Obsah Seznam použitých značek a zkratek ........................................................ - 10 - Úvod ........................................................................................................ - 11 -

- 7 - Obsah

Seznam použitých značek a zkratek ... - 10 -

Úvod ... - 11 -

1 Frézování ... - 13 -

1.1 Obecná charakteristika ... - 13 -

1.2 Základní způsoby frézování ... - 13 -

1.2.1 Frézování válcové ... - 13 -

1.2.2 Frézování čelní ... - 14 -

1.2.3 Frézování okružní ... - 15 -

1.2.4 Frézování planetové ... - 15 -

1.3 Základní třídění fréz [5] ... - 15 -

1.4 Geometrie břitu frézy ... - 16 -

1.4.1 Úhly na zubu nástroje ... - 17 -

1.5 Řezné síly a podmínky ... - 18 -

1.5.1 Řezné síly ... - 18 -

1.5.2 Řezné podmínky [4] ... - 19 -

1.6 Teplo a teplota řezání ... - 20 -

1.7 Měření teplot termočlánky ... - 21 -

1.8 Opotřebení a trvanlivost nástroje [2] ... - 22 -

1.9 Rozměrová přesnost ... - 24 -

1.10 Drsnost povrchu ... - 24 -

1.11 Upínání fréz a obrobků ... - 24 -

2 Technické plyny - jako procesní medium [10] ... - 26 -

2.1 Řezné podmínky ... - 26 -

2.2 Obrábění za sucha (bez chlazení) ... - 29 -

2.3 Obrábění s využitím podchlazeného vzduchu ... - 30 -

2.3.1 Princip vírové trubice ... - 30 -

2.3.2 Cold Air Gun ... - 31 -

- 8 -

2.4 Obrábění s využitím zkapalněného oxidu uhličitého ... - 32 -

2.5 Obrábění s využitím zkapalněného dusíku ... - 34 -

3 Charakteristika stroje a měřících zařízeních ... - 35 -

3.1 Obráběcí stroj – pásová pila na kov ... - 35 -

3.2 Obráběcí stroj – frézka ... - 35 -

3.3 Dynamometr KISTLER ... - 36 -

3.4 Umělý termočlánek typu K ... - 38 -

3.5 Laboratorní profiloměr MITUTOYO ... - 39 -

3.6 Digitální třmenový mikrometr ... - 40 -

3.7 Digitální posuvné měřítko ... - 40 -

3.8 Třídotekový dutinoměr ... - 40 -

3.9 Dílenský mikroskop ZEISS ... - 40 -

4 Experimentální část řešení ... - 41 -

4.1 Příprava zkušebních vzorků pro experiment ... - 41 -

4.2 Charakteristika použitých technických plynů ... - 43 -

4.2.1 Okolní vzduch ... - 43 -

4.2.2 Podchlazený vzduch ... - 43 -

4.2.3 Oxid uhličitý CO₂ ... - 44 -

4.3 Metodika experimentu ... - 45 -

4.3.1 Nastavení pracovních podmínek pro experiment ... - 46 -

4.3.2 Měření řezných sil ... - 48 -

4.3.3 Měření teploty vzorku při frézování ... - 49 -

4.3.4 Měření trvanlivosti vyměnitelné břitové destičky ... - 50 -

4.3.5 Měření drsnosti ... - 51 -

4.3.6 Měření rozměrové přesnosti ... - 51 -

5 Vyhodnocení experimentu ... - 52 -

5.1 Posouzení velikosti středních hodnot řezných sil ... - 52 -

5.2 Vliv procesního média na teplotu obrobku ... - 53 -

5.3 Vliv procesního média na trvanlivost břitové destičky ... - 56 -

- 9 -

5.4 Rozměrová přesnost ... - 57 -

5.5 Drsnost povrchu ... - 59 -

6 Diskuze ... - 60 -

7 Závěr ... - 62 -

Seznam použité literatury ... - 64 -

Seznam příloh ... - 66 -

- 10 -

Seznam použitých značek a zkratek

ap [mm] hloubka záběru řezného nástroje F [N] výsledná řezná síla

Fc [N] řezná síla

Ff [N] posuvová síla Fp [N] přísuvová síla

Qdef [J] teplo vzniklé z práce plastických a elastických deformací QN [J] množství tepla zůstávajícího v nástroji

QO [J] množství tepla zůstávajícího v obrobku

QP [J] množství tepla odvedeného do okolního prostředí QT [J] množství tepla odvedeného v třísce

Qtř [J] teplo vzniklé z práce tření

Ra [µm] průměrná aritmetická úchylka profilu Rt [µm] celková výška profilu

Rz [µm] největší výška profilu vc [m/min] řezná rychlost

vp [m/min] přísuvová rychlost vf [m/min] posuvová rychlost ŠL šedá litina

RO rychlořezná ocel SK slinuté karbidy

- 11 -

Úvod

Technologie frézování je jednou ze základních metod obrábění. Provádí se dvěma na sebe vázanými pohyby: rotačním pohybem nástroje a posuvným pohybem obrobku [5]. Používá se především pro výrobu rovinných a tvarových ploch, drážek, závitů, ozubení apod. Lze se s ní setkat prakticky v každém strojírenském podniku.

Jakost obrobeného povrchu je závislá na řadě faktorů, jako je správná volba řezných podmínek, procesních medií a jejich aplikace. Dále je důležitá vhodná kombinace obráběcího stroje, nástroje a nářadí. Rozhodující hledisko při volbě zmíněných parametrů představují především požadavky na výsledný obrobek a ekonomické aspekty výroby [5].

Bakalářská práce se zabývá problematikou účinku procesních plynů na technologii frézování a kvalitu obrobených součástí. Při obrábění kovů v průmyslu jsou všeobecně jako technologické procesní kapaliny používány řezné oleje nebo emulze. Protože při používání těchto kapalin dochází často k jejich styku s obsluhou a jejich úniku do okolí, je používání takových medií stále více regulováno přísnějšími bezpečnostními a hygienickými předpisy [8]. Proto se jeví použití procesních plynů jako šetrnější metoda k životnímu prostředí.

Pro řešení této práce byly stanoveny následující cíle:

 Shrnutí poznatků o vlivu procesních plynů při obrábění. Shrnutí dosavadních poznatků o technologii frézování.

 Rozbor metod použití procesních plynů (způsoby přívodu plynu, variantní média).

 Návrh metodiky experimentů pro zkoumání vlivu procesních plynů na technologii frézování a kvalitu obrobených součástí.

 Realizace experimentů.

 Hodnocení kvality obrobených součástí při zkoumání vlivu procesních plynů na technologii frézování.

 Shrnutí a zhodnocení dosažených výsledků a vyvození závěrů.

V teoretické části jsou shrnuty základní poznatky o technologii frézování a dále jsou zde uvedena měřená a hodnotící kritéria.

V praktické části řešení bakalářské práce jsou vyhodnocena následující procesní média: podchlazený vzduch přivedený pomocí vírové trubice (Cold Air Gun), plyn CO2 a okolní vzduch. Za měřítko účinnosti použitých procesních plynů

- 12 -

byla volena drsnost obrobku, rozměrová přesnost, velikost řezných sil, opotřebení VBD a chladící účinek.

Bakalářská práce vznikla v rámci projektu TAČR – TA03010492 – Aplikovaný multioborový výzkum a vývoj progresivních způsobů chlazení u technologických procesů.

- 13 -

1 Frézování

1.1 Obecná charakteristika

Frézování je způsob obrábění, při kterém se materiál obrobku odebírá vícebřitým nástrojem – frézou. 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.

Fréza je několikabřitý nástroj, který má břity uspořádány na válcové, kuželové nebo jiné tvarové ploše. 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.

Stroj, který používáme při frézování, se nazývá frézka. Frézky jsou vyráběny a dodávány ve velkém počtu modelů a velikostí. Je možné je rozdělit do čtyř základních skupin; frézky konzolové, stolové, rovinné a speciální. Zvláštní kategorii tvoří frézky na závity a frézky na ozubení [5].

1.2 Základní způsoby frézování

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 [5].

1.2.1 Frézování válcové

Používá se převážně při práci s válcovými a tvarovými frézami. Zuby jsou vytvořeny jen na válcovém obvodu nástroje. Hloubka řezu se nastavuje kolmo na osu frézy a směr posuvu. Obrobená plocha je rovnoběžná s osou otáčení frézy. Způsob vytváření takové plochy a průběh vytváření třísky závisí na smyslu otáčení frézy ke směru posuvu obrobku.

Podle toho rozeznáváme dva způsoby frézování: sousledné a nesousledné [9].

Frézování nesousledné

Při nesousledném frézování je smysl rotace nástroje v místě záběru proti směru posuvu obrobku (obr. 1). Obrobená plocha vzniká tím, že nástroj vniká do obrobku. Tloušťka třísky se mění od nulové hodnoty na hodnotu maximální. Vznikají silové účinky a deformace, které způsobují velké opotřebení břitu.

- 14 -

Řezná síla obsahuje složku, která působí směrem nahoru od místa upnutí a odtahuje obrobek od stolu [5].

Obr. 1 Nesousledné frézování.

Frézování sousledné

U sousledného frézování je smysl rotace nástroje ve směru posuvu obrobku (obr. 2). V počáteční fázi vniká zub frézy do obrobku a vzniká maximální tloušťka třísky. Řezné síly působí obvykle směrem dolů od místa upnutí. Dochází ke snaze o vtlačení obrobku mezi nástroj a stůl, proto může toto frézování probíhat pouze na přizpůsobeném stroji při vymezené vůli a předpětí mezi posuvovým šroubem a maticí stolu frézky.

Pokud tomu tak není, muže dojít k poškození nástroje, obrobku i stroje [5].

Obr. 2 Sousledné frézování.

1.2.2 Frézování čelní

Je příznačné zejména pro frézy válcové, u nichž při odřezávání třísek pracují břity na obvodu frézy, ale také částečně břity na čelní ploše, které obráběnou plochu vyhlazují. Hloubka řezu se nastavuje ve směru osy otáčení frézy. Obrobená plocha je kolmá na osu otáčení nástroje.

- 15 -

Při každém otočení frézy o 360 stupňů se obrobek posune o dráhu, jejíž délka odpovídá hodnotě posuvu na otáčku. Tloušťka třísky se postupně od vstupu břitu frézy ke středu odřezávané vrstvy zvětšuje, a naopak se od středu k místu výstupu břitu z materiálu postupně zmenšuje.

Čelní frézování je výkonnější než frézování obvodové, protože při něm zabírá více zubů současně, což dovoluje pracovat s větším posuvem obrobku [9].

Čelní frézování dělíme podle symetričnosti na: úplné symetrické (obr. 3a), neúplné symetrické (obr. 3b) a neúplné nesymetrické (obr. 3c).

Obr. 3 a) Úplné symetrické, b) neúplné symetrické, c) neúplné nesymetrické.

1.2.3 Frézování okružní

Používá se při obrábění dlouhých válcových tyčí a při výrobě závitů. Jako nástroj slouží frézovací hlava osazena několika noži. Při frézování tyčí se frézovací hlava otáčí i posouvá, při frézování závitů se jen otáčí. Zbývající pohyby nutné k obrábění vykonává obrobek [9].

1.2.4 Frézování planetové

Uplatňuje se u číslicově řízených strojů a obráběcích center, vybavených kruhovou interpolací dráhy nástroje (Osa nástroje se pohybuje v nastaveném kruhu), jehož pohyb může být pořízen po kružnici, což umožňuje frézovat celé rotační plochy nebo jejich části [9].

1.3 Základní třídění fréz [5]

Frézy jsou několikabřité nástroje, mají břity uspořádány na válcové, kuželové nebo jiné tvarové ploše, u čelních fréz také na ploše čelní. Převážná část jsou frézy

- 16 -

normalizované podle ČSN 22 2110 až 22 2199, ČSN (ON) 22 221O až 22 2492.

Vybrané frézy lze roztřídit do jednotlivých skupin dle :

a) Dle nástrojového materiálu břitu – z rychlořezné oceli, slinutých karbidů, řezné keramiky, kubického nitridu bóru a diamantu,

b) dle tvaru zubů – zuby frézované nebo podsoustružené,

c) dle směru zubu vzhledem k ose rotace frézy – frézy se zuby přímými a se zuby ve šroubovici pravé nebo levé, popřípadě střídavé,

d) dle konstrukčního uspořádání – frézy celistvé, se vkládanými noži, dělené a sdružené,

e) z hlediska geometrického tvaru – válcové nástrčné nebo se stopkou, čelní válcové frézy nástrčné nebo se stopkou, kotoučové frézy s přímými zuby nebo zuby ve šroubovici,

f) z technologického hlediska – frézy na rovinné plochy a frézy na plochy tvarové,

g) z hlediska způsobu upnutí frézy na stroj – frézy nástrčné a frézy se stopkou.

Obr. 4 Základní druhy fréz [5].

1.4 Geometrie břitu frézy

Aby břit mohl odebírat třísky, musí k tomu být náležitě upraven. Každý zub má klínovité provedení zakončené břitem, tvořeným dvěma plochami (čelem a hřbetem), v jejichž průsečíku vznikne ostří, které má schopnost odřezávat třísky. Čím ostřejší klín břit má, tím snadněji vniká do materiálu.

- 17 -

Vzájemná poloha ploch břitu nástroje a obrobku vytváří soustavu úhlů, které říkáme geometrie břitu [9].

Hodnoty jednotlivých úhlů jsou závislé na druhu obráběného materiálu a

u normalizovaných fréz mají stanovenou hodnotu – příklady jsou uvedeny v následující tabulce [9].

Tab. 1 Hodnoty úhlů závislé na materiálu.

1.4.1 Úhly na zubu nástroje

Na obrázku 5 je znázorněna geometrie břitu frézy.

Úhel hřbetu α - je úhel svíraný mezi hřbetem zubu frézy a tečnou k obvodu nástroje (řeznou rovinou). Jeho úkolem je snižovat tření hřbetu zubu na obráběné ploše. Čím větší je jeho hodnota, tím je tření menší. Jeho velikost je však omezena (viz. tabulka č. 1), aby nedocházelo k přílišnému zeslabování zubu a tím snižování jeho pevnosti.

Úhel břitu β - je úhel svíraný plochou hřbetu a plochou čela. Čím menší tento úhel je, tím je snadnější jeho vnikání do materiálu. Jeho hodnota je omezena pevností břitu. Pro frézování měkkých a málo pevných materiálů mívá úhel β menší hodnotu, naopak pro tvrdé a pevné matriály musí mít hodnotu větší, aby snesl zatížení vyvolané velkým řezným odporem.

Úhel čela γ - je úhel mezi plochou čela břitu a spojnicí špičky břitu se středem otáčení frézy. Usnadňuje tvoření třísky a vnikání břitu do materiálu. Jeho rostoucí hodnota zeslabuje celý břit frézy, proto je také tabulkově omezena.

Úhel řezu δ - je úhel, který svírá plocha čela a tečna k obvodu frézy, (řezná rovina) - je vlastně součtem úhlů břitu a hřbetu (δ = α + β).

Úhel sklonu ostří λ - je úhel, který svírá osa otáčení frézy a tečna k šroubovici břitu. Vyskytuje se u nástrojů s břity šikmými, šroubovitými, střídavými a šípovými.

Obrobený materiál Úhel čela γ (°)

Úhel hřbetu α (°)

ocel do pevnosti 600 MPa 12-20 5-8

ocel do pevnosti 850 MPa 8-12 4-6

šedá litina do tvrdosti 120HB 6-10 5-6

šedá litina nad tvrdost 180HB 4-20 3-5

měď 12-20 5-6

mosaz, bronz 0-12 4-8

lehké slitiny 15-30 8-12

plasty 0-15 4-6

- 18 -

Úhel nastavení κ - je úhel mezi ostřím frézy a rovinou kolmou na osu jejího otáčení [9].

Obr. 5 Geometrie břitu frézy [9].

1.5 Řezné síly a podmínky

1.5.1 Řezné síly

Výsledná síla F, kterou musíme působit na nástroj, abychom oddělili odřezávanou vrstvu materiálu z obrobku a odvedli ji ve formě třísky z místa řezu, je součtem více sil, působících na elementární plošky. Dle zákona akce a reakce je tato síla v rovnováze s vektorem výsledného řezného odporu, který klade materiál proti oddělení a odchodu třísky [5].

U frézování se odřezávání materiálu uskutečňuje současně několika zuby frézy a proto výsledná řezná síla Fc je součtem sil působících na jednotlivé zuby.

Každý zub odebírá různě velký průřez odřezané vrstvy a tím je i různě velká řezná síla na příslušném zubu.

Je možné říci, že výsledná síla se skládá ze tří složek: řezné síly Fc, posuvové síly Ff a síly přísuvové Fp [5].

Zjišťuje se měřením již zmíněných složek pomocí dynamometrů, viz kapitola 4.3.2 Měření řezných sil.

- 19 -

Obr. 6 Síly působící na jednotlivé zuby při válcovém frézování [5].

1.5.2 Řezné podmínky [4]

Pro daný obráběný materiál a frézovací nástroj patří k základním řezným podmínkám řezná rychlost vc [m.min^-1] a posuv na zub fz [mm]. V technologické praxi se také předepisuje posuvová rychlost vf [m.min^-1].

Řezné podmínky se volí podle druhu práce, druhu použité frézy a požadované jakosti obrobených ploch. Při hrubování se volí co největší posuv s přihlédnutím k hloubce odebírané vrstvy, tuhosti obrobku a výkonu na vřetenu.

Hloubka záběru při frézování se pohybuje v rozsahu 0,5 až 20 mm i více, pro jednotlivé fáze frézování se volí obvykle v rozsahu:

hrubování 10 – 20 i více mm

pro středně těžké obrábění 2 – 10 mm

na čisto 0,5 – 2 mm

Posuv na zub by neměl klesnout pod 0,05 mm, protože pak už se začíná projevovat vliv poloměru ostří břitu nástroje, to platí zejména pro nástroje s břity z povlakovaných slinutých karbidů; posuv na zub se obvykle pohybuje v rozsahu 0,05 až 0,4 mm, pro běžné a tvarové frézování se posuv na zub obvykle volí v rozsahu:

běžné frézování 0,1 – 0,4 mm

frézování tvarovými frézami 0,05 – 0,2 mm

Řezné rychlosti pro frézování se obvykle pohybují v rozsahu 20 až 570 m.min^-1 a jsou závislé zejména na druhu obráběného materiálu, na materiálu nástroje a na

- 20 -

způsobu frézování. Pro středně těžké frézování nástroji z RO a SK jsou v následujícím přehledu uvedeny orientační hodnoty řezných rychlostí:

RO SK

ocel, ŠL 20 – 40 m.min^-1 120 – 200 m.min^-1

měď 40 – 60 m.min^-1 240 – 280 m.min^-1

hliník 120 – 250 m.min^-1 450 – 570 m.min^-1

Dosahovaná přesnost a kvalita povrchu při frézování:

hrubování IT 12 Ra 6,3

načisto IT 9 – 11 Ra 1,6 – 6,3

pro jemné IT 5 – 8 Ra 0,2 – 1,6

1.6 Teplo a teplota řezání

Teplo je jedním z nejdůležitějších činitelů ovlivňujících proces řezání. Vzniklé teplo mění mechanické vlastnosti obráběného materiálu, otupuje nástroj, v povrchových vrstvách ovlivňuje tření, pěchování, zpevnění apod.

Množství tepla vznikajícího při obrábění závisí na velikosti práce vynaložené na odebrání třísky. Část tepla přechází do nástroje, část do obrobku a část vysálá okolí. Převážná část je však odvedena třískou [5]. Příklad rozložení teplot je na obrázku 7.

Tepelná bilance představuje jednu z forem bilance energie, která vypovídá o tom, že v daném místě a daném časovém úseku je množství odvedeného tepla rovno teplu do místa přivedeného. Pro podmínky v zóně řezu nástrojem s definovanou geometrií to znamená [2]:

Qtř + Qdef = QN + QT + QO+ QP [J] [5], 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.

- 21 -

Obr. 7 Příklad rozložení teplot v třísce a obrobku [3].

Teplota řezání je jedním z nejdůležitějších parametrů ovlivňujících proces řezání a má vliv na všechny parametry řezání. Závisí na ní možnosti a vhodnost použití různých řezných rychlostí, posuvů, hloubky řezu a také ovlivňuje trvanlivost nástroje.

Z výše uvedených skutečností vyplývá, že teplota nepřímo, ale zásadně ovlivňuje produktivitu a ekonomičnost výroby [2].

1.7 Měření teplot termočlánky

Při měření termočlánky se využívá tzv. termoelektrického jevu. Tento jev využívá vzniku termoelektrického napětí (termoelektromotorické síly), v obvodu tvořeného dvěma různými vodiči, jejichž konce jsou vodivě spojeny, jestliže jsou oba spoje udržovány na různých teplotách. Při

obrábění se ho využije tak, že měřící spoj je umístěn do místa měření teploty a srovnávací spoj je udržován na známé teplotě (obvykle teplota okolí). K těmto vodičům je pak připojen milivoltmetr (obr. 8). Velikost vznikajícího termoelektrického napětí však závisí nejen na rozdílu teplot, ale i na druhu materiálů obou vodičů, tvořících termočlánek [7].

Obr. 8 Schéma zapojení termočlánku [7].

- 22 -

Je vhodné kombinovat vodiče tak, aby tvořily pokud možno lineární charakteristiku, časovou stabilitu, odolnost proti korozi a chemickým vlivům. Jako materiály vhodné na výrobu vodičů pro termočlánky se používá mnoho materiálů. V tab. 2 jsou uvedeny hodnoty termoelektrických napětí (střední hodnoty) pro nejpoužívanější materiály. Při obrábění se k měření teplot a teplotních polí užívají nejen dva druhy vodičů, ale s výhodou i jako vodič materiál nástroje nebo obrobku.

Podle provedení je lze rozdělit do těchto skupin [2]:

 umělý

 poloumělý

 přirozený

 termoduo

Tab. 2 Střední hodnoty termoelektrických napětí [μV.°C^-1].

Konstantan -39 Uhlík -3,5 Cín -0,5 Molybden 6,5

Kobalt -21 Hliník -1,5 Rhodium 1,0 Železo 12,5

Nikl -20 Hořčík -1,5 Iridium 1,0 Křemík 44,0

Platina -5 Olovo -0,5 Zinek 1,5

Stříbro 1,5 Měď 2,0 Wolfram 2,5

1.8 Opotřebení a trvanlivost nástroje [2]

Při obrábění vzniká velké množství tepla, které se vyvíjí na ploše hřbetu a čela nástroje. Tepelná zatížení značně namáhají materiál břitu nástroje a v některých případech (např. při frézování) vytváří dynamický faktor, a to v okamžiku, kdy jeden břit z materiálu vystupuje a jiný do něj naopak vniká. Procesem utváření třísky, provázeném vysokým tlakem a teplotou se průběžně vytváří čistý kovový povrch, při kterém má obráběný materiál sklon k chemickým reakcím nebo k difúzním procesům.

Většina obráběných materiálů obsahuje tvrdé částice různého druhu. Tyto částice nezřídka dosahují tvrdosti materiálu břitu nástroje. Dochází tak k abrazivnímu efektu.

Opotřebení hřbetu břitu patří mezi abrazivní formy opotřebení a projevuje se na hřbetní ploše břitu (obr. 9). Opotřebení hřbetu je všeobecně obvyklým typem opotřebení. Stejnoměrně se zvětšující opotřebení hřbetu je často považováno za ideální. Příliš velké opotřebení hřbetu má za následek zhoršení jakosti obrobeného povrchu, nepřesnost rozměrů a narůstání tření, které vzniká změnou geometrie břitu.

- 23 -

Obr. 9 Opotřebení na hřbetu nástroje.

Opotřebení ve tvaru žlábku na čele je důsledkem působení mechanismů difúzního opotřebení a abraze. Žlábek vzniká částečně úběrem řezného materiálu nástroje, ale zejména difúzí v místě břitu s nejvyšší teplotou, tzn. v kontaktním místě mezi třískou a materiálem břitu. Tvrdost za tepla a malá afinita mezi materiály obrobku a břitu nástroje snižují tendenci ke vzniku tohoto opotřebení. Mimořádně velké opotřebení v podobě žlábku může změnit geometrii břitu a ovlivnit tak tvar třísky, změnit směr působení síly řezání a zeslabit břit (obr. 10).

Obr. 10 Opotřebení na čele nástroje.

Hlavní zásadou při volbě řezných podmínek je dosáhnout co možná největšího úběru materiálu při hospodárné trvanlivosti nástroje, ta se však pro různé typy fréz liší. Velikost hospodárné trvanlivosti je velmi výrazně ovlivněna náklady na strojní hodinu obráběcího stroje a řezivostí nástrojového materiálu.

Trvanlivost fréz a kvalitu obrobené plochy lze zvýšit použitím procesních kapalin. Procesní kapaliny se uplatňují hlavně u nástrojů z rychlořezné oceli, omezeně při práci s frézami se slinutými karbidy [5].

- 24 -

1.9 Rozměrová přesnost

Skutečné plochy vyrobených součástí se liší od ideálních (teoretických) ploch svými rozměry, tvarem a vzájemnou polohou. To znamená, že nejsou vyrobeny s absolutní přesností. Protože výrobu součástí lze zajistit pouze s určitou přesností, je vhodné předepisovat dovolenou nepřesnost výše uvedených faktorů formou úchylek rozměrů, úchylek tvaru a polohy a úchylek drsnosti povrchu. Požadavek dodržení úchylek (dovolené nepřesnosti) se týká především funkčních ploch, tj. těch, které se stýkají s jinými a zajišťují správnou funkci součásti. Někdy je třeba dodržet s určitou přesností rozměry a tvar – rozměrová přesnost.

1.10 Drsnost povrchu

Skutečný povrch součásti je vrstva, která ohraničuje součást a odděluje ji od okolí. Tato vrstva se liší od ideálního povrchu různými nerovnostmi. Drsností povrchu rozumíme část geometrických nerovností s poměrně malou vzdáleností sousedních nerovností. Tyto geometrické nerovnosti jsou způsobeny stopami nástrojů při třískovém obrábění nebo jinými vlivy při zhotovování konečného tvaru povrchu součásti.

1.11 Upínání fréz a obrobků

Upínání fréz

Způsob upnutí záleží na druhu frézy. Nástrčné frézy se upínají pomocí frézovacího trnu, jenž má na jednom konci kuželovou stopku, kterou se upíná do dutiny vřetena. Krouticí moment se přenáší perem v drážce frézovacího trnu. Poloha frézy na trnu se zajišťuje rozpěracími kroužky. Kromě rozpěracích kroužků je na trnu vodící pouzdro, které je ustaveno v poloze, kde bude trn podepřen ložiskem. Frézy s kuželovou stopkou se upínají redukčními pouzdry přímo do kužele ve vřetenu frézky.

Redukční pouzdro se používá také tehdy, pokud se neshoduje kužel frézovacího trnu s kuželem vřetena. Frézy s válcovou stopkou se upínají do vřetena frézky sklíčidlem.

U číslicově řízených frézek se nástroje upínají do držáků, které kromě upnutí musí umožňovat axiální seřízení nástroje.

Nástrojové držáky se upínají do vřetena za kuželovou nebo válcovou stopku. Poloha držáku je zajišťována nejčastěji kuličkovým nebo jiným uzávěrem [5].

- 25 - Upínání obrobku

Současným záběrem několika zubů vznikají velké řezné síly, proto musí být obrobek řádně upnut. Při upínání nesmí být obrobek deformován. Obráběná bude i plocha co nejblíže vřetena. Menší obrobky se obvykle upínají do běžných strojních svěráků ovládaných ručně, pneumaticky nebo hydraulicky. K upínání větších obrobků se používá rozličných upínacích pomůcek, jako upínek, opěrek, podpěr apod. [5].

- 26 -

2 Technické plyny - jako procesní medium [10]

Většina obráběcích operací se provádí při dokonalém chlazení a mazání, tj. s přívodem procesní kapaliny. Náklady na likvidaci těchto kapalin po jejich využití rostou, a tak se objevuje nová strategie, zaměřená na snižování množství procesních kapalin na výrobních linkách. Snaha vyrovnat se s touto skutečností a omezit problémy s likvidací procesních kapalin vede k uplatňování obrábění za sucha – bez chlazení. Takovéto tendence se mohou uplatnit jen tehdy, bude-li zaručeno, že obrábění bez chlazení zabezpečí stejnou jakost obrobku a stejný čas na jejich opracování jako při chlazení.

Chlazení plynem se začalo používat při obrábění pomocí slinutých karbidů a řezné keramiky. Plyn je přiváděn pod tlakem do místa řezu. Má nízký chladicí i mazací účinek. Vhodné plyny jsou CO2, N2, inertní argon nebo freon pod vysokým tlakem, pomocí kterého se odstraňují třísky a nečistoty při obrábění těžkoobrobitelných materiálů. Nevýhodou chlazení plynem jsou poměrně vysoké náklady a riziko nebezpečí při jeho používání.

2.1 Řezné podmínky

Plynné látky se jako řezná média běžně nepoužívají, protože mají relativně nízký chladicí účinek, problematický čisticí účinek a žádný mazací účinek. Některé obráběné materiály, případně nástrojové materiály se však chladí vzduchem, přiváděným pod tlakem do místa řezu.

Jedním z účinných způsobů chlazení plynem je chlazení stlačeným CO2

(tenký paprsek plynu se do místa řezu přivádí pod tlakem 0,5÷7,0 MPa), doporučováno např. pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů. Tato metoda má řadu nevýhod, k nimž patří především vysoké náklady na CO2, jisté nebezpečí při jeho používání a nutnost dokonalého odsávání a větrání pracoviště.

Zvláštním případem aplikace plynného řezného prostředí je tzv. suché obrábění, kdy řezným prostředím je atmosférický vzduch. Rozšiřování tohoto způsobu obrábění souvisí s vývojem nových řezných materiálů, které nevyžadují chlazení, a přesto jsou schopny výkonně a efektivně obrábět.

Pro možnost uplatnění obrábění za sucha v určitém výrobním případě je vždy nezbytné podrobně analyzovat všechny důsledky z toho vyplývající. Je třeba si

- 27 -

uvědomit, jaké pozitivní účinky vlastně procesní kapaliny přinášejí do řezného procesu a že je pak nutné při obrábění za sucha je více či méně nahradit nějakými jinými opatřeními.

Minimalizace množství tepla

Absence temperování obrobku procesní kapalinou při obrábění za sucha, zvláště u dokončovacích operací, při nichž je nutné zabránit tepelným deformacím obrobku tak, aby se docílily úzké tolerance rozměru a tvaru, představuje závažný problém a vyžaduje proto zvláštní opatření. Z toho důvodu musí být proces obrábění navržen tak, aby se minimalizovalo množství tepla vzniklého, ale hlavně odváděného obrobkem. Obecně vzato se celkové množství tepla a tím i teplota řezání sníží zmenšením množství měrné energie (J/mm³) vynaložené na řezný proces. Na základě poznatků z teorie obrábění se toho dosáhne např. zmenšením deformačních a třecích sil. V tomto smyslu má proto příznivý účinek používání pozitivní geometrie břitu, především úhlu čela, i když se tím do jisté míry zhorší schopnost břitu teplo odvádět. Takovéto opatření rovněž zmenšuje objem a intenzitu plastických deformací doprovázejících vznik třísky a tím opět významný zdroj tepla. Kromě toho se snižuje intenzita tření mezi třískou a čelem břitu a tím množství tepla vzniklého ze tření.

Důležitá je rovněž možnost ovlivnit rozdělení toku odváděného tepla. Při frézování je vhodné zvýšit hodnotu posuvu na zub a používat především sousledné frézování, omezující tření hřbetu břitu o plochu řezu. Pokud to dovolí tepelná odolnost řezného materiálu, sníží se množství tepla přecházející do obrobku i zvýšením řezné rychlosti. Zvětší se tak objem tepla odváděného třískami. Zvýšení řezné rychlosti rovněž způsobí nárůst deformační rychlosti a tím snížení plasticity obráběného materiálu v oblastech vzniku třísky. Tím se opět zmenší objem plastických deformací.

To platí obecně pro všechny způsoby obrábění. Chybějící ochlazování břitu procesní kapalinou musí být vykompenzováno použitím takových řezných materiálů, které si zachovávají potřebnou tvrdost a otěruvzdornost i při vyšších teplotách řezání.

Ochlazování třísek

Při obrábění za sucha je přímé ochlazování třísek okolním vzduchem (přirozeným procesním prostředím) velmi malé, proto je nutno se z hlediska zachování přesnosti obrábění zaměřit na důsledné odstraňování velmi teplých až žhavých třísek z dutiny obrobku, upínacího přípravku nebo obráběcího stroje.

- 28 - Nízký koeficient tření

Zajištění nízkého koeficientu tření mezi obrobkem (třískou, plochou řezu) a břitem i při nepoužití procesních kapalin, a tím i zmenšení objemu tepla vznikajícího ze tření, lze dosáhnout např. vhodným typem ochranné vrstvy nanesené na břit.

Chybějící antiadhezní a antidifuzní ochranné účinky procesních kapalin se při obrábění za sucha nahrazují adhezně a difuzně vhodnějšími a odolnějšími řeznými materiály nebo vrstvami.

Odplavování třísek

Chybějící čisticí účinek procesní kapaliny, tj. odplavování třísek, může způsobovat zahlcování a zalepování prostoru pro třísky zvláště u vrtáků, závitořezných a brusných nástrojů, ale i fréz. Dochází tak nejen k poškozování obrobené plochy zpevněnými třískami, ale i břitu nástroje, když se třísky dostanou mezi břit a obrobek a jsou znovu řezány. Problém lze řešit nejlépe odsáváním nebo nouzově i odfukováním třísek tlakovým vzduchem. Při odfukování však vzniká nebezpečí v zafukování kovového prachu např. do ložisek, vodicích ploch, šroubu apod. Lepšímu odstraňování třísek přispívá i změna polohy nástroje vůči obrobku, tj.

obrábění zespodu obrobku nebo lépe při vodorovné poloze vřetena frézky nebo vrtačky.

Vyšší trvanlivost břitu

Používání procesních kapalin však může mít z hlediska řezného procesu i negativní účinky, které se tak při obrábění za sucha vyloučí. Vlivem přerušovaného řezu, např. při frézování, vzniká velmi intenzivní střídavé tepelné zatěžování břitu frézy. Používáním procesních kapalin se tyto tepelné rázy ještě zesílí. V řezném materiálu tak může docházet k vytváření nejprve mikroskopických a později makroskopických trhlin přecházejících až v lomy břitu. Použitím obrábění za sucha lze proto v těchto případech dosáhnout i vyšší trvanlivosti břitu. Mimo jiné se z tohoto důvodu např. vysokorychlostní frézování provádí téměř vždy za sucha. Možnosti uplatnění obrábění za sucha a tím i specifikace požadavku na proces, jsou závislé také na konkrétní kombinaci obráběného materiálu a způsobu obrábění. Při obrábění oceli hraje samozřejmě prioritní úlohu vysoká teplota řezání, při obrábění šedé litiny a hliníku s vysokým obsahem křemíku je však hlavní abrazivní otěr břitu. U měkčích slitin hliníku způsobuje jejich obecně vysoký sklon k adhezi časté nalepování třísek

- 29 -

jak na břit, tak i na obrobek. V závislosti na způsobu obrábění a druhu obráběného materiálu se proto vyskytují zřetelné rozdíly v trvanlivosti břitu mezi obráběním s procesní kapalinou a za sucha.

U většiny materiálů se při frézování za sucha dosahují vyšší trvanlivosti břitu než při obrábění s procesní kapalinou z výše popsaných důvodů. Pouze při frézování hliníku může být trvanlivost břitu výrazně nižší vlivem vysoké adheze materiálu obrobku (třísky) na břit.

2.2 Obrábění za sucha (bez chlazení)

Obrábění za sucha - jedním z nových trendů v oblasti mazání a chlazení je eliminace řezné kapaliny. Důležitým faktorem při obrábění za sucha je teplota v místě řezu, která ovlivňuje především životnost nástroje. Je dokázáno, že snížením teploty o 25 °C se jeho životnost prodlouží až trojnásobně. Při obrábění za sucha odpadají náklady spojené s řeznou kapalinou, ale teplota v místě řezu bývá řádově o 100 °C vyšší. Náklady na aplikaci řezných kapalin se pohybují v rozmezí 7 % až 16

% výrobních nákladů vztažených na jeden obrobek, zatímco náklady na nástroje se pohybují v rozmezí 2 % až 4 %. Obrábění za sucha se používá především u soustružení při vyšších rychlostech. Při soustružení za sucha s vyšší řeznou rychlostí se teplota v místě řezu téměř shoduje s teplotou, která vznikne v místě řezu při soustružení s chlazením.

Nevýhody spojené s obráběním za sucha

 nutná úprava nástrojových materiálů, které budou schopny odolávat, teplotám od 1200 – 1300°C,

 musí se upravit geometrie nástrojů,

 musí se vyřešit odvod třísek při hlubokém vrtání.

Výhody spojené s obráběním za sucha

 lidské zdraví – snížení alergie osob, onemocnění pokožky,

 pracovní prostředí – řezné kapaliny znečišťují okolní prostředí, odpadá, skladování a likvidace použitých řezných kapalin

 ekonomické – odpadají náklady na likvidaci řezných kapalin.

- 30 -

2.3 Obrábění s využitím podchlazeného vzduchu

K tomuto účelu se vyrábí a využívá zařízení zvané vírová trubice, která použitím pouze filtrovaného stlačeného vzduchu o tlaku 5,5 - 7 bar jako zdroje energie vytvoří dva proudy vzduchu, jeden studený (až -45 °C) a jeden horký (až +120 °C) bez použití elektrické energie, freonů a pohyblivých součástí.

Efekt, na němž je vírová trubice založena byl poprvé pozorován francouzským fyzikem Georgem Ranquem kolem roku 1930. Když však předložil svoji práci francouzské vědecké společnosti, byla přijata s nedůvěrou a nezájmem a jeho článek z roku 1933 byl dlouhou dobu ignorován. Ve čtyřicátých letech se jevem začal zabývat v USA Rudolf Hilsch, který nakonec publikoval první známý článek o tomto jevu.

Obr. 11 Původní uspořádání Ranquova experimentu.

2.3.1 Princip vírové trubice

Po zapojení přívodu vzduchu je velmi rychle dosažen stacionární stav, tedy stav dynamické rovnováhy, který je možné popsat takto: Proud vzduchu je odstředivou silou držen v blízkosti stěn trubice a postupuje po spirále směrem doleva, přičemž rotuje velkou úhlovou rychlostí dosahující až desítek tisíc otáček za sekundu. Na levém konci trubice je umístěn výstupní ventil, kterým je možné regulovat množství vzduchu odcházejícího tímto koncem trubice, tzv. horkým koncem, neboť vzduch zde vystupuje silně zahřátý. Část vzduchu se však odráží zpět směrem k pravému konci, tzv. studenému konci trubice, neboť na této straně vychází vzduch silně ochlazený. Tato část proudu postupuje doprava opět za současného vířivého pohybu, prochází vírovou komůrkou a otvorem na jejím

- 31 -

opačném konci vychází z přístroje. Regulace chlazení a ohřívání, jakož i poměrné množství obou složek se provádí výstupním ventilem.

Obr. 12 Princip Ranque Hilschovi vírové trubice.

2.3.2 Cold Air Gun

Od experimentálních počinů byla dlouhá cesta k průmyslovému využití.

V současné době je k dispozici zařízení Cold Air Gun, které pracuje na principu vírové trubice.

Cold Air Gun používá filtrovaný stlačený vzduch a princip vírové trubice pro vytvoření mrazivého proudu

vzduchu pro spoustu průmyslových aplikací při bodovém chlazení. Vírová trubice převádí stlačený vzduch do studeného proudu vzduchu o teplotě až -46 °C. Cold Air Gun se používají v různých

průmyslových procesech, výrobě, montáži a balení jako universální zdroj bodového

chlazení. Obr. 13 Cold Air Gun.

Chlazení studeným vzduchem významně zvyšuje životnost nástroje (až o 50%) a produktivitu práce (až o 36%) v porovnání s obráběním na sucho. Účinné

- 32 -

chlazení pomocí Cold Air Gun eliminuje místní přehřívání součástí a tím zvyšuje rozměrové tolerance i kvalitu povrchu součástí.

Cold Air Gun má všestranné použití při frézování, vrtání, soustružení a dalších technologiích obrábění, jako například při obrábění plastů, kompozitů, dřeva a jiných materiálů. Dále lze zařízení použít ke chlazení forem, tvářených dílů, při broušení ploch, ostření vrtáků a nástrojů. Své uplatnění našla i k chlazení CNC strojů, nůžek či pásových pil. Výhodou je vysoká spolehlivost, okamžitý náběh chlazení nebo ohřívání, snadné seřízení teploty a proudu vzduchu. Má tichý a ekologický provoz, protože používá pouze filtrovaný stlačený vzduch, čímž odstraňuje problém s kontaminací výrobku a další náklady spojené s použitím chladící emulze. Mezi další přednosti lze zařadit samočistící schopnost. Vystupující proud vzduchu s nižším tlakem pomáhá čistit výrobek od třísek a nečistot. Výhodná je i možnost použití v provozech s nebezpečím výbuchu. Eliminuje spálení na hranách a deformace výrobku. Zvyšuje produktivitu výroby a prodlužuje životnost nástroje.

Obr. 14 Chlazení při frézování pomocí Cold Air Gun.

2.4 Obrábění s využitím zkapalněného oxidu uhličitého

Všechny plynné látky mají relativně malý chladící účinek. S větším efektem se dostavil způsob chlazení stlačeným CO2. Tento způsob chlazení je zvláště vhodný u těžkoobrobitelných materiálů. Tenký paprsek plynu se přivádí až do místa řezu pod tlakem 0,5 až 7 MPa. Velkým nebezpečím a nevýhodou této metody jsou vysoké náklady a nutnost dokonalého odvětrávání pracoviště.

Podstata vynikajících vlastnosti chlazení dodávaného bez ztráty tlaku je ukryta v dodávání chlazeného média o teplotě mínus sedmdesát tři stupně. Z tohoto důvodu mohou technologové navýšit řezné podmínky, jelikož první experimenty

- 33 -

ukázaly, že se životnost nástrojů zdvojnásobila. V současné době se pracuje na tříkanálovém řešení, kde bude možné chladit oxidem uhličitým, aerosolem a emulzí.

Teoreticky zde pojednáváme o zavedení nové tzv. čisté technologii. Tak čisté, že podniky nebudou prakticky produkovat žádný odpad. Oxid uhličitý se po vykonání práce odpaří do vzduchu, jako jeho přirozená součást.

Obr. 15 Chlazení břitu nástroje oxidem uhličitým.

Sněhování

Využívá proud malých ledových částeček o velikosti mikronu. Tryskající zmrzlé krystaly suchého ledu jsou vytvářeny dějem, kterému fyzikové říkají adiabatické rozpínání. Princip je velmi jednoduchý, do tenké trubičky se vede pod tlakem kapalný oxid uhličitý. Po jeho průchodu tryskou, jejíž průměr je pouhé tři desetiny milimetru se z něj stanou tryskající „sněhánky“. Ty pak mechanicky odstraňují z povrchu obráběné součástky a používaných nástrojů, všechen balastní odpad. Současně místo opracování ochlazují a co je zajímavé, a současně nejdůležitější, krystalky oxidu snižují tření. Působí stejně jako mazivo.

V laboratorních podmínkách již systém sněhování prokázal, že ve srovnání s klasickým obráběním snižuje náklady a že rovněž prodlužuje životnost obráběcích nástrojů. Sněhování dokáže bezpečně „uchladit“ sílu řezu 0,025 mm.

- 34 -

2.5 Obrábění s využitím zkapalněného dusíku

Kryogenní chlazení je současným trendem, kdy je snaha docílit velmi nízkých teplot a jeho následným kladným působením na materiál i nástroj. Americký národní institut standardů a technologií určil hranici mezi chlazením a kryogenním chlazením na 93,15 K (-180 °C). Toto rozhodnutí se jeví rozumně, protože bod varu permanentních plynů (vodík, kyslík, dusík…) se nachází pod touto hranicí oproti bodu varu běžných chladicích kapalin, které jsou nastaveny opačně. Hranice však není nastavena zcela pevně a může mít určité odchylky.

Pro kryogenní chlazení se využívá hlavně kapalného dusíku – LN2 (jeho fyzikálních vlastností), který je pro tyto případy naprosto ideální. Dusík se uchovává při teplotě okolo -196 °C, tím pádem máme umožněno použití rychlé a laciné zásoby chladu. Kapalný dusík lze po jeho zahřátí a následném odpaření využít po procesu jako plyn v prvotní jakosti (např. pro inertní atmosféru). Ke zkapalňování plynu (dusíku) slouží kryogenní expanzní turbíny.

- 35 -

3 Charakteristika stroje a měřících zařízeních

3.1 Obráběcí stroj – pásová pila na kov

Výroba vzorků byla zahájena nejprve nařezáním polotovarů s příslušnými přídavky pro obrábění na pásové pile na kov ARG 300 Plus H. F. od firmy Pilous – TMJ s.r.o. (obr. 16), která je součástí vybavení laboratoře Katedry obrábění a montáže TU v Liberci. Technické parametry jsou uvedeny v tabulce 3.

Obr. 16 Pásová pila na kov ARG 300 Plus H.F.

Tab. 3 Technické parametry ARG 300 Plus H. F.

ARG 300 PLUS H.F. Výkon motoru Rychlost posuvu pásu Rozměry [mm] Hmotnost

2,3 kW 15 – 90 m/min 1600x950x1600 570 kg

3.2 Obráběcí stroj – frézka

Obráběcí operace byly uskutečněny na frézce FNG 32 od společnosti TOS Olomouc s.r.o. (obr. 17), která je součástí strojního vybavení laboratoře Katedry obrábění a montáže TU v Liberci. Hlavní technické parametry frézky jsou uvedeny v tabulce 4.

- 36 - Tab. 4 Technické parametry FNG 32.

Obr. 17 Frézka FNG 32.

3.3 Dynamometr KISTLER

V experimentu měření řezných sil Fc, sil posuvových Ff a přísuvových sil Fp byl použit piezoelektrický dynamometr KISTLER 9265 B (Obr. 18)

Piezoelektrické dynamometry využívají pro snímání deformace piezoelektrického jevu, který je charakterizován vznikem elektrického náboje na povrchu některých krystalů při mechanickém zatížení. Mezi nejužívanější piezoelektrické materiály patří především křemen, dále potom materiály na bázi titaničitanu barnatého, Seignettovy soli a podobně. Základem piezoelektrického

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]

- 37 -

snímače pro tyto druhy dynamometrů je měřicí destička vhodně vyříznutá z příslušného krystalu. Při zatěžování je velikost náboje přímo úměrná velikosti působící síly a s poklesem zatížení se lineárně snižuje, až zcela vymizí při zatížení nulovém.

Dynamometr slouží k měření řezných sil při soustružení, broušení, frézování atd. V našem případě se jednalo o operaci frézování, kdy byl dynamometr upnut k pracovní desce frézky pomocí upínek.

Správná funkce dynamometru je podmíněna dodržením těchto podmínek:

 teplota 21°C ± 1°C,

 vlhkost vzduchu 42% ± 5%.

Měřící soustava jednotlivých složek řezné síly se skládá z dynamometru KISTLER 9265 B (obr. 18), nábojového zesilovače KISTLER (obr. 19) a osobního počítače s nainstalovaným programem LabView 6.1(obr. 20). Nejprve byla potřeba u celé soustavy provést kalibraci pro všechny tři měřené síly (Fx, Fy, Fz). Kalibrace se provádí vyvoláním silového účinku o známé velikosti a následném kontrolování zobrazených hodnot v programu LabView 6.1 [5]

Obr. 18 Dynamometr KISTLER 9265 B. Obr. 19 Nábojový zesilovač KISTLER.

Obr. 20 PC s nainstalovaným programe LabView 6.1.

- 38 -

3.4 Umělý termočlánek typu K

V našem experimentu byl používán umělý termočlánek typu K. Podstatou umělého termočlánku je přímé umístění termočlánku do místa řezu (měření teploty).

S pomocí těchto dvou cizích vodičů lze měřit teplotu v různých místech nástroje i obrobku, kromě stykových ploch břitu s třískou a plochou řezu. Nejčastěji se používá k měření teploty na břitu nástroje (obr. 21). [2]

Obr. 21 Schéma zapojení umělého termočlánku [7]

Tab. 5 Obvykle používané kombinace umělých termočlánků a jejich vlastnosti.

označení + přívod - přívod teplotní rozsah

[°C] rozsah [mV]

J Fe Cu – Ni -210°C – 1200°C -8,1 – 69,5

K Ni – Cr Ni – Al -270°C – 1372°C -6,4 – 54,9

T Cu Cu – Ni -270°C – 400°C -6,2 – 20,8

R Pt (13%) –

Rh (13%) Pt -210°C – 1200°C -0,2 – 21

G W W (26%) –

Re (26%) -50°C – 1768°C 0 – 38,5

D W (3%) –

Re (3%)

W (25%) –

Re (25%) 0°C – 2320°C 0 – 39,5 E Ni – Cr Cu – Ni 0°C – 2320°C -9,8 – 76,4

Jednotlivé upravené a izolované termočlánky byly svařovány kondenzátorovou svářečkou k obrobku (obr. 24). Bylo použito celkem 6 termočlánků, z toho každý měl svou předepsanou pozici a hloubku ve vzorku. Jako izolace od vzorku posloužilo plastové brčko.

- 39 -

Termočlánky byly ve správném pořadí a polaritě zapojeny do svorkovnic (obr. 23) a následně do sběrnice dat (obr. 22), propojené s provozní jednotkou PP65 od firmy B&R (obr. 25).

Obr. 22 Zapojení termočlánků do sběrnice. Obr. 23 Připravený vzorek.

Obr. 24 Kondenzátorová svářečka. Obr. 25 Provozní jednotka PP65.

3.5 Laboratorní profiloměr MITUTOYO

Laboratorní profiloměr MITUTOYO SV-2000 N2 je zařízení (obr. 26), které bylo použito k určení jakosti obrobené plochy. Především z hlediska parametrů Ra, Rz, Rt a také z hlediska určení nosného podílu plochy profilu. Použitým softwarem pro zpracování měřených údajů na profiloměru MITUTOYO se stal program SURFPAK 1.100, jehož výstupy mají textovou i grafickou formu. [5]

Obr. 26 Laboratorní profiloměr MITUTOYO [5].

- 40 -

3.6 Digitální třmenový mikrometr

Tab. 6 Technické specifikace.

Parametr Hodnota [mm]

Rozsah 0,25; 25 – 50

Rozlišení 0,001

3.7 Digitální posuvné měřítko

Tab. 7 Technické specifikace.

Parametr Hodnota [mm]

Rozsah 0,150 Rozlišení 0,01

3.8 Třídotekový dutinoměr

Tab. 8 Technické specifikace.

Parametr Hodnota [mm]

Rozsah 8 – 10; 10 – 12

Rozlišení 0,001

3.9 Dílenský mikroskop ZEISS

Mikroskop (obr. 27) byl použit při měření opotřebení břitových destiček. VBD byly demontovány z nástroje po jednotlivých typech chlazení při frézování. A sice po frézování bez chlazení, s chlazením pomocí vírové trubice Cold Air Gun a s použitím plynu CO2.

Mikroskop je osazen dvěma mikrometrickými šrouby s přesností na 0,01 mm ve dvou osách. Okulár je vybaven nitkovitým křížem, který slouží pro správné umístění VBD a odečtení hodnoty opotřebení.

Obr. 27 Malý nástrojový mikroskop ZEISS.

- 41 -

4 Experimentální část řešení

4.1 Příprava zkušebních vzorků pro experiment

Pro experimentální část bakalářské práce byl zvolen materiál ocel C45+N dle ČSN EN 10083-2+A1 /420932/. Toto značení odpovídá oceli 12 050.1 dle ČSN EN 10020.

Polotovarem pro výrobu vzorků byla zvolena TYČ ČTVERCOVÁ 80x80x1000 ČSN 42 5522.1. Výroba vzorků obsahovala tři fáze.

V první fázi byl polotovar rozřezán pásovou pilou na kov PILOUS ARG 300 Plus H. F. (obr. 28) v prostorách laboratoře KOM. Následně byly všechny vzorky frézovány na čistý rozměr 60x80x13 na frézce FNG 32 (obr. 29). Tím bylo zajištěno odstranění defektní vrstvy na povrchu vzorku. Poté bylo provedeno sražení hran dílenským pilníkem. Takto zhotovené vzorky byly použity k měření řezných sil na dynamometru KISTLER (3 ks).

Obr. 28 Řezání materiálu na pásové pile na kov Pilou ARG 300 Plus H. F.

Obr. 29 Frézování vzorků na frézce FNG 32.

Pro experiment měření teploty obrobku při frézování bylo nutno každý vzorek připravit pro umístění termočlánků. Proto byly ve druhé fázi přípravy

- 42 -

zhotoveny otvory v určité pozici a do určité hloubky od obrobeného povrchu. Výroba otvorů byla složena z pěti úkonů. Nejprve byl vzorek orýsován a pomocí kuželového hrotu byla vycentrována osa vřetene s osou prvního otvoru na vzorku (obr. 30), další umístění bylo odměřováno číslicovým odčítáním na stroji. Poté byl použit středící vrták pro přesné navedení dalšího nástroje a zpřesnění umístění jednotlivých otvorů (obr. 31). Dále byly otvory vytvořeny vrtákem o průměru 3,9mm a vrtány do požadované hloubky pro termočlánky T1=T4=T5=11mm, T2=10,5mm, T3=10mm (obr. 32). V důsledku vrcholového úhlu šroubovitého vrtáku (úhel 118°) byla potřeba jednotlivé otvory ještě frézovat, aby bylo docíleno jeho odstranění a rovného dna. To bylo provedeno frézou o průměru 4mm (obr. 33). Termočlánek T6 byl umístěn z druhé strany vzorku. Místo umístění bylo naznačeno mělkým navrtáním o maximální hloubce 0,5mm. Takto bylo zhotoveno 6 pozic pro všechny termočlánky na celkem 15-ti vzorcích. Viz příloha 3 a 4.

Obr. 30 Centrování vzorku a osy vřetene. Obr. 31 Navrtání vzorku pro termočl.

Obr. 32 Vrtání otvoru pro termočlánek T1. Obr. 33 Frézování dna otvoru.

Ve třetí fázi byly připraveny vzorky (2 ks) na zjištění velikosti ochlazení povrchové vrstvy a ochlazení v hloubce odebírané vrstvy ap=1,5mm. Na jednom vzorku proto bylo naznačeno mělkým navrtáním umístění termočlánků do

- 43 -

pěticípé hvězdy (T2-T6) s navrtáním ve středu hvězdy pro T1. U druhého vzorku byly vytvořeny otvory pro umístění termočlánků do pěticípé hvězdy (T2-T6) s otvorem ve středu pro T1, které dosahovaly hloubky 11,5mm (obr. 34). Postup výroby odpovídá popisu vytvoření otvorů pro termočlánky při druhé fázi.

Obr. 34 vzorky pro zjištění ochlazení.

Každý vzorek byl označen razníkem pro přehlednost a nezaměnitelnost. Tím byly všechny vzorky připraveny k měření daného experimentu.

4.2 Charakteristika použitých technických plynů

4.2.1 Okolní vzduch

Za účelem celkového porovnání byl použit při obrábění za sucha vzduch z okolí, u kterého byla naměřena teplota 21°C.

4.2.2 Podchlazený vzduch

Jako plynné médium byl použit vzduch z okolního prostředí, který byl podchlazen na teplotu -36°C (měřeno u ústí trysky). Této teploty jsme dosáhli zařízením Cold Air Gun od společností ITW Vortec, které používá filtrovaný stlačený vzduch a princip vírové trubice. Vírová trubice převádí stlačený vzduch do studeného proudu, jehož teplotu je možné regulovat polohovatelnou tryskou [5].

Umístění vírové trubice nad obrobek nejlépe vysvětlí obrázek 35.

- 44 -

Obr. 35 Schématické znázornění umístění vírové trubice vzhledem ke vzorku.

4.2.3 Oxid uhličitý CO₂

Oxid uhličitý je bezbarvý plyn bez zápachu. Při nadýchání ve větším množství působí štiplavě na sliznicích a vytváří kyselou chuť. To je způsobeno jeho rozpouštěním na vlhkých sliznicích a ve slinách za vzniku slabého roztoku kyseliny uhličité. Při ochlazení na -78 °C oxid uhličitý přechází do tuhého skupenství a vzniká bílá tuhá látka, tzv. suchý led. Kapalný muže existovat jen za tlaku vyššího než přibližně 500 kPa (5-ti násobek atmosférického tlaku). Jedná se o látku nepříliš reaktivní a nehořlavou. Je konečným stupněm oxidace uhlíku (organických látek) a výsledkem hoření za dostatečného přístupu kyslíku. Hustotou 1,98 kg.m^-3 je plynný oxid uhličitý zhruba 1,5 x těžší než vzduch [11].

Oxid uhličitý byl do místa řezu přiváděn pomocí dvou kapilár o Ø 0,8 mm.

Přesná poloha u místění kapilár je znázorněna na obrázku 36. Teplota plynu u ústí trysek byla naměřena -78°C. Měření se provádělo zkalibrovaným bezkontaktním teploměrem zapůjčeným z Českého metrologického institutu v Liberci. Strojní čas frézování jednoho vzorku byl vypočítán na 3,2 minuty (192 s). Avšak ovládací jednotka CO2 byla schopna dodávat oxid uhličitý do místa řezu maximálně po dobu 99 sekund. Z tohoto důvodu byly nastaveny dva cykly chlazení. Každý po dobu 96 sekund, mezi nimiž byla nastavena prodleva 0,5 s.

- 45 -

Obr. 36 Schématické znázornění umístění obou kapilár vzhledem ke vzorku.

4.3 Metodika experimentu

Druhy metod prováděných experimentů

 Bez chlazení

 S chlazením pomocí vírové trubice (Cold Air Gun)

 S chlazením přívodem CO2

V tabulce 9 je uvedeno značení použité při měřeních experimentů.

Tab. 9 Značení vzorků při měření.

Zkratka Označení

VZ01 [A – E] vzorky obráběné BEZ CHLAZENÍ VZ02 [A – E] vzorky obráběné s chlazením VT VZ03 [A – E] vzorky obráběné s chlazením CO2

- 46 - 4.3.1 Nastavení pracovních podmínek pro experiment

Před vlastním měřením byl nejprve připraven stroj včetně nástroje. Na nástroj, čelní tříbřitou frézu, byly připevněny břity ze slinutých karbidů od firmy Pramet Tools s.r.o. Takto připravený nástroj pneumaticky upnutý do vřetena stroje byl podroben měření čelního a radiálního házení jednotlivých břitů nástroje. Na desku stolu byl poté připevněn dynamometr s již dříve upnutým svěrákem. Chlazení dynamometru zajišťovala uzavřená cirkulace vody [5].

Chlazení obrobku podchlazeným vzduchem bylo zajištěno Vírovou trubicí, která byla připnuta pomocí přípravku k vřeteníku stroje.

Oxid uhličitý byl přiváděn do místa řezu pomocí dvou kapilár o Ø 0,8 mm vzdálených od sebe 13 mm. Ty byly připojeny k přepouštěcímu ventilu. Ventil byl rovněž připnut k vřeteníku pomocí zámečnických svorek.

Obr. 37 Upnutí přepouštěcího ventilu s kapilárami k vřeteníku.

Obr. 38 Upnutí vírové trubice k vřeteníku.

- 47 - Tab. 10 Metodika měření.

Obráběný materiál Ocel 12 050.1 (C45+N)

Rozměry vzorku 60x80x13 [mm]

Stroj Frézka FNG 32

Způsob obrábění Čelní obrábění

Nástroj

Břitová destička ADEW 120308SR

Čelní tříbřitá fréza Ø 32 mm

Řezná rychlost 150,7 [m/min]

Otáčky vřetene 1500 [ot/min]

Posuv 25 [mm/min]

Hloubka záběru 1,5 [mm]

Experiment 1 BEZ CHLAZENÍ

Experiment 2 CHLAZENÍ VÍROVOU TRUBICÍ

Experiment 3 CHLAZENÍ OXIDEM UHLIČITÝM

Měřené parametry

Řezná síla Fc

Posuvová síla Ff

Přísuvová síla Fp

Teplota obrobku Drsnost povrchu Ra, Rt, Rz

Rozměrová přesnost Opotřebení břitu

Měřící přístroje

Řezná síla – Dynamometr KISTLER Teplota obrobku – Termočlánky typu K Drsnost povrchu – Profiloměr MITUTOYO Rozměrová přesnost – Digitální třmenový mikrometr,

digitální posuvné měřítko, digitální třídotekový dutinoměr.

Opotřebení břitu – Dílenský mikroskop ZEISS

- 48 - 4.3.2 Měření řezných sil

K měření sil byl použit dynamometr KISTLER, který umožňuje měření ve směru posuvu (Ff), přísuvu (Fp) a řezné síly (Fc). Měření probíhalo při frézování drážky o šířce shodné s průměrem frézy (32 mm), a to do hloubky 1,5 mm po celé délce vzorku (80 mm). Měření bylo provedeno na pěti vzorcích pro každý plyn zvlášť.

(bez plynu, s chlazením VT a s chlazením CO2).

Jakmile se břit frézy dostal do záběru, začaly narůstat síly Fc, Ff, Fp. Po překročení hodnoty 30 N začal program LabView zaznamenávat hodnoty jednotlivých sil po dobu 2 sekund. Za tuto dobu zaznamenal program 2000 hodnot.

Vzhledem k délce obrobku (80 mm), velikosti posuvu (25 mm/min) a době měření programem LabView (2 s), bylo měření opakováno 10x během jednoho přejetí frézou. Z naměřených 10-ti úseků bylo vybráno 5 nejlépe vyhovujících, z nichž byla vyhodnocována data.

Při vyhodnocování řezných sil se postupovalo následovně. Pro každou sílu byly vybrány všechny hodnoty lokálního maxima, z nichž byla následně vytvořena pomocí statistických funkcí střední hodnota. Ta byla pro každý plyn zapsána do tabulky a vnesena do grafů.

Graf 1 Ukázka záznamu sil naměřených při frézování bez chlazení.

- 49 - 4.3.3 Měření teploty vzorku při frézování

K měření teploty bylo použito 6 umělých termočlánků typu K, které byly zapůjčeny z Katedry strojírenské technologie. Termočlánky byly ke vzorku přivařeny kondenzátorovou svářečkou, každý do jiného otvoru o různé hloubce viz kapitola 4.1 Příprava zkušebních vzorků pro experiment. Opačné konce termočlánků byly zapojeny do svorkovnic a následně do sběrnice dat propojené s provozní jednotkou PP65, která celé měření zaznamenávala na připojený flash disk, na nějž se ukládaly naměřené teploty během frézování.

Zápis dat byl spuštěn při náběhu frézy, aby byla ještě zachycena ustálená teplota vzorku (21°C ± 1°C). Měření probíhalo při frézování drážky o šířce shodné s průměrem frézy (32 mm), a to do hloubky 1,5 mm po celé délce vzorku (80 mm).

Měření bylo opakováno celkem 5x pro každý plyn (bez plynu, s chlazením VT a s chlazením CO2). Po každém měření bylo nutné počkat zhruba půl hodiny, aby vzorek vychladl na původní teplotu nebo se ohřál v případě VT a CO2. Teprve pak bylo možné měření zastavit a vzorek odepnout ze stolu frézky. Po odepnutí vzorku byly všechny termočlánky odpojeny ze sběrnice dat, svorkovnic a následně odtrhány od vzorku.

Vyfrézovaná plocha drážky byla ošetřena konzervačním olejem Konkor 101, neboť v případě chlazení pomocí CO2 podléhala velmi rychle korozi.

U měření teploty frézování byly provedeny ještě dva experimenty na zjištění velikosti podchlazování odebírané povrchové vrstvy materiálu. Teplota byla měřena na povrchu obrobku a v hloubce ap. Za tímto účelem byly vytvořeny vzorky dle přílohy 4. Na obrobek bylo aplikováno procesní médium ve stejném umístění jako při obrábění, tj. výška, úhel od obráběného materiálu a v dané vzdálenosti od obráběcího nástroje. V následující tabulce 11 jsou uvedeny časy, po které byl plyn na jednotlivé vzorky aplikován.

Tab. 11 Doba chlazení.

Ochlazování obráběné plochy

Ochlazování v hloubce obrobené plochy

Ochlazování s VT 5 minut 5 minut

Ochlazování s CO2 3 x 40 s (cyklus) 3 x 40 s (cyklus) Termočlánek (T1) byl umístěn v místě styku nástroje a obrobku. Termočlánky (T2 - T5) byly symetricky rozvrženy okolo T1 na průměru 28 mm. Pro zjištění velikosti