetena ± 90 [°]

Výkon hlavního motoru vertikálního vřetena 4 [kW]

Výkon posuvného motoru vertikálního vřetena 1,1 [kW]

Celkový příkon stroje 22 [kVA]

Hmotnost stroje 2500 [kg]

Zastavěná plocha 2070 x 2120 [mm]

Výška stroje 2115 [mm]

Tab. 2. Technické charakteristiky [17]

7.2 Laboratorní profilometr MITUTOYO

K měření parametrů jakosti obrobené plochy byl použit laboratorní profilometr MITUTOYO SV-2000 N2 (viz obr. 28). Softwarem pro zpracování měřených údajů na profilometru MITUTOYO byl program SURFPAK 1.100. Výstupy tohoto softwaru mají textovou i grafickou formu.

Obr. 28. Laboratorní profilometr MITUTOYO SV-2000 [17]

- 42 -

7.3 Výměnné břitové destičky

Do nástroje byla upnuta břitová destička od firmy Pramet Tools s.r.o. označené jako SNUN 120412; 8230. Tyto destičky byly využity při všech frézovacích operacích.

Obr. 29. Břitové destičky od firmy Pramet Tools s.r.o.

7.4 Nástrojová lupa Brinell

K měření opotřebení VBc byla použita nástrojová lupa Brinell. Tato lupa obsahuje stupnici, která je rozdělena po 0,05 mm, a zvětšuje 24x. Měření s touto lupu je velice rychlé a přesné, proto není nutné použít mikroskop.

Obr. 30. Nástrojová Lupa Brinell [16]

7.5 Refraktometr

Refraktometr Optech Brix RLC/ATC je zařízení, na kterém byla měřena koncentrace procesní kapaliny ve vodě. Toto zařízený má rozsah koncentrace v rozmezí 0 – 18 % a přesnost 0,1 %.

Obr. 31. Refraktometr