Seznam obrázků... 4 Seznam grafů... 6 Seznam tabulek... 7 Seznam zkratek a značek... 8 Úvod Analýza současného stavu řešeného problému...

Transkript

1 Obsah Seznam obrázků... 4 Seznam grafů... 6 Seznam tabulek... 7 Seznam zkratek a značek... 8 Úvod Analýza současného stavu řešeného problému Obrábění Teorie řezání Definice základních veličin procesu řezání Úhlové prvky řezného klínu Transformace úhlových veličin Určení pohybů při řezání Kinematika frézování Řezné podmínky Tvorba třísky Jevy vznikající při obrábění Emise prašnosti při vysokorychlostním obrábění rostlého dřeva Proces otupování nástroje Ostření nástrojů Konstrukce, upnutí a vyvážení nástroje Konstrukce nástrojů Nástrojové materiály pro obrábění dřeva Upínání nástrojů Usazení nožů a vyvážení nástroje Frézování Frézování válcovou frézou Vysokorychlostní frézování Provoz a bezpečnost při frézování Problematika vyhodnocování kvality obrobených ploch Základní pojmy metrologie povrchu Základní parametry metrologie povrchu Výškové parametry Délkové parametry Metody hodnocení kvality povrchu Vizuální metoda Porovnávací metoda Dotykové metody Pneumatický snímač Indukční snímač Piezoelektrický snímač Interferometrický laserový snímač (PGI) Atomic force microscopy (AFM)

2 1.8.4 Bezdotykové metody Fotometrické hodnocení Laserový triangulační snímač (PSD) Konfokální snímač (CLA) Elektronový mikroskop - Scanning electron microscopy (SEM) Cíle práce Materiál Smrk ztepilý (Picea abies L.) Buk lesní (Fagus silvatica L.) Strojové a přístrojové vybavení Stroj a nástroj pro frézování dřeva Popis frézovacího standu Ovládání standu Měřící a řídící systém standu Nástroj Přístroje pro stanovení fyzikálních vlastností dřeva Bezhrotový vlhkoměr HMB-WS Laboratorní váha Vibra AJ-420-CE Zařízení pro snímání povrchu vzorků Talysurf CLI Talymap Platinum Popis programu Talymap Platinum Nejdůležitější nástroje pro analýzy povrchu dřeva: Metodika práce Výběr a příprava vzorků pro experimentální měření Metodika stanovení fyzikálních vlastností vzorků dřeva Nastavení stroje a frézování vzorků dřeva Vstupní parametry stroje Metodika zjišťování parametrů povrchu vzorků CLA senzorem Měření povrchu vzorků přístrojem Talysurf CLI Metodika vyhodnocení parametrů povrchu programem Talymap Platinum Metodika vyhodnocení naměřených dat statistickými metodami Dosažené výsledky a diskuse Stanovení fyzikálních vlastností dřeva Grafické znázornění naměřených dat Tabulky naměřených hodnot parametrů povrchu vzorků Vyhodnocení naměřených dat statistickými metodami ANOVA parametrů povrchu bukových vzorků s konstantní a p ANOVA parametrů povrchu smrkových vzorků s konstantní a p ANOVA parametrů povrchu bukových vzorků při změně a p ANOVA parametrů povrchu smrkových vzorků při změně a p Diskuse Přínosy disertační práce Vědecko-výzkumné přínosy dizertační práce Využití výsledků dizertační práce v praxi

3 9 Souhrn Summary Literatura Přílohy

4 Seznam obrázků Obrázek 1.1: Základní směry řezání: Obrázek 1.2: Schéma otevřeného řezání Obrázek 1.3: Schéma uzavřeného řezání Obrázek 1.4: Úhlové prvky nástroje Obrázek 1.5: Kinematické schéma rovinného frézování a definice veličin pro popis procesu 16 Obrázek 1.6: Typy třísek vznikající při obrábění Obrázek 1.7: Schéma oddělování třísky Obrázek 1.8: Konvence prachu jako procento z poletavého prachu Obrázek 1.9: Průběh otupování nástroje Obrázek 1.10: Moderní automatická ostřička dřevoobráběcích nástrojů Obrázek 1.11: Druhy fréz: a) bimetalická; b) demontovatelné Obrázek 1.12: Druhy fréz: a) kotoučová; b) válcová; c) stopková Obrázek 1.13: Zobrazení volby materiálu břitu dle parametrů obrábění (Uhlář 2007) Obrázek 1.14: Způsob upínání nože (A) a frézy (B) Obrázek 1.15: Schéma oddělování třísky při válcovém frézování Obrázek 1.16: Působení sil při sousledném frézování Obrázek 1.17: Působení sil při nesousledném frézování Obrázek 1.18: Druhy frézování (Prokeš 1984) Obrázek 1.19: Způsoby frézování podle polohy osy otáčení nástroje (Prokeš, 1978): Obrázek 1.20: Kinematika pohybu rotujícího nástroje při nesousledném frézování Obrázek 1.21: Kinematika pohybu rotujícího nástroje při sousledném frézování Obrázek 1.22: Volby řezné rychlosti a otáček nástroje v závislosti na průměru nástroje Obrázek 1.23: Nomogram hloubky nerovností (Nemec, 1985) Obrázek 1.24: Graf pohledu na problematiku v obecné poloze Obrázek 1.25: Zkušební stand pro vysokorychlostní frézování Obrázek 1.26: Rozlišení drsnosti povrchu Obrázek 1.27: Rozlišení vlnitosti povrchu Obrázek 1.28: Rozlišení tvaru povrchu Obrázek 1.29: Délky definovány pro měření struktury povrchu Obrázek 1.30: Tři typy profilů povrchu dle ČSN EN ISO Obrázek 1.31: Základní prvky profilu

5 Obrázek 1.32: Největší výška výstupku profilu Obrázek 1.33: Největší hloubka výstupku profilu Obrázek 1.34: Největší výška profilu Obrázek 1.35: Průměrná aritmetická úchylka profilu Obrázek 1.36: Průměrná kvadratická úchylka profilu Obrázek 1.37: Celková výška profilu Obrázek 1.38: Průměrná šířka prvků profilu Obrázek 1.39: Vizuální metoda Obrázek 1.40: Porovnávací metoda Obrázek 1.41: Pneumatický senzor snímání povrchu Obrázek 1.42: Schéma indukčního snímače Obrázek 1.43: Schéma piezoelektrického snímače Obrázek 1.44: Schéma interferometrického laserového snímače Obrázek 1.45: Schéma AFM snímače Obrázek 1.46: Schéma měřící CCD aparatury Obrázek 1.47: Schéma činnosti laserového triangulačního snímače Obrázek 1.48: Schéma činnosti konfokální snímače ( 54 Obrázek 1.49: Schéma SEM snímače Obrázek 3.1: Textura smrku Obrázek 3.2: Textura buku lesního Obrázek 4.1: Obráběcí prostor zkušebního standu Obrázek 4.2: Pohled na pohonné jednotky Obrázek 4.3: Elektrorozvodná skříň stroje s měřícím zařízením Obrázek 4.4: Hlavní řídící panel Obrázek 4.5: Pohled na nastavení přes dotykový displej Obrázek 4.6: Řídicí jednotka Modikon Obrázek 4.7: Válcová fréza Benmet a nůž Pilana HS Obrázek 4.8: Fréza Benmet a detail stavu ostří nožů nástroje Obrázek 4.9: Princip činnosti přístroje HMB-WS25 ( 64 Obrázek 4.10: Digitální vlhkoměr HMB WS Obrázek 4.11: Digitální váhy Vibra AJ-420-CE ( 66 Obrázek 4.12: Přístroj Talysurf CLI 1000 s konfokálním snímačem Obrázek 4.13: Schéma konfokálního snímače ( 68 Obrázek 4.14: Součásti přístroje Talysurf CLI 1000 ( 69 5

6 Obrázek 4.15: Dokument v programu Talysurf Platinum Obrázek 5.1: Rozměry frézovaného bukového a smrkového hranolu Obrázek 5.2: Zkušební vzorek buku pro zjišťování vlhkosti Obrázek 5.3:Správné upevnění nástroje do stroje Obrázek 5.4: Nesousledné frézování dvěma noži (Nutsch a kol. 1999) Obrázek 5.5: Správné umístění vzorku pod snímač ( 80 Obrázek 6.1: 3D zobrazení povrchu části bukového vzorku Obrázek 6.2: 2D řez měřeného povrchu vzorku Obrázek 6.3: 2D řez vlnitosti zkoumaného vzorku Obrázek 6.4: 2D drsnosti zkoumaného povrchu Obrázek 6.5: 3D zobrazení povrchu vzorku s popisem jednotlivých úkazů Obrázek 6.6: Zobrazení vlnitosti povrchu s označením průměrných roztečí vlnek Seznam grafů Graf 6.1: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr R a u dřeviny buk Graf 6.2: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr R z u dřeviny buk Graf 6.3: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr W a u dřeviny buk Graf 6.4: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr W sm u dřeviny buk Graf 6.5: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr R a u dřeviny smrk Graf 6.6: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr R z u dřeviny smrk Graf 6.7: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr W a u dřeviny smrk Graf 6.8: Interakce úběru na zub a otáček nástroje na parametr W sm u dřeviny smrk Graf 6.9: Parametr R a při změně tloušťky úběru a p u buku Graf 6.10: Parametr R z při změně tloušťky úběru a p u buku Graf 6.11: Parametr W a při změně tloušťky úběru a p u buku Graf 6.12: Parametr W sm při změně tloušťky úběru a p u buku Graf 6.13: Parametr R a při změně tloušťky úběru a p u smrku Graf 6.14: Parametr R z při změně tloušťky úběru a p u smrku Graf 6.15: Parametr W a při změně tloušťky úběru a p u smrku Graf 6.16: Parametr W sm při změně tloušťky úběru a p u smrku

7 Seznam tabulek Tabulka 1.1: Nástrojové materiály Tabulka 1.2: Značení nejpoužívanějších druhů rychlořezných ocel, dle různých norem Tabulka 1.3: Teoreticky vyjádřené posuvné rychlosti pro různé frézování (Nemec, 1985) Tabulka 1.4: Řezné rychlosti vc frézovacích nástrojů z nástrojové oceli (Nemec, 1985) Tabulka 1.5: Řezné rychlosti vc frézovacích nástrojů ze slinutých karbidů (Nemec, 1985) Tabulka 4.1: Technická data přístroje HM8-WS Tabulka 4.2: Technická data přístroje Vibra AJ-420-CE Tabulka 4.3: Rozsah a rychlost měření CLA senzorem Tabulka 5.1: Vypočtené hodnoty posuvu podle otáček a úběru na zub, řezná rychlost Tabulka 5.2: Hodnoty tloušťky odebírané vrstvy při posuvu 12m.min -1 a pro 2. sérii pokusů. 78 Tabulka 6.1: Naměřené hodnoty parametrů povrchu bukových vzorků Tabulka 6.2: Naměřené hodnoty parametrů povrchu smrkových vzorků Tabulka 6.3: Naměřené hodnoty parametrů povrchu vzorků při změně a p Tabulka 6.5: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R a u dřeviny buk Tabulka 6.6: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R z u dřeviny buk Tabulka 6.7: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W a u dřeviny buk Tabulka 6.8: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W sm u dřeviny buk Tabulka 6.9: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R a u dřeviny smrk Tabulka 6.10: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R z u dřeviny smrk Tabulka 6.11: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W a u dřeviny smrk Tabulka 6.12: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W sm u dřeviny smrk Tabulka 6.13: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R a u buku Tabulka 6.14: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R z u buku Tabulka 6.15: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W a u buku Tabulka 6.16: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W sm u buku Tabulka 6.17: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R a u smrku Tabulka 6.18: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R z u smrku Tabulka 6.19: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr R a u smrku Tabulka 6.20: Jednorozměrné testy významnosti pro parametr W sm u smrku

8 Seznam zkratek a značek Zkratky a značky vztahující se k obrábění: α... úhel hřbetu [ ] β... úhel ostří [ ] γ... úhel čela [ ] δ... úhel řezu [ ] ρ... poloměr zaoblení břitu [µm] φ m... střední úhel řezu [ ] h m... střední tloušťka třísky [mm] f z... posuv na zub [mm] v f... posuvová rychlost [m.min -1 ] n... otáčky nástroje [min -1 ] z... počet zubů [ ] y... hloubka vlnek [mm] a p... tloušťka odebírané vrstvy (třísky) [mm] R... poloměr nástroje [mm] v c... obvodová rychlost [m.s -1 ] D... průměr nástroje [mm] r... poloměr nástroje [mm] d... průměr otvoru pro hřídel [mm] 8

9 Zkratky a značky vztahující se k hodnocení povrchu: P... parametr vypočítaný ze základního profilu [µm] R... parametr vypočítaný z profilu drsnosti [µm] W... parametr vypočítaný z profilu vlnitosti [µm] S... parametr vypočítaný z prostorového měření [µm] p... výstupek profilu [µm] v... prohlubeň profilu [µm] l... základní délka [µm] l n... vyhodnocovaná délka [µm] cut-off... mezní vlnová délka [µm] L... délka snímání [µm] Z(x)... hodnota souřadnice Z na ose x [µm] Z p... výška výstupku profilu [µm] Z v... hloubka prohlubně profilu [µm] Z t... výška prvku profilu [µm] X s... šířka prvku profilu [µm] P p, R p, W p... největší výška výstupku profilu [µm] P v, R v, W v... největší hloubka prohlubně profilu [µm] P c, R c, W c... průměrná výška prvků profilu [µm] P z, R z, W z... největší výška profilu [µm] P t, R t, W t... celková výška profilu [µm] P a, R a, W a... průměrná aritmetická úchylka profilu [µm] P q, R q, W q... průměrná kvadratická úchylka profilu [µm] P sm, R sm, W sm... průměrná šířka prvků profilu [mm] 9

10 Úvod Modifikace dřevařských strojů a nástrojů je cestou ke zvýšení pružnosti a rychlosti obrábění, vyžadují rovněž uplatnění zpětné vazby při řízení a optimalizaci parametrů, zohledňujících dosažení požadované kvality obrobků. Zhodnotíme-li technické parametry dřevoobráběcích strojů od počátku dvacátého století, pak zjistíme, že několikrát vzrostla u jednotlivých typů řezná obvodová rychlost nástrojů, došlo k instalaci pohonů s vyššími výkony, zvýšily se posuvné rychlosti obrobků a tím se také několikanásobně zvýšila produktivita práce. Řezný proces je závislý na mnoha vstupních veličinách, současné výzkumy řezných procesů ukázaly, že existuje mnoho parametrů a veličin, které ovlivňují parametry kvality povrchu, opotřebení nástroje, prašnosti a hluku. Jedním z významných úspěchů našeho pracoviště obrábění dřeva na Ústavu základního zpracování dřeva je získávání zkušeností v oblasti vysokorychlostního obrábění materiálů na bázi dřeva. Nezbytným předpokladem při řešení této problematiky bylo osvojení si základních postupů při provádění měření a zpracování výsledků. Důležitou podmínkou řešení úkolu bylo získání experimentálního standu pro vysokorychlostní frézování formou dlouhodobé zápůjčky od TOS Svitavy a.s, v rámci řešení projektu Eureka. Experimentální frézka je umístěna v dílenském zařízení Josefov patřící ke Školnímu lesnímu podniku Mendelovy univerzity. Dalším velkým úspěchem bylo navázání spolupráce s doc. Emilem Svobodou, CSc., jenž pracuje s moderní měřicí technikou Talysurf CLI 1000 od firmy Taylor Hobson Ltd. pro měření parametrů povrchu materiálů (primárně určeno pro kov a keramiku). Na tomto přístroji byl námi poprvé proveden výzkum měření parametrů povrchu dřeva opracovaného frézováním, abychom potvrdili, či vyvrátili domněnku o funkčnosti této moderní metody na dřevo. Již první pokusy ukázaly správný směr a výsledky předčily očekávání. Následně byla pro tento přístroj zpracována metodika sloužící pro objektivní vyhodnocení povrchů dřeva opracovaných frézováním s rozdílnými vstupními parametry obrábění. Při zpracování této disertační práce byly použity i publikované materiály získané při řešení výzkumného záměru MŠMT Les a dřevo podpora funkčně integrovaného lesního hospodářství a využívání dřeva jako obnovitelné suroviny řešeného na LDF Mendelu Brno a dílčího úkolu Technologie zpracování dřeva a materiálů na bázi dřeva (MSM ). Dílčí 5. etapa výzkumu Optimalizace procesu zpracování dřeva a kompozitních materiálů na bázi dřeva Část 05/06/01 stanovení parametrů při vysokorychlostním obrábění dřeva 10

11 frézování. V této etapě byly zkoumány progresivní technologie obrábění materiálů na bázi dřeva vysokými rychlostmi s cílem zvýšení produktivity obrábění, zlepšení kvality obrobeného povrchu s pozitivními důsledky na zjednodušení a zlevnění dokončovacích operací, snížení negativních vlivů na pracovní prostředí zejména prašnosti a hluku, včetně aspektů opotřebení nástrojů. Řešení projektu vedlo ke zlepšení technologických parametrů. Tato disertační práce se zabývá experimentálním ověřením vlivu vybraných parametrů obrábění na kvalitu obrobeného povrchu smrkového a bukového dřeva při vysokorychlostním frézování, stanovením a aplikací vhodné metody pro měření povrchu opracovaného dřeva a zpracováním metodiky měření a vyhodnocování naměřených parametrů, s využitím statistických metod. 11

12 1 Analýza současného stavu řešeného problému 1.1 Obrábění Obrábění se dá definovat jako technologický pochod, jímž vytváříme požadovaný geometrický tvar obrobku v předepsaných rozměrech a v požadované jakosti obrobených ploch. (Prokeš, 1965) Existuje ale celá řada pohledů na klasifikaci mechanických technologií, kdy každé z těchto třídění přijímá určité zjednodušení a tím i částečnou nepřesnost. S ohledem na zadání se bude diplomová práce dále zabývat jen obráběním třískovým, konkrétně problematikou frézování. Lisičan (1996) definuje frézování jako proces řezání dřeva s řeznými hranami na obvodě rotujícího nástroje s posuvem dílce ve směru kolmém, nebo přibližně kolmém na osu rotace nástroje při řezné výšce (tj. velikosti úběru ) menší než je tloušťka dílce a poloměr nástroje, s cykloidálním indikovaným řezným pohybem a tloušťkou třísky v rozmezí 0 h f z. Řezná plocha je cykloidální a není totožná s obrobenou plochou. Druhou velkou skupinou mechanických technologií je dělení (beztřískové, třískové, rozvlákňování), ale jak už bylo zmíněno výše, tato část patří do jiného tématu a toto práce se již nebude dále zabývat touto problematikou. 1.2 Teorie řezání Řezáním dřeva nazýváme takový technologický proces, při kterém působením cizího tělesa řezného klínu, zubu, resp. řezného nástroje odstraňujeme z obráběné suroviny určitou část hmoty a to buď za účelem jejího rozdělení na menší části, nebo za účelem získání požadovaného tvaru obrobku při určité kvalitě jeho povrchu. Tedy frézování patří do skupiny řezání. (Varkoček, Rousek, Holopírek, 1996) Proces řezání je fyzikální jev, který jako každý přírodní jev podléhá určité zákonitosti. Tato zákonitost je značně složitá, protože zde působí značný počet různých činitelů současně a v různých kombinacích. (Prokeš, 1984) 12

13 Obrázek 1.1: Základní směry řezání: a) podélné; b) příčné; c) tangenciální; d) podélně-tangenciální; e) tangenciálně-příčné; f ) radiální; g) podélné-příčné; h) tangenciálně- příčné; i) podélné-příčné Řezání se dá také zjednodušeně vyjádřit jako porušování dřevních vláken ostrou hranou řezného klínu vnikajícího do dřeva. Při použití strojního vybavení se tento proces stává souborem technických a technologických činitelů zejména závisejících na: obráběném materiálu (druh a vlastnosti dřeva) nástroji, kterým se obrábí (materiál, tvar, uchycení, vyvážení, otupování, ) vazbách nástroje a obrobku (rychlost posuv obrobku do řezu, otáčky nástroje, velikost a rozměry třísky, řezná a posuvová síla, ) Definice základních veličin procesu řezání S ohledem na anizotropní vlastnosti dřeva je nutné stanovit směry obrábění. Pro tyto účely se zavádějí zejména úhly φ 0 (úhel, který svírá řezná hrana a rovina kolmá k rovině směru řezání), φ 1 (svírá jej řezná hrana a směr dřevních vláken), φ 2 (úhel svírající rovina řezu a směr dřevních vláken) a φ 3 (úhel mezi rovinou řezání a směrem dřevních vláken). Dále je též nutné definovat základní pojmy a prvky řezného klínu. Při volném řezání se řezný proces týká jen jedné hrany, zatímco při řezání ve spáře se řezného procesu účastní až tři povrchy (spodní část drážky a boční plochy). 13

14 Podle poměru délky ostří k šířce řezu mohou vznikat dvě základní varianty řezání: řezání volné (otevřené) obrázek 1.2 řezání uzavřené (ve spáře) obrázek 1.3 Obrázek 1.2: Schéma otevřeného řezání Obrázek 1.3: Schéma uzavřeného řezání (AA K KA - řezná plocha; OO - ideální břit (délka břitu); OO M MO čelo; π - rovina proložená břitem nástroje, kolmá na řeznou plochu; AA - šířka řezu (třísky)) Úhlové prvky řezného klínu Obrázek 1.4: Úhlové prvky nástroje Úhel hřbetu α je definován mezi uzavřeným řezným povrchem a plochou hřbetu řezného klínu. Čím je tento úhel menší, tím se zvětšuje tření a naopak. Vlivem otupování dochází ke zmenšování úhlu α a ke zvětšování styčné plochy. Při příliš velké ploše styku se nástroj velmi 14

15 zahřívá, dochází taktéž k poškození obráběné plochy a může nastat až porušení nástroje. Úhel α bývá obvykle v rozmezí 10 až 30. Úhel ostří (břitu) β je vymezen plochami hřbetu a čela nástroje. Tento úhel by teoreticky měl být co nejmenší, protože se tak sníží odpor proti vnikání klínu a tím se zmenší i řezná síla. Ovšem z hlediska otupení břitu by měl být úhel β co největší, čímž se zbrzdí i proces otupování. Úhel čela γ je ohraničen plochou čela a rovinou π. Zmenšováním úhlu γ se do určitého bodu zlepšuje drsnost obrobené plochy. Tímto úhlem je velmi těsně ovlivněn také průběh tvorby třísky. Úhel řezu δ je dán součtem úhlů α + β a bývá volen v rozmezí 12 až 120. Při hodnotě úhlu δ = 90 se tříska neodřezává, nýbrž odškrabává. V případě, že jsou čelní plochy zubů šikmo zbroušené, přistupuje k úhlovým prvkům ještě úhel ε, určující velikost tohoto zbroušení. (Varkoček, Rousek, Holopírek, 1996) Transformace úhlových veličin V případě, že úhel mezi ostřím a vektorem rychlosti v r 90, závisí hodnoty úhlových prvků na tom, ve které rovině je měříme: ve svislé rovině kolmé na ostří se určují tzv. výrobní (základní) hodnoty, ve svislé rovině, v níž leží vektor v r se úhly řezného klínu transformují (vznikají jejich průměty do této roviny). Výsledkem je, že úhly α, δ se zmenšují a úhel γ se zvětší, což má za následek menší tření v důsledku jiné než kolmé polohy třísky vůči pohybu řezného klínu. Transformace úhlových prvků může mít i nežádoucí vliv. K tomu dochází při nevhodném poměru posuvové a řezné rychlosti, a také při otupení nástroje v kombinaci s malou výškou třísky, kdy se neúměrně zvětší úhel δ a materiál se jen zatlačuje. (Varkoček, Rousek, Holopírek, 1996) Určení pohybů při řezání Pro určení druhu řezání a výpočty technologických veličin je třeba rozdělit a charakterizovat pohyby v procesu řezání. Nástroj a obrobek se proti sobě totiž pohybují určitou relativní rychlostí. Tyto pohyby se dají rozdělit na: přímočarý vratný (rámová pila, kráječka) 15

16 rotační (kotoučová pila, frézka, vrtačka) kombinovaný (pásová a řetězová pila, řetězová dlabačka) Aby se řezný proces mohl uskutečnit, musí se pohybovat alespoň jeden z jeho hlavních objektů: pohybuje se ostří (obrobek je v klidu) pohybuje se obrobek (ostří je v klidu) pohybuje se obrobek i ostří současně. Pak má dráha pohybu tvar cykloidy (frézování, řezání pilovým kotoučem, broušení na válcové brusce), šroubovice (podélné soustružení, vrtání), spirály (loupání, čelní soustružení) nebo tvar obecný (kopírování tvarových ploch, drcení). (Lisičan, 1996) Kinematika frézování Kinematiku oddělování třísky při frézování znázorňuje obrázek 1.5. V praxi se však skutečný průřez třísky může odlišovat od nominálního průřezu vlivem otupení břitu, nepřesnosti chodu vřetena, odchylek břitů od řezné kružnice, nepravidelnosti chodu podávacího zařízení a především vlivem odštipování a nestejnorodosti hmoty obrobku. Dráha břitu obrobku tvoří cykloidu; řezná rychlost je však u větších průměrů frézovacích nástrojů v poměru k rychlosti posuvu velmi vysoká, takže na úseku záběru břitu můžeme s dostatečnou přesností předpokládat, že jeho řezná dráha tvoří kružnici. Břit je během jedné otáčky v záběru na délce oblouku l, který přísluší středovému úhlu φ'+φ. Úhel φ' je velmi malý, proto se při výpočtu délky třísky l většinou uvažuje s úhlem φ.(prokeš, 1978) h max f z b f z D h m a p v c /2 ϕ ϕ h m h max f z f z ϕ a p v f l m Obrázek 1.5: Kinematické schéma rovinného frézování a definice veličin pro popis procesu 16

17 f z posuv na zub, v f posuv do řezu, v c řezná rychlost, a p tloušťka odebírané vrstvy materiálu, h max max. tloušťka odebírané třísky, D průměr nástroje, φ - úhel nástroje v řezu Je zřejmé, že při nesousledném frézování břit již na začátku záběru odebírá třísku určité minimální tloušťky h min a na konci záběru pak maximální h max. Při sousledném frézování odebírá břit na začátku záběru třísku maximální h max a na konci záběru minimální h min, tedy přesně opačně jako při nesousledném frézování. Teoretická střední tloušťka třísky h m je funkcí posuvu na břit frézy (f z ), viz obrázek 1.5. sin h = [mm] [1.1] m ϕm hm = f z sinϕ m f z kde: h m = střední tloušťka třísky [mm] f z = posuv na zub [mm] ϕ m = střední úhel řezu Vztah pro střední úhel přeřezávání vláken a p ϕ m 1 ϕ = m arccos 1 [ ] [1.2] 2 R kde: a p = tloušťka odebírané vrstvy (třísky) [mm] R = poloměr řezné kružnice (nástroje) [mm] Teoretická délka třísky l a p l = R 2 = D a p [mm] [1.3] R kde: a p = tloušťka odebírané vrstvy (třísky) [mm] R = poloměr řezné kružnice (nástroje) [mm] D = průměr řezné kružnice (nástroje) [mm] Řezná (obvodová) rychlost vc v c π D n = [m.s -1 ] [1.4] kde: v c = obvodová rychlost [m.s -1 ] 17

18 D = průměr řezné kružnice (nástroje) [mm] n = otáčky nástroje [min -1 ] Vztah mezi posuvem na zub a rychlostí posuvu f z v 1000 f n z f = [ mm] v z f = [m.min -1 ] [1.5] n z 1000 kde: f z = posuv na zub [mm] v f = rychlost posuvu [m.min -1 ] n = otáčky nástroje [min -1 ] z = počet zubů (nožů) Vztah mezi hloubkou vlnky a posuvem na zub 2 f z y = [mm] f z = 4 D y 4 D [m.min -1 ] [1.6] kde: y = hloubka kinematických nerovností povrchu [mm] D = průměr řezné kružnice (nástroje) [mm] u z = posuv na jeden zub [mm] Minimální rychlost posuvu na zub v závislosti na otupení ostří nástroje f z min ρ = 1 sin arccos 1 2 a p R [mm] [1.7] kde: a p = tloušťka odebírané vrstvy (třísky) [mm] R = poloměr řezné kružnice (nástroje) [mm] ρ = poloměr zaoblení ostří nástroje [µm] Řezné podmínky Z normy ČSN ISO Základné veličiny při řezání a broušení vydané roku 1984 jsou definovány následující parametry 18

19 PRÁCE E je uvažovaná pro jednotlivou operaci na určitém obráběcím stroji za určitý časový interval a za určitých zených podmínek a vyjadřuje se v jednotkách [ J ] Práce řezání E c Práce potřebná na zajištění hlavního pohybu za účelem obrobení určitého množství materiálu E c = 1 0 F v c c dt [1.8] Práce posuvu E f Práce potřebná na zajištění posuvu za účelem obrobení určitého množství materiálu. E f 1 = 0 F f v f dt [1.9] Práce E e Práce potřebná na obrobení určitého množství materiálu, to znamená, že je to součet práce řezání a práce potřebné pro posuv. E = E + E e c f [1.10] VÝKON P Výsledek skalárního součinu vektoru síly a vektoru rychlosti v tom jistém okamžiku při určité operaci a za určitých řezných podmínek vyjádřený v jednotkách [ W ] Řezný výkon P c Je to výsledek součinu řezné síly F c a řezné rychlosti v c působících v hlavním bodě řezné hrany ve stejném čase. P = F v c c c [1.11] Výkon potřebný na posuv P f Výsledek součinu řezné síly posuvu F f a rychlosti posuvu v f působících v hlavním bodě řezné hrany ve stejném čase. P = F f f v f [1.12] 19

20 Řezná síla na jednotku plochy řezu k c Poměr řezné síly F c vyvolané řeznou částí a nominální plochou řezu A D vyjádřené [ Nmm -2 ] k = c F A c D [1.13] Řezná síla na jednotku šířky řezu F c Poměr řezné síly F c vyvolané řeznou částí a nominální šířky řezu b D vyjádřené [ Nmm -2 ] F = F c c [1.14] bd Tvorba třísky V procesu třískového obrábění a dělení dřeva vzniká tříska, jejíž tvar, rozměry a množství je závislé jak od fyzikálně-mechanických vlastností dřeva, tak i od tvaru, rozměrů, ostrosti řezného nástroje a technicko-technologických podmínek realizace procesu dělení či obrábění dřevní hmoty. Třísky dřevěné částice vznikající v procesech třískového dělení, či obrábění dřeva jsou v závislosti od způsobu vzniku označované i jako: štěpka, tříska, hoblina, pilina, vlákno, dřevní moučka, anebo společným pojmem dezintegrovaná dřevní hmota. Pro dezintegrovanou dřevní hmotu je charakteristické, že jednotlivé zrna nevyplňují celý objem prostoru, ve kterém se tato hmota nachází. Mezi jednotlivými třískami (zrny) jsou mezery vyplněné vlhkým vzduchem. Uvedená skutečnost řadí dezintegrovanou dřevní hmotu do kategorie disperze tj. různorodé soustavy z dvou fází (částice dřevní hmoty vlhký vzduch). Další typickou vlastností dezintegrované dřevní hmoty je skutečnost, že s přesouváním jednotlivých částic dřevní hmoty se mění celkový vnější tvar zaplněného prostoru touto hmotou. Uvedené vlastnosti řadí dezintegrovanou dřevní hmotu mezi sypké materiály (Dzurenda, 2002) Při prvním styku břitu s obrobkem se hmota obrobku nejprve více nebo méně deformuje a po překročení určitého napětí v těsném okolí břitu nastává oddělování hmoty obrobku, vzniká tříska. Na vlastnosti třísky má vliv mnoho faktorů, jako druh obrobku, směr dřevních vláken, úhel čela, řezné podmínky (tloušťka třísky), způsob obrábění a způsob odvádění třísky z místa jejího vzniku. 20

21 Při řezání napříč vláken se vytváří většinou vlivem trhlin tříska trhaná, při řezání podél vláken tříska stočená, popř. mnohoúhelníková. Při velké tloušťce třísky nenastane zlom třísky, ale tříska se odštípne. Při obrábění aglomerovaných desek jsou vlastnosti třísky vlivem materiálu obrobku odlišné, vzniká spíše drobná frakce a prach. Při obrábění tvrdých dekoračních vrstev desek se nevytváří tříska, materiál se vydroluje. (Prokeš, 1984) Obrázek 1.6: Typy třísek vznikající při obrábění a dělená, b pásková, c točená, d trhaná, e mnohoúhelníková Tvar, rozměry a technologická využitelnost třísky závisí na různých činitelích (způsob řezání, druh dřeviny, úhlové prvky nástroje, úhly φ x, vlhkost dřeviny, otupení ostří, ). Podle vzniku a vzhledu můžeme třísky rozdělit na několik skupin, které korespondují s obrázkem 1.6. Jsou to pásková tříska b a točená tříska c (často mívají jen velmi mělké trhlinky a jsou tak i výrobkem a ne jen vedlejším produktem), tříska trhaná d (tříska zabíhá i pod rovinu, v níž se pohybuje břit, což má za následek vyšší drsnost obrobené plochy), tříska mnohoúhelníková e (její jednotlivé rovné úseky jsou přibližně stejně dlouhé. Při velké tloušťce třísky a malé délce obrobku nenastane zlom třísky, tříska se neodřízne, nýbrž odštípne) a tříska dělená a (odchází od břitu v jednotlivých kouscích odštěpujících se při jejím pohybu po čele nástroje. Při řezání dřeva napříč vláken vznikají trhlinky nejen v třísce, ale i pod hřbetem nástroje). (Prokeš, 1965) 21

22 Z literatury a z praxe je známo, že velikost řezné síly a dosahovaná drsnost povrchu obrobku jsou podstatně limitovány poloměrem otupení ostří ρ. Tento úhel nemá být vyšší než je průměrná tloušťka odebírané třísky h m. Je-li průměrná tloušťka třísky menší než poloměr otupení ostří ρ, pracuje nástroj s úhlem řezu větším než 90. Břit nástroje stlačuje hmotu obrobku pod sebe a neodřezává ji, obrázku 1.7 a). Pohyb nástroje vyžaduje značnou práci k překonání tření a stlačování obrobku. h m ρ plastické h m ρ vypružení a) b) Obrázek 1.7: Schéma oddělování třísky Čím je poloměr ρ menší, tím více se místo dělení dřeva přibližuje rovině obrobené plochy, obrábění je snazší a obrobená plocha kvalitnější, obr. 1.7 b). Při absolutně ostrém nástroji by nebylo žádné tření o hřbet nástroje, protože hmota obrobku by se nestlačovala pod břit. Takový případ ovšem bohužel v praxi nenastane. Přesnost optických metod a navrhované metodiky výpočtu poloměru otupení ostří, je vhodné posoudit kontaktním měřením. Poloměr otupení byl měřen dvěma nezávislými dotykovými metodami: Jevy vznikající při obrábění Jak už bylo dříve zmíněno, je řezání dřevního materiálu velmi složitý proces, v jehož průběhu se objevují různé druhy jevů. Jedná se zejména o: - mechanické jevy při vnikání řezného klínu do dřeva vzniká deformace jak odřezávané hmoty, tak i obráběním vytvořené plochy. Z důvodů buněčné struktury dřeva, dochází pod tlakem břitu nejdříve k ohybové deformaci buněčných stěn, a nakonec až k destrukci a porušení soudržnosti. 22

23 - teplotní jevy odporem dřeva vůči kontaktním plochám řezného klínu vzniká v podmínkách řezání tření, od kterého je odvozeno teplo. Při řezání jde však o působení dvou materiálů (dřevo kov) s velmi rozdílnou teplotní vodivostí. Dřevo je špatným vodičem tepla, a proto se teplo koncentruje v kontaktní části řezného klínu a teplota zde může dosáhnout až 850 C. To může mít za následek otupování nástroje z důvodu, že proběhne austenitizace oceli (menší tvrdost). - elektrické jevy z tohoto okruhu jevů jsou snad nejvýznamnějšími ty, při nichž vzniká elektrické napětí. Díky přítomnosti celulózy a určitých krystalických minerálů ve dřevě dochází ke vzniku piezoelektrického napětí (napětí při deformaci molekulových řetězců). Další druh napětí vzniká smykovým třením dřeva a kontaktního povrchu nástroje. Oba druhy elektropotenciálu se sčítají. Část tohoto napětí pak zaniká jiskřením, část se odráží zachycená na povrchu třísek (výbušnost dřevního prachu) a část se odvádí uzemněním stroje. Určitým způsobem toto napětí způsobuje také otupení nástroje. - chemické jevy jedná se hlavně o rozpouštění a uvolňování extraktivních látek, které pak umocňují elektrochemické účinky v procesu řezání. Mezi nejagresivnější dřeviny v tomto ohledu patří dub, akát a buk. (Lisičan, 1996) Emise prašnosti při vysokorychlostním obrábění rostlého dřeva Prach je obecně tvořen jemnými částečkami pevné hmoty. Vzniká v důsledku tření, drcení a obrábění materiálu a do ovzduší se dostane vzájemným relativním pohybem částic vzduchu, zejména při rotaci nástrojů a odsávacího procesu. Pevné částečky prachu jsou ve vzduchu rozptýleny a jsou ve vznosu hovoříme o tzv. poletavém prachu. Doba jejich sedimentace v relativně klidném prostředí je funkcí jejich hmotnosti a velikosti. Z toho vyplývá, že částice stejného objemu, avšak větší hustoty mají dobu sedimentace menší, úměrnou k jejich hustotě. Naopak částice o stejné hmotnosti avšak různém objemu sedimentují tak, že částice s větším objemem sedimentují déle. Prachové částice jsou obecně řazeny k aerosolům. Současně platné normy (ČSN EN 481) řešící problematiku ovzduší na pracovišti definují velikost prachových částic jejich aerodynamickým průměrem. Pod aerodynamickým průměrem určité částice libovolného tvaru a hustoty uvažujeme kuličku o hustotě 1g/cm3, jež má stejnou rychlost dopadu v laminárním nebo turbulentním proudu vzduchu. Tato definice má platnost i pro vláknité částice ale pouze k poměru délky k šířce > 3 : 1. 23

24 Vztah dřevěného prachu k organismu člověka je škodlivý. Biologické účinky prachu jsou komplexní a skládají se z účinků mechanických, fyzikálních a chemických. Tyto účinky mohou být primárně dráždivé, projevující se drážděním sliznic horních cest dýchacích a očí, dále alergické projevující se různými kožními nemocemi a v neposlední řadě mohou vyvolat vážné onemocnění např. astma, rakovinu nosu či hrtanu. Hranicí vdechovatelných prachových částic je rozměr 100 µm (částice se dostávají do nosní a ústní dutiny a hrtanu). Cesta od nosní do ústní dutiny, přes průdušky až do plicních sklípků vytváří přirozené překážky pro tuhé částice tak, že jen nejmenší částice se dostávají do plic. Na obrázku 1.6 je naznačena pravděpodobnost procentuálního vnikání dřevěného prachu do dýchacího traktu. Je naznačen nevdechovatelný podíl prachu podle vdechovatelné konvence (ČSN EN 481), dále prach usazovaný v horních dýchacích cestách člověka thorokální konvence a prach dostávající se až do spodních dýchacích cest tracheobronciální a alveolární prach. (Rousek, M., Pernica, J., Holopírek, J., Kopecký, Z., Novák, V., Klepárník, J., 2005) Obrázek 1.8: Konvence prachu jako procento z poletavého prachu 1.3 Proces otupování nástroje Otupování je postupná změna mikrogeometrie břitu v průběhu řezání, kdy nástroj ztrácí schopnost řezat. Je to způsobeno tím, že se z řezného klínu oddělují částečky kovu. Nástroj je tupý tehdy, když klín dospěl do určitého kritického stavu, který je doprovázený nepřípustným zhoršením kvality povrchu obrobku, nežádoucím zvýšením řezné síly, pálením a rozměrovými nepřesnostmi obrobku. V literatuře uváděné tři typické oblasti otupování břitu jsou poměrně v odborné veřejnosti známé (obrázek1.9). Tento průběh je obecně platný jak pro břity z nástrojové oceli, tak pro stelity, slinuté karbidy i keramické matriály (Prokeš, 1978). 24

25 Otupení ostří se projevuje nejčastěji a nejvýrazněji růstem řezné síly (síly působící na nástroj při řezání), obtížným posuvem (nástroje po obrobku), nekvalitně obrobenou plochou (obrobená plocha je otlačená, dřevní vlákna jsou vytrhaná apod.), pálením obrobku a jeho rozměrovou nepřesností. Při práci s otupenými nástroji se zvyšuje elektrický výkon stroje a spotřeba energie. Odolnost břitu proti opotřebení se proto musí zvyšovat. Pro zmenšení opotřebení, a tím pro zvýšení trvanlivosti nástrojů, se používá několik způsobů zpevňování břitů. Patří sem zejména výroba řezných částí nástrojů ze slinutých karbidů, elektro-kontaktní kalení hrotů a zubů a nitridace. Trvanlivost nástrojů se dále zvyšuje správnou údržbou, čímž rozumíme zejména čištění nástrojů, úprava zubů a břitů (rozvodem, pěchováním a egalizací) i ostření a obtahování břitů. (Janíček, Vozár, Zbořil, 1999) Jak už bylo naznačeno dříve, většina jevů a procesů při řezání je podstatně ovlivněna stupněm otupení nástroje. Otupování (obrázek 1.9) se dá definovat jako podstatná změna mikrogeometrie břitu během řezání, takže nástroje ztrácí schopnost řezat. S tímto procesem úzce souvisí také dva důležité pojmy trvanlivost břitu (doba, po kterou naostřený břit pracuje) a životnost nástroje (násobek trvanlivostí ostří). Hlavním faktorem pro určení stupně otupení je hodnota poloměru zaoblení břitu ρ, který má přímý dopad na úhel δ. Čím je tento poloměr menší, tím více se místo dělení dřeva přibližuje rovině obrobené plochy, a tím je tedy snazší obrábění a obrobená plocha je také hladší a přesnější. Naopak při příliš velkému stupni otupení (velké hodnotě ρ) se proces řezání vůbec nemusí uskutečnit. Obrázek 1.9: Průběh otupování nástroje Legenda: I první záběr břitu, odstranění jehly a otřepů; II vzrůst otupení s degresivním průběhem; III fáze rovnoměrného otupování (opotřebení); IV nárůst otupení s regresivním průběhem (není experimentálně prokázáno) 25

26 V procesu otupování můžeme rozeznat tři výrazná období. V prvním období se u břitů s jehlou, viditelnou pouhým okem nebo při malém zvětšení, jehla ohne nebo odlomí. Je to velmi krátký časový úsek, většinou během prvního záběru břitu. Stejně se může odlomit nebo ohnout jemné ostří, které by se blížilo ostří ideálnímu, zejména u nástrojů s malým úhlem břitu při velkém úhlu řezu. Ve druhém období křivka prudce stoupá, má však degresívní charakter. Intenzita změn mikrogeometrie břitu závisí na mnoha vlivech, o nichž se zmíníme později. Ve třetím období je průběh křivky lineární, proces opotřebení se stabilizuje a změny mikrogeometrie probíhají většinou mnohem pomaleji. Podle některých autorů je toto období ukončeno opět prudkým růstem otupení (na obrázku 1.9 naznačeno čárkovaně). Posoudíme-li však řadu dalších výsledků, není to jev platný obecně. V některých případech byl zjištěn periodicky nepravidelný průběh otupování, pozorujeme-li otupování pouze na jednom místě břitu. (Prokeš, 1978) Opotřebením břitu se obvykle rozumí mechanické opotřebení. Mechanické oddělování částeček břitu může nastat, jsou-li vnější síly, jimiž na sebe působí obrobek a nástroj, větší než síly, které tyto částečky na sebe vzájemně vážou. Je zřejmé, že čím drsnější je povrch břitu po naostření, tím snáze se odírají převyšující částečky. Čistě mechanické může být opotřebení v I. období procesu otupování. Ve II. a III. Období spolupůsobí na opotřebení břitu podle současných názorů vlivy mechanického otěru, otěru způsobeného zahřátím povrchové vrstvičky břitu na vysoké teploty (až 850 C), elektrochemická koroze (podporovaná kyselinami obsaženými ve dřevě a vlhkostí dřeva) a elektrická eroze (statická elektřina vznikající třením nástroje o suché dřevo). (Prokeš, 1978) 1.4 Ostření nástrojů Vlastnosti nástroje sice závisí na technologii jeho výroby, ale požadovanou přesnost a funkčnost mu dá správná příprava k práci a jeho obnova. Na jakosti ostření tak závisí trvanlivost břitu, výkon stroje, jakost obrobené plochy, přesnost obrobku, spotřeba energie a podíl vedlejších časů. Před vlastní obnovou nástroje je nutné nástroj nejprve očistit, aby mohl být zkontrolován s potřebnou přesností. (Prokeš 1984) Samotný proces ostření se dá definovat tak, že obnovujeme otupené ostří a zabezpečujeme pevnou geometrii řezného klínu. Tuto operaci provádíme brusným kotoučem zrnité struktury, který vykonává rotační anebo posuvný pohyb. 26

27 Nástroj se ostří buď za sucha, nebo s chlazením, kdy ochlazujeme ostřený povrch, čímž zabraňujeme vzniku trhlin a účinně odplavujeme brusný prach. Nástroj je možné ostřit: ručně provádí se obvykle na univerzálních nástrojových ostřičkách. Po skončení broušení je nutné nástroj zbavit jehly, která by se odlomila při prvním záběru zubu. na automatických ostřičkách (obrázek 1.10) v poslední době se používají počítačem řízené stroje, kde je možné nastavit (zvolit z paměti) přímo typ ostřeného nástroje. Stejně tak se dá do paměti uložit nový typ frézy. Tyto stroje pracují s větší přesností Obrázek 1.10: Moderní automatická ostřička dřevoobráběcích nástrojů 1.5 Konstrukce, upnutí a vyvážení nástroje Konstrukce nástrojů Výkon dřevoobráběcích strojů, kvalita obrobených ploch i bezpečnost při práci závisí na správné konstrukci, použitých materiálech a úhlových parametrech dřevoobráběcích nástrojů. Nástroje pro tradiční opracování dřeva jsou charakterizovány tvarem, velikostí a počtem břitů, jakož i řeznými úhly. (Lisičan 1992) Fréza je řezný nástroj otáčející se při obrábění kolem vlastní osy jedním směrem rovnoměrnou rychlostí, který svým břitem odebírá třísku z obráběného materiálu. Tělo nástroje bývá většinou vyrobeno z nástrojové oceli a po obvodu je osazeno řeznými břity, které jsou z kvalitnějšího materiálu než samotné tělo nástroje. Frézy můžeme rozdělit do skupin podle několika hledisek: Základní dělení: normalizované, speciální. 27

28 Podle konstrukce dělíme frézy (obrázek 1.11) na: monometalické (vyrobené z jednoho kusu materiálu), bimetalické (s břity pevně připevněnými k tělu nástroje pájením), demontovatelné (s výměnnými břity). Obrázek 1.11: Druhy fréz: a) bimetalická; b) demontovatelné Dále můžeme nástroje rozdělit podle smyslu otáček na: levoběžné (otáčí se proti směru hodinových ručiček), pravoběžné (otáčí se ve směru hodinových ručiček). Podle tvaru konstrukce dělíme frézy (obrázek 1.12) na: kotoučové, válcové, stopkové. Obrázek 1.12: Druhy fréz: a) kotoučová; b) válcová; c) stopková 28

29 V nástroji vzniká při otáčení napětí, jehož velikost závisí na počtu otáček a vzdálenosti od osy otáčení. Při odebírání třísky a třením nástroje vzniká teplo, které je za normálních podmínek odváděno z větší části nástrojem a částečně též třískami. Vlivem vyšších posuvů, větších výšek úběru a též vlivem zvýšené vlhkosti materiálu však může dojít ke zvýšení teploty frézy. V nástroji pak vlivem velkého teplotního spádu (střední část je ochlazována proudem vzduchu) vzniká další napětí. Svým složením působí různé obráběné materiály na nástroj různou abrazí (mírou odírání nástroje). Nejen kovy ale i jiné nekovové materiály (rostlé i zušlechtěné dřevo, PVC, umakart, aglomerované materiály) způsobují při jejich řezání poměrně rychlé otupování nástrojů, které je potřeba vyrábět z vhodných materiálů (karbidy železa, karbidy a slitiny neželezných kovů, keramické a supertvrdé materiály). (Lisičan 1992) Z výše uvedených důvodu a také důvodů působení dynamických veličin na řezný klín vyplývá potřeba diferenciovaných vlastností materiálů toho stejného nástroje: řezná část (řezný klín) si vyžaduje tvrdý, otěru a teplovzdorný materiál (aspekt vysoké trvanlivosti ostří); rozhodujícím činitelem zde jsou vlastnosti obráběného materiálu tělo (korpus) nástroje si zase z aspektu jeho namáhání vyžaduje materiál houževnatý, odolný proti lámání a praskání, někdy i za cenu nižší tvrdosti. Nezanedbatelnými kritérii volby materiálu jsou i jeho obrobitelnost, cena, jako i možné havárie nástroje Nástrojové materiály pro obrábění dřeva Pro obrábění dřeva a podobných materiálů je v současné době charakteristické používání moderních nástrojů a nástrojových materiálů. Zároveň se používají i tradiční nástrojové oceli, ale výrazně se zvyšuje podíl specializovaných technických řešení se speciálními nástroji, či nástrojovými systémy. Volba řezného materiálu je vedle konstrukce a geometrie nástroje jedním z nejdůležitějších aspektů pro jeho vhodný výběr a s tím spojenou ekonomiku výroby. Díky širokému sortimentu materiálů na bázi dřeva a různorodosti technologických operací na opracování dřeva, jsou na nástroje často kladeny protichůdné požadavky. Každý materiál a každá technologická operace vyžaduje individuální přístup. Paradoxním aspektem k trvanlivosti ostří je kvalita obrobené plochy, které vyhovuje co nejmenší řezný úhel δ, tedy i co nejmenší úhel ostří β, kterému odpovídá požadavek houževnatého materiálu. Z uvedených hledisek, se na výrobu dřevoobráběcích nástrojů volí materiály: 29

30 Specielní (nízkolegovaná) nástrojová ocel Vysocevýkonná (vysokolegovaná) nástrojová ocel Vysokolegovaná (rychlořezná) nástrojová ocel Slinuté karbidy wolframkarbidové řady značení dle současně platné normy EN 847/1 SP dřívější značení SP hlavní použití nástrojů v praxi měkké masivní dřevo HL HL výroba palubek HS HSS, RO hoblování, výroba nekonečného vlysu, měkké i tvrdé dřevo HW HM řezání 5. Slinuté karbidy povlakované HC -- speciální použití 6. Stellity ST stellit 7. Diamanty: monokrystlalický -- MKD polikrystalický DP DIA, PKD Chemici vapour deposition CVD Kubický nitrid boru CBN CBN Tabulka 1.1: Nástrojové materiály zpracování vlhkého dřeva opracování abrazivních materiálů s laminací prozatím komerčně nerozšířen Obrázek 1.13: Zobrazení volby materiálu břitu dle parametrů obrábění (Uhlář 2007) Materiály od stelitu až po PKD se používají ve formě připájených na řezný klín nebo ve formě demontovatelných výměnných řezných destiček s více řeznými hranami, přičemž nosný materiál (korpus) je měkčí. Takovéto nástroje nazýváme bimetalickými. Některé nástroje se vyrábějí celé jen z ocele jako monolity (tzv. monometalické). (Lisičan 1992) 30

31 Vzhledem k tomu, že rychlořezné oceli jsou ze všech nástrojových materiálů pro obrábění běžného dřeva vysokými řeznými rychlostmi používány, a na trhu je i velké množství zahraničních nástrojů, je zde uvedena tabulka alespoň pro nejpoužívanější druhy rychlořezných ocelí značení dle různých norem: Druh oceli dle ČSN značení DIN značení EU značení ISO ČSN , ,3302 S ,3355 S ,3343 S ,3243 S ,3202 S Tabulka 1.2: Značení nejpoužívanějších druhů rychlořezných ocel, dle různých norem Upínání nástrojů Během obrábění působí na nástroj vnější síly (řezná síla, setrvačná síla a jiné), které musí být vyrovnány jeho řádným upnutím. Nástroj se nesmí během obrábění samovolně uvolňovat a měnit svoji přesně vymezenou polohu. Správné uložení a upnutí nástroje je velmi důležité také z hlediska bezpečnosti práce. Obrázek 1.14: Způsob upínání nože (A) a frézy (B). Popis: 6 pružina, 7 klopna, 8 upínací šroub, 9 upínací matice, 10 fréza, 11 kroužkové vložky, 12 trn, 13 matice vřetena, 14 vřeteno, 15 kolík. 31

32 Většina dřevoobráběcích nástrojů pracuje s vysokými otáčkami, rovněž rychlosti posuvů materiálu do řezu jsou velmi vysoké, a proto by každá nepřesnost a nedbalost při jejich uložení a upínání mohla způsobit těžký pracovní úraz. Na přesném uložení nástrojů a jejich řádném upnutí přímo závisí i výkon stroje, přesnost a kvalita obrobení všech dřevěných materiálů. (Janíček 1999) Upínání nástrojů musí být snadné, rychlé a bezpečné. Patří k základním důležitým a odpovědným pracím při obsluze strojů, a je proto nezbytné mu věnovat zvláštní pozornost. Frézy spodních frézek se upínají na frézovací vřetena maticemi s podložkami. Vřeteno je na hřídeli upnuto vřetenovou maticí. Matice se zašroubovávají proti směru otáčeni frézy, a proto při obrábění nemůže dojít k samovolnému uvolnění frézy. Při upínání frézy se hřídel zajišťuje kolíkem. Příklad upnutí frézy je uveden na obrázku 1.14 B. Nože se do nožových hřídelí srovnávaček a tloušťkovaček upínají zpravidla upínací lištou (klopnou) klínového průřezu a upínacími šrouby. Způsob upnutí je uveden na obrázek 1.14 A Usazení nožů a vyvážení nástroje Cílem usazení nožů a vyvažování je vyvážit nástroj tak, aby byly splněny předpoklady vysoké spolehlivosti a životnosti, a bylo dosaženo dostatečné bezpečnosti jeho provozu a komfortu obsluhy s ohledem na přijatelné hladiny hluku a vibrací. V otázkách spolehlivosti procesu, produktivity a kvality povrchu obrobku se v obrábění často věnuje příliš málo pozornosti právě vyváženosti nástroje a jeho upínání. Přitom vysoká přesnost obvodového házení má obzvláště pozitivní vliv na výsledky obrábění, jakož i na životnost nástroje a vřetena stroje. Ve vysokorychlostním obrábění je negativní působení nevývahy na držáku a na nástroji obzvláště viditelné. Vznikající vibrace jsou škodlivé nejen pro vřeteno a nástroj, ale narušují spolehlivost procesu a přenášejí se i na obrobky. Způsobují snížení kvality povrchu, které se musí odstraňovat dalším dokončovacím obráběním. Pro zajištění spolehlivosti procesu a požadovaných výsledků obrábění je nutné vibrace co nejvíce omezit. Jedním z prostředků, jak toho dosáhnout, je snížit otáčky, posuv a řeznou hloubku. To sice vede ke klidnějšímu chodu, ale také ke snížení objemu výroby, tedy ke zhoršení produktivity. Druhým prostředkem je použití vyváženého nástroje a držáku. Vysoké otáčky, posuv a řeznou hloubku lze zachovat. Při stejné kvalitě obrábění je dosaženo zřetelně lepšího řezného výkonu. Navíc dochází k úsporám díky prodloužení životnosti nástroje a vřetena. 32

33 Jak známo, rotující odstředivé síly od nevyvážených hmot rostou úměrně s druhou mocninou otáček. Čím vyšší jsou otáčky rotoru, tím naléhavější je potřeba splynutí geometrické a rotační osy rotoru. Toho je dosaženo, jestliže výslednice všech odstředivých sil působících na rotor je nulová. Jde samozřejmě o ideální stav, který se v praxi vyskytuje jen výjimečně a ke kterému je třeba se přiblížit technickými prostředky. Právě na dosažení co nejmenší odstředivé síly působící na rotor je založen princip vyvažování. Realizace jednoduše formulovaného principu vyvažování je složitější než jeho formulace. Záleží na vzájemném poměru provozních a kritických otáček. Vyvažování nástrojů je součástí již jejich výrobních procesů. Uskutečňuje se neustále zdokonalovanými vyvažovacími zařízeními s podstatně vyšší citlivostí, přesností a rychlostí, často vybavenými počítači, které automaticky zpracovávají data o vyvažování, vypočítávají hmotnost vyvažovacích závaží a řídí tisk protokolů. 1.6 Frézování Frézováním se rozumí obrábění frézou, frézovací hlavou apod., kdy tloušťka třísky se mění během záběru od nuly do h max ; posuv je kolmý k ose otáčení nástroje. Tento způsob obrábění se volí k dosažení hladkého povrchu a přesných rozměrů obrobku (srovnávačkami, tloušťkovačkami) nebo k vytvoření tvarových ploch (spodní frézky, vrchní frézky, vícestranné frézky). (Prokeš, 1984). f z f z Obrázek 1.15: Schéma oddělování třísky při válcovém frézování Účelem frézování je opracování ( obrobení ) dílce řezáním (třískotvorným procesem) na požadovaný rozměr, tvar a povrchovou kvalitu. V praxi je frézování velmi rozšířenou technologií obrábění dřeva. 33

34 Frézování je výrobní metoda obrábění, při které je odebírán materiál obrobku zuby vícebřitého nástroje, který se otáčí kolem své osy. Posuv obrobku probíhá převážně ve směru kolmém k této ose nástroje. (Rousek, Kolařík, Klepárník, 2003) Řezný proces - je přerušovaný, každý zub odřezává krátkou třísku proměnného průřezu po cykloidní dráze. Podle způsobu záběru frézy do materiálu rozeznáváme: SOUSLEDNÉ FRÉZOVÁNÍ obrázek 1.16: smysl rotace nástroje je ve směru posuvu obrobku tloušťka třísky je maximální při vnikání zubu frézy do obrobku výsledná řezná síla působí převážně směrem do obrobku obrobená plocha je vytvářena při vyjíždění zubu ze záběru Obrázek 1.16: Působení sil při sousledném frézování NESOUSLEDNÉ FRÉZOVÁNÍ obrázek 1.17: smysl rotace nástroje je proti směru posuvu obrobku tloušťka třísky se mění od nuly do maximální hodnoty při vyjíždění zubu ze záběru výsledná řezná síla působí převážně směrem ven z obrobku Obrázek 1.17: Působení sil při nesousledném frézování 34

35 Technologické způsoby frézování jsou rozličné: rovinné (srovnávání, tloušťkování) křivoploché (frézování křivé plochy) profilovaní (vytváření různých profilů) speciální (např. frézování reliéfů apod.) Obrázek 1.18: Druhy frézování (Prokeš 1984) a - srovnávání, b - tloušťkování, c - dvoustranné fréz., d fréz. drážky a pera, e fréz. úhlovou frézou, f čepování, g fréz. rybinovací frézou, h fréz. vrchní frézou 35

36 Obrázek 1.19: Způsoby frézování podle polohy osy otáčení nástroje (Prokeš, 1978): a) válcové b) kuželové c) čelní d) čelně-kuželové Frézování válcovou frézou Dá se říci, že při frézování válcovou frézou platí vše, co už bylo uvedeno v předchozí kapitole zabývající se řezným procesem. Proto jsou zde uvedeny jen specifika obrábění rotující frézou. Břity válcové frézy se pohybují konstantní řeznou rychlostí po kruhové dráze. Při frézování se skládá tento rotační pohyb frézy s pohybem obrobku, čímž vzniká cykloida opisovaná zubem (obrázek 1.20). Obrázek 1.20: Kinematika pohybu rotujícího nástroje při nesousledném frézování 36

37 Exaktní výpočet délky kontaktu zubu s dřevem je zdlouhavý a obtížný. Proto se při běžných výpočtech zjednodušuje výpočet tak, že se cykloida nahradí s malou chybou kruhovým obloukem. (Varkoček, Rousek, Holopírek, 1996) Obrázek 1.21: Kinematika pohybu rotujícího nástroje při sousledném frézování Tabulka 1.3: Teoreticky vyjádřené posuvné rychlosti pro frézování (Nemec, 1985) Tabulka 1.4: Řezné rychlosti vc frézovacích nástrojů ze slinutých karbidů (Nemec, 1985) 37

38 Tabulka 1.5: Řezné rychlosti vc frézovacích nástrojů z nástrojové oceli (Nemec, 1985) Obrázek 1.22: Volby řezné rychlosti a otáček nástroje v závislosti na průměru nástroje ( Obrázek 1.23: Nomogram hloubky nerovností (Nemec, 1985) 38

39 1.6.2 Vysokorychlostní frézování Frézování na strojích v současné době nejvíce rozšířených (srovnávačky, tloušťkovačky) je prováděno při konvenčních otáčkách nástroje přibližně min -1, jenž odpovídá řezné rychlosti nástroje do 40 m.s -1, při relativně malých rychlostech posuvu obráběného materiálu. O vysokorychlostním frézování hovoříme, pokud řezná rychlost nástroje je vyšší než 60 m.s -1. Nad tuto rychlost dochází až k trojnásobně většímu podílu jemné frakce třísek. (Kopecký, Rousek, 2006) Pro naše experimentální pokusy při otáčkách nástroje min -1 a průměru 125 mm je řezná rychlost 65,4 m.s -1 již v oblasti vysokorychlostního frézování. Při vysokorychlostním frézování se snažíme dosáhnout zvýšení rychlosti obrábění při zachování stanovené kvality obrobeného povrchu materiálu (dřeva). (Rousek, Kolařík, 2003) V současné době se jedná o výzkum rovinného frézování při vysokých řezných rychlostech na zkušebním standu (obrázek 1.24), který byl podrobně popsán v kapitole 4.1. Na standu se provádí zkoušky a měření za účelem porovnání doposud publikovaných údajů od různých autorů, stanovení hranice vysokorychlostních obrábění a stanovení optimální cesty výzkumu a vývoje dřevoobráběcích strojů a nástrojů do budoucna. (Novák, 2005) Obrázek 1.24: Graf pohledu na problematiku v obecné poloze 39

40 Obrázek 1.25: Zkušební stand pro vysokorychlostní frézování Provoz a bezpečnost při frézování Pro správnou funkci fréz je třeba dodržet několik základních rad a doporučení: je třeba vybrat pro konkrétní materiál správnou frézu s vhodným uchycením frézu je nutné udržovat v čistotě a správně naostřenou a vyváženou nesmí být překročeny maximální otáčky udávané výrobcem nástroje teplota nástroje musí být v bezpečných hodnotách. Nejen řezný nástroj musí být v naprostém pořádku. Je třeba zabezpečit dokonalé seřízení celého stroje a bezpečné ukotvení nástroje na hřídel. V neposlední řadě je také vhodné věnovat se stavu obráběného materiálu. Ve dřevě se totiž mohou skrývat různé kovové předměty, které snadno poškodí nejen nástroj, ale je zde velké riziko, že tyto cizí předměty mohou být vymrštěny zuby nástroje ze dřeva a zraní pak obsluhu stroje. Bezpečnost práce je stanovena normou ČSN Bezpečnostní požadavky pro frézky. 40

41 1.7 Problematika vyhodnocování kvality obrobených ploch Drsnost povrchů náleží k hlavním kritériím obráběcího procesu zejména v druhovýrobě. Vzhledem k tomu, že obrobek je značně proměnný, je i kvalita téže řezné plochy různorodá. Při hodnocení kvality obrobené plochy je vhodné její vady rozdělit na vady způsobené nástrojem a ostatní vady. Vady způsobované vlastním nástrojem lze rozdělit na vady, jež se pravidelně opakují, jako je vlnkovitost povrchu a vady nahodilé. Zde jde především o výskyt odlomů, vlnitost periodicky způsobovaná kmitáním nástroje či vřetena aj. Ostatní vady, jako místa po vypadlých sucích, zásmolcích, trhliny ve dřevě aj. jsou důsledkem kvality a stavu obrobku. Rovněž do ostatních vad patří místa, jež jsou poškozena, např. podávacím ústrojím stroje včetně stop zamačkaných třísek či ostatních nečistot aj. (Kotěšovec, 1981) Cílem metrologie povrchu je získat popis geometrických a fyzikálních vlastností povrchu a jejich vztahu k funkčním vlastnostem výrobku. V současnosti rozeznáváme metody dotykové a bezdotykové (optické). Nejběžnějším způsobem hodnocení povrchu je dotykové měření. Princip spočívá ve skenování povrchu mechanickým hrotem, odchylky se detekují citlivým systémem a ten zaznamenává topografii povrchu. Tento způsob hodnocení má uplatnění především ve strojírenství. Přednosti spočívají především ve větší toleranci vůči možnému znečištění povrchu, nevýhody pak v menší přesnosti, délce zpracování dat. Běžná dotyková měření struktury povrchu jsou stále častěji nahrazována a doplňována bezdotykovými metodami snímání topografie povrchu. Výhodou optického měření je především rychlost a množství zpracovaných dat, přesnost měření je také vyšší. Nevýhodou optických systému je ztráta dat v krajových oblastech měření a v místech náhlých přechodů tvaru povrchu, kde nedochází ke správnému odrážení paprsku povrchu zpět do detektoru. Tímto problémem nejsou dotykové systémy zatíženy. Při hodnocení textury povrchu je potřeba mít přehled o základních parametrech a metodách snímání povrchu. V následujícím textu jsou popsány základní vyhodnocované parametry povrchu a nejběžněji používané metody snímání struktury. Všechny pojmy jsou převzaty z norem ČSN EN ISO, které jsou uvedené v přehledu požité literatury. 41

42 1.7.1 Základní pojmy metrologie povrchu Povrch součásti představuje prostorový útvar tvořený nerovnostmi různých velikostí a roztečí. Pro potřeby hodnocení povrchu je zpravidla využíván profil povrchu získaný řezem kolmým ke kontrolovanému povrchu. Reálný povrch je podle velikostí a rozložení nerovností většinou tvořen kombinací drsnosti, vlnitosti a úchylek tvaru. Praktické rozlišení jednotlivých složek povrchu závisí i na velikosti povrchu součásti. Proto je účelné členit nerovnosti povrchu podle zdroje jejich vzniku. Je třeba však zdůraznit, že uvedené tři typy nerovností se na povrchu nikdy neobjevují izolovaně, ale vždy v určité kombinaci. Drsnost - nejmenší nerovnosti vznikající v procesu výroby, např. působením řezného nástroje nebo brousicího zrna. Drsnost je spíše důsledkem metody dokončování než působením obráběcího stroje. Řezný nástroj zanechává na povrchu stopy; uspořádání stop má periodický nebo náhodný charakter. Působením "odtrhávání" mikročástic materiálu při obrábění, zbytků nárůstků na břitu a malých vad na špičce nástroje vznikají i jemnější složky struktury povrchu. Obrázek 1.26: Rozlišení drsnosti povrchu Vlnitost představuje rozměrnější nerovnosti, na které je superponována drsnost; většinou jsou způsobeny kmitáním nebo deformací obrobku, příp. pnutím v materiálu součásti. Vlnitost je přisuzována především vlastnostem obráběcího stroje, např. nevyváženosti brousicího kotouče, nepřesnostem vodicích šroubů, nedostatečné tuhosti apod. Obrázek 1.27: Rozlišení vlnitosti povrchu Tvar je charakterizován největšími nerovnostmi profilu povrchu, které vznikají bez ohledu na drsnost a vlnitost. Úchylky tvaru povrchu nejčastěji způsobuje nedostatečně tuhé upnutí obráběné součásti nebo úchylky (nepřímost) vodicích ploch strojů, příp. deformace součásti při vyšších teplotách řezání. 42

43 Obrázek 1.28: Rozlišení tvaru povrchu Každý popsaný typ nerovností je třeba měřit a hodnotit samostatně. Každý profilometr ke členění struktury povrchu na složky podle rozteče nerovností používá řadu filtrů. Jejich správná volba je základem kvalitního měření. Podle ČSN EN ISO určují filtry profilu rozhraní takto: filtr λs - rozhraní mezi drsností a kratšími složkami vln; filtr λc - rozhraní mezi drsností a vlnitostí; filtr λf - rozhraní mezi vlnitostí a delšími složkami vln. Pro objektivní kontrolu povrchu má velký význam volba správné hodnoty základní délky, kterou se rozlišují nerovnosti charakterizující vyhodnocovaný profil. Základní délka musí být dostatečně velká, aby v jejím rozsahu byly měřené parametry statisticky významné, ale současně ne tolik, aby zahrnovala irelevantní detaily profilu. Výběr vhodných základních délek doporučuje norma ČSN EN ISO Základní délka pro drsnost lr a pro profil vlnitosti ln má číselnou hodnotu stejnou jako charakteristické vlnové délky profilového filtru λc a λf. Základní délka pro základní profil lp se rovná vyhodnocované délce. Jelikož výškové a délkové rozložení nerovností tvořící drsnost není většinou pravidelné, je standardně stanoveno, že vyhodnocovaná délka pro parametry drsnosti ln sestává z pěti základních délek lr (ln = 5.lr). Při hodnocení s jiným počtem základních délek musí být toto vyznačeno. Konstrukce profilometru musí zajistit snímání profilu povrchu v souladu s uvedenou metodikou. Proto jsou pro měření struktury povrchu definovány následující délky: základní délka (sampling length), lp, lr, lw - délka, na které jsou měřeny jednotlivé parametry vyhodnocovaná délka (evaluation length), ln - délka pro vyhodnocování profilu, obsahuje jednu nebo více základních délek, výsledek měření je průměrná hodnota ze všech základních délek délka snímání, délka dráhy měřicího hrotu (traverse lenght), L - odpovídá vyhodnocované délce zvětšené o krátký rozběh (Lr) a doběh (Ld), které mají vyloučit mechanicky a elektricky nestabilní režimy měřicího systému. 43

44 mezní vlnová délka cut-off - jedná se o parametr měřicího přístroje, který je ekvivalentní a stejně důležitý jako již uvedená základní délka. Zatímco základní délka je fyzikální veličinou (délka kontrolovaného povrchu), mezní vlnová délka (cut-off) je funkcí profilometru, která upravuje převod profilu povrchu na odpovídající elektrický signál v rozmezí základní délky. Vlnové délky v měřeném signálu závisí na nerovnostech povrchu. Při použití krátkovlnného filtru, který vyloučí vlnové délky větší než 0,25 mm, zůstanou v nitrovaném signálu zastoupeny jen nerovnosti s roztečí 0,25 mm a menší, což je podmínkou k získání základní délky 0,25 mm. Měřicí systém odřezává nerovnosti s roztečí 0,25 mm, což je označováno mezní vlnovou délkou (cutoff). Při volbě mezní vlnové délky je rozhodující charakter struktury kontrolovaného povrchu. Zpravidla existuje jedna hodnota mezní vlnové délky, která nejlépe odpovídá charakteristice povrchu. Např. mezní vlnová délka 0,8 mm může být použita pro téměř všechny povrchy, ale nemusí být zcela vyhovující pro hodnocení některých specifických vlastností povrchu. Proto je vhodné při volbě mezní vlnové délky zvažovat i účel připravovaného měření. (Svatoš 2009) Obrázek 1.29: Délky definovány pro měření struktury povrchu Dle normy ČSN EN ISO 4287 lze rozlišit 3 typy profilů povrchu: základní profil P-profil (primary profile) profil vzniklý aplikací filtru λs pro odfiltrování krátkovlnných složek; profil drsnosti R-profil (roughness profile) profil odvozený ze základního profilu potlačením dlouhovlnných složek užitím filtru λc; 44

45 profil vlnitosti W-profil (waviness profile) profil odvozený postupnou aplikací λf filtru pro odstranění dlouhovlnných složek a λc filtru pro odstranění krátkovlnných složek. Obrázek 1.30: Tři typy profilů povrchu dle ČSN EN ISO Základní parametry metrologie povrchu P-parametr=parametr vypočítaný ze základního profilu R-parametr=parametr vypočítaný z profilu drsnosti 2D měření W-parametr=parametr vypočítaný z profilu vlnitosti S-parametr=parametr vypočítaný z 3D měření (parametry z toho měření mají podobné definice jako u 2D měření, pouze se změní pojmy jako délka na plochu a osa na rovinu) Výstupek profilu, p ta část povrchu, která směřuje ven z posuzovaného profilu a spojuje dva přilehlé body na průsečíku profilu s osou X (výstupek profilu směřuje z materiálu do okolního prostředí. Prohlubeň profilu, v je dovnitř směřující část posuzovaného profilu, která spojuje dva přilehlé body na průsečíku s osou X (prohlubeň profilu směřuje z okolí do materiálu. Výška výstupku profilu Zp vzdálenost mezi osou X a nejvyšším bodem výstupku Hloubka prohlubně profilu Zv vzdálenost mezi osou X a nejnižším bodem prohlubně profilu Výška prvku profilu Zt součet výšky výstupku profilu Zp a hloubky prohlubně profilu Zv 45

46 Šířka prvku profilu Xs délka úseku osy X protínající prvek profilu Obrázek 1.31: Základní prvky profilu Výškové parametry Největší výška výstupku profilu Pp, Rp, Wp výška Zp nejvyššího výstupku profilu v rozsahu základní délky Obrázek 1.32: Největší výška výstupku profilu Největší hloubka prohlubně profilu Pv, Rv, Wv hloubka Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu základní délky Obrázek 1.33: Největší hloubka výstupku profilu Největší výška profilu Pz, Rz, Wz je součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu (Rp) a hloubky Zv nejnižší prohlubně profilu (Rv) v rozsahu základní délky Obrázek 1.34: Největší výška profilu 46

47 Průměrná aritmetická úchylka profilu Pa, Ra, Wa je jednou z nejpoužívanějších charakteristik drsnosti povrchu. Jedná se o přednostní výškový parametr, který je získáván jako aritmetický průměr absolutních hodnot pořadnic Z(x) od střední čáry v rozsahu základní délky. Obrázek 1.35: Průměrná aritmetická úchylka profilu Průměrná kvadratická úchylka profilu Pq, Rq, Wq kvadratický průměr pořadnic Z (x) v rozsahu základní délky Obrázek 1.36: Průměrná kvadratická úchylka profilu Celková výška profilu Pt, Rt, Wt součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu a hloubky Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu vyhodnocované délky Obrázek 1.37: Celková výška profilu Průměrná výška prvků profilu Pc, Rc, Wc průměrná hodnota výšek Zt prvku profilu v rozsahu základní délky 47

48 Délkové parametry Průměrná šířka prvků profilu PSm, RSm, WSm základní charakteristika drsnosti povrchu v podélném směru získaná jako aritmetický průměr šířek Xs prvků profilu v rozsahu základní délky Obrázek 1.38: Průměrná šířka prvků profilu 1.8 Metody hodnocení kvality povrchu Měření parametrů struktury povrchu je v dnešní době možno provádět mnoha různými metodami, z nichž každá má své výhody a nevýhody. Metody hodnocení kvality povrchu lze rozdělit do 4 skupin: vizuální porovnávací dotykové bezdotykové Vizuální metoda Vizuální metoda je nedestruktivní metoda zaměřená na zjišťování a hodnocení vlastností povrchů výrobků pouhým okem, nebo pomocí lupy. Jedná se o velmi jednoduchou metodu. Na povrchu se poté sleduje směr stop po obrábění, vady, trhliny, defekty nebo škrábance. Obrázek 1.39: Vizuální metoda 48

49 1.8.2 Porovnávací metoda Umožňuje ohodnocení povrchu jak dotykem, tak pohledem. Měřený povrch je srovnáván s příslušným Etalonem. Ten je rozdělen do sekcí o různých definovaných drsnostech. Porovnání se provádí buď pohledem (s nebo bez zvětšení) nebo dotekem. Samotné porovnání probíhá na více místech povrchu, aby měření bylo objektivní. Jedná se o velmi jednoduchou metodu, která je velmi závislá na lidském faktoru. Obrázek 1.40: Porovnávací metoda Dotykové metody V současnosti patří mezi nejrozšířenější měřicí prostředky. Tyto přístroje (drsnoměry) zprostředkovávají přímé měření a hodnoty z nich získané často slouží k porovnání s hodnotami obdrženými jinými metodami. Jejich hlavními výhodami jsou vysoká přesnost, citlivost, reprodukovatelnost měření, možnost převodu analogového signálu do digitální formy a také poskytnutí veškerých parametrů profilu povrchu dle mezinárodních norem. Nicméně použitím těchto přístrojů, jejichž hrot je vyroben z velmi tvrdého materiálu (např. syntetický polykrystalický diamant), může docházet při vyvinutí větší přítlačné síly k částečnému poškození povrchové vrstvy měřené součásti, a tím i ke zkreslení naměřených údajů. Přístroje se zpravidla skládají z posuvové a měřící jednotky, raménka (dokáže se pohybovat vodorovně ve směru posuvu v ose x, a výškově v ose z) a různého typu snímače. (Svatoš 2009) Pneumatický snímač Pneumatický přístroj sestává se ze snímače daného průměru a hmotnosti, jenž je spojen hadičkou s vlastním přístrojem (obrázek 1.41). Snímač se kalibruje přiložením na čistou broušenou plochu kalibrační desky a vykazuje výšku sloupce vody na stupnici v mm. Je-li 49

50 řezná plocha drsnější než kalibrační deska, pak výška sloupce vody je také úměrně nižší. (Novák 2005) Obrázek 1.41: Pneumatický senzor snímání povrchu Indukční snímač Pracuje na principu diamantového hrotu, který je na snímacím raménku posouván po povrchu. Vertikální pohyb hrotu při přechodu výstupků a prohlubní je indukčním měřidlem převáděn na elektrický signál. Výhodou je malá měřící síla, což minimalizuje nebezpečí poškození měřeného povrchu. Snímač pracuje ve vysokém rozlišení, tudíž lze měřit s vysokou přesností. S indukčním snímačem je také možno měřit i vnitřní povrchy. Obrázek 1.42: Schéma indukčního snímače Piezoelektrický snímač Využívá piezoelektrického jevu krystalu, jehož schopností je generovat elektrické napětí při jeho deformování. Mezi výhody se řadí použití pro malé kapesní přístroje, jednoduchost 50

51 vyhodnocovací elektroniky a velmi dobrá odezva na vysokých frekvencích. Nevýhodou je např. malý rozsah snímače a citlivost na teplotu a vlhkost. Obrázek 1.43: Schéma piezoelektrického snímače Interferometrický laserový snímač (PGI) Umožní současné přesné měření s následnou analýzou textury a tvaru povrchu (úchylky tvaru, poloměry, sklony apod.). Současné měření mikrogeometrie a tvaru umožňuje velký měřicí rozsah snímače PGI (10 mm) s rozlišením 12,8 nm. Konstrukce snímacího hrotu (snap off) zajišťuje jeho uvolnění v případě velké zatěžující síly, což zabraňuje poškození měřidla. Snímač PGI je spojen s posuvovou jednotkou 120 mm, která může pracovat v normální nebo převrácené poloze (inverzní měření) Obrázek 1.44: Schéma interferometrického laserového snímače Atomic force microscopy (AFM) Tato metoda využívá miniaturního velmi ostrého snímacího hrotu (tip), jež není v přímém kontaktu s měřeným povrchem. Konstantní přítlačná síla (10-9 N), která zajišťuje jeho stálou polohu nad vzorkem, je vyvozena piezoelektrickým článkem, proti ní působí 51

52 meziatomární síly měřeného materiálu. Vlivem nerovností je hrot vychylován a zaznamenáván jeho pohyb. Dokáže pracovat ve vzduchu i v tekutinách. Obrázek 1.45: Schéma AFM snímače Bezdotykové metody Jedná se o moderní optická měřicí zařízení, v nichž je snímací hrot nahrazen paprskem elektromagnetického záření, čímž je vyloučeno poškození povrchu měřené součásti. Hlavními výhodami těchto zařízení jsou bezkontaktnost, a tím nedestruktivnost, dále možnost kontinuální kontroly, měření větší části povrchu než u metod kontaktních a opakovatelnost procesu. Jejich ústřední nevýhodou ovšem je, že měření topografie povrchu je měření nepřímé. To má za následek nutnost porovnání experimentálně získaných výsledků z těchto přístrojů s hodnotami obdrženými kontaktním profilometrem. Dělí se opět podle použitého typu snímače Fotometrické hodnocení Princip této metody je velmi jednoduchý, spočívá ve snímkování povrchu. Snímky se vyhodnotí pomocí softwarového vybavení. Pracovník musí nastavit správné digitální měřítko. Touto metodou lze vyhodnotit hloubku a šířku vlnky. Obrázek 1.46: Schéma měřící CCD aparatury 52

53 Obraz se jako optický signál promítá na CCD snímače fotoaparátu (kamery) a generuje v nich elektrické signály, které se transformují do počítačových digitálních dat. Optický obraz původního obrazu se tak prostorově rozdělí do matice pixelu. Počet bitů, kterými je popsaný každý pixel, definuje hloubku rozlišitelnost záznamu. Nevýhodou použité optické soustavy je nerovnoměrné osvětlení vzorku. Vzorek je ve středu zorného pole osvětlen více než při okrajích. Tento jev by při zpracování obrazů působil rušivě, proto je třeba tuto nehomogenitu osvětlení vhodným způsobem odstranit. To znamená, že posloupnost hodnot jasu obrazu na vstupu neodpovídá posloupnosti hodnot signálu na výstupu. Proto je nutné provést tzv. gama korekci, která upraví přenos jasů na lineární Laserový triangulační snímač (PSD) pracuje na principu triangulační metody. Mezi výhody tohoto snímače patří jeho vysoká rychlost (až /s), dokáže snímat hrany až do 90 deg a také jeho poměrně nízká cena. Do nevýhod se řadí proměnlivá velikost bodu, nedokáže snímat zastíněné oblasti a má pouze omezené rozlišení. snímač PSD polovodičový laser snímací optika měřící rozsah světelný bod měřený objekt Obrázek 1.47: Schéma činnosti laserového triangulačního snímače Konfokální snímač (CLA) princip činnosti konfokálního snímače spočívá v rozkladu bílého světla. Pak pomocí optiky se spektrální aberací je směrováno na kontrolovaný povrch. Optika rozloží světlo podle vlnových délek a v každém bodě povrchu je zaostřena jen určitá vlnová délka. Světlo 53

54 odražené z povrchu prochází otvorem, který propustí jen světlo zaostřené vlnové délky. Spektrometr vychýlí světlo na CCD senzor, kde je každému bodu přiřazena prostorová poloha (souřadnice bodu X, Y a výška v dané poloze Z). Mezi výhody tohoto snímače patří rychlé snímání ve vysokém rozlišení a vysoká přesnost. Obrázek 1.48: Schéma činnosti konfokální snímače ( Elektronový mikroskop - Scanning electron microscopy (SEM) Metoda je založena na interakci vysoceenergetického paprsku elektronů s povrchem vzorku a na měření energie elektronů povrchem odražených a emitovaných. elektronová tryska elektronový paprsek magnetická čočka anoda detektor odražených elektronů vzorek sekundární elektronové čidlo základna Obrázek 1.49: Schéma SEM snímače 54

55 2 Cíle práce Hlavním cílem této disertační práce byla analýza parametrů ovlivňujících kvalitu obrobeného povrchu po frézování, experimentální ověření vlivu vybraných parametrů obrábění, jako otáčky nástroje, rychlost posuvu, velikost úběru na zub a tloušťka třísky, na kvalitu obrobeného povrchu při vysokorychlostním frézování vzorků dřeva. Pro pokusy byly vybrány dřeviny smrk a buk, jako nejvýznamnější reprezentanti dřevin pěstovaných a využívaných v České republice. Dílčím cílem práce bylo stanovení a aplikace vhodné bezkontaktní metody pro měření povrchu opracovaných vzorků dřeva, analýza parametrů pro hodnocení kvality povrchu a zpracování vhodné metodiky pro toto měření. Dalším dílčím cílem pak bylo vyhodnocování naměřených dat, s využitím statistických metod a prezentace a porovnání vybraných výsledků z těchto měření. 55

56 3 Materiál Dřevo je anizotropní materiál s rozdílnými mechanickými a fyzikálními vlastnostmi. Z těchto důvodů byli pro laboratorní pokusy zvoleni zástupci pro měkké a tvrdé dřevo a to smrk a buk, což jsou nejdůležitější průmyslově využívané dřeviny v České republice. Při frézování a při každém obrábění dřeva významně působí jeho fyzikální vlastnosti (objemová hmotnost, hygroskopicita, tepelná vodivost) a mechanické vlastnosti (tvrdost, pevnost, plastickost), které jsou podmíněné jeho anatomickou a chemickou stavbou. Pro jednotlivé dřeviny je rozdílná, a proto druh dřeviny můžeme považovat za základního nositele podmínek při obrábění. Objemová hmotnost je vlastnost určující tvrdost dřeva, která má přímý vztah k frézování. Se zvětšující se tvrdostí, za jinak stejných podmínek, se zvyšuje řezný odpor. Ve vztahu ke kvalitě obrobené plochy se vyšší objemová hmotnost projevuje pozitivně. Obrobený povrch je obyčejně podstatně hladší, než povrch měkkých dřevin s nízkou objemovou hmotností. U měkkých dřevin odřezání třísky není dokonalé, v důsledku čeho větší nebo menší svazky vláken zůstávají spojené s dřevní hmotou. Projevují se ve formě chlupatosti povrchu. Podstatně tvrdší jsou suky, které otupují nástroj a zhoršují kvalitu povrchu. Často jsou spojeny s vyštipování povrchu. Z hlediska zvyšování efektivnosti výroby se musí jejich obrábění věnovat vyšší pozornost. Půjde zejména o řešení vhodných nástrojů, optimálních řezných a posuvných rychlostí. Tvrdost dřeva se mění při změně obsahu vlhkosti a teploty dřeva. U dřevin se stejnou objemovou hmotností je jakost opracovaného povrchu obyčejně rozdílná, což souvisí se strukturou a složením dřeva a jeho vztahem k obrábění. Například u exotických dřevin je vliv objemové hmotnosti druhotný. Podstatné je složení dřeva. Se zvětšujícím obsahem SiO2 se nástroj výrazněji otupuje. Podobný nepříznivý vliv má obsah půdy ve dřevě, které znečišťuje nástroj. Rozdílné vlastnosti dřeva v různých anatomických směrech se projevují i při frézování. V praxi se obrobek frézuje ve všech směrech, nejčastěji pak ve směru podélně-příčném. Při podélném frézování, zejména proti vláknům, mají dřevní vlákna tendenci se vytrhávat z povrchu, protože pevnost dřeva ve směru kolmo k nim je velmi malá. Pokud má být povrch při tomto druhu frézování kvalitní, musíme snížit tloušťku třísky na minimum, nebo zvýšit řeznou rychlost. Podmínkou je maximální ostrost nástroje. 56

57 Při frézování ve směru kolmo na vlákna se často vyštipují na výstupní straně nástroje třísky a vznikají trhliny. Nastává to působením horizontální síly, kolmé na směr dřevních vláken, a to tím víc, čím je nástroj otupenější a posuv větší. Na jeho omezení se používají na výběhové straně příložky, nebo tuto funkci plní další obrobek při posuvu bez mezer. Vyštipování je závažný problém i při podélném frézování, a to když je směr posuvu opačný ke směru otáčení nástroje (frézování nesousledné), což je typické pro frézování s ručním posuvem. V určitých případech je možné řešit problém opracování plochy obráběním dvěma opačně se otáčejícími nástroji (každý opracovává určitou část plochy) tak, že první nástroj se otáčí nesousledně a druhý nástroj sousledně. Při tomto frézování se odstraní nebezpečí vyštipování na konci obrobku. Při oddělování třísky v tangenciálním směru (směr řezného pohybu je kolmý na směr dřevních vláken) se povrch vytrhává- tvoří se rýhy. Při třídění, obrábění materiálu a celkovém postupu výroby dílců je nutno postupovat tak, aby náročně tvarované plochy nebo plochy nejvíc viditelné nebyly tangenciální. Rozdílné mechanické vlastnosti jarního a letního dřeva jsou příčinou vzniku vlnitosti na obrobeném povrchu. Tento jev je výrazný při frézování jehličnatých dřevin, což vyplívá z podstatných rozdílů mechanických vlastností jarního a letního dřeva. Pro tyto dřeviny může být přirozená vlnitost dva- až třikrát větší než kinetická, přičemž je větší na tangenciální ploše. Na tangenciální ploše je vlnitost větší na pravé straně (obrácená ke středu kmene). (Nemec, 1986) Z hlediska rozměrové a tvarové stálosti dílců je optimální vlhkost dřeva 8 ± 2 %. V tomto rozsahu vlhkost podstatně neovlivňuje jakost opracovaného materiálu. S vlhkostí se mění pružnost a pevnost dřeva. Při nižší vlhkosti se stává dřevo křehčí, v důsledku čeho se může projevit větší zaštipování materiálu. Naopak při vyšší vlhkosti se zhoršuje jakost povrchu v důsledku snížení pevnosti dřeva. Projevuje se to v některých případech, např. při frézování topolu vytrháváním vláken chlupatost povrchu. I rozdílné chování jarního a letního dřeva s měnící se vlhkostí způsobuje povrchové nerovnosti. Nerovnost vzniká tedy tím, že jarní dřevo na rozdíl od vysušeného, je pružnější než letní dřevo. Tím dochází k vystupování jarního dřeva na opracované ploše. Nerovnosti tohoto druhu se projevují především při opracování jehličnatých dřevin. (Nemec, 1986) 57

58 3.1 Smrk ztepilý (Picea abies L.) Smrk ztepilý patří do skupiny jehličnatých dřevin s největším plošným zastoupením v České republice 53,2%. Smrk je naší nejvíce zastoupenou jehličnatou dřevinou. Dřevo smrku je po poloměru kmene jednotně zbarveno, nemá vylišeno jádro a běl, u čerstvě káceného dříví lze makroskopicky vylišit vyzrálé dřevo. Dřevo je žlutobílé a světle žlutohnědé; letokruhy jsou zřetelné s pozvolným přechodem mezi jarním a letním dřevem v rámci letokruhu; pryskyřičné kanálky jsou drobné, patrné pouze na podélných řezech jako svislé tmavší pásky. Dřevo slabě voní, na podélných řezech je slabě lesklé. Patří k měkkým (26 MPa) a lehkým (ρ 0 =420 kg.m - 3, ρ 12 =450 kg.m -3 )) dřevům. Je méně trvanlivé a odolné proti biotickým škůdcům, dobře se opracovává, suší, hůře se impregnuje. Smrkové dřevo patří mezi naše nejdůležitější užitkové dřevo. Používá se jak stavební a konstrukční dřevo pro nadzemní i podzemní stavby (stožáry, sloupy, střešní mostní konstrukce, lešení, podlahovina, důlní dříví atd.), v nábytkářství (nábytek, dýhy, překližky, lišty), na chemické a polochemické zpracování (buničina, dřevovina dřevovláknité a dřevotřískové desky). (Šlezingerová, 2004) Obrázek 3.1: Textura smrku 58

59 3.2 Buk lesní (Fagus silvatica L.) Buk je v lesích České republiky druhou nejvíce zastoupenou listnatou dřevinou, zaujímá 6,2% lesní plochy, což představuje ( ha). Je jednou z nejdůležitějších evropských dřevin. Bukové dřevo je tvrdé, málo pružné, poměrně pevné. Dřevo nemá vylišeno jádro a běl, je narůžovělé, nahnědlé až červenohnědé (pařené dřevo červeně zbarvené), u starých stromů častá nepravá jádra. Typické roztroušeně pórovité listnaté dřevo; letokruhy poměrně zřetelné; dřeňové paprsky zřetelné na všech řezech, na příčném řezu tvoří husté pásy probíhající kolmo na letokruhy, na radiálním zřetelná zrcadla, na tangenciálním 1-5 mm vysoké svislé tmavší pásky. Bukové dřevo je středně těžké (ρ 0 =685 kg.m -3, ρ 12 =720 kg.m -3 ) a středně tvrdé (61 MPa), méně trvanlivé a málo odolné proti biotickým činitelům (houbám, hmyzu). Dobře se impregnuje, paří, moří, hůře se suší (má sklon k tvorbě trhlin a borcení). Bukové dřevo se pro svou načervenalou barvu a vlastnosti využívá v nábytkářství, dobře se ohýbá, čehož se využívá pro výrobu ohýbaného nábytku (židle, křesla), je důležitou surovinou pro výrobu dýh, překližek, parket, železničních pražců, pro chemické a polochemické zpracování dřeva (suchá destilace, buničina, k výrobě dřevotřískových a dřevovláknitých desek). Používá se také jako konstrukční materiál, při výrobě dopravních prostředků, dřevěných doplňků strojů, na výrobu drobných předmětů (knoflíky, hračky, cívky, hole) a drobného nářadí, někdy i pažeb k loveckým zbraním. (Šlezingerová, 2004) Obrázek 3.2: Textura buku lesního 59

60 4 Strojové a přístrojové vybavení 4.1 Stroj a nástroj pro frézování dřeva Frézování bukových a smrkových hranolů bylo prováděno za předem daných parametrů na prototypu stroje pro frézování dřeva (tzv. standu) pomocí válcové frézy. Tento stroj je umístěném v dílnách Mendelovy univerzity v Josefově Popis frézovacího standu Stand je zkušební prototyp číslicově řízeného stroje pro vysokorychlostní frézování dřeva firmy TOS Svitavy, osazeného měřící a záznamovou technikou pro sledování energetických parametrů při frézování. Stroj je určen pro rovinné frézování ploch obráběného dřevního materiálu při plynule měnitelných otáčkách obráběcího nástroje a plynule měnitelné velikosti rychlosti posuvu obráběného materiálu nezávisle na sobě a tím nastavení libovolně velkého úběru na zub. Obrázek 4.1: Obráběcí prostor zkušebního standu Měřící stand (obrázek 4.1) je tvořen základní nosnou částí stojanem na kterém je umístěna vysokootáčková pohonná jednotka třífázový elektromotor se jmenovitým příkonem 12 kw a možností otáčení hřídele v obou směrech (pro sousledné i nesousledné frézování). Rychlost pohonné jednotky lze plynule měnit v celém rozsahu otáček motoru ( min -1 ). Přenos kroutícího momentu mezi pohonnou jednotkou a vřetenem frézy je realizován řemenovým převodem 1:1, ale zvažuje se možnost připojení motoru přímo na hřídel. Toto 60

61 řešení by umožnilo zapojit mezi motor a hřídel měřící zařízení, pomocí kterého, by byl snímán krouticí moment na hřídeli. Hřídel a pohonná jednotka jsou uloženy na suportu, který je pomocí samostatného servomotoru plynule vertikálně přestavovatelný, hřídel lze nastavit nejen nad, ale i pod obráběný vzorek. Součástí stojanu je také pevný stůl, po kterém se pohybuje obráběný vzorek. Na horní části standu jsou umístěny tři skupiny podávacích válců (obrázek 4.2), každá skupina válců má samostatnou pohonnou jednotku a vzájemně jsou synchronizované. Dvě skupiny podávacích válců jsou před hřídelí (přední válce) a jedna sada je za hřídelí (zadní válec). Zadní válce jsou pogumované, aby při frézování nedocházelo k poškození obrobené plochy, a také se tímto opatřením nepatrně snižuje hlučnost. Přítlak podávacích válců je realizován pneumatickým zařízením firmy Festo. Použité jednotky mají možnost plynulé změny posuvné rychlosti v rozsahu m.min -1 frekvenčním měničem firmy Lenze (obrázek 4.3). Obrázek 4.2: Pohled na pohonné jednotky Obrázek 4.3: Elektrorozvodná skříň stroje s měřícím zařízením Ovládání standu Stand řídíme na hlavním panelu (obrázek 4.4) připevněném ke stroji na kyvném rameni, což značně usnadňuje ovládání při provádění experimentálních prací. Na panelu jsou tlačítka pro spouštění a vypínání pohonných jednotek, otočné potenciometry pro nastavování jejich rychlosti, centrální STOP a dotykový displej, přes který zadáváme veškeré potřebné údaje (nástroj, obráběný materiál a nastavení stroje) do řídící jednotky. 61

62 Obrázek 4.4: Hlavní řídící panel Obrázek 4.5: Pohled na nastavení přes dotykový displej Měřící a řídící systém standu Nejen rychlost a příkon podávacích válců a hlavní pohonné jednotky jsou snímány elektronickými čidly a zaznamenávány do paměti standu (vzorkování 10 ms, doba snímání 15s) a některé údaje můžeme přímo odečítat z displeje. Pro řízení a správu dat je ve standu řídicí systém Modicon TSX P (obrázek 4.6) s vlastním procesorem a možností rozšíření od firmy Schneider-electric. Jelikož paměť standu má nízkou kapacitu je třeba vždy po dvou měřeních přenést data do osobního počítače, na kterém jsou zálohována. 62

63 Popis řídící jednotky Modicon: 1. panel LED diod, 2. tlačítko reset, 3. konektor pro datový výstup (připojení PC), 4. konektor pro datový vstup, 5. pozice pro rozšiřující paměťovou kartu 6. pozice pro speciální kartu, 7. speciální konektor pro datový výstup Obrázek 4.6: Řídicí jednotka Modikon Naměřená data jsou přenášena přes rozhraní LPT a jsou ukládána ve formátu strojového kódu Pro vyhodnocení následně musí být data transformována jednoúčelovým převodníkem do zpracovatelného bloku a následně převedena do tabulkové podoby, např. program MS excel. Takto přehledně vytvořený blok naměřených dat lze dále i graficky zpracovávat a podrobně diagnostikovat Nástroj Jako nástroj pro přípravu vzorků byla použita válcová fréza firmy Benmet s.r.o. s výměnnými noži (obrázek 4.7) Obrázek 4.7: Válcová fréza Benmet a nůž Pilana HS

64 Parametry nástroje: průměr 125 mm šířka 130 mm průměr upínacího otvoru 40 mm osazená 6-ti noži Pilana HS úhly nožů nástroje: α=25, β=38, γ = 27 Obrázek 4.8: Fréza Benmet a detail stavu ostří nožů nástroje 4.2 Přístroje pro stanovení fyzikálních vlastností dřeva Bezhrotový vlhkoměr HMB-WS25 Přístroj HMB-WS25 je bezhrotový vlhkoměr sloužící pro rychlé nedestrukční měření vlhkosti dřeva vyrobeného rakouskou firmou MERLIN Technology GmbH. Obrázek 4.9: Princip činnosti přístroje HMB-WS25 ( Přístroj je vybaven voličem se 6 stupni, který lze nastavit pro jednotlivé dřeviny: 1 Měkké dřevo - lehké ( řídké ) 4 Třešeň, Modřín 2 Smrk, Borovice, Jedle... 5 Javor, Bříza, Ořech... 3 Olše, Lípa, Douglaska... 6 Hruška, Buk, Dub, Jasan... 64

65 Princip použití: Měřená plocha by měla být v ideálním případě hoblovaná. Nerovné plochy nebo plochy užší než 42 mm nemohou být přesně měřené. Měřící plocha vlhkoměru činí 67 x 42 mm. Tato plocha musí za účelem přesného měření být přiložena na zkoušený materiál. Zapnutý přístroj se při měření pokládá lehce na plochu měřeného dřeva. Během několika sekund se na displeji ustálí hodnota, která ukazuje hodnotu v % vlhkosti na daném místě. Obrázek 4.10: Digitální vlhkoměr HMB WS25 Pozor na cizorodé látky ve dřeva /kov, písek, smolníky, zarostlé suky a podobně, způsobují odchylky od měření. Proto je potřebné měřit na několika místech a zjistíte přesný stav hodnot. Přístroj je připraven pro práci v rozsahu teplot od 0 do max C. Skladování je však možné do teploty C. Teplota měřeného materiálu by měla být shodná s teplotou vašeho přístroje. Pokud rozdíl bude větší než 10 C toto může mít negativní vliv na přesnost měření. ( Označení HM8-WS25 Použití: Řezivo Rozměr (mm): 120 x 72 x 25 Hmotnost (g): 160 Hloubka měření (mm): Velikost čidla (mm): 80 x 72 Rozsah měření ( C): 0-50 Rozsah měření (%): 4 99 Chyba měření (%): 0,2 Tabulka 4.1: Technická data přístroje HM8-WS25 65

66 4.2.2 Laboratorní váha Vibra AJ-420-CE Laboratorní váhy Vibra AJ-420-CE japonského výrobce Shinko denshi co., ltd Tokyo slouží k přesnému vážení hmotnosti vzorků. Jsou vhodné pro velmi přesné vážení a počítání kusů v laboratořích a v průmyslu. Velmi rychlé ustálení! ( Obrázek 4.11: Digitální váhy Vibra AJ-420-CE ( Vlastnosti váhy: Cejchuschopná váha OIML Třída I a II, robustní provedení Velmi rychlé ustálení, jednoduchá obsluha Funkce: vážení, počítání kusů, procentní vážení, nastavení a signalizace limit, výběr jednotek hmotnosti Sériové datové rozhraní RS232 ve standardním provedení Modely s průměrem platformy 118 mm Označení Vibra AJ-420-CE Rozsah vážení MAX od 0,42 kg Dílek d od 0,001 g Rozměr vážící platformy průměr 118 mm Pracovní teplota okolí 0 až 35 C Funkce počítání kusů ano Kontrola hmotnosti ano Procentní vážení ano Přepínání jednotek ano Tabulka 4.2: Technická data přístroje Vibra AJ-420-CE 66

67 4.3 Zařízení pro snímání povrchu vzorků Talysurf CLI 1000 Talysurf CLI univerzální systém měření textury povrchu, který je umožněn volbou měření buď indukčním dotykovým způsobem Form Talysurf, nebo bezdotykovým způsobem reprezentovaným laserovou triangulační sondou a CLA konfokálním snímačem. Vyniká mimořádnou rychlostí a přesností měření v režimu 2D a 3D. Měřící systém Talysurf CLI Přístroje Talysurf CLI jsou vysoce účinnými měřícími prostředky k provádění rychlého prostorového měření a hodnocení povrchu s vysokým rozlišením. Systém CLI umožňuje měření a analýzy povrchu ve třech osách, s využitím dotykové nebo bezdotykové měřící techniky. Snadno ovladatelné a výkonné měřicí přístroje, vhodné i pro kontrolu velkého počtu součástí, jsou připraveny provádět analýzu dat při hodnocení struktury povrchu z jednoho profilu řezu (2D) i profilu plochy povrchu (3D). Obrázek 4.12: Přístroj Talysurf CLI 1000 s konfokálním snímačem Hlavní předností přístrojů je univerzálnost jejich využití, která vyplývá z možností systému měřit bud indukčním dotykovým způsobem Form Talysurf, nebo bezdotykovým způsobem reprezentovaným laserovou triangulacní sondou a CLA konfokálním snímačem (Chromatic Length Aberration CLA). Uvedené tři způsoby měření zajišťují prakticky neomezené možnosti měření struktury povrchu z hlediska jakosti, přesnosti a druhu materiálu součásti. Navíc je systém CLI vybaven automatickým posuvem ve všech osách (X, Y, Z), s rychlostí až do 30 mm/s, což umožňuje rychlé automatické měření. Připravenost přístroje pro kontrolu širokého sortimentu součástí dokumentuje i velikost měřícího prostoru (max. 100 x 100 x 100 mm) a nosnost stolu (max. 20 kg). 67

68 Praktickou předností Talysurf CLI je spojení tradičního 2D a prostorového hodnocení 3D do jednoho výkonného přístroje. I když je systém CLI speciálně konstruován pro měření 3D, je současně vybaven mechanickými i analytickými prostředky pro komplexní měření 2D. Lze tak jedním přístrojem monitorovat výzkum a vývoj, provádět studijní analýzy (např. opotřebení), rutinní inspekci i řídit výrobní procesy. Vedle zřejmého ekonomického přínosu má uživatel stále možnost porovnávat výsledky měření se všemi, kteří ještě používají jen tradiční měření 2D. Univerzálnost systému Talysurf CLI zajišťuje možnost využít na jednom přístroji až čtyři různé měřící hlavy ke kontrole všech kombinací materiálu a kvality povrchu součástí. Pro naše experimentální vyhodnocování parametrů povrchu byl zvolen CLA senzor. Konfokální (CLA) snímač bílé světlo je rozkládáno a optikou se spektrální aberací je směrováno na kontrolovaný povrch. Optika rozloží světlo podle vlnových délek a v každém bodě povrchu je zaostřena jen určitá vlnová délka. Obrázek 4.13: Schéma konfokálního snímače ( Světlo odražené z povrchu prochází otvorem, který propustí jen světlo zaostřené vlnové délky. Spektrometr vychýlí světlo na CCD senzor, kde je každému bodu přiřazena prostorová poloha (souřadnice bodu X, Y a výška v dané poloze Z). 68

69 Základem programového vybavení přístrojů Talysurf CLI je firemní program Talymap, který zabezpečuje veškeré řídící, kontrolní, vyhodnocovací i informační služby. Výkonný program pro analýzu dat zahrnuje standardní funkce vyhodnocení struktury povrchu 2D a 3D, včetně vyjmutí profilu 2D z povrchu 3D, měření ploch a objemu, výšky a vzdálenosti stupňů, analýzy výstupku, nosného podílu, velikost a hustotu zrn, atd. (viz následující kapitola 4.3.2) Významná je vybavenost zařízení pro automatizaci měření. Možnost programování automatického měření dávek součástí zefektivní jejich kontrolu. Použití nabízených měřících postupu nejen urychlí proces analýzy, ale současně zajistí jednotnou formu prezentace výsledku měření. Přístroje Talysurf CLI používají k hodnocení struktury povrchu všeobecně respektované parametry, včetně celého souboru pro prostorové hodnocení povrchu, a přispívají tak k tomu, že se třetí rozměr stává snadno dostupným a srozumitelným v metrologii povrchu. Obrázek 4.14: Součásti přístroje Talysurf CLI 1000 ( Základní technická data přístroje Talysurf CLI 1000 Následující technická charakteristika popisuje parametry přístroje Talysurf CLI Snímač Plocha Rychlost měření Krok Frekvence Typ Rozsah/citlivost X x Y vpřed/vzad Konfokální 800 µm/ 30 nm Hz 100 x 100 mm 20 x 20 µm 0,5mm.s-1 / 30mm.s -1 Tabulka 4.3: Rozsah a rychlost měření CLA senzorem 69

70 Celkové rozměry / hmotnost přístroje 600 x 600 x 800 mm / 280 kg Maximální rychlost měření CLA konfokálních měřidel je 30 mm/s. Při možnosti volby frekvence snímání je datová rozteč závislá na rychlosti snímání a frekvenci (při vysoké frekvenci a nízké rychlosti je malá rozteč). Např. při rychlosti měření 500 µm/s a frekvenci 1000 Hz je datová rozteč 0,5 µm; naopak při rychlosti 3 mm/s a 500 Hz je rozteč 6 µm. Maximální rychlost indukčního měřidla je 3 mm/s; doporučená rychlost je ovšem 1 mm/s. Přitom vyšší rychlost nemusí dát přesné výsledky na velmi hrubém povrchu a je proto doporučováno provést předběžné porovnávací měření. Při dotykovým snímání rychlostí 1 mm/s je datová rozteč 1 µm. Výsledky měření získané dotykovým a bezdotykovým způsobem je třeba srovnávat a posuzovat velmi obezřetně. Na stejném povrchu muže být reakce odraženého světla a snímacího hrotu zcela odlišná. Proto ne vždy je možná korelace mezi výsledky dotykového a bezdotykového měření. Přesto se bezdotykové měření prosazuje svými praktickými přednostmi: vysoká rychlost měření, oboustranné snímání snižuje dobu kontroly, možnost měření měkkých a pružných materiálu, a v neposlední řadě i menší náchylnost optických měřidel k opotřebení nebo poškození Talymap Platinum K analýze povrchu po měření slouží programové vybavení přístroje Talysurf CLI 1000, které tvoří firemní program Talymap Platinum. Tento program zabezpečuje veškeré vyhrnovací a informační služby, neboť zahrnuje standardní funkce vyhodnocení topografie povrchu 2D (celkem 117 parametrů) a 3D (celkem 40 parametrů), včetně vyjmutí profilu 2D z povrchu 3D, měření ploch a objemů, výšky a vzdálenosti stupňů, analýzy výstupků, nosného podílu, atd. Tyto měřící možnosti urychlují proces analýzy a současně zajišťují jednotnou formu prezentace výsledků měření. Program Talymap Platinum používá k hodnocení topografie povrchu všeobecně respektované parametry. Vzhledem k širokým možnostem tohoto programu je nutné při objektivizaci vyhodnocovaných dat používat vhodné postupy analýzy dat, tzn., že je potřebné optimalizovat posloupnost kroků při zpracování naměřených dat. Zpracovaná metodika je návodem, jak postupovat při zpracování a analýze dat tak, aby analýzy provedené programem Talymap Platinum poskytovaly objektivní a správné parametry struktury povrchu, které podle norem popisují jejich vlastnosti. 70

71 Popis programu Talymap Platinum Při spuštění softwaru Talymap Platinum je v závislosti na předvolbách otevřen jeden dokument. Dokument je svým vzhledem i ovládáním velmi podobný dokumentům v programech sady Microsoft Office. V uvedeném dokumentu se podle nastavení programu nebo importem otevře příslušný soubor naměřených dat ve vhodném formátu. Popis jednotlivých částí dokumentu je uveden pod obrázkem. Horní lišta uvádí na levé straně Název otevřeného souboru a vpravo nahoře je možno soubor zmenšit na dolní lištu (soubor zůstane otevřen a nebude uložen), zmenšit velikost plochy, kterou dokument zaujímá na monitoru, anebo soubor zavřít (pozor na nutnost uložení změn v souboru, pokud byly provedeny a chceme je uložit). Obrázek 4.15: Dokument v programu Talysurf Platinum Pod horní lištou je nabídka menu, která obsahuje tyto položky: File soubor práce se soubory (naměřené povrchy, provedené analýzy, dokumenty) Edit úprava dokumentu Bank soubor analýz použitých v dokumentu Operators nástroje pro úpravu povrchu před hodnocením parametrů topografie povrchu Studies analýzy parametrů topografie povrchu Ilustrations objasnění vložení do dokumentu např. textového pole s popisem, obrázku apod. Reserves zálohy struktury barev u analýz, vytvoření kopie analýzy, přemístění nahoru a dolů apod. 71

72 Options nastavení základní předvolby, metrologické předvolby, palety barev Help - nápověda Nejdůležitější nástroje pro analýzy povrchu dřeva: Nástroj oprava bodů povrchu Retouch Surface Points Operatos (Surface) V případě, že se na změřeném povrchu zobrazeném na monitoru objeví nezměřené body (v zobrazení je uvedeno pod svislou paletou barev čtvereček s popisem NM), je vhodné použít nástroj pro opravu bodů povrchu Retouch surface points. U tohoto nástroje můžeme v dialogovém rámečku zvolit velikost a tvar plochy, kterou chceme opravit a způsob opravy (mezi posledními body může být vytvořen plynulý profil, přímka nebo může být uvedena maximální, střední nebo minimální výška bodů na naměřené ploše). Tento nástroj může být užíván pro nahrazení určitých vadných nebo nezměřených bodů na povrchu (například kaz může být prach uvízlý na lesklém povrchu nebo škrábnutí, které si nepřejeme vzít v úvahu při analýze). Může se také použít k přeměně plochy z nezměřených bodů do validní plochy. Jestliže povrch má mnoho rozptýlených nezměřených bodů, je lepší použít Nástroj doplnění nezměřených bodů. Možnosti nástroje Oprava bodů povrchu Před nahrazením bodů je nutno definovat plochu oprav. Lze opravit: Všechny body na povrchu uvnitř definovaného obrysu (tyto body mohou být změřené nebo nezměřené body). Pouze nezměřené body uvnitř definovaného obrysu. Všechny nezměřené body na povrchu (v tomto případě je lepší použít nástroj Filling in Non-Measured Points) Nástroj vyrovnání Levelling Dalším velmi důležitým nástrojem je Levelling, který zajistí vyrovnání povrchu v případě, že při měření nebyla měřená plocha rovnoběžná s plochou stolu. U tohoto nástroje je možné volit metodu vyrovnání (vhodnější je použít přednastavenou metodu ze střední plochy povrchu; lze použít i metodu z plochy definované třemi body, která je však vhodná pro profesionální použití a vyžaduje velmi dobré znalosti programu Talymap Platinum), použitou plochu k vyrovnání (vnitřní nebo vnější plochu, případně body apod.) a způsob vyrovnání 72

73 (přednastavený je způsob odečítání by Substraction nebo lze zvolit způsob rotace vy Rotation). Nástroj zvětšení (výběr z měřené plochy) Zoom Velmi užitečným nástrojem je Zoom, který zajišťuje zvětšení zobrazeného povrchu výběrem plochy, kterou potřebujeme zvětšit. Tímto nástrojem můžeme z měřeného povrchu vyloučit např. nezměřené body, nestandardní okrajové části plochy apod. U tohoto nástroje můžeme zvolit typ zvětšení (pravoúhlý, kruhová nebo oválný a definovaný uživatelem libovolný tvar) a jeho polohu v rámci naměřené plochy. Plochu lze měnit přetažením nebo výpisem velikosti v levé části dialogového okna; v tomto okně se v levé části zobrazuje výchozí povrch a v pravé části zvětšený povrch. Nástroj stanovení prahu (pásma) citlivosti (výšková konkrece dat) Thresholding Operator (Surface) Nutným nástrojem při vyhodnocování a zobrazování povrchu je Thresholding, kterým můžeme z měřeného povrchu vyloučit např. nezměřené body, nestandardní okrajové části plochy apod. Tento nástroj dovoluje uměle seříznout povrch (ve vrcholech či prohlubních) v dané výšce. Nástroj je zvláště užitečný pro potlačení vrcholů nebo prohlubní, které jsou příliš velké, a které potlačují či skrývají další detaily, anebo umožňuje simulovat průběh opotřebení. Meze (výšky vodorovných ploch řezu povrchu mohou být omezeny trojúhelníkovými kurzory při používání myši nebo použitím klávesnice. Každý práh (mez) je omezen buď jako procento výšek (Tp v %) nebo jako hloubka (HTP v µm a %). Kurzory na svislém sloupci ukazují nastavení hranice výšek a na horizontálním sloupci nastavení rozsahu. Omezené části povrchu utvoří úseky, které se jeví ve standardním zobrazení palety barev. Nástroj Odstranění tvaru Form Removal Operator (Surface) Tento nástroj spočívá v matematickém odstranění tvaru povrchu. Zbytek profilu je potom tvořen vlnitostí a drsností, které mohou být studovány samostatně. Odstranění tvaru spočívá v aproximaci obecného tvaru povrchu použitím matematické funkce, která se mění velmi pomalu, jako polynom malého exponentu nebo kružnice/koule. Tato aproximace se pak považuje za tvar a odstranění tvaru proto spočívá v odečtení této aproximace ze změřeného povrchu. 73

74 Odstranění tvaru je možné provést třemi metodami: Ostranění koule Suppression of a Spere Software vypočítá poloměr a pozici středu nejlepší koule a minimalizuje vzdálenost mezi povrchem a koulí. Odstranění válce Suppression of a Cylinder Tato metoda spočívá v hledání válce na ose X, který nejlépe kopíruje studovaný povrch. Výsledkem je zobrazení počáteční povrch povrch po odstranění tvaru tvar samotný. Odstranění libovolného tvaru polynomickou aproximací Suppression o fany Shape by Polynomial Approximation Tato metoda spočívá v hledání polynomu se stupněm definovaným uživatelem, kterým se nejvíce blíží k původnímu povrchu. Tyto výpočty jsou omezeny na menší stupně polynomu, protože délka výpočtu výrazně narůstá se stupněm polynomu. Při vyšším stupni je ale odstraněno i více vlnitosti a tvaru. Obvykle je stupeň polynomu 2 dostatečný, ve většině případů se stupně polynomu vyšší než 5 téměř nikdy nepoužívají. Spodní obraz představuje vypočtený tvar polynomu, kdežto horní obrazy představují zbytky (vlnitost+drsnost) z odstraněného tvaru. Při vyšší mocnině polynomu polynom více kopíruje reliéf povrchu. Odečítání polynomu s exponentem 1 je stejné jako odčítání roviny metodou nejmenších čtverců, tedy odstranění sklonu. Odčítání polynomu druhého stupně dovoluje odstranit rovnoměrné zaoblení povrchu. Vyšší mocninou polynomu dostaneme více komplikovaný tvar, ve kterém je odstraněno i více vlnitosti jako tvarové úchylky. Volba stupně polynomu proto závisí na požadovaném rozmezí mezi vlnitostí a tvarem. Program Talymap Platinum zabezpečuje veškeré vyhodnocovací a informační procesy a zahrnuje standardní funkce vyhodnocení topografie 2D profilu (celkem 117 parametrů) i 3D povrchu (celkem 40 parametrů). Zkušenosti s prováděnými měřeními na přístroji Talysurf CLI 1000 a používáním programu Talymap Platinum a konzultace s odborníky v oboru struktury povrchu z jiných pracovišť potvrdily nutnost zpracovat metodiku vyhodnocování pomocí tohoto programu. Vzhledem k širokým možnostem tohoto programu je nutné při realizace vyhodnocování dat používat vhodné nástroje a postupy analýzy dat tak, aby prezentované výsledky byly spolehlivými ukazateli jakosti povrchu, tzn., že je potřebné optimalizovat posloupnost kroků při zpracování naměřených dat. (Svoboda 2007) 74

75 5 Metodika práce 5.1 Výběr a příprava vzorků pro experimentální měření Pro jednotlivé experimentální pokusy byly použity bukové a smrkové hranoly požadovaných rozměrů (50 x 60 x 2000 mm) a vlhkosti 8%. Vybrané hranoly byly rovnovlákné bez růstových a jiných mechanických vad. a p = 1 mm h = 60 mm l = 2000 mm b = 50 mm Obrázek 5.1: Rozměry frézovaného bukového a smrkového hranolu 5.2 Metodika stanovení fyzikálních vlastností vzorků dřeva U rostlého dřeva je rozeznávána hmota buněčných stěn bez submikroskopických dutin, lumenů a mezibuněčných prostor nazývaná dřevní substance. Hustota dřevní substance je potom vyjádřena poměrem hmotnosti dřevní substance m s a příslušného objemu V s (Horáček, 1998). m = s ρ s [kg/m 3 ] [5.1] Vs Tato veličina prakticky nezávisí na druhu dřeviny. Objemová hustota dřeva je vztažena k objemu dřeviny, který je ovlivněn konkrétní strukturou dřeva a vlhkostí. Pro možnost porovnání výsledků a použití při teoretických výpočtech je používána hustota v absolutně suchém stavu ρ o [kg/m 3 ]. V našem případě je důležité znát hustotu vztaženou k vlhkosti ρ w [kg/m 3 ], při které bylo dřevo frézováno. m = w ρ w [kg/m 3 ] [5.2] Vw kde: m w hmotnost zkušebního tělesa při dané vlhkosti V w přesně změřený objem zkušebního tělesa zkoumané dřeviny 75

76 Důležitým krokem je také stanovení absolutní vlhkosti dřeva w. K orientačnímu zjišťování vlhkosti při frézování byl používán elektronický vlhkoměr HMB-WS25, viz obrázek Přesněji byla vlhkost následně určována gravimetricky, vycházející z rovnice [5.3]. Z dlouhých bukových a smrkových hranolů byly vyříznuty vzorky - pravoúhlé hranoly se základnou 20x20 mm a délkou ve směru vláken 30 mm (podle ČSN ) s přesností d = ± 0,5 mm v počtu 12 kusů. Podmínkou bylo, aby příčný řez vzorku obsahoval minimálně 5 letokruhů, viz obrázek 5.2. Tímto byla splněna podmínka eliminace variability hustoty v rámci ročního kruhu. mw mo w =.100 [ % ] [5.3] m o kde: m w hmotnost při dané vlhkosti m o hmotnost dřeva v suchém stavu Obrázek 5.2: Zkušební vzorek buku pro zjišťování vlhkosti U každého tělíska byla změřena hmotnost na přesných digitálních vahách Vibra AJ-420-CE (d = 0,001 g), viz obrázek Po přesném zjištění průměrné hmotnosti m w byly vzorky vloženy do elektrické pece Chirana E 31/1 a sušeny při teplotě 103±2 C. Po době sušení 2 h byly vytaženy a zváženy. Proces sušení probíhal dále až do okamžiku dokud rozdíl vlhkostí mezi posledními dvěma měřeními nebyl větší než 0,01. Průměrná hmotnost v suchém stavu byla tedy m o. Po tomto měření bylo možné stanovit vlhkost vzorků w pomocí rovnice [5.3] Následně bylo možné určit objemovou hustotu frézovaného buku z rovnice [5.2], při průměrné hodnotě objemu zkušebních tělísek V w. 76

77 5.3 Nastavení stroje a frézování vzorků dřeva Měřící stand je určen pro rovinné frézování ploch obráběného dřevního materiálu při plynule měnitelných otáčkách obráběcího nástroje a plynule měnitelné velikosti rychlosti posuvu obráběného materiálu nezávisle na sobě a tím nastavení libovolně velkého úběru na zub. Obrázek 5.3:Správné upevnění nástroje do stroje Před samotným frézováním bude na standu provedeno několik přípravných kroků: správně upevnit vybraný nástroj připevnit ochranný kryt připravit materiál hranoly pro frézování změřit výšku hranolu nastavit veškeré potřebné údaje obrábění na ovládacím panelu podle změřené výšky nastavit výšku nástroje nad stolem zvolit směr otáčení hřídele zapnout odsávání zapnout hlavní motor frézy pomocí potenciometru nastavit požadované otáčky nástroje zapnout podávací válce frézy pomocí potenciometru nastavit požadovanou rychlost posuvu do řezu Po provedení všech těchto kroků, můžou být připravené dřevěné hranoly vloženy do stroje a ofrézován jejich povrch. Po ofrézování budou následovat další operace: Z konce hranolu odřízneme 100 mm dlouhé vzorky. Vzorky označíme podle předem stanoveného klíče a na boční straně vzorku vyznačíme směr, kterým byly posouvány při frézování do řezu. 77

78 Takto připravené vzorky přeneseme do laboratoře k další operaci, čímž je měření kvality povrchu bezkontaktní metodou na přístroji talysurf CLI Vstupní parametry stroje Pro sérii pokusů byly zvoleny následující parametry: Otáčky nástroje 8000, 9000, 10000min -1, úběr na zub f z 0,2; 0,4; 0,6mm při tloušťce odebírané vrstvy 2mm. Požadovaná rychlost posuvu v f byla vypočtena dle vztahu (1.5), vypočtené hodnoty jsou zobrazeny v tabulce 5.1. f z v = f 1000 n z n z f v f = [mm] > 1000 z [m.min -1 ] [1.5] tloušťka odebírané vrstvy a p = 2 mm otáčky n úběr na zub f z 0,2 0,4 0,6 řezná rychlost v c ,2 14,4 21,6 39, ,6 19, , ,5 výška vlnky y 0,0004 0,0008 0,0012 Tabulka 5.1: Vypočtené hodnoty posuvu podle otáček a úběru na zub, řezná rychlost Pro druhou sérii pokusů byly zvoleny tloušťky odebírané vrstvy 1, 2, 3 mm, otáčky nástroje min -1, úběr na zub f z 0,2mm. úběr na zub f z = 0,2 mm, rychlost posuvu v f =12 m.min -1 otáčky n tloušťka odebírané vrstvy a p řezná rychlost v c mm 2 mm 3 mm 65,5 Tabulka 5.2: Hodnoty tloušťky odebírané vrstvy při posuvu 12m.min -1 a pro 2. sérii pokusů Obrázek 5.4: Nesousledné frézování dvěma noži (Nutsch a kol. 1999) 78

79 5.4 Metodika zjišťování parametrů povrchu vzorků CLA senzorem Pro hodnocení kvality povrchu dřeva byla vybrána jedna z nejlepších dostupných metod. Jedná se o moderní a velmi přesnou digitální metodu bezkontaktního snímání zkoumaného povrchu dřeva zařízením Talysurf CLI 1000 s konfokálním senzorem. Následné číselné a grafické zpracování naměřených dat bylo provedeno programem Talymap Platinum. Tato zvolená metoda je pro snímání povrchu dřeva dobře aplikovatelná a zaznamená i velmi jemné nuance zkoumaného povrchu vzorku Měření povrchu vzorků přístrojem Talysurf CLI 1000 Metodika měření na přístroji Talysurf spočívá v tom, že se plocha vzorku dané velikosti snímá LCA snímačem. Získaný soubor dat pro simulaci povrchu vzorku je uložen na disku a poté zpracována softwarem TalyMap. Ze získaného souboru dat můžeme vytvořit průběhy až 40-ti parametrů. Uvedené parametry dostatečně dobře popisují parametry kvality povrchu obrábění. Postup pro měření parametrů povrchu: jemné očištění povrchu připravených vzorků (ofouknutí) vizuální kontrola poškození vzorku správné připevnění vzorku k posuvnému stolu měřícího zařízení zapnutí přístroje a provedení kalibrace pracovní polohy stolu výběr snímané plochy a nastavení snímače rychlé otestování snímače na vybrané oblasti snímání označení okrajových bodů snímání na vzorku pro zpětnou kontrolu nastavení ostatních mezních parametrů nastavení místa na disku pro ukládání datového souboru spuštění měření Vhodné je převzít definici struktury povrchu dle normy [ČSN EN ISO 8785]. 79

80 Struktura povrchu jsou opakované nebo náhodné úchylky od geometrického povrchu, které tvoří třírozměrnou topografii povrchu. Strukturu povrchu (na omezené ploše) tvoří drsnost povrchu, vlnitost povrchu, stopy po technologických procesech (např. obrábění), nedokonalosti povrchu a úchylky tvaru. Skutečný povrch je povrch omezující těleso a oddělující jej od okolního prostředí. Souřadnicový systém je systém, ve kterém jsou definovány parametry struktury povrchu. Obvykle je používán pravoúhlý souřadnicový systém, ve kterém osy tvoří pravotočivou kartézskou soustavu osa X ve směru snímání je souběžná se střední čárou, osa Y leží na skutečném povrchu kolmo na směr snímání a osa Z směřuje z povrchu (z materiálu do okolního prostředí jsou v ní rozpoznány a registrovány nerovnosti charakterizující profil povrchu). Obrázek 5.5: Správné umístění vzorku pod snímač ( V případě, že je velký krok, nebo prudký svah vedle prostoru měřeného, musí být větší důraz kladen na to, aby byl měřený vzorek orientován a připevněn ke stolu správně tak, že neexistují žádné "stíny", ve výsledcích. Proces topografického snímání povrchu je řízen programem Talymap Platinum. K dispozici jsou údaje prostorového měření drsnosti a vlnitosti povrchu s možností v jakémkoliv místě provést řez plochou se znázorněním 2D profilu plochy. Metodika měření drsnosti povrchu byla navržena tak, aby byla použitelná jak pro měření drsnosti rostlého dřeva tak i aglomerovaných materiálů. Hodnoceny byly parametry profilu, drsnosti a vlnitosti viz následující podkapitola. 80

81 5.4.2 Metodika vyhodnocení parametrů povrchu programem Talymap Platinum Následující metodika je návodem, jak postupovat při zpracování a analýze dat tak, aby analýzy provedené programem Talymap Platinum poskytovaly objektivní a správné parametry struktury povrchu, které podle norem popisují jejich vlastnosti. Zpracovaná metodika popisuje postupy při přípravě povrchu před prováděnými analýzami parametrů struktury povrchu přístrojem TALYSURF CLI V programu Talymap Platinum se po načtení odpovídajícího souboru dat měření musí použít řada nástrojů a následně studií pro vyhodnocení naměřených dat. Vzhledem rozsáhlému souboru možností programu Talymap (počet souborů pro úpravu povrchu je 25), je nutné vytvořit vhodnou posloupnost aplikací jednotlivých nástrojů pro zpracování povrchu tak, aby výsledky hodnocení odpovídaly současným potřebám a byly objektivně správné. Nedostatkem programu Talymap Platinum je ta skutečnost, že mezi již použité nástroje nelze vložit doplňující nástroj pro analýzu. To může být problém při hodnocení struktury povrchu po 3D měření, neboť použité nástroje a provedené studie je nutno vymazat do místa, kde chceme požít jiný nástroj nebo studii. Proto je nezbytné při hodnocení jakosti struktury povrchu programem Talymap Platinum používat vhodnou posloupnost nástrojů pro přípravu povrchu k jednotlivým analýzám tak, aby výsledky byly objektivní a správné. Po zkušenostech a používání programu Talymap Platinum a při diskuzích s odborníky z praxe byla sestavena posloupnost kroků k přípravě povrchu v rámci programu Talymap Platinum. Tato posloupnost je ve formě metodiky vzájemně navazujících kroků a má tuto strukturu: Oprava bodů na povrchu Retouch surface poits Vyrovnání plochy Levelling vyrovnání profilu plochy podle zvolené oblasti Zvětšení Zoom Výběr plochy z naměřeného povrchu pro další úpravy a analýzy Stanovení prahu (pásma) citlivosti Thresholding zahrnutí odpovídajícího spektra dat zahrnutých do hodnocení. Odstranění tvaru Form removal slouží k oddělení geometrického tvaru při měření reálných povrchů, neboť tvarové úchylky by hodnocení struktury povrchu zkreslovaly Těchto pět základních kroků je vhodné provádět při přípravě povrchu k analýzám v rámci programu Talymap Platinum. Pokud některý ze základních nástrojů nepoužijeme v tomto pořadí, v případě potřeby jeho použití v dalších krocích budou do dalších analýz zahrnuty i oblasti, které nemusí plně vyhovovat záměru posouzení struktury povrchu. 81

82 Kroky ve výše uvedeném postupu musí být realizovány pouze tehdy, je-li podle zobrazení změřeného 3D povrchu tato procedura nutná. Opravu bodů povrchu Retouch surface poits použijeme pouze tehdy, jsou-li na povrchu zobrazeny nezměřené body. Nejsou-li na změřeném povrchu nezměřené body, není nutné použít krok 1 (opravu bodů povrchu) a postup zahájíme krokem 2 nástroj vyrovnání plochy. Vyrovnání plochy Levelling představuje výškovou regulaci povrchu vzhledem k průměrné ose měřeného profilu plochy. S tímto jevem se setkáme téměř u všech měřených povrchů. Tento proces dovoluje zpracovat i povrchy, jejichž plochy je skloněna vzhledem k ploše stolu, tzn. že měřený povrch není v rovnoběžné rovině s dráhou snímačů, nebo stolu. Po vyrovnání plochy jsou již zřetelnější detaily naměřené plochy a je vhodné použít nástroj Zvětšení Zoom, u kterého výběrem oblasti z naměřeného povrchu danou oblast zvětšíme pro další úpravy a analýzy. Při vícenásobném použití tohoto nástroje je možné, že při nízkém vzorkování se plocha nebude jevit jako jednotná, proto je doporučeno tento nástroj použít na počátku analýzy. Stanovení prahu (pásma) citlivosti Thresholding je proces, kterým se do dalších analýz zahrne pouze odpovídající spektrum dat. Tento nástroj eliminuje extrémně vysoké vrcholy a hluboké prohlubně, které se na povrchu objevují ve velmi malém počtu. Tímto procesem dojde k redukci výšek a prohlubní podle úrovně nastaveného pásma citlivosti. Tato procedury zajistí zlepšení vizualizace naměřeného povrchu. Odstranění tvaru Form removal je dalším nutným krokem. V případě, že povrch není modifikován jiným tvarem (rovnou šikmou plochu odstraníme procesem vyrovnání) potom tento nástroj použít nemusíme. V případě měření na reálných součástech je na povrchu obvykle nějaký tvar superponován a oddělení tvarových úchylek je nutné. Velmi vhodným nastavením je oddělením polynomem 2. Řádu, což jsou tvarové plochy typu válec, kružnice apod. Použitím polynomů vyšších řádů se odstraňuje i část vlnitosti povrchu podle typu povrchu, což vyžaduje dobrou znalost programu i představu o odstraňovaném tvaru. Po provedení výše uvedených pěti kroků postupu lze v dalším zpracování dat (úpravě zobrazení povrchu v programu Talymap Platimum) použít nejen nástroje, ale i analýzy podle potřeby vyhodnocení nebo zobrazení výsledků měření. Jednou z možností (tato část je již závislá na uživateli) je např. tento postup: Zobrazení 2D fotosimulace zobrazení povrchu jako fotografie ve 2D provedení. Zobrazení 3D povrch v různých formách 3D zobrazení povrchu s možností změny polohy v zobrazení. Filtrace mezi nefiltrovanou plochou a vlnitostí a drsností. 82

83 Zobrazení parametrů 3D zobrazeno jako 3D plocha nefiltrována, 3D vlnitost, 3D drsnost. Extract Profile výběr profilu na plochách s následnými analýzami 2D profilu nefiltrovaného, vlnitosti a drsnosti podélné i příčné, atd. Parametry plochy nebo profilu. Pro vyhodnocení parametrů povrchu zvolíme z naměřených parametrů povrchu, drsnosti a vlnitosti vhodné reprezentanty: R a průměrná aritmetická úchylka drsnosti má vyšší vypovídající hodnotu než parametr R q, který je vhodný spíše pro velmi hladké povrchy. R z nejvyšší výška profilu základní délky Wa průměrná aritmetická úchylka vlnitosti pro srovnání s teoreticky vypočtenou hodnotou výšky vlnky y W sm průměrná šířka prvků vlnitosti pro srovnání s hodnotou úběru na zub f z 5.5 Metodika vyhodnocení naměřených dat statistickými metodami Statistika se zabývá zkoumáním jevů, které jsou výsledkem různých vlivů a příčin, a které je možné hodnotit jen v souborech, kde znalost izolovaných jednotlivých výskytů nebo hodnot nám o zkoumané skutečnosti mnoho neřekne. Povrch zkoumaných vzorků byl opracován při rozdílných vstupních parametrech, jako jsou otáčky nástroje, úběr na zub/rychlost posuvu, tloušťka frézované vrstvy a dřevina. Tato získaná data parametrů kvality budou testována s použitím software Statistica 10 umožňující vytváření mnoha různorodých statistických zobrazení a analýz. Využijeme krabicové grafy a analýzu rozptylu. Pro nalezení zvláštností statistického chování dat a ověření jejich předpokladů pro následné statistické zpracování byl použit krabicový graf, patřící mezi základní grafické metody průzkumové analýzy dat. Krabicový graf je jedním z nejběžnějších způsobů grafického znázornění dat. Umožňuje především znázornění robustního odhadu mediánu, posouzení symetrie rozdělení a identifikaci podezřelých odlehlých měření. Jeho základem je obdélník znázorňující šířku a délku intervalového rozpětí. Uvnitř obdélníku (krabičky) je čára, či bod představující polohu mediánu. Z obou stran obdélníku pokračují úsečky (vousy) ukončeny přilehlými hodnotami. 83

84 Při použití obvyklých metod statistiky se zpravidla předpokládá, že se jedná o nezávislé náhodné veličiny pocházející z normálního rozdělení a že výběr má dostatečný rozsah pro spolehlivý odhad parametrů a testování hypotéz. Před provedením vlastní statistické analýzy budou ověřeny následující vlastnosti: dostatečný rozsah výběru nezávislost prvků výběru autokorelace dat normalitu výběru použit Shapiro Wilksův test homoskedasticitu použit Cochranův test Analýza rozptylu ANOVA (ANalysis Of Variance) je relativně složitá a rozsáhlá metodika analýzy dat s mnoha variantami. ANOVA je statistický test, který testuje nulovou hypotézu a shodě středních hodnot pro více výběrů. Pojmem více výběrů rozumíme 3 a více. Tato analýza je velmi vhodná k prokázání vlivu různých parametrů obrábění na parametry povrchu frézovaných vzorků. Vycházíme z následující úvahy: pokud by zkoumané faktory neměly na příslušnou měřenou veličinu žádný vliv, potom se jejich působení neprojeví na statistických charakteristikách této veličiny. Naopak, pokud bude vliv daného faktoru významný, potom se to zřejmě projeví na příslušných statistických charakteristikách měřené veličiny - míře polohy aritmetickém průměru. Odlišnost aritmetických průměrů jednotlivých porovnávaných výběrů se tedy považuje za míru intenzity působení posuzovaných faktorů (jejich úrovní). Jedno, či vícefaktorová parametrická ANOVA vychází z předpokladu splnění podmínek nezávislosti, normality a homogenity výběrů. A test mnohonásobného porovnání Tuckeyho HSD test, který rozpozná úroveň působícího faktoru, jenž zapříčinil statisticky významný rozdíl mezi průměry hodnot. Metody mnohonásobného porovnání jsou vlastně také statistické testy, kterými porovnáváme vzájemné rozdíly mezi skupinovými průměry a posuzujeme statickou významnost těchto rozdílů. Znamená to tedy, že mnohonásobných porovnání musíme udělat tolik, kolik je možných kombinací průměrů. Tyto testy nám ukážou mezi kterými konkrétními skupinami je statistický významný rozdíl průměrů. Testy mnohonásobného porovnání mají obecně nižší sílu, než ANOVA sama. Výsledky byly zobrazeny graficky a číselně v tabulkách. V tabulce je důležité kontrolovat hodnotu p. Tato p hodnota je srovnávána s hladinou významnosti alfa 0,05, a pokud je p menší než alfa, tak to znamená, že daný faktor je statisticky významný jinými slovy, že s 95% pravděpodobností má v základním souboru daný faktor vliv na zkoumaný parametr kvality povrchu dřeva (na střední hodnotu parametru). 84

85 6 Dosažené výsledky a diskuse 6.1 Stanovení fyzikálních vlastností dřeva BUK Průměrná hmotnost vlhkého dřeva byla m w = 8,724 g, průměrná hmotnost v suchém stavu byla m o = 8,073 g. Vlhkost bukových hranolů w dle vzorce 5.3: mw mo 8,724 8,073 w =. 100 =.100 = 8,06 % m 8,073 o Následně byla vypočtena objemovou hustotu buku z rovnice 5.2, při průměrné hodnotě objemu zkušebních tělísek V w = 13,055 cm 3. 3 mw 8, ρ w = = = 668 kg/m 3 6 V 13, w SMRK Průměrná hmotnost vlhkého dřeva byla m w = 5,642 g, průměrná hmotnost v suchém stavu byla m o = 5,214 g. Vlhkost bukových hranolů w dle vzorce 5.3: mw mo 5,462 5,214 w =. 100 =.100 = 8,2 % m 5,214 o Následně byla vypočtena objemovou hustotu buku z rovnice 5.2, při průměrné hodnotě objemu zkušebních tělísek V w = 12,985 cm 3. 3 mw 5, ρ w = = = 434,5 kg/m 3 6 V 12, w 85

86 6.2 Grafické znázornění naměřených dat Výsledky měření kvality povrchu byly zpracovány softwarem Talymap Platinum. Na následujícím obrázku je zobrazen příklad 3D snímku vzorku buku. Další obrázky zobrazují údaje o drsnosti a vlnitosti na vybraném řezu v 2D. Tyto obrázky jsou pouze příkladem grafických možností zpracování dat pomocí přístroje Talysurf CLI Obrázek 6.1: 3D zobrazení povrchu části bukového vzorku Obrázek 6.2: 2D řez měřeného povrchu vzorku Obrázek 6.3: 2D řez vlnitosti zkoumaného vzorku 86

87 Obrázek 6.4: 2D drsnosti zkoumaného povrchu Dalším zpracováním údajů je možné získat parametry vlnitosti, které je možno porovnat s teoreticky vypočítanými hodnotami. Obrázek 6.6 dokládá, že skutečná délka vlnek je větší než teoretická hodnota a potvrzuje se předpoklad, že nejsou všechny nože v záběru. Obrázek 6.5: 3D zobrazení povrchu vzorku s popisem jednotlivých úkazů Obrázek 6.6: Zobrazení vlnitosti povrchu s označením průměrných roztečí vlnek Měřené parametry pro hodnocení povrchu byly zpracovány do přehledných tabulek uvedených v následující podkapitole. 87