I. TEORETICKÁ Č ÁST

Obsah

Seznam použitých značek a zkratek ... 9

Úvod ... 11

I. TEORETICKÁ ČÁST ... 12

1. Geopolymery (GP) ... 12

1.1 Chemická podstata a struktura hmoty geopolymerů ... 12

1.2 Suroviny a výroba geopolymerů ... 14

1.3 Vlastnosti a využití geopolymerů ... 15

1.4 Obrábění geopolymerů ... 16

2. Technologie vrtání ... 17

2.1 Charakteristika technologie vrtání ... 17

2.2 Kinematika a parametry vrtacího procesu ... 20

2.2.1 Základní kinematické veličiny při vrtání ... 20

2.2.2 Parametry při vrtání ... 21

2.3 Optimalizace řezných podmínek při obrábění ... 24

2.4 Měření sil a momentů při vrtání ... 25

2.4.1 Piezoelektrický dynamometr ... 26

2.4.2 Kapacitní dynamometr ... 26

2.4.3 Indukční dynamometr ... 26

2.4.4 Odporový dynamometr ... 26

3. Materiály pro řezné nástroje ... 27

3.1 Nástrojové oceli ... 28

3.2 Slinuté karbidy ... 28

3.3 Cermety ... 29

3.4 Řezná keramika ... 30

3.5 Supertvrdé řezné materiály ... 30

4. Opotřebení břitu řezného nástroje ... 31

4.1 Kvantifikace opotřebení břitu ... 31

4.2 Časový průběh opotřebení ... 32

II. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 33

5. Popis strojů a měřicích přístrojů ... 33

5.1 Otočná vrtačka VR 4 ... 33

5.2 Nástrojová univerzální bruska N 1 ... 34

5.3 Dynamometr s tenzometrickými snímači ... 35

5.4 Nástrojová lupa Brinell ... 37

5.5 Mikroskop Arsenal SZP 3112 – T ... 37

5.6 Laboratorní profiloměr Mitutoyo SV - 2000 N2 ... 38

6. Příprava zkušebních vzorků pro experiment ... 39

7. Metodika pro obrábění geopolymerů vrtáním ... 41

7.1 Postup pro realizaci experimentu ... 44

7.2 Způsob měření a provedení experimentů ... 44

8

8. Hodnocení naměřených hodnot ... 45

8.1 Vyhodnocení výsledku z počtu opakování měření ... 47

8.2 Experiment č. 1 – měření za konstantních řezných podmínek ... 48

8.2.1 Hodnocení trvanlivosti nástroje u různých druhů plniv GP ... 48

8.2.2 Hodnocení trvanlivosti u nového a přeostřeného nástroje ... 50

8.2.3 Hodnocení sil a krouticích momentů u různých plniv GP ... 52

8.2.4 Hodnocení drsnosti povrchu u různých druhů plniv GP ... 54

8.2.5 Hodnocení trvanlivosti nástroje u různých obsahů plniv GP ... 57

8.2.6 Hodnocení drsnosti povrchu u různých obsahů plniv GP ... 59

8.3 Experiment č. 2 – měření za různých řezných podmínek ... 61

8.3.1 Posuzování vlivu různých řezných podmínek na trvanlivost nástroje ... 62

8.3.2 Vliv různých řezných podmínek na síly a krouticí momenty při obrábění ... 63

8.4 Experiment č. 3 – hodnocení průchozího otvoru u různých druhů plniv GP ... 66

8.4.1 Hodnocení průchozího otvoru u GP s plnivem popílek 20 % K6 ... 66

8.4.2 Hodnocení průchozího otvoru u GP s plnivem kámen 40 % ... 68

9. Vizuální hodnocení vzorků po provedených experimentech ... 69

9.1 Vizuální hodnocení GP s plnivem lupek ... 69

9.2 Vizuální hodnocení GP s plnivem kámen ... 69

9.3 Vizuální hodnocení GP s plnivem popílek ... 70

9.4 Vizuální hodnocení materiálu Necuron ... 72

III. SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ A ZÁVĚR ... 73

10. Zhodnocení geopolymerů dle výsledku experimentu ... 73

10.1 Hodnocení trvanlivosti nástroje ... 73

10.2 Hodnocení sil a krouticích momentů ... 75

10.3 Hodnocení parametrů drsnosti povrchu ... 78

10.4 Vizuální hodnocení všech testovaných vzorků ... 79

11. Návrh řezných podmínek pro obrábění GP ... 81

12. Závěr ... 83

Seznam literatury ... 86

Seznam příloh ... 89

Seznam použitých zkratek a symbol ů

AD [mm²] jmenovitý průřez třísky

af [mm] šířka záběru ostří ve směru posuvu ap [mm] šířka záběru ostří při vrtání díry bD [mm] jmenovitá šířka třísky

CFc [-] konstanta pro výpočet řezných sil CFf [-] konstanta pro výpočet posuvových sil CM [-] konstanta pro výpočet krouticího momentu ctp50 [µm] parametr nosného podílu profilu (hladina řezu)

D [mm] průměr nástroje

Do [mm] průměr polotovaru

f [mm] posuv nástroje na jednu otáčku

fs max [mm] maximální posuv dosažitelný na stroji

fs min [mm] minimální posuv dosažitelný na stroji

fz [mm] posuv na zub

Fc [N] řezná síla

Fc max [N] maximálně přípustná velikost řezné síly

Ff [N] posuvová síla

Fx [N] síla ve směru osy x

Fy [N] síla ve směru osy y

Fz [N] síla ve směru osy z

hD [mm] jmenovitá tloušťka třísky i [-] počet zubů (břitů) nástroje

k [-] stupeň polykondenzace

KT [mm] hloubka žlábku opotřebení čela

L [mm] celková dráha nástroje

l [mm] délka díry

lmax [mm] maximální délka díry

ln [mm] délka náběhu nástroje

lo [mm] délka polotovaru

lp [mm] délka přeběhu nástroje

M [-] alkalická složka

Mk [N.m] kroutící moment

Mk max [N.m] maximálně přípustná velikost kroutícího

momentu

m [-] celkový počet hodnot

n [min^-1] otáčky nástroje (případně obrobku)

PC [kW] řezný výkon

Pe [kW] výkon hlavního elektromotoru

Pfe [-] pracovní boční rovina

q [-] konstanta pro úroveň spolehlivosti 95, 99 a 99,9 %

Ra [µm] průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu

Rz [µm] největší výška profilu

s [-] normalizovaná odchylka

t [min] je čas řezného procesu

10

T [min] trvanlivost

tAS [min] jednotkový strojní čas

VB [mm] průměrná šířka opotřebení na hřbetu VBkr [mm] kritická šířka opotřebení na hřbetu vc [m.min^-1] řezná rychlost

ve [m.min^-1] rychlost řezného pohybu vf [m.min^-1] posuvová rychlost

w [-] počet molekul vody

x [-] střední hodnota

xFc [-] exponent pro výpočet řezných sil xFf [-] exponent pro výpočet posuvových sil

xi [-] i-tá hodnota statistického souboru

xmax [-] maximální hodnota konfidenčního intervalu xnim [-] minimální hodnota konfidenčního intervalu yFc [-] exponent pro výpočet řezných sil

yFf [-] exponent pro výpočet posuvových sil

z [-] počet tetrahedrických jednotek

η [°] úhel řezného pohybu

κr [°] pracovní úhel nastavení hlavního ostří [°] úhel posuvového pohybu

CVD chemická metoda povlakování

GP geopolymer(y)

NO nástrojová ocel

PKD polykrystalický diamant

PKNB polykrystalický kubický nitrid bóru

PVD fyzikální metoda povlakování

RO rychlořezná ocel

ŘK řezná keramika

SNOP soustava stroj - nástroj - obrobek - přípravek

SK slinutý karbid

VBD vyměnitelná břitová destička

Úvod

V současné době se klade velký důraz na materiály používané v různých průmyslových odvětvích, a to především ve strojírenství. Nároky na funkční vlastnosti jednotlivých součástí se neustále zvyšují a pro uspokojení trhu je třeba pokračovat v neustálém výzkumu a vývoji materiálů. Dříve používané kovové materiály jsou stále častěji nahrazovány nekovovými, které v některých případech mohou mít oproti předchozím lepší mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti, např. pevnost, tepelnou vodivost, chemickou stálost, vysokoteplotní odolnost apod.

Jednou z možných variant je tzv. geopolymer. Geopolymery jsou anorganické uměle vyrobené materiály, které mají podobné vlastnosti jako minerály přírodní. Podle Prof. Davidovitse byly geopolymery již známy ve starém Egyptě a v ostatních civilizacích té doby, nicméně novodobý rozvoj v této oblasti se obnovil až v 70. letech minulého století v souvislosti s použitím těchto materiálů v průmyslu [3]. Vzhledem k jejich specifickým vlastnostem ale také energetické a finanční nenáročnosti se jejich výroba a uplatnění rozšiřuje do různých průmyslových oblastí.

Předkládaná diplomová práce je zaměřena na obrábění geopolymerů technologií vrtání. Vrtání je jedna z nejstarších technologií, která sloužila k obrábění válcových otvorů ve dřevě, nerostech a později i v kovech. I když se do současnosti podařilo vyvinout mnoho nových nástrojů a systémů na vrtání, šroubovitý vrták z rychlořezné oceli pořád zůstává jedním z nejrozšířenějších.

Svou nenáročnou výrobou, snadným přeostřováním a použitelností je prakticky i ekonomicky stále nezastupitelný.

Cílem diplomové práce je navrhnout hospodárné řezné podmínky pro obrábění geopolymerů s plnivem popílek, kámen a lupek. Výsledky technologických zkoušek vrtání jsou hodnoceny z hlediska nástroje a obrobku, v závislosti na druhu plniva, na procentuálním obsahu plniva a vlivu přeostření nástroje. Z hlediska nástroje jsou vyhodnocovanými veličinami: řezná síla, posuvová síla, krouticí moment a trvanlivost nástroje. Z pohledu obrobku se jedná o parametry drsnosti povrchu, nosný podíl profilu a kvalitu okrajů otvorů po vrtání.

Teoretická část ¹²

I. TEORETICKÁ Č ÁST

1. Geopolymery (GP)

Geopolymery jsou charakteristické tím, že mají podobné vlastnosti jako přírodní minerály, ale jsou vytvořeny uměle. Zkoumáním geopolymerů se zabývají různá pracoviště po celém světě. Nejznámějším propagátorem je francouzský vědec Joseph Davidovits, který tvrdí, že z geopolymerů už stavěli pyramidy staří Egypťané. V 70. letech minulého století založil ve Francii výzkumný ústav Cordi- Geopolymere a začal se zabývat výzkumem a vývojem geopolymerů [3].

GP jsou anorganické synteticky vyrobené materiály připravované polykondenzační reakcí základních hlinito-křemičitanových materiálů (např. albit, kaolinit apod.) v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku, této reakci říkáme geopolymerace. Geopolymerací je také možné přeměnit například strusky, elektrárenské popílky na materiál, který má vysokou pevnost, odolnost proti ohni, kyselinám a bakteriím. Dosavadní poznatky ukazují, že lze připravit geopolymery s maximální pevností až kolem 100 MPa už po 28 dnech [32].

1.1 Chemická podstata a struktura hmoty geopolymerů

Při chemické reakci alumino-silikátu za vysoce alkalických podmínek vznikají Si-O-Al vazby. Je to podobný systém vazby, který se nachází i v zeolitech.

Na rozdíl od zeolitických látek, které jsou krystalické, jsou geopolymerní látky téměř amorfní (obr. 1). Hlavní rozdíl mezi vznikem zeolitu a geopolymeru je poměr pevné a kapalné fáze v počáteční reakční směsi [23].

Alkalická aktivace alumino-silikátových materiálů probíhá ve vodném prostředí při pH > 12, tedy převážně mechanismem „přes roztok“. Alkalickou aktivaci můžeme shrnout do tří následujících fází. Formování GP je velice rychlé a všechny fáze probíhají v podstatě současně. V první fázi je alumino-silikátové sklo rozpuštěno v kontaktu se silným alkalickým roztokem, který podporuje formování zeolitických prekurzorů z rozpuštěných částeček (nuklidů). Ve druhé fázi se volné ionty přeorientovávají a vytvářejí shluky (malé molekuly). Ve třetí fázi

(poté, co nuklidy dosáhnou kritické velikosti) začíná růst krystalů a dochází ke zpevňování. Tyto malé molekuly přítomné v roztoku se mohou spojit a vytvořit velké molekuly, které se srazí ve formě amorfního gelu s minoritními krystalickými fázemi. Složení a struktura tohoto alkalického alumino-silikátového gelu závisí na velikosti a koncentraci iontových druhů přítomných v médiu, tak jako na teplotě, délce ošetřování a na pH směsi [9].

Obr. 1 Struktura geopolymeru ( typ Na-PS) a zeolitu A [5]

Vzniklá prostorová alumino-silikátová síť se skládá z SiO4 a AlO4 tetraedrů spojených sdílenými atomy kyslíku (obr. 2). Pozitivní ionty (Na⁺, K⁺, Li+, Ca²⁺, Ba²⁺, NH⁴⁺, H3O⁺) musí vyrovnávat negativní náboj na Al³⁺, který je přítomen v koordinaci 4. Empirický vzorec této sítě je:

Mk [ - (Si - O)z - Al - O]k • wH2O, (1) kde: M je alkalická složka (K, Na, Ca, ...),

z … počet tetraedrických jednotek (1, 2 nebo 3), k … stupeň polykondenzace,

w … počet molekul vody [5].

Předpokládaný průběh geopolymerace, výsledná struktura GP systému Si- O-Al podle Davidovitse a současný pohled na strukturu GP - viz Příloha 1.

Obr. 2 Prostorová alumino-silikátová síť [5, 33]

Pro lepší popis vzniku nových prostorových, řetězových a kruhových molekul vznikajících polykondenzací různých hlinitých a křemičitých primárních

Teoretická část ¹⁴ látek částic navrhl Davidovits symboliku a terminologii založenou na stavebních blocích Si a Al (obr. 3):

1. Poly(sialát) s [-Si-O-Al-O-] jako opakující se jednotkou (PS),

2. Poly(sialát-siloxo) s [-Si-O-Al-O-Si-O-] jako opakující se jednotkou (PSS), 3. Poly(sialát-disiloxo) s [-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-] jako opakující se jednotkou

(PSDS).

Polysialace je tudíž hlavním systémem pro mechanický popis vzniku amorfních a semikrystalických geopolymerů [23].

Obr. 3 Terminologie Davidovits [33]

1.2 Suroviny a výroba geopolymerů

Pro výrobu geopolymerů lze použít jakýkoliv anorganický materiál, který se skládá ze silikátů nebo alumino-silikátů. Základní surovina může být přírodního původu (např. kaolinické hlíny), nebo může jít o odpadní materiál (např. úletový popílek, vysokopecní struska), nebo jejich směsi [9].

Geopolymery se obecně vyrábějí alkalickou aktivací vhodného materiálu, což jsou např. odpadní materiály jako elektrárenský popílek a různé strusky nebo materiály již využívané v betonářském průmyslu jako např. metakaolin a Portlandský cement. Nejčastěji se využívají a zkoumají jejich různě připravené směsi spolu s plnivy (kamenivem a výztuží) ve snaze nalézt kombinaci s co nejlepšími vlastnostmi [10].

Další důležitou složkou při geopolymerní reakci jsou alkalické aktivátory, které zásadně ovlivňují pevnost a vlastnosti vzniklého produktu. Mezi tyto aktivátory spadají alkalické roztoky sodíku nebo draslíku (NaOH, KOH) a vodní sklo (Na křemičitan), a to samostatně nebo ve směsi [18].

Postup výroby geopolymerů je znázorněn na obr. 4, kde alkalická aktivace geopolymerního pojiva z úletového popílku probíhá přidáním alkalických aktivátorů

(NaOH + vodní sklo) do směsi kameniva a popílku v daném poměru. Poté následuje plnění forem vzniklou kaší, dokončení geopolymerní reakce a uložení vzorků [27].

Obr. 4 Postup výroby GP; dle [27]

1.3 Vlastnosti a využití geopolymerů

Geopolymery na první pohled vypadají jako kámen a jsou od kamene nerozeznatelné, ale svými vlastnostmi jej výrazně převyšují. Nabízejí široké množství modifikací a dosažení různých kombinací svých vlastností. Patří k nim především vysoká pevnost v tlaku, nízká hustota, nízká tepelná vodivost, mrazuvzdornost, odolnost vůči kyselým dešťům, kyselinám, vysokým teplotám ( až 1200°C), ohni i bakteriím. Také ekologičtější způsob výroby oproti výrobě cementu. Při běžné přípravě GP se vznik emisí oxidu uhličitého (CO2) snižuje o více než 50 %. Proto GP nabízejí rozsáhlé a různorodé uplatnění ve stavebnictví, automobilovém průmyslu, letectví, kosmonautice atd. – viz obr. 5 [9].

Pro svou extrémní odolnost mohou sloužit především jako vynikající izolace a stavební materiál. První aplikace ve stavebnictví pocházejí z let 1972-1976, kdy byl GP nanášen na dřevotřískové desky, aby zvýšil jejich ohnivzdornost.

Zanedlouho lze očekávat využití geopolymerů při výstavbě silnic, protihlukových stěn, mostů, budov a jiných původně betonových staveb [10].

Materiál odolává vysokým teplotám, proto se rovněž využívá pro tepelně namáhané součásti v automobilovém průmyslu. Zejména pro výrobu výfukového

Teoretická část ¹⁶ systému vozů Formule 1. V roce 2004 patentovala firma Porsche výfukové potrubí, které obsahuje nosič katalyzátoru z GP. Geopolymerní materiál se dokonce využívá u tepelných štítů pro raketoplány [32, 9].

Také stabilizace nebezpečných a radioaktivních odpadů pomocí geopolymerních matric ukazuje výhody oproti současným energeticky náročnějším způsobům. Úspěšně byla poloprovozně odzkoušena technologie stabilizace odpadů z těžby uranu v Německu a z oblasti Černobylu. Mezi klady GP dále patří schopnost zpracovat odpadní produkty z teplárenských a energetických provozů a jejich využití na výrobu geopolymerů [32].

Obr. 5 Příklady uplatnění geopolymerů; dle [9]

1.4 Obrábění geopolymerů

Na katedře obrábění a montáže (KOM) TU v Liberci bylo provedeno obrábění GP frézováním. Obrábění probíhalo bez použití procesních kapalin při konstantních řezných podmínkách. Vzorky se lišily použitým plnivem a to: lupek, popílek a kámen. Při obrábění vždy vznikaly elementární třísky ve formě jemného prachu, které byly shodné u všech vzorků.

Ze závěru této výzkumné zprávy vyplývá, že za těchto podmínek obrábění vykazuje největší řezné síly a největší opotřebení nástroje GP s plnivem lupek, relativně nejmenší řezné síly a nejmenší opotřebení nástroje pak GP s plnivem popílek. Při frézování tedy vykazovaly tyto materiály velmi abrazivní účinky a docházelo k intenzivnímu opotřebení břitu řezného nástroje. Také došlo k poškození okrajů, zejména v místech, kde břit řezného nástroje vycházel z místa řezu [13].

2. Technologie vrtání

Definice obrábění dle ČSN 20 0010:

„Obrábění – část výrobního procesu, který je založen na využití energie a při kterém činností stroje (t.j. odebíráním určitého objemu materiálu řezným nástrojem) vzniká obrobek žádaného tvaru, rozměrů a jakosti povrchu [7].“

2.1 Charakteristika technologie vrtání

Pojem vrtání zahrnuje téměř všechny způsoby obrábění, které se používají ke zhotovování válcových děr v obrobku při použití řezných nástrojů. Mimo vrtání krátkých (obr. 6) a hlubokých otvorů obsahuje tento pojem také další způsoby obrábění jako je vystružování, vyhrubování, zahlubování, vyvrtávání apod. [1].

Obr. 6 Rozměrové charakteristiky krátkých děr [1]

Vrtání je způsob třískového obrábění, při kterém nástroj zpravidla dvoubřitý relativním otáčivým pohybem vůči obrobku vykonává hlavní řezný pohyb a relativním pohybem ve směru osy nástroje dochází k posuvu [7]. Hlavní pohyb při vrtání je tedy rotace a provádí ho obvykle nástroj, ale v některých případech může rotovat obrobek a nástroj koná pouze posuv. Osa vrtáku je obvykle kolmá k ploše, ve které vstupuje vrták do obráběného materiálu. Posuv vrtáku přitom probíhá ve směru jeho osy [17].

Charakteristickou vlastností všech nástrojů na díry je, že se ve směru od obvodu ke středu nástroje zmenšuje řezná rychlost (v ose je tedy nulová). Díky tomu nastávají některé technologické problémy. Například to může být příčný břit

Teoretická část ¹⁸ v ose vrtáku, který vzhledem k nepříznivé geometrii v podstatě třísku neodebírá, ale materiál pouze plasticky deformuje. Řeznou rychlostí se zpravidla rozumí obvodová rychlost na největším průměru nástroje [17, 30].

Vrtat můžeme do plného materiálu nebo rozšiřovat předvrtané, či předlité otvory, případně vrtáme “na jádro“, kdy nástroj odebírá z materiálu jenom část mezikruží – viz obr. 7 [1].

Obr. 7 1 - vrtání do plného materiálu, 2 - vrtání s předvrtáním, 3 - vrtání na jádro; dle [1]

K vrtání používáme nástroje zvané vrtáky, ty dělíme podle způsobu provedení na: vrtáky šroubovité, kopinaté, středící, dělové a vrtací hlavice [7].

Zmíněné druhy vrtáků jsou znázorněny na obr. 8.

Obr. 8 Základní druhy vrtáků
[15]

Šroubovitý vrták (obr. 9) je nejzákladnější a nejčastěji používaný nástroj pro výrobu děr. Šroubovité drážky usnadňují odchod třísky z místa řezu. Vrták je ve vrtané díře veden fazetkou na vedlejším ostří vrtáku a je mírně kuželovitý

s menším průměrem u stopky, tím se zmenšuje tření v díře. Naopak průměr jádra se ke stopce zvětšuje, čímž se dosahuje zvýšení tuhosti vrtáku [30].

Základní podmínkou pro vrtací proces je správné, zpravidla strojní ostření šroubovitého vrtáku (obr. 10), které se provádí podbroušením hřbetu [17].

Obr. 9 Základní části a termíny pro šroubovité vrtáky [12]

ů ř ů

Teoretická část ²⁰ 2.2 Kinematika a parametry vrtacího procesu

Řezné podmínky při vrtání se pohybují v širokém rozsahu v závislosti na druhu nástroje. Špatný odvod tepla z místa řezu způsobuje značné tepelné zatížení břitu nástroje, proto se při vrtání používají chladící emulze [30].

Řezná rychlost vc je největší na obvodu nástroje a směrem ke středu se tato rychlost zmenšuje. Rychlost posuvu vf působí ve směru osy nástroje. Další kinematické souvislosti jsou vyznačeny na obr. 11 [17].

Obr. 11 Kinematika vrtacího procesu při vrtání šroubovitým vrtákem; dle [17]

2.1.1 Základní kinematické veličiny při vrtání [12]

Mezi základní kinematické veličiny patří řezná a posuvová rychlost, rychlost řezného pohybu a případně posuv na zub.

• výpočet řezné rychlosti

[

]

c m min

1000 n

v π⋅D⋅ ⋅ ⁻

= (2)

• výpočet posuvové rychlosti

[

]

f f n mm min

v = ⋅ ⋅ ⁻ (3)

• výpočet rychlosti řezného pohybu

[

]

2 f 2 c

e v v m min

v = + ⋅ ⁻ (4)

• výpočet posuvu na zub

[ ]

i

f_z = f (5)

kde: D [mm] … prů^měr nástroje

n [min^-1] … otáčky nástroje (př^ípadně ^obrobku) f [mm] … posuv nástroje na jednu otáč^ku i [-] … poč^{et zub}ů ^(bř^itů) nástroje

2.1.2 Parametry při vrtání [17, 12]

Parametry při vrtání se rozumí jmenovitý průř^{ez t}řísky, síly vznikající bě^hem obrábění a jednotkové strojní č^asy.

• šíř^{ka záb}ě^{ru ost}ř^{í p}ři vrtání díry do plného materiálu (obr. 12 vlevo)

[ ]

2

a_p = D (6)

• šíř^{ka záb}ě^{ru ost}ř^{í p}ři vrtání do předvrtané díry (obr. 12 vpravo)

(

) [ ]

a_p −

= (7)

• šíř^{ka záb}ě^{ru ost}ř^{í ve sm}ě^{ru posuvu}

[ ]

i

a_f = f (8)

• jmenovitá tloušť^{ka t}ř^ísky

[ ]

2 sin

h_D = f ⋅ κ_r (9)

• jmenovitá šíř^{ka t}ř^{ísky p}ři vrtání do plného materiálu

[ ]

sin 2 b D

r

D = ⋅ κ (10)

• jmenovitá šíř^{ka t}ř^{ísky p}ř^{i vrtání p}ředvrtané díry

[ ]

sin 2

d b D

r

D ⋅ κ

= − (11)

• jmenovitý průř^{ez t}ř^{ísky p}ři vrtání do plného materiálu

[ ]

D D

D mm

4 f b D

h

A ⋅

=

⋅

= (12)

• jmenovitý průř^{ez t}ř^{ísky p}ř^{i vrtání p}ředvrtané díry

[ ]

D f mm

4 d

A D− ⋅

= (13)

kde: D [mm] … prů^měr nástroje

Teoretická č^{ást 22} d [mm] … prů^mě^{r p}ředvrtané díry

f [mm] … posuv nástroje na jednu otáč^ku hD [mm] … jmenovitá tloušť^{ka t}ř^ísky bD [mm] … jmenovitá šíř^{ka t}ř^ísky

κr [°] … pracovní úhel nastavení hlavního ostř^í i [-] … poč^{et zub}ů ^(bř^itů) nástroje

Obr. 12 Průř^{ez t}řísky pro vrtání se šroubovitým vrtákem [30]

Pro výpoč^et řezné síly Fc, posuvové síly Ff a krouticího momentu Mk je možné využít empirické vztahy. Řezné a posuvové síly při vrtání šroubovitým vrtákem jsou vyznačeny na obr. 13.

• výpoč^et ř^{ezné síly}

[ ]

f D C

F_c = _Fc ⋅ ^XFc ⋅ ^YFc (14)

• výpočet posuvové síly

[ ]

f D C

F_f = _Ff ⋅ ^XFf ⋅ ^YFf (15)

• ^výpočet krouticího momentu

[

]

f D C

M_k = _M⋅ ^1+XFc ⋅ ^{YFc −3} (16) kde: CFc, CFf [–] … konstanty pro výpoč^{et sil}

CM [–] … konstanta pro výpočet krouticího momentu xFc, yFc, xFf, yFf [–] … exponenty pro výpočet sil (x vyjadř^{uje vliv}

prů^měru vrtáku, y vliv posuvu na otáč^ku) D [mm] … prů^měr nástroje

f [mm] … posuv nástroje na jednu otáč^ku

• výpoč^et řezného výkonu vrtání šroubovitým vrtákem

[ ]

10 12

v F 10 2 60

v

P_C F^{C c} ₃ ^{C c}₄

⋅

= ⋅

⋅

⋅

= ⋅ (17)

kde: FC [N] ... ř^{ezná síla} vc [m·^{min-1] …} řezná rychlost

• výpočet jednotkového strojního č^asu

Jednotkový strojní č^{as t}AS při vrtání šroubovitým vrtákem se vyjádří na základě obr. 14 vztahem:

[ ]

f n

l l l v

t L ^{n p}

f

AS ⋅

+

= +

= (18)

kde: L [mm] … celková dráha nástroje ln [mm] … délka náběhu nástroje lp [mm] … délka př^eběhu nástroje l [mm] … délka díry

vf [mm·^{min-1] …} posunová rychlost

n [min^-1] … otáčky nástroje (př^ípadně ^obrobku) f [mm] … posuv nástroje na jednu otáč^ku

Obr. 14 Dráha nástroje ve směru posuvu [17]

Obr. 13 Síly př^{i vrtání} šroubovitým vrtákem [17]

Teoretická č^{ást 24} 2.3 Optimalizace řezných podmínek při obrábění

Optimalizace řezných podmínek úzce souvisí s ekonomickou, kvantitativní, resp. kvalitativní stránkou výroby [20]. Optimalizací př^{i obráb}ění se tedy rozumí dosažení maximální produktivity při minimálních nákladech a při zachování požadované jakosti výrobku.

Zásady pro volbu optimálních řezných podmínek:

• řezné podmínky musí zaručit dodržení požadavků na výrobek,

• řezné podmínky musí odpovídat parametrů^{m obráb}ěcího stroje,

• řezné podmínky jsou omezeny tuhostí soustavy SNOP,

• řezné podmínky musí být voleny co nejhospodárně^{ji [14].}

Oblastí př^ípustných řešení optimalizace řezných podmínek rozumíme společnou oblast všech omezujících podmínek, které se v dané úloze vyskytují.

Na obr. 15 je znázorněna optimální trvanlivost T = konst, která se v daném grafu zobrazí jako přímka. Pro tento případ trvanlivosti je oblastí př^ípustných ř^ešení úsečka A – B [20].

Mk max [Nm] … maximálně přípustná velikost kroutícího momentu Fc max [N] … maximálně přípustná velikost řezné síly

Pe [kW] … výkon hlavního elektromotoru T [min] … trvanlivost nástroje

f [mm] … posuv nástroje na jednu otáčku

fs min (max) [mm] … minimální (maximální) posuv dosažitelný na stroji n [min^-1] … otáčky nástroje (případně obrobku)

ap [mm] … šířka záběru ostří při vrtání díry

Obr. 15 Příklad možného tvaru oblasti př^ípustných ř^{ešení; dle [20]}

2.4 Měření sil a momentů při vrtání

Př^{i obráb}ění vniká nástroj, který má tvar řezného klínu, do obrábě^ného materiálu a tvoř^{í se t}říska. Nejprve vznikají pružné deformace a po př^ekroč^ení meze pevnosti materiálu v kluzu dochází k jeho oddělování, kde se tvoří plastické deformace [16]. Kromě ^jevů ^deformač^{ních se p}ři tomto procesu prokazují i silové poměry [26]. Výsledkem řezného procesu jsou tedy složité silové pomě^{ry celé} soustavy stroj – nástroj – obrobek – přípravek (SNOP). Zjiště^{ní t}ěchto silových pomě^rů ^procesu řezání nám umožní získat prů^běh namáhání celé technologické soustavy, a tím podklady pro řešení, jak z hlediska tuhosti, tak i optimalizace řezných podmínek s ohledem na stabilitu břitu nástroje bě^{hem obráb}ě^{ní [17].}

Měření silových pomě^rů ^dě^{líme na:}

• Přímé mě ření – měření složek řezné síly a jejich točivých momentů se zakládá na měření deformací v soustavě ^{SNOP b}ě^{hem obráb}ě^ní pomocí dynamometrů^.

• Nepřímé mě ření – měř^ení řezných sil metodami, které př^evážně vycházejí z výkonu elektromotoru obráběcího stroje.

Základní rozdělení dynamometrů podle aplikované měřící metody:

mechanické, hydraulické, pneumatické, elektrické (indukční, kapacitní, odporové, piezoelektrické) a optické [26].

2.4.1 Piezoelektrický dynamometr

Piezoelektrické dynamometry využívají pro snímání deformace piezoelektrického jevu. Při mechanickém zatížení vznikne na povrchu ně^kterých krystalů elektrický náboj. Základní částí piezoelektrického snímače je vhodně vyř^{íznutá m}ěř^{ící desti}č^{ka z p}říslušného krystalu. Nejpoužívaně^jšími piezoelektrickými materiály je křemen a materiály na bázi titaničitanu barnatého apod. [26].

Piezoelektrické dynamometry patří mezi nejč^astěji využívané měř^ící zařízení pro měření silových pomě^rů ^během procesu obrábění. Mohou být použity při vrtání (kde se jedná o dynamometry dvousložkové) tak i při frézování, broušení a soustružení (kde se jedná o dynamometry třísložkové) nebo pro univerzální použití - č^tyřsložkový dynamometr, který měř^{í složky F}x, Fy, Fz i Mk [29].

Teoretická č^{ást 26} 2.4.2 Kapacitní dynamometr

U elektrických kapacitních dynamometrů se využívá pro měření velikosti deformace změny kapacity snímačů^{. Deforma}č^ní č^{len má v}ětšinou deskovitý tvar, jenž představuje jednu elektrodu kondenzátoru. Pro studium silových pomě^rů bě^hem řezného procesu se výhradně používá kapacitních snímačů, které pracují s proměnnou vzdáleností mezi deskami či elektrodami, která se mění v závislosti na pů^{sobící zát}ěžové síle [26, 29].

2.4.3 Indukční dynamometr

U elektrických indukčních dynamometrů ^dů^{sledkem p}ů^{sobení m}ěř^{ené síly} dochází ke změⁿě ^indukčnosti v obvodu. U těchto dynamometrů ^{se nej}č^astě^ji používají snímače pracující s malou vzduchovou mezerou, která se pů^sobením zátěžové síly mění. Tím se mění impedance magnetického obvodu a v dů^sledku toho i indukčnosti cívky [26].

2.4.4 Odporový dynamometr

U elektrických odporových dynamometrů ^{se pro m}ěření velikosti deformace využívá změny odporu snímačů^{. T}ě^{mto sníma}čů^m říkáme odporové tenzometry.

Změna odporu je způsobená deformací buď ^vodiče nebo polovodiče. Odporový tenzometr je s deformačním elementem pevně spojen a deformují se tedy společⁿě ^[26].

Kovové tenzometry (obr. 16) se používají k měření rozsáhlých deformačních polí složitě namáhaných mechanických konstrukcí, ale i ve snímačích mechanických veličin, jejichž měř^ící člen je deformován pů^sobící měř^{enou veli}činou (hmotností, silou, tlakem, krouticím momentem atd.) [2].

Obr. 16 Ukázka kovových fóliových tenzometrů ^[2]

3. Materiály pro řezné nástroje

Řezné materiály jsou výsledkem intenzivních vývojových operací, které probíhaly hlavně ve 20. století. V souč^{asné dob}ě již jsou známé řezné materiály, které umožňují optimalizaci každé operace obrábě^{ní [1].}

Nástroj je př^{i obráb}ě^{ní zna}čⁿě mechanicky i tepelně namáhán, proto je pro jeho správnou funkci důležité, aby vyhovoval, jak z hlediska konstrukčního, tak i materiálového. Ř^ezná č^{ást (b}řit) je na nástroji nejdů^ležitější, proto musí být zhotovena z př^íslušného řezného materiálu. Postupné otupování bř^{itu m}ů^že následně vést až k celkové destrukci nástroje. Na břitu závisí prů^běh vlastního procesu obrábění, produktivita a hospodárnost obrábě^{ní [17].}

Požadavky kladené na nástrojový materiál:

• tvrdost nástroje musí být vyšší než pevnost obráběného materiálu,

• nástroj musí být odolný proti otěru, houževnatý, musí mít znač^nou pevnost v ohybu a tepelnou vodivost,

• nástroj musí být stálý za vysokých teplot,

• nástroj musí mít odolnost proti vzniku trhlin,

• nástroj musí mít vysokou řezivost (schopnost oddě^{lovat t}řísku) [16].

Mezi nástrojové materiály patř^í:

• nástrojové oceli (NO),

• slinuté karbidy (SK),

• cermety,

• řezná keramika (Ř^K),

• supertvrdé řezné materiály [17].

Aplikační oblasti řezných materiálů jsou vymezeny jejich fyzikálními, chemickými, tepelnými a mechanickými vlastnostmi. Z grafu na obr. 17 vyplývá, že řezné materiály s vysokou tvrdostí mohou pracovat za vyšší řezné rychlosti, ale přⁱ nízké posuvové rychlosti a houževnaté řezné materiály naopak [11]. To je dáno jejich základní vlastností, tvrdost – houževnatost. Není žádný známý ř^ezný materiál, který by za stejných řezných podmínek byl vhodný na všechny obrábě^né materiály [1].

Teoretická č^{ást 28} Obr. 17 Vliv vlastností řezných materiálů ^[11]

3.1 Nástrojové oceli

Nástrojové oceli jsou ř^{azeny ve t}ř^ídě ^{19 a d}ělíme je na:

• nelegované (uhlíkové),

• legované (slitinové),

• vysokolegované (rychloř^ezné).

Jejich použití je různorodé, záleží na chemickém složení a obsahu legujících prvků, jak je vidět v tab. 1 [17].

Tab. 1 Vlastnosti a užití nástrojových ocelí [21]

3.2 Slinuté karbidy

Slinuté karbidy jsou produktem práškové metalurgie, vyrábí se z rů^zných karbidů (karbid wolframu WC, karbid titanu TiC, karbid tantalu TaC akarbid niobu NbC) a kovového pojiva (většinou kobalt Co). Obsahové množství jednotlivých fází

ovlivňuje jejich tvrdost, houževnatost a odolnost proti otě^{ru. Nej}č^astěji se vyrábě^jí ve formě ^vyměnitelných břitových destiček (VBD), ale některé nástroje menších rozmě^rů (vrtáky a frézy) mohou být monolitické [17].

SK pro řezné aplikace jsou buď nepovlakované, nebo se povlakují tenkými povrchovými vrstvami (metoda CVD, PVD atd.). Povlaky mohou být jednovrstvé nebo vícevrstvé. Hlavní fáze výroby SK je vysvětlena na obr. 18 a jejich barevné znač^{ení dle} ČSN ISO 513 je uvedeno na obr. 19 [11].

Obr. 18 Hlavní fáze výroby SK [11]

Obr. 19 Rozdělení SK podle barevného znač^{ení; dle [31]}

3.3 Cermety

Název tohoto řezného materiálu je vytvořen ze slov CERmatic/METal (keramika/kov). Cermety jsou také produktem práškové metalurgie a vyrábí se z keramických částic (karbid titanu TiC, nitrid titanu TiN, karbonitrid titanu TiCN, nitrid tantalu TaN), které jsou v kovovém pojivu (nikl Ni, molybden Mo, kobalt Co).

Teoretická č^{ást 30} V praxi lze cermety považovat za SK, zhotovené na bázi titanu Ti, místo na bázi wolframu W. Vyrábějí se ve formě ^vyměnitelných břitových destič^{ek (VBD)} [1]. Větší obsah karbid titanu TiC způsobuje vysokou tvrdost, proto dochází k poklesu houževnatosti oproti SK. Z tohoto důvodu se cermety př^evážně používají pro dokončovací operace [17].

3.4 Řezná keramika

Keramika je obecně charakterizována jako př^evážně krystalický materiál, jehož hlavní složkou jsou anorganické sloučeniny nekovového charakteru. Výroba řezné keramiky je obdobná jako u slinutých karbidů a cermetů, tedy pomocí práškové metalurgie, ale náročⁿě^{jší [11].}

Keramické řezné materiály jsou tvrdé, mají vysokou tvrdost za tepla anereagují chemicky s materiálem obrobku. Zaručují dlouhou trvanlivost bř^itu, snáší vysokou teplotu (až 1200°C) a mohou být použity při vysokých ř^ezných rychlostech. Vyrábějí se ve formě ^vyměnitelných břitových destič^{ek (VBD).}

Základní rozdělení keramických řezných materiálů ^je:

• oxidová keramika,

• nitridová keramika [17].

3.5 Supertvrdé řezné materiály

Pod všeobecný název supertvrdé materiály lze zahrnout dva synteticky vyrobené materiály, a to:

• polykrystalický kubický nitrid bóru (PKNB),

• polykrystalický diamant (PKD).

Vzhledem k vynikajícím mechanickým vlastnostem, jako je pevnost v tlaku, tvrdost atd., lze PKD i PKNB především použít jako řezné nástrojové matriály pro speciální aplikace. Hlavní nevýhodou v souč^{asné dob}ě je jejich vysoká poř^izovací cena [11]. Supertvrdé řezné materiály jsou v technologické praxi aplikovány jako brousící kotouče obsahující diamantové prášky, nebo prášky kubického nitridu bóru, dále brousící pasty, řezné nástroje osazené segmenty PKD nebo PKNB, orovnávače apod. [17].

4. Opotřebení břitu řezného nástroje

Bě^{hem obráb}ění vzniká v ř^ezné části nástroje velké množství tepla, které se vyvíjí na ploše č^{ela a h}řbetu. Procesem utvář^{ení t}ř^{ísky se pr}ů^bě^žně ^vytvář^{í p}řⁱ vysokém tlaku ateplotě ^kovově čistý povrch, který má sklon k chemickým reakcím nebo k difůzním procesů^{m. V}ětšina obráběných materiálů obsahuje tvrdé č^ástice různého druhu, a tak dochází k abrazivnímu efektu [17].

Kombinací těchto mechanických, tepelných, chemických a abrazivních faktorů dochází k opotř^{ebení b}řitu nástroje. Základní mechanismy opotřebení jsou uvedeny na obr. 20 [26].

Pochopení mechanismů ^opotřebení a prů^běhu otupování břitu vede ke správnému výbě^ru řezných matriálů^{, k p}ř^{esné volb}ě geometrie břitu a k použití vhodných řezných podmínek př^{i obráb}ě^{ní [1].}

Obr. 20 Hlavní mechanismy opotř^{ebení b}řitu nástroje [26]

4.1 Kvantifikace opotřebení břitu

Opotř^{ebení b}řitu je významným parametrem řezného procesu. Kvantifikuje se rozměrovými charakteristikami, které jsou vztažené k postupnému opotř^{ebování b}ř^itu řezného nástroje – viz Příloha 2. Tyto rozměry jsou zakótovány.

Na obr. 21 je znázorněna aplikace tě^{chto rozm}ěrových charakteristik opotř^ebení na šroubovitém vrtáku. Při pohledu na bř^{it p}řes lupu můžeme tedy posoudit, do jaké míry je opotřeben, a navrhnout tak odpovídající řezné podmínky a tím prodloužit trvanlivost nástroje [17, 26].

Teoretická č^{ást 32} Obr. 21 Parametry opotř^{ebení b}ř^itů šroubovitého vrtáku; dle [35]

4.2 Časový průběh opotřebení

K postupnému opotř^{ebování b}ě^hem řezného procesu dochází ihned po nasazení nového nebo př^eostřeného nástroje. Opotř^{ebení b}ř^{itu se nej}č^astě^{ji uvádí} ve tvaru závislosti VB = f (t), kde t je č^as řezného procesu a VB je šíř^{ka opot}ř^ebení na hř^{betu. Pr}ů^běh této závislosti je charakteristický třemi oblastmi viz obr. 22 [17, 26].

Obr. 22 Typické prů^bě^{hy opot}řebení VB a KT na doběřezání; dle [26]

II. EXPERIMENTÁLNÍ Č ÁST

5. Popis stroje a m ěř icích p ř ístroj ů

Obrábění bylo realizováno na vrtačce VR 4, ostření nástrojů na brusce N 1.

Jako měřicí přístroje byly použity: dynamometr s tenzometrickými snímači, nástrojová lupa Brinell, mikroskop Arsenal SZP 3112 – T a laboratorní profiloměr Mitutoyo SV - 2000 N2.

Veškeré použité stroje a měřicí přístroje patří do vybavení laboratoře KOM TU v Liberci.

5.1 Otočná vrtačka VR 4 [34]

Vrtání bylo provedeno na stroji značky MAS typového označení VR 4 (obr.

23). Tento stroj byl vyroben v roce 1948, slouží k obrábění středně velkých obrobků kusové výroby, ale při použití vrtacích přípravků je vhodný i pro sériovou výrobu.

Vřeteník obsahuje převodové ústrojí pro pohon i posuvy vřetena. Všechny ovládací páky a ruční kola jsou umístěny na vřeteníku. Ústrojí na zvedání ramena se pohání elektromotorem. Rameno s pláštěm je drženo v pracovní poloze upínacím zařízením, ovládaným ručně. Při zajištění polohy pláště je jištěn zároveň i vřeteník na ramenu.

Hlavní rozměry a technické parametry vrtačky VR 4

Uvedené rozměry a technické parametry jsou pouze základní, podrobnější informace - viz Příloha 3.

• Otáčky vřetena:

počet stupňů 12 ---

rozsah otáček v normální řadě 45 - 2000 [ot/min]

• Posuvy vřetena:

počet 10 ---

rozsah 0,025 -1,58 [mm/ot]

Experimentální část ³⁴

• Elektromotor a pohon vřetena:

otáčky 1420 [ot/min]

výkon 3 [kW]

• Hmotnost stroje s normálním příslušenstvím 2600 [kg]

• Celková výška stroje 2860 [mm]

Obr. 23 Otočná vrtačka VR 4 5.2 Nástrojová univerzální bruska N 1 [34]

Ostření nástrojů bylo realizováno na brusce typového označení N 1 (obr.

24). Tímto strojem se ostří břity menších řezných nástrojů (soustružnické nože, frézy, vrtáky, výstružníky atd.).

Vřeteník je neotočný a pohání se plochým řemenem od elektromotoru.

Brusné vřeteno má dva konce, do kterých se uchycují výměnné trny s brusnými kotouči. Pohyblivý pracovní stůl je ovládán ručně. Na upínací plochu stolu se upevňují přípravky na upnutí nástrojů.

Hlavní rozměry a technické parametry vrtačky VR 4

Uvedené rozměry a technické parametry jsou pouze základní, podrobnější informace - viz Příloha 3.

• Průměr brusného kotouče 50 – 200 [mm]

• Otáčky vřetena 3200, 4800 [ot/min]

• Elektromotor 1,1 [kW]

• Hmotnost stroje 480 [kg]

• Rozměry stroje (délka x šířka) 1280 x 760 [mm]

Obr. 24 Nástrojová univerzální bruska N 1 5.3 Dynamometr s tenzometrickými snímači [8]

Pro měření řezných sil Fc a krouticích momentů Mk byl použit dynamometr s tenzometrickými (odporovými) snímači (obr. 25), který byl zkonstruován na KOM TU v Liberci.

Těleso odporového dynamometru tvoří věnec, který je pevně spojený se stolem vrtačky, dále ramena a střední část - viz schéma na obr. 26. Celé těleso je vyrobeno z jednoho kusu oceli. Obrobek je upínán na střední část, která je s věncem pevně spojena čtyřmi rameny. Ramena tvoří pružné elementy dynamometru a jsou na nich nalepeny tenzometrické snímače. Princip a ukázka tenzometrických snímačů jsou uvedeny v kapitole 2.

Experimentální část ³⁶

Obr. 25 Dynamometr

Kompletní souprava pro měření složek celkové řezné síly a krouticího momentu se skládá z dynamometru s měřicí tenzometrickou aparaturou TDA – 3 a osobního počítače, který zpracovává přivedený signál pomocí programu INMES.

Celá tato souprava je znázorněna na obr. 27. Pro její správnou funkci je nutné provést kalibraci. Kalibrace se realizuje pomocí siloměrné vidlice a to jak pro posuvovou sílu Ff, tak i pro krouticí moment Mk. Schéma obou kalibrací naznačuje obr. 28.

Obr. 28 Kalibrace dynamometru[8]

Obr. 27 Schéma soupravy pro měření sil a krouticích momentů; dle [8]

Kalibrace pro krouticí moment Mk Kalibrace pro posuvovou sílu Ff

Dynamometr Tenzometrická

aparatura PC

Obr. 26 Schéma tělesa dynamometru; dle [8]

5.4 Nástrojová lupa Brinell

Opotřebení břitů šroubovitých vrtáků bylo měřeno nástrojovou lupou Brinell (obr. 29) přímo na pracovišti stroje. Zvětšení této lupy je 24x a stupnice je rozdělena po 0,05 mm. Hlavní výhodou této lupy je rychlost měření s uspokojivým výsledkem.

Obr. 29 Nástrojová lupa Brinell 5.5 Mikroskop Arsenal SZP 3112 – T

Pro pořízení snímků šířky opotřebení na hřbetu VB byl použit mikroskop značky Arsenal typu SZP 3112 – T, který má připojenou laboratorní kameru LABO 3MP. Tato kamera je propojena s osobním počítačem, kde je snímek zaznamenán pomocí programu MINISEE. Celá sestava pro pořizování snímků opotřebených břitů je znázorněna na obr. 30.

Střední část dynamometru s obrobkem

Vnější věnec dynamometru Ramena dynamometru

Experimentální část ³⁸ Obr. 30 Sestava pro pořizování snímků opotřebených břitů

5.6 Laboratorní profiloměr Mitutoyo SV - 2000 N2

Pro vyhodnocení drsnosti byla použita sestava, která obsahuje laboratorní profiloměr Mitutoyo SV - 2000 N2, elektrickou jednotku a osobní počítač s nainstalovaným programem SURFPARK. Celá tato sestava je znázorněna na obr. 31. Program SURFPARK (verze 1.100) je speciálně navržen pro ovládání a zpracování hodnot z profiloměru Mitutoyo SV - 2000 N2. Ovládán je pomocí ikon a výstupy mají grafickou a textovou formu. Jedná se o indukční měřící systém.

Tímto zařízením lze měřit výškové a délkové hodnoty drsnosti povrchu. Technické parametry přístroje a seznam měřených veličin – viz Příloha 4.

Obr. 31 Sestava pro měření drsnosti povrchu

6. P ř íprava zkušebních vzork ů pro experiment

Příprava zkušebních vzorků GP byla realizována v prostorách laboratoře katedry materiálu (KMT) na TU v Liberci. Byly zhotoveny dvě sady vzorků GP po třech kusech. Všechny vzorky byly válcového tvaru o průměru 120 mm a délky od 40 mm do 45 mm.

1. sada: GP s plnivem popílek o obsahu 40 %, GP s plnivem kámen o obsahu 40 %, GP s plnivem lupek o obsahu 40 %.

2. sada: GP s plnivem popílek typu K6 o obsahu 40 %, GP s plnivem popílek typu K6 o obsahu 30 %, GP s plnivem popílek typu K6 o obsahu 20 %.

První sada tří vzorků (GP s plnivem popílek, kámen a lupek o obsahu 40 %) - viz obr. 32. Hrany nebyly poškozené. Dolní (plocha u dna formy) a horní plochy byly na povrchu bez viditelných dutin.

Obr. 32 Vzorky geopolymerů s plnivem popílek, kámen a lupek o obsahu 40 % Druhá sada tří vzorků (GP s plnivem popílek typu K6 o obsahu 40 %, 30 % a 20 %) – viz obr. 33. Kvalita vzorků z 2. sady byla oproti vzorkům z 1. sady vizuálně horší. Hrany u horní plochy všech tří vzorků byly poškozené již před obráběním. Horní plochy všech tří vzorků měly viditelné dutiny. Na obr. 34 je ukázka poškozené hrany u GP s plnivem popílek typu K6 s obsahem 20 % (vzorek P 20 K6). Detail dutin horní plochy u vzorku P 20 K6 - viz obr. 35.

Dále byl testován vzorek materiálu Necuron 651 (obr. 36), který byl také dodán z KMT na TU Liberec. Vzorek byl tvaru čtyřbokého hranolu o rozměrech

Experimentální část ⁴⁰ 145 mm x 145 mm x 100 mm. Oblasti použití a technická data materiálu Necuron udává Příloha 5.

Obr. 33 Vzorky geopolymerů s plnivem popílek různého procentuálního obsahu

Obr. 34 Horní plocha GP s plnivem popílek typu K6 s obsahem 20 %

40 % K6 30 % K6 20 % K6

Obr. 36 Necuron 651 Obr. 35 Dutiny GP s plnivem

popílek typu K6 o obsahu 20 %

7. Metodika pro obráb ě ní geopolymer ů vrtáním

Pro vrtání geopolymerů byla použita otočná radiální vrtačka typového označení VR 4 patřící do strojního vybavení laboratoře KOM.

Měření probíhalo ve dvou sériích. V první sérii byly dané experimenty uskutečněny šroubovitými vrtáky o průměru 8 mm z RO s povlakem TiN. Ve druhé sérii byly tyto nástroje pro realizaci experimentů přeostřeny.

Ostření nástrojů bylo provedeno na brusce typového označení N 1 taktéž patřící do strojního vybavení laboratoře KOM.

Kritériem všech experimentů bylo zvoleno dosažení šířky opotřebení na hřbetu VBkr = 0,5 mm. Veškeré experimenty byly realizovány bez přívodu procesní kapaliny.

Obrobek byl upnutý pomocí svěráku přímo na dynamometru, který snímá síly a krouticí momenty. Vrták byl upnutý do tříčelisťového sklíčidla a dále do dutiny vřetena pomocí Morse kuželu. Nastavované řezné podmínky a názvy provedených experimentů uvádí tab. 2.

Technologií vrtání bylo testováno 6 vzorků z geopolymerů. Čtyři vzorky GP s plnivem popílek o obsahu 40 %, 40 % K6, 30 % K6 a 20 % K6. Jeden vzorek GP s plnivem lupek o obsahu 40 % a jeden GP s plnivem kámen také o obsahu 40 %.

Dále se testoval vzorek materiálu Necuron 651, který byl brán jako vzorový.

Obrobené vzorky se posuzovaly jak z hlediska nástroje, kde byla hodnocena šířka opotřebení na hřbetu VB, velikosti posuvových sil Ff, velikosti řezných sil Fc a krouticích momentů Mk, tak i z hlediska obrobku, kde se jednalo o parametry drsnosti povrchu Ra a Rz, parametr nosného podílu profilu ctp50

a celkové vizuální hodnocení obrobených vzorků, zejména okrajů otvorů po vrtání.

Nosný (materiálový) podíl profilu je graficky vyjádřen pomocí Abbottovy křivky. Při hodnocení grafického vyjádření nosného podílu profilu se přihlíží k poloze křivky a k jejímu průběhu. Výše položená křivka s nižším sklonem prezentuje profil s větším podílem kovového materiálu těsně pod povrchem a naopak. Příklady Abbottových udává Příloha 7. Jedním z možných číselných vyjádření nosného podílu profilu je parametr ctp50, který značí hladinu řezu v níž platí, že podíl materiálu a vzduchu je 1:1 (50% kovového materiálu a 50 % vzduchu) [6].

Pro měření šířky opotřebení na hřbetu VB byla použita nástrojová lupa

Experimentální část ⁴² Brinell. Síly a krouticí momenty působící během procesu obrábění byly snímány dynamometrem s tenzometrickými snímači pomocí měřicí aparatury TDA – 3, a poté byly zpracovány a vyhodnoceny programem INMES. Snímky šířky opotřebení na hřbetu byly pořízeny na mikroskopu Arsenal SZP 3112 – T, který disponuje kamerou Labo 3MP. Zhotovené snímky byly zaznamenány pomocí programu MINISEE. Hodnoty drsnosti povrchu byly měřeny laboratorním profiloměrem Mitutoyo SV – 2000 N2 a následně vyhodnoceny pomocí programu SURFPARK.

Pro vyhodnocení opakování měření byly použity statistické výpočty.

Jednalo se o výpočet konfidenčního intervalu (statistický interval spolehlivosti), který udává, že další výsledky měřeného experimentu budou s předpokládanou pravděpodobností umístěny v tomto intervalu [4].

• střední hodnota

m x x

m 1

i i

∑

= = (19)

• normalizovaná odchylka

( )

1 m

x x s

n 1 i

2 i

−

−

=

∑

• statistický interval spolehlivosti

1 m q s x x_max

⋅ − +

= (21)

1 m q s x x_min

⋅ −

−

= (22)

kde: xi … i-tá hodnota statistického souboru m … celkový poč_{et hodnot}

q … konstanta pro úroveň spolehlivosti 95, 99 a 99,9 %

Grafické závislosti veškerých naměřených a odečtených hodnot z laboratoře KOM byly zpracovány pomocí programu Microsoft Office Excel 2003.

Všechna měření byla realizována na pracovištích laboratoře KOM zcela v souladu s požadavkem na bezpečnost práce.

Tab. 2 Metodika experimentů při obrábění vrtáním

Stroj otočná radiální vrtačka VR 4, nástrojová univerzální bruska N 1 Obráběný

materiál

GP s plnivem popílek 40 %, 20 % K6, 30 % K6, 40 % K6 – VZOREK P 40, P 20 K6, P 30 K6, P 40 K6, rozměr: Ø Do = 120 mm, lo = 45 mm GP s plnivem kámen 40% – VZOREK K 40, rozměr: Ø Do = 120 mm, lo = 40 mm GP s plnivem lupek 40% – VZOREK L 40, rozměr: Ø Do = 120 mm, lo = 40 mm Necuron 651 rozměr: 145 x 145 x 100 mm

Nástroj šroubovitý vrták Ø D = 8 mm RO – TiN, PN 2931 – DIN 338 RN Řezné

prostředí bez procesní kapaliny (okolní vzduch) Číslo a

název experimentu

č. 1

Opotřebení nástroje za konst.

řezných podmínek

č. 2

Opotřebení nástroje v závislosti na změně řezné rychlosti a posuvu č. 3 Průchozí otvor

Řezné podmínky

a) řezná rychlost:

vc = 1,13 m·min^-1 (n = 45 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,025 mm (VZOREK P 40, K 40, L 40, Necuron 651)

b) řezná rychlost:

vc = 6,28 m·min^-1 (n = 250 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,16 mm (VZOREK P 20 K6, P 30 K6 , P 40 K6)

a) řezná rychlost:

vc1 = 1,13 m·min^-1 (n1 = 45 min^-1) vc2 = 3,14 m·min^-1 (n2 = 125 min^-1) vc3 = 6,28 m·min^-1 (n3 = 250 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,025 mm b) řezná rychlost:

vc1 = 1,13 m·min^-1 (n1 = 45 min^-1) vc2 = 3,14 m·min^-1 (n2 = 125 min^-1) vc3 = 6,28 m·min^-1 (n3 = 250 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,063 mm

c) řezná rychlost:

vc1 = 1,13 m·min^-1 (n1 = 45 min^-1) vc2 = 3,14 m·min^-1 (n2 = 125 min^-1) vc3 = 6,28 m·min^-1 (n3 = 250 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,16 mm (VZOREK P 40)

a) řezná rychlost:

vc = 1,13 m·min^-1 (n = 45 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,025 mm (VZOREK K 40)

b) řezná rychlost:

vc = 6,28 m·min^-1 (n = 250 min^-1) posuv na otáčku: f = 0,16 mm (VZOREK P 20 K6)

Způsob

vrtání do plného materiálu

VZOREK P 40, P 20 K6, P 30 K6, P 40 K6, Necuron 651: lmax = 20 mm; VZOREK K 40 a L 40: lmax = 17 mm průchozí Měřicí

přístroje nástrojová lupa Brinell, dynamometr s tenzometrickými snímači Opakování

měření 5x pro každý experiment Měřené

veličiny

posuvová síla Ff [N]

krouticí moment Mk [Nm]

šířka opotřebení na hřbetu VB [mm]

průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra [µm]

největší výška profilu Rz [µm]

Experimentální č^{ást 44} 7.1 Postup pro realizaci experimentu

Před zahájením experimentu byla vždy provedena příprava pracoviště stroje. Jednalo se o přípravu vzorků^{, nástroj}ů ^{a m}ěř^{icích p}ř^ístrojů, zejména soupravy pro měření sil a krouticích momentů, na které bylo zapotřebí provést kalibraci. Princip kalibrace je popsán v kapitole 5.

Dále byly na vrtačce zvoleny jednotlivé podmínky: řezná rychlost nástroje, posuv vřetena stroje a koncový doraz pro požadovanou délku vrtaného otvoru (ovládací páky a ruční kola pro nastavení těchto podmínek se nacházejí na vřeteníku – viz kapitola 5). Nakonec byl do vřetena stroje upnut obráběcí nástroj a obrobek na pracovní stů^{l stroje.}

Po tě^{chto p}řípravách mohl být stroj spuštěn a probíhalo vlastní měř^ení.

7.2 Způsob měření a provedení experimentů

Opotřebení nástroje bylo měř^{eno p}římo na pracovišti stroje po odvrtání určité délky otvoru, tyto hodnoty - viz Příloha 6. Síly a krouticí momenty byly měř^{eny v pr}ů^bě^{hu obráb}ění. Drsnost obrobeného povrchu byla měř^{ena po} dokončení daných pokusů na stroji a byla kontrolována v pěti místech otvoru.

V první sérii měření byl proveden experiment č. 1 a 2. V experimentu č^{. 1} byly testovány vzorky P 40, K 40, L 40, kde se jednalo o zjišťování trvanlivosti nástroje za konstantní řezné rychlosti a posuvu na otáčku. V experimentu č^{. 2 byl} testován vzorek P 40, kde šlo o posuzování vlivu posuvu na otáč^{ku a} ř^ezné rychlosti na trvanlivost nástroje. Síly a krouticí momenty k experimentu č. 1 a 2 byly doměřeny ve druhé sérii.

Druhá série měření byla uskutečⁿě^{na p}ř^eostřenými vrtáky, kde byly provedeny experimenty č. 1 a 3. V experimentu č. 1 byly testovány vzorky P 40, K 40, P 20 K6, P 30 K6, P 40 K6, Necuron 651, kde se jednalo opě^{t o zjiš}ť^ování trvanlivosti nástroje za konstantní řezné rychlosti a posuvu na otáč^ku.

V experimentu č. 3 byly testovány vzorky P 20 K6 a K 40, šlo v něm o vizuální hodnocení průchozího otvoru v místech, kde nástroj vychází z řezu (zejména okraj otvoru).