7
SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ ...9
ÚVOD ... 11
1. SHRNUTÍ POZNATKŮ O CHLAZENÍ PŘI OBRÁBĚNÍ, KLASIFIKACE PROCESNÍCH KAPALIN PRO OBRÁBĚNÍ, VLASTNOSTI A CHARAKTERISTIKY PROCESNÍCH KAPALIN ... 12
1.1 Shrnutí poznatků o chlazení při obrábění ... 12
1.2 Klasifikace procesních kapalin pro obrábění ... 13
1.2.1 Vodné roztoky ... 14
1.2.2 Emulzní kapaliny ... 14
1.2.3 Mastné oleje ... 15
1.2.4 Minerální oleje ... 15
1.2.5 Zušlechtěné řezné oleje ... 15
1.2.6 Syntetické a polosyntetické kapaliny ... 16
1.3 Vlastnosti a charakteristiky procesních kapalin ... 17
1.4 Přívod procesní kapaliny do místa řezu ... 20
1.5 Chlazení plynnými látkami ... 22
2. DEFINICE POJMU TRVANLIVOSTI NÁSTROJE PŘI TŘÍSKOVÉM OBRÁBĚNÍ, ANALÝZA VLIVU PROCESNÍCH KAPALIN NA TRVANLIVOST NÁSTROJE PŘI SOUSTRUŽENÍ ... 23
2.1 Trvanlivost břitu nástroje ... 23
2.1.1 Příčiny opotřebení břitů nástrojů ... 26
2.1.2 Druhy opotřebení břitů nástrojů ... 27
2.2 Analýza vlivu procesních kapalin na trvanlivost nástroje ... 29
2.3 Zkoušky trvanlivosti nástroje ... 30
2.3.1 Krátkodobé zkoušky ... 30
2.3.2 Dlouhodobé zkoušky ... 31
2.4 Nástrojové řezné materiály... 31
2.4.1 Rozdělení nástrojových materiálů ... 32
2.4.2 Slinuté karbidy ... 33
3. SHRNUTÍ POZNATKŮ O INTEGRITĚ POVRCHU PO SOUSTRUŽENÍ. DEFINICE POJMU DRSNOST POVRCHU, METODY MĚŘENÍ DRSNOSTI POVRCHU ... 34
3.1 Shrnutí poznatků o integritě povrchu po soustružení ... 34
3.2 Drsnost povrchu ... 35
3.3 Metody měření drsnosti povrchu ... 38
8
4. NAVRŽENÍ METODIKY ZKOUMÁNÍ TRVANLIVOSTI NÁSTROJE A DRSNOSTI POVRCHU PŘI SOUSTRUŽENÍ KONSTRUKČNÍ OCELI
V LABORATOŘI KOM FS TUL... 40
4.1 Popis použitých přístrojů, nástrojů a měřících zařízení ... 40
4.2 Charakteristika použitých procesních kapalin ... 44
4.2.1 Procesní kapalina PARAMO SK 220 ... 44
4.2.2 Procesní kapalina PARAMO LACTIC ... 45
4.2.3 Procesní kapalina PARAMO EOPS 1030 ... 46
4.2.4 Procesní kapalina PARAMO EOPS 2040 ... 46
4.2.5 Procesní kapalina PARAMO ERO-SB ... 47
4.2.6 Procesní kapalina PARAMO ERO-SB plus ... 48
4.3 Charakteristika použitého materiálu pro obrábění... 48
4.4 Metodika zkoumání trvanlivosti nástroje při soustružení konstrukční oceli na CNC soustruhu Chevalier FCL – 2140 ... 49
4.4.1 Příprava měření ... 49
4.4.2 Postup měření trvanlivosti nástroje ... 52
4.5 Metodika zkoumání drsnosti povrchu při soustružení konstrukční oceli na univerzálním soustruhu SU-50 ... 55
4.5.1 Příprava měření ... 55
4.5.2 Postup měření drsnosti obrobené plochy ... 55
5. POROVNÁNÍ JEDNOTLIVÝCH PROCESNÍCH KAPALIN V LABORATOŘI KOM FS TUL ... 57
5.1 Porovnání jednotlivých procesních kapalin z hlediska jejich vlivu na trvanlivost nástroje při soustružení ... 57
5.2 Porovnání jednotlivých procesních kapalin z hlediska jejich vlivu na kvalitu povrchu při soustružení ... 62
6. ANALÝZA LABORATORNÍCH VÝSLEDKŮ; VYVOZENÍ ZÁVĚRŮ ... 65
Seznam použité literatury:... 67
9
SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ
KOM [-] katedra obrábění a montáže TUL [-] Technická univerzita v Liberci
ČSN [-] česká technická norma (česká soustava norem) pH [-] záporný logaritmus koncentrace vodíkových iontů H2O [-] chemická zkratka pro vodu
CO2 [-] chemická zkratka pro oxid uhličitý VB [mm] velikost opotřebení hřbetu nástroje T [min] trvanlivost nástroje
v [m/min] řezná rychlost a [mm] hloubka záběru f [mm/ot] rychlost posuvu
I [µm/min] intenzita opotřebení nástroje HSS [-] rychlořezná ocel (high speed steel) SK [-] slinutý karbid
CBN [-] kubický nitrid bóru PCD [-] polykristalický diamant S-N-O [-] soustava stroj-nástroj-obrobek Ra [µm] střední aritmetická úchylka profilu
Rz [µm] výška nerovnosti profilu určená z 10 bodů VBD [-] vyměnitelná břitová destička
CNC [-] počítačem číslicově řízený (Computer Numeric Control) Re [MPa] mez napětí v kluzu
Rm [MPa] mez pevnosti v tahu
10 HRC [-] tvrdost podle Rocwella HB [-] tvrdost podle Brinella L [mm] obráběná délka obrobku D [mm] průměr obrobku
Ctp50 [µm] hloubka, ve které je podíl materiálu a vzduchu 1:1 S [-] chemická zkratka síry
Cl [-] chemická zkratka chlóru P [-] chemická zkratka fosforu
MQL [-] chlazení řeznou mlhou (Minimal Quantity Lubrication)
11 ÚVOD
V současné době existuje na trhu široká škála procesních kapalin pro obrábění. Jednou z důležitých vlastností procesních kapalin je jejich vliv na trvanlivost nástroje a kvalitu povrchu při obrábění. Každá procesní kapalina má různé účinky na výše uvedené parametry. Volbou vhodné kapaliny tak lze docílit lepší jakosti povrchu a vyšší životnosti nástroje, čímž dojde ke snížení nákladů na výrobu.
Cílem této bakalářské práce je navržení metodiky pro měření a analýzu vlivu procesních kapalin na trvanlivost nástroje a drsnost povrchu při soustružení pro firmu PARAMO, a.s. ve spolupráci s katedrou obrábění a montáže TUL. Dále tato práce shrnuje teoretické poznatky o chlazení při obrábění včetně rozdělení a vlastností procesních kapalin, popisuje pojem trvanlivost nástroje a vznik opotřebení nástroje při třískovém obrábění a v neposlední řadě shrnuje poznatky o integritě povrchu po soustružení.
V laboratořích katedry obrábění a montáže Technické univerzity v Liberci byla provedena výzkumná práce vlivu procesních kapalin na trvanlivost nástroje a kvalitu povrchu při soustružení konstrukční oceli ČSN 14 220. Jako řezný nástroj byla zvolena břitová destička TPUN 160304 H10. Bylo odzkoušeno 6 procesních kapalin, které nám poskytla firma PARAMO, a.s.
Výsledkem této práce bylo určení procesní kapaliny, která měla nejlepší vliv na trvanlivost nástroje při soustružení a určení procesní kapaliny s nejlepším vlivem na kvalitu povrchu. Dále byla nalezena procesní kapalina, která měla nejlepší výsledný vliv pro oba měřené parametry.
12
1. SHRNUTÍ POZNATKŮ O CHLAZENÍ PŘI OBRÁBĚNÍ, KLASIFIKACE PROCESNÍCH KAPALIN PRO OBRÁBĚNÍ, VLASTNOSTI A
CHARAKTERISTIKY PROCESNÍCH KAPALIN
1.1 Shrnutí poznatků o chlazení při obrábění
Hlavním úkolem procesních kapalin používaných při opracování kovových materiálů formou třískového obrábění je odvádění tepla z místa řezu, snižování třecího odporu a odplavování třísky. Procesní kapaliny výrazným způsobem napomáhají ke zvýšení trvanlivosti nástrojů a ke zlepšení jakosti obráběného povrchu.
Chladící účinky procesních kapaliny mají značný význam, neboť převážná část příkonu obráběcího stroje se při obrábění přemění na teplo. To je odváděno převážně procesní kapalinou a třískami (až 85%), v menší míře obrobkem (do cca 15%) a nástrojem (cca 5 – 10%). Velikost vzniklého tepla při obrábění se obecně zvyšuje s rostoucí houževnatostí obráběného materiálu, řeznou rychlostí a řezným výkonem. Chladící účinek závisí na řadě faktorů, především na množství procesní kapaliny přiváděné k řeznému nástroji, na rychlosti proudění, na tvaru a směru proudu procesní kapaliny vzhledem k místu řezu, na viskozitě, měrném teple a součiniteli tepelné vodivosti procesní kapaliny.
Největší chladící a vyplachovací účinek mají chladící a mazací látky mísitelné s vodou. Podle stanovených podmínek při obrábění je kladen větší důraz buď na mazání, nebo na chlazení. Obecně platí, že mazání je v popředí u velkých průřezů třísek a nízkých řezných rychlostí a rovněž u prací, kde jsou vysoké požadavky na jakost povrchu. Vydatný odvod tepla je nezbytný především při vysokých řezných rychlostech a vysokých požadavcích na rozměrovou přesnost obrobků. [6]
13
1.2 Klasifikace procesních kapalin pro obrábění
Obecně se procesní kapaliny dělí do dvou následujících skupin:
· Chladicí kapaliny – vodou mísitelné procesní kapaliny
· Řezné oleje – vodou nemísitelné procesní kapaliny
Procesní kapaliny s převažujícím chladícím účinkem jsou založeny na vodní bázi, kdežto procesní kapaliny s převažujícím mazacím účinkem jsou na bázi oleje.
V dnešní době se však projevuje snaha zvyšovat mazací účinek i u procesních kapalin s převažujícím chladícím účinkem a tak se zmenšují rozdíly mezi oběma skupinami.
Proto lze procesní kapaliny dále rozdělit do těchto skupin:
· Vodné roztoky
· Emulzní kapaliny
· Mastné oleje
· Minerální oleje
· Zušlechtěné řezné oleje
· Syntetické a polosyntetické kapaliny
Rozdělení procesního prostředí
Skupina Podskupina 1 Podskupina 2
Plynné prostředí
Vzduch
Inertní plyn
Mlha
Kapalné prostředí
Minerální
Vodou mísitelné Polosyntetické (chladicí kapaliny) Syntetické
Speciální
Rostlinné
Vodou nemísitelné Minerální (řezné oleje) Syntetické
Koncentráty vysokotlakých přísad
Tuhá maziva
Tab. 1 Obecné rozdělení typů procesního prostředí
14 1.2.1 Vodné roztoky
Jsou to nejjednodušší řezné kapaliny, které však nejsou moc výhodné pro použití. Jejich základem je voda, která vyžaduje řadu úprav jako je její změkčování, přidávání přísad proti korozi, pro zlepšení smáčivosti a proti pěnivosti. Vodný roztok musí být vždy alkalický.
U vodných roztoků hrozí, že dojde k rozmnožování anaerobních bakterií, které způsobují tvorbu kalů a nepříjemný zápach.
1.2.2 Emulzní kapaliny
Emulze jsou disperzní soustavy jemných kapek oleje ve vodě, jejichž stabilita je zajištěna přítomností emulgátoru a koemulgátoru (viz obr. 1). Další složky obráběcích kapalin mísitelných s vodou jsou inhibitory koroze, biocidy a fungicidy, odpěňovač, EP a AW přísady, eventuálně aditiva potřebná k vylepšení vlastností a funkčnosti při procesu obrábění. [7]
Obr. 1 Obecné složení olejové emulze [20]
Emulgátory snižují mezipovrchové napětí emulgovaných kapalin, stabilizuje emulzi a zabraňuje koagulaci jemně rozptýlených částic oleje ve vodě. Chladící i mazací účinek procesní kapaliny závisí na koncentraci emulze, přičemž s rostoucí koncentrací chladící účinek klesá. Schopnost antikorozní ochrany je závislá na pH emulze, avšak v daleko menší míře než u vodných roztoků. Má-li emulze pH vyšší
15
než 7, jedná se o alkalický roztok, přičemž pH = 8 až 9 zajišťuje již dostatečnou ochranu proti korozi slitin železa.
Emulgační prostředky musí splňovat požadavky především na jakost a spolehlivost účinku při vysokých tlacích. Provozní vlastnosti emulzních kapalin jsou závislé především na jejich přípravě. [19]
1.2.3 Mastné oleje
Mastné oleje a tuky jsou látky živočišného a rostlinného původu a vykazují v podstatě stejné vlastnosti jako minerální oleje. Mají však nižší povrchové napětí a díky tomu i lepší smáčivost, což napomáhá k účinnějšímu odvodu tepla z chlazeného místa.
Velká nevýhoda těchto mastných olejů je značný sklon ke stárnutí, který se projevuje zvyšováním jejich kyselosti a tvořením pryskyřičných látek. Jako mastné oleje se nejčastěji používá řepkový olej, ricinový alej a lněný olej.
1.2.4 Minerální oleje
Jedná se o výrobky z ropy s dobrými mazacími účinky, ale horším chladícím účinkem. Mají však dobrý ochranný účinek a dobrou odolnost proti stárnutí.
Minerální oleje mají velmi dobré provozní vlastnosti, a proto se využívají jako základ pro řezné oleje.
1.2.5 Zušlechtěné řezné oleje
Jsou to zušlechtěné minerální oleje pomocí přísad, které zvyšují tlakovou únosnost procesní kapaliny a také zlepšují mazací vlastnosti.
Přísady zlepšující mazací schopnost řezných olejů jsou tyto:
· Mastné látky
· Organické látky
· Pevná maziva
Mezi mastné látky patří především zmýdelnitelné mastné oleje, mastné kapaliny, nebo syntetické estery. Tyto přísady kladně ovlivňují přilnavost oleje k povrchu kovu a zlepšují i mazací schopnosti, které však mají nižší účinky při extrémních tlacích.
16
Organické látky obsahují organické sloučeniny určitých prvků, jako je např.
síra, chlor, nebo fosfor. Díky těmto přísadám dochází na povrchu obrobku k vytváření vrstvičky kovových mýdel, která zabraňují kovovým svarům a usnadňují kluzný pohyb při obrábění i za působení vysokých tlaků. Sloučeniny s chlorem mají schopnost snižovat tření, avšak jeho účinnost klesá při teplotách nad 400°C, proto se ke zvýšení účinnosti přidává ještě fosfor. Jako vůbec nejúčinnější se ukázala být kombinace všech hlavních přísadových prvků S, Cl a P. Je důležité brát ohledy na výběr přísad, aby nebyly korozivní a zdravotně závadné.
Pevná maziva jsou používána jako přísady do řezných olejů a při řezání působí navíc mechanickým účinkem. Svou afinitou ke kovu vytvářejí mezní vrstvu odolnou proti tlakům a zlepšují mazací schopnosti oleje. Pevná maziva jsou zastoupena především grafitem a sirníkem molybdenu. Nevýhodou u těchto přísad je jejich nerozpustnost v kapalinách a proto se musí udržovat v rozptýleném stavu. [2]
1.2.6 Syntetické a polosyntetické kapaliny
Vyznačují se velkou provozní stálostí, ale mají horší mazací a chladící účinky než v případě minerálních olejů. Procesní kapaliny tohoto typu jsou většinou rozpustné ve vodě a mají poměrně dobrý chladící a mazací účinek, stejně jako účinek ochranný.
Syntetické procesní kapaliny neobsahují minerální oleje, ale jsou složeny z rozpouštědel – glykolů, které ve vodě emulgují, nebo se rozpustí. Glykoly jsou průsvitné, takže umožňují sledovat průběh obráběcího procesu. Aplikace syntetických procesních kapalin má na rozdíl od kapalin na bázi oleje ekonomické výhody a navíc zajišťuje rychlé odvádění tepla, dobrý čistící účinek a jednoduchou přípravu.
V syntetických procesních kapalinách je navíc možné rozptýlit oleje, čímž vznikají polosyntetické procesní kapaliny, které mají lepší mazací schopnosti.
V polosyntetických kapalinách jsou olejové částice mnohem menší než v emulzích.
17
1.3 Vlastnosti a charakteristiky procesních kapalin v Chladící účinek
v Mazací účinek v Čistící účinek v Ochranný účinek v Provozní stálost v Zdravotní nezávadnost v Přiměřené náklady
Obr. 2 Obecné doporučení pro výběr charakteru procesní kapaliny [7]
Chladící účinek
Chladící účinek je schopnost procesní kapaliny odvádět teplo z místa řezu.
Této schopnosti dosahuje každá kapalina, která smáčí povrch obráběného kovu v případě, že existuje tepelný spád mezi povrchem a kapalinou.
Chladící účinek procesních kapalin závisí na jejich smáčecí schopnosti, na výparném teple, na rychlosti vypařování za určitých teplot, na tepelné vodivosti a na měrném teple. Čím větší budou tyto veličiny, tím větší bude i chladící účinek
Procesní kapaliny Procesní kapaliny
Zvýšený požadavek na chladící účinek
broušení - bezhroté - na plocho - na kulato řezání pilou - rámovou
- pásovou soustružení
hoblování a obrážení frézování
vrtání vyvrtávání vystružování obrážení ozubení frézování ozubení tvarové broušení hluboké vrtání
řezání závitů - vnějších - vnitřních protahování - vnější
- vnitřní
Zvýšený požadavek na mazací účinek
18
procesní kapaliny. Dalším faktorem ovlivňujícím chladící účinek je rovněž průtokové množství, které lze na jednotlivých strojích a obráběcích centrech libovolně redukovat tak, aby bylo dosaženo optimálních podmínek řezného procesu.
Nežádoucí vlastností vznikající při chlazení je nadměrné odpařování procesní kapaliny. Z hlediska čistoty a zdraví je nutné vznikající páry odsávat. [2]
Procesních kapalin s chladícím účinkem se využívá převážně při operacích s vysokými řeznými rychlostmi, tj. tam, kde se dosahuje vysokých teplot při řezání.
Typickým představitelem procesních kapalin s převažujícím chladícím účinkem jsou
„emulzní kapaliny“.
Mazací účinek
Mazací účinek je schopnost procesní kapaliny vytvořit na povrchu obrobku a nástroje tenkou vrstvu (film), která brání přímému styku kovových povrchů a snižuje tření, ke kterému dochází mezi nástrojem a obrobkem. Díky nižšímu tření dochází ke zmenšení řezných sil, snížení spotřeby energie, zlepšení jakosti obrobeného povrchu a v neposlední řadě ke zmenšení oblasti primární plastické deformace v místě řezu.
Mazací účinek procesních kapalin je závislý také na jejich viskozitě a na pevnosti vytvořené mezní vrstvy. Vyšší viskozita zhoršuje pronikání kapaliny mezi třecí plochy, její proudění, a také odvod tepla. Zároveň dochází ke zvýšenému ulpívání kapaliny na třískách a tím dochází ke značným ztrátám. Pevnost mazací vrstvy se zvyšuje přísadami povrchově aktivních látek, což usnadňuje vlastní proces řezání. Procesních kapalin s převažujícím mazacím účinkem se využívá především při nižších řezných rychlostech. Typickým představitelem procesních kapalin s převažujícím mazacím účinkem jsou nemísitelné procesní kapaliny neboli „řezné oleje“. [19]
Čistící účinek
Proudění procesní kapaliny významně napomáhá k odstranění třísky vzniklé při obrábění jak z místa řezu, tak z ostatních pracovních ploch. Odstraněné třísky a jiné nečistoty jsou odnášeny spolu s kapalinou do sběrných nádrží, kde se od procesní kapaliny oddělí pomocí čistících a filtračních zařízení. Je důležité, aby byla procesní kapalina před navrácením do oběhu řádně pročištěna. Při průniku nečistot do místa řezu by mohlo dojít i ke zhoršení jakosti povrchu. [2]
19 Ochranný účinek
Při samotném obrábění i mimo něj je nutné ochraňovat obrobky a stroj před účinky koroze. Aby nebylo nutné výrobky mezi operacemi konzervovat, je proto kladen důraz na ochranný účinek procesních kapalin. Toho se docílí přidáním přísad, které pasivují kovy proti nežádoucím účinkům. [2]
Dalším důležitým požadavkem na ochranu je to, aby procesní kapaliny nerozpouštěly nátěry stroje a nebyly agresivní vůči gumovým a silikonovým těsněním či tmelům.
Provozní stálost
Provozní stálost procesní kapaliny je dána dobou její výměny. Dlouhodobé užívání procesní kapaliny je podmíněno jejími stálými vlastnostmi, které se po dobu užívání nesmějí měnit. Stárnutí procesní kapaliny zhoršuje její výše uvedené funkční vlastnosti, čímž dochází ke snížení kvality obrobeného povrchu, trvanlivosti nástroje a v krajním případě může dojít i k poruše chladícího okruhu stroje.
Zdravotní nezávadnost
Vychází se ze skutečnosti, že při práci na obráběcích strojích přichází jeho obsluha do styku s procesní kapalinou. Z tohoto důvodu nesmí být procesní kapalina zdraví škodlivá a nesmí obsahovat jedovaté látky a látky dráždící sliznici a pokožku.
Zároveň je nutné dbát na to, aby byla při provozu zajištěna základní hygienická opatření.
Přiměřené náklady
Přiměřené náklady jsou úzce svázány se spotřebou procesní kapaliny. Při rozboru nákladů na procesní kapaliny je důležité nejprve porovnat jejich vliv na proces obrábění. Dále je důležité zhodnotit procesní kapaliny s ohledem na jejich stálost, spotřebu a výměnu, nebo také zvážit i náklady na její likvidaci.
Teprve podrobný technickoekonomický rozbor pomůže rozhodnout o vhodnosti použití určitého druhu procesní kapaliny. Vždy bude nutné řešit případ od případu otázky výběru řezné kapaliny, její koncentraci a způsobu přívodu, aby byly splněny požadavky hospodárnosti obrábění. [19]
20 1.4 Přívod procesní kapaliny do místa řezu
Parametry řezného procesu jsou do značné míry ovlivněny právě způsobem přívodu vlastní procesní kapaliny do místa řezu. Mezi tyto důležité parametry patří zejména trvanlivost břitu nástroje a jakost obrobené plochy.
V praxi jsou rozlišovány tyto základních způsoby chlazení a přívodu procesní kapaliny do místa řezu:
· Standartní chlazení
· Tlakové chlazení
· Podchlazování procesních kapalin
· Chlazení procesní mlhou
· Vnitřní chlazení Standartní chlazení
Jedná se o běžný způsob přívodu procesní kapaliny bez nutnosti jakýchkoliv úprav přívodního potrubí, zcela postačuje standartní chladící zařízení obráběcího stroje. Toto zařízení sestává ze sběrných nádrží na procesní kapalinu, čerpadla a rozvodového potrubí. Množství protékané kapaliny je dáno výkonem a typem čerpadla a škrcením průtoku výstupním kohoutem.
Tlakové chlazení
U tlakového chlazení je procesní kapalina přiváděna ze spodu na břit nástroje přímo do místa řezu pod vysokým tlakem, čímž se zvyšuje její účinnost. Nevýhodou však je, že vlivem vysokého proudění se procesní kapalina rozstřikuje a tvoří mlhu, proto musí být pracovní prostor během řezného procesu uzavřen, aby nedošlo k jejímu úniku do okolí a ke znečištění pracovního prostředí. Průměr výstupní trysky se pohybuje mezi 0,3 až 1,0 mm a tlak mezi 0,3 až 3,0 MPa. Množství přiváděné kapaliny se pohybuje v rozmezí 0,5 až 2,0 litrů za minutu. [19]
Tento způsob chlazení se používá tam, kde má vzniklé teplo prokazatelný nepříznivý vliv na trvanlivost nástroje.
21 Vnitřní chlazení
U vnitřního chlazení je procesní kapalina vedena tělem nástroje (viz obr. 3).
To umožňuje výrazné zvýšení výkonu obrábění a řezných rychlostí tam, kde není možné zajistit dostatečný přísun procesních kapalin pomocí standartního chladícího zařízení stroje. Tato metoda nalézá uplatnění především u vnitřního soustružení či u vrtání.
Obr. 3 Vedení procesní kapaliny tělem nástroje
Nevýhodou je nutnost pořízení speciálních nástrojů či nožových držáků, které mají z důvodu složité výroby velmi vysokou pořizovací cenu.
Podchlazování procesních kapalin
Ke zvýšení trvanlivosti nástrojů přispívá také podchlazování procesní kapaliny na teplotu nižší, než je teplota okolního prostředí. Běžné procesní kapaliny jsou podchlazovány na teplotu 5 až 7 °C, oleje pak na 15 až 20 °C, přičemž zůstávají zachovány jejich mazací vlastnosti. Při podchlazování na nižší teploty hrozí nestálost kapaliny a houstnutí řezných olejů. Proto je potřeba používat procesní kapaliny speciálního složení.
22 Chlazení řeznou mlhou (MQL)
Procesní kapalina je v tomto případě rozptýlena tlakem vzduchu proudícího z trysky až 300 m.s-1 a nasměrována na řeznou část nástroje před jeho najetím do řezu. Rozpínající se vzduch v sobě obsahuje částečky procesní kapaliny a má tak větší schopnost přejímat teplo a odvádět ho z místa řezu. [2]
1.5 Chlazení plynnými látkami
Plynné látky se běžně jako procesní média nepoužívají, protože mají poměrně nízký chladící a čistící účinek a hlavně žádný mazací účinek. Avšak některé obráběné materiály, případně nástrojové materiály se chladí vzduchem, který se přivádí do místa řezu pod tlakem.
Obr. 4 Chlazení stlačeným CO2
Jedním z účinných způsobů chlazení plynem je chlazení stlačeným CO2 (viz obr. 4), kdy se tenký paprsek plynu přivádí do místa řezu pod tlakem 05 až 7,0 MPa.
Tento způsob ochlazování se doporučuje např. pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů. Chlazení plynnými látkami s sebou však nese řadu nevýhod, ať už se jedná o výše zmíněné nižší účinky procesního média, tak například vysoké náklady na pořízení CO2, zvýšené nebezpečí při jeho používání či nutnost dokonalého odsávání a větrání pracoviště. Zvláštní případ aplikování plynného procesního prostředí je tzv. suché obrábění, kde je plynným prostředím atmosférický vzduch. [2]
23
2. DEFINICE POJMU TRVANLIVOSTI NÁSTROJE PŘI TŘÍSKOVÉM OBRÁBĚNÍ, ANALÝZA VLIVU PROCESNÍCH KAPALIN NA
TRVANLIVOST NÁSTROJE PŘI SOUSTRUŽENÍ
2.1 Trvanlivost břitu nástroje
Trvanlivost břitu nástroje je dána jeho schopností plnit stanovené úkoly během řezného procesu. Jakmile již není zaručena spolehlivá funkce břitu, dochází ke konci trvanlivosti. To se pak projevuje i na jakosti obrobené plochy, přesnosti rozměrů obrobku a na schopnosti zaručit kontrolovatelný odchod třísky. Trvanlivost končí v nejkrajnějším případě i lomem břitu. Nejčastějším kritériem pro posuzování otupení nástroje je vznik hřbetní plošky VB, která mívá hodnoty 0,2 mm až 0,8 mm.
Průběh opotřebení hřbetní plochy v závislosti na čase (viz obr. 5):
I. vlivem nerovností stykových ploch probíhá otupení břitu nástroje ze začátku velmi rychle, což je typická vlastnost u právě naostřených nástrojů
II. stykové plochy jsou vyhlazené, otupování je rovnoměrnější a pomalejší, nástroj drží míru
III. při dosažení meze otupení se intenzita otupení zvětšuje a končí lavinovitým otěrem během krátké doby, což má za následek poškození nástroje a okamžité ukončení jeho trvanlivosti
Obr. 5 Průběh opotřebení hřbetní plochy v závislosti na čase
24
V dnešní době je důležité, aby byla možnost stanovit trvanlivost a spolehlivost břitu, protože velká část obrábění probíhá v uzavřených automatizovaných centrech bez dohledu obsluhy. Na konci trvanlivosti se břit musí vyměnit dříve, než dojde ke vzniku zmetků způsobených lomem břitu. Konec trvanlivosti se tedy vztahuje na opotřebení břitu ještě před jeho lomem. [1]
Trvanlivost břitu nástroje závisí na více faktorech, mezi které patří:
· druh obráběného materiálu
· druh a složení řezného materiálu (břitu)
· řezné podmínky (řezná rychlost, posuv, hloubka záběru)
· použité procesní prostředí a způsob chlazení
· geometrie, tvar a rozměry nástroje
· způsob namáhání nástroje (plynulost řezu, cyklické namáhání atd.)
· tuhost soustavy SNOP (stroj, nástroj, obrobek, přípravek)
Taylorův vztah – vyjadřuje závislost trvanlivosti nástroje na řezných podmínkách při obrábění
CT … konstanta závisející na materiálu obrobku
X, Y … exponenty
m … koeficient závisející na materiálu
1,3 – 3 => řezná keramika
2,6 – 6 => SK
4 – 2 => RO
Životnost nástroje – jedná se o dobu práce nástroje, dokud nedojde k jeho úplnému vyřazení z provozu
Ž = (n + 1)* T n … počet přeostření
T … trvanlivost břitu nástroje Jako kritérium je vhodné použít hodnotu optimální, kde T je max. [18]
X YT p m c
T
f a v T C
×
= ×
25
Z řezných podmínek má velmi výrazný vliv na trvanlivost právě řezná rychlost. Zvýšíme-li řeznou rychlost, začne trvanlivost nástroje klesat a mezní velikosti opotřebení budou dosahovány v kratších časech. Vynesením těchto hodnot získáme křivku (viz obr. 6), která je dána vztahem:
Obr. 6 Závislost trvanlivosti nástroje na řezné rychlosti
Známe-li hodnotu trvanlivosti T1 odpovídající řezné rychlosti v1 můžeme spočítat hodnotu trvanlivosti T2 při změřené rychlosti v2.[18]
Obr. 7 Závislost opotřebení nástroje na čase při různých řezných rychlostech [18]
m m
m m m
TV
T v T v T v T v T v
C = × =
1×
1=
2×
2=
3×
3=
4×
4m
v v T
T ÷÷ ø çç ö è
= æ Þ
1 2 2
1
26 2.1.1 Příčiny opotřebení břitů nástrojů
Aby bylo možné pochopit a do jisté míry ovlivňovat trvanlivost nástroje, je potřeba znát příčiny opotřebení břitu nástroje. Opotřebení břitů nástrojů je produktem kombinace zatěžujících faktorů působících na břit. Mezi nejdůležitější faktory patří:
· mechanický
· tepelný
· chemický
· abrazivní
Působením těchto zatěžujících faktorů, které je možno pozorovat při procesu obrábění, vznikají následující základní mechanismy opotřebení:
· abrazivní opotřebení
· difúzní opotřebení
· oxidační opotřebení
· lom (statický nebo dynamický)
· adhezní opotřebení
Abrazivní opotřebení je velmi rozšířenou formou opotřebení vznikající především působením tvrdých částic v materiálu obrobku, které se dostávají mezi povrch obrobku a nástroje. Odolnost břitu proti abrazivnímu opotřebení je závislá především na jeho tvrdosti.
Vznik difúzního opotřebení je dán působením chemických vlivů při procesu obrábění. Záleží tedy na chemickém složení obráběného materiálu a materiálu nástroje. Afinita mezi slinutým karbidem a ocelí má za následek pokračující difúzní opotřebení, jehož důsledkem je vznik žlábku na čele břitu břitové destičky. Jelikož je tento druh opotřebení závislý na teplotě, vytvoří se při vysokých řezných rychlostech největší žlábek.
Vysoká teplota v kombinaci s okolním vzduchem mají za následek oxidaci většiny kovů používaných při obrábění. Především v místě, kde dochází k přerušení kontaktu břitu s odváděnou třískou, má vzduch přístup do řezného procesu. V tomto případě vznikají působením oxidace typické žlábky, které jsou však v současné době ve výrobním procesu relativně vzácné.
27
K lomu dochází v důsledku termomechanických příčin výrobního procesu.
Vlivem nestálé teploty při obrábění a působením vysokých řezných sil může dojít k vydrolování a k lomu řezného nástroje. Příčinou vytvoření lomu může být i vysoká tvrdost obráběného materiálu, nebo naopak vysoká tvrdost a křehkost řezného nástroje.
Adhezní opotřebení se vyskytuje převážně při nízkých teplotách obrábění na čele břitu nástroje. U tohoto jevu dochází k vytváření nárůstku mezi třískou a břitem, přičemž se jedná o dynamický průběh s narůstajícím počtem vrstev, které jsou z třísky navařovány a vytvrzovány a stávají se tak součástí břitu.[1]
2.1.2 Druhy opotřebení břitů nástrojů
opotřebení hřbetu břitu opotřebení ve tvaru žlábku na čele břitu
plastická deformace břitu opotřebení ve tvaru vrubu na hřbetě břitu
hřebenovité trhliny na ostří únavový lom
vydrolování ostří tvorba nárůstku
Tab. 2 Druhy opotřebení břitů nástrojů
28
Opotřebení hřbetu břitu patří mezi abrazivní formy opotřebení, které se projevuje úbytkem materiálu na hřbetní ploše břitu. Plocha hřbetu u hlavního a vedlejšího ostří, poloměru špičky nebo na čelní fasetce je v průběhu řezného procesu vystavena silnému působení materiálu obrobku. Následné příliš vysoké opotřebení negativně ovlivňuje jakost obrobeného povrchu, přesnost rozměrů. Dále dochází ke zvýšení vibrací, řezných sil a nárůstu tření, které vzniká změnou geometrie břitu.
Opotřebení ve tvaru žlábku na čele břitu vzniká působením mechanismů difúzního a abrazního opotřebení. Vznik žlábku je způsoben částečně úběrem řezného nástrojového materiálu, ale hlavně pak difúzí v kontaktním místě mezi třískou a materiálem břitu, kde působí nejvyšší teploty. Mimořádně velké opotřebení v podobě žlábku může změnit geometrii břitu a ovlivnit tak tvar třísky, změnit směr působení řezných sil a zeslabit břit.
Plastická deformace břitu vzniká působením kombinace vysokých teplot a řezných tlaků na břitu. Ty jsou zapříčiněny především vyšší tvrdostí obráběného materiálu a vysokými řeznými rychlostmi a posuvy. Typická deformace (vyboulení) břitu ještě více zvyšuje teploty a tím dochází ke změně geometrie břitu, projevují se změny v odchodu třísek a tím se může velmi rychle dosáhnout kritického stádia.
Použitím správného zaoblení a geometrie břitu lze toto opotřebení snížit.
Opotřebení ve tvaru vrubu na hřbetě břitu se projevuje jak na hlavním, tak na vedlejším hřbetě břitu. U hlavního hřbetu břitu se jedná o typické adhezní opotřebení, může však souviset i s jevem oxidačního opotřebení. Vruby vznikají v místě kontaktu břitu s bokem třísky, kde vzduch proniká do oblasti obrábění. U vedlejšího hřbetu břitu jsou příčinou vzniku opotřebení mechanické příčiny, jejichž původci jsou tvrdé částice materiálu obrobku. Příliš vysoké opotřebení ve tvaru vrubu ovlivňuje utváření třísky, což může vést až k lomu břitové destičky.
Hřebenovité trhliny na ostří jsou formou únavového opotřebení, které vzniká teplotními šoky. Trhliny se tvoří kolmo na ostří, přičemž se můžou jednotlivé částice nástrojového materiálu vylamovat a způsobit tím lom břitu. K tomuto opotřebení dochází především u frézování, kde má negativní vliv na rozdíl teplot především změna tloušťky třísky při obrábění, nebo používání procesních kapalin.
29
Únavový lom je zapříčiněn příliš velkými změnami řezných sil při obrábění.
Působení jednotlivých zatížení nástroje během obrábění není samo o sobě natolik velké, aby došlo k lomu. Ovšem součtem těchto různých zatížení, které se neustále mění, se riziko lomu zvyšuje. Způsob vřezávání nástroje do materiálu obrobku a změna velikosti a směru působení řezné síly mohou být pro pevnost a houževnatost vyměnitelné břitové destičky příliš náročné.
Vydrolování ostří vzniká nejčastěji při přerušovaných řezech, kdy se břit nestejnoměrně vydroluje. Toto opotřebení je způsobeno špičkami zatížení a vede k tomu, že drobné částečky řezného nástrojového materiálu se začnou oddělovat z povrchu břitu. Odlupování materiálu a trhliny, které na ostří vzniknou, jsou předzvěstí možného lomu břitu.
Lom břitu nástroje je druhem opotřebení, při kterém je okamžitě ukončena jeho trvanlivost. Totální lom je často velmi nebezpečný a je nutné mu předcházet, aby nedošlo k velkým škodám. Křehký lom může být způsoben různými faktory, často je na vině málo houževnatý materiál břitu nástroje.
Tvorba nárůstku je v dnešní době velmi vzácným druhem opotřebení, kterému se dá snadno předejít. Tvorba nárůstku je ovlivňována především řeznou rychlostí a teplotami při obrábění. Nízké teploty a vysoké tlaky vyvolávají mezi materiálem třísky a čelem nástroje efekt svařování. Pokračující tvorba nárůstku má za následek zhoršení jakosti obrobeného povrchu a při příliš velkém nárůstku může dokonce dojít k lomu břitové destičky. V současnosti probíhá velká část moderních způsobů obrábění nad oblastí tvorby nárůstku a mnohé moderní řezné materiály nemají při správném použití k této formě opotřebení sklony. [1][16]
2.2 Analýza vlivu procesních kapalin na trvanlivost nástroje
Volba procesního prostředí výrazně ovlivňuje výsledky řezného procesu, jelikož účinky různých prostředí na řezný proces mohou být za stejných podmínek obrábění zcela odlišné. Zmíněný vliv lze přitom v první řadě sledovat z hlediska samotné podstaty řezného procesu, kam můžeme zařadit např. trvanlivost břitu nástroje, velikost sil při obrábění nebo teplotu řezání. [21]
Samotná analýza vlivu procesních kapalin na trvanlivost nástroje je jedním z cílů této bakalářské práce.
30 2.3 Zkoušky trvanlivosti nástroje
Trvanlivost řezného nástroje lze definovat jako součet všech čistých (strojních) časů řezání od začátku obrábění až po opotřebení břitu nástroje na předem stanovenou hodnotu vybraného kritéria.
Krátkodobé zkoušky trvanlivosti se provádějí především u ostrých nástrojů.
Tato metoda je založena na měření intenzity opotřebení břitu při různých řezných rychlostech. Princip zkoušky spočívá v tom, že intenzita opotřebení břitu je úměrná řezné rychlosti (viz obr?), tj. že s narůstající řeznou rychlostí se zvyšuje intenzita opotřebení břitu. Hlavní výhodou zkoušky je poměrně krátký čas potřebný pro její provedení a i její menší náklady. [ 10 ]
Dlouhodobé zkoušky se snažíme přiblížit reálnému procesu obrábění. Proto se provádějí v celém rozsahu trvanlivosti nástroje a průběhu rozvoje opotřebení až do doby, kdy nástroj dosáhne stanovené míry opotřebení, nebo pokud nedojde k jiným okolnostem zamezujícím další obrábění.
2.3.1 Krátkodobé zkoušky
Tyto zkoušky jsou méně objektivní, ale mají výhodu v nesrovnatelně kratší době trvání a nižší spotřebě materiálu. Krátkodobé zkoušky jsou vhodné pro rychlé roztřídění skupiny materiálu podle stupně obrobitelnosti, pro ověření eventuální změny stupně obrobitelnosti u jednotlivých dodávek stejného druhu materiálu nebo pro rychlé určení relativního stupně obrobitelnosti z jednotlivých taveb a u nově vyvíjených materiálů.
DVB … přírůstek opotřebení DT … přírůstek času řezání I … intenzita opotřebení
Obr. 8 Závislost intenzity opotřebení I na řezné rychlosti v [µm/min]
T I VB
D
= D
31
Podle principu a použitého kritéria lze tyto zkušební metody dále rozdělit na přímé a nepřímé. Metody založené na přímém zjišťování intenzity opotřebení za zostřených či jinak smluvně upravených podmínek. Nepřímé metody vycházejí ze známého, resp. předpokládaného vztahu mezi opotřebením břitu a charakteristickými parametry řezného procesu. Jsou založeny převážně na zjišťování energetických parametrů. [10]
2.3.2 Dlouhodobé zkoušky
U dlouhodobých zkoušek je snaha popsat vybrané ukazatele v závislosti na čase obrábění, resp. na počtu obrobených součástí nebo na celkově dosažené hloubce. Důležitou podmínkou pro úspěšné vykonání zkoušky je nastavení takových počátečních řezných podmínek, aby nedošlo k překrytí sledovaného děje dějem jiným, nežádoucím (např. měření průběhu opotřebení s jevem vibrace stroje).
Nespornou výhodou u dlouhodobých zkoušek je jejich přímá návaznost na ekonomické analýzy, která vychází ze zjištěné trvanlivosti nástroje v závislosti na řezných podmínkách. To pomáhá vytvořit komplexní obraz o úspěšnosti nástrojů, povlaků, jejich rentabilitě a dalších parametrech sledované technologie.[11]
2.4 Nástrojové řezné materiály
V této části bakalářské práce jsou popsány pouze vlastnosti slinutých karbidů, jelikož nástroje z SK byly pro tuto práci použity. Dále je zde popsáno obecné rozdělení a vlastnosti nástrojových materiálů.
V současné době existuje řada řezných materiálů, které umožňují optimalizaci skutečně každé operace obrábění. Mezi nimi se najde alespoň jeden, který určitý obrobek za určitých podmínek dokáže obrobit nejlépe. Během řezného procesu je nástroj značně mechanicky i tepelně namáhán, přičemž nejdůležitější částí nástroje je jeho břit. Proto je potřeba pro každou operaci obrábění zvolit vhodnou kombinaci geometrie břitu a řezného materiálu. Na břitu závisí průběh vlastního procesu obrábění, produktivita a hospodárnost obrábění. [3]
32
Důležité vlastnosti nástrojových materiálů, které mají rozhodující vliv na výsledek obrábění:
Ø Odolnost proti opotřebení Ø Houževnatost
Ø Tvrdost za tepla
Ø Dobrá tepelná vodivost Ø Pevnost v tlaku a ohybu
Obr. 9 mechanické vlastnosti materiálů (tvrdost – houževnatost) [22]
2.4.1 Rozdělení nástrojových materiálů
· Nástrojové oceli uhlíkové
· Nástrojové oceli legované
· Rychlořezné oceli (HSS)
· Slinuté karbidy (SK)
· Povlakované slinuté karbidy
· Cermety
· Keramické materiály
· Kubický nitrid bóru (CBN)
· Polykrystalický diamant (PCD)
33 2.4.2 Slinuté karbidy
Slinutý karbid je řezný materiál obsahující tvrdé částice karbidu (WC, TiC, TaC, NbC), které jsou vázány kovovým pojivem (Co). Patří mezi nejpevnější nástrojové materiály a proto je lze používat pro obrábění s vysokými posuvovými rychlostmi, nebo těžké přerušované řezy. Nejsou však vhodné pro obrábění vyššími řeznými rychlostmi z důvodu nízké termochemické stability. [17]
Současné nepovlakované SK pro řezné aplikace jsou podle normy ČSN ISO 513 a podle užití rozdělovány do 3 skupin:
Ø Skupina K (barva značení červená) - jednokarbidové: WC + Co + (TaC.NbC)
Ø Skupina P (barva značení modrá) - dvojkarbidové: WC + TiC + Co + (TaC.NbC)
Ø Skupina M (barva značení žlutá) - vícekarbidové: WC + TiC + TaC.NbC + Co
Skupina K – používá se pro obrábění šedé litiny, neželezných slitin a nekovových materiálů, které vytvářejí krátkou drobivou třísku. Obvykle nízké řezné síly a převládající abrazní a adhezní opotřebení. Nevhodné pro obrábění materiálů tvořících dlouhou třísku, která mnohem více tepelně zatěžuje čelo nástroje.
Skupina P – používá se pro uhlíkové a slitinové oceli, feritické korozivzdorné oceli a další materiály, které tvoří dlouhou třísku. Během řezného procesu působí na nástroj velké řezné síly mající za následek značné opotřebení na čele (výmol), proto skupina P obsahuje značné množství TiC a TaC, které zlepšují odolnost proti vymílání na čele nástroje. Právě přísada TiC zaručuje vysokou odolnost proti difúzi za vysokých teplot, která je jednou z hlavních příčin vytváření výmolu na čele nástroje v místě styku s odcházející třískou. TiC stejně jako TaC.NbC má také vyšší tvrdost při vysokých teplotách ve srovnání s WC. Nevýhodou TiC je vyšší křehkost a nižší odolnost proti abrazi ve srovnání s WC.
Skupina M – univerzální použití. Je určena pro materiály jako jsou lité oceli, austenitické korozivzdorné oceli a tvárné litiny, které tvoří dlouhou a střední třísku.
Díky relativně vysoké houževnatosti jsou též vhodné pro těžké hrubovací a přerušované řezy. Při obrábění dosahují řezné síly středních až vysokých hodnot, čímž obvykle dochází k vydrolování ostří. [1][3]
34
3. SHRNUTÍ POZNATKŮ O INTEGRITĚ POVRCHU PO SOUSTRUŽENÍ.
DEFINICE POJMU DRSNOST POVRCHU, METODY MĚŘENÍ DRSNOSTI POVRCHU
3.1 Shrnutí poznatků o integritě povrchu po soustružení
Z hlediska výroby má zásadní význam znalost mechanizmu vytváření nového povrchu součásti, protože umožňuje pochopit povahu a vlastnosti takto vytvořeného povrchu, dává možnost pro zlepšení použitých procesů a případně umožňuje vytvoření obrobených ploch bez poruch. Všechny změny, které nastávají v povrchové vrstvě součásti lze shodně posuzovat jako změny jakosti. Tyto změny se potom mohou dávat do vztahu s budoucí funkcí dokončené plochy a využívají se pro hodnocení její integrity.
Integrita povrchu je proto odrazem podmínek, za kterých funkční plocha vzniká, bere v úvahu důsledky působení technologických metod na jakost obrobené plochy a dává je do vztahu k funkčním požadavkům na celý výrobek. V současnosti neexistuje způsob, jak komplexním způsobem zhodnotit nově vytvořenou plochu z hlediska její integrity. I když se dnes již běžně zjišťuje celá řada údajů o obrobené ploše a pro jiné údaje jsou navrhovány různé metody měření a potřebná měřicí zařízení, stále je nejspolehlivější metodou zkoušení integrity povrchu její vlastní provoz. [13]
Nejčastěji sledované parametry z hlediska integrity povrchu jsou:
Ø Fázové změny povrchové vrstvy
Ø Drsnost a mikrostruktura (je dána řeznou rychlostí, tvarem nástroje a použitými řeznými materiály)
Ø Zbytkové napětí
…
35 Obr.10 Zbytková napětí po soustružení 3.2 Drsnost povrchu
Předepsaného rozměru, tvaru, ani jakosti nelze při obrábění dosáhnout s absolutní přesností. Vždy se projeví vlivy pracovní metody, stroje, práce dělníka, opotřebení nebo deformace nástrojů, výrobních pomůcek, teploty při obrábění i kontrole apod. Proto je nutné připustit během výroby určité malé kolísání skutečných rozměrů a geometrických tvarů dvou spolu spojovaných součástí, tj. určitou dovolenou nepřesnost výroby, danou systémem dovolených úchylek.
Během výroby je povrch obrobku v důsledku výrobního procesu plasticky deformován vlivem mechanického a tepelného účinku. Dochází k rekrystalizaci, resp. k fázovým transformacím a mění se tvrdost povrchové vrstvy. Tím vnikají mikrotrhliny a makrotrhliny, zbytková napětí v povrchové vrstvě a dochází ke změnám vlastností povrchové vrstvy v důsledku chemické absorbce.
Nerovnosti povrchu se projevují jednak jako vlnitost, jednak jako drsnost.
Vlnitost je nepravidelnost, která se v řezu kolmém k povrchu jeví jako pravidelná, nebo několikrát se opakující vlnovka, jejíž délka L je větší než největší hloubka v.
Drsností obrobeného povrchu rozumíme rozměrově nepatrné nepravidelnosti povrchu (vyvýšeniny, a prohloubeniny, důlky, rýhy), řádově až v tisícinách milimetru (mikronech). [12]
36
Drsnost obrobeného povrchu je různá a závisí především na těchto faktorech:
· způsob opracování
· druh obráběného materiálu
· použitý materiál a tvar břitu nástroje
· řezné podmínky (především řezná rychlost a posuv)
· způsob upnutí obrobku, chvění nástroje i stroje a celková tuhost soustavy stroj-nástroj-obrobek (S-N-O)
· použité procesní prostředí
Při způsobech obrábění jednobřitovým nástrojem pravidelným posuvem je i drsnost pravidelná a závislá na tvaru nástroje a jakosti ostří, na posuvu, řezných silách, chlazení a mazání atd. Metodiku hodnocení drsnosti povrchu udává norma ISO 468:
Obr. 11 Metodika hodnocení drsnosti povrchu [23]
Parametry popisující drsnost povrchu:
I … základní délka
Ra … střední aritmetická úchylka profilu
Rz … výška nerovnosti profilu určená z 10 bodů Ry … největší výška nerovnosti profilu
Sm … střední rozteč nerovností profilu
Ctp50 … hloubka, ve které je podíl materiálu a vzduchu 1:1 Ip … nosný podíl profilu
37 Vliv řezných podmínek na drsnost povrchu
Drsnost povrchu obrobené plochy je ovlivněna zásadně procesem řezání.
Struktura povrchové vrstvičky je jiná, má jiné vlastnosti než materiál uvnitř obrobku, je tvrdší a jeví vnitřní pnutí. S rostoucí rychlostí tloušťka deformované vrstvičky klesá.
Charakter drsnosti je dán hlavně metodou obrábění, tvarem funkční části nástroje a řeznými podmínkami. Určení a vyhodnocování drsnosti se provádí kolmo na stopy po nástroji, tj. ve směru posuvu (drsnost příčná). Z řezných podmínek má na drsnost povrchu obrobené plochy vliv hlavně řezná rychlost a posuv, dále pak závisí na tvaru nože, poloměru špičky, chlazení a mazání při obrábění, způsobu upnutí obrobku a celkové tuhosti soustavy S-N-O. Při nízkých řezných rychlostech dochází na břitu nástroje k vytváření nárůstku, který má na drsnost povrchu zásadní vliv.
Obr. 12 Tvorba nárůstku při obrábění
38 3.3 Metody měření drsnosti povrchu
Drsnost povrchu lze posuzovat a měřit přímým, nebo nepřímým pozorováním a měřením profilu povrchu obrobku různými pomůckami. Ve výrobě se drsnost posuzuje nejčastěji přímým pozorováním obrobené plochy lidskými smysly a porovnáváním obrobeného povrchu s vhodně volenými vzory apod. Přesné stanovení a číselné vyjádření drsnosti však vyžaduje vhodné měřicí přístroje. [12]
Metody a přístroje pro kontrolu drsnosti povrchu obrobené plochy jsou různé, co do principu i co do přesnosti měření. V zásadě mohou být shrnuty do těchto hlavních způsobů stanovení drsnosti povrchu:
· Kvalitativní, subjektivní metoda ocenění drsnosti povrchu obrobené plochy pozorováním a srovnáváním
· Kvantitativní stanovení číselných hodnot (Rmax, Rz, Ra, Rq) jakožto měr pro charakteristické ocenění drsnosti
· Souhrnná kontrola povrchu
Obr. 13 Přenosný drsnoměr MarSurf PS1 Kvalitativní metody měření drsnosti
Kvalitativní metody měření drsnosti a kvalitativní ocenění povrchu je vázáno na osobní dojmy a smysly kontrolujícího. Dělník vnímá a posuzuje vlastnosti povrchu přímo nebo porovnáváním se vzorovými povrchy (standardy). I když tyto jednoduché kvalitativní způsoby ocenění nejsou úplně přesné, postačí pro běžný
39
dílenský provoz. Používá se jich běžně pro rychlé posouzení povrchu, který se popř.
ještě namátkově kontroluje i kvantitativním přístrojem. [14]
§ vzorkovnice povrchu
§ srovnávací mikroskopy
§ kontrolní dalekohled pro kontrolu hlubokých děr Kvantitativní metody kontroly drsnosti
Porovnání podle vzorků nebo vzorkových kusů nemůže být považováno vždy za zcela objektivní. Proto musí mít alespoň ve větších závodech oddělení technické kontroly k dispozici přístroje pro kvantitativní měření drsnosti, a skutečnou drsnost obrobku spolehlivě kontrolovat alespoň výběrově, popř. u prvních kusů. Měření kontrolními přístroji pro kvantitativní určení drsnosti je zdlouhavé, přístroje jsou velmi drahé a je jich málo. Při určování drsnosti je třeba změřit povrch na několika různých místech (3 až 5) a vypočítat střední hodnoty, neboť drsnost povrchu i na téže ploše značně kolísá. [14]
Obr. 14 Drsnoměr HOMMEL TESTER T6000
40
4. NAVRŽENÍ METODIKY ZKOUMÁNÍ TRVANLIVOSTI NÁSTROJE A DRSNOSTI POVRCHU PŘI SOUSTRUŽENÍ KONSTRUKČNÍ OCELI V LABORATOŘI KOM FS TUL
4.1 Popis použitých přístrojů, nástrojů a měřících zařízení CNC soustruh CHEVALIER FC-2140
Měření vlivu procesních kapalin na trvanlivost nástroje při soustružení bylo provedeno na CNC soustruhu CHEVALIER FCL-2140 (obr.15)
Obr. 15 CNC soustruh CHEVALIER FCL-2140
Základní technické parametry CNC soustruhu CHEVALIER FCL-2140 [15]:
· Oběžný průměr nad suportem: 310 [mm]
· Oběžný průměr nad ložem: 540 [mm]
· Točná délka: 1000/1500/2000 [mm]
· Rozsah otáček : 27 – 2250 [ot./min]
Soustruh je vybaven řídicím systémem FAGOR 8055
41 Soustružnický nůž CTAPR 20x20 K16
Pro soustružení obrobku byl použit soustružnický nůž s vyměnitelnými břitovými destičkami CTAPR 20x20 K16 od firmy Pramet Tools, s.r.o. (obr. 16)
Obr. 16 Soustružnický nůž CTAPR 20x20 K16 [16]
Základní rozměry soustružnického nože CTAPR 20x20 K16 [16]:
h=h1 = 20 mm; b = 20 mm; f = 20,5 mm; l1 = 125 mm, l2max = 32 mm; úhel nastavení 90°
Břitová destička TPUN 160304 H10
Jako řezný nástroj byla zvolena břitová destička z nepovlakovaného slinutého karbidu (SK) TPUN 160304 H10 od firmy Pramet Tools s.r.o. (obr. 17)
Obr. 17 Břitová destička TPUN 160304 H10 a její parametry [16]
42
Základní parametry a rozměry břitové destičky TPUN 160304 H10 [16]:
l = 11 mm; d = 6,350 mm; s = 3,18 mm; rε = 0,4 mm
· Posuv 0,1 – 0,24 mm/ot.
· Hloubka řezu 0,4 – 4,8 mm
· Řezná rychlost 60 – 100 m/min Ruční refraktometr Brix 0-18% ATC
Pro kontrolu koncentrace procesních kapalin při jejich přípravě byl použit refraktometr Brix 0-18% ATC s přesností ± 0,15% (obr. 18). U procesních kapalin je nutné při refraktometrickém měření násobit naměřenou koncentraci opravným koeficientem, který je uveden u jednotlivých výrobků.
Obr. 18 Ruční refraktometr Brix 0-18% ATC Nástrojová lupa Brinell
Velikost opotřebení břitových destiček byla měřena pomocí nástrojové lupy Brinell při čtyřiadvacetinásobném zvětšení (24x) se stupnicí 0,05 mm (obr. 19).
Jedná se o přímou metodu měření.
Obr. 19 Nástrojová lupa Brinell [22]
43 Soustruh SU-50
Obrábění obrobku, u kterého byla prováděna analýza vlivu procesních kapalin na drsnost povrchu, se uskutečnilo na soustruhu SU-50 (obr. 20)
Obr. 20 Univerzální soustruh SU-50 Základní technické parametry soustruhu SU-50:
· Oběžný průměr nad suportem 250 [mm]
· Oběžný průměr nad ložem 500 [mm]
· Točná délka 2000 [mm]
· Rozsah otáček 11-1400 [ot./min]
Drsnoměr Mitutoyo SV-2000
Měření drsnosti povrchu proběhlo na drsnoměru Mitutoyo SV-2000 (obr. 21)
Obr. 21 Drsnoměr Mitutoyo SV-2000
44
4.2 Charakteristika použitých procesních kapalin
Jako procesní prostředí pro náš experiment byly použity vodou mísitelné procesní kapaliny od firmy PARAMO a.s. Jedná se o kapaliny PARAMO SK 220, PARAMO LACTIC, PARAMO EOPS 1030, PARAMO EOPS 2040, PARAMO ERO-SB a PARAMO ERO-SB plus. Kromě vodou mísitelných procesních kapalin byla jako procesní prostředí použita i pitná voda z řádu.
4.2.1 Procesní kapalina PARAMO SK 220
PARAMO SK 220 (obr. 22) je syntetická obráběcí kapalina neobsahující minerální olej, je dokonale rozpustná ve vodě a s vodou tvoří stabilní roztok. Její biologická odbouratelnost vyšší než 80 % zaručuje snadnější likvidaci. Svým složením se chová šetrně k životnímu prostředí a její provoz vede ke zlepšení pracovních podmínek a pracovního prostředí.
Používá se v koncentraci 3 až 5 % a je určena pro všechny operace obrábění broušením, kde není přesně definována geometrie nástroje. Její ideální vlastnosti se projeví zejména při broušení tepelně zpracovaných ocelových dílů. Její použití je vhodné i pro tepelně nezpracované oceli a ostatní kovové materiály. Je směsí organických derivátů kyseliny borité, vhodných inhibitorů koroze a vody. Její biologická odbouratelnost je – cca 80 %. [24]
Obr. 22 Vzorek procesní kapaliny PARAMO SK 220 Koncentrace: 1,44% Faktor refraktometru: 2,8
Charakteristické vlastnosti
· ve vodě je dokonale rozpustná a tvoří transparentní roztok
· dokonalá chladící, penetrační, oplachovací a čistící schopnost. Její předností je skoro okamžitá sedimentace opláchnutých a unášených pevných částic
· vyznačuje se značnou mikrobiální stabilitou znamenající dlouhodobou provozní životnost
· má dobré protikorozní vlastnosti, velmi dobrou smáčivost a odlučivost cizího oleje a minimální sklon k pěnění
45 4.2.2 Procesní kapalina PARAMO LACTIC
PARAMO LACTIC (obr. 23) je polosyntetická obráběcí kapalina, kde jsou využívány deriváty kyseliny mléčné tz. laktáty jako součást emulgačního systému.
Takto koncipované přísady ve směsi s minerálním olejem, inhibitory koroze a odpěňovači vytváří mikroemulzi znamenitých detergentních, čistících schopností s přirozenými hydroskopickými vlastnostmi. Ty dávají emulzi možnosti účinně regulovat vlhkost pokožky pracovníků, která je exponovaná obráběcí kapalinou.
Eliminují tendenci tvorby lepivých zbytků ulpívajících na obráběcích strojích, upínačích a nástrojích. Takto koncipovaná obráběcí kapalina pak umožňuje dosažení optimálních výsledků při vytváření řezného prostředí a navíc se chová šetrně k
pokožce obsluhy strojů a stojům samotným.
Používá se v koncentraci 3 % až 10 % a je určena pro většinu obráběcích operací a obráběné materiály, a to jak pro obrábění s přesně definovanou geometrií nástroje, tak i pro obrábění, kde geometrie nástroje není přesně definována (např.
broušení). Při operacích broušení podává vynikající výsledky, a to jak při broušení měkkých, tak i kalených ocelových dílů a ostatních kovových materiálů. Procesní kapalina PARAMO LACTIC je zařazena dle normy ISO-L-MAE. [24]
Obr. 23 Vzorek procesní kapaliny PARAMO LACTIC Koncentrace: 3,8% Faktor refraktometru: 1,05
Charakteristické vlastnosti
· ve vodě je dokonale rozpustná a tvoří transluscentní (opalescentní) emulzi
· chová se velice šetrně k obsluze strojů a tak minimalizuje možná rizika podráždění pokožky s následkem dermatóz
· deriváty kyseliny mléčné, které jsou součástí formulace obráběcí kapaliny, zajišťují rezistenci k mikrobiální degradaci
· má dokonalé chladící, oplachovací, penetrační a čistící vlastnosti
· má dobré protikorozní vlastnosti, dobrou smáčivost a minimální pěnivost
· po zaschnutí zanechává na povrchu tenký nelepivý olejový film
46
4.2.3 Procesní kapalina PARAMO EOPS 1030
Procesní kapalina PARAMO EOPS 1030 (obr. 24) tvoří s vodou stabilní mikroemulzi s ochrannou schopností proti mikrobiálnímu napadení, atmosférické korozi a nízkou pěnivostí, která se používá jako řezná kapalina při obrábění kovových i nekovových materiálů a jako těžko hořlavá kapalina pro nenáročné hydraulické mechanismy.
Používá se v koncentraci 3% až 10% dle způsobu použití.
PARAMO EOPS 1030 má vysokou biologickou stabilitu a širokou škálu použitelnosti. Používá se u NC a CNC obráběcích strojů hlavně pro obrábění nejtvrdších ocelí, zejména nerezové oceli, tvrdých kovů, litiny, hliníku a mědi. [24]
Obr. 24 Vzorek procesní kapaliny PARAMO EOPS 1030 Koncentrace: 3,6% Faktor refraktometru: 1,1
4.2.4 Procesní kapalina PARAMO EOPS 2040
PARAMO EOPS 2040 (obr. 25) tvoří vysoce stabilní mikroemulzi s obsahem vysokotlaké přísady a 40 - ti % ropného oleje. Má velmi dobré ochranné schopnosti proti atmosférické korozi a mikrobiálnímu napadení. Vyznačuje se též nízkou pěnivostí.
Doporučené koncentrace 5% až 10%. Používá se jako kapalina při obrábění kovů se zhoršenou nebo velice špatnou obrobitelností. Vedle běžných obráběcích operací je vhodná i pro složité obráběcí operace. Při aplikaci vyniká výraznou únosností mazacího filmu, smáčecí a oplachovací schopností. [24]
Obr. 25 Vzorek procesní kapaliny PARAMO EOPS 2040 Koncentrace: 3,7% Faktor refraktometru: 1,09
47 4.2.5 Procesní kapalina PARAMO ERO-SB
PARAMO ERO SB (obr. 26) je plně minerální emulgační olej tvořený vhodnými emulgátory, 80 % nízko aromatického ropného oleje, inhibitory koroze, přísadami minimalizujícími pěnění a konzervačními prostředky. Takto koncipovaná obráběcí kapalina umožňuje dosažení takových vlastností, kterými se vyznačují mléčné emulze.
Kapalina je určena pro obráběcí operace prováděné jak na konvenčních obráběcích strojích, tak i na NC a CNC obráběcích centrech. Doporučená koncentrace 3 – 7 % dle podmínek obrábění vyhovuje pro třískové opracování širokého spektra ocelí, litin, neželezných kovů a jejich slitin. Její vynikající užitné vlastnosti nacházejí uplatnění zejména při obrábění lehkých slitin, ale i dalších materiálů se zhoršenou obrobitelností. Obráběcí operace broušení se doporučuje provádět při koncentraci pohybující se na spodní hranici doporučené koncentrace, a to 3 %. Její vynikající mazací vlastnosti jsou využitelné i při operacích tváření plechů. Zvládá i hluboké tažení plechů a to zejména hlubokotažných do tloušťky cca 1,5 mm.
Procesní kapalina PARAMO ERO-SB je zařazena dle normy ISO- L-MAB. [24]
Obr. 26 Vzorek procesní kapaliny PARAMO ERO-SB Koncentrace: 4% Faktor refraktometru: 1
Charakteristické vlastnosti
· výborně emulguje a s vodou tvoří mléčnou emulzi
· emulze má vysokou mazací, chladící a oplachovací schopnost
· vyznačuje se odolností vůči působení mikroorganismů, znamenající dlouhodobou životnost kapaliny, kdy se pH kapaliny udržuje dlouhodobě na konstantní hodnotě (pufrovací schopnost)
· emulze má výborné protikorozní vlastnosti, velmi dobrou smáčivost a odlučivost cizího oleje a minimální sklon k pěnění
48
4.2.6 Procesní kapalina PARAMO ERO-SB plus
PARAMO ERO-SB (obr. 27) plus tvoří s vodou mléčnou emulzi, která se používá jako řezná kapalina při obrábění kovů a jako těžko hořlavá kapalina pro některé nenáročné hydrostatické mechanismy.
Doporučená koncentrace 3 – 7 % dle podmínek obrábění vyhovuje pro třískové opracování širokého spektra ocelí, litin, neželezných kovů a jejich slitin. Její vynikající užitné vlastnosti nacházejí uplatnění zejména při obrábění lehkých slitin, ale i dalších materiálů se zhoršenou obrobitelností. Procesní kapalina PARAMO ERO-SB je zařazena dle normy ISO-L-MAB. [24]
Obr. 27 Vzorek procesní kapaliny PARAMO ERO-SB plus Koncentrace: 4% Faktor refraktometru: 1
Charakteristické vlastnosti
· výborně emulguje a s vodou tvoří mléčnou emulzi
· emulze má výborné protikorozní vlastnosti, velmi dobrou smáčivost a odlučivost cizího oleje a minimální sklon k pěnění
· emulze má vysokou mazací, chladící a oplachovací schopnost
4.3 Charakteristika použitého materiálu pro obrábění
Pro náš experiment byl použit materiál z konstrukční oceli ČSN 14 220
§ Nejmenší mez v kluzu Re 440 MPa
§ Pevnost v tahu Rm 640 až 930 MPa Nízkolegovaná ušlechtilá mangan-chromová ocel k cementování
Nejčastěji používaná cementační ocel pro středně namáhané díly strojů a motorových vozidel. Prokaluje se do hloubky cca 30 mm. Ve stavu kaleném a popuštěném je použitelná pro průměry do cca 35 mm. Je svařitelná a vhodně tepelně zpracovaná též
