VYSOCE PŘESNÉ METODY OBRÁBĚNÍ A JEJICH FYZIKÁLNÍ PODSTATA

Transkript

1 ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Prof. Ing. Bohumil Bumbálek, CSc. VYSOCE PŘESNÉ METODY OBRÁBĚNÍ A JEJICH FYZIKÁLNÍ PODSTATA 2004

2 O b s a h strana Seznam obrázků a tabulek 3 Úvod k problematice vysoce přesných výrobních metod 4 1. Strategie v oblasti vysoce přesných výrobních technologií Historický vývoj 5 2. Vysoce přesné obráběcí systémy a jejich význam Materiály pro vysoce přesné obrábění Kovové materiály Keramické materiály Optická skla Polovodičové materiály Volba nástrojových materiálů Slinuté karbidy Keramické řezné materiály Polykrystalický diamant Kubický nitrid bóru Brousicí materiály Proces vysoce přesného oddělování materiálu Fyzikální podstata řezání při vysoce přesném obrábění Stanovení minimální hloubky řezu Vysoce přesné metody obrábění, využívající volného brusiva Vysoce přesné metody obrábění bez mikrotrhlin a poškození povrchové vrstvy Dosažitelná přesnost a integrita povrchu Další vlivy metod obrábění na jakost povrchu Využití poznatků o vysoce přesném obrábění pro řešení výrobních problémů Závěr. 59 Literatura

3 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Obr. 1 Dosažitelná přesnost při obrábění (podle Taniguchi, 1983) [ 2 ] Obr. 2 Klasifikace obráběcích procesů podle energetického zdroje (Nogawa, 1988) [ 11 ] Obr. 3 Schéma vysoce přesného obrábění (Nogawa, 1988) [ 11 ] Obr. 4 Mechanické vlastnosti keramických materiálů [ 11 ] Obr. 5 Závislost změny tvrdosti na modulu pružnosti různých materiálů [ 31 ] Obr. 6 Opotřebení nástrojů KNB při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC Obr. 7 Drsnost povrchu při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC nástroji z KNB Obr. 8 Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze Obr. 9 pro ložiskové oceli vyrobené různými technologiemi (Davies, Chon, Evans, 1996) Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze při různé zrnitosti KNB nástroje (Davies, Chol, Evans, 1996) Obr. 10 Model smykové deformace při řezání Obr. 11 Jemné broušení při působení brousicího zrna (podle Lucca a Seo, 1994 [ 23 ] ) Obr. 12 Brousicí zrno o průměru g s označením pružně plastické oblasti [ 22 ] Obr. 13 Činitelé ovlivňující deformaci a lom materiálu (Joshikawa, 1967 [ 31 ] ) Obr. 14 Tvoření třísky Obr. 15 Změna složek řezné síly [ 34 ] Obr. 16 Změna hloubky plastické deformace v závislosti na hloubce řezu [ 1 ] Obr. 17 Řezání s konstantní hloubkou řezu a měnící se hloubkou řezu [ 56 ] Obr. 18 Řezání při konstantní hloubce řezu a při zvětšující se hloubce řezu Obr. 19 Frézování nesousledné a sousledné Obr. 20 Tvar třísky při řezání nástrojem s definovanou geometrií Obr. 21 Model minimální třísky podle Abdelmoneima [ 40 ] Obr. 22 Závislost úhlu θ na hloubce řezu a p pro různé poloměry ostří r n Obr. 23 Závislost úhlu γ eff na hloubce řezu a p pro různé poloměry ostří r n Obr. 24 Změny povrchové energie v závislosti na úhlu γ eff [ 44 ] Obr. 25 Změna smykového napětí v závislosti na úhlu γ eff [ 44 ] Obr. 26 Změna úhlů θ a γ eff v závislosti na nedeformované tloušťce třísky Obr. 27 Rozměry třísek při broušení Obr. 28 Schéma kombinací podložného mat. a brusiva pro získání zrcadlového lesku součásti [46] Obr. 29 Vytvoření zbytkové plochy [ 56 ] Obr. 30 Porovnání R z a R z [ 56 ] Obr. 31 Vztah mezi tvarem autokorelace a procesem broušení [ 56 ] Obr. 32 Vytváření a vlivy zbytkových napětí (Whitehouse, 1994) [ 56 ] Obr. 33 Porovnání charakteristik broušení a soustružení [ 50 ] Tab. 1 Materiály pro vysoce přesnou výrobu Tab. 2 Porovnání významných vlastností tvárných kovů a křehkých nekovů Tab. 3 Vlastnosti křemičitých a boritých skel [ 19 ] Tab. 4 Vlastnosti Si a Ge Tab. 5 Vlastnosti nástrojových materiálů pro vysoce přesné obrábění Tab. 6 Možnosti řešení opotřebení diamantových nástrojů při obrábění oceli [ 32 ] Tab. 7 Přehled technologií využívaných při výrobě vysoce přesných součástí Tab. 8 Hodnoty úhlů γ eff a θ vypočtené pro různé poloměry ostří r n a různé hloubky řezu a p Tab. 9 Minimální hloubka řezu pro daný poloměr ostří Tab. 10 Rozměry zrn diamantových brousicích kotoučů Tab. 11 Hodnoty h D max, h s, A D, W a Ra při zkouškách podle [ 45 ] Tab. 12 Rozlišitelnost a rozsah měření drsnosti povrchu Tab. 13 Drsnost povrchu dosažená při dokončování různých materiálů Tab. 14 Drsnost povrchu dosažitelná při dokončování různých materiálů volným brusivem 3

4 ÚVOD K PROBLEMATICE VYSOCE PŘESNÝCH VÝROBNÍCH METOD Vysoce přesné technologické procesy zajímají dnes konstruktéry, technology, metrology i pracovníky provozů. Konstruktéry proto, že tyto vysoce přesné technologické procesy jsou cestou k úspěšnému zavádění moderních konstrukcí, nebo se uplatňují při miniaturizaci výrobků. Technologům tyto procesy umožňují dokončovat součásti s tolerancemi v nanometrech a se zrcadlově lesklým povrchem; takové povrchy se uplatní nejen ve strojírenství, ale i v oborech jako je opto-elektronika, optika, biomedicína apod. Metrologové mají možnost využívat nové kontrolní a měřicí metody, které zaručují vysokou jakost výrobků a tak přispívají k vyšší spolehlivosti a životnosti zařízení. Pracovníci provozů budou moci spoléhat na to, že výrobky, které budou využívat a obhospodařovat, budou funkčně velmi spolehlivé. Podstatou těchto vysoce přesných technologických procesů je odebírání malých rozměrů přídavků, tj. malých třísek a operace s malými posuvy a malými hloubkami řezu. Tím vznikají jisté problémy, které musí být řešeny správnou volbou materiálu obrobku, geometrie nástroje a pracovními podmínkami. Také znalosti mechanizmu oddělování materiálu při vysoce přesných technologických operacích přispívají nejen ke stanovení vlastností nově vytvářeného povrchu, ale slouží k i ke snižování vzniku možných poruch na povrchu i v podpovrchové vrstvě. Nové požadavky na strojní součásti, které se projevují v posledních letech, vycházejí ze snahy o zvyšování přesnosti výroby, ze snahy o zavádění nových, pokrokových výrobních technik a ze snahy uplatňovat přesnější kontrolní metody. Přesnější výroba znamená zlepšování provozních vlastností výrobků, především těch, které pracují v extrémních podmínkách zatěžování anebo na které jsou kladeny zvláštní funkční požadavky. Rozsah přesného strojírenství a zavádění vysoce přesných technologických procesů roste, protože jsou klíčem k rozvoji průmyslu i obchodu. Aby bylo možné zabezpečovat výrobní přesnosti v nanometrech, je nutné, aby konstrukce výrobních strojů a procesy vytváření funkčních ploch součástí byly dobře koordinovány, tzn., aby interakce mezi nástrojem a obrobkem odpovídala požadavkům vysoce přesného inženýrství. Výsledná přesnost výrobku je dána jeho úchylkami, které jsou vyvolány geometrickými, kinematickými a dynamickými účinky výrobních procesů. Z praktického hlediska sehrává vzájemné působení těchto vlivů rozhodující úlohu. Výsledná přesnost není ovlivněna jen makroskopickými chybami tvaru, rozměru, ale i mikroskopickými úchylkami, které se promítají do vlastností povrchové vrstvy. Ukazuje se, že u řady funkčních požadavků je to rozhodující údaj. Vlastnosti povrchové vrstvy jsou 4

5 důležité u součástí, které na sebe dosedají, vzájemně se pohybují anebo mají vykazovat určité vlastnosti, jako je např. korozní odolnost, tepelná vodivost, odraz světla, vlnění, tlumení apod. Vysoce přesné metody výroby mají také svoji historii, kterou je možné vidět v různých stupních vývoje, od makrotechnologie přes mikrotechnologie až k nanotechnologiím. Vysoce přesné technologie jsou předurčeny svými možnostmi jako technologie 21. století. To ale vyžaduje, aby byla stanovena strategie vysoce přesných technologií, aby se dále rozvíjely a aby se v široké míře uplatňovaly v hromadné a cenově přístupné výrobě. Již dnes se dá předpokládat, že řada technologických mikroprocesů a systémů bude mít hybridní formy, které budou směsí nano-, mikro- a makropřesných technologií. Cílem bude snaha dosáhnout vyšší spolehlivosti, miniaturizace, snazší výroba a cenová přístupnost. V budoucnu se dá očekávat široké uplatnění vysoce přesné výroby jako významného potenciálu trhu, protože rychle poroste potřeba výrobků s vysokou provozní spolehlivostí a upotřebitelností. 1. STRATEGIE V OBLASTI VYSOCE PŘESNÝCH VÝROBNÍCH TECHNOLOGIÍ Kromě zařízení potřebných pro vysoce přesné technologie obrábění, jako jsou stroje a nástroje, je nutné zpracovat i odpovídající strategii a programy pro využívání všech podsystémů, které jsou nutné pro naplňování a dodržení požadavků kladených dnes na vysoce přesné součásti a výrobky. Fyzikální podstata vysoce přesného obrábění musí vycházet z energetického působení na polotovar při jeho přetváření na hotový výrobek a využívané procesy nutno nejen řídit, ale také je rozvíjet a získané poznatky dále zpracovávat. Jedná se o fyzikální veličiny, jako jsou řezná síla, teplota řezání, deformační chování materiálu, opotřebení nástroje a tyto promítat do konečných vlastností obrobku. Všechny tyto veličiny budou ale u vysoce přesného obrábění o 2 až 3 řády menší než u obrábění běžného. Z hlediska praktických aplikací to znamená realizovat na výrobních strojích a zařízeních adaptivní systémy, tj. instalovat senzory, které budou snímat sledované veličiny a tím řídit celý proces obrábění, s cílem zvyšování požadované přesnosti. V současné době nacházejí metody vysoce přesného obrábění své uplatnění v řadě průmyslových odvětví a všude tam, kde se uplatňují pokrokové technologie. Současně je ale nutné provádět analýzu všech základních principů vysoce přesného obrábění, aby se vytvářely a naplňovaly předpoklady pro predikci provozních parametrů součástí vyráběných těmito technologickými procesy. Tento postup je nutný proto, aby byly lépe chápány požadavky na vysoce přesnou výrobu a aby bylo možné zabezpečovat její budoucí rozvoj. 1.1 Historický vývoj Množství odebíraného materiálu při vysoce přesném obrábění je malé a pohybuje se řádově pod mikrometr nebo méně. Norio Tanaguchi (1974) [1] zavedl pojem 5

6 NANOTECHNOLOGIE jako cíl vysoce přesných výrobních procesů. V roce 1983 [2] uvedl ve svém příspěvku historický přehled obráběcích procesů z hlediska dosažitelné přesnosti a doplnil jej i o přesnosti dosažitelné při přesném obrábění. Tyto údaje uvádí i zařízení pro kontrolu přesnosti opracovaných součástí (obr. 1). Obr. 1 Dosažitelná přesnost při obrábění (podle Tanaguchi, 1983) Křivky uvedené na obr.1 ukazují, že dosažitelná přesnost až 1 nm se dá dosáhnout jak řeznými nástroji, tak i metodami abrazivními a procesy, které využívají svazek elektronů, laser a rastrovací metody pro hodnocení obrobené plochy. Taniguchi předpověděl, že v roce 2000 bude dosažitelná přesnost při běžném obrábění 0,01 µm až 0,001 µm. V současné době se jeho předpovědi naplňují. Taniguchi byl první, kdo zavedl termín nanotechnologie, R.Feynman, nositel Nobelovy ceny 1965, nepoužil pojem nanotechnologie jako takový, ale přesně popsal její možnosti pro extrémní miniaturizaci, a to s ohledem na spojování molekul. Podle jeho koncepce je to stavba z molekul, jak to později označil K.E.Drexler (1986) [3] a zavedl pojem MOLEKULÁRNÍ NANOTECHNOLOGIE. O problémech vysoce přesného obrábění byla publikována řada příspěvků [4,5,6,7,8,9,10]. Jak bylo uvedeno na začátku této kapitoly, je nutné při zpracování strategie vysoce přesného obrábění vycházet z energetického působení na nově vytvářený obrobek. Nagawa, 1988 [1] provedl klasifikaci procesů oddělování materiálů z hlediska energie nutné pro jejich realizaci (obr. 2). Při zpracování klasifikace bral v úvahu oddělování 6

7 materiálu jak nástrojem s definovanou geometrií, tak i nástrojem vícebřitým a volným brusivem (obr. 2). Obr. 2 Klasifikace obráběcích procesů podle energetického zdroje (Nogawa, 1988) Technologie dokončovacích procesů využívají systémy mechanické, chemické, elektrochemické, elektronické a optické. Velkou skupinou pokrokových metod využívaných pro dokončování vysoce přesných součástí jsou metody abrazivní, kdy nástroje ve tvaru kotoučů nebo volného brusiva se s výhodou využívají pro dokončování tvrdých a křehkých materiálů, stejně jako metody chemické nebo elektrochemické. První práce z oboru vysoce přesného obrábění byly prováděny na materiálech, které mají velmi dobrou obrobitelnost, jako je měď nebo hliník. Při těchto experimentech byl sledován mechanizmus tvoření a oddělování třísky. Ve srovnání s běžným obráběním byly rozměry třísek v hodnotách mikrometrů a jejich zlomků. Tomu musely odpovídat i rozměry břitu nástroje [12,14 ]. Z hlediska obráběného materiálu je hlavním a důležitým požadavkem úběr velmi malého množství materiálu (často o rozměrech atomové mřížky), minimalizovat nebo vyloučit křehký lom při vysoce přesném dokončování, dále požadavek tvarové přesnosti a vysoké požadavky na integritu povrchu. Tyto požadavky na integritu povrchu zahrnují 7

8 minimální nebo žádné změny v povrchu dokončované plochy, nebo těsně pod ní, včetně metalurgických změn, zbytkových napětí, defektů, jako jsou vady, mikrotrhliny apod. To znamená, že vysoce přesné obrábění je třeba brát jako systém zahrnující všechny uvedené aspekty a ne posuzovat jen jako jednotlivé složky. Takový systém potom umožňuje řešit komplexně vysoce přesné obrábění jak z hlediska nástroje, stroje, výrobních postupů, ale i funkčních požadavků hotového výrobku. Tyto vysoce přesné integrované systémy vycházejí z respektování následujících předpokladů, nutných pro realizaci : a) vysoce přesné, velmi tuhé stroje, bez chvění, b) vysoká tuhost mezi nástrojem a obrobkem, c) vysoká rozlišitelnost při řízení pracovních pohybů, d) tepelná stability, e) řízení zpětné vazby, f) vysoce čisté pracovní prostředí, g) vysoce přesné a výkonné metrologické systémy, h) podmikronové rozměry zrn brusiva, i) orovnávání kotoučů během broušení zaváděním nové techniky (tryskání kotouče, kartáčování drátěnými kotouči, chemické leptání, orovnávání laserem). Blokové schéma takového systému je uvedeno na obr. 3. V tomto schématu jsou zvažovány i vlastnosti obrobené součásti, stejně jako hodnocení dosažené přesnosti a možnosti uplatnění vysoce přesných metod v určitých výrobních procesech. U přesných výrobních zařízení a strojů je mnoho částí, které spolu navzájem zabírají, pohybují se, aby bylo dosaženo konečné přesnosti výrobku. Každá součást přispívá ke konečné přesnosti výrobku svými úchylkami, které jsou vyvolány kinematickými a dynamickými účinky. Z praktického hlediska sehrává vzájemné působení těchto vlivů rozhodující úlohu. Pro analýzu vysoce přesných metod výroby lze uplatnit následující definice : přesnost operace přiblížení se skutečných hodnot obrobku hodnotám stanoveným na výkrese, nejistota operace parametr, kterým je rozptyl hodnot, opakovatelnost (výsledků operace) nejtěsnější shoda mezi výsledky operací při stejných podmínkách, rozlišitelnost nejmenší rozdíl mezi údaji na měřicím zařízení, reprodukovatelnost nejtěsnější shoda mezi výsledky operací provedených za změněných podmínek. 8

9 Obr. 3 Blokové schéma vysoce přesného obrábění (Nogawa, 1988) Z hlediska fyzikální podstaty řezání jako procesu plastické deformace, sehrává tato významnou úlohu především proto, že ovlivňuje vytváření nového povrchu. Vedle oblasti primární a sekundární plastické deformace sehrává svoji úlohu také oblast třetí, která je mezi obrobkem a hřbetem nástroje. To proto, že na obrobené ploše dochází k elastickému zotavení v důsledku tření hřbetu na obrobené ploše. To ukazuje na nutnost doplnit stávající teorie řezání o model ztrát energie, stejně jako o teplotu vznikající při mikrořezání. Důležitým výsledkem všech vysoce přesných metod obrábění je nově vytvořený povrch, který tvoří vnější tvar předmětu a je možné jej označit jako jeho makroskopický vzhled. Tento povrch tvoří současně rozhraní mezi dvěma fázemi. Při hodnocení předmětu je významný poměr plochy povrchu A k jeho objemu V. Je-li tento poměr A:V malý, jedná se o předmět velké hmotnosti, kde při jeho hodnocení jsou významné fyzikální a chemické vlastnosti základního materiálu. Je-li tento poměr A:V velký, jedná se o malé předměty, kde při jejich hodnocení jsou jejich vlastnosti ovlivněny povrchem. 9

10 2. VYSOCE PŘESNÉ OBRÁBĚCÍ SYSTÉMY A JEJICH VÝZNAM V budoucnu bude muset výroba připravovat a sestavit nové strategie i pro řízení procesů, které budou vyžadovat zavádění a uplatňování vysoce přesných součástí a zařízení. Vysoce přesné technologické metody mají výrazný vliv na další vývoj nových výrobků. V současné době je možné zaznamenat různé stupně vývoje těchto systémů - od makrotechnologie přes mikrotechnologie, až k nanotechnologiím. V budoucnu bude výroba orientována na daleko širší využívání vysoce přesných součástí a zařízení. K tomu bude nutná predikce výsledků výrobních operací, především jejich jakosti. Současně metody používané při výrobě jsou často založeny na zkušenostech pracovníků daných provozů. Tyto mohou být nemoderní a musí být nahrazovány metodami, vycházejícími z vědeckých poznatků. Lepších výsledků je možné dosáhnout jen spoluprací pracovišť, která se touto problematikou zabývají. Obráběcí systémy uplatňované ve vysoce přesné výrobě mohou být posuzovány ze dvou hledisek : - technického, tj. z hlediska dosažitelné jakosti, - ekonomického, tj. z hlediska pracnosti, ceny a prodejnosti. V současné době neexistuje jen jedna cesta pro řešení všech problémů vysoce přesné výroby. Je nutné zvažovat následující skutečnosti : - předpověď mezních podmínek pro stabilní procesy obrábění, - předpověď vlivů tvorby třísky na jakost dokončené plochy, - zabezpečení minimalizace chyb vzájemných pohybů nástroje a obrobku při dané operaci. V praxi existuje řada operací, z nichž každá vyžaduje splnění určitých vlastních požadavků, které musí být respektovány, aby bylo dosaženo vysoké jakosti dokončeného povrchu. Existují totiž operace, které probíhají plynule ve srovnání s operacemi, které jsou přerušované a u kterých se mění např. tloušťka třísky a je u nich obtížné dosáhnout ustáleného stavu. Ve výrobě přetrvává jakási tradice, která vychází z dřívějších zkušeností, že nástroje s definovanou geometrií, jako jsou soustružnické a frézovací nástroje, jsou vhodné jen pro hrubování nebo polohrubování. Pro dokončování přesných součástí se předpokládá využívání metod, které pracují s nástroji s nedefinovanou geometrií, jako jsou brousicí kotouče, nebo metody pracující s volným brusivem. Stejným způsobem lze využít i metody nekonvenční. Tento názor byl změněn, když byly vyvinuty tuhé obráběcí stroje pro dokončování výrobků s vysokou rozměrovou, tvarovou přesností a se zrcadlově hladkým povrchem. Tato změna nastala, když se začaly uplatňovat nové nástrojové materiály, jako je polykrystalický diamant (PKD) a polykrystalický kubický nitrid bóru (PKNB).. Požadované parametry jakosti jsou těmito novými nástroji s definovanou geometrií nyní dosahovány mnohem snadněji. Přesto je nutné počítat s tím, že dokončovací metody, jako je přesné broušení, lapování, leštění, budou nadále využívány tam, kde jsou zvláštní požadavky 10

11 na jakost obrobených ploch. Je proto možné dnes výraz dokončovací operace chápat jako pojem, který může být vztažen na všechny metody obrábění. Klasifikace všech dokončovacích technologických procesů může být dobře provedena podle toho, jaké energetické zdroje jsou využívány. Je třeba ale upozornit na to, že půjde také o různou energetickou náročnost, když se bude zvažovat energie mechanická, chemická, elektrochemická, elektrická, nebo optická. Vysoce přesné způsoby obrábění se využívají pro dokončování různých materiálů ze skupiny kovů, slitin, keramiky, skla nebo polovodičů. Tyto materiály mají různé chemické složení, strukturu, mechanické vlastnosti apod. Z hlediska procesu obrábění je možné porovnávat dvě skupiny materiálů : materiály tvárné a materiály křehké. V každé skupině je nutné počítat s určitými zvláštnostmi při jejich opracování. Z tohoto hlediska je možné procesy odebírání materiálu při obrábění rozdělit do těchto skupin [15,16,17] : - oddělování materiálu křehkým porušením, - oddělování materiálu tvárným porušením. Kvalitativní porovnávání tvárných materiálů a materiálů křehkých ukazuje nejen na jejich rozdílné vlastnosti, ale také na potíže při jejich dokončování. Kovy mají kovovou vazbu, vysokou symetrii, krystalickou strukturu ( mřížka BCC, FCC), mají vysokou tepelnou vodivost, malou hustotu, žádnou porezitu, vysokou čistotu, vysokou lomovou houževnatost, vysokou deformaci do porušení a vysokou rázovou energii. Oproti tomu nekovové materiály jsou charakteristické vazbou kovalentní nebo iontovou, dále nízkou symetrií, pro plastickou deformaci nevhodným skluzovým systémem, nízkou tepelnou vodivostí, nízkou lomovou houževnatostí a nízkou lomovou energií. Pro vysoce přesné dokončovací metody, kdy platí definice, že proces řezání je procesem plastické deformace, je možné uvést, že všechny materiály, bez ohledu na jejich tvrdost a křehkost projdou přechodovým pásmem od křehkého porušení k tvárnému, tj. pásmem, které je menší než nedeformovaná tloušťka třísky. Pod touto prahovou hodnotou je energie nutná pro šíření trhliny větší než energie nutná pro plastickou deformaci. Tím se plastická deformace stává dominantním mechanizmem oddělování materiálu ve tvaru třísek. Pro naplňování cílů a uplatnění vysoce přesných technologií je třeba navrhnout výrobní systém, který by měl zabezpečovat dodržení funkčních požadavků na výrobek, současně ale musí zvažovat různá provozní omezení. Takto zpracovaný návrh výrobního systému má výrazný vliv na produktivitu, která se vrátí v investicích a v podílu úspěchu na trhu. Návrh ideálního výrobního systému závisí na volbě funkčních požadavků, které by měl systém splňovat v daném rozsahu a na omezujících podmínkách. Často ale změny ve výrobních systémech probíhaly podle empirických zkušeností. To proto, že konstrukce výrobku a celého výrobního systému byla hodnocena jako předmět, který je mimo vědecké bádání. Tento přístup u vysoce přesných výrobních procesů nelze doporučit. 11

12 Účinný výrobní systém musí využívat věci, lidi a informace racionálním způsobem. Výsledky dosažené při využívání navrženého systému musí zabezpečovat vysokou jakost a spolehlivost. Výrobky musí být bez poruch, musí být dodány v požadovaném množství, čase a v dohodnuté ceně. Kroky při návrhu výrobního systému pro vysoce přesné obrábění je možné formulovat takto : a) stanovení nejvyšších funkčních požadavků; b) vypracování návrhu parametrů pro zabezpečení funkčních požadavků; c) zhodnocení funkčních požadavků z hlediska navrhovaných parametrů, tj. výroby při minimální ceně, nebo s ohledem na požadavky zákazníka. Výrobní systém musí být navržen hospodárně, aby byly zabezpečeny funkční požadavky na výrobek. Výrobní systém se bude také lišit s ohledem na uspokojení požadavků zákazníka. Funkční požadavky výrobního systému se mění i v čase a musí respektovat i změny, které nastanou v budoucnosti a vzhledem k prostředí. 3. MATERIÁLY PRO VYSOCE PŘESNÉ OBRÁBĚNÍ Rozsah materiálů, které jsou využívány pro vysoce přesné metody dokončování, zahrnuje kovy a jejich slitiny, keramiku, skla, polovodiče a další. Všechny tyto materiály mohou být dokončeny s požadovanou rozměrovou, tvarovou přesností a integritou povrchu, jak to vyžadují funkční vlastnosti obrobené plochy. Poněvadž ve vysoce přesné výrobě zaujímá významné místo mikroelektronika, dostávají se do popředí zájmu technologie materiály, které se v tomto odvětví hodně využívají. Jsou to materiály polovodičové a křemík. Na druhé straně i tradiční materiály, jako jsou kovy, polymery a keramika jsou velmi vhodné pro hromadnou výrobu a proto jsou využívány i pro výrobu vysoce přesnou. Tab. 1 ukazuje porovnání různých materiálů z hlediska jejich využívání ve vysoce přesných technologiích. Tab. 1 Materiály pro vysoce přesnou výrobu Využití ve výrobě kovy polymery keramika křemík vysoké X X X střední X malé X X Pokud jde o kovy, jejich množství je značné především s ohledem na strukturu, chemické složení, fyzikální a chemické vlastnosti. Kovové materiály, které budou dokončovány vysoce přesnými metodami obrábění, budou spíše oceli vysoce pevné, kalené a některé speciální materiály, materiály o vysoké tvrdosti, nanokompozitní slinuté karbidy a další. Mezi nekovovými materiály to budou materiály křehké, především materiály keramické, optická skla, polovodičové materiály, které jsou dokončovány převážně abrazivními metodami obrábění. Významné místo mezi nekovovými materiály má keramika, která se v současné době využívá jako konstrukční materiál v aplikacích mechanických, elektromagnetických, optických, tepelných i biochemických. 12

13 Vlastnosti keramických materiálů s ohledem na jejich funkční uplatnění jsou uvedeny na obr. 4. V tab. 2 jsou porovnány vlastnosti kovů a nekovů, které se mohou uplatňovat v oboru přesného obrábění. Množství materiálu pro přesnou výrobu je ale malé. Obr. 4 Mechanické vlastnosti keramických materiálů [11] Tab. 2 Porovnání významných vlastností tvárných kovů a křehkých nekovů VLASTNOSTI KOVY NEKOVY Druh mřížky kovová neusměrněná iontová, kovalentní, usměrněná Krystalická struktura vysoká symetrie nízká symetrie Tepelná roztažnost vysoká nízká Tepelná vodivost vysoká nízká Hustota vysoká nízká Způsob deformace tvárný křehký MIKROSTRUKTURA Interkrystalická stuktura relativně jednoduchá komplexní Porozita bez pórů porézní Čistota vysoká dosažení obtížné Tepelná odolnost nízká až mírná mimořádně vysoká Chemická odolnost nízká vysoká PEVNOSTNÍ PODMÍNKY Houževnatost [ MN/m 2 ] 210 ocel 5,3 Si 3 N 4 34 Al slitiny Deformace do lomu 5 % 0,2 % Mechanizmus lomu plastická deformace křehký lom Lomová energie [ J/cm 2 ] Odolnost proti tepelným šokům vysoká nízká 13

14 Technologické porovnání houževnatých kovů s křehkými nekovy ukazuje na rozdíly a nesnadnosti při jejich dokončování. Kovy mají řadu dobrých vlastností z hlediska oddělování materiálu, jako je kovová vazba, vysoká symetrie, krystalická struktura, vysoká tepelná vodivost, žádná porozita, vysoká čistota, vysoká lomová houževnatost. Naproti tomu nekovy jsou charakterizovány kovalentní nebo iontovou vazbou, nízkou symetrií, nebo nepřiměřeným skluzovým systémem pro plastické deformování, nízkou tepelnou vodivostí, nízkou lomovou houževnatostí a nízkou rázovou energií. Nepřítomnost plasticity v keramice vede také k povaze její soudržnosti. Mechanizmus plastické deformace v kovových materiálech nastává v důsledku pohybu dislokací. V kovech, ve kterých je neusměrněná kovová vazby, může nastat velký pohyb dislokací i při nízkých napětích. V kovalentní vazbě keramiky je usměrněná vazby mezi specifickými atomy, což vede k úzké dislokaci a vysokému odporu v ohybu. V důsledku toho je smykové napětí, při kterém dochází k pohybu dislokací mnohem větší pro keramiku než pro kovy a blíží se lomovému napětí. Proto jsou keramické materiály s kovalentní vazbou charakterizovány jejich křehkostí. To je případ keramiky Si 3 N 4. Na základě předchozího rozboru jasně vyplývá, že kovy se chovají při dokončovacích operacích rozdílně oproti materiálům křehkým. U kovů dochází k oddělování třísek plastickou deformací, zatímco u keramiky dochází ke vzniku mikrotřísek nebo k mikroštěpěním, k trhlinám na hranicích zrn, vytlačování zrn apod. Přítomnost skelné fáze na hranicích zrn u některé keramiky, jako je tomu např. u Si 3 N 4 s MgO jako slinovací přísadou, by neměla být zanedbána při formulování mechanizmu porušení tohoto materiálu. Optická skla, která také patří do skupiny materiálů využívaných při vysoce přesných technologiích, jsou jako keramika křehké a budou se proto chovat jinak než kovy nebo keramika. To proto, že jejich struktura je v původním stavu amorfní. Při pokojové teplotě by mělo nastat jejich porušení křehkým lomem a nad tranzitní teplotou skla viskózním tečením. 3.1 Kovové materiály Oceli jsou nejrozšířenějším materiálem využívaným ve strojírenství. Jejich vlastnosti se ale mění se složením a tepelným zpracováním. Při dokončování vysoce pevných součástí sehrává významnou úlohu jejich tvrdost, která je výsledkem transformace austenitu na martenzit, při které dochází k ke změně mřížky. Ocelové součásti mohou být vystaveny zatížení a po tepelném zpracování jsou odolné i proti opotřebení. 3.2 Keramické materiály V posledních letech roste průmyslové využívání keramických materiálků jako materiálů konstrukčních pro takové součásti, na které jsou kladeny nároční funkční požadavky. Jedná se o vlastnosti jako je vysoká pevnost v tlaku, tvrdost, chemická odolnost, otěruvzdornost a stálost za vysokých teplot. Proto technická keramika nachází své uplatnění ve všech průmyslových odvětvích. Tyto vlastnosti předurčují keramické materiály pro jejich využívání i ve vysoce přesné výrobě. 14

15 Základním prvkem vysoce kvalitních keramických materiálů je oxid hliníku, křemík a jiné neorganické látky. Sortiment konstrukční keramiky je možné rozdělit do těchto skupin : - oxidická keramika krystalizuje jako korund s bodem tavení C ; - zirkonová keramika kde základem je oxid zirkonu Zr 0 O 3 ; má dobré pevnostní vlastnosti a vyšší vrubovou houževnatost ; - titanová keramika - je velmi tvrdá a jejím základem je oxid titanu TiO 2 ; - stealitová keramika - jejím základem je slinovaný materiál tvořený silikáty ; - sialonová keramika - skládá se z tuhého roztoku Si, Al, O, N ; - křemíko-karbidová keramika je tvořena karbidem křemíku a aditivy. Kompozitní keramické materiály mají vlastnosti, které se získávají vhodným uspořádáním jejich struktury, tj. keramické matrice a plniva. Keramické materiály se uplatňují v řadě průmyslových odvětví. Významnou oblastí je vývoj biokeramiky, která se významně uplatňuje v medicíně. Povaha atomové vazby určuje tvrdost, stejně jako modul pružnosti keramického materiálu. Poměr E/H pro materiály s kovovou vazbou je okolo 250, zatímco pro keramické materiály s kovalentní vazbou je kolem 20. Tento poměr může sehrát důležitou úlohu při analýze mikrodeformačního pole v počátečních stavech porušování při malých zatíženích. Zvláštní pozornost si zaslouží nitrid křemíku Si 3 N 4, který má vysokou pevnost a je využitelný za vysokých teplot jako jsou části plynových turbín, nebo při výrobě tělísek hybridních valivých ložisek. Si 3 N 4 má kovalentní vazbu ( obr. 5). Obr. 5 Závislost změny tvrdosti na modulu pružnosti různých materiálů 15

16 3.3 Optická skla Sklo je anorganický materiál přechlazený z tekutého stavu bez krystalizace. Viskozita skla se mění velmi drasticky nad tranzitní teplotou. Při teplotách nad touto teplotou se může sklo chovat viskozněplasticky, tzn. napětí je spíše úměrné rychlosti deformace než deformaci. Tranzitní teplota skla není vysoká. Přesto není překvapující nalézt viskozněplasticky deformované třísky při broušení skla. Způsob přeměny lomu z křehkého na viskozněplastický může nastat při relativně nízkých teplotách. Někteří pracovníci dávají přednost pojmu viskozněplastický tok skla namísto plastické deformace (Fiedler, 1988). Základní strukturou křemičitých skel je čtyřstěn oxidu křemíku, ve kterém je atom křemíku uspořádán rovnoměrně ke čtyřem atomům kyslíku. Kyslíky nacházející se mezi čtyřstěnem jsou označovány jako spojovací. Řada křemičitých skel obsahuje regulátory nebo stabilizátory. Jako regulátoru se využívá oxid sodíku Na 2 O, který změní strukturu jejím rozštěpením. Regulátory také způsobují snížení chemické odolnosti a zvýšení tepelné roztažnosti. Skupina těchto materiálů zahrnuje sodnovápeno-křemičité sklo, olovnatá skla a další typy žáruvzdorných skel jako tavené křemičitany. V tab. 3 jsou uvedeny fyzikální a chemické vlastnosti některých křemičitých a boritých skel. Tab. 3 Vlastnosti křemičitých a boritých skel [19] KŘEMIČITÁ SKLA Druh skla Bod změknutí [ C ] HV [kg/cm 2 ] Odolnosrt proti kyselině ztráta váhy [ %] Odolnost proti vodě ztráta váhy [ %] SF ,3 0,03 KF ,07 0,07 FK ,9 - BK ,08 0,13 SK ,70 0,05 SK ,3 0,58 BORITÁ SKLA LaK ,7 0,35 LaLK ,9 0,70 LaLF ,3 0,25 LaK ,2 0,02 NbF ,0 0,01 NbSF ,76 0,01 TaF ,74 0,01 Symboly u jednotlivých druhů skel udávají jejich chemické složení. Deformace skel je přímo úměrná mřížce stabilizátoru, který přivádí nespojovací atomy do jinak kompletní mřížky. Je třeba připomenout, že koncepce plastické deformace v důsledku pohybu dislokací v křemičitých sklech není. Plastická deformace vyžaduje namáhání ve smyku, které zahrnuje porušení meziatomových vazeb a vytváření nových spojení. (Marek, 1964) [20] 16

17 3.4 Polovodičové materiály Polovodič je obecně nekovový krystal, který drží pohromadě ionto-kovalentní vazba s nevolnými elektrony vhodnými pro vodivost. Je to látka, ve které pásmo s nejvyšší energií (valenční pásmo) je zcela zaplněno a pásmo následující (indukované pásmo) je zcela bez elektronů. Valenční elektrony jsou velmi těsně spojeny se svými atomy a mohou být vybuzeny tepelně, elektromagneticky, nebo jinými energetickými zdroji. Polovodičové chování je určeno počtem elektronů ve vodivém pásmu a počtem děr v pásmu vakančním.elektrony nebo vakance nohou být vytvořeny buď přivedenou energií, nebo zavedením vhodných nečistot do mřížky. Polovodičové materiály, jejichž vodivost nezávisí na nečistotách, jsou nazývány pravými polovodiči. Ty, které závisí na přítomnosti atomů nečistoty (např. P v Si nebo Al v Si), jsou nazývány nepravými polovodiči. Nejčastěji používané polovodičové materiály jsou křemík (Si) a germanium (Ge). Pro elektronické aplikace musí být Si i Ge o vysoké čistotě a musí být taveny v neutrální atmosféře, aby se zabránilo oxidaci. Tyto materiály by neměly obsahovat žádné dislokace. Si a Ge mají silné usměrněné kovalentní vazby s diamantovou strukturou. Diamantová struktura je tvořena dvěma FCC mřížkami, umístěnými vůči sobě o ¼ tělesné úhlopříčky. Krystalizují v kubické FCC struktuře. Nevznikají zde ostré hranové dislokace a mohou vzniknout pouze dislokace šroubovité. Při pokojové teplotě jsou dislokace neochotny se pohybovat, ale mohou se pohybovat i když se jedná o materiály křehké, ale tvárné. Tyto se mohou pohybovat při vyšší teplotě nebo ozáření světlem vyvolaným elektrickým polem. Vlastnosti křemíku a germania jsou uvedeny v tab. 4. Tab. 4 Vlastnosti Si a Ge Vlastnosti Si Ge Mřížková struktura kubická kubická Druh vazby kovalentní kovalentní Mřížková konstanta A o 5,4307 5,6569 Hustota [ g/cm 3 ] 2,328 5,3230 Bod tavení [ C ] ,4 Modul pružnosti [ N/mm 2 ] 188, ,800 Poissonova konstanta ν 0,28 0,278 Tvrdost HV [ kg/mm 2 ] Mohsova tvrdost 6,5 6,3 Lomová houževnatost 15 - MPa mm 1/2 Odpor při 300 K, Ω cm 2, Dostatečné množství Si umožňuje jeho ekonomické využívání. Zařízení na bázi Si mohou pracovat při vyšších teplotách bez přerušování. Významným prvkem je i oxid křemíku SiO 2, protože představuje dokonalý izolátor a dá se využít pro izolace a pasivační procesy. Naproti tomu oxid germania je rozpustný ve vodě a není vhodný pro využití v elektronice. Germanium s přísadou arzenu je využíváno jako tranzistor. Křemík s přísadami B, Ge, P nebo As je využíván také v tranzistorech nebo slunečních bateriích. Problémy obrábění těchto polovodičových materiálů jsou podrobněji rozebrány v článku [21]. 17

18 4. VOLBA NÁSTROJOVÝCH MATERIÁLŮ Vysoce přesné výrobní procesy využívají následující nástrojové materiály : - slinuté karbidy, - řeznou keramiku, - polykrystalický kubický nitrid bóru, - polykrystalický diamant, - brousící materiály. 4.1 Slinuté karbidy jsou vhodným nástrojovým materiálem s ohledem na jejich řezné vlastnosti. Nejvýznamnější vlastností je vysoká tvrdost, vysoká lomová houževnatost. Pro vysoce přesné operace jsou zajímavé slinuté karbidy jemnozrnné. Nástrojové materiály jsou často vystaveny složitým kinematickým podmínkám, které vyžadují komplexní řešení geometrie nástroje, jak je tomu např. při vrtání nebo frézování. Nevýhodou slinutých karbidů je poměrně malá tepelná stabilita. Řezné vlastnosti slinutých karbidů jsou významně zlepšovány povlakováním. (Weinert, 1999) [30] 4.2 Keramické řezné materiály představuje keramika typu Al 2 O 3, případně Al 2 O 3 s přísadami (např. TiO 2, TiC apod.). Tyto materiály mají vysokou tvrdost, vysokou tepelnou stabilitu, což předurčuje jejich odolnost při tepelném a mechanickém zatížení při řezání. 4.3 Polykrystalický diamant využívaný pro nástroje s definovanou geometrií nebo pro brousicí kotouče. Nástroje tohoto typu se využívají pro dokončování součástí s vysokými požadavky na rozměrovou přesnost a drsnost povrchu. Tento druh nástrojového materiálu je vhodný pro opracování neželezných materiálů a keramiky. 4.4 Kubický nitrid bóru je jako polykrystalický materiál využíván pro nástroje s definovanou geometrií a také pro brousicí kotouče. Nástroje s polykrystalickým nitridem bóru (PKNB) jsou využívány v moderní výrobě nejen pro obrábění kalených a vysoce pevných materiálů, ale i při dokončování vysoce přesných součástí. Nástroje PKNB je možné rozdělit do dvou skupin : a) s vysokým obsahem KNB (až 90 %), obvykle s kovovým pojivem, b) s nízkým obsahem KNB (opd 50 do 75 %), obvykle s keramickým pojivem. Při dokončovacích operacích např. na kalených ocelích byly lepší výsledky v drsnosti povrchu dosaženy nástroji s nižším obsahem KNB. Tyto rozdíly mohou být způsobeny změnou mechanických vlastností nástrojového materiálu, rozdílem v pevnosti pojiva a změnami 18

19 fyzikálních vlastností. Zatím není také dobře vysvětlen vliv mikrostruktury materiálu obrobku na opotřebení a životnost nástrojů z PKNB. Výsledky opotřebení nástroji KNB při dokončování kalené oceli jsou na obr. 6. Pro stejné nástroje je uveden i průběh drsnosti povrchu (obr. 7). Obr. 6 Opotřebení nástrojů KBN při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC (Davies, Chon, Evans, 1996) Obr. 7 Drsnost povrchu při soustružení kalené oceli o tvrdosti 62 HRC nástroji z KNB (Davies, Chon, Evans, 1998) Také obráběný materiál má výrazný vliv na opotřebení nástrojů osazených kubickým nitridem bóru. Na obr. 8 je uveden průběh opotřebení v závislosti na řezné dráze při obrábění ložiskové oceli vyrobené tavením, oceli vakuově lité a oceli vyrobené práškovou metalurgií. 19

20 Obr. 8 Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze pro ložiskové oceli vyrobené různými technologiemi (Davies, Chon, Evans, 1996) Podobně i velikost zrna KNB, ze kterého je nástroj vyroben, má dosti značný vliv na jeho opotřebení (obr. 9). Z průběhu křivek je vidět, že opotřebení nástroje se výrazně snižuje se zmenšujícím se rozměrem zrna KNB. Obr. 9 Změna opotřebení nástroje z PKNB v závislosti na řezné dráze při různé zrnitosti KNB nástroje (Davies, Chon, Evans, 1996) 20

21 Nástroje s KNB nachází své uplatnění při dokončovacích operacích i na materiálech kalených a vysoce pevných. Vysoký obsah KNB v kovovém pojivu vyvolává značnou adhezi mezi pojivem a obráběným materiálem. To vede k porušení pojiva a vylamování zrn KNB. Nástroje s menším obsahem KNB a keramickým pojivem vykazují menší adhezi. Tím není narušeno spojení mezi zrnem KNB a pojivem a dochází k menšímu opotřebení nástroje. Snížení opotřebení je také v přímé návaznosti na rozměr zrna KNB. 4.5 Brousicí materiály používané pro vysoce přesné dokončování součástí, jsou běžná brusiva Al 2 O 3, SiC nebo B 4 C, ale také vysoce výkonná brusiva na bázi diamantu a kubického nitridu bóru. Na trhu se ale objevují nová brusiva vyráběná novou technologií. Tento proces je nazýván solgelový proces (SG proces) a umožňuje získat brousicí materiál o rozměru zrn v nanometrech. Hydrosol je koloidní roztok částic materiálu,např. Al 2 O 3 v rozpouštědle, který se získává hydrolýzou anorganických látek (síran hliníku). Pro přípravu brousicích prášků se hydrogely suší při určité teplotě, při které kalcinují. Potom se drtí na jemná zrna. Vedle nových brousicích materiálů byly vyvinuty i nové materiály jako pojivo. Diamantové kotouče využívají jako pojivo litinu, což umožňuje plynulé orovnávání kotouče elektrolyticky během broušení. Takové kotouče byly použity pro dokončování součástí s vysokou jakostí a zrcadlovým leskem (Nakagawa, 1986) [31]. Pro vysoce přesné obrábění je možné využít i jiné nástrojové materiály, u kterých se uplatní jejich specifické vlastnosti, jako je vysoká odolnost proti mechanickým silám za vyšších teplot řezání a při vysoké deformaci. Mechanické a tepelné vlastnosti nástrojových materiálů jsou uvedeny v tab. 5. Tab. 5 Vlastnosti nástrojových materiálů pro vysoce přesné obrábění Vlastnosti SK, K10 Keramika PKNB PKD MECHA -NICKÉ TEPEL NÉ Hustota [ g/cm 3 ] ,8 5,0 3,4 4,3 3,5 4,2 Tvrdost HV Modul pružnosti [ GPa ] Lomová houževnatost [ MPa ] 10, ,7 6,3 6,8 8,6 Teplotní stabilita [ C ] Tepelná vodivost [ W. (K.m) -1 ] Součinitel tepelné roztažnosti 5,4 7,5 8,0 3 4,5 4,2 4,9 [ K -1 ] Významným problémem při vysoce přesném obrábění je znalost mechanizmu opotřebení nástroje. Při těchto operacích dochází k poměrně vysokému mechanickému a tepelnému zatížení břitu nástroje. Hlavním kritériem trvanlivosti řezných materiálů budou mikrotrhliny, které se mohou tvořit na řezné části nástroje. Vysoce přesné obrábění ocelí diamantovými nástroji s definovanou geometrií má svůj problém v přílišném opotřebení břitu. U diamantových nástrojů je nutné rozlišovat mezi mechanicko-abrazivním otěrem a opotřebením chemickým. Ta druhá skupina zahrnuje difuzi, oxidaci a tvoření karbidů. 21

22 Některé procesy, které mohou proběhnout při řezání, přímo ovlivňují vazby diamantové mřížky. Obrábění ocelí diamantovými nástroji je nemožné proto, že dochází ke katastrofickému opotřebení v důsledku uvedených účinků. Bylo navrženo několik způsobů, jak snížit opotřebení diamantových nástrojů při obrábění oceli, především při obrábění vysoce přesném. Jedná se např. o podchlazování při řezání, chlazení tekutým dusíkem, obrábění v neutrální atmosféře, nebo podpora obrábění ultrazvukem. V tab. 6 je uvedeno, jak lze řešit tento problém, tj. buď modifikací procesu řezání, nebo modifikací nástroje a to jeho úpravou. Tab. 6 Možnosti řešení opotřebení diamantových nástrojů při obrábění oceli [ 32 ] Úprava Teoretické řešení Praktické řešení ÚPRAVA PROCESU ŘEZÁNÍ ÚPRAVA NÁSTROJE snížení reakční rychlosti zabránění chemickým reakcím sníženy doby styku nástroje s třískou vytvoření difuzní bariéry modifikace mřížky diamantu používání inertního obráběcího materiálu obrábění při nízkých teplotách obrábění v inertní atmosféře ultrazvukové vibrace povlakování iontová implantace keramické nástroje Výsledky experimentů uvedené v článku [32], které byly provedeny diamantovým nástrojem na oceli, prokázaly, že opotřebení je čtyřikrát větší než při obrábění neželezných kovů. Zkoušky obrábění oceli diamantovým nástrojem, které byly provedeny při chlazení kapalným dusíkem při teplotě -164 C prokázaly, že trvanlivost se zvýšila asi 10krát. Při obrábění stejným nástrojem v atmosféře neutrální (argon, dusík) se nezlepšil průběh opotřebení. Při zkouškách s podporou ultrazvuku nebyla zaznamenána adheze mezi nástrojem a obrobkem při rychlostech v rozmezí 10 až 100 m/min. Povlakování diamantového nástroje povlakem TiN vedlo ke snížení chemického opotřebení při vysoce přesném obrábění. Po odstranění povlaku byl nástroj vystaven opotřebení chemickému. Doporučení pro práci diamantovými nástroji : - opracovávat při nízkých teplotách snižuje se opotřebení; - opracování v inertní atmosféře nemá podstatný vliv na rychlost opotřebení; - ultrazvukové vibrace vedou ke snížení opotřebení asi o 2 řády; - povlaky TiN a TiC na diamantovém nástroji vylučují chemické opotřebení, ale trpí opotřebením abrazivním. Také u nástrojů z polykrystalického kubického nitridu bóru je nutné znát mechanizmus jeho opotřebení. Toto je ovlivněno především obsahem PKNB, velikostí zrna a jeho rozložením, stejně jako druhem pojiva, které bývá keramické nebo kovové. 22

23 5. PROCES VYSOCE PŘESNÉHO ODDĚLOVÁNÍ MATERIÁLU Do roku 1960 bylo vysoce přesné dokončování prováděno broušením s max. přesností 10 µm. V 70tých letech byla přesnost už 1 µm a v roce ,1 µm. Základní problém vysoce přesných metod obrábění je v množství poruch v povrchové vrstvě, které se projevují trhlinami. Nástrojem vhodným pro opracování vysoce přesných součástí se ukazuje být polykrystalický diamant, který se využívá ve formě brusiva, nebo jako destička nástrojů s definovanou geometrií. Broušení diamantovými kotouči se využívá při dokončování křehkých materiálů, jako jsou optická skla nebo keramika. Polykrystalický diamant je vhodným nástrojovým materiálem pro obrábění neželezných materiálů. Rozdíl mezi oběma metodami, tj. broušením a obráběním nástrojem s definovanou geometrií břitu je jen zdánlivý. Projevuje se v malém rozměru třísky. Hlavním důsledkem malého rozměru třísky je to, že normálně tvárný kov při obrábění nástrojem s definovanou geometrií se chová trochu jako křehký (jako sklo) v okamžiku, kdy deformovaný objem je omezen na malý rozměr [22]. Dalším důsledkem malého rozměru třísky je to, že proces tvoření třísky je přesunut z koncentrovaného smyku do oblasti mikro- vytlačování. Když nedeformovaná tloušťka třísky je menší než poloměr ostří na noži nebo brousicím zrnu je skutečný úhel čela velice negativní, takže namísto smykové deformace dochází k mikrovytlačování materiálu. Přitom relativně velký objem materiálu je přiveden do stavu plně plastického, aby při relativně malém množství materiálu odešel ve tvaru třísky. To je důvod, proč exponenciálně roste měrná energie se zmenšováním tloušťky nedeformované třísky ( obr. 10 ). V případě broušení musí být relativně velký objem materiálu přiveden do plně plastického stavu, aby relativně malé množství materiálu odešlo ve tvaru třísky. To je jeden z důvodů pro exponenciální růst měrné energie s poklesem nedeformované tloušťky třísky. Autoři článku Lucca a Shaw [23] zjišťovali při svých experimentech jak se mění hloubka deformace podpovrchové vrstvy v závislosti na nedeformované hloubce třísky. Zjistili, že hloubka plasticky nedeformované vrstvy je nezávislá na nedeformované hloubce třísky. 23

24 Obr. 10 Model smykové deformace při řezání a) běžné obrábění; b) broušení; c) přesné obrábění; d) stlačování a smyk; e) mikrovytlačování materiálu při jemném broušení Proces tvárného oddělování třísky Bylo pozorováno, že tendence k rozvoji podpovrchových trhlin se zmenšují se zmenšováním nedeformované tloušťky třísky a že tyto zmizí při její kritické hodnotě. To bylo přičítáno tomu, že materiál je méně křehký pod touto kritickou hodnotou tloušťky třísky a byl uvažován tvárný způsob řezání nebo broušení. Ve skutečnosti se materiál chová spíše jako křehký, když se snižuje zatížení vzorku. Odpověď je možné hledat v analogii, která vychází z povahy mechanizmu tvoření třísky, který vzniká, když velice křehké materiály jsou obráběny za podmínek normálového tření a tlakového napětí na břitu nástroje [24]. Za těchto podmínek se vytváří pilovitá třísky a její 24

25 vznik je důsledkem lokalizace plastické deformace. Jedná se o cyklický způsob tvoření třísky, při kterém trhlina vzniká periodicky na její vnější straně, když hydrostatické napětí se blíží k nule. Trhlina se potom šíří dolů podél smykové roviny k břitu nástroje. Je-li hydrostatické napětí na břitu dostatečně vysoké a tloušťka nedeformované třísky není velká, tyto trhliny se zastaví než dosáhnou břitu nástroje. To znamená, že pronikají do nového povrchu a způsobují vznik podpovrchových mikrotrhlin. Materiál pohybující se podél čela nástroje je vystaven intenzívní plastické deformaci. Nakayama et al. (1974) [25] ukázali, že křehké materiály také vytvářejí pilovitou třísku, a to při zkouškách broušení jedním zrnem při jemném broušení. Autoři Mayer a Fang (1994) [26] studovali vliv nedeformované hloubky třísky na tahovou pevnost vzorků dokončených broušením a stanovili její kritickou hodnotu, při které dochází k poklesu pevnosti (160 µm ). Při vyšších hodnotách této kritické veličiny nebyla zaznamenána změna v ohybové pevnosti. Při jemném broušení bylo ukázáno, že mnohem více materiálu je plasticky deformováno, ve srovnání s materiálem, který přechází v třísku. Poměr těchto dvou objemů se dá určit pomocí obr.11. Obr. 11 Jemné broušení při působení brousicího zrna (podle Lucca a Seo, 1994 [23] ) Deformovaný objem materiálu za jednotku času je přibližně úměrný šrafované ploše, zatímco objem oddělený za jednotku času je úměrný černé ploše na obrobku o tloušťce δ : deformovaný objem / čas odebraný objem / čas = 7,63 g δ Hodnota d 1 = 2 g δ g průměr zrna δ - hloubka odděleného materiálu 25

26 Při jemném broušení je poměr g/δ řádově ve stovkách a tím poměr deformovaného objemu k objemu oddělenému bude mít hodnotu 75. Tvoření mediální trhliny při broušení velmi křehkého materiálu jakým je sklo, je možné vysvětlit pomocí obr.12. Obr. 12 Brousicí zrno o průměru g s označením pružné plastické oblasti Dutina na dně pružně plastické oblasti a tahová napětí na vrcholu ( a) ) na dně dutiny způsobují rozvoj mediální trhliny ( b) ). Je obvyklé charakterizovat koncentraci napětí jako příčinu iniciace křehké trhliny kruhového tvaru. Napětí na vrcholu a dně kruhové dutiny při jednoosém tlakovém poli bude mít hodnotu tlakového napětí s opačným znaménkem, jak je ukázáno na obr. 12 b). I když sklo je dokonale křehký materiál (lomové napětí < napětí skluzové), mediální trhlina může iniciovat na dně kruhové dutiny umístěné v pásmu příčně-plastickém, když plastické pásmo je dostatečně velké, aby přiblížilo kruhovou dutinu víceméně náhodné amorfní struktuře skla. Soustružení diamantovým nástrojem je zavedená technologie opracování součástí z neželezných materiálů (měď, hliník), kde se požaduje konečná drsnost okolo 1 nm a tvarová přesnost 25 nm. Tato technologie se začíná využívat i při opracování křehkých materiálů. Úspěšné byly zkoušky obrábění nástrojem s diamantem při obrábění germania a křemíku. Při negativním úhlu čela byla dosažena drsnost 0,04 µm u germania a 0,03 µm u křemíku [29]. Autor [29] uvedl, že plastická deformace může být nutná, má-li se dosáhnout zrcadlového lesku na křehkém materiálu. Neznamená to ale, že by se tříska měla oddělit tvárným způsobem. Plastická deformace potřebuje ale proběhnout pouze v oblasti blízko dokončované plochy. Protože se pracuje s negativními úhly čela, je materiál vystaven vysokému hydrostatickému tlaku a tím i plastické deformaci. Pokud napětí nejsou dost vysoká aby vyvolala vznik mediální trhliny, může být vytvořena plocha hladká, s jasnou evidencí plastické deformace přímo pod nástrojem. Přítomnost hladké plochy ale není důkazem, že tříska se tvoří tvárným mechanizmem u křehkých materiálů podobně jako u kovů. Prof. Shaw [22] upozornil, že je nesprávné nazývat tento proces, kdy se odděluje velmi malá tloušťka třísky, kdy v podpovrchové vrstvě nejsou žádné trhliny a kdy plocha je dokončena se zrcadlovým leskem, jako proces tvárný. Pojem tvárný proces pro obrábění křehkého materiálu je možné využívat, znamená-li to, že oddělení materiálu proběhlo bez iniciace trhlin v povrchové vrstvě. 26