ANALÝZA ŘEZIVOSTI TŘÍBŘITÝCH VRTACÍCH NÁSTROJŮ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie ISBN ANALÝZA ŘEZIVOSTI TŘÍBŘITÝCH VRTACÍCH NÁSTROJŮ Martin Slaný 1, Martin Madaj 1 1 Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologie, FSI, ÚST slany.m@fme.vutbr.cz madaj@fme.vutbr.cz ABSTRAKT Projekt se zabývá srovnáním dvou a tříbřitých vrtáků s ohledem na silová zatížení a výslednou drsnost povrchu děr vznikající při vrtacích operacích. Testování byly podrobeny nepovlakované nástroje ze slinutého karbidu o průměru 5,8 mm. Experimentálně bylo při vrtání do materiálu GG20 změřeno silové zatížení, které bylo následně vyhodnoceno. Dále byla změřena drsnost povrchu děr Ra a bylo provedeno porovnání středních hodnot této veličiny mezi jednotlivými vrtáky. 1. ÚVOD V moderní době je ve výrobních technologiích trendem zvyšování kvality při současném snižování nákladů na výrobu. Tento trend se nevyhnul ani technologii výroby děr vrtáním. Jako nástroj zvyšující zejména kvalitu vrtaných děr lze kromě dvoubřitého vrtáku použít i tříbřitý vrták. V této oblasti se výzkumy doposud zaměřovaly převážně na vyhodnocování řezných vlastností dvoubřitých vrtáků, u kterých byly sledovány vlivy použitého řezného materiálu, geometrie nástroje, druhu povlaků, řezného prostředí a řezných podmínek na kvalitu a rozměrovou přesnost výsledné díry. Naproti tomu, informace o testování tříbřitých vrtáků byly i ve světě doposud publikovány pouze v omezené míře. Týkaly se např. srovnání dvou a tříbřitých vrtáků při vrtání do kompozitu s epoxidovou matricí a se skelnými vlákny (GFRP) [1], kdy byl obrobek zároveň vystaven vibracím. Další experimenty byly prováděny při vrtání slitiny Ti-6Al-4V [2], kdy byl sledován tvar a velikost vznikajících otřepů. Dvou a tříbřité vrtáky byly rovněž srovnávány v klinických podmínkách při vrtání do kostí [3]. Výše uvedené příklady spadají spíše do speciálních aplikací použití tříbřitých vrtáků. Tato studie si klade za cíl přinést srovnání vhodnosti použití dvou a tříbřitých vrtáků ve strojírenských aplikacích. Informací potřebných k tomuto srovnání bylo dosaženo zkoumáním průběhu silového zatížení a změřením drsnosti povrchu (Ra) vytvořených děr v závislosti na počtu odvrtaných děr. Consulting point pro rozvoj spolupráce v oblasti řízení inovací a transferu technologií

2 1.1 Teorie Naměřené hodnoty posuvové síly [ ] a řezného momentu [ ] lze pro dvoubřité šroubovité vrtáky společně zahrnout do vztahu pro měrnou energii vrtání [ ] (1) [4]: ( ) ( ) ( ( ) ( )) (1) kde [ ] je průměr vrtáku, ( ) [ ] je řezný moment v daném okamžiku měření, ( ) [ ] je posuvová síla v daném okamžiku měření a [ ] je posuv na otáčku. Pro tříbřité vrtáky je nutné rovnici (1) upravit do tvaru (2), kdy jsou koeficienty u řezného momentu a posuvové síly větší než u dvoubřitého vrtáku. ( ) ( ( ) ( )) (2) Další sledovaná veličina, průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu, je vyjádřena vztahem (3), viz [5]: ( ) (3) kde ( ) [ ] je hodnota pořadnice měřeného profilu v rozsahu základní délky [ ]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 2.1 Nástroje pro experiment Nástroje použité při experimentu jsou specifikovány v Tab. 1. Obecně se jedná o monolitní nepovlakované šroubovité vrtáky dvou a tříbřité od dvou dodavatelů, zde označených jako A a B. Nástroje byly voleny s ohledem na vzájemné porovnání podle kritéria podobnosti použitelných řezných parametrů a s udávanou stejnou třídou výsledné přesnosti. Dalším kritériem pro porovnávání byla vhodnost použití nástroje pro vrtání do zvoleného materiálu GG20 popsaného níže.

3 Tab. 1. Geometrická a materiálová specifikace vrtacích nástrojů Geometrické parametry A B 2 břity A1 3 břity A2 2 břity B1 3 břity B2 Úhel špičky ε [ ] Průměr D [mm] 5,8 Délka řezné části L řez ~5xD ~3xD Úhel stoupání šroubovice [ ] Třída přesnosti díry H7 H7 Materiál nástroje VHM K30F Specifické využití nástrojů dle dodavatele Procesní kapalina Standardní vrták Velmi dobré samostředící vlastnosti, pro velmi přesné otvory, velmi dobrý povrch otvorů. 2.2 Specifikace materiálu pro vrtání Bez chlazení Určený pro vyšší řezné rychlosti pro materiály s krátkou a střednědlouhou třísku. Vysoké řezné rychlosti při obrábění materiálu s krátkou (drobivou) třískou. Materiál pro odvrtávání děr byl zvolen na základě specifikace použití vybraných vrtáků. V tomto ohledu byla hlavním kritériem velikost tvořené třísky. U tříbřitých vrtáků se v důsledku přítomnosti další (třetí) drážky zmenšuje prostor pro odvod třísek, a proto by při vrtání do houževnatých ocelí mohlo docházet k ucpání drážky vrtáku v díře a následně ke zničení vrtáku. Proto byl zvolen materiál s krátkou až drobivou třískou litina GG20. Popis materiálu uvádí tab. 2. Tab 2. Chemické složení materiálu GG20 dle normy EN-GJL-200 Označení dle DIN (EN) %C %Si %Mn %P %S %Cr %Mg GG20 (EN-GJL-200) 3,47 1,99 0,41 0,23 0,09 0,08 - Polotovarem pro experimenty byl odlitek o rozměrech z materiálu GG20 litý do pískové formy a obrobený ze všech stran. Tloušťka obrobku byla stanovena dle použitelnosti vrtáků udávané výrobcem (délky řezné části) na, tedy. 2.3 Měřící aparatura Pro měření silového zatížení a krouticího momentu byly použita měřící aparatura dynamometr KISTLER 9272 s osmikanálovým nábojovým zesilovačem KISTLER Snímkovací frekvence byla nastavena na 3000 Hz. Blokové schéma je uvedeno na obr. 1. Obr. 1. Schéma zapojení měřící aparatury KISTLER pro snímání silového zatížení a krouticího momentu

4 2.4 Strojní zařízení Experiment probíhal na vertikální frézce FV 25 CNC s řídicím systémem Heidenhain itnc Řezné podmínky Řezné podmínky byly stanoveny na základě doporučení výrobců tak, aby v rámci srovnávaných nástrojů byly shodné: otáčky, řezná rychlost, posuvová rychlost, bez chlazení. 2.6 Popis experimentu Nejprve byly proměřeny geometrické parametry testovaných nástrojů. Poté byla do odděleného kusu obrobku upnutého ve svěráku s dynamometrem Kistler odvrtána první měřená díra hodnoty posuvové síly a řezného momentu byly zaznamenány do binárního, resp. textového souboru pro další zpracování. Následně byla odvrtána do neměřeného kusu obrobku upnutého na stole frézky dávka 21 děr. Poté byla opět vrtána měřená díra. Exportované hodnoty zatížení byly následně zpracovány v softwaru Microsoft Excel a Minitab. Obrobky s dírami, u kterých probíhalo měření, byly rozfrézovány tak, aby bylo možné pomocí přístroje Taylor Hobson Precision Form Talysurf Intra provést měření drsnosti vnitřku děr. 3. VÝSLEDKY EXPERIMENTU Pro všechny nástroje byly zaznamenány závislosti posuvové síly a řezného momentu na čase, ukázka pro jednu díru je na obr. 2. Následně byly pro každé měření vypočítány střední hodnoty posuvové síly a řezného momentu společně se standardními odchylkami ze standardních odchylek lze posoudit stabilitu řezného procesu. Čím jsou tyto hodnoty menší (hodnoty posuvové síly a řezného momentu méně kolísají kolem své střední hodnoty), tím je obrábění stabilnější. Rovněž je požadováno, aby byly co nejmenší samotné hodnoty posuvové síly a řezného momentu. Obr. 2. Závislost posuvové síly a řezného momentu na čase

5 Vliv posuvové síly a řezného momentu je zahrnut ve vztazích (1) a (2) pro výpočet měrné energie vrtání. V grafech na obr. 3 jsou vyneseny hodnoty měrné energie vrtání pro všechny měřené díry. Obr. 4 znázorňuje rozdíly mezi celkovými středními hodnotami měrné energie vrtání všech nástrojů. Obr. 3. Hodnoty měrné energie vrtání pro všechny měřené díry Obr. 4. Celkové střední hodnoty měrné energie vrtání vrtáků

6 Drsnost povrchu byla měřena v podélně odfrézovaných dírách na délce. Ukázka protokolu a grafu z měření pro pátou měřenou díru vrtáku B2 je na obr. 5. Obr. 5. Protokol z měření drsnosti díry nástroje B2 Obr. 6 zachycuje závislost drsnosti na počtu vyvrtaných děr u všech použitých nástrojů. Obr. 6. Průběhy hodnot Ra v závislosti na počtu vyvrtaných děr

7 Celkové střední hodnoty drsností pro jednotlivé nástroje jsou zobrazeny na obr DISKUZE Obr. 7. Rozdíly mezi středními hodnotami Ra jednotlivých vrtáků Z pohledu měrné energie vrtání se jako nejstabilnější při celém testování jevil vrták B1 (viz obr. 3 a 4). Jednalo se tedy o dvoubřitý nástroj. Rovněž drsnosti děr vyvrtaných tímto nástrojem vykazovaly oproti dírám ostatních nástrojů poměrně nízký rozptyl hodnot (viz obr. 7), ovšem celková střední hodnota drsnosti povrchu Ra děr byla vyšší než celkové střední hodnoty Ra zbývajících děr. U vrtáku A2 (tříbřitý nástroj) jsou výsledky zkresleny díky tomu, že po vyvrtání páté měřené díry bylo zjištěno odlomení břitu nástroje a vrták A2 musel být vyřazen. Toto bylo způsobeno s největší pravděpodobností tvrdými vměstky v odlitku vrtané desky ukázka je na obr. 8. Obr. 8. Odlomený břit vrtáku A2

8 5. ZÁVĚR Nejnižších hodnot měrné energie ( ) dosáhl vrták B1, který byl zároveň z tohoto hlediska při řezném procesu také nejstabilnějším. Nízkou hodnotu vykazoval i vrták A1:, který však byl méně stabilní. Relativně nízké hodnoty měrné energie vrtání byly v porovnání s tříbřitými nástroji způsobeny pravděpodobně tenčím jádrem a tím pádem větším prostorem pro odvod třísek. Celková střední hodnota Ra byla nejnižší u vrtáku A1:, který zároveň vykazoval největší stabilitu těchto hodnot. Poměrně stabilní, ale zároveň nejvyšší celkovou střední hodnotu Ra měl vrták B1:. Nejvyšší hodnotu vykazoval tříbřitý nástroj B2 ( ). Hodnota Ra tohoto nástroje byla druhá nejvyšší, kolísání Ra kolem střední hodnoty bylo u tohoto nástroje nejvyšší:. Na základě výše uvedených údajů se z hlediska stability při obrábění a dosahované drsnosti povrchu jeví jako nejlepší dvoubřité nástroje A1 a B1. Podstatný vliv na výsledky by však při vrtání mohla mít přítomnost procesní kapaliny, která by zejména u tříbřitých vrtáků mohla přinést snížení silového zatížení vlivem snadnějšího odvodu třísky z místa řezu. LITERATURA [1] RAMKUMAR, J., MALHOTRA, S. K., KRISHNAMURTHY, R.: Effect of workpiece vibration on drilling of GFRP laminates, Journal of Materials Processing Technology, Volume 152, Issue 3, 30 October 2004, Pages , ISSN Dostupný z WWW: [ 2] HEWSON, J.: Surface Roughness (Ra) Analysis in Dry Drilling of Ti-6Al-4V LMA Research Reports. Dostupný z WWW: < _Hewson_2/98_Hewson_2.pdf [3] BERTOLLO, N., GOTHELF, T.K., WALSH, W.R.: 3-Fluted orthopaedic drills exhibit superior bending stiffness to their 2-fluted rivals: Clinical implications for targeting ability and the incidence of drill-bit failure, Injury, Volume 39, Issue 7, July 2008, Pages , ISSN Dostupný z WWW: < article/b6t78-4sj9gc1-1/2/a411ac6b d320d3249ddc66e3d >. [4] FOREJT, M., PÍŠKA, M. Teorie obrábění, tváření a nástroje Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, s ISBN: [5] HUMÁR,A. TECHNOLOGIEOBRÁBĚNÍ 1, LABORATORNÍ CVIČENÍ [online].studijní opory pro magisterskou formu studia. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2003, 64s. Dostupné z WWW: